1.7. Наноматериалы и нанотехнологии, используемые в горной промышленности

• Минеральные наночастицы при освоении месторождений полезных ископаемых. Сложные физико-химические процессы с участием наноча­стиц, объектов с характерным размером в диапазоне от 1 до 1000 нм, играют существенную роль во многих явлениях, определяю­щих движение и преобразование вещества в окружающей среде. В атмосфере, горных породах, водной среде и биологических систе­мах присутствует большое количество наночастиц и наноструктурных веществ.

Вместе с тем, по мере развития технократической цивилизации появились новые неприродные источники минеральных наноча­стиц, соизмеримые по интенсивности с природными выбросами. Главной отличительной чертой этих источников по сравнению с природными является постоянный рост интенсивности их образо­вания. Этот новый непериодический фактор окружающей среды неизбежно оказывает влияние на биоту, на характер и закономер­ности этого влияния пока практически не изучены.

Образование высокодисперсных частиц при технологическом разрушении массивов горных пород имеет очевидное отрицатель­ное значение для минерально-сырьевого комплекса. Появление по­вышенных количеств сверхтонкой (плавающей) пыли в рудничной атмосфере резко снижает эффективность мероприятий по охране здоровья людей, а вынос этих частиц в атмосферу при проветрива­нии горных предприятий создает дополнительные экологические проблемы.

Особенность современного этапа развития технократической цивилизации заключается в том, что практически весь антропоген­ный материальный мир построен и функционирует за счет разру­шения определенных участков литосферы и последующего исполь­зования полученного при этом вещества. По последним данным, минеральное сырье дает исходные материалы и энергетическую основу для выработки 70 % всей номенклатуры производства тех­ногенной цивилизации. При этом темпы роста добычи полезных ископаемых на каждого жителя земли (примерно 10 % в год) суще­ственно опережают темпы увеличения ее народонаселения.

В результате развития минерально-сырьевого комплекса еже­годно из литосферы на земную поверхность перемещается не ме­нее 0,9•10⁹ тонн разрушенных техногенным воздействием горных пород различного состава, что составляет почти половину сухого веса мировой биомассы. Применяемые при этом геотехнологии представляют собой сложную многооперационную систему, осно­ванную на процессах целенаправленного разрушения вещества ли­тосферы с использованием различных видов энергии. Домини­рующее положение занимают взрывное и механическое разруше­ние горных пород, при этом имеют место энергетические потоки такой плотности, которой достаточно для любой степени дезинте­грации горных пород, с образованием минеральных частиц как в микро-, так и в нанодиапазонах крупности.

Возникает необходимость проведения комплекса фундамен­тальных исследований по раскрытию механизмов образования вы­сокодисперсных минеральных частиц при добыче полезных иско­паемых, изучения влияния наночастиц на соответствующие техноприродные и технологические процессы, а также изучения законов транзита и депонирования техногенных минеральных наночастиц в абиоте и биоте природных и антропогенных экосистем. По мере накопления знаний в этих областях появится возможность созда­ния новых технологий, снижающих опасные последствия сверх­тонкого разрушения пород, а также технологий, использующих спе­цифические свойства минеральных наночастиц для решения задач обогащения полезных ископаемых.

Эти вопросы пока не изучались целенаправленно. При изуче­нии гранулометрического состава разрушаемых тем или иным спо­собом горных пород нанофракции не выделялись, их обычно рас­сматривали в составе фракции минимально учитываемых размеров.

В методологическом плане при изучении механизмов сверх­тонкого разрушения пород целесообразно дифференцированно рас­сматривать процессы, в которых разрушение пород спровоцировано техногенным геомеханическим процессом (перераспределением горного давления, сдвижением горных пород и т.п.) и процессы, в которых разрушение пород связано с локальным динамическим воздействием на породу бурового инструмента или взрыва.

