CC BY
31
УДК 622.23.05:622.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КЕРНОВЫХ ОБРАЗЦОВ ГРАНИТА, ОБРАБОТАННЫХ ПОТОКОМ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
Сергей Александрович Кондратьев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, зав. отделом комбинированных способов добычи и переработки горнорудного сырья, тел. (383)205-30-30, доп. 120, e-mail: kondr@misd.nsc.ru
Виктор Иванович Ростовцев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории обогащения полезных ископаемых и технологической экологии, тел. (383)205-30-30, доп. 167, e-mail: benevikt@misd.nsc.ru
Олег Римович Кулагин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий конструктор, тел. (383)335-94-44, e-mail: kb41@mail.ru
Борис Борисович Cuволап
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий инженер, тел. (383)334-88-80, e-mail: bor.nsk.ru@mail.ru
Исследовано изменение механических свойств гранита после обработки образцов его керна ускоренными электронами. Определены предельная прочность при одноосном нагружении, статические и динамические модули упругости и коэффициенты Пуассона в зависимости от величины поглощенной образцами дозы. Показано, что в результате обработки образцов керна гранита изменяются его деформационно-прочностные характеристики: прочность и модуль упругости, скорости продольных и поперечных волн. Модификация механических свойств содержащего гранит минерального сырья при обработке ускоренными электронами открывает перспективы для создания эффективных, энергосберегающих технологий рудоподготовки и переработки комплексных руд и техногенного сырья сложного состава.
Ключевые слова: природное и техногенное минеральное сырье, гранит, прочность, деформация, акустика, упругие волны, обработка ускоренными электронами, рудоподготовка.
INVESTIGATION INTO STRAIN-STRENGTH PROPERTIES OF GRANITE CORE SPECIMENS UNDER ACCELERATED ELECTRON TREATMENT
Sergey A. Kondratiev
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Head of Complex Mineral Mining and Processing Department, tel. (383)205-30-30, extension 120, e-mail: kondr@misd.nsc.ru
Victor I. Rostovtsev
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Leading Researcher, Laboratory for Mineral Beneficiation and Technological Ecology, tel. (383)205-30-30, extension 167, e-mail: benevikt@misd.nsc.ru
Oleg R. Kulagin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Design Project Leader, tel. (383)335-94-44, e-mail: kb41@mail.ru
Boris B. Sivolap
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Leading Engineer, tel. (383)334-88-80, e-mail: bor.nsk.ru@mail.ru
Under investigation is alteration of granite properties after treatment of its core specimens by accelerated electron beam. The ultimate strength under uniaxial load, static and dynamic elasticity modules and Poisson's ratios are determined in terms of a dose of accelerated electron radiation adsorbed by granite specimens. It is demonstrated that core granite specimens treated with accelerated electrons tend to alter their deformation-strength characteristics, namely, strength, elasticity modulus, longitudinal and transverse wave velocity. Modification of mechanical properties of granite-containing mineral materials by accelerated electron radiation enables to develop perspective efficient energy-saving ore-pretreatment processes and technological schemes to process complex ores and technological materials.
Key words: natural and technogenic mineral raw materials, granite, strength, deformation, acoustics, elastic waves, accelerated electron treatment, ore pretreatment.
В последние годы для направленного изменения свойств минералов широко используются радиационные, ультразвуковые, электрохимические, механохимические, плазменные воздействия на них. И если раньше эти методы рассматривались как экзотические, то в связи с началом выпуска промышленных электрохимических кондиционеров пульпы, плазмотронов, линейных ускорителей, ультразвуковых генераторов можно говорить о реальном внедрении новых экологически безопасных технологий в процессах первичной переработки труднообогатимых руд и угля сложного вещественного состава [1]. Как показано в ряде работ [2 - 5], предварительная энергетическая обработка минеральных комплексов позволяет не только снизить затраты на измельчение, но и значительно повысить извлечение и качество концентратов. Высокая эффективность энергетических методов в процессах обогащения подтверждается исследованиями ученых Канады, Германии, Японии, ЮАР.
В настоящей работе приведены результаты выполненных в ИГД СО РАН исследований по комплексному изучению деформационно-прочностных свойств керновых образцов гранита, обработанных пучком высокоэнергетических электронов. Граниты являются наиболее важными породами земной коры. Исследования гранитов представляют интерес, так как с этой горной породой связаны месторождения таких полезных элементов, как Sn, W, Mo, Li, Be, B, Rb, Bi, Ta, Au.
Экспериментальные исследования свойств гранита осуществлялись сотрудниками лаборатории ОПИ и ТЭ и ЦКП ГГГИ с помощью комплекса оборудования ИГД СО РАН для испытаний на разрушение при одноосном нагружении с определением акустических характеристик керновых образцов указанной горной породы по методике, приведенной в [6].
Обработка специально подготовленных керновых образцов гранита осуществлялась пучком ускоренных электронов на промышленном ускорителе ИЛУ-6 в Институте ядерной физики СО РАН в соответствии с заданными дозами при энергии электронов 2.4 МэВ.
Основные результаты исследований по влиянию обработки ускоренными электронами гранита на его механические и акустические свойства приведены в табл. 1, 2 и на рис. 1.
Изменения основных деформационно-прочностных характеристик исследованных образцов гранита (табл. 1, 2) свидетельствуют о модификации его структуры под действием обработки потоком ускоренных электронов. Об этом же можно сделать вывод с учетом анализа керновых образцов после разрушения, показанных на рис. 1.
Таблица 1
Результаты механического и динамического тестирования кернов гранита, обработанных потоком ускоренных электронов
№ образца Величина поглощенной дозы, кГр Размер образца, 0хН, мм Механические свойства Динамические свойства
Предел прочности, МПа Упругие статические характеристики Атмосферные условия
Одноосное сжатие Модуль деформации, ГПа Коэффициент Пуассона Модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона
2 0 29,5х61,0 68,33 13,19 0,19 32,01 0,20
5 5 29,6х56,9 67,98 9,34 0,19 30,29 0,27
8 10 29,6х60,0 35,08 7,04 0,16 37,98 0,26
9 15 29,6х60,0 57,53 10,34 0,20 37,49 0,26
14 20 29,6х60,0 86,29 6,12 0,17 32,75 0,25
Анализ данных табл. 1 показывает, что обработка потоком ускоренных электронов кернов гранита изменяет его механические и динамические свойства. Увеличение поглощенной дозы до 10 кГр приводит к снижению предела прочности на сжатие с 68,33 до 35,08 МПа, а дальнейшее увеличение дозы до 20 кГр - к повышению предела прочности на сжатие. При этом изменяются модули деформации и упругости, а также коэффициент Пуассона. Если без обработки его значение составляет 0,20, то при поглощенной дозе 10 кГр - 0,26.
Анализ данных табл. 2 показывает, что в результате воздействия ускоренными электронами изменяются и акустические свойства гранита. С увеличением величины поглощенной дозы до 20 кГр скорости продольных и поперечных волн сначала уменьшаются, а затем увеличиваются. Для исходного образца керна гранита скорости продольных и поперечных волн равны 3747 и 2287 м/с, для обработанного при дозе 5 кГр образца они соответственно равны 3543 и 2142 м/с. При дозе 20 кГр они равны 3886 и 2222 м/с. Необходимо отметить, что для обработанных потоком ускоренных электронов это соотношение составляет 1,654^1,749, против 1,638 для необработанного кернового образца гранита.
Таблица 2
Результаты определения акустических свойств керновых образцов гранита, обработанных потоком ускоренных электронов
№ образца Величина поглощенной дозы, кГр Размер образца, 0хН, мм Название породы Атмосферные условия
Скорость продольных волн, м/с Скорость поперечных волн, м/с Модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона
2 0 29,5х61,0 Гранит 3747 2287 32,01 0,20
5 5 29,6х56,9 Гранит 3543 2142 30,29 0,27
8 10 29,6х60,0 Гранит 4054 2376 37,98 0,26
9 15 29,6х60,0 Гранит 3905 2339 37,49 0,26
14 20 29,6х60,0 Гранит 3886 2222 32,75 0,25
Таким образом, выполненные исследования по комплексному изучению деформационно-прочностных свойств керновых образцов гранита показали, что в результате их обработки пучком высокоэнергетических электронов изменяются механические, динамические и акустические характеристики: предел прочности на одноосное сжатие и модуль упругости, скорости продольных и поперечных волн.
Установленная на примере гранита возможность его разупрочнения при воздействии ускоренными электронами может быть использована с целью снижения расхода электроэнергии при рудоподготовке минерального сырья, содержащего породную основу в виде гранита, и минимизации потерь полезных компонентов при последующем обогащении.
1 1
Рис. 1. Фотографии образцов керна гранита после разрушения:
2 - исходный образец; 5, 8, 9 и 14 - образцы керна, обработанные потоком ускоренных электронов при дозах 5, 10, 15 и 20 кГр.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чантурия В.А. Инновационные процессы комплексной и глубокой переработки минерального сырья природного и техногенного происхождения // Горный журнал. - 2015. - № 7. - С. 29 - 37.
2. Чантурия В.А., Вайсберг Л.А., Козлов А.П. Приоритетные направления исследований в области переработки минерального сырья // Обогащение руд. - 2014. - № 2.
3. Чантурия В.А., Вигдергауз В.Е. Научные основы и перспективы промышленного использования энергии ускоренных электронов в обогатительных процессах // Горн. журн. -1995. - № 7. - С. 53 - 57.
4. Кондратьев С.А., Ростовцев В.И., Бочкарев Г.Р., Пушкарева Г.И., Коваленко К.А. Научное обоснование и разработка инновационных технологий комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья // ФТПРПИ. - 2014. - № 5.
5. Чантурия В.А., Бунин И.Ж. Нетрадиционные высокоэнергетические методы дезинтеграции и вскрытия тонкодисперсных минеральных комплексов // ФТПРПИ. 2007. №3. С. 107-128.
6. Исследование деформационно-прочностных характеристик керновых образцов известняка, обработанных потоком ускоренных электронов / С. А. Кондратьев, В. И. Ростовцев, О. Р. Кулагин, Б. Б. Сиволап // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 3. - С. 142-146.
© С. А. Кондратьев, В. И. Ростовцев, О. Р. Кулагин, Б. Б. Сиволап, 2017
