Влияние знакопеременных температурных воздействий на энергоемкость процесса дробления горных пород

Захаров, Евгений Васильевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Влияние знакопеременных температурных воздействий на энергоемкость процесса дробления горных пород
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Влияние знакопеременных температурных воздействий на энергоемкость процесса дробления горных пород"

На правах рукописи

Захаров Евгений Васильевич

ВЛИЯНИЕ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПРОЦЕССА ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

2 5 £КЗ сьй

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Якутск - 2011

005009385

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН

Научный руководитель:

доктор технических наук Курилко Александр Сардокович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Сукнев Сергей Викторович

доктор технических наук Старостин Егор Гаврильевич

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения

РАН

Защита состоится 28 февраля 2012 г. в 14— часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 003.020.01 при Учреждении Российской академии наук Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН по адресу: 677980, г. Якутск, Республика Саха (Якутия), проспект Ленина, д. 43. Тел./факс: 8(4112) 33-59-30; E-mail: igds@ysn.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГДС СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направить в адрес диссертационного совета ДМ 003.020.01.

Автореферат разослан января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

Ткач С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. При добыче и переработке полезных ископаемых наиболее энергоемким технологическим процессом является разрушение горных пород. В России ежегодно несколько миллиардов тонн различных геоматериалов, таких как руды, угли, строительные материалы и др. виды минерального сырья, извлекаются из недр и подвергаются дроблению и измельчению. По оценкам Гончарова С.А. и др. исследователей в себестоимости концентрата на предприятиях черной и цветной металлургии России процесс разрушения занимает 60%. В связи с этим одной из главных задач горной науки является разработка новых технологий добычи и переработки, которые позволят значительно сократить энергозатраты на разрушение горных пород. При этом необходимы знания о закономерностях их деформирования и разрушения.

За последние 150 лет выявлены многие закономерности процессов дробления и измельчения горных пород. Эмпирические соотношения Кика, Риттин-гера и Бонда, называемые законами измельчения, стали классическими и широко используются в производственной практике. По мнению П.А. Ребиндера неудачи в поисках универсальных законов измельчения обусловлены тем, что в них процессы разрушения твердых тел рассматриваются без учета роли внешней среды.

В исследованиях отечественных и зарубежных ученых показано, что понижение температуры от 20°С до -50°С и ниже может приводить как к увеличению, так и уменьшению прочности и энергоемкости разрушения горных пород. Единого мнения о закономерностях изменения этих характеристик нет.

В связи с вышеизложенным, установление закономерностей изменения энергоемкости разрушения горных пород при знакопеременном температурном воздействии, является актуальной научной задачей.

Основой диссертационной работы послужили результаты исследований, выполненных автором в качестве исполнителя плановых госбюджетных НИР ИГДС СО РАН: проект 25.2.3 «Особенности деформирования и разрушения геоматериалов в условиях неоднородных температурных и силовых полей» (2004-2006 гг. № гос. per. 0120.0408609); проект № 7.7.1.3 «Исследование влияния силовых и температурных полей на процессы, происходящие в верхних слоях земной коры при техногенном воздействии» (2007-2009 гг. № гос. per. 01.2.007 06515); проект VIJ.60.4.I «Поведение геоматериалов и массивов горных пород при воздействии неоднородных силовых и знакопеременных температурных полей» (2010-2012 гг. № roc. per. 01201050748); проект РФФИ 09-08-

00832 «Исследование закономерностей изменения удельной энергоемкости разрушения геоматериалов при знакопеременных температурных воздействиях» (2009-2011 гг. № гос. per. 01200954239).

Объект исследований: карбонатные породы и кимберлит различных месторождений Якутии.

Предмет исследований: энергоемкость разрушения горных пород при воздействии на них отрицательных температур и циклов замораживания-оттаивания.

Целью работы является установление закономерностей изменения удельной энергоемкости разрушения горных пород при воздействии отрицательных температур и циклов замораживания-оттаивания.

Идея работы заключается в использовании знакопеременных температурных воздействий для разупрочнения горных пород.

Задачи исследований:

- разработка методики определения удельной энергоемкости разрушения горных пород;

- исследование воздействия отрицательных температур на удельную энергоемкость процесса разрушения горных пород;

- исследование воздействия циклического замораживания-оттаивания на удельную энергоемкость разрушения горных пород.

Методы исследований: анализ и обобщение литературных источников, лабораторные и экспериментальные исследования, обработка полученных данных с использованием методов математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения удельной энергоемкости разрушения горных пород, позволяющая учитывать влияние знакопеременных температурных воздействий.

2. В диапазоне температур -5°С...-10°С существует локальный минимум, в котором удельная энергоемкость разрушения карбонатных пород карьеров «Удачный», «Мохсоголлох», кимберлита трубок «Интернациональная», «Удачная» на 10 - 40% ниже, чем при положительной температуре.

3. Удельная энергоемкость разрушения карбонатных пород и кимберлита алмазоносных месторождений Якутии после трех циклов замораживания-оттаивания в водной среде снижается в 2-3 раза.

полученных данных, с использованием методов математической статистики, натурными данными по дезинтеграции рудного сырья на месторождениях АК «АЛРОСА».