• Механизм разрушения газонасыщенных угольных пластов. Примером интенсивного образования субмикронных и наноча­стиц, вызванного геомеханическим процессом, может служить раз­рушение угольного пласта при внезапных выбросах угля и газа. При разработке газонасыщенных угольных пластов имеют место случаи самопроизвольного динамического разрушения части пла­ста с выносом разрушенной газоугольной смеси в горные выработ­ки. Это катастрофическое явление, вызывающее часто гибель людей и разрушение горного оборудования, получило название «внезапный выброс угля и газа». В отдельных случаях (при мощных выбросах) часть угольного пласта (сотни тонн и более) раздроблена до частиц порядка микрона и меньше. Раздробленный порошкообразный уголь, называемый «бешеной мукой», в спокойном состоянии ведет себя подобно жидкости.

Механизм внезапных выбросов угля и газа в полной мере не понятен до сих пор, хотя интенсивные исследования этого явления проводятся уже десятки лет. В ИПКОН РАН в рамках проблемы борьбы с внезапными выбросами угля и газа проводились система­тические исследования взаимодействия угольного вещества и ме­тана. В результате была сформулирована концепция природного метанонасыщенного угольного пласта как твердого раствора мета­на в угольном веществе.

Нетронутый метанонасыщенный угольный пласт является рав­новесной системой «уголь—метан—природная влага». Под влия­нием техногенного воздействия, когда изменяется напряженно-деформированное состояние пласта, в нем происходят необрати­мые структурные изменения. Определяющие изменения происхо­дят на наноуровне, которому соответствуют микроструктуры, со­держащие молекулы растворенного метана.

В лабораторных исследованиях изменения микроструктуры деформируемого угля с помощью электронного микроскопа изу­чался механизм выхода растворенного метана из твердого угольного вещества. Установлено, что при нагружении образцов угля в границах микроструктурных блоков вследствие развития сдвиго­вых деформаций образуются зоны высокодисперсного угля (супермилониты с размерами отдельностей от 10 до 5•10⁴ нм). Процесс сопровождается эмиссионными явлениями (акустическими и элек­тромагнитными импульсами), а также эмиссией трибоэлектронов. На электронно-микроскопических снимках с большим увеличением отчетливо выделяются границы микроотдельностей, имеющие вид неровных трещин.

В исследовавшихся взрывоопасных углях общий объем высо­кодисперсного угольного вещества не превышал 10%. Образова­ние тонких зон высокодисперсного угля имеет решающее значение для поведения метанонасыщенного угля в макромасштабе. В этих зонах, как показали исследования, происходят физические и физи­ко-химические изменения угля (в частности, изменение состава угольного вещества, ультрамикропоровой структуры, электризация поверхностей, тепловые эффекты, выделение газообразных про­дуктов), в результате чего стабильная система «угольное вещест­во—метан» становится метастабильной. В этих зонах резко повы­шается скорость десорбции метана. При последующей разгрузке угля в этих зонах по типу срастания пор быстро развиваются мик­ротрещины, заполненные метаном.

При анализе данных лабораторных опытов и анализа фрактограмм твердых продуктов внезапных выбросов выявлена аналогия между микроструктурой угольного вещества при квазистатическом сжатии образцов и углей из взрывоопасных зон угольного пласта вблизи тектонических нарушений. В частности, установлено, что, в отличие от взрывоопасных зон пласта, угольное вещество невзры­воопасных зон не имеет достаточно четко сформированных границ микроотдельностей.

Из анализа проведенных ис­следований можно сделать следующие выводы. Высокодисперсные фазы разрушенного угля, включая наночастицы, могут образовываться в угольном пласте при изменении его напряженно-деформированного состояния в процессе разработки. В угольных пластах зоны высо­кодисперсного угля являются зонами нестабильности, в которых преимущественно происходит переход метана из связанного со­стояния в свободное при разгрузке пласта. Эти микрозоны неста­бильности по границам зерен, содержащие высокодисперсный уголь в конечном счете оказывают влияние на геомеханическое поведение угля в макромасштабе. На взрывоопасных пластах вы­сокодисперсный уголь, содержащий наночастицы, по объему мо­жет составлять десятую часть от общей добытой массы угля. Воз­можно, последний вывод с учетом высокой проникающей способ­ности высокодисперсных частиц поможет осознать, как велико влияние высокодисперсных фракций разрушенного угля на разви­тие профессиональных заболеваний у шахтеров.

