УДК 666.9.015, 622.063.23

НОВАЯ НЕВЗРЫВЧАТАЯ РАЗРУШАЮЩАЯ СМЕСЬ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

И. Г. Сахно, С. В. Борщевский, Я. О. Щуляк

Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет»

ул. Артема, 58, г. Донецк, Украина, 83000. Е-mail: sahno_i@mail.ru.

Вопрос снижения эффекта разупрочнения прочных горных пород при их разрушении актуален при ведении горных работ как открытым, так и подземным способами. Одним из перспективных направлений статического разрушения горных пород, исключающего повышение трещиноватости массива при разрушении, является исполь- зование невзрывчатых разрушающих составов НРС. Основной проблемой применения существующих НРС в усло- виях положительных температур является неуправляемый рост скорости гидратации, что приводит к выбрасыванию НРС из шпуров. Представлены результаты исследований направленных на разработку невзрывчатой разру- шающей смеси стабильно работающей в температурном режиме (+20)–(+35) 0С и способной обеспечить высо- кие давления саморасширения в течение 5–8 часов после ее приготовления. Ее применение позволит повысить производительность невзрывного разрушения горных пород.

Ключевые слова: невзрывчатые разрушающие составы, саморасширение, гидратация, компонентный со- став.

НОВАЯ НЕВЗРЫВЧАТАЯ РАЗРУШАЮЩАЯ СМЕСЬ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

И. Г. Сахно, С. В. Борщевский, Я. О. Щуляк

Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет»

вул. Артема 58, г. Донецьк, Україна, 83000. Е-mail: sahno_i@mail.ru.

Питання зниження ефекту розукріплення міцних гірських порід при їх руйнуванні актуальне при веденні гірничих робіт як відкритим так і підземних способами. Одним з перспективних напрямів статичного руйну- вання гірських порід, що виключає підвищення тріщинуватості масиву при руйнуванні, є використання невибу- хових руйнівних складів НРС. Основною проблемою використання існуючих НРС в умовах позитивних темпе- ратур є некероване зростання швидкості гідратації, що приводить до викидання НРС із шпурів. Представлені результати досліджень направлених на розробку невибухової руйнівної суміші, що стабільно працює в темпе- ратурному режимі (+20)–(+35) 0С, і здатною забезпечити високий тиск саморозширення протягом 5–8 годин після її приготування. Її використання дозволить підвищити продуктивність невибухового руйнування гірських порід.

Ключові слова: невибухові руйнівні склади, саморозширення, компонентний склад.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В настоящее время бесспорным лидером разрушения прочных горных пород при разработке месторождений полезных ис- копаемых как открытым, так и подземным способом является буровзрывной способ. Основным недос- татком этого способа является сейсмическое воздей- ствие взрыва на породы, нарушение их сплошности, развитие трещин и ослабление массива. Наиболее остро это сказывается при добыче камнесамоцвет- ного и кристаллосырья, блочных материалов, окон- туривании горных выработок. Применение низко- бризантных ВВ, патронов и зарядов специальных конструкций позволяют снизить динамическое воз- действие на околошпуровую область, однако их применение приводит к повышению затрат на раз- рушение и в ряде случаев не обеспечивает требуе- мых конечных результатов. Так, например, при до- быче блочного камня потери достигают 40 и более процентов.

Одним из возможных направлений решения этой проблемы является применение статических мето- дов разрушения горных пород. В настоящее время разработано множество способов невзрывного раз- рушения, в частности, механические методы (кли- новой, гидроклиновой, алмазно-канатное пиление, камнерезные буровые установки и комбайны), ме-

тоды основанные на энергии жидкости (гидродина- мический, физико-химический импульсный разрыв, гидроудар, гидрорезание, флюидоразрыв), тепловые (терморезка), электрические и электромагнитные (взрывание электрических проводников, электриче- ский пробой, тепловой пробой, токами высокой час- тоты, плавлением, лазерным излучением, электро- магнитным излучением), комбинированные методы. Большинство этих методов находятся на стадии на- учно-исследовательских и проектных разработок. Их промышленное использование сдерживается отсутствием оборудования, малой надежностью, высокой энергоемкостью, опасным воздействием на человека, высокой стоимостью. Все эти недостатки вынуждают искать пути создания дешевых и пер- спективных способов разрушения прочных горных пород.

Одним из перспективных направлений статиче- ского разрушения горных пород является использо- вание невзрывчатых разрушающих составов НРС.

Начиная с 1980 г. по настоящее время только в Японии разработано более двух десятков невзрыв- чатых разрушающих составов для практического применения на открытых и подземных предприяти- ях [1, 2]. Почти одновременно Государственным Всесоюзным научно-исследовательским институтом

строительных и стеновых конструкций им. П.П. Будникова было предложено несколько невзрывча- тых разрушающих составов [3, 4]. На сегодняшний день в мире разработано более 100 различных ком- позиций НРС. Основными их недостатками является длительное по сравнению с буровзрывным способом время разрушения (8–24часа), ограниченный темпе- ратурный режим работы. При отрицательных тем- пературах эффективность разрушения резко снижа- ется за счет замедления скорости гидратации, а при высоких положительных температурах наблюдается непризвольное выбрасывание смеси НРС из шпуров, вызванное резким повышением скорости гидрата- ции. Причиной выбрасывания смеси НРС из шпуров является рост внутришпурового паро-газового дав- ления, резко повышающегося при переходе химиче- ски несвязанной воды в пар при превышении темпе- ратурой НРС в процессе гидратации, температуры кипения воды.

Цель работы – разработка новой невзрывчатой разрушающей смеси для разрушения горных пород в условиях температурных полей подземных горных выработок

МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВА-

НИЙ. В последнее время в ДонНТУ ведется работа, направленная на расширение области применения НРС, в частности использование их в условиях тем- пературных полей подземных горных выработок. При этом основной задачей является сокращение времени разрушения и одновременно исключение явления самопроизвольного выброса НРС из шпура.

Для решения этой задачи авторами проводятся комплексные исследования кинетики саморасшире- ния НРС на основе оксида кальция.

В результате проведенных исследований опреде- лены характерные стадии работы НРС и дана их характеристика [5], выявлены зависимости роста давления саморасширения при различном режиме их работы [6].

Анализ патентной литературы показывает, что управление скоростью реакции гидратации осуще- ствляется путем добавления ускорителей, замедли- телей и пластификаторов. Добавление ускорителей в основном рекомендуют при разрушении материалов в условиях низких температур, и их действие в большинстве случаев сводится к дополнительному повышению температуры смеси в жидкой фазе рас- твора НРС, за счет сильной экзотермичекой реакции ускорителя с оксидом кальция. Добавление замед- лителей производят для стабилизации скорости гид- ратации в условиях высоких положительных темпе- ратур, при этом предотвращается непроизвольное выбрасывание смеси из шпуров, но время разруше- ния материалов увеличивается. Действие пластифи- каторов в основном сводится к повышению под- вижности смеси НРС.

Таким образом, существующими составами НРС достичь сокращения времени разрушения пород в условиях высоких положительных температур при одновременном исключении «вышпуривания», дос- таточно сложно. Поэтому целью исследований был

поиск рецептуры состава НРС позволяющей уско- рить гидратацию без дополнительного выделения тепла, и обеспечить высокие давления в течение 5-8 часов после приготовления состава.

Лабораторные исследования проводились в не- сколько этапов. В качестве базового состава, к кото- рому вели подбор добавок был выбран НРВ-80, вы- пускаемый промышленностью Украины. В качестве дополнительного реагента было предложено ис- пользование этановой кислоты.

Целью первого этапа было изучение влияния со- держания этановой кислоты в составе НРС на ско- рость гидратации и максимально достигаемую тем- пературу состава. Исследования представленные в работе [5], показали что в качестве индикатора ско- рости процесса гидратации и ее стадии может вы- ступать изменение температуры НРС. Приготовлен- ный раствор НРС при помощи шприца помещали в цилиндрические резиновые оболочки диаметром 40 мм, объем раствора НРС в оболочках составлял 30 см3. Содержание этановой кислоты в составе изме- няли от 0,3 до 1,2%. Внутрь оболочек с НРС уста- навливали электронный лабораторный термометр с точностью 0,1 0С. Оболочки оставляли в воздушной среде. Температура окружающей среды при экспе- рименте составляла 35 0С. Таким образом, проводи- ли провоцирование выброса НРС. После обработки результатов эксперимента получили графики харак- теризующие скорость гидратации НРС на разных стадиях с различным содержанием этановой кисло- ты (рис. 1).

Рисунок 1 – Графики роста температуры НРС в обо- лочке при добавлении в состав этановой кислоты, мас. %: 1 – 0; 2 – 0,33; 3 – 0,66; 4 – 0,9; 5 – 1,17

Анализ результатов позволил сделать выводы, что с добавлением этановой кислоты повышается скорость гидратации состава на первой и второй стадиях. Так при добавлении 1,17 мас. % этановой кислоты время первой и второй стадий гидратации, по сравнению с чистым составом, сократилось в 5 раз. Дальнейшее повышение содержания этановой кислоты в данном температурном поле приводит к срабатыванию состава в течение 1-2 минут после

смешивания компонентов, что не позволяет провес- ти соответствующие замеры. Кроме того было от- мечено снижение максимальной температуры, раз- виваемой составом, от 240 до 161 оС при добавлении 1,17 мас. % этановой кислоты.

