Совершенствование разработки калийных месторождений
..pdfпороды с газом была предложена в отработана импульсная методика. В абсорбер с солью подавался короткий импульс газа. В качестве поглощаемого газа использовался диоксид серы. В ходе этих экспе риментов установлено, что образец соли, продутый сухим гелием, не поглощает S 0 2 . Это позволяет говорить об отсутствии сорбции
газа на сухой поверхности соли или об отсутствии хемосорбции.Кар
тина, получающаяся цри импульсном дозировании |
газа на образец, |
||||
насыщаемый водой, приведена на рис. |
3. |
По мере |
увеличения влаж |
||
ности образца интенсивность пика S02 |
уменьшается. Из полученных |
||||
результатов следует, что поглощение |
5 0 г |
полностью определяется |
|||
наличием рассола в порах соли. |
|||||
Следует |
отметить, что |
количествен |
|||
ные оценки |
поглощения |
S02 при на |
личии в системе паров воды ослож нены взаимным влиянием концентраций
паров воды и |
SO2 |
на интенсив |
ность хроматографического пика. |
||
Таким образом, |
экспериментами |
|
. подтверждено, что в качественном |
||
^ плане сорбция газов |
соляными поро |
|
дами может рассматриваться как раст- |
||
Рис. 3. Изменения интенсивное— ^л-примр теза |
в межкпиптальном пирсо— |
ти хроматографического пика во ворение газа в межкристальном рассовремени в зависимости от влажле. По-видимому, наиболее важным
ности образца |
направлением исследований с целью |
|
получения точных количественных данных для сравнения сорбционных свойств различных пород является определение коэффициентов диффузии воды в породах.
Учитывая, что поглощение газа и воды взаимосвязано, легко заключить, что максимальное количество газа, поглощенное из неко торого объема воздушного потока, определяется количеством поглощен ного из этого же потока воды и растворимостью газа в воде. Эта оценка распространяется только на стационарный режим, при котором поступление газа и влаги в воздушный поток постоянно. При залповых выбросах газа поглощение может быть и больше за счет ранее сорби рованной воды. Однако в целом рассмотренное выше балансовое соотно шение нарушаться не может.
Следствием изложенного является то, что изменение влажности породы, связанное, например, с сезонными изменениями влажности воз духа, поступающего в шахту, может сказаться на распределении сор бированных газов между породой и воздушным потоком.
70
На основании экспериментальных данных и сопоставления их с литературными данными можно сделать следующие выводы:
1. Показано, что поглотительная способность соляных пород свя зана с их влажностью, пористой структурой и растворимостью газов в воде.
2.Установлено наличие двух стадий сорбции воды образцами по род солей, что, вероятно, объясняется наличием эффекта капиллярной конденсации.
3.Выявлено различие между динамической и статической емкостя ми соли по влаге: первая составляет не более 2-х % от второй.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Красноштейн А.Е. Физико-химический механизм процесса ад сорбции ядовитых примесей рудничной атмосферы калийными солями /
Перм.политехи.ин-т. - Пермь, 1977. |
- |
18 с . - Деп. в ОНИИТЭХим |
||||
20.05.77, jft 893/76. |
|
|
|
|
|
|
2. Красноштейн А.Е. Естественная очистка воздуха от продуктов |
||||||
взрывных работ в отработанных камерах |
|
калийных рудников |
/ / |
Изв. |
||
вузов. |
Горный журнал. - 1977. - Л |
3. |
- |
С. I&-23. |
|
|
3. |
Красноштейн А .Е ., Фвйнбург Г.З. Расчет газовой |
динамики |
||||
при рециркуляционном проветривании |
добычного участка / / |
Вентиля |
||||
ция шахт и рудников. - Л ., 1979. - |
С. |
|
12-15. |
|
|
|
4. Фоминых В.И., Красноштейн А.Е. Результаты исследования |
||||||
баланса калийного рудника по ядовитым |
|
газам / / Разработка |
соляных |
|||
месторождений / Перм. политехн.ин-т. - |
Пермь, 1978. - С. 64-68. |
|||||
5. |
Старцев В .А ., Красноштейн А.Е. |
К вопросу нейтрализации |
токсичных компонентов выхлопных газов ДВС в калийных рудниках / /
Технология и безопасность горных работ / |
Перм. политехн.ин-т. - |
|
Пермь, |
1976. - С. Н О -И З. |
|
6. |
Красноштейн А .Е ., Колеватов П.А., |
Старцев В.А. Перспекти |
вы использования уникальных свойств калийных солей в народном хо
зяйстве |
/ / Технология и безопасность горных работ / |
Перм.политехи, |
ин-т. - |
Пермь, 1976. - С. II9 -I23 . |
|
7. |
Красноштейн А .Е ., Колеватов П .А., Нестеров |
Ю.М., Овсян |
кин А .Д ., Демина В.И. Увлажнение рудничного воздуха для снижения концентрации окяолов азота цри работе ДВС и взрывных работах на
калийных рудниках / / |
Разработка |
соляных месторождений / Перм.по |
литься.ин-т. - Пермь, |
1982. - С. |
III -I I 5 . |
|
|
71 |
8. |
Зильбершмидт В.Г. |
и др. |
Технология подземной разработки |
|
калийных руд. - М., 1977. |
- 287 |
с. |
|
|
9. |
Справочник по растворимости. - Т. 3. М., |
1970. - 312 с . |
||
10. |
Медведев И.И., Сметанин |
М.М. Исследование |
аэрогазодинами |
ки вентиляционных систем калийных рудников Стебниковского место рождения / / Исследование газового баланса при ведении взрывных работ с учетом сорбции газов калийными солями. - Л ., 1977. -
С.28-31.
11.Равдель А .А ., Пономарев А.М. Краткий справочник физико
химических величин. - Л ., 1983. - |
230 с. |
|
|
|||
12. F . fiossim |
e t |
a ll . |
S e te k te d |
<Tatn.es |
Of |
|
c k e m ik a i |
ih e z m o d in a m ic |
p io p e t L e s // J lc it. |
З и ь |
|||
StcLndaLzts. |
USash. |
C iz c - |
1 9 6 2 - № 5 |
0 0 . |
|
13.Крестовников A.H. и др. Справочник по расчетам равновесий металлургических реакций. - М., 1963. - 416 с.
14.Справочник химика. - Т. 3. М., 1968. - 336 с.
15.Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М., 1984. -
590 с .
УДК 553.631.632:622.02
А.С. Кириченко
ВЛИЯНИЕ СТРОЕНИЯ ПОРОД* НА ПЛОТНОСТЬ СОЛЯНОГО КОМПОНЕНТА И УСАДСУ ПРИ РАСТВОРЕНИИ
(Лениградский горный институт)
Плотность соляных пород калийных месторождений непостоянна как по разрезу толщи, так и по площади С13 » что отражается на условиях разработки калийных пластов: местами наблюдается умень шение усилия резания комбайна или же увеличение местной податли вости целиков. Местное изменение плотности породы особенно ска зывается на управлении безопасностью горных работ по газодинами ческому фактору, поскольку выбросоопасные зоны пласта зачастую отличаются ее скачкообразным понижением [ 2 ] .
В данной статье рассматриваются особенности формирования толщи соляных пород, влияющие на их плотность, и методика экспери ментальной численной оценки параметра плотности.
Галоиды, из которых состоят соляные породы калийных место-
рождений, имеют плотно упакованную решетку, объем "пустот" в кото рой не превышает 265? С5 ] . Поэтому их плотность определяется в ос новном химическим составом и ионным радиусом элементов. Например, катион /Va4 , имеющий меньший радиус, чем катион к , дает сое динение с хлором с большей плотностью, чем плотность хлористого калия. Аналогичная зависимость как видно из табл. I, характерна для минералов, входящих в состав соляной толщи калийных месторож дений.
