О взрывомагнитной деструкции сложноструктурных железистых кварцитов с учетом геолого-геофизических особенностей и условий рационального недропользования

УДК 622.233:622.235

В.Н. Анисимов

О ВЗРЫВОМАГНИТНОЙ ДЕСТРУКЦИИ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ С УЧЕТОМ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ И УСЛОВИЙ РАЦИОНАЛЬНОГО НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ

Аннотация. Обоснованы возможность и целесообразность взрывомагнитных воздействий на стадии БВР на примере разработки сложноструктурных железистых кварцитов,как нового перспективного технологического направления при комплексном воздействии на массив горных пород с целью повышения показателей их последующей переработки. Проведен анализ этапов и процессов добычи и последующей переработки железистых кварцитов, сопоставлены основные особенности различных способов воздействия на руду. Обосновано создание малооперационнной ресурсосберегающей технологии уже в процессе взрывной отбойки. Дано геолого-геофизическое обоснование комплексного — взрывомагнитного воздействия на массив горных пород с целью оптимизации динамического волнового воздействия на массив (с целью снижения прочностных свойств горных пород) еще на стадии ведения буровзрывных работ. Приведены параметры горнотехнологических и взрывных работ с целью рационального освоения месторождений железистых кварцитов; результаты лабораторных и опытно промышленных испытаний взрывомагнитного метода воздействия на железистые кварциты; параметры взрывомагнитных воздействий и область их применения в горнотехнологическом процессе.

Ключевые слова: взрывные воздействия деструкция, железистые кварциты, сложно-структурные массивы, геолого-геофизические особенностей, рациональное недропользование энергозатраты.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-80-97

Введение

Одним из важных этапов процессов добычи и последующей переработки железистых кварцитов является геолого-геофизическое обоснование комплексных воздействий на массив горных пород с целью оптимизации параметров горнотехнологических и взрывных работ, а также рационального освоения месторождений железистых кварцитов [1].

В технологии добычи и переработки в частности железистых кварцитов весь

процесс, начиная от взрыва массива до обогатительной фабрики, является до настоящего времени самым энергоемким и дорогим процессом в технологии, имеющим к тому же и самый низкий коэффициент полезного действия, который у измельчающего оборудования чаще всего не превышает 1,5—2%.

Вся процедура, начиная от подготовки массива, если она проведена не эффективно, значительно увеличивает расходы и на последующие операции обо-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 6. С. 80-97. © В.Н. Анисимов. 2018.

гащения и приводит к необоснованным потерям ценных компонентов и серьезным экологическим проблемам.

Основные энергозатраты, например, на железорудных ГОКах, приходятся на процессы разрушения руды бурение, взрывание, дробление, измельчение и достигают 31—32 кВт  ч/т руды, в том числе 26—27 кВт  ч/т приходится на измельчение руды в мельницах. Известно, что на процессы разрушения руды и на производство конечного продукта приходится около 60% общих энергозатрат, в том числе на измельчение руды в мельницах около 50% [2].

В себестоимости железорудного концентрата процессы измельчения руды в мельницах составляют около 50%. В связи с тенденциями снижения содержания железа в руде по мере разработки месторождения и повышения цен на энергоносители составляющая энергозатрат в себестоимости железорудного концентрата и окатышей повышается, что делает проблему снижения энергозатрат все более актуальной. Попытки решения этой проблемы путем дальнейшего совершенствования цепи механических аппаратов, применяемых для сокращения крупности горных пород, дают незначительные результаты и в принципе не могут кардинально улучшить ситуацию [3].

Сопоставление основных особенностей различных способов рудоподготов-ки (воздействия на руду) позволяет отметить, что наиболее технологичным в настоящее время пока остается взрывной способ нагружения, которому руда подвергается уже в процессе ее взрывной отбойки от массива в карьере или руднике.

Поэтому сегодня в концептуальном плане практический интерес может представлять создание малооперационнной ресурсосберегающей технологии уже в процессе взрывной рудоподготовки с ис-

пользованием дополнительного динамического волнового воздействия на массив (с целью снижения прочностных свойств), еще на стадии ведения буровзрывных работ, на долю которых приходится всего до 6% энергозатрат передела [4].

Взрывное нагружение позволяет обеспечить необходимую интенсивность и кратность нагрузок, высокую скорость их приложения, способствующую снижению пластических деформаций и соответствующих потерь энергии, то есть отвечает основным требованиям рациональной организации процесса раскрытия минералов. Несмотря на достаточно низкий КПД взрыва (3—5% по оценке ряда авторов) для осуществления этого способа воздействия не требуется создание дополнительных энергоемких установок и устройств, он не усложняет технологию рудоподготовки.

Процесс рудоподготовки должен быть организован так, чтобы обеспечить раскрытие извлекаемых минералов при оптимальном измельчении руды. В связи с этим разработка новых энергосберегающих методов воздействия на минеральное сырье, позволяющих повысить эффективность процессов измельчения и раскрытия ценных компонентов и снизить удельные энергозатраты на процессы разрушения, является актуальной задачей.

Анализ процессов и условий

разрушения межзерновых

границ

В широко применяемых в промышленности дробилках и мельницах куски горных пород разрушают раздавливанием, истиранием и ударом, так как эти способы дробления конструктивно легче осуществляются. Вместе с тем раздавливанию и истиранию горные породы оказывают наибольшее сопротивление. Разрушение же их, например, сдвигаю-

щими или растягивающими усилиями должно происходить со значительно меньшими затратами энергии [5].

Независимо от вида нагружения существуют только два пути, по которым могут разрушаться материалы — путем разрыва или сдвига (рис. 1). Известно, что наиболее легко, т.е. при наиболее низких напряжениях, твердые тела разрушаются под действием растягивающих и сдвигающих нагрузок.

Для разрыва атомных связей требуется растягивающее напряжение сттах порядка Е/5, а сдвиг атомов друг относительно друга происходит легче, и обычно для совершенного кристалла прочность на сдвиг ттах составляет ~Е/30, где Е — модуль Юнга.