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика определения удельной энергоемкости разрушения горных пород, отличающаяся тем, что испытания проводятся на образцах неправильной формы при отрицательных температурах, и позволяющая оценить относительное изменение удельной энергоемкости разрушения горных пород при знакопеременных температурных воздействиях;

- впервые экспериментально установлено, что в диапазоне температур -5°С...-10°С удельная энергоемкость разрушения карбонатных пород карьеров «Удачный», «Мохсоголлох» и кимберлита трубок «Интернациональная», «Удачная» на 10-40% ниже, чем при температуре +20°С;

- установлено, что воздействие трех циклов замораживания-оттаивания (-20°С, +20°С) в водной среде, приводит к снижению удельной энергоемкости разрушения карбонатных пород и кимберлита алмазных месторождений Якутии на 50-70%;

- установлено, что воздействие трех циклов замораживания-оттаивания в водной среде на кимберлит алмазных месторождений Якутии, приводит к дезинтеграции более 70% исходного материала без механического воздействия.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные закономерности влияния отрицательных температур и циклов замораживания-оттаивания на удельную энергоемкость разрушения горных пород могут послужить основой для разработки:

- энергосберегающих технологий добычи и переработки полезных ископаемых;

- мероприятий по обеспечению устойчивости горных выработок;

- кристаллосберегающих технологий добычи и переработки алмазосодержащего сырья.

Личный вклад автора состоит: в разработке методики исследования энергоемкости разрушения горных пород; в проведении большого объема экспериментальных работ, статистической обработке данных; в анализе полученных результатов и их интерпретации.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: семинарах и заседаниях ученого совета ИГДС СО РАН (г. Якутск, 2008, 2010, 2011 гг.); научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2007, 2008 гг.); Республиканских конференциях молодых ученых «Эрэл» (г. Якутск, 2007,

2009,2011 гг.); XIV Лаврентьевских чтениях» (г. Якутск, 2010); VIII, IX и X научно-технических конференциях, посвященных памяти профессора Н.С. Иванова «Современные проблемы теплофизики в условиях крайнего Севера» (г. Якутск, 2007, 2009, 2011 гг.); IV и V Евразийских симпозиумах, посвященных памяти В.П. Ларионова «Еигаз^епсоИ» (г. Якутск, 2008, 2010 гг.); III Международной научной конференции «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (г. Хабаровск, 2009 г.); IX Международном симпозиуме по развитию холодных регионов «18С01Ш-2010» (г. Якутск, 2010 г.); Всероссийском научном молодежном форуме «Геокриология - прошлое, настоящее, будущее» (г. Якутск, 2010 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию института «Якутнипроалмаз»: «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений (г. Мирный, 2011); Всероссийской научно-практической конференции: «Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северных и северо-восточных регионов России», посвященной памяти чл.-корр. РАН Новопашина М.Д. (г. Якутск, 2011).

Публикации. Результаты исследований отражены в 20 работах, в том числе в 3 статьях, опубликованных в научных изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, 5 приложений и содержит 120 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 34 рисунка, список литературы из 85 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен аналитический обзор научных работ, посвященных исследованию изменчивости прочностных свойств горных пород и энергоемкости их разрушения в зависимости от температурного фактора.

В условиях Севера с его суровыми зимами и резкими переладами температур наибольший интерес представляют изменения свойств горных пород при их сезонном промерзании - оттаивании. Воздействие знакопеременных температур на горные породы сопровождается многообразными и сложными тепло-физическими, физико-химическими и физико-механическими процессами, которые создают предпосылки к изменению физических свойств геоматериалов.

Исследованию прочностных характеристик и энергоемкости разрушения горных пород в различном диапазоне отрицательных температур посвящены работы: Дмитриева А. П., Барона Л.И., Курбатова В.М., Гончарова С. А., Мос-

калева А.H., Галяса A.A., Полуянского С.А., Федулова А.И., Иванова P.A., Ку-рилко A.C., Розенбаума MA., Жердева Г.С., Попова H.H., Ржевского В.В., Y. Inada, M. Mellor, N. Kinoshita и др. отечественных и зарубежных ученых.

Несмотря на обилие информации в настоящее время, нет единого мнения о характере и величине изменения прочностных характеристик скальных горных пород в диапазоне естественно низких температур.

Ряд исследователей считает, что при отрицательной температуре прочность пород выше, чем при положительной, и связывают это с цементирующим действием льда. В исследованиях, проведенных A.C. Курилко установлено, что прочность карбонатных пород и кимберлита алмазных месторождений Якутии при отрицательных температурах в зоне фазовых переходов влаги существенно ниже, чем при положительных. В диапазоне температур от -5°С ...-20°С происходит снижение прочности карбонатных пород на 50%, кимберлита на 40%. Изменение прочности объясняется температурными деформациями составляющих минералов и ростом кристаллов порового льда в породе.

Результаты некоторых исследований показывают, что понижение температуры помимо снижения прочности, может приводить к уменьшению энергии разрушения горных пород. При понижении температуры от -60°С...-180°С по данным Москалева А.Н., Ржевского В.В., Вахалина Ю.Г. и Новика Г.Я. удельная работа разрушения габбро-диабаза, гранита и различных песчаников снижается в 2-6 раз. Однако, в диапазоне от 0...-20°С отсутствуют данные об изменении энергоемкости разрушения скальных горных пород.

Изучением влияния циклов замораживания-оттаивания на физико-механические свойства горных пород занимались: Курилко A.C., Ершов Э.Д., Розенбаум М.А., Новик Г.Я., Воронков O.K., Ушакова Л.Ф., Цытович Н. А., Тютюнов И. А., Шестернев Д.М., Matsuoka N., Hale P.A., Shakoor A., Dhakal G., Yoneda T., Williams R. B. G. & Robinson D. A. и другие отечественные и зарубежные ученые. В работах A.C. Курилко, М.А. Розенбаума показано, что максимальный эффект морозного выветривания наблюдается в первые 3-5 циклов замораживания-оттаивания горных пород в водной среде. Прочностные показатели известняков, песчаника, мрамора, углей, горючих сланцев и кимберлита при этом резко снижаются, в 5-7 раз по сравнению с исходным материалом.

