Современные проблемы избирательного и ресурсосберегающего разрушения горных пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

____________________________ © А.П. Дмитриев, С.А. Гончаров,

М.Г. Зильбершмидт, 2011

А.П. Дмитриев, С.А. Гончаров, М.Г. Зильбершмидт

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Приведена методика построения трехмерной модели рельефа местности и подстилающего массива горных пород на основе топографических и геологических данных с прогнозной оценкой тектонической нарушенности по результатам автоматизированного линеаментного анализа космо- и аэрофотоснимков.

Ключевые слова: Геопространственная модель, линеаменты, тектоническая нарушенность.

Ж^азрушение горных пород является процессом, лежащим в -мГ основе наиболее энергоемких технологический операциях горного производства. В частности, при добыче и переработке руд наиболее энергоемким является процесс их разрушения при рудо-подготовке. Например, на горно-обогатительных комбинатах, добывающих железистые кварциты, энергоемкость процессов разрушения руды при её рудоподготовке составляет в среднем 45 кВ *ч на тонну руды, в том числе примерно 3 кВт*час расходуется при разрушении руды в процессе её дробления и примерно 30 кВт*ч при её измельчении в мельницах. Суммарный годовой расход электроэнергии на измельчение железистых кварцитов в мельницах на горно-обогатительных комбинатах России составляет примерно 30% электроэнергии, вырабатываемой ежегодно Красноярской ГЭС (20,4 млрд. кВт*ч). Удельные энергозатраты на разрушение при добыче и переработке руд цветных металлов примерно такие же.

Однако не только высокая энергоемкость определяет значимость этого процесса. От его характера зависит эффективность протекания последующих технологических операций, обеспечивающих получение качественного конечного продукта.

В отличие от разрушения других сред, применительно к горным породам этот процесс, реализуемый при добыче и переработке минерального сырья, имеет определенную специфику, заключающуюся в том, что, например, при рудоподготовке необходимо добить-

ся не только определенной гранулометрии минерального вещества, но и обеспечить отделение различных минеральных компонентов друг от друга. Именно это обстоятельство способно обеспечить эффективность последующих процессов получения мономинеральных продуктов или продуктов с высоким содержанием определенных минералов.

Последнее достигается только в случае преобладания межзе-ренного характера разрушения, при котором образующиеся при физическом воздействии нарушения сплошности полиминерально-го агрегата проходят по межзеренному контакту.

Однако на практике нарушения сплошности полиминерально-го агрегата часто возникают не по границам срастания, а по объему минеральных зерен. В результате такого характера разрушения образуются частицы минерального вещества малой крупности и представляющие собой сростки нескольких нескольких минералов, что создает большие проблемы для получения качественных конечных продуктов. Именно это обстоятельство и обеспечивает ресурсосберегающую значимость процесса разрушения горных пород при дезинтеграции минерального сырья.

Под ресурсосберегающем разрушением горных пород понимаем процесс преимущественного формирования в них при физическом воздействии совокупности таких нарушений сплошности агрегата, при которых образуются мономинеральные фрагменты, обеспечивающие эффективное последующее разделение полученной полиминеральной системы на компоненты. Организовать этот процесс в практике рудоподготовки можно только на основе понимания его закономерностей.

Следует заметить, что описать этот процесс невозможно с использованием традиционного модельного представления породы однородной сплошной средой.

Для его корректного рассмотрения этого процесса целесообразно горную породу представитьь как многокомпонентный поликристал-лический агрегат, элементы которого обладают спецификой строения и свойствами образующих минералов.

Генетические особенности формирования горных пород обуславливают присутствие определенных элементов «неидеальности» таких поликристаллических агрегатов. К ним следует отнести наличие дефектной структуры и наличие остаточных

Рис. 1. Межзеренный и внутризерннный характер формирования крупных нарушений сплошности в горной породе при физическом воздействии (межзеренный и внутризеренный характер разрушения)

напряжений, характеризующих степень упругого взаимодействия элементов строения агрегата (зерен) друг с другом.

Такой подход к рассмотрению процесса разрушения горных пород связан с определенными трудностями.

Необходимость реализации ресурсосбрегающего разрушения горных пород делает актуальным решение ряда проблем теоретического и методического характера, среди которых в качестве основных можно выделить следующие.

Проблема 1. - Сложность учета многовариантности характера разрушения горных пород.

Исследование процесса разрушения широкого спектра горных пород различного состава и строения выявили существенные различия условий и характера его протекания. В первую очередь следует отметить, что образование крупных нарушений сплошности происходит при различных значениях интенсивности воздействия. Кроме этого, наблюдается различия «траектории трещины», то есть даже в горных породах примерно одинакового состава нарушения сплошности могут происходить как преимущественно по объёму минеральных зерен, так и по межзеренному контакту.

В рамках предлагаемого модельного представления горной породы это вполне объяснимо.

Дефектная структура геоматериала в целом представляет собой совокупность всех разновидностей дефектов, которые содержит минеральный агрегат. Эти дефекты следует классифицировать по масштабному признаку. Ее составляют дефекты минерального индивида (зерна), элемента текстуры и представительного объема. Совокупность всех дефектов представляет собой иерархическую систему.

Кроме этого, одно минеральное зерно отделено от другого в породе межзеренной границей, представляющий в общем случае пространство , в котором происходит сопряжение кристаллических решеток соседних минеральных индивидов. Оно «насыщено» дис-клинациями различного типа, плотность которых зависит от параметров соприкасающихся кристаллических решеток и степени их разориентировки. Межзеренное пространство обеспечивает жесткую связь соприкасающихся зерен, прочность которой, как и свойства самих минеральных индивидов зависит от плотности дефектов

различных типов и может быть как меньше, так и больше прочности отдельных минеральных индивидов.

Законы преобразования дефектной структуры полиминераль-ного агрегата должны удовлетворять требованиям баланса энергии и наиболее предпочтительны из них те, которые обеспечивают максимальную скорость роста в нем энтропии.

Конкретному структурному состоянию геоматериала при определенном виде внешнего воздействия соответствует вполне детерминированный набор реализуемых механизмов неупругой деформации, который и определяет как кинетику, так и траекторию формирующегося в процессе разрушения крупного нарушения сплошности (магистральной трещины).

Несмотря на возможность реализации нескольких механизмов неупругого поведения элементов строения полиминерального агрегата при определенном виде воздействия (например, механическом нагружении), в нем реализуются только те, которые в максимальной степени снижают его внутреннюю энергию за счет образования нарушений сплошности.

Изменение дефектной структуры геоматериала, представляющей собой разноуровневую систему дефектов, состоит в перераспределении нарушений сплошности одного масштабного уровня за счет другого. Теоретическое описание этого процесса должно учитывать специфику структурного типа конкретных образующих минералов. В общем случае, состояние дефектной структуры задают с использованием функций распределения дефектов i - го типа - ф(1) (гД).

Эволюция дефектной структуры на каждом 1 - м масштабном уровне описывается уравнением типа:

5у(1)/51 + div (уу(1)) = 1(1) (1)

где у(1) - функция распределения дефектов, V - вектор скорости, 1(1)

- интеграл столкновений, учитывающий процессы зарождения, взаимодействия и объединения дефектов.

Таким образом, процесс разрушения горных пород является многостадийным и фактически представляет собой процесс преобразования генетической дефектной структуры полиминерального агрегата, происходящего под действием различных полей.

Таким образом, специфика генетической дефектной структуры очень влияет на кинетику процесса разрушения.

Изменения дефектной структуры полиминерального агрегата происходят под действием структурных и локальных напряжений, возникающих в элементах строения породы под действием физических полей.

Итак, если горную породу условно разбить на традиционные структурные составляющие, а именно: минеральные агрегаты -сростки зерен или коллоидных частиц минералов определенной парагенетической ассоциации, образующиеся в одну стадию минерализации, слагающие текстуру горной породы; минеральные зерна (минеральные индивиды), являющиеся морфологической единицей структуры минерального агрегата, то для характеристики напряженного состояния геоматериала следует использовать следующие величины : < с > - средних по представительному объему, ст - текстурных , С - структурных, сь - локальных напряжений.

Иерархический характер многоуровневых систем дефектов и напряжений в геоматериале заключается в том, что их изменения, происходящие на каком- либо 1 - м уровне, взаимосвязаны с изменениями, происходящими на других. В частности, для системы напряжений, эта особенность изменения структурного состояния геоматериала описывается следующими выражениями:

В общем случае можно выделить следующие стадии процесса разрушения горных пород:

1 стадия - неоднородное упругое деформирование минерального агрегата с формированием в отдельных компонентах высоких локальных напряжений,

2 стадия - образование локальных нарушений сплошности в отдельных элементах строения минерального агрегата,

3 стадия - взаимодействие образовавшихся локальных нарушений сплошности с другими дефектами и увеличение их размера до величины, превышающей размер минерального зерна,

(2)

(3)

с ь ^ = М у (с5 ^ )

(4)

4 стадия - появление локальных нарушений сплошности в других минеральных компонентах, в которых возникли необходимые для этого термобарические условия,

5 стадия - объединение появившихся нарушений сплошности в крупные магистральные трещины, разделяющие агрегат геоматериала на отдельные части.

При механическом нагружении геоматериала многоста-дийность процесса формирования магистральной трещины указывает на возможную многовариантность ее траектории. В связи с тем, что процесс появления локальных нарушений сплошности связан с действием структурных напряжений и наличием дефектов в исходном состоянии, то совершенно ясно, что процесс зависит от генетического структурного состояния геоматериала.

Наличие остаточных напряжений и характерная специфика дефектной структуры ( генетической или техногенной ) способны изменить траекторию трещины и, соответственно, характер разрушения. На рис 2 представлены фотографии траекторий трещины в фосфоритовой руде, находящейся в различных структурных состояниях. Траектория трещины на рис. 2, а сформировалась при механическом нагружении образца в естественном состоянии. На рис. 2, б - траектория трещины появившаяся в аналогичных условиях в образце подвергнутом предварительной термической обработки. Если на фотографии (а) наблюдается внутиризеренный характер разрушения, то на (б) - межзеренный.

Это объясняется тем, что во втором случае, тепловые структурные напряжения , появившиеся в геоматериале при нагреве, создали нарушения сплошности в межзеренном контакте.

Таким образом, процесс разрушения каждой горной породы индивидуален и отличается от других своей последовательностью и геометрией (местом инициирования) характерных для образующих нее минералов неупругих деформаций, сопровождающих преобразование генетической дефектной структуры. По этой причине, каждый процесс разрушения горной породы определенного состава, строения и генетического структурного состояния отличается от аналогичного процесса в другой породе.

Рис. 2. Два различных характера разрушения фосфоритовой руды при механическом нагружении

Проблема 2 - Ограниченность возможностей известных способов при реализации межзеренного разрушения горных пород

Традиционные способы разрушения горных пород предполагают оказание на них механического воздействия. В зависимости от конструктивных особенностей технических средств это воздействие может осуществляться с различной скоростью, формируя в минеральных агрегатах определенные напряженные состояния (от одноосного до квазигидростатики).

Если учесть, что реакция отдельных минеральных зерен в горной породе при физическом воздействии описывается системой следующих уравнений

А = 4^ + Х° ’Т Е] + Р0АТ; (5)

Со,Е

АS = аЕ ои + Р1°Е1 + С— АТ.

и и 11 т то становится понятным, что определенный вид физического воздействия на минеральный агрегат горной породы создает в нем вполне определенную, характерную только ему неоднородность поля напряжений. Ввиду того, что в агрегате минеральные зерна жестко связаны друг с другом, деформация любого из них будет несвободной, т. е. любое зерно в породе будет испытывать противодействие со стороны окружающих его зерен. Например, в моно-минеральном агрегате неоднородность поля деформаций вызывается только анизотропией свойств минеральных зерен. В этом случае, повсеместное наличие областей несвободной деформации размером порядка размера зерна вызывает соответствующую неоднородность поля напряжений.

Такое «специфическое» поле напряжений инициирует определенный набор механизмов неупругой деформации в полимине-ральном агрегате, приводящих к появлению крупных нарушений сплошности.

Это является следствием того, что механическое воздействие не всегда способно активировать такие механизмы неупругой деформации в многокомпонентном агрегате породы, которые приводят к образованию нарушений сплошности по межзеренному контакту (межзеренный характер) имеются много разновидностей минерального сырья, относящихся к «трудноперерабатываемым».

Кроме этого, мехническое воздействие всегда сопряжено с неупругим поведением минерального вещества, вызывающим значительные энергозатраты.

Для снижения энергоемкости и изменения «геометрии» формирования нарушений сплошности в минеральном агрегате вместо механического воздействия для разрушения используется действие других физических полей.

К ним можно отнести электрогидродинамический (ЭГД) способ дезинтеграции, создающий значительные ударные нагрузки на куски горной породы в жидкости за счет высоковольтного электрического разряда, позволяет существенно улучшить способность

минеральных сростков к раскрытию [б]. Он обеспечивает высокую степень дезинтеграции породы и сохранность зерен и кристаллов полезных компонентов. Так, например, при дезинтеграции вольфрамсодержащих руд до крупности 5 - 0 мм в классе 5 - 2 вскрытие вольфрамита при ЭГД-воздействий оказалось на 10 - 12% выше, чем при механической дезинтеграции. При обогащении проб оловосодержащих руд, дезинтегрированных ЭГД-способом, извлечение на 2 - 6% выше, чем при традиционном измельчении.

Эффективным способом воздействия на горную породу является электрический взрыв проводников Он имеет значительные преимущества перед свободным разрядом применительно к разрушению горных пород: более высокий гидродинамический КПД; возможность гибкого управления геометрией поля давления, вплоть до создания плоской ударной волны; высокая стабильность электрических и гидродинамических характеристик разряда.

Электромагнитное воздействие применяется для улучшения раскрытия и снижения энергоемкости измельчения руд [ ]. При этом используется специфика селективного воздействия электромагнитного поля на рудную и нерудную составляющие. Так, в обработанной и охлажденной в воде железной руде прочность сростка магнетит-кварц снижается в 1,5—2 раза, что при последующем измельчении вызывает повышение выхода готового класса на 25%. Причем наряду с увеличением выхода готового класса улучшается селективное раскрытие минералов, что, в свою очередь, приводит к снижению количества сростков и уменьшению содержания в них металла. Кратковременная обработка окисленной железной руды СВЧ-электромагнитным полем, в результате которой руда за 1 мин нагревается до средней температуры 200 °С, вызывает разупрочнение кварца и упрочнение рудных зерен, повышает селективность раскрытия минералов, уменьшая время измельчения до выхода готового класса в 2 раза и увеличивая содержание железа в концентрате на 3% [9]. Высокочастотная электромагнитная обработка редкометалльной руды позволяет на 30% сократить время ее измельчения и повысить выход продуктивного класса в уртитах на 8—9%, а в луявритах - на 15 - 16% При этом содержание свободных зерен полезного минерала в продуктивном классе повышается на 18% по сравнению с исходной рудой. Для изменения прочности и увеличения селективности раскрытия минерального сырья применяют также инфракрасное (тепловое) воздей-

ствие на горную породу. Обычно в качестве генераторов излучения используют устройства, работающие на химическом топливе (реактивные горелки) или электроэнергии, в которых источником тепла служат специальные нагреватели или теплоноситель образуется при пропускании газа или жидкости через дуговой электрический разряд (плазмотроны). Воздействие тепла на горные породы приводит к различным последствиям в зависимости от их пористости, влажности, структуры, текстуры и минерального состава.

Одним из наиболее приемлемых для практической реализации способов снижения способов снижения энергоемкости разрушения руды при измельчении является ее импульсная электромагнитная обработка (ИЭМО) перед подачей в мельницу.

При ИЭМО разупрочнению поддаются породы содержащие минералы магнитнострикторы и минералы электрострикторы. При этом в минералах магнитострикторах и электрострикторах соответственно возникают явления магнитострикции и электрострикции. Эти явления сопровождаются изменением формы минералов без изменения их объема. Это может быть в том случае, если размеры зерен по одним кристаллографическим осям увеличиваются, а по другим уменьшаются. Так как эти минералы жестко связаны с другими породообразующими минералами, то на межзерновых границах в породе возникают структурные напряжения, приво-дящие к разупрочнению межзерновых связей.

Как показали эксперименты, наибольший разупрочняющий эффект имеет место при ИЭМО руд, содержащих, минералы-ферромагнетики и электрострикторы за счет явления магнито-стрикции и электрострикции.

Несмотря на широкий спектр используемых для разрушения горных пород физических полей и принимая во внимание рассмотренные выше основные особенности этого процесса можно прийти к выводу о невозможности создания универсального способа разрушения, пригодного для всех типов и разновидностей горных пород. Поэтому речь может идти только о выборе оптимального для конкретной горной породы способа разрушения, обеспечивающего ресурсосбережение при последующей переработке.

Проблема 3. Отсутствие методологии выбора оптимальных условий и режимов ресурсосберегающего разрушения горных пород

Учитывая то, что в каждой горной породе процесс разрушения протекает по - своему, при решении практических задач организации ее ресурсосберегающего разрушении необходимо осуществлять выбор такой комбинации воздействий, позволяющей реализовать межзеренный характер процесса.

Таким образом, любое физическое воздействие на горную породу создает свое индивидуальное распределение напряжений в элементах строения полиминерального агрегата.

Выполненный в МГГУ комплекс исследований показал, что осуществляя целенаправленное изменение генетического структурного состояния геоматериала при помощи предварительной физического воздействия можно добиться изменения как кинетики формирования, так и траектории магистральной трещины.

Таким образом, многостадийность процесса разрушения геоматериала приводит к многовариантному характеру формирования , образующейся на заключительной стадии процесса, магистральной трещины. Более того, рассматривая процесс появления магистральной трещины как объединение более мелких нарушений сплошности, которые возникают при протекании неупругой деформации в элементах строения, приходим к выводу о том, что если обеспечить их возникновение в определенных элементах строения агрегата на 2-й и 3-й стадиях процесса разрушения, то можно измененить траекторию образующейся трещины.

Этот принцип использован в разработанной методологии организации селективной дезинтеграции труднораскрываемых видов минерального сырья за счет целенаправленного изменения генетического структурного состояния геоматериала предворительным физическим воздействием [8] .

Если принять нормальный характер распределения значений напряжений в i - м структурном элементе, то вероятность инициирования j - го механизма неупругости можно выразить слндую-щим образом

(!) _ 1 1 'г )2

у

2"л/2^ Г 2 D

Выражение (12) показывает, что изменение значений остаточных напряжений изменяет вероятность инициирования того или иного механизма неупругости. Следствием чего может быть изменение траектории образующейся на последней стадии магистральной трещины.

По этой причине для каждого конкретного случая воздействия в породе будет наблюдаться определенная последовательность структурных изменений, характеризующихся своим набором критических нагрузок { ' , '2,..., тт } Любые вариации состава, видов и условий воздействия способны изменить этот набор. Если предположить, что все возможные значения структурных напряжений в определенном кристаплогра фическом направлении [НЩ к - го минерала находятся в диапазоне о(к] , то за критерий акти-

визации т - го механизма неупругости можно принять выполнение условия

о« +Щк> > гт), ...... (7)

_ (к)

где ' т — напряжение инициирования т-го процесса неупргости к-го минерала

Условие (13) для каждой стадии поврежденности принимает вполне конкретный вид.

Пренебрегая взаимодействием областей протекания неупругой деформации, что вполне допустимо на ранних этапах процесса изменения состояния, можно выполнить предварительную оценка интенсивности внешнего воздействия, вызывающего тот или иной вид структурной поврежденности Плотность образующихся нарушений структуры т-го типа можно характеризовать параметром п, равным отношению поврежденных минеральных зерен ^кк к их общему числу П(к

(к) Ч(к) Г1 1 т г(о( к)-о( к ))2-п,

лтк = ^тт = {----------, I ехрР----------,,, у Шо . (8)

'т п(к) о_т^(к) 1 2 П(-к) ^

Рис. З. Изменение дефектной структуры сульфидной медно-цинковой руды при инфракрасном воздействии

Это выражение в общем виде описывает пороговый характер изменения нарушенности породы при действии различных физических полей. Однако при выполнении конкретных расчетов необходимо учитывать взаимное влияние различных механизмов неупругости в минеральном агрегате [9, 10].

Используя такой подход, можно заранее рассчитать вероятность повреждения различных элементов строения горной

Изменение параметров структурного состояния зерен магнетита в железистом кварците после гидростатического нагружения

га

о.

га

—AD/D —и- А СУ/СУ

--- Д pl/pl

— Apd/pd

Рис. 4. Немонотонный характер изменения параметров структурного состояния минералов железистого кварцита МГОКа при динамическом нагружении

породы при различном физическом воздействии, что позволяет выбрать наиболее оптимальный его вид и режим, обеспечивающий такое изменение исходного структурного состояния породы (т.е.

создать необходимые нарушения сплошности в определенных элементах строения) следствием которого является реализация межзе-ренного характера разрушения при традиционной механической дезинтеграции.

---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термическое

2. Дмитриев А.П., Зильбершмидт М.Г. Физические принципы управления технологическими параметрами горных пород, М.,УРСС, 20100, 71 с.

3. Дмитриев А.П.,Зильбершмидт М.Г. Физическая природа управления технологическими параметрами горных пород, сб. «Проблемы комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых», М.,Недра, 1989.

4. Зильбершмидт М.Г. Заворыкина Т.К. Методы анализа структурного состояния горных пород, М.,МГГУ, 1989, 88с

5. Новик Г.Я.,Зильбершмидт М.Г. Управление свойствами пород в процессах горного производства, М.,Недра,1994,224 с.

6. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред, М.,Наука ,

1977.

7. Лебедев Т.С., Новик Г.Я.,Зильбершмидт М.Г. и др. Влияние структурных преобразований в породах на изменение их упругих свойств при различных термобарических условиях, Геофизический журнал, 1986, т.8, №4 , с.9 - 20.

8. Хирт Дж., Лоте И., Теория дислокаций, М..Атомиздат, 1972, 600с.

9. Дмитриев А.П., Зильбершмидт М.Г. Принципы управления кинетикой процесса дезинтеграции минеральных комплексов, Научные проблемы горного производства ( к 80 -летию акад. В.В.Ржевского), М.,МГГУ, 2000, с.291 - 305.

10. Викторов С.Д., Дмитриев А.П., Зильбершмидт М.Г. и др. Немонотонность структурных изменений в апатитовой руде при взрывном нагружении, сб. «Комплексное освоение полезных ископаемых», М.,Недра, 1991, с.50 - 62

11. Новик Г.Я.,Зильбершмидт М.Г. Закономерности изменений структурного состояния горных пород при различных РТ - воздействиях, Геофизический журнал, 1987,т.9, №2 , с.46 - 55.

— Коротко об авторах -----------------------------

Дмитриев А.П.

Гончаров С.А.

Зильбершмидт М.Г.

Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru