- •1. Классификация свойств и параметров
- •1*4. Плотность пород
- •1.9. Основные правила изучения физико-технических параметров пород
- •2. Механические свойства горных пород
- •2.5. Прочность и разрушение пород
- •если
- •2.10. Упругие колебания в массивах горных пород
- •3.1. Распространение и накопление тепла
- •3.2. Теплоемкость
- •3.4. Тепловое расширение
- •3.5. Тепловые свойства массивов
- •3.6. Тепловые свойства рыхлых пород
- •4. Электромагнитные свойства горных пород
- •4.3. Особые случаи поляризации минералов и пород
- •4.4. Электропроводность
- •4.5. Диэлектрические потери
- •4.6. Магнитные свойства
- •4.8. Естественные электрические и магнитные поля
- •4.9. Радиоактивность пород. Воздействие излучений
- •5. Взаимная связь свойств, паспортизация пород.
- •Свойства пород Луны
- •СсЧк = 900*2? «Ю-5;
- •5.5. Паспортизация горных пород по физико-техническим параметрам
- •6. Воздействие внешних физических полей на горные породы
- •6.1. Влияние влаги
- •6.3. Термические напряжения в породах
- •6.7. Воздействие электрического и магнитного полей
- •7. Горнотехнологические характеристики пород
- •7.5. Классификация горнотехнологических параметров пород
- •7.6. Твердость, вязкость, дробимость и абразивность пород
- •8.6. Комбинированные методы разрушения
- •8.9. Дробление и измельчение цолезного ископаемого после извлечения
- •9. Управление состоянием массива горных пород
- •Обогащение и геотехнология
- •9.1. Осушение массивов
- •9.2. Процессы разупрочнения
- •9.5. Устойчивость бортов карьеров и отвалов
- •9.6. Тепловой режим шахт и рудников
- •9.8. Физико-химические (геотехнологические) методы
- •10; Методы контроля состояния массива горных пород
- •10.1. Свойства пород как источники информации
- •10.2. Исследование массивов методами полевой геофизики
- •10.3. Скважинные методы исследования
- •10.6. Методы контроля за составом полезных ископаемых
- •10.8. Методы контроля за отдельными технологическими процессами
Коагуляция, вызванная действием ультразвука в пульпе, применяется для ускорения осаждения частиц и избирательного осаждения минералов.
Для целей повышения эффективности обогащения широко
применяют т е п л о в о е |
в о з д е й с т в и е . |
Так, часто перед обогащением руду обжигают (до температуры |
|
300—500° С), поскольку |
слабо магнитные окислы, гидроокислы |
Ри с. 9,9 . Степень извлечения полезного ком понента В |
при со о тве тств ую щ е й концентрации |
||||||
|
|
|
ф лотореагента С : |
|
|
|
|
1 |
— без |
воздействия у л ь тр а зв ук а ; 2 — при |
воздействии |
у л ь тр а зв ук а |
|||
Р и с. 9.10 . В озд ей ствие ультр азвука на ф лотацию |
пи р и та |
(/) и |
хал ько пи ри та (2 ): |
||||
|
|
V |
— содерж ание полезного ком понента |
в х в о ста х |
|||
и карбонаты |
железа при обжиге в соответствующей атмосфере |
||||||
переходят в |
сильно магнитные (например, |
в магнетит а — Fe30 4 |
|||||
или гематит |
у |
— Fe20 3. |
|
существенно меняются |
|||
Так |
как |
с |
изменением температуры |
электрические свойства пород (ел, tgfi, рэ), посредством нагрева руд с последующим охлаждением (или без него) можно значительно расширить область применения электрических методов их обога щения.
В результате воздействия на руДу высоких температур одни минералы могут разрушаться, а другие оставаться без изменения. Это явление нашло применение в особом методе обогащения — декрипитации. После нагрева и охлаждения руду классифици руют по крупности и выделяют целые неразрушенные фракции. Барит, кианит, сподумен и флюорит при нагреве превращаются в порошок.
Воздействие низких температур также положительно влияет на процесс сепарации, так как в этом случае возникают внутрен ние термические напряжения, способствующие раскрытию мине ральных зерен.
9.8. Физико-химические (геотехнологические) методы
При физико-химических методах полностью меняется техноло гия разработки месторождения, так как добывается лишь полез ный компонент, а затраты труда и средств на извлечение пустых
пород, неиспользуемой части руд и т. д. обычно отсутствуют. Упрощается также дальнейший процесс переработки полезного ископаемого.
