Энергетические показатели разрушения горных пород и их зависимость от температурного фактора

МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД

УДК 622.23.02

Энергетические показатели разрушения горных пород и их зависимость

от температурного фактора

Е.В. Захаров, А.С. Курилко

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния отрицательных температур на удельную энергоемкость процесса разрушения горных пород. Показано, что удельная энергоемкость разрушения пород карьеров «Удачный» и «Айхал» ЗАО АК«АЛРОСА», а также карьера «Мохсоголлох» ОАО «ЯкутЦемент» после воздействия отрицательных температур снижается до 2раз.

Results of experimental researches of influence low temperatures on power consumption of process of destruction on rocks are presented in this paper. It is shown, that power consumption of destruction of rock breeds careers «Udachny» and «Aihal» Alrosa Co. Ltd., and also career «Mokhsogollokh» Yakutcement Co. after influence of low temperatures is reduced up to 2 times.

Ключевые слова: энергоемкость, карьер, прочность пород, термонапряжение, дробление.

Введение. Проблемы разрушения горных пород привлекают внимание исследователей более 150 лет. Были выявлены многие закономерности этих процессов. Однако ни одна из ранее опубликованных теорий и ни один из эмпирических законов измельчения не являются корректными, так как ни одна из них не учитывает влияние внешней среды на процесс и энергетику разрушения. Воздействие отрицательных температур на горные породы может изменять их прочностные характеристики. В настоящее время единого мнения о величине изменения энергии разрушения горных пород в зависимости от температуры в диапазоне естественно низких температур, нет. Целью проведенных работ являлось исследование влияния, в том числе и циклического, отрицательных температур в диапазоне 253-293 К на прочностные характеристики и удельную энергоемкость разрушения горных пород.

Исследование влияния низких температур на энергоемкость разрушения проводилось на следующих горных породах:

- на доломитизированном известняке с бортов карьера «Удачный» ЗАО АК «АЛРОСА»;

- на кимберлите карьера «Удачный» ЗАО АК «АЛРОСА»;

- на известняке карьера «Мохсоголлох» ОАО «ЯкутЦемент»;

Предварительно перед началом испытаний определялись физические свойства данных пород, результаты которых приведены в таблице.

Физические свойства исследуемых образцов

Свойства Известняк

Плотность, кг/м3 2710 2767 2755

Влажность, % 0,5 0,9 0,3

Пористость, % 11,8 5 0,4

ЗАХАРОВ Евгений Васильевич - м.н.с. ИГДС СО РАН; КУРИЛКО Александр Сардокович - д.т.н., зав. лабораторией ИГДС СО РАН.

Методика проведения эксперимента. Энергетические показатели разрушения горных пород высчитывались из удельной энергоемкости разрушения, которая определяется отношением затраченной на дробление энергии к площади образованной поверхности.

Дробление исследуемых пород проводилось по методу толчения [1]. Оборудование для дробления состоит из вертикального копра и объемоме-ра. Навески образцов каждой группы по очереди засыпаются в загрузочный стакан копра и измельчаются путем сбрасывания груза определенной массы с постоянной высоты.

Количество сбрасываний груза выбиралось таким образом, чтобы выход мелкой фракции разрушенного материала, определяемый с помощью объемомера, находился в пределах 10-40 мм. В проведенных опытах для каждой группы число ударов гирей равнялось пяти.

Преимущества метода, применяемого для исследования, заключаются в том, что используют-

ся образцы произвольной (неправильной) формы, т.е. нет необходимости в строгой геометрической подгонке образцов. Метод позволяет произвести сравнительную оценку энергоемкости дробления исследуемых материалов.

Образцы исследуемых пород в виде кускова-того материала неправильной формы крупностью -20+10 мм перед исследованием разделялись на 3 группы. В каждой группе при одной конкретной температуре исследовались по 5 навесок образцов массой около 50 г каждая:

- группа 1 подвергалась температурному воздействию и помещалась в морозильник в воздушно-сухом состоянии;

- группы 2 и 3 тоже подвергались воздействию отрицательных температур, но перед замораживанием в течение 48 ч насыщались дистиллированной водой (группа 2) и 5% раствором №01 (группа 3). После насыщения образцы вынимались из воды и рассола, обтирались и направлялись в холодильник.

