Фізика гірських порід і процесів

1.

Фізика гірських порід і
процесів

2.

ЛЕКЦІЯ 7
Гідравлічні і газодинамічні властивості гірських порід
Вода і гази, що заповнюють поровий простір гірських
порід нарівні з тиском і температурою, є одними з основних
параметрів, що впливають на розвиток метаморфічних і
метасоматичних процесів. Особливості поведінки і стану
флюїдів у поровому просторі і характеру взаємодії їх з
поверхнею твердих фаз багато в чому визначають напрямок
хімічних перетворень в гірських породах. Особливо цей
процес посилюється при стресових навантаженнях, які
супроводжують тектонічну активність. Без особистої участі
флюїдів не протікають магматичні процеси, фізико-хімічні
перетворення,
які
ініціюють,
наприклад,
техногенні
землетруси, принципово неможливе формування родовищ
вуглеводнів і гідротермальних систем, не здійснюються
процеси природного збагачення залізних руд, зародження
викидонебезпечних станів в породах, вугіллі та солях.
Динаміка розвитку флюїдних систем, перенесення в них
речовини і її подальше відкладення, причому, в самих різних
масштабах, має велике практичне значення як для розвитку
уявлень про еволюцію земної кори в цілому, так і для
вивчення, і управління процесами гірничого виробництва.

3.

Вологість і вологоємність
Вологість - параметр, що характеризує вміст води в
гірській породі. Загальна максимальна вологість
породи ω - це вміст води, що насичує повністю поровий
простір породи:
ω = ωх.с. + ωф.с. + ωсв,
де:
ωх.с. – об'ємний вміст хімічно зв'язаної води в твердій
фазі породи;
ωф.с. – об'ємний вміст фізично зв'язаної води;
ωсв. – об'ємний вміст в породі вільної води.
Величину ω називають ще й вологоємністю, яка
при певних термодинамічних умовах і характеристиці
води, що насичує породи, є величиною постійною для
даної породи. Вологість в свою чергу, може
змінюватися в широких межах за рахунок зміни вмісту
в порах фізично зв'язаної і вільної води (вільну воду
часто в літературі називають гравітаційною водою).
В мінералах присутня хімічно зв'язана вода у
вигляді молекул Н2О, що входить у кристали –
кристалізаційна вода.

4.

Прикладами мінералів з кристалізаційною водою є
СаSO4 2H20, епсоміт MgSO4 7H2O, діоптаз Сu6(Si6O18) 6H2O та
ін. Характерно, що більшість мінералів з кристалізаційною
водою при нагріванні до 470–900 К втрачають її, а деякі
окремі мінерали (мірабілит Na2SO4 10H2O) виділяють
кристалізаційну воду при кімнатній температурі.
Вода може бути присутньою в мінералах не
тільки у вигляді молекул, але і у вигляді іонів ОН–,
Н+, Н3О+ кристалічної решітки, наприклад, як в
мінералах алюмосилікатного складу і в першу чергу
глинистих. Таку воду називають конституційною
водою. Приклади мінералів з конституційною водою: тальк
Mg3[Si4O10](OH)2, мусковіт KAl2[AlSi3O10](OH)2, біотит
K(Mg, Fe)3[AlSi3O10](OH, F)2, серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 та
ін. Вміст води в мінералі може досягати 15%. При нагріванні
мінералів до температур 700-1300 К конституційна вода
більшості з них виділяється.
Такі мінерали як гарніерит (Ni, Mg)4 [Si4O10](OH)4 4H2O,
галлуазит Al4Si4O10(OH8) 4H2O містять кристалізаційну і
конституційну воду. Сумарний вміст у твердій фазі мінералу
хімічно зв'язаної води позначають символи H2O+, маючи на
увазі всю воду, що виділилася в результаті нагрівання
мінералу при температурі вище 378 К.

5.