Из приведенного обзора следует, что, несмотря на значительный объем исследований, до сих пор нет однозначного мнения о характере изменения прочностных и энергетических показателей разрушения горных пород при естественных отрицательных температурах и в результате воздействия циклов

замораживания-оттаивания. Это, в конечном счете, и предопределило постановку задач исследований в настоящей диссертационной работе.

Вторая глава посвящена разработке методики определения удельной энергоемкости разрушения горных пород.

В настоящее время энергоемкость разрушения горных пород на практике рассчитывается по энергозатратам механизма, производящего разрушение (мельница, дробилка и т.д.). Следует подчеркнуть, что получаемые таким образом данные не являются показателями энергоемкости разрушения самой породы. Существует большое количество методов испытаний, связанных со способами разрушения материала, показатели которых могут существенным образом отличаться. По мнению Барона Л.И. правильно оценить энергоемкость разрушения горных пород можно лишь при учете вновь образуемой поверхности.

В работе удельная энергоемкость разрушения горных пород экспериментально определялась на маятниковом и вертикальном копрах. Испытания на маятниковом копре проводилось на образцах правильной прямоугольной формы. Относительная погрешность испытаний на образцах в исходном состоянии (без воздействия знакопеременных температур), при надежности а=0,95 составила: для известняка карьера «Мохсоголлох» 3,7%, для известняков карьера «Удачный» 3-10%. В соответствии с методикой проведения эксперимента на маятниковом копре линия разлома образца задается строго по его середине. При воздействии отрицательных температур и циклов замораживания-оттаивания на исследуемый материал, возникающие напряжения и образующиеся внутренние дефекты распределяются в объеме породы случайным образом. Образование дефектов в месте разлома образца маловероятно. По этой причине влияние отрицательных температур на удельную энергоемкость разрушения образцов при испытаниях на маятниковом копре не выявлено.

Испытания горных пород на вертикальном копре относятся к объемному разрушению материала. Любые возникающие внутренние напряжения и дефекты, образованные в результате влияния отрицательных температур и циклов замораживания-оттаивания, независимо от их месторасположения в объеме образца породы будут сказываться на показателях разрушения. Исходя из этого, данный способ разрушения образцов горных пород был выбран в качестве основного.

Суть методики определения удельной энергоемкости разрушения горных пород с использованием вертикального копра заключается в следующем: навески исследуемых образцов неправильной формы крупностью -20+10 мм, под-

вергались воздействию отрицательных температур и циклов замораживания-оттаивания. При исследовании влияния отрицательных температур навески образцов испытывались в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях. При исследовании влияния циклов замораживания-оттаивания на удельную энергоемкость разрушения горных пород образцы замораживались в воздушно-сухом состоянии и в водной среде. После воздействия заданного числа циклов материал высушивался и подвергался дроблению на копре, при этом груз массой 2,4 кг, сбрасывался с высоты 0,6 м на исследуемые образцы. Количество сбрасываний груза определялось выходом фракции -0,5 мм, которая не должна превышать 15-20% всего объема дробленого материала. При исследовании влияния отрицательных температур на удельную энергоемкость разрушения горных пород груз сбрасывался 5 раз, а после циклов замораживания-оттаивания сбрасывание производилось 3 раза. Дробленый материал рассеивался на ситах и по данным гранулометрического анализа рассчитывалась площадь вновь образованной поверхности. Удельная энергоемкость разрушения горных пород определялась отношением затраченной на механическое дробление энергии к площади вновь образованной поверхности.

Эксперименты показали, что на образцах в исходном состоянии (без воздействия знакопеременных температур), относительная погрешность определения удельных энергозатрат при надежности сх=0,95 составила: для кимберлитов 1,9-3,9%.

Приведенные в диссертационной работе исследования показали высокую «чувствительность» метода к знакопеременным температурным воздействиям.

Преимущества используемой методики заключаются в том, что исследуются образцы произвольной, неправильной формы; испытания проводятся как при положительных, так и отрицательных температурах; испытываются образцы, подвергшиеся влиянию циклов замораживания-оттаивания; имеется возможность использования в полевых условиях.

Изложенный во второй главе материал и результаты экспериментальных данных, полученные в работе, подтверждают обоснованность первого защищаемого научного положения: разработана методика определения удельной энергоемкости разрушения горных пород, позволяющая учитывать влияние знакопеременных температурных воздействий.

Третья глава посвящена исследованию влияния отрицательных температур на удельную энергоемкость разрушения горных пород. Исследовались известняки карьеров «Удачный», «Мохсоголлох», кимберлит трубок «Интерна-

циональная», «Удачная». Удельная энергоемкость разрушения образцов в исходном состоянии при положительной температуре составила: для известняков карьера «Удачный» 4060 Дж/м2, известняков карьера «Мохсоголлох» 3500 Дж/м2, кимберлита рудника «Интернациональный» 2100 Дж/м2, рудника «Мир» 2470 Дж/м2.

Образцы пород в виде кусковатого материала неправильной формы, крупностью -20+10 мм, испытывались в воздушно-сухом, водонасыщенном и насыщенном 5% раствором /УаС/ состояниях. После насыщения образцы вынимались из воды и рассола, обтирались и помещались в холодильную камеру. Испытания проводились при температурах +20°С, -5°С, -10°С, -15°С и -20°С. Время замораживания образцов составляло б часов, после чего они вынимались из морозильника и сразу подвергались дроблению на вертикальном копре, при температурах близких к температурам замораживания. В соответствии с методикой, после дробления образцов определялась площадь вновь образованной поверхности и рассчитывалась удельная энергоемкость разрушения материала.

Анализ проведенных экспериментов показал, что в диапазоне температур -5°С...-10°С удельная энергоемкость разрушения карбонатных пород карьеров «Удачный», «Мохсоголлох» и кимберлита трубок «Интернациональная», «Удачная» на 10-40% ниже, чем при положительной температуре.

На рисунке 1 приведены относительные энергозатраты на разрушение известняка карьера «Удачный» в зависимости от температуры.

100

S а

Э >>

те

= =-

ь о s а

2 Í Р £ о

í4<-2 /

ж"

♦ Возд.сух.сост ■ Насыщенные водой а Насыщенные 5% р-ом соли — Среднее значение

15 20

-25 -20 -15 -10 -5 0 5

Температура, °С

Рисунок 1 - Энергоемкость разрушения известняка карьера «Удачный»:

1 - среднее по результатам замораживания в воздушно-сухом состоянии;

2 - среднее по результатам замораживания в дистиллированной воде;

3 - среднее по результатам замораживания в 5% солевом растворе;

4 - общий усредненный показатель.

Понижение температуры от 20°С до -5°С приводит к снижению удельных энергозатрат образцов на 25-40% в зависимости от условий подготовки образцов к испытаниям. При дальнейшем понижении температуры энергозатраты на разрушение увеличиваются, но в среднем остаются на 13% меньше, чем при +20°С.

Степень влияния температуры на удельную энергоемкость разрушения горных пород также зависит от их пористости. Для известняка карьера "Удачный", обладающего пористостью 12%, удельная энергоемкость разрушения при температуре -5°С в среднем на 35% ниже, чем при положительной температуре. Удельная энергоемкость разрушения известняка карьера «Мохсоголлох» (см. рис. 2) с пористостью 1%, минимальное значение имеет при температуре -10°С и в среднем ниже на 12%, чем при температуре +20°С.

100

¡1

2 а 80

2 Э

.п

Я Я

2 п.

3 л

2 о 40

н о

5 £

О ¡у

зо 20

г- и

С —

^ о г

т о

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Температура, °С

Рисунок 2 - Энергоемкость разрушения известняка карьера «Мохсоголлох» (условные обозначения приведены на рисунке 1).

Из представленной на рисунке 3 зависимости значений удельных энергозатрат на разрушение кимберлита рудника «Интернациональный» от температуры следует, что изменение температуры от +20° до -20°С приводит к увеличению на 15% относительных энергозатрат на разрушение воздушно-сухих образцов кимберлита. При испытаниях водонасыщенных образцов при отрицательных температурах наблюдается значительное снижение затрачиваемой на разрушение энергии. Максимальное снижение энергетических затрат наблюдается при температуре -5°С. Удельные энергозатраты при этом на 35-40% ниже, чем при положительной температуре. При дальнейшем понижении температуры до -20°С энергозатраты увеличиваются, но остаются на 20-25% меньше, чем при температуре +20°С.

♦ Возд.сух.сост. • Насыщенные водой * Насыщенные 5 % р-ом соли — Среднее значение

1-г

Снижение удельной энергоемкости разрушения горных пород объясняется тем, что при понижении температуры возникают внутренние напряжения в материале, обусловленные, прежде всего, изменением агрегатного состояния воды (увеличение объема на 9%), а также различием в упругих свойствах и коэффициентах теплового расширения отдельных зерен породы.

1 = 120

в ~

3 1 юо

££

§ I 80

■с л

5 Ь 60

- о

я а

ё | 40

В £

О 20

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Температура, °С

Рисунок 3 - Энергоемкость разрушения кимберлита рудника «Интернациональный»

В породах, насыщенных пресной водой, интенсивное замерзание влаги происходит в интервале температур 0...-3°С. В породах, насыщенных растворами солей, диапазон интенсивных фазовых переходов смещается в зону более низких температур в зависимости от концентрации и состава растворов. После того, как температура становится ниже температур интенсивных фазовых переходов, количество льда практически не увеличивается и рост внутренних напряжений прекращается. При дальнейшем понижении температуры образованный поровый лед цементирует и упрочняет породу, что приводит к увеличению удельной энергоемкости разрушения.

Изложенное выше обосновывает второе защищаемое положение: в диапазоне температур -5°С...-10°С существует локальный минимум, в котором удельная энергоемкость разрушения карбонатных пород карьеров «Удачный», «Мохсоголлох», кимберлита трубок «Интернациональная», «Удачная», на 10 - 40% ниже, чем при положительной температуре.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных работ по влиянию циклов замораживания-оттаивания на удельную энергоемкость разрушения карбонатных пород месторождений Якутии и кимберлита рудников «Интернациональный» и «Мир».

♦

- .....♦..................- ♦ 3 I / *

♦ Воздушно-сухие ■ Водонасыщенные А Насыщенные 5% р-ом ЫаС1

Исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на энергоемкость процесса разрушения горных пород проводились следующим образом. Навески образцов, массой по 50г каждая, помещались в алюминиевые бюксы и заливались дистиллированной водой или 5% раствором ЫаС1. После выстойки в течение 48 часов образцы в той же среде замораживались в морозильной камере при температуре -20°С, а затем размораживались при температуре +20 °С. После воздействия заданного количества циклов (3, 5, 10) образцы высушивались и по разработанной методике определялась удельная энергоемкость разрушения материала.

В результате проведенных экспериментов установлено, что воздействие циклов замораживания-оттаивания приводит к интенсивному снижению удельной энергоемкости разрушения пород.

В качестве примера на рисунке 4 приведен график изменения относительной удельной энергоемкости разрушения карбонатных пород карьеров «Удачный» и «Айхал» в зависимости от числа циклов замораживания-оттаивания.

5 Э

с.