Замораживание образцов проводили при температурах: 268 К, 263 К, 258 К и 253 К. Время замораживания выбиралось с таким расчетом, чтобы образец принял температуру, заданную в камере холодильника. Для контроля вместе с образцами в морозильную камеру помещался образец-спутник, в центре которого находился термодатчик. Время замораживания составляло около 5 ч.

Замороженные образцы вынимались из морозильника и сразу подвергались дроблению на копре. Дробление проводилось в неотапливаемом помещении при температурах, близких к темпе-

ратуре замораживания. Дробленый материал высушивался при комнатной температуре и подвергался ситовому анализу, по результатам которого расчетным путем находилась поверхность, образованная при дроблении. Рассчитав площадь образованной поверхности и зная количество энергии, затраченной при сбрасывании груза на образцы горных пород, определяем удельную энергоемкость процесса дробления [2]. Удельная энергоемкость дробления известняка карьера «Удачный» при температуре 293 К составляет 4064 Дж/м2, известняка карьера «Мохсоголлох» - 3500 Дж/м2.

На рис. 1 приведены относительные затраты энергии на разрушение известняка карьера «Удачный». При понижении температуры от 293 до 268К относительные энергозатраты на разрушение породы снизились и составили от 25 до 42 % в зависимости от условий подготовки образцов к испытаниям.

Максимальное снижение удельной энергоемкости разрушения наблюдалось у образцов, насыщенных в 5% солевом растворе. В среднем при температуре 268 К снижение затрат энергии составило 36%. При дальнейшем понижении температуры от 268 до 253 К энергозатраты на разрушение как у воздушно-сухих, так и водонасыщен-ных образцов возросли, но оставались на 4-25 % ниже уровня удельных энергозатрат при комнатной температуре.

На рис. 2 приведены данные по относительной энергоемкости разрушения образцов карьера «Мохсоголлох». Минимальные затраты энергии на разрушение имеют образцы при температуре

Рис. 1. Относительная удельная энергоемкость дробления известняка карьера «Удачный»: 1 - средняя по результатам замораживания в воздушно-сухом состоянии; 2 - средняя по результатам замораживания после насыщения в дистиллированной воде; 3 - средняя по результатам замораживания после насыщения в 5% солевом растворе; 4 - общий усредненный показатель

263 К на 10-15% ниже по сравнению с затратами энергии при температуре 293 К. При дальнейшем понижении температуры энергозатраты на разрушение увеличиваются, но остаются на 3-12% ниже, чем при комнатной температуре 293 К.

На рис. 3 показаны относительные энергозатраты на разрушение кимберлита, испытанного в водонасыщенном состоянии. Всего испытывалось 3 серии, в каждой было по 5 навесок образцов, т.е. фактически при одной конкретно заданной температуре испытаниям подвергались 15 навесок кимберлита.

С понижением температуры от 273 К удельная энергоемкость разрушения водонасыщен-ных образцов кимберлита снижается. Минимум энергии, затрачиваемой при дроблении у водона-сыщенных образцов, приходится на 268 К и составляет 86% от энергии, затрачиваемой на дробление при температуре 293 К. При дальнейшем понижении температуры происходит постепенное

увеличение затрачиваемой на дробление энергии, при температуре 253 К значение удельной энергоемкости разрушения водонасыщенных образцов близко значению, полученному при дроблении при температуре 293 К.

Нужно отметить, что степень влияния температуры на удельную энергоемкость разрушения зависит от пористости горной породы. К такому выводу можно прийти, сравнивая два известняка - один из карьера «Удачный», другой из карьера «Мохсоголлох» с различными значениями пористости. Для вмещающей карбонатной породы трубки «Удачная», обладающей пористостью 12%, энергоемкость дробления при температуре 268 К на 42% ниже, чем при комнатной температуре (рис. 1). Для известняка карьера «Мохсоголлох» пористостью менее 1% снижение при температуре 263 К составило в среднем 14% (рис. 2).