Процессы разрушения минерального сырья являются необратимыми и создают в перерабатываемом материале существенно неравновесные состояния.

Так при взрывной отбойке руды и в процессах дробления и измельчения развивающиеся в материале напряжения значительно превышают предел его прочности, что приводит к возникновению и развитию диссипативных структур. Особенностью взрывного разрушения рудного массива является максимальное развитие именно растягивающих и сдвигающих нагрузок. Эти нагрузки действуют не только в масштабе взрываемого блока в массиве горной породы, но и на различных структурных уровнях от макротекстурных неоднородностей до атомного уровня.

При дроблении и измельчении минерального сырья в первую очередь создаются сжимающие нагрузки, вызывающие значительные пластические деформации разрушаемого материала, а уже затем развиваются напряжения растяжения и сдвига.

Разрушение руды — это разрушение ее структуры, определяемой взаимосвязью слагающих руду минеральных

зерен. Отсутствие исчерпывающей количественной характеристики структуры минерального агрегата предопределяет трудности при построении адекватных математических моделей разрушения и раскрытия руд. Сам процесс разрушения поликристаллического твердого тела развивается постепенно, охватывая следующие структурные уровни [6]:

1. Атомный уровень с характерными размерами от масштаба элементарной кристаллической ячейки до минимального блока мозаики (кристаллита), то есть порядка 1—100 нм.

2. Кристаллический уровень в интервале линейных размеров 100—1000 нм, включающий в себя характерные размеры элементарных кристаллитов.

3. Субструктурный (субзеренный) уровень, связанный с группами дислокационных субструктур и обуславливающий появление ячеек, субзерен или блоков. Характерный масштаб этого уровня 1— 100 мкм.

4. Структурный уровень, определяемый размерами зерен минералов и имеющий преимущественный масштаб 0,01—10 мм.

5. Макроскопический уровень с характерным размером 1—100 см. Этот уровень связан с крупными зернами, текстурными элементами и отдельностя-ми горной породы.

Перечисленные уровни являются как бы последовательно вложенными один в другой и создают естественную иерархию структур. Энергия связи элементов структуры внутри уровней возрастает по мере уменьшения масштаба уровня.

Горные породы в массиве являются крайне неупорядоченными полиминеральными поликристаллическими средами.

Основные элементы структуры горных пород представляют собой плотно прилегающие друг к другу кристаллы минералов, форма, размеры, ориентация,

физико-механические свойства и содержание которых имеют вероятностный характер распределения. Кристаллы в горных породах, образующиеся в стесненных условиях, чаще всего не имеют правильной геометрической формы и называются кристаллитами, или зернами. При этом между кристаллитами имеется сильная взаимосвязь, определяющая прочность связи по границе их срастания и дающая вклад в прочностные характеристики горной породы в целом.

В горных породах всегда имеются дефекты кристаллического строения, основными из которых на макроуровне являются границы зерен, трещины и пустоты различного вида, и на микроуровне — дислокации, атомы внедрения и вакансии. Любые дефекты кристаллической решетки являются местами концентрации напряжений при механическом нагружении материала и могут инициировать начало его разрушения.

Границы срастания зерен минеральных фаз или, просто, межзеренные границы представляют собой дефекты пла-нарного типа, т.е. некоторые поверхности, являющиеся носителями структурно-механических свойств кристаллитов и разделяющие в среде две области, отличающиеся друг от друга одним или несколькими признаками: поворотом, двойниковой ориентацией, кристаллографической симметрией, химическим составом, физическими свойствами.

На границе свойства сплошной среды меняются скачкообразно. Толщина границы в зависимости от ее природы может составлять от одного атомного слоя (двойниковая граница) до десятка и более межатомных расстояний.

В массивах горных породах границы зерен содержат в себе максимальное количество дефектов различного рода и, вследствие этого, представляют собой наиболее слабое звено в процессах разрушения. Кроме того, границы зе-

рен представляют собой динамические образования и способны мигрировать, исчезать и зарождаться в процессах нагружения и разрушения твердых тел. В принципе границы представляют собой самостоятельный элемент структуры, во многом определяющий прочностные и другие свойства поликристаллической среды. Так как границы зерен дают основной вклад в прочностные характеристики поликристаллических материалов, целенаправленное ослабление или разрушение связей по межзеренным границам представляет значительный практический интерес.

С точки зрения раскрытия минералов при измельчении руды необходимо выделять два класса границ срастания минералов: гомофазную границу, разделяющую зерна одного минерала, и гете-рофазную, разделяющую зерна разных минералов. Идеальное раскрытие минералов — это разрушение связей между зернами в руде преимущественно по ге-терофазным границам. В естественных условиях разрушение по границам зерен происходит при выветривании горных пород, что приводит к практически полному раскрытию зерен минералов в россыпях.

Характерная особенность гомофаз-ных границ между одноименными минералами — наличие общих атомов, через которые зерна как бы прирастают друг к другу, обеспечивая тем самым ту или иную степень прочности связи на границе. Тем не менее, эта связь все же остается значительно менее прочной, за исключением двойниковых границ, чем межатомные связи внутри кристаллической структуры минерала.

Прочность гетерофазных границ определяется в первую очередь электрическими свойствами контактирующих минералов. Прочность связи между зернами на границе срастания зависит также от наличия примесей (сегрегации) в

зоне контакта зерен и от состава этих примесей.

Контакт зерен по гомо- или гетерофаз-ной границе срастания минералов приводит к перераспределению электронов и переносу их через границу, возникновению областей пространственного заряда, контактной разности потенциалов и электрических полей, образованию новых валентных связей. Контактные явления на межфазной границе определяются электропроводностью минералов, их диэлектрической проницаемостью и сродством к электрону, работой выхода электрона, типом проводимости, концентрацией носителей заряда и шириной запрещенной зоны.

