CC BY
48
УДК 622.235 С.К. Рубцов
ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ВЗРЫВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В УСЛОВИЯХ ОТБОЙКИ И ВЗРЫВНОГО ДРОБЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПОТОКЕ «ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ - ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЕ ПРОИЗВОДСТВО»
Проведен анализ воздействия взрывчатых веществ на разрушение массива горных пород, предложены направления дальнейших исследований.
Ключевые слова: разрушение горных пород, взрывной способ, нановзрывчатый состав.
Неделя горняка
ш И роцесс разрушения горных
А. Л. пород взрывом современных штатных химических ВВ - результат развития естественных статистически распределенных в массиве микро-
макротрещин, так как реализуемая при взрыве химических ВВ энергия на три порядка и более ниже той энергии, которая необходима для преодоления в разрушаемой среде сил молекулярного сцепления и создания новых трещин с последующим формированием новой среды с новыми структурой и технологической прочностью. При внутренней потенциальной энергии химических ВВ в пределах 4900 кДж/кг такое разрушение горных пород потребовало бы удельного расхода в пределах Ы02 чЫ03 кг/м3; тогда как фактические удельные расходы находятся в пределах первого десятка. Поэтому разрушение горных пород под действием промышленных взрывов реализуется лишь по системе естественных статистически распределенных микро-
макротрещин, определяющих техническое сопротивление среды разрушению [1, 2].
С точки зрения современных представлений о строении твердых тел «тре-
щина» - это любое местное нарушение сплошности материала (полость или микро-макропустота) любой формы и размеров. Общее разрушение материала среды происходит при достижении средним напряжением «местной» прочности самого слабого «дефектного» места, т.е. прочность всей системы определяется прочностью самого слабого места. Согласно статистической теории прочности, эти дефекты неравномерно распределены по всему объему среды в силу неоднородности структуры. В горных породах наличие таких «дефектов» связано с длительными тектоническими процессами, местными изменениями пород в силу процессов каолинизации, хлоритизации, оквар-цевания, постмагматических изменений и др.
Главная роль в процессе разрушения скальных пород взрывом принадлежит действию волн напряжений (ударная волна и волна сжатия), являющихся следствием удара массы газообразных продуктов взрыва о стенки зарядной камеры. С учетом этого современные инженерные методы управления энергией взрыва основаны главным образом на управлении параметрами волн напряже-
ний. Порядка 60-65% объема разрушения горных пород связано с действием взрывных волн напряжений и соответственно 35-40% - с действием газообразных продуктов взрыва. Долевое участие газового фактора увеличивается в горных породах с низкой акустической жесткостью и снижается в породах с высокой жесткостью. Преобладающее участие волн напряжений в процессе разрушения крепких горных пород характеризует создание предразрушения среды по естественно существующим статистическим распределенным микро-макротрещинам; полное разрушение среды (разлет, формирование развала и частичное додрабливание в процессе соударения движущихся кусков) завершается под действием остаточного давления газообразных продуктов взрыва [1, 6].
Степень взрывного разрушения горных пород, рассеченных системой микромакротрещин, характеризующих трещиноватость массива, определяется его упругими параметрами: скоростью распространения продольных и поперечных волн напряжений, коэфф. Пуассона, скоростью роста трещин, а также скоростью детонации ВВ и его плотностью, необходимыми для обеспечения в среде распространения трещин в режиме предельной скорости перевода упругой энергии, накопленной средой при распространении в ней волн напряжений, в поверхностную энергию раскрытия и роста трещин.
Физическое состояние разрушаемой среды, при котором плотность энергии взрыва по всему разрушаемому объему достигает необходимой критической величины, при которой во всем разрушаемом объеме происходит рост трещин с постоянной скоростью, приближающейся к скорости волн Релея, соответствует достижению предельной энергоемкости качественного дробления. Превышение
в среде удельной плотности энергии свыше той, что необходима для обеспечения отмеченного режима, не ведет к заметному улучшению качества дробления, так как рост трещин в этом случае замедляется; качество дробления стабилизируется, либо несколько ухудшается, а растет лишь кинетическая энергия выброса [2].
Максимальное и интенсивное использование энергии взрыва достигается при реализации предельной энергоемкости разрушения массива, количественно характеризуемой величиной удельного расхода ВВ. В этом случае при взрывной отбойке и дроблении энергия разрушения расходуется не только на образование новых поверхностей (взрывное дробление), но и на создание сети зародышевых микротрещин, разупрочняю-щих материал и увеличивающих эффективность последующих процессов дробления и измельчения [1, 5, 6]. В основу такой технологии взрывания горнорудной массы положено основное требование - направленное изменение основных показателей качества исходной руды: грансоставов и прочностные свойства на всех стадиях ее добычи и переработки, способствующие наиболее благоприятным условиям раскрытия рудных минералов и сростков. При этом взрывная отбойка, дробление и измельчение руды является элементами единого процесса подготовки рудной массы, называемого рудоподготовкой. Экспериментально установлено, что на процессы механического дробления и измельчения руды приходится 98,8% всех энергетических затрат на рудоподготов-ку, а взрывное дробление составляет лишь 1,2%. В связи с этим взрывной способ обладает потенциальной возможностью для более высокой дезинтеграции (разупрочнения) руды, что является предпосылкой к перераспределению энергоза-
трат между взрывным и механическим дроблением и измельчением [3, 7].