Характер изменения энергоемкости дробления исследуемых горных пород хорошо согласу-

Рис. 2. Относительная удельная энергоемкость дробления известняка карьера «Мохсоголлох»

Усл. обозн. приведены на рис. 1

Температура,

Рис. 3. Относительная удельная энергоемкость дробления кимберлита карьера «Удачный» в водонасыщенном состоянии

250 260 270 Температура, К

Рис. 4. Зависимость прочности вмещающих известняков и кимберлита карьера «Удачный» от температуры

ется с установленной ранее зависимостью изменения прочности карбонатных пород от температуры [3]. На рис. 4 показано изменение прочности горных пород карьера «Удачный» в зависимости от температуры. С понижением температуры от ком -натной до 268 К прочность кимберлита снижается на 18%, при дальнейшем понижении температуры до 263 К - на 40 % по сравнению с прочностью при температуре 293К. Прочность карбонатных пород при понижении температуры до 268-253 К снижается на 50 %. При дальнейшем понижении температуры прочность как карбонатных пород, так и кимберлита возрастает.

Такое изменение прочности пород и энергоемкости разрушения в зависимости от температуры объясняется тем, что при понижении температуры происходят различные физические и термохимические превращения. Возникают внутренние термонапряжения, обусловленные различием упругих свойств и коэффициентов теплового расширения отдельных зерен породы, а так же изменением агрегатного состояния одного из компонентов горной породы - воды. При переходе свободной воды в лед происходит увеличение объема на 9%, за счет чего возникает расклинивающее напряжение в процессе интенсивного замерзания поровой влаги в породе.

С прекращением роста кристаллов льда рост внутренних напряжений прекращается. В породах, насыщенных пресной водой, интенсивное замерзание воды происходит при 273-270 К. В породах, насыщенных растворами солей, диапазон температуры интенсивных фазовых переходов смещается в зону более низких температур в зависимости от концентрации и состава растворов.

При дальнейшем понижении температуры

поровый лед цементирует и упрочняет породу. С этим связано увеличение прочности удельной энергоемкости дробления породы после того, как температура становится ниже температур интенсивных фазовых переходов и уменьшается количество незамерзшей воды.

Влияние циклов замораживания-оттаивания на энергоемкость процесса дробления исследовалось на вмещающих горных породах карьеров «Удачный» и «Айхал» ЗАО АК «АЛРОСА».

Методика проведения испытаний. Начальная подготовка материала и методика проведения испытаний на дробление описана выше.

Подготовленные к испытаниям навески породы исходной фракции -20+10 мм засыпались в алюминиевые бюксы и заполнялись дистиллированной водой или 5% раствором хлорида натрия. Образцы выстаивали в течение двух суток для насыщения пор водой (или раствором соли). Затем бюксы помещали в морозильную камеру с температурой 253 К.

Температура образцов контролировалась датчиком, находящимся в одной из бюкс. При достижении заданной температуры 253 К (время составляло около 5 ч) процесс замораживания заканчивали, бюксы вынимали из морозильной камеры и размораживали при комнатной температуре, затем повторяли цикл.

Было проведено три серии опытов. В первой серии испытывались породы карьера «Удачный», замораживание которых производилось в 5% солевом растворе №С1. Во второй серии эти породы замораживались в дистиллированной воде. В третьей серии исследований в дистиллированной воде замораживались горные породы карьера «Айхал».

Уже после первого цикла замораживания-оттаивания наблюдалась частичная дезинтеграция образцов. Дальнейшее воздействие циклов замораживания-оттаивания значительно увеличивало массу самопроизвольно дезинтегрировавшегося материала. После воздействия заданного количества циклов материал высушивался, а затем подвергался рассеву на ситах.

