CC BY
68
А.С. Курилко, Е.В. Захаров, 2011
А.С. Курилко, Е.В. Захаров
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОТРИЦА ТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРА ТУР НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД
Проведены исследования влияния отрицательных температур в диапазоне от 273 до 253 К на энергоемкость разрушения карбонатных пород.
Ключевые слова: промерзание горных пород, прочность образцов, энергия разрушения горных пород.
ш ш ромерзание горных пород сопровождается многообраз-
.Л.Л. ными и сложными теплофизическими, физикохимическими и физико-механическими процессами, которые приводят к существенным преобразованиям их вещественного состава, структуры, текстуры и свойств.
Ранее, в лаборатории горной теплофизики ИГДС СО РАН установлено, что в диапазоне 268-257 К существует локальный минимум прочности карбонатных горных пород карьера «Удачный» [1].
На рис. 1 приведена относительная прочность горных пород карьера «Удачный» в зависимости от температуры. При понижении температуры от 293 до 268 К прочность некоторых образцов снизилась на 66 %. В среднем снижение произошло на 35 %. При понижении температуры до 253 К прочность продолжала снижаться и опустилась на 35-75 %. Самую низкую относительную прочность имели образцы 4 серии - 25 % от прочности при комнатной температуре. В среднем снижение прочности произошло более чем на 50 %.
При дальнейшем понижении температуры до 223 К прочность образцов пород повысилась и средняя величина достигла значений, близких к прочности образцов при температуре 293 К, у образцов 4 серии прочность была на 64 % выше, чем при комнатной температуре.
Снижение прочности пород в зависимости от температуры объясняется тем, что при понижении температуры возрастают
Температура, К
Рис. 1. Относительная прочность горных пород в зависимости от температуры в воздушно-сухом состоянии: 1 - глинистый доломит; 2 - глинистый известняк; 3 - битумизированый глинистый известняк; 4 - доломит мергелистый; 5 -битумизированый известняк
внутренние напряжения ввиду интенсивного замерзания поровой влаги в породе, а также возникают внутренние термонапряжения, обусловленные различием в упругих свойствах и коэффициентах теплового расширения отдельных зерен породы. При дальнейшем снижении температуры происходит увеличение прочности, что связано с цементацией и упрочнением породы поровым льдом. Тем не менее, большинство исследователей считают, что с понижением температуры прочностные характеристики пород возрастают.
Как показывают результаты некоторых исследований, понижение температуры пород может приводить к уменьшению энергии разрушения. В качестве примера можно привести результаты исследований, полученные А.Н. Москалевым, Л.Г. Керекилицей и Ю.Н. Вахалиным, при исследовании зависимости работы разрушения горных пород от низких температур. Экспериментальные данные показывают, что понижение температуры поверхностного слоя до 213-193 К приводит к уменьшению работы разрушения в 2,1 раза [2].
В настоящее время, единого мнения о величине изменения прочности и энергии разрушения горных пород, в зависимости от температуры, в диапазоне естественно низких температур нет.
Таблица 1
Физические свойства исследуемых образцов
Свойства Известняк (Мохсогол- Известняк
лох) (Удачный)
1. Плотность (кг/м3) 2755 2710
2. Пористость (%) 0,4 11,8
Методика проведения эксперимента
Объектами исследований были выбраны карбонатные породы, отобранные с бортов карьеров «Удачный» АК «АЛРОСА» и «Мох-соголлох», находящегося в 100 км от г. Якутска. Предварительно, перед началом испытаний определялись физические свойства данных типов горных пород, результаты приведены в табл. 1.
Дробление исследуемых пород проводилось по методу толчения [3]. Оборудование для дробления состоит из вертикального копра и объемомера. Навески образцов каждой группы по очереди засыпаются в загрузочный стакан копра и измельчаются путем сбрасывания груза определенной массы, с постоянной высоты.
Количество сбрасываний груза выбиралось таким образом, чтобы выход мелкой фракции разрушенного материала, определяемый с помощью объемомера, находился в пределах 10-40 мм. В проведенных опытах для каждой группы число ударов гирей равнялось пяти.
Преимущества метода толчения, применяемого для исследования, заключаются в том, что используются образцы произвольной (неправильной) формы, т.е. нет необходимости в строгой геометрической подгонке образцов. Метод позволяет произвести сравнительную оценку энергоемкости дробления исследуемых материалов.
