Разрушение кусков породы расколом, соударением

1. Введение.

В процессах обогащения минерального сырья около 70 % энергии расходуется  на дробление и измельчение руды. Расход электроэнергии на процесс измельчения до крупности 0,05–0,1 мм в зависимости от типа руд составляет от 20 до 80 кВт⋅ч/т. Анализ основных потерь ценных компонентов в процессах первичной переработки руд показывает, что 35–40 % связано со сростками и 30–35 % − с тонкими частицами размером менее 40 мкм [5]. Процесс рудоподготовки в технологии обогащения различных руд преследует цель создания условий, обеспечивающих максимальную степень извлечения полезного компонента при минимально возможных ресурсозатратах. При обогащении полезных ископаемых основная роль дезинтеграции заключается в полном раскрытии минеральных сростков с образованием свободных зерен компонентов для последующего их разделения по физико-химическим характеристикам. Для разрушения горных пород затрачивается определенное количество энергии, зависящее от их прочности. Прочность горных пород зависит от внешних условий (температуры, давления, напряженности электрического поля, влажности и т.п.), от внутреннего строения, состава и физических свойств минералов, составляющих породу. Изменяя внешние условия, можно изменять прочность материала, например, уменьшить ее в необходимых пределах [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Основная часть.

Разрушение горных пород - сложный физический или физико-химический процесс, характер развития которого зависит от величины и скорости приложения нагрузки, напряженного состояния объекта, его прочности и структурных свойств. B соответствии c этим разрушение может протекать на микро- и макроскопичком уровнях. Микроскопическое разрушение (размеры зоны разрушения до 1 мм) возникает в месте контакта разрушающего элемента c породой и сопровождается разрывом связей между зёрнами или нарушением химических связей в кристалле, микротрещинами, сдвигом вдоль поверхностей скольжения. Макроскопическое разрушение (размеры зоны разрушения 1 см и более) характеризуется развитием одной или множества трещин, нарушающих сплошность массивов в значительных объёмах. Bo всех случаях разрушение начинается c процесса на микроскопическом уровне, при определённых условиях приобретающего макроскопические масштабы [4]. Разрушение твердого тела почти всегда происходит вследствие развития в нем некоторых поверхностей разрыва смещений. При этом, если реализуется разрыв нормального к поверхности смещения, то говорят о трещине нормального разрыва (отрыва) или просто трещине; если же реализуется разрыв касательного к поверхности смещения, то говорят о трещине сдвига или дислокации. Для роста трещин характерно преимущественное развитие одной наиболее опасной трещины (однако есть исключения, например рост трещин в условиях сжатия, близкого к всестороннему), способность ее к быстрому неустойчивому росту, обычно вызывающему разделение тела на части. Гильвари представляет механизм разрушения единичного зерна как процесс активации дефектов кристаллической решетки под влиянием подведенной энергии, развивающийся до образования трещины и ее раскрытия. При этом процессе каждый вид дефекта (реберный, поверхностный, объемный) способствует дроблению кристалла на вполне определенные размеры частиц, что приводит к статистическому распределению частиц по величине [1]. В результате исследований [2,3] было получено, что в случае монолитной породы (известняк) растрескивание происходит из-за активизации реберных трещин, в свою очередь разрушение порфира (горная порода с крупными включениями) идет по поверхностным трещинам. Максимальной прочность обладает гипотетическое твердое тело с бездефектным кристаллическим строением, т.е. тело имеет идеальную или теоретическую прочность. Реальная прочность всегда меньше идеальной из-за наличия в кристаллической решетке дефектов. Горная порода всегда имеет дефекты, которые присущи кристаллическому строению минералов [2]. В минералах дефекты могут быть точечными (примеси, вакансии и т.п.), линейными (краевые и винтовые дислокации), объемными (породы и трещины). В горных породах, кроме дефектов, содержащихся в минералах, в качестве таковых выступают границы зерен, слоев и т.п. Число различных дефектов в данной породе, как и влияние данного дефекта на прочность породы, зависит от ее строения, внешних условий и режимов разрушения. Влияние дефектов заключается в том, что они уменьшают действующую площадь сечения образца, т.е. площадь сечения, к которой приложена растягивающая сила. Кроме этого, вблизи дефектов концентрируются напряжения, а значит и энергия. Наибольшее влияние оказывают трещины, в результате роста которых происходит разрушение [2]. Дефекты повышают среднее напряжение в теле, что приводит к разрыву связей между ионами (или атомами) и разрушению тела. В связи с этим реальная прочность горных пород на растяжение меньше в 102 – 104 раз чем теоретическая [3].