В результаті впливу капілярних сил в поровому просторі
породи накопичується і утримується вода, яку називають
фізично зв'язаною водою. Розрізняють такі її види:
• плівкова, що утримується поверхнею твердої фази,
• капілярно-утримана.
Плівкова вода представлена полішарами зорієнтованих молекул
Н2О, розташованих уздовж поверхні частинок мінерального скелета
породи. Передбачається, що значну частину молекул плівкової води
формують гідратні оболонки катіонів, які утворюють адсорбційний шар
на поверхні твердої фази (можливе дифузне розподілення у межах
плівки). За результатами досліджень товщина шару плівкової води
становить від декількох ангстрем (10–10 м) до 10–7 м. За фізичними
властивостями плівкова вода різко відрізняється від вільної води. Так
щільність і в'язкість плівковою води вищі, температура замерзання і
здатність розчиняти солі - нижчі. Відрізняються також за величиною
діелектричної проникності і питомої електропроводності. У зв'язку з
такими якостями властивості плівкової води називають аномальними,
що дозволяє виділити її як особливу фазу в об'ємі породи з відмінними
фізико-хімічними властивостями від вільної води.
Тому аномальні властивості плівкової води виділяють тільки в
межах цих перших шарів. Така гідратна оболонка катіонів має щільність
в межах 1,3–1,7 г/см3, діелектричну проникність 10-30 від.од.,
характеризується температурою замерзання 195-199 К. Вплив на зразок
породи тиском (на прикладі монтморилоніту та інших змішаношарових
глинистих мінералів) 2 109 Па не дозволяє віджати всю міцнозв’язану
воду, що свідчить про високий ступінь зчеплення води з поверхнею
твердої фази.

6.

Змочуваність - здатність гірської породи
покриватися
плівкою
рідини.
Величина
змочування
твердої
поверхні
рідиною
характеризується крайовим кутом θ, який для
більшості
мінералів
становить
110–160 .
Змочуваність
обумовлена
здатністю
концентрувати на своїй поверхні молекули
рідини за рахунок електростатичних сил. Цю
властивість називають адсорбційною здатністю
гірських порід, більшість з яких відноситься до
гідрофільних, тобто добре змочуваних водою. Такі
мінерали і гірські породи як сірка, вугілля та
бітумінозні
пісковики
є
гідрофобними
по
відношенню до води або погано змочуваних.
Співвідношення кількості різних видів води
(гравітаційної, капілярної) в породах може бути
різним,
що
залежить
від
мінерального,
гранулометричного складу і форми частинок
гірської породи. Гравітаційну воду містять,
наприклад, піски, а капілярну чи молекулярну глини, суглинки, лес.

7.

Завдяки
здатності
порід
вміщати
зв'язану,
гравітаційну та капілярну воду до деякої максимальної
величини введено поняття повної вологоємності:
масова повна вологоємність
ωп = (mn – mc)/ mc,
(5.3)
об’ємна повна вологоємність
ωп.об = Vж/V = (ωп.об )/ ж,
(5.4)
де:
mп – маса породи, максимально насиченою водою;
V – об’єм породи;
Vж – об’єм води, що заповнює породу, Vж = (mn – mc)/ ж;
ж – щільність води;
– об’ємна маса породи;
mc – маса сухого зразка породи.
Об'ємна повна вологоємність за величиною
приблизно дорівнює відкритій пористості породи. У тому
випадку, якщо пори не пов’язуються між собою і в них
залишається деяка кількість газу, невитісненого водою, то
навіть при повному насиченні породи водою ωп.об<Р.

8.

