Научная статья на тему 'Экспериментальные исследования влияния отрицательных температур на энергоемкость разрушения карбонатных пород'

Экспериментальные исследования влияния отрицательных температур на энергоемкость разрушения карбонатных пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
322
63
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРОМЕРЗАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД / ПРОЧНОСТЬ ОБРАЗЦОВ / ЭНЕРГИЯ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Курилко А. С., Захаров Е. В.

Проведены исследования влияния отрицательных температур в диапазоне от 273 до 253 К на энергоемкость разрушения карбонатных пород

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Курилко А. С., Захаров Е. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Экспериментальные исследования влияния отрицательных температур на энергоемкость разрушения карбонатных пород»

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,

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.