CC BY
34
1. Казаков Н.Н. Взрывная отбойка руд скважинными зарядами. - М.: Недра, 1975, с. 191.
Коротко об авторах--------------------------
Казаков Н.Н., Шляпин А.В. - ИПКОН РАН, г. Москва.
--------------------------------- © В.Н. Анисимов, 2007
В.Н. Анисимов
НОВЫЙ ЭФФЕКТ ДЕСТРУКЦИИ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ
возможность использования электромагнитных полей для разрушения горных пород, в частности, железистых кварцитов, неоднократно обсуждалась в литературе [1, 2]. Высокое содержание кварца (до 60-70 %) в железистых кварцитах и включений магнетита (до 30 %) определяют их пъезоэлектрические и магнитострикционные свойства, то есть способность преобразовывать энергию электромагнитного поля в поле упругих напряжений. Вместе с тем, теоретические расчёты показывают, что эффект такого преобразования незначителен. Коэффициент электромеханической связи для кварца составляет менее 0,01 %. Это касается и магни-тострикционных эффектов [3].
Вместе с тем, результаты экспериментальных исследований деструкции железистых кварцитов в сильных высокоградиентных импульсных магнитных полях дают основание считать, что основной вклад в механизм микроразрушения кварцитов привносит магнитокинетический эффект ударного взаимодействия включений магнетита с немагнитной кварцевой матрицей.
Эксперимент заключался в следующем: образцы железистых кварцитов (фазовый состав: кварц ~ 60-70 %, Ре3О4 ~ 28 % с малым количеством амфибола) в виде цилиндров с диаметром 40 мм и высотой 40 мм, изготовленные из кернов,
помещались в поле витка токопровода (рис. 1), коммутированного с генератором импульсного тока. Образцы закреплялись с помощью струбцины во внутренней полости диполя и
создавалась пригрузка величиной порядка 0,5<тсж (сгсж -
предельное сжимающее напряжение). Предварительно в образцах измерялось электрическое сопротивление постоянному току и поглощение упругих волн на частоте 0,3-6 МГц.
Схема расположения образцов при нагружении импульсным магнитным полем представлена на рис. 1. В шине токопровода витка создавался импульс тока порядка 170 кА. В
3
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - накопитель энергии емкостного типа; 2 - коммутатор тока (разрядник); 3 - токопровод; 4 - образец; 5 - направление тока в токопроводе; 6 - диэлектрическая прокладка
результате генерировался магнитный импульс с величиной магнитной индукции 0,5-1 Тл и длительностью импульса порядка 240 мкс (форма импульса полусинусоида, выход на максимум поля - 98 мкс).
После трёхкратного импульсного воздействия на каждый из образцов были обнаружены внешние признаки механической деструкции образцов в виде трещин, мелких сколов и мелкодисперсных продуктов шелушения поверхности образцов.
Для объёмного изучения эффекта деструкции образцов железистых кварцитов были использованы методы измере-
ния электросопротивления образцов и поглощения упругих волн (лазерно-акустический метод) до и после импульсного магнитного воздействия. Измерение электросопротивления образцов проводилось мегомметром Е-6-16 при зондирующем напряжении 500 В. Результаты измерения сопротивления образцов до обработки импульсным магнитным полем, после воздействия и спустя 4 месяца представлены в таблице.
Можно видеть, что после электромагнитного воздействия сопротивление падает более чем на 1-3 порядка. Устойчивый эффект падения электросопротивления характерен и для образцов иной формы (пластин и параллелепипедов) с различным содержанием кварца, магнетита, амфибола.
Результаты измерения сопротивления образцов до обработки импульсным магнитным полем, после испытания и спустя 4 месяца после испытаний
Номер образца Сопротивление К, кОм
До испытаний После испытаний Спустя 4 месяца
1 30000 190 900
2 540 0,1 3,5
3 280 0,23 2,7
4 14 0,035 0,2
Одновременно исследовалось поглощение упругих волн в диапазоне частот до 6 МГц (лазерно-акустический метод) [4]. На рис. 2 приведена частотная зависимость коэффициента затухания продольных волн в железистых кварцитах до (кривая 1) и после (кривая 2) воздействия магнитного поля. Из рисунка видно, что коэффициент затухания в том же частотном диапазоне от (300 кГц до 6 МГц) в среднем увеличился в 2-2,5 раза. Так, например, значение коэффициента затухания на частоте 2 МГц до воздействия составляло 0,2 см-1, а после воздействия составляло 0,5 см"1
а.ІЬІШ,
£ [5. / ]
где £ / - амплитуда спектральной составляющей на частоте опорного сигнала; £ / - амплитуда спектральной
составляющей на частоте сигнала, прошедшего через образец; L - толщина образца, см.
Было проведено сканирование по поверхности образцов в режиме эхоскопии. Оказалось, что уровень структурного шума, наблюдаемого в акустическом треке, возрос в 2-3 раза для образцов, подвергнутых воздействию магнитного поля, что свидетельствовало об изменении внутренней структуры образцов. Дальнейшее сканирование по поверхности образца позволило выявить наличие микротрещин, их локализацию и протяжённость.
Таким образом, экспериментальные результаты показали, что образцы железистого кварцита под действием сильных высокоградиентных импульсных магнитных полей претерпели -1
а, см
0,8-
0,4-
0,0+-1-1----'—I—'---1-------'—I—'—I—'—I
0,3 1 2 3 4 5 6
/, МГц
Рис. 2. Поглощение ультразвука в образцах железистого кварцита до (1) и после (2) воздействия импульсного магнитного поля
достаточно значительные изменения по сравнению с первоначальным состоянием. На образцах образовались видимые трещины, имеет место шелушение свободных раскрытых зерен магнетита и кварца (рис. 3, 4). Необратимые изменения отразились в уменьшении скорости звука и увеличении коэффициента затухания во всём частотном диапазоне измерений, а также в появлении системы микротрещин.
Величину дефекта микротрещин (ориентировочно) можно оценить
Д,„ мм,
2л-/
где Дтах - величина дефекта мм; VR - скорость упругих волн
Релея, принята равной 2-106 мм/сек; f= 2 МГц.
Величина дефекта в среднем составляет 0,2 мм и соответствует реальной деструкции кристаллической структуры железистых кварцитов, так как максимум поглощения упругих волн
не смещается в частотном диапазоне. Можно предположить, что эффект поглощения упругих волн связан с появлением новых дефектов, сопоставимых по размерам с имеющимися.
Теоретические оценки преобразования электромагнитного импульса в механическую энергию деформации кварцевой матрицы и включений магнетита (за счет пьезоэлектрического эффекта и магнитострикции) не дают объяснения ни механической деструкции, ни изменению электросопротивления исследуемых образцов железистого кварцита. Есть основания полагать, что под действием мощного высокоградиентного магнитного импульса зерна магнетита смещаются, и их свободному перемещению препятствует кварцевая матрица. В результате зерна магнетита деформируются и частично разрушают кварцевую матрицу и межзерновые границы, за-полненые акцессорными минералами. Образуется система новых микротрещин, на это указывает эффект поглощения ультразвука в диапазоне 0,5-5 МГц (рис. 2).
Рис. 4. Раскрытые зерна магнетита и кварца (продукты шелушения после воздействия)
Частично диспергированный магнетит заполняет часть микротрещин, образуя новые пути прохождения постоянного электрического тока. В результате резко падает электросопротивление за счет объемной сетки напыленного магнетита на поверхность существующих и вновь образованных микротрещин. По-видимому, основным фактором является смещение зерен магнетита под воздействием мощного магнитного импульса и последующим процессом деструкции и распылением (ионным) хорошо проводящего магнетита по поверхности старых и новых микротрещин. Следует обратить внимание на тот факт, что электросопротивление магнетита составляет 10-2 Ом, в то время, как сопротивление кварца на 19 порядков выше и составляет 1017 Ом [5], что дает основание для данного предположения.
Обнаруженный магнитокинетический эффект в железистых кварцитах требует дальнейших исследований. Вместе с тем, следует сделать акцент на практическом использовании магнитокинетического эффекта в кварцитах. Эффект деструкции межзерновой матрицы в кварцитах, содержащей зёрна магнетита, способствует раскрытию межзерновых границ и, соответственно, нарушению генетического контакта включений Fe2Оз в матрице. Есть основания утверждать, что этот эффект можно направленно использовать в технологическом извлечении магнетита из кварцитов в процессах рудоподго-товки и других процессах, связанных с разрушением массивов при их предварительном ослаблении перед бурением скважин, при проходке горных выработок.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ревнивцев В.И. О рациональной организации процесса раскрытия минералов в соответствии с современными представлениями физики твёрдого тела. Труды Механобр, 1975, с. 153-164.
2. Анисимов В.Н. Концепция малооперационной ресурсосберегающей технологии взрывной рудоподготовки железистых кварцитов с применением дополнительных импульсных волновых воздействий. МГГУ, Горный
информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - №7.- С. 144-148; -2005. № 11.- С. 154-157.
3. Соболев Г.А., Дёмин В.М. Механоэлектрические явления в земле. - М.: Наука, 1980. - С. 16-19.
4. Иньков В.Н., Коваленко С.А., Анисимов В.Н. Исследование результатов воздействия магнитным полем на образцы железистых кварцитов лазерным ультразвуковым методом. МГГУ, Горный информационно-аналити-ческий бюллетень. - 2006. - № 6.
5. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород. - М.: Недра 1975. - С. 36-49.
|— Коротко об авторах--------------------------------------
Анисимов В.Н. - Московский государственный горный университет.
-------------------------------- © В.Н. Анисимов, 2007
В.Н. Анисимов
ПРОЦЕСС ДЕСТРУКЦИИ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ В СИЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ И УПРУГИХ ВОЛНОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
звестно, что в объеме материала, подвергнутого Иш п роцессу перемагничивания, при определённых условиях могут возникать магнитоэлектрические (пъезомагнитост-рикционные), термомагнитоупругие и другие эффекты вследствие изменения магнитного состояния внутренней магнитной энергии с выделением тепла и преобразованием в механические напряжения по границам разнородных минералов.