Поскольку проведенные на первом этапе иссле- дования не позволяют оценить влияние предложен- ной добавки на развиваемое составом давление, был проведен второй этап исследований.

Эксперименты проводились в специальном стен- де [7], содержащем источник внешнего давления, корпус с испытательной камерой, поршень, датчики и регистрирующие приспособления, при этом кор- пус испытательной камеры содержал нагреватель- ный элемент соединенный с датчиком температуры, установленном на внутренней стороне камеры, и имеющий выход к блоку управления.

Исследования проводили в режиме заданной же- сткости при свободном сотоянии смеси в начальный момент. В корпус испытательной камеры стенда помещали исследуемый образец НРС объемом 8 см3, с содержанием этановой кислоты от 0,5 до 2,0 мас. %. Температура окружающей среды при экспе- риментах составляла 30 оС. Результаты испытаний приведены на рис. 2.

Рисунок 2 – Графики роста усилия на поршень от саморасширения НРС в рабочей камере стенда при добавлении в состав этановой кислоты. мас. %: 1 – 0; 2 – 0,53; 3 – 1,12; 4 – 1,65; 5 – 2

Анализ результатов позволяет сделать выводы, что добавление этановой кислоты приводит к уско- рению роста давления саморасширения, однако вы- зывает снижение величины конечного давления. Поскольку интересуемый временной диапазон 5–8 часов после приготовления состава, можно сделать вывод, что максимального давления в этом времен- ном отрезке можно достичь при добавлении этано- вой кислоты 0,5–1,1 мас. %. При этом конечное дав- ление саморасширения в возрасте 24 часа снижается на 8–17 %, однако в первые 10 часов после приго-

товления состава достигаются бóльшие, чем при составе–аналоге давления.

Дальнейшее повышение содержания этановой кислоты приводит к росту давления саморасшире- ния в ранние сроки (до 4–5 часов), но также к значи- тельному снижению конечного давления саморас- ширения, так при добавлении 1,6–2 мас. % конечное давление снижается в 1,7–1,9 раза по сравнению с составом–аналогом. Это не позволит гарантировать разрушение объекта в случае предельных расстоя- ний между шпурами или наличия локальных зон повышенной прочности из-за отсутствия резерва усилия саморасширения. Проведенные на втором этапе исследования в целом подтверждают резуль- таты, полученные на первом этапе эксперименты в части роста скорости гидратации на первой и второй стадии при добавлении в НРС этановой кислоты.

После этого были проведены эксперименты по изучению рабочих характеристик разрабатываемого НРС при различном соотношении входящих компо- нентов.

В качестве основы невзрывчатой смеси, к кото- рой добавляли этановую кислоту, был принят состав согласно [8], являющийся основой большинства отечественных невзрывчатых композиций, вклю- чающий следующие компоненты, мас. %: кальцинированная сода – 3,5–7,0, сульфитно- дрожжевая барда – 1,0–2,0, негашеную известь – остаДлльяноеп.олучения невзрывчатой разрушающей смеси использовали оксид кальция (CaO), получен- ный путем обжига известняка и гипса в соотноше- нии 3:1 при 1200–1350 оC в течение 5–6 час и охла- жденного на воздухе.

Невзрывчатую разрушающую смесь готовили путем совместного помола окатышей обожженного известняка и гипса и кальцинированной соды (Na2CO3) в шаровой мельнице до остатка на сите № 008 до 10 %. При этом готовили пять смесей с со- держанием кальцинированной соды в пересчете на готовый материал 1, 3, 6, 9, 11 мас. %.

Полученные порошки затворяли водным раство- ром, содержащим лигносульфонат технический мо- дифицированный (ЛСТМ) (взамен сульфитно- дрожжевой барды) и этановую кислоту (CH3COOH). При этом водопорошковое соотношение изменялось в диапазоне 0,33–0,4 мас. %, в зависимости от соот- ношения введенных компонентов, и соответствова- ло подвижности смеси определяемой по расплаву конуса 18 см.

Таким образом, в результате аналитических и

лабораторных изысканий была разработана не- взрывчатая разрушающая смесь, содержащая сле- дующие компоненты, мас. %: кальцинированная сода – 2,0–9,0, лигносульфонат технический моди- фицированный – 0,40–2,5, этановая кислота – 0,25– 1,1, оксид кальция из обожженных известняка и гипса – остальное.