Образцы исследуемых пород в виде кусковатого материала неправильной формы, крупностью -20+10 мм, перед исследованием разделялись на 4 группы. В каждой группе, при одной конкретной температуре исследовались по 5 навесок образцов, массой около 50 гр. каждая:
- Группа 1 испытывалась в исходном состоянии, при комнатной температуре 293 К (+20 °С);
- Группа 2 подвергалась температурному воздействию и помещалась в морозильник в воздушно-сухом состоянии;
- Группы 3 и 4 тоже подвергались воздействию отрицательных температур, но перед замораживанием в течение 48 часов насыщались дистиллированной водой (группа 3) и 5% раствором ЫаС1 (группа 4). После насыщения образцы вынималась из воды и рассола, обтирались и направлялись в морозильную камеру.
Замораживание групп проводили при температурах: 268 К (-5 °С), 263 К (-10 °С), 258 К (-15 °С) и 253 К (-20 °С). Время замораживания выбиралось с расчетом того, чтобы образец принял температуру, заданную в камере холодильника. Для контроля за достижением заданной температуры, вместе с образцами в морозильную камеру помещался образец спутник, в центре которого находился термодатчик. Время замораживания составляло около 4 часов.
Замороженные образцы вынимались из морозильника и сразу подвергались дроблению на копре. Дробление проводилось в не-отапляемом помещении, при температурах близких к температуре замораживания. Дробленый материал высушивался при комнатной температуре и подвергался ситовому анализу, по данным которого рассчитывали площадь образованной поверхности [4].
В качестве примера на рис. 2 приведены результаты ситового анализа дробленого известняка карьера «Удачный» из группы 4. Анализ результатов показал, что в исходном классе крупности -20+10 мм, при температуре 293К (+20 °С) разрушению и переходу в меньшие классы, подверглись около 42 % исследуемых образцов, тогда как у образцов, подвергшихся воздействию температуры 268К (-5 °С) эта величина составила 63 %. Воздействие температур 263, 258 и 253 К (-10°, -15°, -20 °С) на исследуемую породу при дроблении привело к тому, что содержание исследуемого материала в исходном классе уменьшилось в среднем на 55 %.
На приведенном выше рисунке, в классах крупности -10+8, -8+5 и -0,25+0 мм. видно явное преобладание исследуемых образцов дробленых при температуре 268 К. Тогда как у образцов, дробленых при комнатной температуре (+20 °С), по всем классам крупности кроме исходного наблюдается меньшее содержание материала по сравнению с образцами дроблеными при отрицательных температурах.
Рис. 2. Результаты ситового анализа образцов 4-й группы подвергнутых дроблению при различных температурах
Таким образом, максимальной дробимостью в исследованном диапазоне температур обладают образцы пород, подвергшиеся воздействию температуры 268 К (-5 °С), и соответственно минимальной дробимостью обладают породы испытанные при комнатной температуре (+20 °С).
Увеличение содержания материала в меньших классах крупности, является характерной особенностью разрушения горных пород при низких температурах, в отличие от разрушения при естественной (положительной) температуре [5].
По результатам ситового анализа, рассчитав площадь образованной поверхности и зная количество затраченной на дробление энергии, определяем количество энергии затрачиваемой на механическое дробление. Данные результатов приведены в табл. 2.
На рис. 3 и 4 приведено распределение относительных затрат энергии для двух типов исследуемых горных пород. Точками показаны данные, полученные в ходе экспериментов, по ним проведены линии тренда. Линия 4 показывает среднее значение энергоемкости в зависимости от температуры по всем трем группам.
На рис. 3 приведены относительные затраты энергии на разрушение известняка к. «Удачный». При понижении температуры от Таблица 2
Температура Энергоемкость дробления (Удачный) Дж/м2 Энергоемкость дробления (Мохсоголлох) Дж/м2
Гр. 2 Гр. 3 Гр. 4 Гр. 2 Гр. 3 Гр. 4
293К (+20° С) 4064,31 3469,95
268К ( -5° С) 2959,75 2498,69 2335,24 3159,89 3275,31 3238,15
263К (-10° С) 3432,67 3168,66 2713,54 3003,62 2983,45 3161,25
258К (-15° С) 2965,06 3308,28 2786,15 - - -
253К (-20° С) 3763,65 3958,22 3072,03 3354,86 2889,50 3204,42
50 -I------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------1-------
250 255 260 265 270 275 280 285 290 295
Температура, К
Рис. 3. Энергоемкость дробления известняка карьера «Удачный»: 1 - тренд по результатам замораживания в воздушно-сухом состоянии; 2 - тренд по результатам замораживания после насыщения в дистиллированной воде; 3 - тренд по результатам замораживания после насыщения в 5% солевом растворе; 4 - общий усредненный показатель
293 до 268 К относительные энергозатраты на разрушение данного материала снизились, снижение составило от 25 до 42 % в зависимости от групп. В среднем, при температуре 268К снижение затрат энергии составило 36 %. Максимальное снижение энергоемкости разрушения наблюдалось у образцов насыщенных 5% солевым раствором. При дальнейшем понижении температуры от 268 до 253 К энергозатраты на разрушения каждой группы возросли, но оставались на 4-25 % ниже уровня энергозатрат при температуре 293 К.
