8.2.2. Регулирование напряженности структуры породы и угля

В горнодобывающей промышленности в связи с разработкой глубоких горизонтов существует опасность выбросов породы, угля и газа в результате накопления внутренних напряжений в породе. Поэтому существует необходимость в разработке мероприятий по предотвращению опасных для жизни шахтеров ситуаций – внезапных выбросов породы, угля и газа при подземной добыче полезных ископаемых. Первые выбросы, например, на шахтах Донбасса, относятся к 50-м годам двадцатого столетия. Они расценивались как результат накопления статических напряжений и наложения на них динамических напряжений. Для решения проблемы был проведен ряд научных исследований, направленных на выявление причин этих явлений и создание механизма их предотвращения. В основу исследований были положены теоретические принципы и методы одного из разделов коллоидной науки – физико-химической механики. В частности, при разработке теоретических предпосылок и физико-химических методов управления физико-механическими свойствами выбросоопасных углей и сопутствующих пород, а также при выработке решения проблемы борьбы с внезапными выбросами в шахтах были использованы представления о поверхностных явлениях в деформации и разрушении твердых тел в поверхностно-активных средах, в частности, проявление эффекта Ребиндера - облегчение пластифицирования и уменьшение прочности в результате физико-химического влияния адсорбирующихся веществ, способных снизить удельную свободную поверхностную энергию и облегчить образование новых поверхностей при нарушении целостности материала.

В основу исследовательских работ были положены условия хрупкого разрушения, для математического описания которого используется уравнение Графитса

, (2.8.1)

где Р₀, Р_c - прочность начальная и после обработки поверхностно-активным модификатором; s₀, s – поверхностное натяжение исходного и модифицированного твердого тела.

П.А. Ребиндер и Е.Д. Щукин после комбинирования уравнения Гриффитса с известным уравнением изотермы адсорбции Гиббса получили уравнение, в котором адсорбция Г поверхностно-активных веществ связывается с прочностью структуры твердого тела:

, (2.8.2)

где Г – адсорбция, кмоль/м²; с – равновесная концентрация раствора модифицирующего поверхностно-активного вещества.

В случае предельного понижения поверхностной энергии наступает самопроизвольное диспергирование твердых тел. Критическое поверхностное натяжение s_m можно рассчитать по известному критериальному уравнению Ребиндера-Щукина

, (2.8.3)

где N_А – число Авогадро, – линейный размер (ребро) частиц.

Процесс понижения прочности в присутствии поверхностно-активных веществ развивается без участия механических напряжений при наличии устойчивых межфазовых границ. Сущность решения проблемы подавления выбросов сводится к пластифицированию пород и к предотвращению их хрупкого разрушения за счет снижения напряжений упругой энергии, накопленной в призабойной зоне, и ее рассеивания путем релаксации напряжений.

Физические и физико-химические свойства ископаемых углей тесно связаны с их надмолекулярной структурой, которая формировалась в процессе метаморфических изменений в угольном теле путем преобразования полимерного угольного вещества деструкцией органических соединений, в результате которых углерод из периферийной части переходит в ядерную и происходит рекомбинация боковых радикалов.

Наиболее простым и доступным методом борьбы с внезапными выбросами в угольных шахтах является обработка выбросоопасных пластов водой. Одновременно с этим частично решается и проблема пылеобразования. Решение последней проблемы относится к задачам охраны труда и мы обсудим ее отдельно.

Изучение смачивания углей водой и ее адсорбции показало, что физико-химические свойства углей тесно связаны с химической природой поверхности, со степенью метаморфизма образцов. Повышение смачиваемости поверхности частиц угля и адсорбции воды наблюдается с ростом количества гидрофильных функциональных групп типа -СООН, -ОН и др.

Угли низкой и средней стадий метаморфизма содержат на поверхности большое количество алифатических групп, что затрудняет их смачивание водой. Было установлено, что угли с высокой степенью метаморфизма сорбируют примерно в два раза больше воды, чем угли средней степени метаморфизма.

Обработка водой неоднозначно влияет на прочность структуры угольных дисперсий. При недостаточном обводнении, вплоть до образования мономолекулярных пленок воды, прочность структуры растет и только после начала формирования полимолекулярного слоя наблюдается снижение прочности структуры. Улучшение смачивания поверхности углей возможно при использовании поверхностно-активных веществ. В качестве таковых чаще всего используют анионактивные и неионогенные ПАВ. Можно применять также и высокомолекулярные водорастворимые вещества, например, полиакриламиды, стиромаль, карбоксиметилцеллюлозу, лигносульфонаты и др. Концентрация поверхностно-активных веществ для угольных пластов обычно невелика (10^-2-10^-1%) в зависимости от поверхностной активности веществ и их химического строения. Ориентированная адсорбция ПАВ приводит к уменьшению поверхностной энергии и к снижению напряженного состояния в пластах. Поскольку процесс адсорбции ПАВ протекает в течение определенного времени, зависящего, в основном, от диффузии молекул, эффект от модификации нарастает постепенно. Было найдено, что величина поверхностной активности на границе водного раствора с воздухом не может быть использована как критерий выбора ПАВ - понизителей прочности. В качестве такого критерия возможно использование теплоты смачивания углей водными растворами поверхностно-активных веществ.