Сущность большинства физико-химических способов разра ботки заключается в проведении скважин до залежи полезного ископаемого, изменении его агрегатного состояний под воздей ствием различного рода агентов (электрическая, тепловая энергия,
Рио. 0.11. Принципиальная схема простейшего физико-химического метода добычи по лезного ископаемого непосредственно из залежи:
1 — реагент; 2 — залежь
Рис. 0.12. Метод подземной выплавки серы перегретой водой:
1 — сжатый воздух; 2 — перегретая вода; 3 — расплавленная сера
химические реагенты и т. п.) и последующем отводе через сква жины измененного полезного ископаемого или его компонента на поверхность (рис. 9.11).
Физико-химические способы используются только при добыче полезных ископаемых, существенно отличающихся по своим свой ствам от вмещающих горных пород. Их можно разделить по спо собу воздействия на следующие группы:
1. Методы термического воздействия: расплавление, разло жение полезного ископаемого нагревом, восстановление и возгонка.
3. Методы физико-химического воздействия: растворение во
дой, химическое выщелачивание, |
электролиз. |
|
Методы термического воздействия. Среди термических методов |
||
широко известна подземная газификация углей. |
||
Г а з и ф и к а ц и я |
у г л е й |
заключается в их подземном |
сжигании и отводе получающегося горючего или технологиче ского газа. В простейшем случае для этого бурят две скважины, вскрывающие пласт, предназначенный для газификации. Между скважинами производят сбойку, при этом создается канал, по которому могут проходить газы и воздух. После этого пласт под жигают, в одну скважину непрерывно подают воздух, из другой отводят горючий газ. В зависимости от режима дутья получают
газ различного химического состава. Первые промышленные опыты по газификации были начаты в 1940 г. в Донбассе (Лисичанская, Горловская и другие станции) и в Подмосковном угольном бас сейне.
Подземная п е р е г о н к а с л а н ц е в впервые была осу ществлена в Швеции с целью непосредственного получения жид кого топлива. Для этого в намеченном месте бурят скважины, расположенные в плане в виде шестиугольника. В каждую сква жину опускают электронагреватель, повышающий температуру пласта до 400—500° С. При этой температуре сланец разлагается. Продукты перегонки сланца отводят из центральной скважины.
Широко распространен способ п о д з е м н о й в ы п л а в к и с е р ы , заключающийся в следующем (рис. 9.12). В пласт само родной серы пробуривается вертикальная скважина диаметром 250—300 мм, в которой размещается комплект труб. По одной из них подается перегретая вода (160—170° С), которая проникает
впласт и выплавляет самородную серу (температура плавления серы 115° С). Расплавленная сера стекает к скважине и поступает
втрубу, по которой она с помощью сжатого воздуха поднимается на поверхность и транспортируется на склад.
Одной скважиной можно добыть до 4000 т серы (при мощности пласта примерно 30 м), причем обеспечивается'выплавка серы из участка диаметром 20—30 м.
Процесс выплавки серы может быть легко автоматизирован. В СССР введены в эксплуатацию скважины подземной выплавки серы на Роздольском горно-химическом комбинате и на Гаурдакском месторождении серы. Этому предшествовали глубокие ис следования свойств и состояния серных руд месторождений СССР.
Сера начинает плавиться, когда весь ее объем будет нагрет до температуры плавления и когда он получит дополнительное количество тепла Qnjl, пропорциональное удельной теплоте пла вления серы (qnJl = 8-107Дж/м3). Процесс извлечения серы можно разделить на две стадии. В первой стадии залежь серы предвари тельно нагревают до температуры плавления серы Тпл, во второй стадии происходит плавление и миграция жидкой серы. Дальней
шее повышение температуры до 160° С приводит |
к интенсифика |
|||
ции процессов плавления и миграции. |
|
|||
Удельные затраты теплоносителя дуД на плавление можно приближенно |
||||
оценить по формуле |
|
|
||
%_ |
( n + n i ) P |
|
(9.57) |
|
?уА== Vs ( i - P) Sps |
’ |
|||
где гг — число |
условных |
этапов нагрева, при которых |
руда нагревается |
|
до температуры |
Тср: |
|
|
|
in |
Т , - Т п |
|
|
|
1п |
|
|
In (1>—а)
п1 — число условных этапов нагрева, при которых сера переходит в жидкое состояние:
|
g |
(1 Р ) |
|
|
"1^ |
( .„ с -в ^ -Г п п)Р |
> |
||
Т 1 — температура |
воды |
в |
забое; Т0 — начальная температура пласта; |
|
|
Р р ср |
i ~ |
p . |
|
Я |
РьСВ |
Р |
|
’ |
Vs — объемное содержание серы в пласте; р^, рв, рр-— средняя плотность
серы, воды и руды; спер — удельная теплоемкость воды и руды; S — извле чение серы из руды; Р — пористость; дПли Тпл — удельная теплота и темпе ратура плавления серы.
