Исследование влияния знакопеременных температурных воздействий на энергоемкость процесса дробления горных пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 622.73 Е.В. Захаров

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПРОЦЕССА ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Семинар № 3

звестно, что на операции дробления и измельчения добытых полезных ископаемых в процессе их обогащения приходится более половины энергозатрат и общих эксплуатационных расходов. В связи с этим изыскание малоэнергоемких способов предварительного разупрочнения добытой руды является важной задачей.

В данной работе исследовалось влияние циклов замораживания-оттаи-вания на энергоемкость процесса дроб-ления вмещающих горных пород карьера «Удачный» ЗАО АК «АЛРОСА».

Методика проведения испытаний.

По минералогическим признакам горная порода относится к известнякам, цвет образцов светло-серый. Вид исходного материала представлен на рис. 1. Перед проведением испытаний определялись влажность, плотность и пористость материала по методике [1]. Для определения влажности брали навеску материала в исходном состоянии и взвешивали, затем подвергали сушке до постоянного веса в сушильном шкафу СНОЛ-3,5И1 при температуре 110±5 °С, затем снова взвешивали и так до установления постоянной массы. Влажность исходного материала варьировала от

0,45 до 2,5 %. Для определения плотности материал насыщали дистиллированной водой в течение 2 суток [1], затем после насыщения, помещали в мензурку с водой для определения объема вытес-

ненной жидкости. После нахождения объема весь материал подвергался сушке в шкафу и взвешивался. Плотность материала составила 2,67 г/см3, пористость 7,5 %.

Исходная проба породы была предварительно просеяна по классу +10 мм, затем отмыта от глинистых включений и просушивалась в течение двух суток при комнатной температуре.

После сушки вновь был произведен рассев по классу +10 мм. Далее из усредненной пробы путем квартования были сформированы 40 навесок каждая массой около 50 гр. для двух серий опытов, условия проведения которых приведены в табл. 1.

Группа 1 каждой серии подвергалась дроблению в исходном состоянии, без температурного воздействия и выстаивания. Группы 2-5 выстаивались в течение двух суток в 5 % растворе №С1 (для

I серии) и дистиллированной воде (для

II серии), после выстаивания данные группы образцов замораживались в морозильной камере «Бирюса» при температуре -20°С. Достижение температуры -20 °С фиксировалось датчиком, помещенным в один из замораживаемых бюксов. Время замораживания необходимое для достижения заданной температуры составляло 6 часов. Для ускорения процесса размораживания, бюксы с образцами помещались в сосуд с водой при комнатной температуре,

Таблица 1

Разделение навесок по группам

I серия (с выстаиванием и замораживанием в солевом растворе) II серия (с выстаиванием и замораживанием в дистил. воде)

Гр. Кол-во циклов замораживания-оттаивания Прим. Гр. Кол-во циклов замораживания-оттаивания Прим.

1 В исходном состоянии 1 В исходном состоянии

2 Один СЫаС1 _ 50 г/л 1 = -20 °С 2 Один 1 = -20 °С

3 Три 3 Три

4 Пять 4 Пять

5 Десять 5 Десять

продолжительность размораживания и разогрева, образцов до температуры +20 °С составило 3 часа.

Уже после первого цикла замораживания-оттаивания в некоторых бюксах наблюдалась частичная дезинтеграция образцов. Дальнейшее воздействие циклов замораживания-оттаивания зна-чительно увеличивало массу самопроизвольно дезинтегрировавшегося материала, что видно на рис. 2.

После воздействия заданного количества циклов замораживания-оттаи-вания материал высушивался при комнатной температуре, затем подвергался ситовому анализу для нахождения площади поверхности, образованной в результате воздействия циклов. Результаты ситового анализа приведены на рис. 3. Так как с группой 1 (I и II серии) не производились циклы замораживания-оттаивания, то все 100 % материала содержались в классе -20+10 мм. Предварительный рассев показал, что уже после трех проведенных циклов в солевом растворе и после одного цикла в дистиллированной воде около 30 % исходного материала перешло в меньшие классы крупности без механического воздействия.