Часто для оцінки водонасичення породи в
природному
заляганні
використовують
такий
параметр як природна вологість ωе
ωе = kвн ωп;
kвн = VВ/VП,
(5.5)
де:
kвн – коефіцієнт водонасичення, що визначає ступінь насичення
породи водою;
Vв и Vп – відповідно об'єми води і пор в породі.
Важливою характеристикою водовмісної гірської породи,
при механічному впливі на неї є здатність віддавати воду
(водовіддача). Багато порід, що містять фізично зв'язану воду,
при будь-яких механічних впливах вельми важко віддають її.
Прикладом тому є леси, пливуни, тобто породи, що
складаються з дуже дрібних частинок. Встановлено, що розмір
мінеральних часток і пор, а також взаємне розташування пор
сильно впливають на величину водовіддачі. При слабкій
водовіддачі порід знижується продуктивність механічної і
гідравлічної розробки родовищ, дроблення корисної копалини,
її транспортування.

9.

Деякі особливості фізико-хімічного стану рідин і газів в
масиві порід
Мінеральне паливо в земній корі сконцентровано у вигляді
скупчень вуглецю і вуглеводнів. У першому випадку це вугілля і
сланці, а в другому - нафтові та газові поклади. Раніше вважалося,
що скупчення вуглеводнів з молекулярною вагою понад 60
знаходяться в земній корі в рідкому стані, а більш легкі - в
газоподібному. Однак в шістдесятих роках минулого століття
встановили, що природний газ при певних термодинамічних умовах
може переходити в земній корі в твердий стан з більш високою
концентрацією газу в одиниці об'єму пористого середовища, ніж в
звичайних родовищах.
З'єднуючись з пластовою водою при гідростатичних тисках до
250·105 Па і температурах до 300 К, газ переходить в твердий стан.
При однакових тисках газогідратний поклад містить в кілька разів
більше газу (до 220 об'ємів), ніж звичайний. Фізична характеристика
газогідратного
покладу
різко
відрізняється
від
фізичної
характеристики
звичайної
газової
поклади.
Наприклад,
електропровідність такої поклади набагато нижча, ніж звичайної, що з
практичної точки зору може бути корисним при розробці нових методів
інтерпретації геофізичних характеристик, з метою виявлення газогідратних
покладів у земній корі. Встановлено, що процес формування газогідратного
покладу може супроводжуватися значним зниженням пластового тиску (нижче
гідростатичного), скороченням розмірів поклади, що може привести до
збільшення її розмірів в разі підтікання газу та води. Газогідратні поклади
можуть розміщуватися в районах вічної мерзлоти і під дном Світового океану.

10.

При будівництві підземних споруд (стволів шахт, тунелів
метро, сховищ і т.д.) іноді виникають проблеми, пов'язані з
пливунами в ґрунтах і породах, що пов'язано з істотними
додатковими витратами ресурсів на запобігання негативного їх
впливу на технологічний цикл.
Пливунами називають водонасичені піски і супіски, здатні
під впливом механічних впливів розпливатися і текти разом з
водою. Водонасичені піски і супіски, здатні під впливом
механічних впливів розпливатися і текти разом з водою, бувають
несправжні та істинні.
Несправжні пливуни – чисті водоносні піски, які при втраті
води втрачають здатність пересуватися, але другий різновид
пливунів (істинних) містить колоїди, що володіють високою
стабільністю, які роблять ґрунт легким до підйому.
Істинні пливуни– середовище проживання мікробів,
продукти життєдіяльності які (газ) насичують ґрунт. Пливун на
глибині затиснутий гірською породою, і тому рухатися йому
нікуди, але в тому випадку, коли пливуна доторкнулась виробка,
він починає рухатися в простір виробки з досить великою
швидкістю. Бульбашки газу, що оточують з усіх боків частки
ґрунту, зменшують тертя, створюючи таким чином своєрідну
повітряну подушку.
На
підставі
цього
відкриття
розроблено нові методи боротьби з пливунами, які припиняють життя
мікроорганізмів і дають вихід газу. Для цих цілей використовують
речовини, які утворюють у землі з'єднання, що вбивають мікроорганізми
(вугілля, житнє борошно, солома, коагулянти, гашене вапно), іноді
ефективне пропускання електричного струму через пливун.

11.