- й

ч н

и о

н о в а

У 7 о £

Р Е о &

О 2 4 6 8 10

Количество циклов замораживания-оттаивания

Рисунок 4 - Относительная энергоемкость разрушения известняков карьеров «Удачный» и «Айхал» в зависимости от числа циклов замораживания-оттаивания

Установлено, что воздействие первого цикла замораживания-оттаивания на известняк карьера «Айхал» в водной среде и известняк карьера «Удачный» в солевом растворе приводит к снижению удельной энергоемкости их разрушения на 40%. После трех циклов замораживания-оттаивания энергозатраты снижаются на 60%, по сравнению с исходным состоянием. Энергоемкость разрушения известняков карьера «Удачный», замороженных в водной среде, в среднем на 20% выше, чем у образцов насыщенных в 5% солевом растворе.

Воздействие трех циклов замораживания-оттаивания в водной среде на образцы кимберлита рудника «Интернациональный» (см. рис. 5) приводит к снижению удельной энергоемкости его разрушения на 60 - 70%. После 10 циклов замораживания-оттаивания удельные энергозатраты снижаются на 70-80% по сравнению с исходными. Необходимо отметить, что происходит снижение удельной энергоемкости разрушения воздушно-сухих образцов несмотря на то, что при исследовании влияния отрицательных температур энергозатраты на разрушение увеличивались (см. рис. 3).

120

I 5 100

ч г V я

- л

ч ь

♦ Воздушно-сухие

■ Водная среда * Рассол

------ V........... - -

♦

7—

- -- -1

■

0 2 4 6 8 10

Количество циклов замораживания-оттаивания

Рисунок 5 - Зависимость энергоемкости разрушения кимберлита рудника «Интернациональный» от количества циклов замораживания-оттаивания

Воздействие трех циклов замораживания-оттаивания в водной среде на кимберлит трубки «Мир» (см. рис. 6) приводит к уменьшению удельной энергоемкости разрушения кимберлита на 65-75% по сравнению с энергозатратами в исходном состоянии.

120

О4-

В! 100

ч>

э ^ 80

о.

о. 60

и с. 20

'■и

п 0

>!-Г- {---

Ч 1 ----—* •ч ♦

Ч>ч ♦ Воздушно-сухие ■ Водная среда * Рассол

______Чч

1-Г ^-

2 4 6 8

Количество циклов замораживания-о паивания

Рисунок 6 - Зависимость энергоемкости разрушения кимберлита рудника «Мир» от количества циклов замораживания-оттаивания

Снижение удельной энергоемкости разрушения исследованных горных пород обуславливается накоплением и развитием различных дефектов в испытуемых образцах в результате воздействия на них циклического замораживания-оттаивания.

Таким образом, обосновано третье защищаемое научное положение: удельная энергоемкость разрушения карбонатных пород и кимберлита алмазоносных месторождений Якутии после трех циклов замораживания-оттаивания в водной среде снижается в 2-3 раза.

Следует подчеркнуть, что значительный интерес в технологическом плане представляет слабая морозостойкость кимберлита и его дезинтеграция при воздействии циклического замораживания-оттаивания. На рисунке 7 приведены данные ситового анализа кимберлита рудника «Интернациональный» после воздействия 3, 5, 10 циклов замораживания-оттаивания в водной среде.

100

ч?

| 50

1 40 ^

I 30

М 20

Рисунок 7 - Ситовой анализ кимберлита рудника «Интернациональный» после циклов замораживания-оттаивания в водной среде

Анализ результатов показывает, что воздействие 3-х циклов замораживания-оттаивания привело к дезинтеграции 70% исходного материала, после 10 циклов замораживания-оттаивания в исходном классе крупности осталось лишь 20% материала. Аналогичные данные были получены при испытаниях кимберлита рудника «Мир» показавших, что воздействие 3 циклов замораживания-оттаивания приводит к разрушению 80% исходного материала. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с исследованиями по дезинтеграции кимберлита трубки «Удачная», проведенными ранее в институте. Исследования показали, что под влиянием трех циклов замораживания-оттаивания кимберлит трубки «Удачная» дезинтегрируется на 90%.

Ш 3 цикла ЕЭ 5 циклов □ 10 циклов

-20+10 -10+8 -8+5 -5+2 -2+1 -1+0,5 -0,5+0,25 -0,25 Класс крупности, мм

С точки зрения технологического применения результатов проведенных исследований следует отметить, что в результате циклического знакопеременного воздействия на кимберлит происходит накопление дезинтегрировавшегося материала в классах крупности -5+2 и -2+1 мм, что приводит к практически полному раскрытию кристаллов алмаза без механического воздействия. Последнее необходимо учитывать при совершенствовании существующих и разработке новых технологий добычи и переработки полезных ископаемых.

Как показывает производственный опыт добычи и переработки алмазосодержащего сырья перед обогащением на фабрике, часть добытого кимберлита в течении длительного времени хранится на рудном складе, подвергаясь атмосферному воздействию, в том числе циклам замораживания-оттаивания. Учитывая его слабую морозостойкость и высокую дезинтегрируемость необходимо предусмотреть предварительное грохочение руды, с выводом подрешетного продукта грохотов на переделы обогащения, минуя операции дробления и измельчения. Эти мероприятия позволят уменьшить энергозатраты на разрушение кимберлита, и увеличить сохранность кристаллов алмаза.