Как видно из приведенных гистограмм с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания основное накопление материала происходит в классе крупности -5+2 мм. Наличие значитель-

ной массы мелкой фракции во второй серии опытов, характеризуется более интенсивным изменением объема компонентов породы при замерзании воды в порах, когда её объем увеличивается примерно на 9 %. Оценки показывают, что при температуре -20 °С давление замерзающей воды в замкнутом пространстве может достигать 220 МПа [2].

Расчет площади поверхности образованной при самопроизвольной дезинтеграции образцов, производили по формуле (1). Для упрощения расчетов форма частиц принималась шарообразной

[3]:

2

д5 = А-4,84 •((1)

ро 1=1 V ро )

где di- средний размер класса массой М; dj= 0,5(^г+ Ф+1), м; р0 - плотность породы, кг/м3; Мп - масса исходного образца породы, кг.

Для наглядности на рис. 4 приведены результаты расчетов площадей образованных поверхностей групп каждой серии после воздействия циклов замораживания-оттаивания. Значительное отличие расчетных показателей I и II серий (в 2-6 раз), может быть объяснено не только влиянием среды, в которой проводилось замораживание, но наличием, а также раскрытием имеющихся в породах первичных дефектов.

Рис. 1. Исходный материал

В дальнейшем, после нахождения площади образованной поверхности, весь разделенный на фракции материал смешивался и подвергался общему дроблению (серия I), а в серии II было проведено селективное дробление: ДР1 - дробление только оставшегося после воздействия циклов класса -20+10 мм; ДР2 - дробление вновь образованного класса -10+5 мм. Дробление проводилось по методу толчения на видоизмененном копре Сыскова [4] или приборе для определения крепости (ПОК). Навески каждой серии засыпались в загрузочный стакан и измельчались путем троекратного (пятикратного) сбрасывания груза массой 2,6 кг, с постоянной высоты 0,6 м. Принимались в учет также потери на трение 5 %. Энергия, затраченная на дробление определялась по формуле:

Е = ц ■ т ■ д ■ Н (2)

где т — масса навески, кг; Н - высота сбрасывания, м; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Все три (пять) порций измельченного материала ссыпали на одно проволочное сито с отверстиями размером 0,5 мм, после чего их совместно просеивали.

Рис. 2. Образцы после 7 циклов

замораживания-оттаивания

Фракцию, прошедшую через сито 0,5 мм, высыпали в трубку объемомера. Уплотнение мелкой фракции в трубке достигали легким постукиванием. После этого в трубку вставляли мерный плунжер и определяли высоту столбика пыли (- 0,5 мм).

По методике устанавливать число ударов гирей следует так, чтобы высота столбика пыли в объемомере находилась в пределах 10-50 мм. Иначе при низком выходе пыли коэффициент крепости получится завышенным и наоборот. Исходя из этих условий для каждой серии 1 и 2 групп, а также для группы 3 (серия I) - число ударов гирей равнялось пяти, а для групп 3 (серия II) 4 и 5 количество ударов

равнялось трем. В процессе дробления была определена крепость породы исходя из высоты столбика пыли по следующей формуле [4]:

' = ^ (3)

где п - число сбрасываний гири; I - высота столбика пыли в объемомере, мм.

Выход классов, %

а) 100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

ШГруппа 1 и Группа 2 □ Группа 3 Н Группа 4 В Группа 5

-20+10 -10+8 -8+5 -5+2 -2+1 -1+0.5 -0.5+0. -0.25

ЕЭ Группа 1 И Группа 2 □ Группа 3 Н Группа 4 □ Группа 5

б) 100

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

-20+10 -10+8 -8+5

Рис. 3. Результаты ситового анализа I (а) и II (б) серий

сЛ

СО

(0

.0

СО

-5+2

-2+1

-1+0,5 -0,5+0, -0,25

ii

Таблица 2

Результаты экспериментов по энергоемкости дробления образцов (в скобках приведены данные по серии II)

Группа 1 Группа 2 Группа 3 Группа 4 Группа 5

Количество циклов замо- 0 1 3 5 10

раживания-оттаивания (0) (1) (3) (5) (10)

Кол-во сбрасываний 5 (5) 5 (3) 3 (3)

Крепость породы 4 (7) 4 (4) 3 (3) 2 (3) 2 (3)

Энергия дробления, Дж 72,7 (72,7) 43,6 (43,6)