Таким образом, границы зерен являются местом возникновения и распределения электрических зарядов и связанных с ними электрических полей, которые, в свою очередь, могут активно взаимодействовать с внешними электромагнитными полями и полями механических напряжений. В связи с этим наложение внешних электромагнитных полей в массиве с определенными параметрами в сочетании с механическими напряжениями от взрывов групп зарядов ВВ может приводить к возникновению и развитию разрушающих напряжений преимущественно по границам зерен минералов и, в конечном итоге, к повышению степени раскрытия минеральных фаз при последующей дезинтеграции горной породы.

Дезинтеграция минерального сырья в последующих технологических процессах горного производства происходит в условиях, далеких от равновесия. За счет повторяемости циклов нагрузки в зернах минералов и в материале в целом развиваются не только разрушающие напряжения, но и усталостные упругие и пластические деформации и генерируются различные структурные дефекты и в первую очередь вакансии и дислокации.

Дислокация — дефект принципиально неравновесный. Дислокации вступают в реакции аннигиляции, слияния или распада, если энергия системы при этом понижается. Таким образом, приложенные к горной породе нагрузки вызывают диссипацию подводимой к породе энергии за счет генерирования и развития дислокационных структур.

Динамика дислокаций, генерируемых в процессе нагружения и разрушения материала, обусловлена не только развивающимся напряжением, но и механизмом взаимодействия дислокаций. В результате действия между ними сил притяжения и отталкивания одноименные дислокации группируются в устойчивые стенки, разделяя зерно на ненапряженные области, повернутые относительно друг друга на некоторый угол и образующие субзеренную структуру. При повторяющихся нагрузках плотность дислокаций в стенках и разориентация блоков увеличиваются за счет генерации и притока одноименных дислокаций и субзеренные границы преобразуются в границы зерен, по которым как наиболее ослабленным элементам структуры и происходит дальнейшее разрушение материала. Диссипация подводимой энергии за счет генерации вложенных друг в друга структур прекращается при размерах зерен менее 0,5 мкм, т.е. при достижении частицами кристаллического уровня структуры, где энергетически более выгодным становится сток дислокаций к поверхности зерна,чем образование ячеистой структуры.

Указанный механизм позволяет заложить основы создания малооперационной ресурсосберегающей технологии взрывной рудоподготовки железистых кварцитов в массиве с применением одновременных дополнительных импульсных волновых воздействий. Одним из перспективных методов воздействия на массив является «взрывомагнитный»

Взрывомагнитный метод деструкции

Взрывомагнитная обработка железистых кварцитов в лабораторных условиях на начальном этапе проводилась путем наложения импульса электромагнитного поля с градиентом напряженности до 108 А/м2, частотой колебания электромагнитного поля 20—40 кГц, длительностью его действия порядка 100 мкс на волны напряжения амплитудой во фронте до 200—300 МПа [4].

Общий вид установки для обработки руды в импульсном магнитном поле показан на рис. 1.

Образцы помещались в поле магнитного диполя, скоммутированного с генератором импульсного тока. Образцы закреплялись с помощью струбцин во внутренней полости диполя и создавалась пригрузка величиной порядка 0,5 асж. Предварительно в образцах измерялось сопротивление постоянному току и поглощение упругих волн на частоте 0,3—6 МГц. Схема расположения образцов при нагружении импульсным магнитным полем представлена на рис. 2. В результате генерировался магнитный импульс с характерной величиной маг-

Рис. 1. Установки для обработки железистых кварцитов в импульсном магнитном поле напряженностью до 1 Тл

Fig. 1. Plant for ferruginous quartzite treatment under pulsed magnetic field intensity to 1 T

нитной индукции 0,5—1 Тл и длительностью импульса порядка 240 мкс (рис. 3).

После трехкратного импульсного воздействия на каждом из образцов были обнаружены внешние признаки механической деструкции в виде трещин, мелких сколов и дисперсных продуктов шелушения поверхности, видимые невооруженным глазом.

Рис. 2. Схема расположения образцов при нагружении импульсным магнитным полем: 1 — накопитель энергии емкостного типа; 2 — коммутатор тока; 3 — токопровод; 4 — образец; 5 — на-правлениенагрузки F; 6 — направление тока в токопроводе магнитного диполя; 7 — продольная ось образца; 8 — ось анизотропии образца; 9 — диэлектрик

Fig. 2. Layout of specimens under pulsed magnetic field treatment: 1—capacitive storage; 2—current switch; 3—current distributor; 4—specimen; 5—F direction; 6—current direction in the current distribution of magnetic dipole; 7—longitudinal axis of specimen; 8—anisotropic axis of specimen; 9—dielectric

Для объемного изучения эффекта деструкции образцов железистых кварцитов со средним содержанием кварца ~50% и магнетита ~40% были использованы методы измерения электросопро-

Номер образца Сопротивление R, кОм

до испытаний после испытаний спустя 4 месяца

1 30 000 190 900

2 540 0,1 3,5

3 280 0,23 2,7

4 14 0,035 0,2

Рис. 4. Поглощение ультразвука в образцах железистого кварцита до (1) и после (2) воздействия импульсного магнитного поля

Fig. 4. Ultrasonic absorption in ferruginous quartzite before (1) and after (2) the pulsed magnetic field treatment

тивления образцов и поглощения упругих волн (лазерно-акустический метод) до и после импульсного магнитного воздействия [4].

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.

Результаты измерения сопротивления образцов до обработки импульсным магнитным полем, после испытания и спустя 4 месяца после испытаний (таблица).

Можно видеть, что после электромагнитного воздействия сопротивление падает на 1—4 порядка. Устойчивый эффект падения сопротивления характерен и для образцов в форме пластин и параллелепипедов с различным содержанием кварца, магнетита, амфибола.

Одновременно исследовалось поглощение упругих волн в диапазоне частот до 6 МГц как показатель развития микродефектности после импульсного воздействия магнитного поля на железистые кварциты. На рис. 4 приведена частотная зависимость коэффициента затухания продольных волн в железистых кварцитах до (кривая 1) и после (кривая 2) воздействия магнитного поля.

Из рис. 4 видно, что коэффициент затухания а 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 ;

.lin-f. L [ So (f)]

где Б^ — амплитуда спектральной составляющей на частоте опорного сигнала; Б0(0 — амплитуда спектральной составляющей на частоте сигнала прошедшего через образец.

Было проведено сканирование по поверхности образцов в режиме эхоско-пии. 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 протяженность.

Структурная деструкция железистых кварцитов при импульсном электромагнитном воздействии

Установлено импульсное взрывомаг-нитное воздействие на железистые кварциты вызывает значительные структурные нарушения, связанные с возникновением и развитием макро- и микротрещин (рис. 5—8). На рис. 8 показано исходное состояние поверхности образца железистого кварцита, а на рис. 9—10 видны значительные нарушения сплошности образца после импульсного электромагнитного воздействия.

Крупные трещины, хорошо видимые невооруженным глазом, развиваются преимущественно по границам рудных

Рис. 5. Два поля исходного железистого кварцита. Белое — магнетит, серое — кварц

Fig. 5. Two fields in initial ferruginous quartzite. White—magnetite; gray—quartz

прослоев с нерудными (рис. 6). Непосредственно в трещинах наблюдаются многочисленные островки агрегатов и отдельных зерен магнетита, потерявших прочную связь с рудным массивом и удерживаемых в трещинах только за счет сохранившейся связи на отдельных контактах с последним. Практически все макро- и микротрещины развиваются по границам зерен минералов, в результате чего повышается раскрытие минеральных фаз и увеличивается измель-чаемость руды.

На рис. 6 цифрой 1 показано развитие основной макротрещины шириной 0,2—0,7 мм, которая разрывает рудный массив по границе рудного (А) и нерудного (Б) прослоев. Хорошо видны значительные нарушения сплошности руд-

Рис. 6. Макротрещина (1) на границе рудного (А) и нерудного (Б) прослоев в железистом кварците. Черными стрелками показаны некоторые трещины в массиве кварца. Белыми стрелками показаны области разрушений структуры интенсивной микротрещиноватости по границам зерен кварца Fig. 6. Macrofracture (1) at the interface of metallic (A) and nonmetallic (B) layers in ferruginous quartz-ite. Black arrows denote cracks in quartz. White arrows mark intense microfracturing zones at the boundaries of quartz grains

Рис. 7. Участок кварцевого массива с развитыми трещинами по границам зерен кварца. Стрелками показаны светлые зоны внутризе-ренных деформаций и остаточных напряжений в зернах кварца, возникших в результате воздействия импульсного электромагнитного поля. Зерна магнетита — белое, кварц — серое, черное — макро- и микротрещины и места выпадения зерен, потерявших связь с матриксом Fig. 7. Area in quartz with developed cracks along the boundaries of quartz grains. Arrows point at the zones of intra-grain strains and residual stresses in quartz as a consequence of pulsed electromagnetic treatment. Magnetite grains—white; quart—gray; black—macro- and micro-cracks and dropout of grains dissociated from matrix

ного массива (левая сторона рисунка), связанные с деформациями сдвига и отрыва, выколами и выпадением зерен минералов, попавших в зоны крупных трещин и интенсивной микротрещиноватости. В нерудном кварцевом прослое (Б) также наблюдаются значительные нарушения сплошности матрикса, многочисленные микро- и макротрещины по границам зерен кварца и многочисленные светлые зоны внутризеренных деформаций и остаточных напряжений в зернах кварца (рис. 7).

На рис. 8 показаны раскрытые зерна магнетита и кварца, потерявшие связь с матриксом и выпавшие из образца при его обработке в импульсном магнитном поле. Хорошо видна естественная форма зерен, полностью сохранивших свою морфологию.

Таким образом, экспериментальные результаты показали, что образцы железистого кварцита, обработанные импульсным электромагнитным полем, претерпели достаточно сильные изменения

Рис. 8. Раскрытые зерна магнетита и кварца

Fig. 8. Dissociated grains of magnetite and quartz

по сравнению с первоначальным состоянием, отразившиеся в появлении системы макротрещин по границам рудных и нерудных слоев, микротрещин (менее 0,2 мм) по границам зерен магнетит-магнетит (с частичной деструкцией зерен магнетита магнетит-кварц и кварц-кварц, а также в уменьшении скорости звука и увеличении коэффициента затухания во всем частотном диапазоне измерений в результате возникших структурных нарушений сплошности рудного массива (рис. 9, г).

Крупные трещины, видимые невооруженным глазом, развиваются преиму-

щественно по границам рудных прослоев с нерудными, то есть по межфазным границам зерен.

На этих границах имеет место максимальное различие в электромагнитных и механических свойствах соприкасающихся минералов, в результате чего развиваются механические напряжения, значительно превосходящие пределы прочности горной породы.

Величину дефекта (микротрещин ориентировочно) можно оценить

V

Дтах «ТГ7 * 2 •10-1 , мм,

-1 1 ьЛШшш i  jBp. « Ш « fm; щ 3 Wb , Шш Я jk 1 H _ Br 1 1

Рис. 9. Разрушения по границам зерен: образец железистого кварцита магнетита в кварце до обработки (черная стрелка магнетит (справа) — указывает на участок границы с кварцем, детализированный на рис. б, в) (а); фрагмент рис. а — граница кварц (б); фрагмент рис. б — трещиновид-ная полость на границе магнетит (справа) — кварц (в); разрушенный в результате обработки дисперсный магнетит в микротрещинах вдоль границ зерен магнетита, подвергнутый импульсной электромагнитной обработке (г): а — зерно

Fig. 9. Destruction along grain boundaries. (a) Specimen of ferruginous quartzite before treatment (black arrow (right) points at the magnetite and quartz interface shown in more detail in (b) and (c); (b) fragment of quartz interface from (a); (c) fragment of (b)—crack-like cavity at magnetite (right) and quartz interface; (d) dissociated dispersed magnetite in microcracks along magnetite boundaries after pulsed magnetic treatment: (a) grain

Рис. 10. Образец железистого кварцита Лебединского месторождения после импульсной электромагнитной обработки. Развитие макротрещин (черное) на границе рудного (А) и нерудного (Б) прослоев; черное — макро- и микротрещины и пустоты, образовавшиеся в результате выпадения отдельных зерен, потерявших связь с матриксом Fig. 10. Specimen of Lebedinsky ferruginous quartz-ite after pulsed electromagnetic treatment. Growth of microcracks (black) at the interface of metallic (A) and nonmetallic (B) layers. Black—macro- and microcracks and voids resulting from dropout of grains dissociated from matrix

где Дтах — величина дефекта; VR — скорость упругих волн Релея, принята 2 • 106 мм/с; f = 2 МГц.

Расчетная величина дефекта в среднем составляет 0,2 мм и соответствует реальной деструкции кристаллической структуры железистых кварцитов (см. рис. 6, 10), 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.

На рис. 10 показано развитие основной широкой и параллельной ей побочной макротрещины. Обе макротрещины разрывают рудный массив по границе рудного (А) и нерудного (Б) прослоев. Хорошо видны значительные нарушения сплошности рудного массива, связан-

ные с деформациями сдвига и отрыва, выколами и выпадением зерен минералов, попавших в зону трещин.

Непосредственно в трещинах наблюдаются многочисленные островки агрегатов и отдельных зерен магнетита (белое) и кварца (серое), потерявших связь с рудным массивом и удерживаемых в трещинах только за счет сохранившейся связи с последним в нижней части зерен. Практически все макро- и микротрещины развиваются по границам зерен как рудных (магнетит), так и нерудных минералов (рис. 13), в результате чего повышается раскрытие минеральных фаз и увеличивается измель-чаемость руды.

При энергетических воздействиях на горную породу в зернах минералов происходит увеличение плотности дислокаций и последние начинают группироваться в дислокационные стенки. В результате слияния дислокаций в дислокационные стенки в зернах появляются блоки с различающейся ориентацией и формируется субзеренная структура. На рис. 4 стрелками показана такая субзеренная структура (светлые области в зернах кварца), сгенерированная взрывомаг-нитным воздействием.

Дальнейшая эволюция субзеренной структуры приводит к увеличению разо-риентации субзерен и превращению их в зерна, разделенные большеугловыми границами. Таким образом, внутри зерен в результате обработки материала развивается новый подобный предыдущему, но более мелкий структурный уровень со своим линейным масштабом и с ослабленными связями на вновь образованных границах, по которым происходит дальнейшее разрушение породы.

При повторяющихся нагрузках плотность дислокаций в стенках и разори-ентация блоков увеличиваются за счет притока одноименных дислокаций и субзеренные границы преобразуются в

границы зерен, по которым как наиболее ослабленным элементам структуры и происходит дальнейшее разрушение материала. Диссипация подводимой энергии за счет генерации вложенных друг в друга структур прекращается при размерах зерен менее 0,5 мкм, т.е. при достижении частицами уровня структуры, где энергетически более выгодным становится сток дислокаций к поверхности зерна, чем образование ячеистой структуры.

Полная энергия дислокации на единицу ее длины ио является суммой энергии ядра ис и энергии упругого поля и:

и

и + ис =

= ^Ь2/ 4пК) 1п (Я /гс) + ис

где G — модуль сдвига; Ь — вектор Бюр-герса дислокации; гс — радиус ядра дислокации (обычно гс ~ 3Ь ~ 1 нм); Я — размер области действия дислокации, равный размеру зерна; К — постоянная (для винтовой дислокации К = 1, для краевой дислокации К = 1 — п, где п — коэффициент Пуассона). Энергия ядра ис слабо зависит от внешней нагрузки и практически равна постоянной величине.

Удельная энергия дислокаций при их плотности в единице объема р равна

= ри0 = ри + рис = Ш + Шс = = ^Ь2/ 4пК) 1п

и возрастает пропорционально увеличению р. Здесь Ш и Шс — удельные плотности энергий упругого поля и ядер дислокаций, в которых аккумулируется энергия пластической деформации. Чем ниже плотность дислокаций, тем более крупные субзерна будут образовываться в монокристалле при выстраивании дислокаций в стенки — границы субзерен. С увеличением р в процессе нагружения и деформации монокристаллы разбиваются на все более мелкие субзерна, разделяемые сначала регулярными ма-

лоугловыми границами, которые с дальнейшим ростом плотности дислокаций превращаются в границы зерен. Таким образом, плотность р дислокаций, генерируемых в процессе диссипации подводимой энергии, определяет масштаб следующего более мелкого структурного уровня, зарождающегося внутри предыдущего уровня.

Из (4) удельная упругая энергия дислокаций Ш, накапливаемая в кристалле при его деформации, составит

— Шс = Ш =

=

Эта энергия определяет дальнодей-ствующую составляющую поля дислокации, логарифмически убывающую с расстоянием от ее оси и дающую основной вклад в общую энергию дислокации. При Н = гс вся энергия дислокации сосредоточена в ее ядре и является энергией пластической деформации ядра Шр, то есть в этом случае = Шс = Шр. Максимальное значение энергии дислокации в объеме зерна не может превышать энергию разрушения материала Шк и, таким образом, Шр < < Шк. Тогда в предельных случаях из (3.3) получим

— Шс = Шк — Шр = С 1п

где С = ^Ь2/4тсК), или

Вероятность разрушения зерна Р(Ш) меняется от 0 до 1 при увеличении прикладываемой к нему энергии от Шр до Шк, то есть представляет собой равномерное распределение случайной величины. Зарождение дислокации является зарождением разрушения материала, которое по мере увеличения плотности прикладываемой к материалу энергии преобразуется из отдельных микроскопических нарушений сплошности в микротрещины, переходящие в трещины, вызывающие разрушение материала.

Для каждого /-го кристалла существуют свои определенные значения и С возрастанием / композиция равномерно распределенных слагаемых и асимптотически стремится к нормальному распределению. Следовательно, для большого массива зерен левая часть равенства (7) подчиняется нормальному закону распределения, а размер образуемых дислокационными стенками (субграницами) зерен и субзерен Я будет, соответственно, иметь логарифмически нормальное распределение. Таким образом, логнормальное гранулометрическое распределение зерен минералов как в массиве горной породы, так и при его дезинтеграции является вполне закономерным и обусловлено процессами генерирования, развития, накопления и взаимодействия дислокаций.

Подобие структурных уровней, развивающихся последовательно в процессе разрушения минерального сырья, определяется действием одних и тех же механизмов зарождения, развития и стабилизации элементов структуры каждого уровня в результате генерации, диффузии и взаимодействия вакансий, дислокаций и дисклинаций. При этом структура как единая система переходит последовательно от одного устойчивого аттрактора с масштабом структуры L1 к следующему аттрактору с масштабом L2 ^ > L2). Здесь значения масштабов соответствуют моде логарифмически нормального распределения элементов соответствующего структурного уровня.

Переход с одного структурного уровня на следующий более мелкий (в смысле размера образующихся частиц и, соответственно, более глубокий в смысле энергетических затрат на разрушение) может происходить через промежуточное состояние, во время которого постепенное накопление и группирование генерируемых дефектов приводит к зарождению и развитию элементов следу-

ющего структурного уровня, подобных элементам структуры предыдущего уровня. Такое подобие характерно для фрактальных структур, а развивающиеся в процессе разрушения горной породы последовательно вложенные друг в друга субструктуры образуют мультифрактал.

Таким образом, при разрушении горных пород определенная часть энергии, затрачиваемая на разрушение, расходуется на создание иерархии диссипа-тивных структур. И хотя эта энергия не затрачивается непосредственно на разрушение, некоторая ее часть компенсируется в дальнейшем разрушением по вновь образовавшимся границам зерен, имеющим значительно более низкую прочность, чем породный матрикс. Следует отметить, что высокая энергоемкость процессов разрушения горных пород является, в часности, следствием возникновения и развития диссипатив-ных структур [7—9].

Особо следует отметить вклад магнитных сил на создание соответствующих напряжении, создаваемых в породе этой силой, действующей на конгломерат зерен магнетита в частности в слоистой структуре. Рассмотрим этот процесс на упрощенной модели.

В импульсном электромагнитном поле, направленная магнитная сила притяжения минерального зерна к источнику поля определяется по формуле [10]:

Рм = цд т^гаЩ

где Рм — сила притяжения магнитного поля, Н; ц0 — магнитная постоянная, равная 1,26  10-6 Гн/м [м  кг/(А2с2)]; X — удельная магнитная восприимчивость частиц магнетита,

X = 5  10-4 м3/кг = 5  10-1 м3/т;

т — масса зерна (агрегата зерен в слоях) т; Н — напряженность поля, 107 А/м; gradН — градиент напряженности, 108 А/м2.

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

^♦1853

1576

1260

/ 945

315

800

0 200 400 600

Сила магнитного поля FM,H

Рис. 11. Зависимость механических напряжений ст в железистом кварците от силы притяжения F магнитного поля

м

Fig. 11. Mechanical stress ст in ferruginous quartzite versus attraction power F of magnetic field

Сила магнитного поля, действующего на 1 г конгломерата зерен магнетита кубической формы с соответствующим ребром куба а = 5,85 мм = 0,585 см и площадью грани куба в = 0,34 см2, Рм = 6,3  102 м  кг/с2 « 630 Н.

Соответствующее напряжение, создаваемое в породе этой силой, действующей на конгломерат зерен магнетита кубической формы весом в 1 г с площадью грани куба в = 0,34 см2 составит: Рм / в = 630 / 0,34 = 1853 Н/см2, что соответствует пределу прочности кварцита на сжатие (1 кгс = 9,8 Н).

Предел прочности железистого кварцита на сжатие 180 кг/см2 = 1764 Н/см2, на сдвиг 50 кг/см2 = 490 Н/см2.

Пусть ребро кубического зерна магнетита (конгломерата) а = 1 мм = 0,1 см, площадь грани при этом составит 1 мм2, т.е. в = 0,01 см2, объем зерна V = = 0,001 см3 = 10-3 см3 и масса зерна при плотности магнетита р = 5 г/см3

т = рV = 0,005 г = 5  10—9 т.

При тех же значениях поля получим = 3,15 Н;

с = 3,15/10—2 (Н/см2) = 315 Н/см2,

I 700

600

Е 400

300

g 200

630

394

201,6

3,15 85

Размер зерна магнетита, а, мм

Рис. 12. Зависимость силы притяжения Fu магнитного поля от размера конгломерата а зерна или агрегата зерен магнетита

Fig. 12. Magnetic field attraction power F versus size of aggregation of magnetite grains

Для конгломерата зерен магнетита размером а = 3 мм получим: FM = 85,05 Н; с = Fм / S = Fм /а2 = 945 Н/см2. Для конгломерата зерна магнетита размером а = 4 мм получим: Fм = 201,6 Н; с = F / S = F /а2 = 1260 Н/см2.

мм

Для конгломерата зерна магнетита размером а = 5 мм получим: F = Н « 394 Н; с = F /S = F /а2 =

м ' м ' м '

= 394/0,25 = 1576 Н/см2. При расчете магнитной силы F^ действующей на зерно или агрегат-конгломерат зерен магнетита, и возникающих при этом в руде механических напряжений на растяжение ср, сжатие ссж или сдвиг сс можно принять в формуле (8) все составляющие, кроме массы зерна магнетита, за константу k:

k = ц0х HgradH или k = 6,3  108. Тогда формула

где p — плотность магнетита, p = 5 г/см3 = = 5 т/м3; V = a3 — объем кубического зерна магнетита; а — размер ребра куба, S = а2 — площадь грани куба, k1 = kp.

Зависимость F = f(a) показана на рис. 12.

Из (9) получим линейную (рис. 13) зависимость механических напряжений с от размера конгломерата зерна (или агрегата зерен) магнетита:

с = Р / в = Р /а2 = к.а.

м ' м' 1

Результаты опытно-промышленной проверки взрывомагнитного метода

В процессе лабораторных и предварительных опытно-промышленных испытаний в подземных условиях контрольная и обработанные взрывомагнитны-ми импульсами пробы железистых кварцитов измельчали в шаровой мельнице в одинаковых условиях, рассевали на классы крупности и для каждого класса определяли степень раскрытия магнетита. Затем пробы сепарировали на магнитном сепараторе. На рис. 14 представлены результаты анализа раскрытия магнетита в классах крупности для контрольной и обработанной руды.

Предварительные укрупненные расчеты показывают, что энергоемкость процессов взрывной отбойки дробления и измельчения при существующей технологии может составлять до 100 МДж/м3, а с применением взрывомагнитной обработки руды в массиве может быть

Размер зерна магнетита, а, мм

Рис. 13. Зависимость механических напряжений ст в железистом кварците от размера конгломерата зерен (агрегатов) магнетита

Fig. 13. Mechanical stress ст in ferruginous quartzite versus size of aggregation of magnetite grains

Контрольная Обработанная

_| Классы крупности, мм 1+0,5

Рис. 14. Раскрытие магнетита в классах крупности Fig. 14. Dissociation of magnetite per size grades

снижена до 10 МДж/м3, что позволяет создать эффективный ресурсосберегающий процесс рудоподготовки.

Как следует из приведенных данных, взрывомагнитная обработка железистых кварцитов повышает раскрытие магни-тита в классе -0,25+0,1 мм на 18%, а в классе -0,1+0,045 мм на 23%. В результате повышения степени раскрытия и коэффициента измельчаемости обработанной руды наблюдается прирост производительности мельницы,это обеспечивает положительный технико-экономический эффект от применения взрывомагнит-ной обработки, который по расчетам со-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анисимов В.Н. Обоснование разработки железорудных месторождений взрывными воздействиями с учетом их генезиса, геолого-геофизических особенностей и условий рационального недропользования // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — СВ 33. — 16 с.

2. Анисимов В. Н. Взрывомагнитная деструкция кристаллических материалов (горных пород) различными импульсными динамическими волновыми воздействиями. — М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2008. — 128 с.

3. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород. — М.: Недра, 1975.

4. Петч Н. Металлографические аспекты разрушения / Разрушение. Т. 1. Под ред. Г. Либо-виц. — М.: Мир, 1973. — С. 376—420.

5. БозортР. Ферромагнетизм / Под ред. Е. И. Кондорского, Б. Г. Лившица. — М.: Изд-во иностранной литературы, 1956. — 784 с.

6. Stormer H. L. Physica B177, 401 (1992).

7. Eisenstein J. P., Stormer H. L., Narayanamurti V., Cho A. Y., Gossard A. C., C. W. Tu, Phys. Rev. Lett. 55, 875 (1985).

8. Кармазин В. И., Кармазин В. В. Магнитные методы обогащения. — М.: Недра, 1978. — С. 25.

9. Анисимов В. Н. Опыт разработки сложно структурных массивов с учетом геолого-геофизических особенностей / XIV Международная научно-практическая конференция по

ставит 67,5 руб. на 1 т перерабатываемой руды при объеме добычи например на ЛГОКе до 50 млн т в год.

Разработка основ взрывомагнитной деструкции железистых кварцитов в массиве с учетом геолого-геофизических особенностей и условий рационального недропользования является перспективным новым направлением при обосновании комплексных воздействий на массив горных пород с целью оптимизации параметров горнотехнологических и взрывных работ и рационального освоения месторождений железистых кварцитов [11-12].

взрывному делу. г. Порторож, Республика Словения, 2014 г. Сборник докладов. — Порторож, 2014. — С. 61—63.

10. Анисимов В.Н. Разрушение железистых кварцитов при сильных геофизических взрывомагнитных воздействиях XIV Международная научно-практическая конференция по взрывному делу. г. Порторож, Республика Словения, 2014 г. Сборник докладов. — Порторож, 2014. — С. 63—66.

11. Анисимов В.Н. Разрушение железистых кварцитов при сильных геофизических взрывомагнитных воздействиях / XV Международная научно-практическая конференция по взрывному делу. г. Ялта, Республика Крым, 2015 г. Сборник докладов. — Ялта, 2015. —С. 15—27.

12. Анисимов В. Н., Тюпин В. Н. Влияние геолого-геофизических особенностей сложно-структурных массивов железистых кварцитов на показатели горнотехнологических и взрывных работ // ФТПРПИ. — 2018. — № 1. — С. 55—60. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Анисимов Виктор Николаевич — кандидат технических наук,

старший научный сотрудник, e-mail: vicnican@ya.ru, Институт динамики геосфер РАН.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 6, pp. 80-97.

Destruction of complex-structure ferruginous quartzite by explosion-type magnetic impact, considering geological and geophysical characteristics and efficient subsoil use

Anisimov V.N., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences, 119334, Moscow, Russia, e-mail: vicnican@ya.ru.

Abstract. The feasibility and efficiency of explosion-type magnetic treatment of rocks at the drilling-and-blasting stage is substantiated in terms of ferruginous quartzite as a promising trend in production with a view to improving quality of subsequent processing. The geological and geophysical validation of integrated explosion-type magnetic effect exerted on rock mass for the purpose of optimization of blasting and mining as well as for rational development of ferruginous quartzite deposits is given. The results of laboratory and full-sale tests of the explosion-type magnetic impact method are reported, and the explosion-type magnetic effect parameters and application field in mining engineering are analyzed.

Key words: explosion-type treatment, destruction, ferruginous quartzite, complex-structure rock mass, geological and geophysical characteristics, rational subsoil use, energy consumption.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-80-97

REFERENCES

1. Anisimov V. N. Obosnovanie razrabotki zhelezorudnykh mestorozhdeniy vzryvnymi vozdeystviyami s uchetom ikh genezisa, geologo-geofizicheskikh osobennostey i usloviy ratsional'nogo nedropol'zovaniya [Study on the development of iron ore deposits of explosive impacts with regard to their Genesis, geological and geophysical characteristics and environment rational use of the subsoil]. Gornyy informatsionno-analit-icheskiy byulleten'. 2015, pp. 33, 16 p. [In Russ].

2. Anisimov V. N. Vzryvomagnitnaya destruktsiya kristallicheskikh materialov(gornykh porod) razlichnymi impul'snymi dinamicheskimi volnovymi vozdeystviyami [Explosion-magnetic destruction of crystalline materials (rocks) by various impulse dynamic wave effects], Moscow, VVIA im. N.E. Zhukovskogo, 2008, 128 p.

3. Spravochnik (kadastr) fizicheskikh svoystvgornykh porod [Handbook (cadastre) of rock physical properties], Moscow, Nedra, 1975.

4. Petch N. Metallograficheskie aspekty razrusheniya [Металлографические аспекты разрушения]. Raz-rushenie. T. 1. Pod red. G. Libovits [Destruction, vol. 1. Libovits G. (Ed.)], Moscow, Mir, 1973, pp. 376—420.

5. Bozort R. Ferromagnetizm. Pod red. E. I. Kondorskogo, B. G. Livshitsa [Ferromagnetism. Kondors-kiy E. I., Livshits B. G. (Eds.)], Moscow, Izd-vo inostrannoy literatury, 1956, 784 p.

6. Stormer H. L. Physica B177, 401 (1992).

7. Eisenstein J. P., Stormer H. L., Narayanamurti V., Cho A. Y., Gossard A. C., C. W. Tu, Phys. Rev. Lett. 55, 875 (1985).

8. Karmazin V. I., Karmazin V. V. Magnitnye metody obogashcheniya [Magnetic methods of enrichment], Moscow, Nedra, 1978, pp. 25.

9. Anisimov V. N. Opyt razrabotki slozhno strukturnykh massivov s uchetom geologo-geofizicheskikh oso-bennostey [Experience in the development of complex structural arrays taking into account geological and geophysical features]. XIVMezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya po vzryvnomu delu. g. Portorozh, Respublika Sloveniya, 2014 g. Sbornik dokladov. Portoroz, 2014, pp. 61-63. [In Russ].

10. Anisimov V. N. Razrushenie zhelezistykh kvartsitov pri sil'nykh geofizicheskikh vzryvomagnitnykh vozdeystviyakh [The destruction of ferruginous quartzites with a strong geophysical explosion effects]

XIV Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya po vzryvnomu delu. g. Portorozh, Respublika Sloveniya, 2014 g. Sbornik dokladov. Portoroz, 2014, pp. 63-66. [In Russ].

11. Anisimov V. N. Razrushenie zhelezistykh kvartsitov pri sil'nykh geofizicheskikh vzryvomagnitnykh vozdeystviyakh [The destruction of ferruginous quartzites with a strong geophysical explosion effects].

XV Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya po vzryvnomu delu. g. Yalta, Respublika Krym, 2015 g. Sbornik dokladov. Yalta, 2015, pp. 15-27. [In Russ].

12. Anisimov V. N., Tyupin V. N. Vliyanie geologo-geofizicheskikh osobennostey slozhnostrukturnykh massivov zhelezistykh kvartsitov na pokazateli gornotekhnologicheskikh i vzryvnykh rabot [The influence of the geological and geophysical characteristics of complex arrays of ferruginous quartzite on the performance gerotechnology and blasting]. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2018, no 1, pp. 55—60. [In Russ].

&_

ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ

УЧЕТ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РЕЖИМЫ РАБОТЫ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ В УСЛОВИЯХ ОТРАБОТКИ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

(2017, № 12, СВ 43, 12 с.) Кубрин Сергей Сергеевич1 — доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, Закоршменный Иосиф Михайлович1 — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, 1 ИПКОН РАН.

Неоднородность метаноносности угля на выемочном участке, усиленная проведенной дегазацией и отсутствием данных о сорбционные и фильтрационные свойства угля, параметрах технологического процесса (положение очистного комбайна, количество угля на скребковом и ленточном конвейерах) увеличивает неопределенность прогнозов выделения метана, усложняет оперативное управление и увеличивает риски аварийных происшествий. На основе полученных соотношений было проведено моделирования технологического процесса отбойки и транспортировки угля. Рассматривался технологический процесс выполнения рабочего прохода выемочным комбайном в условиях ограничений, связанных с объемом выделяемого из отбитого угля. Предполагалось, что объем выделяемого газа метана из отбитого угля пропорционален объему отбитого угля. Изменения интенсивности выделения метана со временем не учитывалось.

Ключевые слова: метаноносность угля, очистной комбайн, свойства угля, моделирование, транспортировка угля, многофункциональная система безопасности угольных шахт.

mNSIDERATION OF THE FACTORS INFLUENCING THE CHOICE OF LAVA OPERATION REGIMES IN THE DEVELOPMENT OF COAL SEAMS WITH A HIGH GAS CONTENT

Kubrin S.S 1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory, Zakorshmeniy I.M1, Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher,

1 Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, 111020, Moscow, Russia.

The heterogeneity of the methane content in the coal is increased at the expense of its reduction by the wells and the lack of data on the sorption and filtration properties of the coal, the process parameters (location, amount of coal on the conveyors), the uncertainty of methane emissions forecasts, complicates operational control and increases the risk of emergency situations. On the basis of the coefficients obtained, modeling of the technological process of coal destruction and transportation was carried out. The technological process of executing the working pass by an extraction combine is considered in conditions of limitations related to the volume of methane released from coal. It was assumed that the amount of methane gas emitted from chopped coal is proportional to the volume of coal. The change in the intensity of methane development was not taken into account with the passage of time. As a result of the simulation, an optimal mode of changing the feed rate of the extraction machine is determined, which ensures the loading of equipment taking into account the limitations of methane content.

Key words: methane content, combine, coal bed properties, modeling, coal transportation, multifunctional coal mine safety system.