ЛЕКЦІЯ 8
Метаноєність вугілля
Особливі випадки виділення газу з вугілля
Великий об'єм мікропор в кам'яному вугіллі є природним
резервуаром для різних газів. Високе значення величини
теплоти сорбції метану, при невеликих рівноважних його
концентраціях, дозволяє пояснити високу метаноємність
вугільних пластів.
Газоносність або газонасиченість – кількість газів, що
містяться в масовій або об'ємній одиниці гірської породи у
вигляді вільних і сорбованих газів. Зазвичай газоносність
вимірюється в м3/т або м3/м3. Розрізняють газоносність
потенційну, природну і залишкову.
Потенційна газоносність визначається, виходячи зі зміни
газоємності породи в лабораторних умовах в залежності від
тиску газів, температури, вологості породи, наявності
зовнішнього тиску та ін.
Природна газоносність визначається прямим методом,
тобто шляхом відбору зразків керногазозаборниками зі
збереженням газів, що виділилися з кернів і подальшого його
вилучення при температурі, що збільшується, застосування
вакууму і при подрібненні породи. Природна газоносність на
сучасних глибинах розробки вугільних пластів становить в
середньому 12 – 17 м3/т, а в окремих випадках – 80 м3/т.

12.

Потенційна газоносність визначається, виходячи
зі зміни газоємності породи в лабораторних умовах в
залежності від тиску газів, температури, вологості
породи, наявності зовнішнього тиску та ін.
Природна газоносність визначається прямим
методом,
тобто
шляхом
відбору
зразків
керногазозаборниками зі збереженням газів, що
виділилися з кернів і подальшого його вилучення при
температурі, що збільшується, застосування вакууму і
при подрібненні породи. Природна газоносність на
сучасних глибинах розробки вугільних пластів
становить в середньому 12 – 17 м3/т, а в окремих
випадках – 80 м3/т.
Залишкова газоносність визначається шляхом
відбору зразків безпосередньо в шахті з глибини
масиву в місці відслонення пласта, на виході очисного
забою або виробок виїмкової поля і подальшої їх
дегазації
в
лабораторних
умовах.
Наприклад,
залишкова метаноємність вугілля різна і залежить від
ступеня метаморфізму вугілля, коливаючись в межах
1,7 – 12 м3/т для вугілля Донбасу.

13.

Газообільність - кількість газу, що виділився в гірничі
виробки на одиницю об'єму або ваги видобутого вугілля.
Газообільність поділяють на абсолютну - дебіт газу в одиницю
часу (м3/мин или м3/сутки) і відносну – кількість газу, що виділився
за певний час і віднесеного до одиниці маси (або об'єму) вугілля,
породи або руди, видобутих за цей же період часу. Вимірюється
відносна газообільність виробки в м3/т або м3/м3.
За газообільністю вугільні пласти поділяють на чотири
категорії: I категорія – до 5 м3 метану на одну тону добутого
вугілля, II категорія 5 – 10 м3/т, III категорія 10 – 15 м3/т і IV
категорія (надкатегорійні пласти) – понад 15 м3/т. З поглиблення
гірничих робіт кількість метану, що виділяється з вугільних
пластів, збільшується.
Вміст газу в вугіллі складається з двох складових: сорбованого
газу, пов'язаного з вугіллям сорбційними силами, і вільного газу,
що заповнює пори і тріщини. Щоб отримати повний фільтруючий
об'єм пустот в вугіллі, слід підсумувати об'єм пор, одержаний
методом ртутної порометрії, і об'єм тріщин (тріщинну ємність),
отриману при дослідженні аншліфів (аншліф - препарат для
петрографічних досліджень у відбитому світлі з використанням
рудного мікроскопа).
На викидонебезпечних пластах в якості основного, а в деяких
випадках і єдиного заходу, що забезпечує безпеку робітників при
виїмці вугілля в нішах і проходці підготовчих виробок є вибухові
роботи по вугіллю в режимі струсного підривання. Цей метод
забезпечує відбій вугілля на задану величину відходу забою і
безпечне подальше прибирання відбитої гірничої маси.

