Использование поверхностно-активных веществ в процессах бурения горных пород

Латышев О.Г. – доктор технических наук, профессор кафедры шахтного строительства, Уральский государственный горный университет, dozlat1@rambler.ru
Казак О.О. – кандидат технических наук, доцент кафедры шахтного строительства, Уральский государственный горный университет

Аннотация: Буровзрывные работы являются определяющим элементом горной технологии. Представленная работа направлена на исследование эффективности использования поверхностно-активных веществ (ПАВ) в процессах бурения, что определяет ее актуальность.
Цель работы: прогноз эффективности бурения шпуров и скважин с промывкой растворами ПАВ.
Методология исследования: лабораторные и опытно-промышленные испытания, фрактальный анализ закономерностей действия ПАВ на свойства и состояние горных пород, статистический анализ результатов.
Результаты: Действие ПАВ основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел – эффект Ребиндера. Одной из особенностей эффекта является избирательность действия ПАВ, требующая тщательного выбора активных растворов в их оптимальной концентрации для конкретных горно-геологических условий. В работе предлагается методика выбора растворов ПАВ, основанная на фрактальных исследованиях временной функции изменения контактной прочности пород по мере действия активной среды. В результате аналитических и экспериментальных исследований, а также опытно-промышленных испытаний бурения шпуров с промывкой растворами ПАВ установлено следующее. Эффективность бурения определяется сложным взаимодействием и взаимообусловленностью параметров технологии и комплекса свойств разрушаемых пород. Безразмерная комбинация указанных характеристик определяет формулу критерия эффективности. Величина критерия линейно связана со скоростью бурения и может служить косвенной оценкой производительности процесса. Использование ПАВ позволяет увеличить скорость механического бурения различных пород в 1,2…1,5 раза. Важно, что эффект возрастает с увеличением крепости буримых пород. За счет снижения абразивности горных пород в поверхностно-активной среде значительно (в 1,2…1,6 раза) снижается износ и затупление бурового инструмента. Адсорбционная активность ПАВ способствует уменьшению запыленности шахтной атмосферы в 1,6…3,7 раза за счет уменьшения выхода тонких фракций продуктов бурения и подавления уже образовавшейся пыли. Бурение шпуров с промывкой растворами ПАВ благоприятно сказывается на эффективности последующих взрывных работ.
Выводы: Бурение шпуров и скважин с промывкой специально подобранными растворами ПАВ существенно повышает эффективность процесса с точки зрения повышения скорости бурения, снижения износа и затупления бурового инструмента, уменьшения запыленности шахтной атмосферы.
Ключевые слова: бурение шпуров и скважин, поверхностно-активные вещества, прогноз эффективности.

The use of surface-active substances in the process of drilling rocks

Latyshev O.G., Kazak O.O.

Annotation: drilling and blasting operations are a critical element of mining technology. The present work is aimed at studying the efficiency of the use of surface-active substances (surfactants) in the drilling process, which makes it important.
The purpose – of the work is the forecast of the efficiency of drilling of bore-holes and wells by washing with solutions of surfactants.
Research methodology: laboratory and experimental-industrial tests the fractal analysis of the patterns of action of surfactants on the properties and condition of the mining rock, statistical analysis of the results.
Results. The action of surfactants is based on the adsorption lowering of the surface-energy of bodies – Rebinder effect. One feature of the effect is the election of the action of surfactants requiring a careful selection of active solutions in their optimal concentration for specific of surfactants, based on fractal research of the function of time change of the contact strength of rocks under the action of the active medium. As a result of analytical and experimental research and pilot testing of drilling with flushing solutions of SAA the following results were obtained. Drilling efficiency is determined by a complex interaction and inter-dependence of the technology parameters and properties of destructible rocks. Non-dimensional combination of these characteristics determines the formula of the criterion of efficiency. Criterion value has a linear relationship with the speed of drilling and can serve as an indirect process performance evaluation. The use of surfactants allows to increase the speed of the mechanical drilling of various species in by 1,2…1,5 times. It is important that the effect increases with the strength of drill breeds. By reducing the abrasiveness of the mountain of rocks in surface-active environment wear and blunting of the drilling tool reduces considerably (1,2…1,6 fold). Adsorption activity of the surfactant contributes to the reduction of dust in the mine (1,6…3,7) times by reducing the output of fine fractions of drilling products and the suppression of the already formed dust. Drilling holes with flushing with solutions of surfactants is beneficial to the efficiency of the subsequent explosion works.
Conclusions. Drilling of bore-holes and wells with the washing of specially selected solutions of surfactants significantly increases the efficiency of the process from the point of view of increasing drilling speed, reducing wear and blunting of the drilling tool, reducing the dusting in the mine.