В настоящее время рост мировых цен на золото оказывает благоприятное влияние на золотодобывающую промышленность России, улучшаются текущие производственные показатели, растет инвестиционная привлекательность вновь осваиваемых золоторудных месторождений [8]. В тоже время в России существует диспропорция между структурой запасов золота и его добычей. Разведанные запасы золота распределены следующим образом: россыпные - 19%, коренные руды -80%, последние могут обеспечивать добычу золота в полном объеме в речение 20-30 и более лет. Поэтому, чтобы сохранить и увеличить директивные темпы производства золота в России (205 т/год к 2010 г. и до 235 т/год к 2020 г.) необходимо реализовать переход к переработке коренных руд.
Большинство коренных золотосодержащих руд относится к категории упорных руд с довольно низким содержанием Аи, что характеризуется пониженными показателями извлечения. Поэтому вовлечение коренных руд в переработку сопряжено с преодолением технологических трудностей, обусловленных «физической» и «химической» упорностью руд. «Химическая» упорность преодолевается процессами флотационного обогащения,
окислительного обжига, автоклавного окисления биометаллургического выщелачивания и др., а «физическая» упорность руд - энергоемкими способами измельчения руд, термической обработкой сульфидных концентратов и нетрадиционными методами вскрытия сульфидов за счет высокозатратных энергетических воздействий: электрохимическое окисление, поток ускоренных электронов, СВЧ-нагрев, электроимпульсное и электрогид-родинамическое воздействие, магнитно-импульская обработка и др. [4].
Как отмечалось, взрывной способ - головной процесс единой системы рудопод-готовки в технологическом потоке «горнодобывающее предприятие - перерабатывающее производство» - обладает потенциальной возможностью для более высокой первоначальной дезинтеграции руды, что обуславливает перераспределение энергозатрат от механического дробления, измельчения к низкозатратному взрывному способу.
Интенсификация взрывного воздействия на дробление в соответствии с энергоемкостью разрушения пород наряду с улучшением дробления предопределила снижение прочностных свойств взорванной руды, что подтверждается оценкой показателей работы мельниц измельчения. Энергетические затраты на измельчение руды, характеризуемые расходом электроэнергии, снизились в среднем на 9%; производительность мельниц измельчения по сухому продукту возросла на 16%, по выходу исходного продукта (-
0,074 мм) - на 8%, что способствует увеличению объемов перерабатываемой руды и реализации дополнительно полученного металла; расход помольных шаров сократился на 7-8%. Годовой экономический эффект от реализации такой технологии взрывания в едином процессе рудо-подготовки составил 15373,6 тыс. долл. [3,
9].
Эффективность переработки больших объемов коренных упорных и бедных по содержанию Аи сульфидных руд достигается за счет внедрения технологии предварительного обогащения руд путем рентгенометрической посамосвальной сортировки (РКС) и рентгенорадиометрической покус-ковой сепарации на местах добычи руд (РСК), что позволяет исключить из переработки значительные объемы горнорудной массы с некондиционным содержанием металла и повысить его содержание в рудном концентрате, направляемом на переработку.
С позиции эффективного функционирования комплекса РСК необходимо подавать на рассортировку фракции дробления с максимальным линейным размером куска в пределах - 200+100; -100+50; -50+25 мм. Классы крупностью ниже 25 мм обычно не поддаются рентгенорадиометрической машинной сортировке по естественной или наведенной активности, в связи с чем дальнейшей переработке подвергаются излишние массы пустой породы, забалансовых руд или наоборот - нарушается процесс заводской технологии с повышенным выходом металла в «хвосты». Классы крупностью более 200 мм перед сортировкой подвергаются дополнительному дроблению. Как первое, так и второе обстоятельства отрицательно влияют на технико-экономи-ческие показатели горно-металлурги-ческого передела руды, эффективность извлечения полезных компонентов и общую себестоимость продукции. Изложенное определяет народнохозяйственную важность и необходимость повышения выхода машинных классов при взрывании рудных уступов.
