№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.3
© 2008 г. ДИДЕНКО А.Н., ЗЕЛЬБЕРГ A.C., ПРОКОПЕНКО A.B.*
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ КИМБЕРЛИТОВОЙ ПОРОДЫ СВЧ-ПОЛЕМ
Исследованы процессы разрушения кимберлитов путем их сверхбыстрого нагрева СВЧ-полем. Рассматриваются процессы, приводящие к разрушению кимберлитов, и определяются механизмы его разрушения. Приводятся результаты исследования диэлектрических характеристик кимберлитов и исследований процессов разрушения, проведенных на установке резонаторного типа с мощностью СВЧ-питания 600 Вт. Определены основные технологические характеристики процессов разрушения кимберлитов. Выполнены энергетические оценки процессов измельчения кимберлита СВЧ-энергией, указывающие на перспективность нового метода.
Введение. Роль сырьевой составляющей в экономике РФ будет оставаться доминирующей в ближайшие десятилетия. Введение новых технологических методов добычи и переработки полезных ископаемых позволит сократить энергопотребление на единицу продукта. Создаваемые методы добычи и переработки могут приводить к появлению оригинальных качеств вырабатываемого продукта.
Разрушение горных пород традиционно используется в процессе обогащения руды. На современном этапе развития горно-обогатительной отрасли кроме повышения энергетической эффективности измельчения породы возникают задачи обеспечения сохранности отдельных включений измельчаемого материала или их сепарации. Поэтому наряду с традиционными методами механического разрушения исследуются новые способы: электрические (электроразрядные, электрострикционные и пьезоэлектрические), магнитные (магнитострикционные), электромагнитные (лазерные), звуковые (ударно-пластические), пучковые (электронные, протонные и плазменные) и тепловые методы разрушения. Общим для всех методов разрушения является то, что в результате такого воздействия в веществе создаются напряжения, превышающие напряжения разрушения для данного материала, которые для большинства горных пород равны десяткам и сотням кг/см2. Многие из перечисленных методов могут быть использованы или только для разрушения определенного класса материалов, или имеют низкую производительность. Перспективны тепловые методы разрушения, но их возможности ограничиваются трудностями быстрого прогрева горных пород на большую глубину из-за малого коэффициента их теплопроводности. Обычными методами нельзя равномерно и быстро нагреть образцы горной породы. Только используя диэлектрический нагрев СВЧ-поля-ми, можно достичь высоких скоростей нагрева вещества [1].
Эффект разрушения кимберлитов СВЧ-полем описан в работе [2]. Полученные предварительные результаты вызвали интерес у представителей компании ЗАО "Алро-са". Выполненные при поддержке этой компании экспериментальные исследования позволили определить технологические параметры процессов разрушения кимберлитов методом СВЧ-нагрева. Метод разрушения горных пород быстрым СВЧ-нагревом по сути аналогичен процессам выветривания, протекающим за тысячи лет.
* Диденко А.Н., Прокопенко А.В. - МИФИ; Зельберг А.С. - ЗАО "Алроса".
Предварительные эксперименты [2] показали, что кимберлитовая порода, имеющая сложную структуру с большим количеством включений, будет подвергаться тепловому разрушению под действием СВЧ-энергии. Кимберлит - твердая горная порода, имеющая большое практическое значение, поскольку это единственная коренная алмазосодержащая порода. Особенно важно проводить измельчение породы, исключающее разрушение естественных граней алмазов. В зависимости от мощности и направленности воздействие СВЧ-облучение может приводить к разупрочнению и разрушению породы. В работе рассматриваются процессы разрушения кимберлита под воздействием СВЧ-энергии, определяются технологические характеристики данного процесса и оцениваются перспективы использования этого явления.
Разрушение кимберлитов СВЧ-энергией
Разрушения кимберлитов при сверхбыстром нагреве. В настоящее время отсутствует комплексное описание процессов разрушения горных пород при быстром изменении температуры. Из-за невозможности быстро и равномерно нагреть образцы горных пород обычными методами, традиционно рассматривались процессы разрушения при быстром охлаждении породы. Предварительно нагретую породу быстро охлаждали в жидких средах с большой теплопроводностью и теплоемкостью, таких как вода и жидкий азот. При таком процессе происходило разрушение вещества. Разрушение горных пород при их сверхбыстром нагреве ранее не рассматривалось.