Key words: drilling of bore-holes and wells, surface-active substance-VA, the prediction of effectiveness.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Латышев О.Г., Корнилков М.В. Направленное изменение фрактальных характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2016. 407 с.
2. Горюнов Ю.В., Перцов Н.В., Сумм Б.Д. Эффект Ребиндера. М.: Наука, 1966. 128 с.
3. Лихтман В.И., Ребиндер П.А., Карпенко Г.В. Влияние поверхностно-активной среды на процессы деформирования металлов. М.: Изд. АН СССР, 1954. 208 с.
4. Щукин Е.Д. Понижение поверхностной энергии и изменение механических свойств твердых тел под влиянием окружающей среды // Физ.-хим. механика материалов. 1976. Т. 2. С. 3-20.
5. Griffith A.A. The theory of rupture. Proc. Ict. Int. Congr. Appl. Mech. Delft, 1924, Р. 55-63.
6. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Кн. дом «ЛИБЕРКОМ», 2010. 360 с.
7. Латышев О.Г. Разрушение горных пород. М.: Теплотехник, 2007. 672 с.
8. Шрейнер Л.А. Физические основы механики горных пород. М.-Л.: Гостоптехиздат, 1950. 246 с.
9. Fuller E.R., Lawn B.R., Thomson R.M. Atomic modeling of chemical interactions at crack tips // Acta Metallurgica, 1980. Vol. 28. Р. 1407-1414.
10. Lawn B.R. An atomistic model of kinetic crock growth in brittle solids / Journal of materials science. 1975. Vol. 10. Р. 469-480.
11. Hoek E., Bieniawski Z.T. Fracture propagation mechanism in hard rock, First congress of the ISRM, 3-2. Lisboa, 1966.
12. Weibull W.A. Statistical theory of strength of materials // Ind. Vetenskamps Akad, 1939, Handl. № 151. 45 p.
13. Ребиндер П.А., Шрейнер Л.А., Жигач К.Д. Понизители твердости в бурении. М., Л.: АН СССР, 1944. 199 с.
14. Чувствительность механических свойств к действию среды. Пер. с англ. – М.: Мир, 1969. 352 с.
15. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Контактная прочность горных пород. М.: Недра, 1966. 168 с.
16. Кроновер Р. Фракталы и хаос в динамических системах. Пер. с англ. М.: Техносфера, 2006. 488 с.
17. Mandelbrot B. The Fractals Geometry of Nature. San Francisco: Freeman, 1982. 460 p.
18. Hurst A.A., Black R.P., Simaika Y.M. Long-Term Storage: An Experimental Study. London: Costable, 1965. 232 р.
19. Латышев О.Г., Карасев К.А., Казак О.О. Прогноз буримости горных пород на основе имитационного моделирования процесса // Известия вузов. Горный журнал. 2015. №4. С. 83-87.
20. Вестбрук Дж. Действие адсорбированной воды на пластическую деформацию неметаллических твердых тел // Чувствительность механических свойств к действию среды / Избранные доклады на международном симпозиуме. М.: Мир, 1969. С. 257-273.
21. Барон Л.И., Кузнецов А.В. Абразивность горных пород при добывании. М.: Изд. АН СССР, 1961.168 с.
22. Латышев О.Г., Карасев К.А., Казак О.О. Снижение износа и затупления бурового инструмента при бурении шпуров с промывкой растворами поверхностно-активных веществ // Известия вузов. Горный журнал. 2015. №3. С. 75-79.
23. Протасов Ю.И. Пылевыделение при разрушении горных пород // Известия вузов. Горный журнал. 1993. №1. С.51-53.
24. Латышев О.Г., Сынбулатов В.В., Осипов И.С. Кинетика насыщения породного массива растворами поверхностно-активных веществ при бурении шпуров и скважин // Известия вузов. Горный журнал. 2008. № 3. С.123-129.