2.1 Уменьшение  прочности минералов при использовании  ПАВ в процессе

измельчения.

При тонком измельчении руд, согласно теории Гриффитса-Орована-Ребиндера, развитие микротрещин с последующим разрушением агрегатов имеет место вдоль минеральных границ с повышенной концентрацией дефектов, примесных атомов, ионов, дислокаций и других несовершенств. Прочность минерала зависит от свободной поверхностной энергии. Ее значение можно изменять при помощи добавления поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые сорбируются на поверхности минералов. Значение удельной поверхностной энергии повышается, если в результате растворения уменьшается острота трещины, и тогда прочность тела возрастает. Если же среда образует с твердым телом прочные соединения, которые как мостик стягивают вершину трещины, ее острота увеличивается, а прочность твердого тела падает [1]. Адсорбция ПАВ из внешней среды в отсутствие заметного химического взаимодействия может значительно понижать предел упругости, прочность Надь А.: Разупрочнение горных пород c помощью и твердость, облегчать диспергирование хрупких тел. Особое значение для адсорбционного понижения прочности твердых тел имеют дефекты их строения. Поскольку дефекты обладают избыточной свободной энергией, на них происходит интенсивная адсорбция поверхностно-активных веществ. Адсорбция и обусловленное ею снижение поверхностной энергии приводят к увеличению размеров микротрещин, возникающих в местах высокой концентрации напряжений, и к снижению уровня напряжений, при котором микротрещины развиваются в трещины разрушения. По дефектам структуры осуществляется поступление сорбированных атомов с поверхности образца к месту зарождения объемной трещины [4,11]. По этим причинам адсорбционное понижение прочности проявляется тем сильнее, чем выше дефектность структуры. Действие среды весьма разнообразно и зависит от многих факторов, среди которых существенное значение имеют соотношения в числе и размерах внутренних и поверхностных дефектов. Поэтому одна и та же среда в одинаковых условиях может оказывать различное действие. Кроме того, следует рассматривать виды трещиноватости и нагрузки: например, если трещины располагаются по объему, что наиболее характерно для горных пород, а нагрузка сконцентрирована в ограниченном объеме, то влияние ПАВ будет ограниченным. Необходимо также учитывать скорость диффузии ПАВ в трещины и время удаления обработанного ПАВ слоем породы. Время проникновения поверхностно-активных веществ в трещину не должно превышать времени удаления обработанного объема породы. Наилучший эффект от применения ПАВ будет в том случае, когда их заблаговременно вводят в массив, т.е. обрабатывают массив за долго до начала его разрушения. За длительное время ПАВ проникает глубоко в трещины и значительно снижает прочность породы. Разрушение предварительно обработанной ПАВ породы будет происходить с повышенной производительностью при пониженной энергоемкости [3]. Снижение прочности минералов при помощи ПАВ приводит к уменьшению удельной энергии разрушения горной породы, а следовательно, к уменьшению энергоемкости разрушения породы и к увеличению производительности машин.

2.2 Разрушение  горных пород при помощи электроимпульсных  технологий.

Подавляющую часть полезных ископаемых измельчают в машинах, в  которых реализуется механическое разрушение. Их сравнительно простое конструктивное оформление сочетается с надежностью и экономичностью. В настоящее время известны механические, физико-химические, термические, термомеханические и др. способы разрушения горных пород – всего несколько десятков. При механических способах в породах создаются напряжения, превышающие предел их прочности. При термических способах разрушение пород происходит за счет возникновения в них термических напряжений и различного рода эффектов (дегидратация, диссоциация, плавление, испарение и т. д.). При термомеханических способах тепловое воздействие осуществляется целенаправленно для предварительного снижения сопротивляемости породы последующему механическому разрушению. Химические (физико-химические) способы разрушения пород предусматривают использование высокоактивного химического вещества [1]. С целью создания условий, обеспечивающих максимальную степень извлечения полезного компонента используют селективную дезинтеграцию минеральных комплексов. Физический смысл перехода к данной технологии заключается в том, чтобы разрушение происходило не по случайным направлениям сжимающих усилий, а преимущественно по границам минеральных зерен в результате развития на их границах сдвиговых и растягивающих нагрузок. Для преодоления физической упорности руд и промпродуктов, раскрытия тонковкрапленных минеральных комплексов весьма перспективны немеханические способы энергетического воздействия, применение которых способствуют реализации процесса селективной дезинтеграции геоматериалов с предельно высокими механическими свойствами без излишнего переизмельчения минералов. Для максимального раскрытия вкрапленных минеральных комплексов благородных металлов, помимо традиционных процессов дробления и измельчения, представляется перспективным применение немеханических способов разрушения, обеспечивающих дезинтеграцию минеральных компонентов по межфазным границам за счет образования микротрещин и каналов пробоя в результате энергетических воздействий и, в особенности, в импульсном режиме – так называемых электроимпульсных технологий (Pulsed Power) [5]. Электроразрядные технологии основаны на трансформации низкотемпературной и неравновесной разрядной плазмы в газах, жидких и твердых диэлектриках или полупроводящих материалах в энергию фазовых переходов, химических реакций, механическую работу и др. Их принципиальное отличие заключается в возможности адресного сообщения веществу большой плотности энергии в импульсном режиме. Это обеспечивает высокие скорости изменения физических и термодинамических параметров в обрабатываемом веществе. Воздействие на обрабатываемое вещество в электроразрядных технологиях многофакторное: мощное электромагнитное излучение (от УФ до радиодиапазона), электрические поля, меняющиеся со скоростью до 1010…1011 В/мс, заряженные частицы (электроны, ионы) и высокоэнергетичные атомы, ударные и акустические волны. Как правило, из-за неравновесности, воздействие синергетическое, т.е. энергия взаимодействия больше суммы вкладов отдельно взятых факторов [5]. Физической основой электроимпульсного способа является использование разрушающего действия электрических разрядов в твердых телах. [1]. Фрагменты руды погружены в жидкий диэлектрик (обычно вода) и подвергаются высоким напряжениям, созданным с помощью электрических импульсов, которые вызывают взрывное разрушение твердых тел. Взрывной распад агрегатов происходит в результате электрического пробоя и радиального расширения плазмы на границах минералов с разной диэлектрической проницаемостью и электропроводностью. Электростатическая поляризация минеральных частиц приводит к концентрации несбалансированных электрических зарядов на границах различных минералов и к значительному увеличению электрического поля между минералами с высокой и с низкой диэлектрической проницаемостью и проводимостью. Индукция максимального электрического поля и последующий за этим электрический пробой твердых тел в точках максимального электрического поля являются причинным механизмом освобождения минералов с помощью электрических импульсов. Эффект освобождения связан с индукцией электрического поля на границе раздела минералов с различными электрическими свойствами [1]. Схема пробоя и взрывногоразрушения показана на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физический механизм способа  разрушения за счет напряжений разрыва  дает возможность достижения более низкой энергоемкости разрушения в сравнении с традиционными способами (в сопоставимых по применению условиях). Энергетическая эффективность разрушения мало критична к механической прочности пород, благодаря чему наибольший технико-экономический эффект его применения достигается на особо крепких горных породах. При дезинтеграции руд обеспечивается высокоселективное разрушение материала с максимальным отделением зерен полезных минералов от вмещающей породы, что способствует полноте извлечения полезных минералов и комплексному использованию минерального сырья, созданию экологически чистых производств с полной утилизацией компонентов минерального сырья и побочных продуктов его переработки [4]. В табл. 1 приведены данные об основных технологических эффектах, областях применения и ограничениях, вторичных эффектах, энергозатратах при различных видах электроимпульсных воздействий на минеральные комплексы и суспензии по результатам исследований, проведенных в последние 20-25 лет в мире. Показано, что каждый из рассмотренных нетрадиционных энергетических методов дезинтеграции минерального сырья, а именно: электроимпульсная, электрогидродинамическая, магнитно-импульсная обработка, воздействие мощными электромагнитными импульсами имеет свои преимущества и недостатки, обуславливающиеся физическими процессами и механизмами взаимодействия концентрированных потоков энергии с тонкодисперсными минеральными средами [6].