При использовании метода подземной выплавки серы вода в массиве распространяется в основном по трещинам.
Поэтому в слабо проницаемых породах необходимо повышать их коэффициент проницаемости, например методом солянокислот ной обработки пласта.
Сера, находящаяся вблизи трещин, плавится при непосред ственном воздействии горячей воды, а сера, расположенная в мас сиве, плавится только вследствие теплопроводности массива. При сильной трещиноватости массива требуется большой расход воды. В связи с этим большое значение приобретает изыскание иных способов передачи тепла в массив с целью выплавки серы.
Перспективен, например, |
в ы с о к о ч а с т о т н ы й |
э л е к |
|
т р о м а г н и т н ы й нагрев серных руд. |
Под воздействием |
||
электромагнитного поля |
массив нагревается |
за счет |
диэлектри |
ческих потерь независимо от его проницаемости, трещиноватости и теплопроводности. Скорость нагрева, таким образом, опреде ляется только электрическими свойствами и теплоемкостью нагре ваемого объема (рис. 9.13). При этом способе извлечение серы уве личивается.
Подземная выплавка серы высокочастотным методом может производиться посредством как одной скважины (одиночный электрод), так и системой электродов, воспроизводящих поле плоского конденсатора (рис. 9.14).
Время плавления серной руды, помещенной в плоском конден саторе, может быть рассчитано по уравнению (9.11).
Основные свойства, определяющие процесс плавления в этом случае, — это диэлектрическаяпроницаемость, тангенс угла ди электрических потерь, удельная теплоемкость, объемная масса и коэффициент теплопроводности пород. Некоторые соединения, например мышьяковистые; сурьмянистые и другие, способны воз гоняться. На этом явлении основан метод в о з г о н к и . При на гревании до определенной температуры они переходят из твердого состояния в парообразное. При пропускании через рудную залежь горячего инертного газа соединения переходят в газообразное
состояние и выводятся по скважине на поверхность. Охлаждая соединения, снова получают их в твердом виде.
М е т о д |
ы |
в о е с т а н о в |
л е н и я |
м е т а л л а |
непо |
средственно |
на |
месторождении |
применимы |
при добыче |
ртути, |
так как ртуть выделяется из киновари при нагревании до темпе ратуры 450° С. Этот способ по сравнению с подземным вдвое экомичнее.
В оздух
Рис. 9.13. Сравнение радиуса нагрева серосодержащего массива электрическим высоко частотным нолем (/) с радиусом нагрева перегретой водой (2) после 10 сут нагрева м iccuna
Рис. 9.14. Схема подземной выплавки серы высокочастотным методом 1 — генератор высокой частоты; 2 — электроды
Скорость термической эрозии киновари и описывается уравне нием
(9.58)
где а — температуропроводность; X — коэффициент теплопровод ности; Т 2 — температура горячих газов; Т0 — начальная темпе ратура массива; Ткр — температура восстановления; кт— ко эффициент теплоотдачи; I — эффективная толщина обожженного слоя; Х0 — коэффициент теплопроводности обожженного мате риала.
Удельный выход ртути qp определяется из уравнения
</р --- ктпа"j/"- j - , |
(9.59) |
где к — безразмерный коэффициент; mQ— начальное содержание киновари, кг/м3; t — время нагрева.
Вкачестве источника тепловой энергии может быть применен
ат о м н ы й в з р ы в . Если заряд поместить в рудном теле,
то в результате взрыва выделится большое количество тепла, которого будет достаточно для плавления самых тугоплавких минералов.
Как показывают расчеты, в результате небольшого атомного взрыва можно расплавить, например, около 100 тыс. т серы.
