Современные представления о разрушении горных пород

Под прочностью твердого тела понимают его способность ока­зывать сопротивление разрушению под внешним воздействием. Теоретической считают прочность твердого тела, имеющую идеальную кристаллическую структуру.

При разрушении рвутся связи между частицами кристалли­ческой структуры без изменения агрегатного состояния вещест­ва. Теоретическую прочность можно рассчитать по силам взаи­модействия частиц в кристалле. Реальная прочность тела на несколько порядков меньше теоретической. Это расхождение между теоретической и реальной прочностью объясняется тем, что в теле имеются дефекты кристаллической структуры, микро­поры и микротрещины.

Дефекты кристаллической структуры подразделяют на точеч­ные и линейные. Точечные – это вакансии, т. е. незанятые узлы кристаллической решетки или внедрения чужеродных атомов или ионов в решетку. Линейные – это дислокации или смещения одной части кристалла относительно другой.

На прочность кристаллов наибольшее влияние оказывают дислокации. Под влиянием внешней нагрузки дислокации легко перемещаются, взаимодействуют между собой и с другими де­фектами, объединяются и выходят на поверхность кристалла. Уже само смещение структуры хотя бы на один ряд атомов ослабляет кристалл. Дислокации способствуют образованию за­родышевых трещин, развивающихся далее в трещины разруше­ния.

Так как задачей операций дробления и измельчения в обо­гащении полезных ископаемых является раскрытие минеральных зерен при ограниченном переизмельчении, т. е. при минимальном раз­рушении самих зерен, желательно концентрировать и умножать дефекты структуры полиминерального агрегата – куска в межзерновых слоях с тем, чтобы при последующем ме­ханическом воздействии вызвать разрушение в первую очередь по этим слоям на поверхности зерен. В зависимости от свойств разрушаемой породы можно воз­действовать на межзерновые слои разными способами для раз­упрочнения материала.

Если минералы, составляющие породу, заметно отличаются по термическим объемным коэффициентам расширения или об­ладают другими свойствами, зависящими от температуры (на­пример, могут вспучиваться при нагреве, как вермикулит и др.), то можно применить нагрев (и охлаждение) породы перед меха­ническим разрушением, т. е. термический способ.

Если межзерновые слои характеризуются повышенной элек­трической проводимостью по сравнению с минералами, то можно применить электрический способ, формируя электрический раз­ряд таким образом, чтобы он проходил по межзерновым слоям. Могут быть и другие способы воздействия – акустический, маг­нитный и др.

Проведение операций дробления (измельчения) с предварительной спе­циальной подготовкой породы к разрушению, т. е. с разупроч­нением, и выбор самого способа разрушения могут дать в перс­пективе лучшее, более полное, раскрытие минералов без переиз­мельчения и экономию в суммарном расходе электроэнергии.

Перспективное направление в современной теории и практике рудоподготовки – идея предварительного разупрочнения руды в ходе горных работ в результате управления кусковатостью и прочностью добытой горной массы благодаря использованию энергии взрыва. Это достигается некоторым увеличением расхода взрывчатых веществ (ВВ), изменения схем расположения и кон­струкции зарядов, схем их взрывания и в целом кинетики взрыва. В результате заметно снижаются энергетические затраты на раз­рушение массива, а затем и горной массы по всему циклу: взрыв­ные работы – механическое дробление – измельчение, так как часть энергии взрыва расходуется не на образование новой по­верхности и перемещение взорванной горной массы, а на созда­ние сети зародышевых трещин, разупрочняющих материал. Как следствие, разупрочнение добытого материала приводит к резко­му увеличению эффективности последующих процессов дробле­ния и измельчения.

Опытно-промышленная проверка ведения буровзрывных работ дифференцированными параметрами при повышенном (до 30-50 %) удельном расходе ВВ, выполненная на круп­нейших ГОКах Кривбасса и КМАруда, показала, что реализа­ция идеи сквозной подготовки горной массы по схеме «взрывное дробление – механическое дробление – измельчение» позволяет увеличивать производительность экскаваторов и самосвалов на 15 %, дробилок на 30-80 %, мельниц на 10% при снижении расхода электроэнергии в цикле дробления на 30 % и в цикле измельчения на 10 %. Одновременно повышается качество кон­центрата на 0,2–0,5 % и производительность фабрики на 0,8–2% и снижается себестоимость добычи и переработки 1 т руды.

На процессы дробления и измельчения минерального сырья в мире расходуется более 10 % всей потребляемой энергии. В то же время затраты энергии на буровзрывные работы со­ставляют всего лишь 3-8 % общих ее затрат на дробление и измельчение.