14.

Відхід від викиду не означає ліквідацію небезпеки, оскільки створюється
ситуація, яка як правило характеризується більш небезпечним вражаючим
людину фактором - загазування виробок на великій відстані, з високою
запиленістю продуктами спровокованого викиду вугілля і газу.
За визначенням раптовий викид вугілля і газу - самовільне
миттєве руйнування частини вугільного пласта поблизу забою
гірничої виробки, що супроводжується відкиданням вугілля,
посиленим газовиділенням, яке відбувається при різкій зміні
напруженого стану насиченого газом вугілля або в результаті
скидання тиску газу на площині забою. Схильність вугільного пласта,
солі або породи (зони ділянки), шахтопласта, що вміщають породи,
родовища в цілому до раптових викидів вугілля, солі або породи і газу
називають викидонебезпечністю. Цю властивість встановлюють на
підставі статистичних досліджень частоти і тяжкості раптових
викидів
на
діючих
шахтах
або
виходячи
з
прогнозу
викидонебезпечності.
Раптові викиди в більшості випадків відбуваються в пластах,
складених повністю або частково вугіллям високого ступеня
порушеності. Тому при встановленні особливостей вугілля,
небезпечних за раптовими викидами, розглядають структуру
тектонічно порушеного вугілля. Важлива особливість вугілля
порушеної структури - сильне подрібнення і підвищена швидкість
виділення газу з диспергованого вугілля. Вугілля порушеної
структури поблизу виробки представляє собою систему, що
відрізняється малою міцністю, великим вмістом вільного газу і
великою швидкістю виходу газу з сорбованого стану.

15.

Раптовий викид умовно поділяють на три
фази:
1 – раптове руйнування і зрушення вугілля
(відбувається без великих витрат енергії і в
тих випадках, якщо вугільний пласт не має
складну будову, але складається з вугілля
високої ступеня порушення).
2 – відкид вугілля від поверхні забою в
виробку (цьому сприяє велика кількість газу,
що
виділяється
під
тиском).
Мала
газопроникність цього вугілля призводить до
того, що швидкість руйнування і зрушення
вугілля
в
початковій
фазі
перевищує
швидкість падіння тиску газу в фільтруючому
об'ємі пор і тріщин.
3 – підвищена швидкість виділення газу з
вугілля полегшує утворення потоку вугілля,
зваженого в газі.

16.

Вугілля з небезпечних за раптовими викидами
пластів практично не відрізняється за газоємністю від
вугілля з безпечних пластів, але характеризується
підвищеною швидкістю десорбції газу. Ця властивість
вугілля є наслідком підвищеної порушеності його
структури. Чим більше порушено вугілля, тим
швидше десорбується з нього газ - підвищена
газовіддача вугілля, небезпечного за раптовими
викидами, пояснюється порушеністю його структури.
Отже, за прогнозом газовиділення слід враховувати
двоякий вплив ступеня порушеності вугілля. Поперше, чим більше порушено вугілля, тим вище
коефіцієнт дифузії газу і тим швидше настає
витікання частинок, по-друге, чим більше порушено
вугілля, тим більше утворюється при його руйнуванні
дрібних частинок, з яких особливо бурхливо
виділяється газ.

17.

Процес газовиділення в часі условно
можна розділити на три фази:
1 – фаза початкового газовиділення
характеризується
прискоренням
процесу; потім через деякий час вона
переходить у 2-у фазу газовиділення,
що
характеризується
постійною
швидкістю; у міру виходу газу зі
зростанням часу цей процес переходить
в 3-ю фазу, так звану фазу виснаження,
яка
характеризується
швидким
загасанням процесу виділення газу і
його закінченням.

18.