Поверхностные слои пород открытых и подземных горных выработок наиболее подвержены физико-химическому выветриванию, в том числе воздействию циклов замораживания-оттаивания. Это приводит к снижению прочности и энергоемкости их разрушения, что негативно сказывается на их устойчивости и может привести к аварийным ситуациям. Для предотвращения подобных негативных явлений необходимо, в первую очередь, снизить интенсивность процессов морозного выветривания на горные породы (уменьшить количество циклов замораживания-оттаивания), используя различные технические средства, в частности, теплозащитные покрытия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научно-практической задачи установления закономерностей изменения удельной энергоемкости разрушения горных пород при знакопеременном температурном воздействии. Разработана методика определения удельных энергозатрат и проведены исследования влияния знакопеременных температурных воздействий, в том числе циклических, на удельную энергоемкость процесса разрушения горных пород.

Основные результаты и выводы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Разработана методика определения энергоемкости разрушения горных пород, которая позволяет оценить относительное изменение удельной энергоемкости разрушения горных пород при знакопеременных температурных воздействиях.

2. Впервые экспериментально установлено, что в диапазоне температур -5°С...-10°С удельная энергоемкость разрушения карбонатных пород карьеров «Удачный», «Мохсоголлох» и кимберлита трубок «Интернациональная», «Удачная» на 10-40% ниже, чем при темперагуре +20°С.

3. Степень влияния температуры на удельную энергоемкость разрушения горных пород зависит от их пористости. У образцов обладающих пористостью 12% снижение удельной энергоемкости разрушения составило 40%, у образцов с пористостью 1% снижение составило 15%.

4. Установлено, что воздействие первых трех циклов замораживания-оттаивания в водной среде приводит к снижению энергоемкости разрушения карбонатных пород и кимберлита алмазных месторождений Якутии в 2-3 раза.

5. Установлено, что воздействие первых трех циклов замораживания-оттаивания в водной среде на кимберлит алмазных месторождений Якутии приводит к дезинтеграции более 70% исходного материала без механического воздействия.

6. Снижение удельной энергоемкости разрушения горных пород объясняется тем, что при понижении температуры возникают внутренние напряжения в материале, обусловленные, прежде всего, изменением агрегатного состояния воды (увеличение объема на 9%), а также различием в упругих свойствах и коэффициентах теплового расширения отдельных зерен породы.

Полученные результаты экспериментальных исследований по влиянию знакопеременных температурных воздействий на энергоемкость процесса разрушения горных пород могут служить основой для разработки: энергосберегающих технологий добычи и переработки полезных ископаемых криолитозо-ны; мероприятий по обеспечению устойчивости горных выработок; кристал-лосберегающих технологий добычи и обогащения алмазосодержащего сырья.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: Издания, рекомендованные ВАК Минобрнауки РФ

1. Захаров, Е.В. Влияние циклов замораживания-оттаивания на энергоемкость процессов дробления / Е.В. Захаров, A.C. Курилко // Горн, информ. -аналит. бюл. - 2008. Отд. вып. Якутия - 1. - №ОВ2. - С. 242 - 248.

2. Захаров, Е.В. Энергетические показатели разрушения горных пород и

их зависимость от температурного фактора / Е.В. Захаров, А.С. Курилко // Наука и образование. - 2009. - №1. - С. 19 - 25..

3. Захаров, Е.В. Исследование влияния знакопеременных температурных воздействий на энергоемкость процесса дробления горных пород / Е.В. Захаров // Горн, информ. - аналит. бюл. - 2009. - №5. - С. 276 - 282.

Прочие научные издания

4. Захаров, Е.В. Влияние отрицательной температуры на удельную энергию разрушения угля / Е.В. Захаров // Молодой ученый. - 2009. - №6. - С. 17-20.

5. Zakharov, Y.V. The Local Minimum of Strength and Energy of Destruction of the Carbonate Rocks under the Negative Temperatures / Y.V. Zakharov, A.S. Ku-rilko // Proceedings of the Eighth international symposium on permafrost engineering «Recent Development of Research on Permafrost Engineering and Cold Region En-viroment», 15-17 October 2009. - XI'AN, China: Lanzhou University Press, 2009. -P.425-430.

6. Zakharov, Y.V. The Influence of Freezing and Thawing Cycles upon the Energy Tntensivity of the Destruction of the Carbonate Rocks / Y.V. Zakharov, A.S. Kurilko // Proceedings of the Eighth international symposium on permafrost engineering «Recent Development of Research on Permafrost Engineering and Cold Region Enviroment», 15-17 October 2009. - XI'AN, China: Lanzhou University Press,

2009.-P. 437-441.

7. Захаров, Е.В. Разрушение кимберлита при циклическом замораживании-оттаивании / Е.В. Захаров // Молодой ученый. - 2010. - №12. - С. 20-23.

8. Захаров, Е.В. Влияние отрицательных температур на энергозатраты при разрушении горных пород / Е.В. Захаров, А.С. Курилко // Материалы III Международной научной конференции «Проблемы комплексного освоения георесурсов». В 4-х т. - Хабаровск: ИГД ДВО РАН. - 2010. - Т. IV. - С. 26-31.

9. Захаров, Е.В. Влияние знакопеременной температуры на удельную энергоемкость дробления кимберлитов / Е.В. Захаров, А.С. Курилко // Труды конф. с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды». В 3-х т. Прикладная геомеханика. Обогащение полезных ископаемых, экология. - Новосибирск: Ин-r горн, дела СО РАН,

2010. - T.I. - С. 145-149.

10. Захаров, Е.В. Разупрочнение кимберлита и вмещающих горных пород при знакопеременных температурных воздействиях / Е.В. Захаров, А.С. Курилко // Труды международной научно-практической конференции: «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений» поев. 50-летию института «Якутнипроалмаз». - Новосибирск: Наука. 2011. — С. 327-330.