|
Плотность соединений и минералов |
Таблица I |
||||
|
|
|||||
Соединение |
|
Минерал |
П лотность,ю3 кг/м3 |
|||
Галоиды |
Карнеллит, /С, Му, Сез ,6Иг 0 |
|
1.6 |
|||
|
Сильвин, |
KCt |
|
1,97 |
* 1,99 |
|
|
Галит, |
A/aCd |
|
2,16 |
+ 2,17 |
|
Сульфаты |
Гипс, |
C a s O f |
2И2 0 |
2,31 |
+ 2,33 |
|
|
Ангидрит, |
C O L |
S O ^ |
2,89 |
+ 2,96 |
|
Карбонаты |
Кальцит, |
C aS03 |
2,71 |
+ 2,72 |
||
|
Доломит |
|
|
2,80 |
+ 2,99 |
|
|
Сидерит |
|
|
3,00 |
+ 3,88 |
|
Наряду с этим, |
соляные |
породы калийных месторождений включают в |
себя органические остатки и галопелиты, плотность которых состав ляет (1 ,5 *2 ,6 )*ДО3 кг/м3. Приведенные компоненты составляют твердою фазу породы. Кроме того, порода содержит газовую и жидкую фазы в различных количественных соотношениях.
В общем виде плотность соляной породы можно представить в виде зависимости
где (p V )mg |
(рУ )ж ' {Р^)г “ |
масса твердых, жидких и газообраз |
V0 - объем |
породы. |
ных фаз породы;. |
|
||
Приведенные данные показывают, сколь многообразной может быть |
||
плотность породы. Из формулы (I) |
видно, что уменьшение массы твер |
дой фазы должно увеличивать, соответственно, долю жидкой или газо73
образной |
фаз |
или одной и другой одновременно, что, естественно, |
нарушает |
общее равновесие системы, образует ослабленные зоны пород, |
|
в том числе, |
выбросоопасные. |
Рассмотрим влияние строения твердой фазы соляной породы на коэффициент усадки при растворении и связь этого коэффициента с
плотностью |
соляного |
компонента. |
Известно, что |
коэффициент усадки при растворении зависит от |
|
плотности |
породы и |
кажущейся плотности породы в растворе [ 3 ] . |
Первая из |
них, при |
прочих равных условиях, зависит от забытой |
пористости |
соляного |
компонента, вторая - от наличия нерастворимо |
го остатка |
(НО) . |
Если в породе отсутствуют пористость и НО |
или они постоянны, |
то усадка будет величиной относительно постоян |
|
ной. Реальная соляная порода, особенно в выбросоопасных зонах, |
имеет сложное строение с различным процентным соотношением фаз. Исследуя плотность пород на таких участках, следует заметить, что для визуально одинаковых образцов породы коэффициент усадки при растворении может быть существенно различным из-за неверного определения плотности соляного компонента.
Выделим наиболее характерные по строению 1руппы породы:
1.НО отсутствует или же его количество незначительно
(< |
0,5/6) |
и |
высока |
забытая пористость ( > 256). |
|
|||||
|
2. Количество |
НО |
высокое |
( > |
2$) |
и низкая забытая порис |
||||
тость |
(< |
0,1+0,5/6). |
|
|
|
|
|
|
||
|
3. Количество |
НО |
высокое |
(> 2$) |
и высокая закрытая по |
|||||
ристость ( > 2/6). |
|
|
|
|
|
|
||||
|
Для анализа воспользуемся коэффициентом усадки |
единицы объе |
||||||||
ма, |
который с коэффициентом усадки |
единицы массы связан соотноше |
||||||||
нием |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
« * =К* Р с * |
|
Р' |
Г/с |
(D |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
и |
К ,, - |
коэффициент усадки породы при растворении |
|||||
|
p |
u |
p |
|
соответственно единицы объема и единицы массы; |
|||||
|
- |
соответственно плотность породы, |
соляного ком |
|||||||
|
j etc |
|
J ск |
|
|
|
|
|
|
понента в 1фисталле и кажущаяся плотность в растворе.
Абсолютную погрешность определения коэффициента усадки можно оце нить, используя полный дифференциал функции (I) в виде
|
|
|
^ dP c* + |
д к * |
( 2) |
|
|
|
v><СК |
||
где d. |
в |
а (^ с |
- погрешность |
% |
плотностей |
определения |
|||||
Л ус |
“ |
С/с |
|
для анализа |
и оценка влияния |
Воспользуемся уравнением (2) |
ранее приведенных структурных факторов на величину коэффициента усадки породы при растворении. Решая уравнение (2) и заменяя плотность соляного компонента в кристалле плотностью породы в образце и соответствующие дифференциалы малыми приращениями, по лучим
Л АРо+Ро*Ро
|
* ( * Л ш |
/ I х2 |
( 3) |
|
|
(Ра ) |
|
М к 'Л - |
изменение коэффициента усадки |
единицы объема породы; |
|
Ро и |
J^o - соответственно плотность |
породы в образце и ка |
|
|
жущаяся плотность породы в растворе. |
Рассмотрим,как влияют структурные факторы на усадку при растворении образца породы. Если в образце отсутствует нераство римый остаток (НО) или же его количество невелико, кажущаяся плот ность породы в растворе будет постоянной, поскольку она зависит только от концентрации раствора [ 3 ] . Плотность породы в образце с увеличением пористости будет уменьшаться. В этом случае второй член уравнения (3) будет близок нулю и изменение коэффициента усадки определится изменением плотности породы в образце, т .е . пористостью породы. Если пористость породы неизменна и неизменна при црочих равных условиях, ее плотность в образце, но НО изменя ется, то в уравнении (3) первый член будет равен нулю и прираще ние коэффициента определится только кажущейся плотностью породы
образца в растворе, т .е . |
количеством |
нерастворимого |
остатка. |
|||
В случае, когда изменяются пористость |
и содержание |
НО, |
коэффи |
|||
циент усадки будет определяться тем и другим. |
|
|
|
|||
Для примера в |
табл. |
2 приведены величины коэффициента |
усад |
|||
ки при растворении |
единицы объема подстилающей каменной соли ГЗ ]. |
|||||
Из табл. 2 видно, |
сколь велико влияние состава и структуры |
поро |
||||
ды на величину коэффициента усадки и, |
следовательно, |
на |
ее |
плот |
||
ность. |
|
|
|
|
|
|
При анализе соляных пород калийных месторождений, |
например, |
|||||
реставрационнт методом Г4J установлено, что усадка |
породы в раст- |
|
|
|
Изменение коэффициента |
усадки |
|
|
||||
Параметры |
|
Величина параметров |
|
|||||||
Кажущаяся плот |
|
|
|
3,085 |
|
|
||||
ность, г/см 3 |
|
|
|
|
|
|||||
Количество |
|
нераство |
|
Отсутствует |
|
|
||||
римого остатка,х |
|
8 |
10 |
|||||||
Пористость, |
% |
0 |
2 |
|
4 |
6 |
||||
Плотность |
породы, |
2,15 |
2,107 |
2,064 |
2,021 |
1,978 |
1,935 |
|||
г/см 3 |
|
|
||||||||
Изменение |
коэФфици- |
1.4 |
|
|
|
|
|
|
||
ента |
усадки, % |
_______ |
|
3 |
2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Плотность породы, |
|
|
|
2,15 |
|
|
||||
г/см 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Пористость, |
% |
|
Отсутствует |
|
|
|||||
Количество |
НО ,% |
0 |
|
|
4 |
6 |
8 |
10 |
||
Кажущаяся плотность*', |
2,989 |
2,993 |
2,998 |
3,003 |
3,003 |
|||||
г/см 3 |
|
|
3,085 |
|||||||
Изменение |
коэффици |
2.17 |
|
|
|
|
|
|||
ента |
усадки, % |
|
|
|
|
|
|
|
||
Плотность |
породы, |
|
|
|
|
1.85. |
1,85 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||||
г/см 3 |
плотность, |
|
|
1,9351-2,15 |
|
|
||||
___ ^«аяся |
|
|
2,993+3,085 |
|
|
|||||
г/см 3 |
|
|
|
|
|
|
||||
Пористость, |
5S |
|
|
|
0+10 |
|
|
|||
Количество |
НО9% |
|
|
|
0+10 |
|
|
|||
Изменение коэффициента |
|
|
1,4+9,07 |
|
|
|||||
усадки,% |
|
|
|
|
|
|
|
|||
х) |
Плотность раствора определена |
по данным работы [6D |
• |
|||||||
|
воря создается не твердой фазой вообще, а только растворимш со ляным компонентом, поэтому усадку необходимо относить к объему или массе этого компонента. Зная объем компонента в породе, мож но легко определить его плотность. Таким образом, усадка цри раст ворении является количественной мерой данного соляного компонен та породы в пробе.
тов и раствора. В табл. 3 приведены результаты определения плот ности соляного компонента отдельных образцов породы пластов АБ и "Красный П" Верхнекамского месторождения.