Результаты экспериментов предложенного со- става НРС для применения в температурных режи- мах (+25)–(+35) оС, представлены в табл. 1.

Введение в комплексную невзрывчатую разру- шающую смесь этановой кислоты за счет регулиро- вания скорости реакции гидратации обеспечивает повышение скорости роста давления саморасшире- ния, приводит к ограничению непроизвольных вы- бросов смеси из шпуров при температуре до +35 0С, что позволит повысить производительность не- взрывного разрушения горных пород. При этом в условиях высоких температур, даже при развитии

непроизвольного выброса, температура смеси не будет превышать 180 0С, что позволяет применять смесь в условиях подземных горных выработок.

Лигносульфонат обеспечивает высокую подвиж-

ность смеси. Кальцинированная сода способствует образованию кристаллизационного каркаса проти- водействующего выбросу смеси из шпура.

Таблица 1 – Результаты испытаний разработанного НРС в температурном поле (+25)–(+35) 0С

Анализ проведенных испытаний позволяет ут- верждать, что при повышении температуры объекта вмещающего шпур с НРС для предотвращения не- произвольного выброса из шпура необходимо по- вышать содержание кальцинированной соды в сме- си, что способствует замедлению процесса гидрата- ции и образованию кристаллизационного каркаса, препятствующего выбрасыванию смеси. При этом повышение содержания кальцинированной соды более 9 мас. % в смеси приводит к резкому сниже- нию развиваемого давления саморасширения, что снижает производительность невзрывного разруше- ния горных пород. А уменьшение содержания каль- цинированной соды менее 2 мас. % в смеси приво- дит к развитию выброса смеси из шпура в результа- те самонагревания смеси при гидратации.

Повышение содержания этановой кислоты при- водит к росту скорости реакции гидратации, что обеспечивает рост давления саморасширения. При этом повышение содержания этановой кислоты бо- лее 1,1 мас. % в смеси приводит к выбрасыванию смеси из шпура в результате фазового перехода хи- мически несвязанной воды в пар при самонагрева- нии смеси. А уменьшение содержания этановой ки- слоты менее 0,25 мас. % в смеси не оказывает суще- ственного ускоряющего эффекта.

Повышение содержания ЛСТМ приводит к по- вышению подвижности смеси и снижению водопо- требности порошка. При этом снижение содержания ЛСТМ менее 0,40 мас. % в смеси не позволяет

обеспечить необходимой консистенции смеси, та- кую малоподвижную смесь технологически трудно размещать в шпур. Повышение содержания ЛСТМ более 2,5 мас. % в смеси приводит к снижению раз- виваемого давления саморасширения.

ВЫВОДЫ. Добавление этановой кислоты в НРС на основе оксида кальция приводит к повышению скорости гидратации состава на первой и второй стадиях и снижению максимальной температуры, развиваемой составом при провоцировании непро- извольного выброса. Кроме того, добавление этано- вой кислоты приводит к ускорению роста давления саморасширения, однако приводит к снижению ве- личины конечного давления. Поскольку интересуе- мый временной диапазон 5–8 часов после приготов- ления состава, можно сделать вывод, что макси- мального давления в этом временном отрезке можно достичь при добавлении этановой кислоты 0,5–1,1 мас. %.

В результате аналитических и лабораторных изысканий была разработана невзрывчатая разру- шающая смесь, использование которой позволит создать высокое давление саморасширения в мини- мальные сроки, исключая при этом непроизвольный

выброс смеси из шпуров при температуре до +35 0С,

что позволит повысить производительность не- взрывного разрушения горных пород.

ЛИТЕРАТУРА

1. Заявка 57–187044, Япония, МКИ В 02 С 19/18.

   Средство для разрушения каменных материалов и бетона / Сайто Акира, Накатани Сэйити, Мива Аки- ра, Аги Исао, Исакаи Дзюк; Дэнки кагаку коге к.к.,

   № 56-71233 заявл. 12.05.81, опубл. 17.11.82.

2. Заявка 57–136954, Япония, МКИ В 02 С 19/18.

   Средство для разрушения каменных материалов, в том числе бетона / Нисихара Акио, Мива Мотому, Тада Сюти; Асахи дэнка коге к. к., №56–23509 за- явл. 19.02.81, опубл. 24.08.82.

3. Новый материал для эффективного разруше- ния прочных хрупких объектов / Николаев М.М., Захаров Г.В., Глазунов А.В. // Горный журнал. – 1989. – № 5. – С. 35–36.