Подписано в печать 12.01.2012. Формат 60x84/16. Усл. печ. л.О Тираж 100. Заказ 04

ООО «Цумори Пресс», 677000, г. Якутск, ул. Губина, 33 тел. 759131 e-mail: tsumoripress@yandex.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Захаров, Евгений Васильевич, Якутск

61 12-5/1864

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА СЕВЕРА им. Н.В. ЧЕРСКОГО СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

•/ /

и На правах рукописи

ЗАХАРОВ ЕВГЕНИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПРОЦЕССА ДРОБЛЕНИЯ

ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук Курилко А. С.

Якутск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4

1 ПРЕДМЕТ, СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................... 9

1.1 Энергоемкость различных способов разрушения горных пород....... 9

1.2 Влияние отрицательных температур на прочностные показатели и энергетические характеристики разрушения горных пород.................. 14

1.2.1 Влияние воды и ПАВ на прочность горных пород.............. 26

1.3 Влияние циклов замораживания-оттаивания на прочностные показатели горных пород............................................................ 30

1.4 Постановка, цели и задачи исследований..................................... 39

2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.................................................. 41

2.1 Методы динамических испытаний и определения энергоемкости разрушения горных пород.......................................................... 41

2.2 Определение удельной энергоемкости разрушения горных пород на маятниковом копре..................................................................... 47

2.3 Определение удельной энергоемкости разрушения горных пород на

вертикальном копре................................................................... 58

Выводы.................................................................................. 62

3 ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА УДЕЛЬНУЮ ЭНЕРГОЕМКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД..................... 64

3.1 Влияние отрицательных температур на удельную энергоемкость разрушения карбонатных пород с различной пористостью.................... 64

3.2 Удельная энергоемкость разрушения кимберлита в условиях отрицательных температур.......................................................... 70

3.2.1 Общие сведения и особенности вещественного состава кимберлита трубки «Интернациональная».......................................... 70

3.2.2 Общие сведения и особенности вещественного состава 72 кимберлита трубки «Мир»..................................................

3.2.3 Экспериментальная часть............................................................. 74

3.3 Удельная энергоемкость разрушения углей при различных

отрицательных температурах........................................................ 82

Выводы.................................................................................. 85

4 ВЛИЯНИЕ ЦИКЛОВ ЗАМОРАЖИВАНИЯ-ОТТАИВАНИЯ НА УДЕЛЬНУЮ ЭНЕРГОЕМКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД..... 86

4.1 Воздействие циклического замораживания-оттаивания на удельную энергоемкость разрушения карбонатных пород................................ 86

4.2 Удельная энергоемкость разрушения пород определенного класса крупности после воздействия циклов замораживания-оттаивания........... 90

4.3 Воздействие циклического замораживания-оттаивания на удельную энергоемкость разрушения кимберлитов.......................................... 93

4.3.1 Дезинтеграция кимберлита под воздействием циклов замораживания-оттаивания................................................... 95

4.4 Возможность применения полученных данных для практических

целей..................................................................................... 98

Выводы.................................................................................. 102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................... 103

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................. 105

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................... 114

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований.

При добыче и переработке полезных ископаемых наиболее энергоемким технологическим процессом является разрушение горных пород. В России ежегодно несколько миллиардов тонн различных геоматериалов, таких как руды, угли, строительные материалы и др. виды минерального сырья, извлекаются из недр и подвергаются дроблению и измельчению. По оценкам Гончарова С.А. и др. исследователей в себестоимости концентрата на предприятиях черной и цветной металлургии России процесс разрушения занимает 60% [1]. В связи с этим одной из главных задач горной науки является разработка новых технологий добычи и переработки, которые позволят значительно сократить энергозатраты на разрушение горных пород. При этом необходимы знания о закономерностях их деформирования и разрушения.

За последние 150 лет выявлены многие закономерности процессов дробления и измельчения горных пород. Эмпирические соотношения Кика, Риттингера и Бонда, называемые законами измельчения, стали классическими и широко используются в производственной практике [2]. По мнению П.А. Ребиндера неудачи в поисках универсальных законов измельчения обусловлены тем, что в них процессы разрушения твердых тел рассматриваются без учета роли внешней среды [3].

Основой диссертационной работы послужили результаты исследований, выполненных автором в качестве исполнителя плановых госбюджетных НИР ИГДС СО РАН: проект 25.2.3 «Особенности деформирования и разрушения геоматериалов в условиях неоднородных температурных и силовых полей» (2004-2006 гг. № гос. per. 0120.0408609); проект № 7.7.1.3 «Исследование влияния силовых и температурных полей на процессы, происходящие в верхних слоях земной коры при техногенном воздействии» (2007-2009 гг. № гос. per. 01.2.007 06515); проект VII.60.4.1 «Поведение геоматериалов и массивов горных пород при воздействии неоднородных силовых и знакопеременных температурных полей» (20102012 гг. № гос. per. 01201050748); проект РФФИ 09-08-00832 «Исследование закономерностей изменения удельной энергоемкости разрушения геоматериалов при знакопеременных температурных воздействиях» (20092011 гг. № гос. per. 01200954239).

Объект исследований: карбонатные породы, бурые и каменные угли, кимберлит различных месторождений Якутии.

Задачи исследований:

разработка методики определения удельной энергоемкости разрушения горных пород;

Положения выносимые на защиту:

Достоверность и обоснованность полученных автором результатов обеспечиваются: корректностью постановки задач и выбором методов исследований, большим объемом экспериментальных исследований и обработкой полученных данных с использованием методов математической статистики, натурными данными по дезинтеграции рудного сырья на месторождениях АК «АЛРОСА».

Научная новизна работы заключается в следующем:

- энергосберегающих технологий добычи и переработки полезных ископаемых;

- мероприятий по обеспечению устойчивости горных выработок;

кристаллосберегающих технологий добычи и переработки алмазосодержащего сырья.