В этих условиях (учитывая и высокую стоимость этих про­цессов) задача снижения затрат на механическое дробление в результате повышения роли взрывного разрушения в процессе рудоподготовки считается вполне оправданной.

В кусках горных пород действуют несколько групп сил сцеп­ления. Одна группа сил действует внутри кристаллов, другая – между отдельными кристаллами. Обе группы сил имеют одина­ковую физическую природу и различаются между собой по зна­чению. Силы между кристаллами во много раз меньше сил внут­ри кристалла, так как расстояния между взаимодействующими частицами при сцеплении кристаллов во много раз больше рас­стояний между частицами внутри кристаллов. Кроме того, гор­ные породы состоят из нескольких минералов и контакты между зернами минералов имеют свои силы сцепления и могут рассмат­риваться как места, в которых в первую очередь могут зарож­даться дефекты и микротрещины.

Процесс разрушения твердого тела внешней нагрузкой начи­нается с изменений на микроскопическом и субмикроскопическом уровнях. В телах разных типов эти изменения имеют различный ха­рактер.

В металлах разрушению предшествует заметная пласти­ческая деформация, т.е. необратимые взаимные сдвиги слоев материала. В дальнейшем это приводит к появлению сети микропор и микротрещин, которые затем увеличиваются в размерах, объединяются в одну или несколько больших трещин, разделяю­щих тело на части.

В горных породах, стеклах и других хрупких телах система микроскопических трещин и пор уже имеется в начальном со­стоянии и даже при относительно небольшом увеличении внеш­них воздействий размеры и плотность микроповреждений быстро растут и наступает разрушение.

При периодических нагружениях куска при каждом цикле в куске происходят необратимые изменения микроструктуры, на­капливающиеся с увеличением числа циклов. Этим объясняется явление, известное как усталость материала.

Некоторые из микротрещин можно представить себе в форме сплющенного эллипсоида. При расширении трещины под дейст­вием растягивающих напряжений в устьях, т. е. в местах наи­большей кривизны поверхности, происходит концентрация напря­жений. Эта концентрация может быть очень большой, в сотни раз превышающей среднее напряжение по сечению. В резуль­тате кусок разрушится при относительно малом среднем напря­жении. Энергия, подводимая к телу при нагружении, превраща­ется в энергию деформации, накапливаемую в материале, и в поверхностную энергию трещины.

По достижении некоторой критической длины при определен­ном напряжении трещина будет распространяться далее само­произвольно, так как при этом суммарная энергия системы (ку­сок под напряжением и с трещиной) будет уменьшаться, а по законам термодинамики процессы в направлении уменьшения энергии системы могут протекать самопроизвольно. Критическое напряжение δ_КР. обратно пропорционально квадратному корню из длины трещины t:

δ_КР. = const / t^1/2. (8)

Константа зависит от модуля упругости материала Е и удель­ной поверхностной энергии трещины. Эта трещина критической длины называется трещиной Гриффитса.

Энергия, затрачиваемая на дробление (измельчение), во много раз превы­шает прирост свободной поверхностной энергии твердого тела, полученной в результате уменьшения размеров зерен.

Энергети­ческий КПД дробления (измельчения), подсчитанный по поверхностной энер­гии, составляет около 0,1-0,6 %.

Энергия, подводимая к рабочим поверхностям дробилки или мельницы, расходуется на:

1) упругую и пластическую деформации зерен дробимого мате­риала и рабочих поверхностей машины, изменение структуры материала (нарушение и смещение в кристаллической решетке), механохимические реакции;

2) сообщение кинетической энергии обломкам зерен;

3) трение зерен между собой и на поверхностях разрушения;

4) износ рабочих поверхностей машины;

5) безрезультатные (т.е. без распада зерен на обломки) нагружения зерен;

6) звуковые колебания и пр.

Все эти потери энергии, подведенной к рабочим поверхностям машины, превращаются, в конечном счете, в тепло. Общие потери подтверждаются простыми опытами, например, помещением рабо­тающей дробилки (мельницы) в калориметр.

В реальных условиях дробление и измельчение происходят не­прерывно, и одновременно машина воздействует не на одно зерно, а на их массу. При этом одна часть зерен получает недостаточ­ные нагрузки и не разрушается, другая – избыточные нагрузки и часть энергии теряется; некоторая часть зерен проходит через машину, не получив нагрузки (например, при малом времени пребывания в дробилке (мельнице)).

В целом условия массового дробления и измельчения резко отличаются от разрушения одиночного зерна и перенос законо­мерностей, установленных для одного зерна, на массовое разру­шение едва ли возможен. При массовом разрушении должны выявляться статистические закономерности.

Дата добавления: 2017-01-13