Таблица 3 Определение плотности соляного компонента породы
г |
^ » 3 |
* . 8 |
см3 |
ом3 |
|
25,45 |
177,40 |
182,43 |
23,95 |
175,87 |
180,32 |
23,86 |
176,85 |
181,69 |
51,28 |
161,81 |
168,95 |
28,23 |
174,52 |
179,92 |
. |
|
J*<7* » |
Пласт |
|
Й |
со |
|||
г/смз |
|
|||
3,362 |
0,028 |
2,030 |
"Красный П", |
|
|
|
|
включения ка |
|
|
|
|
менной соли |
|
3,126 |
0,025 |
1,986 |
"Красный П" |
|
2,957 |
0,027 |
1,858 |
__п_ |
|
2,695 |
0,043 |
1,973 |
||
АБ |
||||
3,024 |
0,030 |
1,937 |
После определения плотности соляного компонента можно коли чественно оценить величину усадки при растворении и другие харак теристики строения породы, позволяющие объективно оценить состоя ние равновесия пород данной зоны пласта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Левина Л.П., Коурова Т.С. Исследования связи между плот ностью и химическим составом Верхнекамских сильвинитовых руд в
массиве |
/ / Разработка |
соляных месторождений / Перм. политехи, |
||
ин-т. - |
Пермь, 1982. - |
С. 20-27. |
|
|
2 |
. Иванов Б.М. Исследования напряженного состояния приза |
|||
бойной |
части пласта посредством определения плотности |
угля / / |
||
Научные |
сообщения ИГД АН СССР. - М., 1959, т. Ш. - С. |
44-46. |
3. Кириченко А.С. Исследование усадки соляных пород при растворении / / Разработка соляных месторождений / Перм. политехи,
ин-т. |
- |
Пермь, 1983. - С. 148-153. |
|
|
4. |
Кириченко А.С. Исследование забытой пористости соляных |
|
выбросоопасных пород реставрационным методом / / |
Технология и |
||
безопасность горных работ в калийных рудниках / |
Перм. политехи, |
||
ин-т. |
- |
Пермь, 1985. - С. II8-I24. |
|
|
5. |
Ляхович О.К. Вещественный состав галопе литов Старобин- |
|
ского |
месторождения / / Геология и петрография калийных солей Бе |
лоруссии. - Минск, 1969. - 301 с . 78
6. Эзрохи Л.Л. Метод расчета плотности солевых растворов // Труды ВНИИГ. - Л ., 1959. - Был. 36. - С. 16-20.
УДК 622.023.2
В .Г. Зильбершмидт, Н.А. Харламова
ОЦЕНКА ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ КАМЕННОЙ СОЛИ ПУТЕМ ИНДНГГИРОВАНИЯ
(Пермский политехнический институт)
Опасность раотворения калийных руд и вмещающих соляных гор ных пород в случае проникновения воды и рассолов в подземные гор ные выработки обуславливает особые требования к сохранению сплош ности массива калийного месторождения.
Образование горных выработок вызывает микроразрушения и ло кальное трещинообразование в приконтурной области вследствие тех нологии ведения горных работ и изменения состояния массива. Твкое нарушение сплошности под действием горного давления инициирует развитие магистральных трещин в массиве и делает его водопроница емым.
Для исследования процесса трещинообравования в массиве со ляных горных пород в рамках механики разрушения необходимо опре делить параметры, характеризующие его сопротивление распростране
нию трещины К 1С , или вязкость разрушения С 1,2,3 ] • |
Kic |
Для установления параметра трещиностойкости материала |
|
проведены испытания на специально подготовленных образцах, |
досто |
инства которых проанализированы в работах Г 1,2,3] применительно к металлам, сплавам и композиционным материалам. В настоящее время ведутся работы по созданию стандартизированных методик испытаний на трещиностойкость неметаллических материалов, в том числе гор ных пород.
Для исследования трещиностойкости соляных горных пород исполь зована методика испытаний при трехточечном изгибе призматического образца с надрезом С4 ],в основе которой лежат стандарты для иссле дования трещиностойкости металлов.
Сложность строения и вещественного соотава массива соляных горных пород калийного месторождения, его петрографическая неодно родность предполагают использование методов локального определе ния трещиностойкости структурных элементов массива и, в частности, метода индентирования.