REFERENCES
1. Latyshev O.G., Kornilkov M.V. Napravlennoe izmenenie fraktal’nyh harakte-ristik, svojstv i sostoyaniya porod poverhnostno-aktivnymi veshchestvami v processah gornogo proizvodstva. Ekaterinburg: Izd-vo UGGU, 2016. 407 s.
2. Goryunov Yu.V., Percov N.V., Summ B.D. Ehffekt Rebindera. M.: Nauka, 1966. 128 s.
3. Lihtman V.I., Rebinder P.A., Karpenko G.V. Vliyanie poverhnostno-aktivnoj sredy na processy deformirovaniya metallov. M.: Izd. AN SSSR, 1954. 208 s.
4. Shchukin E.D. Ponizhenie poverhnostnoj ehnergii i izmenenie mekhanicheskih svojstv tverdyh tel pod vliyaniem okruzhayushchej sredy. // Fiz.-him. mekhanika materialov. 1976. T. 2. S. 3-20.
5. Griffith A.A. The theory of rupture. Proc. Ict. Int. Congr. Appl. Mech. Delft, 1924, R. 55-63.
6. Rzhevskij V.V., Novik G.Ya. Osnovy fiziki gornyh porod. M.: Kn. dom «LIBERKOM», 2010. 360 s.
7. Latyshev O.G. Razrushenie gornyh porod. M.: Teplotekhnik, 2007. 672 s.
8. Shrejner L.A. Fizicheskie osnovy mekhaniki gornyh porod. M.-L.: Gostoptekhiz-dat, 1950. 246 s.
9. Fuller E.R., Lawn B.R., Thomson R.M. Atomic modeling of chemical interactions at crack tips // Acta Metallurgica, 1980. Vol. 28. R. 1407-1414.
10. Lawn B.R. An atomistic model of kinetic crock growth in brittle solids / Journal of materials science. 1975. Vol. 10. R. 469-480.
11. Hoek E., Bieniawski Z.T. Fracture propagation mechanism in hard rock, First congress of the ISRM, 3-2. Lisboa, 1966.
12. Weibull W.A. Statistical theory of strength of materials // Ind. Vetenskamps Akad, 1939, Handl. № 151. 45 p.
13. Rebinder P.A., Shrejner L.A., Zhigach K.D. Poniziteli tverdosti v burenii. M., L.: AN SSSR, 1944. 199 s.
14. Chuvstvitel’nost’ mekhanicheskih svojstv k dejstviyu sredy. Per. s angl. – M.: Mir, 1969. 352 s.
15. Baron L.I., Glatman L.B. Kontaktnaya prochnost’ gornyh porod. M.: Nedra, 1966. 168 s.
16. Kronover R. Fraktaly i haos v dinamicheskih sistemah. Per. s angl. M.: Tekhno-sfera, 2006. 488 s.
17. Mandelbrot B. The Fractals Geometry of Nature. San Francisco: Freeman, 1982. 460 p.
18. Hurst A.A., Black R.P., Simaika Y.M. Long-Term Storage: An Experimental Study. London: Costable, 1965. 232 r.
19. Latyshev O.G., Karasev K.A., Kazak O.O. Prognoz burimosti gornyh porod na osnove imitacionnogo modelirovaniya processa // Izvestiya vuzov. Gornyj zhurnal. 2015. №4. S. 83-87.
20. Vestbruk Dzh. Dejstvie adsorbirovannoj vody na plasticheskuyu deformaciyu nemetallicheskih tverdyh tel // Chuvstvitel’nost’ mekhanicheskih svojstv k dejstviyu sre-dy / Izbrannye doklady na mezhdunarodnom simpoziume. M.: Mir, 1969. S. 257-273.
21. Baron L.I., Kuznecov A.V. Abrazivnost’ gornyh porod pri dobyvanii. M.: Izd. AN SSSR, 1961.168 s.
22. Latyshev O.G., Karasev K.A., Kazak O.O. Snizhenie iznosa i zatupleniya burovogo instrumenta pri burenii shpurov s promyvkoj rastvorami poverhnostno-aktivnyh veshchestv //nogo massiva rastvorami poverhnostno-aktivnyh veshchestv pri burenii shpurov i skvazhin // Izvestiya vuzov. Gornyj zhurnal. 2015. №3. S. 75-79.
23. Protasov Yu.I. Pylevydelenie pri razrushenii gornyh porod // Izvestiya vu-zov. Gornyj zhurnal. 1993. №1. S.51-53.
24. Latyshev O.G., Synbulatov V.V., Osipov I.S. Kinetika nasyshcheniya porodnogo massiva rastvorami poverhnostno-aktivnyh veshchestv pri burenii shpurov i skvazhin // Izvestiya vuzov. Gornyj zhurnal. 2008. № 3. S.123-129.

Для цитирования: 

Латышев О.Г., Казак О.О. Использование поверхностно-активных веществ в процессах бурения горных пород // Вектор ГеоНаук. 2018. Т.1. №2. С. 29-37.

Latyshev O.G., Kazak O.O., 2018. The use of surface-active substances in the process of drilling rocks. Vector of Geosciences. 1(2): 29-37.