Ситовой анализ (рис. 5) показал, что уже после трех проведенных циклов в солевом растворе (серия 1, карьер «Удачный») и дистиллированной воде (серия 3, карьер «Айхал»), а также после одного цикла в дистиллированной воде (серия 2, карьер «Удачный») около 30 % исходного материала перешло в меньшие классы крупности без механического воздействия.

Рис. 5. Усредненные данные гранулометрического состава горных пород карьеров «Удачный» и «Айхал» после воздействия циклов замораживания-оттаивания

Затем весь разделенный на фракции материал смешивался и подвергался дроблению. После дробления вновь производили ситовой анализ для нахождения площади поверхности, образованной в результате дробления, затем определяли удельную энергоемкость процесса дробления. На рис. 6 приведены результирующие данные, полученные в ходе исследования.

Как видно из рисунка, затраты энергии на дробление горной породы в трех сериях опытов с каждым последующим воздействием цик-

ла замораживания-оттаивания снижаются. Необходимо отметить, что уже после 3-5 циклов замораживания-оттаивания удельная энергоемкость дробления материала по сравнению с исходным значением снижается в 2 раза и более. Снижение энергоемкости дробления породы обусловливается развитием различных дефектов в испытуемых образцах и снижением прочности и дезинтеграции в результате воздействия на них циклов замораживания-оттаивания.

Были проведены также исследования из-

Рис. 6. Удельная энергоемкость процесса дробления исследованных горных пород в зависимости от проведенных циклов

замораживания-оттаивания

3 Цикла Количество циклов

Рис. 7. Зависимость удельной энергоемкости дробления двух фракций крупности (-20+10 мм и -10+5 мм) от воздействия циклов

замораживания-оттаивания

менения удельной энергоемкости дробления двух выделенных фракций -20+10 мм и -10+5 мм пород, подвергшихся воздействию циклов замораживания-оттаивания (рис. 7).

Энергоемкость дробления карбонатной породы с карьера «Удачный» класса крупности -20+10 мм (кривая 1) без воздействия на него циклов составляет 3900 Дж/м2. После 1 цикла замораживания-оттаивания исследуемый материал имеет более низкое значение удельной энергоемкости разрушения 3200 Дж/м2. Произошло сокращение затрачиваемой на разрушение энергии на 18%.

При дроблении материала, подвергшегося воздействию3 цикловзамораживания-оттаивания, удельная энергоемкость дробления возрастает до уровня 5200 Дж/м2. После воздействия 5 циклов замораживания-оттаивания энергозатраты на дробление материала увеличиваются до 5600 Дж/ м2, что на 44 % выше по сравнению с энергоемкостью дробления исходного материала. Повышение затрачиваемой на разрушение энергии объясняется тем, что менее прочные куски породы при воздействии циклов замораживания-оттаивания дезинтегрировались, оставшиеся куски породы обладали изначально большей прочностью, а значит требовали больших энергетических затрат на дробление.

После проведения 10 циклов замораживания-оттаивания энергозатраты снижаются по сравнению с данными после 5 циклов замораживания-оттаивания, но все же находятся на уровне 30 % выше от исходных трат энергии. Снижение удельной энергоемкости дробления можно объяснить

накоплением дефектов в кусках породы из-за напряжений, возникающих в процессе воздействия циклов замораживания-оттаивания.

Кривая 2 на рис. 7, соответствует дроблению материала крупностью -10+5 мм, который был выделен при рассеве после воздействия заданного числа циклов замораживания-оттаивания. После первого цикла замораживания-оттаивания энергозатраты на разрушение вновь выделенного класса -10+5 мм что в 3 раза больше, чем при дроблении класса -20+10 мм. Это объясняется, прежде всего, влиянием масштабного фактора на прочность материала. После трех проведенных циклов замораживания-оттаивания энергоемкость дробления снижается на 23%, что говорит о том, что прочность исследуемого материала снизилась ввиду накопления за циклы замораживания-оттаивания, структурных дефектов. В дальнейшем при 5 и 10 циклах замораживания-оттаивания произошло повышение энергоемкости дробления, поскольку менее прочные куски породы класса -10+5 мм при воздействии циклов замораживания-оттаивания дезинтегрировались.

Удельная энергоемкость дробления двух выделенных фракций -20+10 мм (кривая 3) и -10+5 мм (кривая 4) породы карьера «Айхал» подвергшихся воздействию циклов замораживания-оттаивания ниже, чем у породы к. «Удачный». Поскольку изначально порода карьера «Айхал» менее прочная, интенсивность накопления дефектов при воздействии циклов выше, чем у породы карьера «Удачный», поэтому увеличение энергоемкости дробления фракций -20+10 мм после 3 и 5 циклов менее выражено, а у фракции -10+5 мм

энергоемкость дробления с увеличением числа циклов замораживания-оттаивания уменьшается.

Выводы. Экспериментальными исследованиями установлено, что прочность и удельная энергоемкость разрушения карбонатных пород и кимберлита алмазных месторождений Якутии при отрицательных температурах в зоне интенсивных фазовых переходов поровой влаги существенно ниже, чем при положительных комнатных температурах. В диапазоне температур от 273 до 253 К происходит резкое снижение прочности пород и удельной энергоемкости дробления, что обусловлено температурными деформациями составляющих минералов и ростом кристаллов порового льда. Дальнейшее понижение температуры приводит к увеличению прочности породы.

При циклическом температурном воздействии на карбонатные породы с алмазных месторождений Якутии удельная энергоемкость дробления снижается в 2 раза и более уже после 3-5 циклов замораживания-оттаивания.

Литература

1. Барон Л.И., Коняшин Ю.Г., Курбатов В.М. Дробимость горных пород. - М.: Изд-во Академии наук СССР, 1963. - 168 с.

2. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород. - М.: Изд-во МГГУ 2004. - 222 с.

3. Курилко А.С. Экспериментальные исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на физико-механические свойства горных пород. - Якутск: ЯФ ГУ «Изд-во СО РАН», 2004. - 154 с.

УДК 622.112

Оценка и пути улучшения показателей извлечения запасов при подземной разработке рудных месторождений Якутии

В.П. Зубков

Приведен анализ показателей извлечения запасов при подземной разработке рудных месторождений Якутии и путей повышения эффективности отработки рудных тел в условиях неустойчивых вмещающих пород. Для существенного улучшения показателей потерь и разубоживания предложена система разработки с гибким разделяющим перекрытием.

Analysis of the parameters of the extraction of reserves for underground mining of ore deposits in Yakutia is presented. The ways of the increase of efficiency of mining of ore bodies in unstability of the embedding rocks are given. The method of working with flexible separating ceiling has been suggested to decrease losses and dilution.

Ключевые слова: подземный способ, рудные тела, разубоживание, штрехи.

Перспектива развития минерально-сырьевого комплекса Республики Саха (Якутия) связана с освоением подземным способом рудных месторождений, таких как: золоторудные Нежданин-ское, Кючюс, Куранахское рудное поле; оловоруд-ные Чурпунньа, Депутатское; полиметаллическое Верхнее-Менкече; сурьмяные Сарылах, Сентачан и т.д. Данные месторождения находятся, как в зоне многолетней мерзлоты, так и на подмерзлот-ных горизонтах.

ЗУБКОВ Владимир Петрович - к.т.н., зам. директора по науке ИГДС СО РАН.

Оценка фактических показателей полноты и качества извлечения запасов месторождений имеет важное значение для дальнейших исследований в области повышения эффективности разработки месторождений Севера на основе рационального извлечения запасов ценных полезных ископаемых.

Анализ показателей извлечения при добыче на ведущих горнодобывающих предприятиях Республики Саха (Якутия) при существующих и нетрадиционных (с гибким синтетическим перекрытием, с льдопородной закладкой, с селективной выемкой, блоками увеличенной длины