4. Средство невзрывчатое разрушающее (НРС-1).

   Технические условия. – МПСМ СССР, 1987. – 37 с.

5. Обоснование методов управления скоростью роста распорно-компрессионных характеристик не-

   взрывчатых разрушающих веществ / Касьян Н.Н., Сахно И.Г., Шуляк Я.О. // Вісті Донецького гірничо- го інституту. – 2010. – № 2. – С. 209–219.

6. Сахно И.Г. Лабораторные исследования осо-

бенностей работы невзрывчатых разрушающих ве- ществ при фиксированном сопротивлении их объ- емному расширению // Проблеми гірського тиску . 2010. – №18. – С. 135–149.

7. Пат. № 60794, МПК(2011.01) G01L 1/10, E21С

37/00 Стенд для випробувань невибухових руйную- чих речовин / М.М. Касьян, І.Г. Сахно, (Україна). – u 2010 15412; заявл.20.12.2010, опубл. 25.06.2011;

Бюл. №12. – 6с.:ил.

8. А.С. СССР N 1648911, МПК 5 С 04 B 7/00,

Разрушающий материал / Лугинина И.Г., Шере-

метьев Ю.Г. – 4496506/33, заявл.19.10.1989, опубл. 15.05.1991; Бюл. №18. – 2с.

NEW NON-EXPLOSIVE DETRUCTIVE MIXTURE FOR ROCK FAILURE IN THE CONDITIONS OF TEMPERATURE FIELDS OF UNDERGROUND MINING WORKINGS

I. Sahno, S. Borschevskiy, Ya. Shulyak

Donetsk National Technical University

Artema Str., 58, Donetsk, 83000, Ukraine. Е-mail: sahno_i@mail.ru.

The problem of reducing of the effect of solid rock weakening when their failure is a topical issue for both open and underground mining. One of prospective trends of static rock destruction without increasing of rock cracking is use of non-explosive destructive compositions. The main problem of the current non-explosive destructive compositions using at above-zero temperature is uncontrolled increase of hydration intensity, which leads to ejection of non-explosive de- structive compositions from holes. The research results of development of non-explosive destructive mixture, which are able working reliably at temperature of (+20) … (+35) 0С, providing high self-expansion pressures for 5…8 hours after it is made, are presented. This mixture applying allows promote the productivity of non-explosive rock failure.

Кey words: non-explosive destructive compositions, self-expansion, hydratation, composition analysis.

REFERENCES

1. Japanese Application Publication JP 57-187044, В 02 С 19/18. Crushing agent / Aitou Akira, Nakatani Seiichi, Miwa Akira, Yagi Isao, Isogai Jiyun; Denki Kagaku Kogyo Kk., Priority JP (1981) – 71233 A. 12.05.81, Published on 17.11.82.

2. Japanese Application Publication P 57-136954, В 02 С 19/18. Crushing agent / Nishihara Akio, Miwa Motomu, Tada Shiyuuichi; Asahi Denka Kogyo Kk., Priority Jp (1981)-23509 A. 19.02.81, Published on 24.08.82.

3. The new material for the effective destruction of the brittle solid objects / M. Nikolaev, G. Zakharov, A. Glazunov // Mining Journal. – 1989. – No 5. – РP. 35–

1. [in Russian]

   1. Non-explosive means of destroying. Specifica- tions. – MPSM USSR, 1987. – 37 p. [in Russian]

   2. Rationale for management growth rate of com-

      pression characteristics of spacer-depleting substances non-explosive / Kasian N., Sakhno I., Shulyak Ya. //

      News of Donetsk Mining Institute. – 2010. – № 2. – РP. 209–219. [in Russian]

   3. Sakhno I. Laboratory studies of the characteris- tics of non-explosive depleting substances at a fixed resistance to volume expansion // The problems of rock

pressure. In 2010. – № 18. – РP. 135–149. [in Russian] 7. Pat. № 60794, MPK(2011.01) G01L 1/10, E21S

37/00 Testbench for testing destructive non-explosives /

M. Kas'jan, І. Sahno, (Ukraina). – u 2010 15412; Ap- plication 20.12.2010, Publ. 25.06.2011; Bull. №12. – 6p.:il. [in Russian]

8. A.С. USSR N 1648911, C 04 B 5 7/00,

Destructive material / Luginin I., Sheremet'ev Y. – 4496506/33, Application 19.10.1989, Publ. 15.05.1991,

Bull. № 18. – 2 p. [in Russian]

Стаття надійшла 15.01.2012.

Рекомендовано до друку

д.т.н., проф. Воробйовим В.В.