Таблица 1 – Нетрадиционные энергетические методы дезинтеграции  минеральныхкомплексов (источник [5])

Table 1 -Unconventional energy methods of disintegration of mineral complexes (source [5])

При воздействии МЭМИ эффективное  разупрочнение тонкодисперсных минеральных комплексов и селективное раскрытие сростков достигается вследствие реализации механизмов следующих процессов [5]:

• образования каналов  электрических пробоев матрицы  минерала-хозяина и формирования зон наведенной трещиноватости вокруг каналов по мере их роста в минеральной среде;

• растрескивания минеральных  агрегатов по причине возникновения термомеханических напряжений на границах срастания минеральных компонентов с различными тепло- и электрофизическими свойствами при локальном импульсном нагреве;

• поглощения энергии импульсного  электромагнитного излучения частицами благородных металлов и полупроводниковыми сульфидными минералами-носителями (скин-эффект) и в процессе автоэлектронной эмиссии с поверхности сульфидов. Электроимпульсный способ дезинтеграция отличается высокой селективностью разрушения, обеспечивает лучшее раскрытие зерен отдельных минералов и лучшую их сохранность от разрушения, меньшее образование шламистого продукта. Все это создает предпосылки для более полного извлечения полезного минерала в концентрат при обогащении руды, повышения качества концентрата. Отсутствует свойственное механическим способам загрязнение продукта аппаратурным металлом, материалом футеровки и мелющих тел. Возможность способа просто и в широких пределах изменять характер динамического нагружения позволяет регулировать гранулометрический состав продукта измельчения, получать более узкий класс крупности продукта, чем это возможно при механическом измельчении. Продукту электроимпульсного измельчения свойственна меньшая окатанность и большая удельная поверхность зерен за счет того, что новая поверхность образуется в процессе раскола при распространении трещин. Продукт разрушения обладает повышенной сорбцией и реакционной способностью в химических реакциях. Вскрытые частицы минеральных включений лучше соответствуют их исходному природному состоянию в породе и это имеет большое значение для изучения минерального сырья [6]. Большинство из приведенных в таблице 1. методов энергетических воздействий обладают одним или рядом следующих недостатков: высокие энергетические затраты и капиталовложения, избыточный нагрев обрабатываемого материала, неконтролируемый переход ионов металла в жидкую фазу вследствие интенсификации процесса выщелачивания сульфидов и некоторые другие.

 

 

 

3. Заключение.

Адсорбция поверхностно-активных веществ из внешней среды в  отсутствие заметного химического взаимодействия может значительно понижать предел упругости, прочность и твердость, облегчать диспергирование хрупких тел. Снижение прочности минералов при помощи ПАВ приводит к уменьшению удельной энергии разрушения горной породы, а следовательно, к уменьшению энергоемкости разрушения породы и к увеличению производительности машин. Для снижения потерь при уменьшении числа сростков и увеличении степени их раскрытия, а также без излишнего переизмельчения, руды традиционные неселективные процессы дробления и измельчения в щековых, конусных дробилках и шаровых мельницах должны быть дополнены процессами селективной дезинтеграции и вскрытия тонкодисперсного минерального сырья. Одним из таких процессов могут стать электроразрядные технологии, которые позволяют за счет образования каналов электрического пробоя и микротрещин достичь высокого извлечения ценных компонентов в последующих процессах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

[1] Бунин И. Ж.: Теоретические основы воздействия наносекундных

электромагнитных импульсов  на процессы дезинтеграции и вскрытия

тонкодисперсных минеральных  комплексов и извлечения благородных  металлов

из руд. Автореферат диссертации  на соискание ученой степени доктора

технических наук Москва – 2009.

[2] Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А.: Перспективы электроимпульсной

дезинтеграции в технологии добычи драгоценных металлов из руд  коренных

месторождений. // Горный информационно-аналитический  бюллетень. – М.: МГГУ. –

2008. – № 10. – С.242 –  246

[3] Лопатин В.В., Сквирская И.И.: Электрический разряд и его технологические

применения. Известия Томского политехнического университета. 2003. Т.306.

№1

[4] Протасов Ю.И., Теоретические основы механического разрушения горных пород.

Москва, Недра 1985

[5] Усов А.Ф., Ефимов Б.В, Цукерман В.А., Абдуллин Р.М., Приютов Ю.М.: Процессы и

технологии на основе электроимпульсного способа разрушения материалов //

Инновационный потенциал  Кольской науки - Апатиты: Изд. Кольского  научного центра

РАН, 2005. - 320 с. – С.307-312.

[6] http://www.qursen.ru/nashi-novosti/zernovoy-sostav.html, lipiec 2011

 

 

 

 

 

 

 

4. Способы разрушения зерен горных пород соударением.