5 бо
50 -I----1------1-----1------1-----1------1-----1------1-------
250 255 260 265 270 275 280 285 290 295
Температура, К
Рис. 4. Энергоемкость дробления известняка карьера «Мохсоголлох» Условные обозначения приведены на рис. 3
На рис. 4 приведены данные по относительной энергоемкости разрушения образцов карьера «Мохсоголлох». Здесь, как и на предыдущем рисунке, видно, что при понижении температуры сохраняется тенденция к снижению энергоемкости разрушения испытуемых образцов. Минимальные затраты энергии разрушения имеют образцы группы 3 (насыщенные дистиллированной водой) при температуре 263 К и равны 15 % от энергоемкости при температуре 293 К. При дальнейшем понижении температуры энергозатраты на разрушение всех групп также как и в первом случае увеличиваются, но остаются на 3-12 % ниже чем при комнатной температуре 293 К.
Результаты экспериментов показывают, что уменьшение температуры от комнатной до 268-263 К для исследованных типов карбонатных пород приводит к снижению затрачиваемой на дробление энергии до 42 % в первом случае (известняк карьера «Удачный») и до 14 % во втором (известняк карьера «Мохсоголлох»). Наблюдается тенденция к росту затрачиваемой энергии при дальнейшем понижении температуры.
Энергоемкость разрушения зависит также от пористости исследуемой породы. Для вмещающей карбонатной породы трубки "Удачная", обладающей пористостью 12 %, энергоемкость дробления при температуре 268 К (-5 °С) на 42 % ниже чем при комнат-
ной температуре (рис. 3). Для известняка месторождения «Мохсоголлох», пористость менее 1 %, при температуре 263 К (-10 °С) снижение составило в среднем 14 % (рис. 4).
Характер механизма разрушения и снижение энергоемкости дробления исследуемых карбонатных пород в пределах 270-260К связано, прежде всего, со снижением прочности этих пород в данном диапазоне температур и хорошо согласуется с установленной ранее зависимостью изменения прочности карбонатных пород от температуры в пределах 268-257К рис. 1.
Такое изменение прочности пород и энергоемкости разрушения в зависимости от температуры объясняется тем, что при понижении температуры происходят различные физические и термохимические превращения, в частности, изменение агрегатного состояния одного из компонентов горной породы - воды.
При переходе свободной воды в лед происходит увеличение объема на 9 %, за счет чего возникает расклинивающее напряжение. Внутренние напряжения возрастают в процессе интенсивного замерзания поровой влаги в породе. С прекращением роста кристаллов льда рост внутренних напряжений прекращается. В породах, насыщенных пресной водой, интенсивное замерзание воды происходит при 273-270 К. В породах, насыщенных растворами солей, диапазон температуры интенсивных фазовых переходов смещается в зону более низких температур в зависимости от концентрации и состава растворов. При дальнейшем понижении температуры поровый лед цементирует и упрочняет породу. С этим связано увеличение прочности породы после того, как температура становится ниже температур интенсивных фазовых переходов и уменьшается количество незамерзшей воды [1].
Результаты проведенного исследования позволяют сделать вывод о существовании локального минимума энергозатрат, в пределах 260-270 К, при разрушении образцов исследованных горных пород, что может послужить основой для разработки энергосберегающих технологий добычи и переработки полезных ископаемых.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Курилко А.С. Экспериментальные исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на физико-механические свойства горных пород. - Якутск: ЯФ ГУ «Из-во СО РАН», 2004 г. - 156 с.
2. Москалев А.Н., Пигида Е.Ю., Керекилица Л.Г., Вахалин Ю.Н. Разрушение горный пород при термоциклическом воздействии. - Киев: Из-во Наукова думка, 1987 г. - 250 с.
3. Барон Л.И., Коняшин Ю.Г., Курбатов В.М. Дробимость горных пород. -М.: Из-во Академии Наук СССР, 1963 г. - 168 с.
4. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород.- М.: Из-во МГГУ, 2004 г. - 222 с.
5. Гончаров С.А., Дмитриев А.П. Термодинамические процессы в горных породах. - М.: Недра, 1983 г. - 312 с. ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------
Курилко А.С. - доктор технических наук, заведующий лабораторией горной теплофизики, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН.
Захаров Е.В. - младший научный сотрудник, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН,