Способи боротьби з проявами раптових викидів
вугілля і газу
Важливими і актуальними завданнями, що виникають
при підземному видобутку вугілля, є заходи щодо
запобігання газодинамічних явищ. Ефективність методів
прогнозу, що розробляються і застосовуються, контролю та
боротьби з раптовими викидами вугілля і газу багато в чому
залежить від знання причин і механізмів, що викликають ці
явища.
Вивчення гірничо-геологічних умов, газодинамічних
режимів і фізико-механічних властивостей газоносних
вугільних
пластів
дозволяє
отримувати
комплексні
характеристики викидонебезпечності на горизонтах, що
розроблюються, дозволяє також передбачати в проектах
розтину і підготовки викидонебезпечних пластів найбільш
раціональні та безпечні системи і застосовувати в процесі
розробки ефективні захисні заходи.
Комплекс
заходів,
пов'язаних
із
запобіганням
небезпечних газодинамічних явищ (раптовий викид,
гірський удар), складається з технологічних і фізичних
заходів, фізико-хімічного впливу.

19.

Технологічні заходи включають вибір систем
розробки, техніки і технології виїмки вугілля, які
забезпечують
мінімальну
ймовірність
раптового
викиду.
Фізичні
заходи
спрямовані
на
ліквідацію
факторів, що обумовлюють раптовий викид. Найбільш
широке застосування
знайшов метод дегазації
вугільного пласта, який полягає в бурінні з боку
штреку випереджаючих свердловин і зволоженні
вугільних пластів. Нагнітання води здійснюють під
тиском Рg=(0,8 0,85) обН, що забезпечує видалення
газів і підвищення тріщинуватості пласта.
Застосування струсного підривання забезпечує
безпеку робіт відповідно до діючих Єдиних правил
безпеки при вибухових роботах. Вибухові роботи з
дотриманням
вимог
струсного
підривання
застосовуються
при
гідровибуховій
відбійці
викидонебезпечного пласта (називається пластовим
торпедуванням) і при передовому торпедуванні позапластовим.
Застосовують
іноді
камуфлетне
підривання, яке призводить до розтріскування масиву і
відповідно - до збільшення газовіддачі.

20.

Тепловий вплив включає дві стадії: першу - в
свердловину
нагнітають
водяну
пару
при
температурі 600 К; другу - в пласт нагнітають воду
при температурі ~398 К і тиску 12 106 Па. Після
цього свердловина закривається і витримується
протягом 3-4 місяців. В результаті такого впливу і
відповідно до залежності максимальної величини
сорбції
метану
від
температури
природна
газоносність вугілля знижується більш ніж на 9 м3
на тону.
Фізико-хімічний вплив здійснюють з метою
зміцнення вугільного пласта і консервації
вільного метану в ньому, або зниження кількості
метану в пласті. Зміцнення здійснюють шляхом
нагнітання в пласт мочевиноформальдегідної або
інших смол. Кількість метану можна знижувати
шляхом нагнітання в пласт розчину, насиченого
бактеріями, що пожирають метан.

21.

Фізико-хімічні методи управління газо- і водопроникністю
вугільних пластів і породних масивів.
Способи відновлення водопритоку
Обводненість масивів гірських порід є негативним явищем,
що викликає зниження несучої здатності порід. Керуючи
фільтраційними характеристиками масивів, вдається з високою
ефективністю в процесах водоосушення змінювати, наприклад,
міцність гірських порід і їх стійкість.
Солянокислотна обробка застосовується для розширення
тріщин і утворення каналів вилуговування в карбонатних
породах. Кислота, яку нагнітають в свердловину, вступає в хімічну
реакцію з породами, поширюючись на глибину до 4-х метрів. З
метою збільшення глибини проникнення кислотних розчинів
додають окислювач або оцтову кислоту - речовини, що
уповільнюють реакцію нейтралізації. Використання цього методу
дозволяє збільшити дебіт свердловини в 20-30 разів.
Гідравлічний розрив пласта. Ідея цього методу полягає в
нагнітанні в пласт в'язкої рідини, що містить крупнозернистий
пісок. Як в'язку рідину найбільш широко використовують соляну
кислоту, водний розчин сульфіту спиртової барди та ін.
Досягнувши деякого тиску, рідина розриває пласт, при цьому
разом з рідиною в пласт надходить і пісок. Після припинення
подачі рідини тиск, що діє з її боку на пласт, падає. При цьому
закриття тріщин не відбувається, тому що пісок, що заповнив їх,
перешкоджає змиканню тріщин.

22.

Торпедування свердловин. Метод полягає у підриванні спеціальних
зарядів вибухових речовин, розміщених в кульових або торпедних
перфораторах, дія яких заснована на метанні куль і снарядів за рахунок
енергії розширення порохових газів. Всі кульові і торпедні перфоратори
мають сталевий корпус, в якому розміщуються порохові камери,
запалювальні пристрої і стволи, заряджені кулями або снарядами.
Наприклад, торпедні перфоратори стріляють розривними снарядами, що
створюють в кінці пробитого каналу каверну з розбіжними від неї
тріщинами в породі. Снаряд розривається тільки після того, як проб'є
стінку обсадної труби, цемент і увійде в масив породи.
Торпедування великими зарядами Для максимального збільшення
проникності пластів міцних порід використовують вибухи зарядів масою
до кількох тонн. Заряд вибухової речовини розміщується по довжині
свердловини, досягаючи іноді 50-80 м. Цей метод має ряд недоліків,
пов'язаних з тим, що вибух незалежно від матеріалу затрубного простору,
руйнує трубу, засмічуючи її осколками породу, прилеглу до свердловини,
руйнує заглинізованну ділянку породи, що прилягає до ствола.
Торпедування обсаджених ділянок свердловини великими зарядами має
застосування у виняткових випадках.
Розрив пласта тиском порохових газів. Спосіб заснований на
генеруванні безпосередньо в свердловині високого тиску, необхідного для
задавлювання в пласт порції газорідинної суміші через канали перфорації
або тріщини, з метою створення мережі незмикаючих тріщин в породному
масиві. Розрив пласта здійснюється при досягненні тиску, рівного
гірському тиску або трохи вище його.
Електроосмос. Використовується для підвищення водопритоку в
породах, що мають низький коефіцієнт фільтрації, а, отже, і мають низьку
водовіддачу. ТВ зв'язки з цим метод доцільно застосовувати в глинистих
породах, пливунах, мулі, у яких kф 0,1 м/доб (kф – швидкість або
коефіцієнт фільтрації). Фізична сутність методу полягає у впливі
постійного електричного поля на ділянку масиву породи.

23.

Способи знеміцнення порід
Констатуємо той факт, що зі збільшенням вологості
зменшується статичний модуль Юнга (модуль пружності 1-го
роду) і всі інші міцнісні показники, при цьому збільшується
пластичність і деформованість порід в кілька разів. На цьому
явищі засновані методи знеміцнення не тільки порід, а й
вугілля.
В пласт вугілля через шпури або свердловини
нагнітається під тиском вода, яка, поширюючись по
площинах нашарування і тріщин, підвищує рівень
тріщинуватості і одночасно знижує міцність вугілля.
Зниження
міцності
вугілля
на
30-40%
збільшує
продуктивність очисних комбайнів, до 90% знижує
запиленість атмосфери підземних виробок і збільшує
крупність фракцій вугілля при відбійці.
Використовуючи закономірності руху рідин і газів в
поровому просторі, розрахунки дії води зі знеміцнення (або
суміші
води
з
поверхнево-активними
речовинами)
здійснюють з урахуванням вологості гірських порід і
коефіцієнта фільтрації.

24.