Проведенные исследования позволяют заключить, что в техногенных геомеханических процессах существует возможность обра­зования наночастиц. Это возможно в тех геомеханических процес­сах, которые связаны с концентрацией напряжений и деформаций, в частности, с перераспределением горного давления пород. На общем фоне увеличения горного давления вместе с увеличением глубины разработки особенно велико значение пиковых концен­траций напряжения в зоне опорного давления, в которой техноген­ные напряжения могут превышать природные напряжения в нетро­нутом массиве более чем в десять раз.

Особенность процесса добычи полезных ископаемых заключа­ется в том, что внутренние области разрушения массива пород на том или ином этапе добычи минерального сырья вскрываются и высокодисперсные частицы породы, образовавшиеся в условиях сжатия породы, оказываются свободными и могут попадать в гор­ные выработки.

Наиболее интенсивными источниками регулярного образова­ния свободных минеральных наночастиц при добыче полезных ис­копаемых являются процессы бурения и взрывной отбойки. Харак­терной особенностью процесса бурения шпуров и скважин являет­ся то, что разрушение горной породы происходит за счет ударного воздействия, когда общее количество энергии в зону разрушения подается за счет повторяемых с очень высокой частотой (50 и более циклов в секунду) ударов с умеренной единичной энергией, а высокая плотность потока этой энергии возникает за счет малой площади контакта лезвия бурового инструмента с горной породой. Наиболее интенсивно процесс вторичного дробления бурового шла­ма идет при применении ударно-вращательного и ударно-поворот­ного способов бурения.

Натурные эксперименты на одном из рудных карьеров показа­ли, что при бурений скважин диаметром 214 мм со скоростью 60 м/ч, выделение фракций менее 1,5 мк составляет 2—2,5 кг/м. Использо­вание приведенного выше методического подхода при обработке этих наблюдений, а также аналогичных наблюдений за перфоратор­ным бурением, позволило получить показатели интенсивности вы­деления сверхмелких фракций с размером менее 1,5 мк.

При любом характере распределения размеров частиц в диапа­зоне 0—1,5 мк более 70 % от дробленого материала попадает в нанодиапазон.

Из других источников поступления тонкодисперсной пыли в окружающую среду следует отметить склады отходов работы обо­гатительных фабрик — «хвостохранилища». В процессе перера­ботки руд на обогатительных фабриках измельчение идет до микронных размеров, и эти отходы заполняют огромные пространства вокруг обогатительных фабрик. Под действием энергии атмосфер­ных потоков мельчайшие частицы поднимаются с поверхности «хвостохранилища» и поступают в атмосферу.

Для России как одной из ведущих минерально-сырьевых держав мира важно производить не только новые нанокристалличе­ские материалы с существенно лучшими физико-механическими свойствами, что позволит резко снизить конструктивный вес поро­допогрузочного, транспортного и породоразрушающего и обогати­тельного оборудования при сохранении и даже улучшении его прочностных и эксплуатационных характеристик. Еще более зна­чимо научиться создавать новые технологии с использованием свойств микроразмерных и нанокристаллических структурных эле­ментов горных пород с целью придания таким технологиям свойств поточности и малооперационности, возможности комплексной ав­томатизации.

Сверхтонкие аморфные добавки, которые вызывают ускорен­ную очистку поверхности и минеральных зерен от шламов и выве­дение последних из технологического процесса, названы автором Н.М. Зубченко микродисперсными реагентами-дешламаторами (МРД). Добавки, вызывающие кольматацию (закупорку) фильтра­ционных каналов капилляров и пор в грунте, бетоне и других мате­риалах, названы микродисперсными колъматантами (МК). На МРД и МК разработаны технические условия, получены санитар­но-гигиенические сертификаты как на экологически чистые мате­риалы, и организовано их промышленное производство по цене 6 000—6 660 руб./т (данные 2003 г.) в объеме, достаточном для обеспечения крупных горно-обогатительных предприятий. Микро­дисперсные реагенты-дешламаторы и кольматанты выпускают в виде паст с влажностью 59—61 % и отгружают в полимерных кон­тейнерах вместимостью 1 т или в других емкостях.