Поверхность образ. в рез-те - 0,002975 0,005529 0,006484 0,008562

цикла(ов), м2 - (0,00889) (0,02864) (0,02878) (0,04125)

Площадь образованной по- 0,016872 0,017592 0,016946 0,021189 0,024371

верхности после дробления (0,01866) (0,03122) (0,03705) (0,03653) (0,04935)

с учетом влияния циклов

(общая), м2

Энергоемкость дробления, 4308,52 4131,99 2573,83 2058,42 1789,64

Дж/м2 (3894,9) (2328,7) (1177,3) (1193,8) (883,7)

В дальнейшем после проведения дробления, а также расчетов крепости породы и площади вновь образованной поверхности (по формуле 1), используя данные по затраченной на дробление энергии определяли поверхностную энергоемкость процесса механического дробления по формуле (4) [3]. В табл. 2 приведены результирующие данные, полученные в ходе исследования.

Эп = Ав (4)

где Е - энергия затраченная на дробление, Дж; А- площадь образованной при дроблении поверхности, м2.

Как видно из рис. 5, на котором приведено сравнение двух серий опытов, затраты энергии на дробление горной породы после воздействия 3-5 циклов замораживания-оттаивания снижаются в два раза. Снижение энергоемкости дробления, а также крепости породы обуславливается развитием различных дефектов в испытуемых образцах в результате воздействия на них циклов замораживания-оттаивания.

Анализируя результаты опытов различных групп второй серии при селективном дроблении мы наглядно видим, что воздействие первого цикла замораживания-оттаивания привело к значительному ослаблению кусков горной породы, которые легко разрушились в дальнейшем при дроблении, кривая ДР1 на рис. 6, класс крупности -20+10 мм. В последствии, начиная уже со 2 группы энергозатраты на дробление возрастают, т.к. оставшийся материал идущий на дробление обладал дефектами в меньшей степени, чем первоначальный. Кривая ДР2 изображенная здесь же, соответствует дроблению класса -10+5 мм, большую энергоемкость в отличие от ДР1 можно объяснить классом крупности материала идущем на дробление, как известно, чем меньше структурное звено, тем оно прочнее. Здесь колебания графика также легко объясняется: при превышении критического уровня накопления различных дефектов происходит разрушение образцов, вследствие чего энергоемкость процесса дробления

ЗЦикла бЦиклов ЮЦиклов

Рис. 5. Энергоемкость процесса дробления

Рис. 6. Энергоемкость серии II

при селективном

дроблении

снижается. В дальнейших циклах вновь происходит накопление этих же дефектов, во время чего энергоемкость дробления повышается.

Результаты проведенного исследования позволяют сделать вывод о снижении энергоемкости процесса разрушения после воздействия циклов замораживания-оттаивания на образцы горных пород, что может послужить основой для разработки энергосберегающих технологий обогащения и переработки, в том числе, для алмазосодержащих руд, обеспечивающих сохранность кристаллов.

-------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кикаева О.Ш. Контроль качества при изготовлении строительных материалов. - М.: Стройиздат, 1987 г. - 111 с.

2. Гончаров С.А., Дмитриев А.П. Термодинамические процессы в горных породах. -М.: Недра, 1983 г. - 312 с.

3. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород.- М.: Из-во МГГУ, 2004. - 222 с.

4. Барон Л.И., Коняшин Ю.Г., Курбатов В.М. Дробимость горных пород. - М.: Из-во Академии Наук СССР, 1963. - 168 с. ИТШ

— Коротко об авторе ---------------------------------------------------------

Захаров Е.В. - младший научный сотрудник лаборатории горной теплофизики ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН, г. Якутск.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

1т

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 16 мин.

Дата печати: 24.03.2009 0:11:00

При последней печати страниц: 8

слов: 1 670 (прибл.)

знаков: 9 525 (прибл.)

5_3ахаров3

Н:\Новое по работе в универе\ГИАБ-2009\ГИАБ-5\8 С:\и8ег8\Таня\АррВа1а\Коатіп§\Місго80й\Шаблоньі\Когта1.до

© Е

Пользователь

15.03.2009 20:29:00 3

18.03.2009 9:49:00 Пользователь