Разупрочнение горных пород

Направленное изменение свойств пород в сторону уменьшения их прочности целесообразно во всех процессах горного производства, свя­занных с разрушением разрабатываемого массива. Достичь разупрочнения горных пород можно путем воздействия на массив различными физиче­скими полями (см. параграф 8.4). Однако такое воздействие связано с предварительной обработкой массива и, следовательно, с прерыванием технологического процесса. Кроме того, разупрочнение больших объемов горных пород приводит к потере устойчивости массива и дополнительным затратам на поддержание выработанного пространства. В этой связи более предпочтительным является локальное разупрочнение пород, например, непосредственно под породоразрушающим инструментом. Эффективным инструментом такого воздействия могут служить поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Поверхностно-активными называют вещества, адсорбирующиеся на границе раздела фаз, т.е. на поверхности трещин, пор и поверхности мине­ральных частиц, составляющих горную породу. К ним можно отнести ор­ганические вещества (мыла, спирты, жирные кислоты) и неорганические (соли, растворы электролитов). В соответствии с эффектом П.А.Ребиндера поверхность трещин и пор в горной породе адсорбирует из внешней среды молекулы жидкости, связывая их с помощью дипольного (физическая ад­сорбция) или обменного (хемосорбция) взаимодействия. Поверхностно-активные вещества даже в очень малых количествах способны резко уве­личить способность горной породы концентрировать на своей поверхно­сти молекулы раствора. Можно выделить следующие механизмы действия ПАВ на горные породы.

Прежде всего, процесс адсорбции происходит за счет уменьшения по­верхностной энергии горной породы. При этом на поверхности трещи­ны образуется одномолекулярный адсорбционный слой. За счет пониже­ния поверхностной энергии возникает движущаяся сила, где - удельная поверхностная энергия в вакууме; - удельная энергия поверхности, покрытой адсорбционным слоем данной степени насыщения. Эта движущая сила заставляет адсорбированные молекулы передвигаться по поверхности (двумерная миграция), покрывая всю доступную им поверхность трещины до тех пор, пока величина раскрытия в тупике трещи­ны не будет меньше толщины молекулы. При этом мигрирующий адсорб­ционный слой создает давление, направленное в сторону дальнейшего раз­вития трещины вглубь горной породы. Это давление способствует облег­чению деформации и разрушения горной породы.

Кроме того, внешняя поверхность одномолекулярного адсорбционно­го слоя связывает дипольным взаимодействием переходные (сольватные) слои жидкости. Вследствие этого вода может проникать в такие микро­трещины, куда без помощи ПАВ она проникнуть не может. При механическом воздействии на горные породы такая вода оказывает расклиниваю­щий эффект.

За счет высокой проникающей способности молекул ПАВ жидкость поступает даже на самые плотные межзеренные контакты, а часто и внутрь кристаллических зерен, тем самым уменьшая силы сцепления частиц и увеличивая пластичность горной породы.

Одной из главных черт эффекта Ребиндера является избирательность его действия, состоящая в том, что указанные механизмы активно прояв­ляются лишь при тщательно подобранном для конкретных горных пород ПАВ в строго определенной их концентрации в растворе. В противном случае разупрочнения пород можно не достичь или даже получить проти­воположный эффект.

Специально подобранные поверхностно-активные вещества могут эффективно использоваться для повышения эффективности процессов ме­ханического разрушения горных пород. Так, введение в промывочную жидкость строго дозированного количества ПАВ (обычно десятые или со­тые доли процента) позволяет на 20-50 % повысить скорость бурения или резания пород комбайнами. Проникая по трещинам в зону предразрушения, активные растворы снижают прочность пород и улучшают работу породоразрушающего инструмента. Так, за счет адсорбции молекул ПАВ между инструментом и поверхностью породы образуются слои жидкости, играющей роль смазки. Это обусловливает снижение абразивности горных пород, что приводит к уменьшению износа и затупления буровой коронки или резца. Улучшение условий смачивания горных пород при использова­нии ПАВ позволяет в несколько раз снизить выход пыли при механиче­ском разрушении горных пород.