Возможно также, что огромные давления и температура в месте взрыва могут совершенно изменить горную породу и полезное ископаемое, создать новое ценное для промышленности сырье. Ведь даже при небольших ядерных взрывах вблизи заряда дости гается давление 7- 10й Па, температура достигает 15-103°С. В ре
зультате одного такого взрыва |
можно |
раздробить |
до 500 тыс. м3 |
горной породы. |
|
|
этой группе |
Методы физико-химического воздействия. В |
|||
методов весьма перспективны |
методы |
в ы щ е л а ч и в а н и я |
полезных компонентов из руд, используемые в гидрометаллургии. Выщелачивание — это селективное растворение ценных минера лов; оно может быть использовано для выделения полезного ком понента как из богатых, так и из бедных руд.
К а м е д н у ю с о л ь , с и л ь в и н , к а р н а л л и т и другие минералы, обладающие высокой растворимостью, можно выщелачивать путем непосредственного воздействия воды на руды. При этом получают продукты высокой степени чистоты и осуще ствляют разделение различных галоидов.
В СССР добыча каменной соли подземным растворением в бли жайшие годы достигнет 20 млн. т в год. Добыча каменной соли этим способом осуществляется через одну скважину в два этапа — подготовительный и выщелачивания. В подготовительный этап производится размыв камеры выщелачивания до нормальных экс плуатационных размеров. Интенсификацию процесса выщелачи вания солей можно осуществить увеличением растворяющей спо собности растворителя посредством повышения его температуры; применением механических устройств для создания турбулент ного режима движения растворителя в периферийных участках камеры; применением гидравлического разрыва соляного пласта.
На практике применяется также выщелачивание |
м е д н ы х |
и некоторых других сульфидов и о к и с л е н н ы х |
руд. Пере |
работка медных руд гидрометаллургйческим способом (выщела чивание) состоит в растворении меди и ее соединений и осаждении меди из полученных растворов в виде металла или его окиси.
Обычно подземное выщелачивание применяют для добычи бедных медных руд, которые разрабатывать другим способом нерентабельно. Выщелачивание осуществляется естественным или искусственным способом. Естественное выщелачивание заклю чается в сборе рудничных вод, прошедших через рудное тело, и в осаждении из них растворенной меди. Для ускорения про цесса используют химически активные среды *— кислоты, щелочи.ч При искусственном выщелачивании руду периодически орошают водой. Эту воду затем собирают и перерабатывают с целью
извлечения металла. Выщелачивание может производиться также на земной поверхности. Оно может быть дополнительным источник ком добычи металла из отвалов бедных некондиционных руд. Ана логична осуществляют выщелачивание бедных урановых руд.
Высокая эффективность выщелачивания достигается дополни тельным н а л о ж е н и е м ф и з и ч е с к и х п о л е й (тем пературы, упругих колебаний, высокочастотных электромагнит ных полей, магнитной обработкой воды и др.), которые резко ак тивизируют течение химических реакций. Так, установлена спо собность ультразвука в десятки раз усиливать эффект выщела чивания меди из сульфидных медных руд. Это явление объясняется энергетическим воздействие^ кавитационных пузырьков на выще лачиваемую среду. В ультразвуковом поле в течение 30 мин из
ризоколлы извлекается практически 100% меди, из халькозихна — 72%.
Для интенсификации процесса выщелачивания меди и других ценных металлов используют некоторые виды бактерий ( б а к т е р и а л ь н о е в ы щ е л а ч и в а н и е ) , которые усваивают се ру и увеличивают концентрацию серной кислоты в рудничных водах. Доказана возможность бактериального выщелачивания людных, никелевых и цинковых руд, бедных окисленио-карбонат- ных марганцевых, кобальтовых руд и др. Скорость выщелачива ния меди, железа и цинка при наличии бактерий в среде возрастает от 2 до 12 раз.
Особенный интерес представляет возможность добычи метал лов путем э л е к т р о л и з а в подземных условиях, так как в этом случае из недр Земли непосредственно можно добывать чистый металл, например медь и серебро. Процесс электролити ческой добычи металлов состоит в предварительном растворении руды и последующем электролизе, осуществляемом с помощью электродов, погруженных в раствор через скважины.
Ионную проводимость пород можно использовать для выделе ния или концентрации вблизи электродов полезных компонен тов без предварительного растворения минералов.
Как известно, ионной проводимостью обладают стекла, галоид ные соединения, нитраты, сульфаты, соли щелочных, щелочно земельных металлов и легко ионизируемых тяжелых металлов. Большинство этих металлов имеют униполярную проводимость, т. е. в электрическом поле перемещаются либо катионы, либо анионы. Процесс ионного переноса вещества медленный, поэтому для получения желаемого результата прохождение тока через массив должно быть длительным.