С целью повышения выхода машинных классов применяются методы взрывания скважинных зарядов с осевыми и продольными воздушными промежутками, зарядами увеличенного диаметра, применение простейших взрывчатых составов - игданиты, гранулиты и т.п. Применение таких методов взрывания позволяет повысить в среднем выход машинных классов на 14-20%,повышая при этом средний размер взорванного куска на 3035%. Указанные методы взрывания снижают начальное давление в ближней зоне действия взрыва, где образуется основной объем немашинных классов <25 мм, но не решают при этом проблему качественного управления дроблением и зоной регулируемого разрушения, что обусловлено механизмом действия взрыва химических ВВ в горных породах.
Высокая энергоемкость процесса взрывного разрушения обусловлена самим механизмом высокоэнергоемкого разрушения породы под действием в основном сжимающих напряжений. Известно, что предел прочности на растяжение минералов и пород примерно в 10 раз меньше, чем предел прочности на сжатие и примерно в 5 раз меньше, чем предел прочности на сдвиг. Энергоемкость разрушения упругих твердых тел прямопропорциональна квадрату предела их прочности. С определенной степенью допущений можно считать, что процесс разрушения рудных минералов (считая их упруго твердыми телами) в 100 и 25 раз менее энергоемок по сравнению с разрушением сдвигом и сжатием соответственно. Из изложенного следует, что рудные породы предпочтительно разрушать силами растяжения или сдвига. Однако в существующих современных технологических процессах разрушения горных пород (при бурении, взрывании, дроблении и измельчении) это условие реализовать невозможно, так как разрушающая или разу-прочняющая сила указанных процессов является сжимающей и прикладывается к поверхности массива (при бурении и взрывной отбойке) или к поверхности куска (при дроблении и измельчении).
Преимущественное использование наименее энергоемких растягивающих или сдвигающих разрушающие сил внутри кусков или отдельностей породы можно реализовать путем направленного размещения внутри природной системы микро-макротрещин, поровых пространств нановзрывчатых составов, что позволит в перспективе целенаправленно, с меньшими затратами энергии управлять взрывным разрушением, получая горнорудную массу заданного грансостава и качества, решая при этом основную целевую задачу и проблему: «Интенсификация энергетического воздействия на единый сквозной
процесс рудоподготовки в технологическом потоке «горнодобывающее предприятие - перерабатывающее производство» направленная на дезинтеграцию породы (руды) за счет создания повышенной мик-ро и макротрещиноватости, способствующей ослаблению, раскрытию сростков минералов и, как следствие, повышению производительности и снижению энергоемкости механического дробления и измельчения рудного концентрата, увеличению показателей извлечения металла, а также существенному облегчению доступа выщелачивающих растворов к тонкодисперсным частицам металлов упорных руд в процессах геотехнологии».
С учетом изложенного актуальным направлением перспективных НИР, на наш взгляд является:
1. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. М., Недра, 1976.
2. Мосинец В.Н. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. М., Недра, 1982.
3. Рубцов С.К., Пашков А.А., Сытенков Д.В. Повышение эффективности рудоподготовки в системе «карьер - обогатительная фабрика». Горный журнал №8, 1998, с. 52-54.
4. Гончаров С.А., Чернегов Н.Ю. Нанотехнологии и нанокристаллические материалы в горной промышленности. М., Изд. Московского государственного горного университета,
2006.
5. Кочанов А.Н. Использование эффекта взрывного предразрушения горных пород в геотехнологиях. Сб. Докладов VIII международной конференции «Новые идеи в науках о
Научно-техническое обоснование, углубленные исследования и разработка технологических предложений по нанов-зрывчатым составам, использованию этих составов и нановзрывных технологий для интенсификаций энергетических воздействий на отбойку и взрывное дробление минерального сырья с целью дезинтеграции прочностных свойств вмещающих пород, раскрытию и ослаблению минералов, способствующих снижению энергозатрат, повышению производительности механического дробления и измельчения рудного концентрата, показателей извлечения металлов, а также обеспечению доступа выщелачивающих растворов к тонкодисперсным частицам полезных компонентов в процессах геотехнологии.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
земле», изд. РГГРУ им. С. Орджоникидзе,
2007, том. 6, с. 220-223.
6. Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах. М., Недра, 1980.
7. Демидюк Г.П., Викторов С.Д., Фугзан ММ. Влияние взрывного нагружения на эффективность последующих этапов обогащения. Сб. Взрывное дело №89/46 «Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве». М., Недра, 1986, с. 116-120.
8. Кузнецов А.Г. К вопросу формирования мировых цен на золото. Журнал Недропользование XXI век №6, 2007, с. 45-49.
9. Кучерский Н.И., Лукьянов А.Н., Мальгин О.Н., Рубцов С.К. и др. Совершенствование процессов открытой разработки сложноструктурных месторождений эндогенного происхождения. Изд. «ФАН», АН РУз, 1998.
г Коротко об авторе ------------------------------------------
Рубцов С.К. - кандидат технических наук, ВНИПИпромтехнология, E-mail:vmpipt@vmpiptra