Способи закріплення порід
У технологічних процесах гірничого виробництва поряд
з використанням методів знеміцнення порід, виникає часто
необхідність
в
застосуванні
протилежних
заходів,
спрямованих на зміцнення порід. До цих заходів відносяться
тампонаж, хімічний вплив, електрохімічне закріплення,
електроплавлення,
ущільнення
вибухом,
штучне
заморожування.
Тампонаж.
Метод
полягає
в
нагнітанні
через
свердловини в масив порід під тиском тампонажного
розчину. Витісняючи воду з пор, пустот і тріщин,
тампонажний розчин заповнює їх і пізніше твердне.
Практично до нуля знижується проникність порід. Завдяки
утворенню нових твердих фаз, які заповнили поровий
простір породи, досягають ефекту зміцнення закріплюваного
масиву в цілому. Властивості тампонажного розчину в стані
затверділого
каменю
(тампонажного
каменю)
характеризують здатність їх протистояти проявам гірського і
гідродинамічного тиску. Основні параметри тампонажного
каменю: водопроникність, міцність і стійкість проти впливу
агресивних вод.
Тампонажні розчини – суспензії, рідкі системи або
суміші в'язкої речовини з водою. Залежно від застосовуваних
в'яжучих речовин і компонентів, що входять до них
розрізняють такі тампонажні розчини як цементні,
цементно-піщані, глиноцементних, глино-цементно-піщані,
силікатні і розчини, складені на основі синтетичних смол.

25.

Хімічний вплив. Цей метод полягає в тому, що в
породу нагнітають під тиском два хімічних розчини колоїдний розчин силікату натрію (рідке скло) і
розчин
хлористого
кальцію,
або
застосовують
карбамідну смолу, менозоль і ін. розчини. У тому
випадку, якщо застосовується два перших розчини, то
в результаті хімічної взаємодії між ними утворюється
гідрогель кремнієвої кислоти - міцна маса, яка не
розчиняється у воді. У разі застосування одного
розчину, наприклад, карбамідної смоли, стадія
хімічних
реакцій
з
утворенням
твердих
фаз
виключається - карбамідна смола з плином часу
твердне.
Процес хімічної взаємодії рідкого скла і хлористого
кальцію
називають
силікатизацією,
яка
широко
застосовується для закріплення середньозернистих щільних
порід, що мають kф=5–80 м/сут. Не піддаються силікатизації
пливуни, глини, мули.
Лесові породи, що містять сірчанокислі солі (які
замінюють розчин хлористого кальцію) закріплюють шляхом
нагнітання колоїдного розчину силікату натрію.

26.

Електрохімічне закріплення. Цей метод полягає у
використанні фізичних ефектів, що виявляються при
пропущенні постійного електричного струму через вологі
породи. Калій і натрій, які насичують рідкі флюїди в
електричному полі, заміщаючи воднем або атомами металів,
утворюють гідроксиди, наприклад, заліза (гетит, лимоніт),
алюмінію (гібсит, беміт), марганцю (манганіт, псиломелан).
Цікавою особливістю володіють глини, оброблені постійним
електричним струмом: глини втрачають близько 30-40% вологи,
зростає їхня межа міцності при стисненні сж, набувають здатність не
розмокати у воді і не втрачати міцність після електрохімічного
закріплення.
Ущільнення порід вибухом. Для створення і зміцнення
порожнин в масивах гірських порід використовуються так
звані камуфлетні заряди (при вибуху камуфлетного заряду
руйнування відбувається тільки навколо місця розташування
заряду без прояву видимих руйнувань на поверхні масиву
порід). Діаметр утвореної порожнини в кілька разів
перевищує діаметр свердловини (до 20 разів). В силу
специфічної дії продуктів вибуху, що розширяються, стінки
утвореної камуфлетної порожнини ущільнюються досить
сильно і можуть без кріплення залишатися тривалий час в
стійкому стані. Така характеристика випливає з отриманих
даних при підриванні камуфлетних зарядів в масивах
зв'язкових порід - глинах, суглинках, лесах.