Обзор работ по использованию СВЧ-энергии для разрушения горных пород показал большой интерес к этой тематике. В работе [3] приводятся общие сведения о возможности разупрочнения горных пород СВЧ-полем, когда в породе возникают механические напряжения. Автором рассматриваются различные типы СВЧ-установок, которые могут использоваться для разупрочнения горной породы породы, представлены характеристики существующих СВЧ-генераторов и показана перспектива применения метода разупрочнения при шахтной добыче. В Московском государственном горном университете исследовалось разупрочнение горных пород с помощью СВЧ-энергии [4], в этих опытах плотность СВЧ-мощности была небольшая, поэтому обеспечивался только медленный нагрев образцов, и наиболее интересные факторы при таком нагреве не обнаружились. Все работы проводились с железными рудами и железистыми кварцитами, имеющими большую неоднородностью и большое количество трещин по границам раздела. Кроме того, авторы исследовали не разрушение горных пород под действием СВЧ-энергии, а то, как предварительное СВЧ-облучение влияет на последующий помол и ситовой анализ. Поэтому интересно исследовать возможность разрушения (именно разрушения, а не разупрочнения) твердых однородных горных пород при быстром нагреве образцов.
Исследования по разрушению кимберлита электроимпульсными методами было выполнено в Томском политехническом институте [5]. В работе особое внимание уделялось сохранности извлечения алмазов этими методами. Разрушение граней при таком методе разрушения не происходило. Однако, при измельчении породы разряд мог касаться поверхности природного алмаза и оставлять на нем тепловые дефекты.
В работах [6, 7] Санкт-Петербургского горного института также рассматривается метод разупрочнения гранитов при их нагреве ВЧ- и СВЧ-энергией и отмечается увеличение трещеноватости скальных пород, что приводит к уменьшению твердости породы и повышению эффективности ее разупрочнения обычными методами.
Таким образом, собственно процессы разрушения горных пород СВЧ-энергией ранее подробно не рассматривались. Научно-исследовательской лабораторией "СВЧ-энерге-тика" кафедры Электрофизических установок МИФИ в 2005-2006 гг. исследованы процессы разрушения кимберлитов [8-11]. Были определены технологические параметры разрушения кимберлитов, проведена оценка применимости нового метода измельчения, разрабатывались теоретические основы создания установки просыпного типа.
Кимберлит - это магматическая ультраосновная брекчиевидная горная порода, представляющая собой карбонат-серпентиновую породу. Неизмененные несерпентизиро-
Характеристики кимберлита
Проба №
рпТоб, кг/м3
влаж , з Рпроб , кг/м
Вода, %
1962,14 1983,87 1861,78
2131.66
2076.67 2028,38
8,64
4,7
8,95
ванные кимберлитовые породы на 50% и более состоят из оливина. Будучи основным породообразующим минералом глубинных ксенолитов, оливин входит не только в состав основной массы кимберлита, но и обнаруживается в качестве одного из наиболее распространенных включений в таких протоматериалах как гранит, пикроильменит и других, содержащихся в кимберлитах. Однако, неизмененный кимберлит является редкостью, поскольку под воздействием гидротермальных процессов происходит его интенсивная изменчивость. Поэтому, обычно кимберлит представляет собой породу ким-берлит-серпентинового состава с незначительными количествами оливина, пироксенов, гранита, ильменита, флогопита, апатита, магнетита, перовскита, хромшпенелида и других минералов, т.е. кимберлит представляет собой совокупность различных диэлектриков: карбоната кальция, силикатов и окислов железа, алюминия, магния, хрома, титана и других металлов. Связанная вода содержится только во флогопите (~10%), поэтому она не влияет на процесс разрушения, поскольку содержание флогопита невелико. Брекчевидная структура кимберлитов подразумевает наличие в нем пор, в которых может содержаться несвязанная вода.
Рассматривая тепловые процессы при быстром нагреве горных пород, были определены основные процессы, приводящие к разрушению кимберлитов. Разрушение кимберлита в результате теплового воздействия СВЧ-энергии может происходить или за счет быстрого испарения содержащейся в порах горных пород воды, когда давление насыщенного пара внутри заполненных водой полостей превысит напряжения разрушения, или за счет линейного расширения твердых тел, когда возникающие напряжения превысят напряжения разрушения Р, т.е. аАТ = Р/Е, где а - коэффициент линейного расширения; АТ - изменение температуры во время нагрева; Е - модуль Юнга. В действительности напряжения разрушения будут зависеть более сложным образом от модуля Юнга. Кимберлит сложная горная порода брекчиевидного строения и разрушение по такому механизму происходит на границах кластеров.
Напряжения разрушения будут возникать из-за разности коэффициентов линейного расширения кластеров и различных электродинамических характеристик этих кластеров, когда один сильно нагревается СВЧ-полем, а другой - слабее. Проведенные работы показывают, что разрушение на основе термического расширения - не главный механизм разрушения.
Вопросы содержания свободной воды в кимберлите являются важнейшими в случае разрушения кимберлита по первому сценарию. По своей структуре кимберлит - пористая порода, в которой воды может содержаться до 7%. С образцами кимберлитов, которые предоставила компания ЗАО "Алроса", выполнялись эксперименты для определения влажности породы и возможности ее повышения. При исследовании использовался кимберлит следующих видов: ксенотуфобрекчий (проба 1), порфирового кимберлита (проба 2)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.