2007, 2009, 2011 гг.); XIV Лаврентьевских чтениях» (г. Якутск, 2010); VIII, IX и X научно-технических конференциях, посвященных памяти профессора Н.С. Иванова «Современные проблемы теплофизики в условиях крайнего Севера» (г. Якутск, 2007, 2009, 2011 гг.); IV и V Евразийских симпозиумах, посвященных памяти В.П. Ларионова «Eurastrencold» (г. Якутск, 2008, 2010 гг.); III Международной научной конференции «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (г. Хабаровск, 2009 г.); IX Международном симпозиуме по развитию холодных регионов «ISCORD-2010» (г. Якутск, 2010 г.); Всероссийском научном молодежном форуме «Геокриология -прошлое, настоящее, будущее» (г. Якутск, 2010 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию института «Якутнипроалмаз»: «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений (г. Мирный, 2011); Всероссийской научно-практической конференции: «Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северных и северо-восточных регионов России», посвященной памяти чл.-корр. РАН Новопашина М.Д. (г. Якутск, 2011).

1 ПРЕДМЕТ, СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

В связи с интенсивным ростом объемов добычи и переработки полезных ископаемых, в горнодобывающей промышленности постоянно увеличивается энергопотребление. Значительная часть бюджета России формируется за счет горного производства, в связи с этим необходимо, чтобы себестоимость добываемых полезных ископаемых была конкурентноспособной на международном рынке.

Как известно, самыми энергоемкими, а значит и дорогостоящими, операциями являются отбойка, дробление и измельчение полезных ископаемых. По некоторым оценкам на эти операции приходятся от 60 - 80% от общих затрат и эксплуатационных расходов предприятия. Отсюда и вытекает одна из главных задач горной науки - предложить новые технологии добычи и переработки полезных ископаемых, которые позволят существенным образом уменьшить энергозатраты на их разрушение. Для сокращения энергетических затрат необходимо знать прочностные параметры горных пород и минералов, закономерности их деформирования и разрушения.

1.1 Энергоемкость различных способов разрушения горных пород

В настоящее время разработка новых способов разрушения связана с воздействием на горные породы различных видов энергии (высокочастотные и сверхвысокочастотные электромагнитные и электрические поля, концентрированные потоки электронов, фотонов, а также изменение механизма разрушения - плавление, испарение, растворение) [1]. Однако, несмотря на значительное количество способов ослабления горных пород, энергоемкость процессов их разрушения остается довольно высокой.

Развитие существующих и разработка новых способов разрушения горных пород осуществляются главным образом в направлении совершенствования средств воздействия на породы и увеличения скорости отделения материала от массива. Это достигается путем изменения геометрии породоразрушающего инструмента, изыскания новых армирующих материалов для его оснащения и управления напряженным состоянием призабойной зоны на основе направленного изменения состояния массива при воздействии различных физических полей. Изменение геометрии породоразрушающего инструмента позволяет реализовать такую схему нагружения, при которой в разрушаемом массиве преобладают напряжения отрыва и сдвига, а в самом инструменте - напряжения, наиболее выгодные с точки зрения его прочности. Но при значительных успехах и достижениях в области получения сверхтвердых материалов, породоразрушающие инструменты далеко не всегда обеспечивают интенсификацию процесса разрушения крепких горных пород, из-за их низкой прочности и износостойкости.

В связи с этим, возникает необходимость разработки способов разрушения, основанных на предварительном ослаблении отрабатываемой зоны горного массива, при котором изменяются его физико-механические свойства в сторону снижения прочностных показателей и энергозатрат на его разрушение.

Существующие способы ослабления горных пород можно разделить на пять классов: механические, термические, химические, биологические и технологические. Наибольшее число вариантов применения приходится на термическое ослабление горных пород. Сюда входят: нагрев массива пламенем, горелкой, паром, горячей водой и т.д.; глубокое охлаждение жидким азотом; применение знакопеременных температурных воздействий; облучение лазером, электромагнитными полями, ультразвуком, СВЧ полями и т.д. [4].

В работе Миронова Е.И. приведена сравнительная оценка относительной энергоемкости разрушения горных пород различными способами (см. табл. 1.1). Самый низкий показатель приходится на мощный высокоскоростной удар - 0,07. Чуть больше энергии затрачивается при термомеханическом разрушении - 0,1. Энергоемкость термомеханического разрушения ниже энергоемкости шарошечного бурения в 7, а плазменного в 1200 раз [5].

Таблица 1.1 - Сравнительная оценка энергоемкости различных способов

разрушения горных пород.

Относительная

Способ разрушения энергоемкость разрушения

Термические

Лазерный луч 450

Плазма 120

Электронный луч 8

Гидравлические

Низкоскоростная струя воды 85

Непрерывная струя высокого давления 45

Пульсирующая струя высокого давления 1

Механические

Ультразвук 1,5

Коническая шарошка 0,7

Мощный механический удар 0,5

Направленный удар средней мощности и скорости 0,2

Мощный высокоскоростной направленный удар 0,07

Комбинированные

Гидромеханический 40

Термомеханический 0,1

Энергозатраты на осуществление процессов дробления и измельчения горных пород являются объектом управления с точки зрения создания условий для эффективной выемки полезного ископаемого, его транспортировки, раскрытия зерен, разделения полезного ископаемого и вмещающих пород [6].

Общепринято, что критерием оптимизации в данном случае выступает

минимум удельных затрат энергии или энергоемкость разрушения горных пород. Под энергоемкостью разрушения горных пород п�

Информация о работе

Захаров, Евгений Васильевич
кандидата технических наук
Якутск, 2012
ВАК 25.00.20

Диссертация

Влияние знакопеременных температурных воздействий на энергоемкость процесса дробления горных пород - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы