CC BY
24
УДК 622.271.35:534
Н.П. Хрунина
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ НАПРАВЛЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ И СОСТОЯНИЯПЕСЧАНО - ГЛИНИСТЫХ ПОРОД РОССЫПЕЙ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПЛАСТИЧНОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТИПА ИНИЦИИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
Согласно данным геологических исследований многие золотосодержащие россыпи Дальнего Востока России имеют повышенное содержание глин - от 10 до 60 % и более. Анализ 288 объектов россыпных месторождений: Нижнеамурского, Кербин-ского, Приморского, Сахалинского, Северного, Софийского, Хер-пучинского приисков показал, что большая часть из них может быть отнесена к труднообогатимым по крупности обогащаемого золота (материалы ЛРРМ ИГД ДВО РАН). В настоящее время до конца неизученными остались вопросы физики высокоглинистых золотосодержащих пород как объекта и физики процесса направленного изменения их свойств в воде при механическом и ультразвуковом воздействиях. Разработанные и используемые способы не решают задачу эффективной трансформации песчано-глинистой породы с целью направленного изменения ее состояния при подготовке горной массы к извлечению золота размером менее 500 мкм из высокоглинистых россыпей без значительных потерь [1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Дисперсный состав и структура глинистых пород определяют ряд особенностей, проявляемых при особых условиях добычи и подготовки горной массы золотосодержащих россыпей к переработке. К таким особенностям в первую очередь относят «усталостное» разрушение структурных связей, тиксотропное разупрочнение [2, 3, 6, 7, 8, 9, 10], снижение процесса коагуляции и повышение устойчивости системы за счет изменения свойств и состояния при определенных видах воздействия.
Шаровым В.С., Глабутской Е.А. и др. [2] рассмотрены вопросы взаимодействия глинистых пород с водой. Представлено обос-
нование физики процессов набухания и размокания глинистых пород. Установлено, что интенсивность набухания и размокания зависит от минерального и гранулометрического состава, вида и прочности структурных связей, влажности, температуры воды [3]. Как отмечалось в ряде работ, число пластичности является интегральным показателем минерального, гранулометрического и химического состава, а также состава поглощенных катионов. В работе [3] представлены экспериментальные данные по исследованию закономерностей процесса диспергирования глинистых пород в низкочастотном диапазоне от 5 до 100 Гц. В качестве объектов исследования выбирались среднепластичные и высокопластичные глинистые породы. Из приведенных зависимостей степени диспергирования породы от колебательного ускорения при различных низких частотах следует, что ни частота, ни ускорение однозначно не определяют эффективности процесса. К показателям, которые интегрально оценивают свойства, состав и состояние глинистых пород, относят пластическую прочность N и число пластичности М. Пластическая прочность весьма существенно влияет на процесс диспергирования. Если пластическая прочность при всех прочих равных условиях является функцией влажности, т.е. состояния глинистых пород, и может быть изменена увлажнением, сушкой и другими способами, то такой показатель, как число пластичности, зависит от состава глинистых пород и практически не может быть изменен. Отмечено, что при постоянной пластической прочности эффективность диспергирования под действием инфразвука падает с увеличением числа пластичности. Эффективность диспергирования при постоянных параметрах инфразвукового воздействия определяется продолжительностью воздействия и пластической прочностью [3].
В ИГД ДВО РАН посредством Лазерного дифракционного микроанализатора размеров частиц - «Ага^ейе 22» проведены исследования дисперсности песчано-глинистой породы природных и природно-техногенных золотосодержащих россыпей Приамурья. На основе определения дисперсности указанных природных объектов высокоглинистых россыпей уста-овлено число пластичности, тип породы по классификации [3], экспериментально - расчетным путем определена плотность и насыпная плотность. Установлено, что исследуемые глины по типу породы могут быть отнесены к высокопластичным, среднепластичным и слабопластичным. Проведе-
ны исследования по оценке изменения агрегатного состояния песчано-глинистых пород россыпей Приамурья, помещенных в воду, при постоянных температуре и внешнем давлении, без дополнительного инициирования механическим путем, и - при дополнительном ультразвуковом воздействии частотой излучения 19,5, 25, 60, 100 и 150 кГц и времени 5, 10, 15, 20, 25 минут, и при тех же постоянных внешних параметрах. Анализ известных и полученных в результате исследований в ИГД ДВО РАН данных о свойствах и состоянии песчано-глинистых пород в зависимости от параметров инициирования процессов под влиянием механических и звуковых воздействий позволило решить задачу разработки систематизации направленного изменения свойств и состояния песчано-глинистых пород, слагающих золотоносные россыпи типа приамурских, на основе интегрального показателя - числа пластичности, табл. 1, 2. Процесс набухания и размокания зависят от гранулометрического состава и прочности структурных связей. В процессе набухания происходит ослабление упругих и усиление пластичных свойств глинистых пород [3]. Предельный параметр диспергирования D в зависимости от числа пластичности породы М и дисперсного состава вначале растет. При М = 18 предельный параметр диспергирования D достигает максимального значения и в дальнейшем, при М выше 18, начинает резко снижаться. При увеличении дисперсности частиц в породе скорость диспергирования У0 падает. Эффективность агрегатного разрушения при М от 1 до 12 растет, свыше 12 падает и достигает максимального показателя падения при М равном 48 [3]. Эффективность дезинтеграции песчаноглинистых пород золотосодержащих россыпей (начиная с содержания частиц размером менее 0.005 мм свыше 20 %) под влиянием воды весьма низкая. На основе экспериментальных данных по изучению скорости роста мелкодисперсной фазы песчано-глинистой породы с разным типом пластичности под влиянием внешнего силового поля, образуемого при вращении механической установки, получено подтверждение прироста мелкодисперсной фазы за один оборот. Анализ данных по эффективности диспергирования глинистой породы под действием инфразвука при постоянной
Таблица 2
Систематизация направленного изменения свойств и состояния
песчано-глинистых пород россыпей на основе интегрального показателя пластичности в зависимости от механических
и звуковых воздействий
Порода, содержание частиц размером менее 0.005 мм, ' % Интегральный показатель -число пластичности М [13] Сравни- ваемые размеры образцов породы, мм Скорость образования массовой доли частиц в зависимости от механического воздействия Эффективность диспергирования под действием инфразвука при постоянной пластической прочности породы, N[13] Эффективность агрегатного разрушении при ультразвуковом воздействии по сравнению с размоканием, интенсивность излучения 1 Вт/см2, частота излучения - 25,60,100, 150 кГц Эффективность агрегатного разрушения при ультразвуковом воздействии по линейному параметру от времени Интенсивность излучения 20 Вт/см2
Глина
>60 >48
60 40 >30 48 28 18 < 10 < 40; > 60 10; 60 1 \ і V ft А и А^1
Суглинок , <30 20 > 10 17 12 7 < 10 < 40; > 60 10; 60 ■ і Направление снижения СКОРОСТИ ♦ * \ V и А Аш
Супесь
<10 6 < 10 \
>3 1 < 40; > 60 10; 60 1 t 1
Условные обозначения:
^ - снижается ^ среднее состояние эффективности
^ - увеличивается
^ 1,1 - в большей степени влияющие факторы частоты £ времени 1 или мощности I Д - размер элемента породы имеет более существенное значение ^ - размер элемента породы имеет менее существенное значение
Продолжение таблицы 2
пластической прочности породы N5 по данным Ямщикова В. С. [3], свидетельствует о том, что слабопластичные породы (в диапазоне числа пластичности М от 1 до 6) имеют показатель роста эффективности диспергирования.
Породы с числом пластичности от 7 до 17 имеют среднее состояние эффективности диспергирования при инфразвуковом воздействии. А у породы с числом пластичности выше 18 при инфразвуковом воздействии эффективность диспергирования снижается. Анализ эффективности агрегатного разрушения породы с числом пластичности от 1 и выше, при ультразвуковом воздействии интенсивностью 1 Вт/см2, по сравнению с размоканием показал, что для элементов породы размером менее 10мм величина куска имеет менее существенное значение, а частота f и время t воздействия ультразвука являются в большей степени влияющим фактором. Сравнение эффективности агрегатного разрушения между элементами размерами менее 40 и более 60мм, для всех типов пластичности, показало, что размер элементов породы имеет более существенное значение. Рост эффективности по сравнению с размоканием у высокопластичных пород, сравниваемых размеров, при частоте излучения 25 кГц составляет максимум 30 %, а при частотах 60, 100 и 150 кГц составляет не более 10 %. Для пород с числом пластичности от 7 до 17 рост эффективности по сравнению с размоканием составляет при частоте излучения 25 кГц максимум 25 %, а при частотах 60, 100 и 150 кГц составляет не более 20 %. Для пород с числом пластичности от 1 до 10 рост эффективности по сравнению с размоканием составляет при всех частотах излучения максимум 20 %.
Сравнение эффективности агрегатного разрушения при ультразвуковом воздействии по линейному параметру образцов размером 10 и 60 мм при интенсивности излучения 20 Вт/см2 показало, что для среднепластичных и высокопластичных пород размер элементов породы имеет более существенное значение, при этом частота звука и время воздействия в большей степени влияющие факторы на эффективность. Эффективность диспергирования песчаноглинистой породы, определенная по изменению удельной поверхности частиц, при ультразвуковых воздействиях частотой 19,5 кГц и интенсивности 20 Вт/см2 имеет параметры диспергирования выше, чем полученные при механических воздействиях. Увеличение мощности и времени ультразвукового излучения способствует повышению эффективности разрушения структурных связей и снижению электромолекулярного взаимодействия частиц глинистой породы.
Систематизация направленного изменения свойств и состояния песчано-глинистых пород, слагающих золотоносные россыпи типа приамурских, на основе интегрального показателя - числа пластичности - дает наглядное представление о качественных изменениях системы песчано-глинистой породы в воде, снижении или увеличении скорости образования массовой доли частиц в процессе механического воздействия, эффективности дезинтегрирования элементов породы размерами от 10 и более 60 мм при ин-фразвуковом и ультразвуковом воздействиях, интенсивности излучения от 1 до 100 Вт/см2.
Выводы
1. Созданная на основе комплексного подхода, с учетом анализа полученных новых данных систематизация направленного изменения свойств и состояния песчано-глинистых пород россыпей на основе интегрального показателя пластичности в зависимости от параметров инициирования процессов под влиянием нейтральной среды - воды, механических и звуковых воздействий, содержит системную информацию, направленную на решение задачи эффективной трансформации высокоглинистой породы в воде для извлечения микрочастиц золота до 2 мкм.
2. Учет исходных свойств вмещающих пород и измененного их физического состояния под влиянием процессов, происходящих в глинистых породах в результате физико - химических воздействий, позволит осуществить управление механизмом разрушения структурных связей для установления эффективных способов трансформации и разработки источников инициирования данных процессов.
3. Систематизация позволяет оценить, какой из факторов (при изменении размера элемента породы) - частота, мощность излучения звука или время в большей степени влияют на эффективность структурной перестройки и дает наглядное представление о системе инициирования.
4. Проведенный анализ на основе интегрального показателя пластичности позволяет сделать вывод о том, что ультразвуковое воздействие на систему песчано-глинистой (с разным типом пластичности, а значит - минерального, гранулометрического и химического состава, а также состава поглощенных катионов) породы в воде универсально и эффективнее, чем размокание, механическое или инфразвуковое воздействия; при этом главными параметрами
инициирования являются интенсивность и время воздействия ультразвука.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Справочник по разработке россыпей. Под общей редакцией В.П. Березина, В.Г. Лешкова, Л.П. Мацуева, С.В. Потемкина. - М.: Недра, 1973, 592 с.
2. Троицкий В.В. Промывка полезных ископаемых. - М.: Недра, 1978. 255 с.
3. Акустическая технология в обогащении полезных ископаемых / А.И. Шульгин, Л.И. Назарова, В.И. Рехтман и др.; Под ред. В. С. Ямщикова. - М.: Недра, 1987. - 232 с.
4. Вакалова Т.В., Хабас Т.А., Верещагин В.И., Мельник Е.Д. Глины, особенности структуры и методы исследования. - Томск: Изд-во ТПУ, 1998. - 121 с.
5. Безухое Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. - М.: Недра, 1961.
6. ГримР.Е. Минералогия глин. - М.: ИЛ, 1959.
7. Круглицкий Н.Н. Физико-химические основы регулирования свойств дисперсий глинистых минералов. - Киев: Наукова думка, 1968.
8. Горькова И.М. Зависимость деформационных и реологических свойств глинистых пород от их состава, состояния и характера структурных связей / Глины, их минералогия, свойства и практическое значение / Сб. ИГРМПМ и Г АН СССР. - М.: Наука, 1970. - 262 с.
9. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофи зика): Справочник геофизика. - М.: Недра, 1976. - 527 с.
10. Лебедев Т.С., Шаповал В.И., Корчин В.А. Удельная объемная деформация, сжимаемость и плотность горных пород при высоких давлениях: Г еофизиче-ский сборник. - Киев: Наукова думка, 1970. - № 36. - С. 36 - 45.
Коротко об авторах ---------------------------------------
Хрунина Н.П. - научный сотрудник, Институт горного дела ДВО РАН.
