где Н — глубина залегания массива; d — средний размер элемен­ тарного структурного блока пород, из которых сложен массив; а — угол падения пород.

9.5. Устойчивость бортов карьеров и отвалов

Обеспечение устойчивости'уступов и бортов карьеров осуще­ ствляется правильным выбором углов откоса и высоты бортов и ус-

тупов. При этом важнейшими фак­ торами, обусловливающими значения конечных величин расчета, явля­ ются нарушенность массивов и их трещиноватость.

В ненарушенном массиве критиче­ ская высота вертикального уступа может быть определена из формулы горного давления (9.15):

Фактически эта величина значи­ тельно меньше из-за трещиноватости массивов, наличия грунтовых вод и воздействия горнотехнологических процессов (взрывные работы).

Методы расчета углов откоса необводненных бортов карьеров подразделяются в зависимости от формы поверхности их обруше­ ния (рис. 9.8) на три группы. Существуют цилиндрическая, плоская и сложная поверхности обрушения. Первые два вида по­ верхностей обрушения характерны для откосов, сложенных одно­ родными породами, последний — для слоистых и трещиноватых пород.

В расчетах используют объемный вес у, угол внутреннего трения ср и сцепление К С11 пород. Кроме того, в качестве сравни­ тельных, классификационных признаков используют трещино­ ватость массива, гранулометрический состав пород, их влажность, пластичность и пористость.

Установлено, что в случаях цилиндрической поверхности об­ рушения высота откоса h приближенно может быть определена по формуле

где rj = 1Д -f- 1*5 — коэффициент устойчивости — отношение мо­ мента сил удерживающих к моменту сил сдвигающих; А и В — коэффициенты, зависящие от геометрических размеров сполза­ ющего клина.

Если поверхность скольжения проходит через нижнюю кромку откоса, то при уклоне откоса 1 1 А = 2,34, В = 5,79. В практи­ ческих расчетах поверхность обрушения часто принимают за плоскость. Тогда высота уступа h зависит от устойчивого угла

устойчивости бортов, ослабленных трещинами и плоскостями

где ср и ф0 — углы внутреннего трения пород соответственно по

9.6. Тепловой режим шахт и рудников

При подземной разработке месторождений полезных ископае­ мых задача регулирования теплового режима горных выработок имеет важное значение, особенно на больших глубинах и в райо­ нах вечной мерзлоты.

Параметры вентиляционных струй необходимо рассчитывать с учетом тепловых свойств массивов горных пород, омываемых воздушным потоком.

Температура воздуха в воздухоподающем стволе Ти на глубине

где Thll — температура поступающего в выработку воздуха; R — конвективный градиент, образующийся от абсолютных источников тепла, °С/м; Г — геотермический градиент пород, °С/м;

где X — коэффициент теплопроводности породного массива; П — периметр выработки; Q — количество подаваемого воздуха; cv — объемная теплоемкость воздуха; а — температуропроводность по­ род:

t и tx — время, истекшее соответственно с момента начала и окончания проведения выработки;

D — диаметр выработки.

Если в обычных условиях проветривание выработки приводит к постепенному снижению температуры, то при проветривании выработок, пройденных в мерзлых породах, происходит нагре­ вание массива пород, окружающего выработку.

Одно из основных требований техники безопасности для шахт, расположенных в районах вечной мерзлоты, — предотвращение прогрессирующего оттаивания мерзлых пород вокруг выработок, так как в дисперсных породах даже при небольших значениях глубины оттаивания возникает опасность деформирования крепи, ее вдавливание в почву, оползание выработок и т. д.

Тем не менее для создания нормальных санитарно-гигиени­ ческих условий труда рабочих в шахтах, расположенных в райо­ нах вечной мерзлоты, в зимнее время необходимо подавать в вы­ работку теплый воздух, а в летнее время — охлажденный.

Таким образом, изучение процессов тепло- и массообмена и тепловых свойств мерзлых пород в зависимости от температуры позволяет правильно выбрать тепловой режим шахт и рудников.

9.7.Процессы обогащения полезных ископаемых

Об о г а щ е н и е осуществляют с целью получения полезных компонентов и концентратов полезных ископаемых, качество которых удовлетворяло бы требованиям либо их промышленного

использования, либо дальнейшей переработки. Качество продук­ тов обогащения определяется содержанием в них полезных ком­ понентов, полезных и вредных примесей, крупностью и влажно­ стью.

При обогащении не происходит химических превращений ми­ нералов; оно носит в большинстве случаев характер обработки — р а з д е л е н и я ( с е п а р а ц и и ) .

Методы обогащения пород основаны на различных свойствах минералов, что видно из приведенных данных.

Выбор схемы обогащения полезного ископаемого зависит от его обогатимости. О б о г а т и м о с т ь — комплексная харак­ теристика, по которой оценивается способность пород к обогаще­ нию. Обогатимость определяется особенностями й составом пород, руд й углей, размерами минеральных частиц, их взаимным про­ растанием, близостью химических и физических свойств минера­ лов.

Выход концентрата Ук (в %) в расчетах обогащения произво­ дят по формуле

в исходном полезном ископаемом, концентрате и в отхода!х про­ изводства (хвостах).

Для углей показателем разделения органо-минеральных срост­ ков на тот или иной конечный продукт является их плотность. Так, все сростки плотностью ро<<1,4*103 кг/м3 относятся к кон­ центрату, плотностью р0 = (1,4 1,8) • 103 кг/м3 — к промежуточ­ ному продукту и сростки плотностью ро = 1,8 • 103 кг/м3 переходят в хвосты.

Для механизированной разработки руды используют наиболее отличительные характеристики пород и руд. К ним относятся:

коэффициенты отражения света, способность минералов люминесцировать под действием рентгеновского или ультрафиолетового излучения (оптические сепараторы алмазов, ультрафиолетовые — шеелита) коэффициенты поглощения гамма-излучения (радиоме­ трический сепаратор для отбора породы из угля) и др.

Вурановой промышленности широко используются р а д и о ­

ме т р и ч е с к и е сепараторы, основанные на естественной ра­ диоактивности урановых руд. Подобный принцип положен в ос­ нову работы сепараторов углей по естественной радиоактивности, так как радиоактивность каменных углей значительно меньше радиоактивности вмещающих пород.

Известен т е р м о а д г е з и о н н ы й метод механизиро­ ванной отборки, основанный на свойствах минералов по-разному поглощать инфракрасные лучи. Таким методом, например, очи­ щается каменная соль от примесей доломита и ангидрита. Камен­ ная соль с примесями поступает на специальную пластифициро­ ванную ленту, освещаемую лампой инфракрасного излучения. Непрозрачные куски доломита и полупрозрачные куски ангид­ рита под воздействием инфракрасных лучей нагреваются и при­ липают к ленте. Каменная соль сходит с конвейера очищенная. Этот способ применим для очистки и других минералов.

Одним из видов гравитационного обогащения является обога­ щение в тяжелых суспензиях.

С у с п е н з и я — это взвесь в воде тонкого порошка твер­ дого вещества с достаточно высоким удельным весом, имеющая свойства тяжелой однородной жидкости. Куски минералов, удель­ ный вес у0 которых меньше удельного веса суспензии уос, будут всплывать, куски, у которых у0 >> уос, — тонуть.

В тяжелых суспензиях обогащают полезные ископаемые круп­ ных фракций — уголь крупностью до 400 мм, руду крупностью до 100 мм. Материал мельче 3—10 мм таким способом, как пра­ вило, не обогащают, так как он в суспензии плохо разделяется.

Таким образом, при подборе суспензии нужно учитывать удель­ ные веса разделяемых материалов. Если удельный вес полезного

где V — объем зерна.

Движению зерна противодействует вязкость жидкости. Сила

где S — площадь поперечного сечения зерна; ть —минимальное сдвигающее напряжение вжидкости наповерхности зерна.

Отношение F г к F 2 определяет эффективность разделения мине­ ралов.

Так как для шарообразного зерна -у- = ^ ,

т. е. эффект разделения прямо пропорционален размерам зерен. Если требуется, чтобы полезный компонент осаждался, не­

Флотационный метод обогащения основан на способности одних минералов прилипать к воздушным пузырькам в водной среде и переходить вместе с ними в пенный слой, других — оста­ ваться в воде.

Флотируют только тонко измельченные полезные ископае­ мые — сульфидные руды с частицами размером не более 0,5 мм, угли — не более 1 мм.

В расчетах процесса флотации используют технологический параметр — флотируемость пород.

Под ф л о т и р у е м о с т ь ю понимается комплексная оцен­ ка минерала по его способности к обогащению методом флотации. Она обусловлена различной удельной поверхностной энергией минералов. Флотируемость оценивается по краевым углам сма­ чивания минералов, по времени, необходимому для прилипания минерала к пузырьку, по прочности прилипания и заряду поверх­ ности минералов.

Различают естественную и искусственную флотируемость ми­ нералов. Естественной флотируемостью обладает небольшое число минералов, имеющих высокую степень гидрофобности, — тальк, слюда, графит и сера. У этих минералов краевой угол 0 близок к 90°. Остальные минералы перед флотацией проходят специаль­ ную обработку реагентами, изменяющими величину их смачивае­ мости. Подбор реагентов производят в зависимости от вида фло­ тируемого полезного минерала, сопутствующих минералов и требований к конечному продукту.

Сущность технологии флотации каменных углей, например, заключается в повышении гидрофобности зерен органической части угля и в снижении гидрофобности зерен минеральной части. В связи с малой себестоимостью угольного концентрата реагенты, применяемые при флотации, должны быть дешевыми. При обогащении углей, содержащих серу, важно осуществить подавление флотации пирита. Уголь флотируют различными угле­ водородными маслами, флотируемость пирита подавляют, напри­ мер, известью.

Для обогащения магнитных руд черных и редких металлов применяют магнитные методы. Слабо, магнитные марганцевые,

бурожелезняковые и сидеритовые руды обогащают в сильных магнитных полях.

Как известно, воздействие магнитных полей большой напря­ женности на минералы приводит к изменению их магнитной вос­

действующего на каждую частицу; S/nwexH 2 / 2мех — сумма всех механических сил, противодействующих магнитной силе.

При обогащении сильно магнитных руд применяют магнитные поля напряженностью Н = (4 -f- 9)*104 Л/м, слабо магнитных — поля напряженностью, достигающей 1,5* 10е Л/м.

Эффективность разделения минералов ц в зависимости от их магнитных свойств, по В. И. Кармазину, можбт быть определена

в избирательном действии электрического поля на заряженные ми­ неральные частицы. В электрическом сепаратрре руда переме­ щается по электрическому полю. В зависимости от электрических свойств, крупности и формы минеральные частицы движутся по различным траекториям и могут быть разделены.

цаемостью е1л, в среде с диэлектрической проницаемостью е2г

Таким^образом, при е1г> е 2г частицы движутся в сторону воз­ растания напряженности поля, и наоборот. На этом принципе основана диэлектрическая сепарация минералов, которая может быть применена, если диэлектрические проницаемости минералов различаются хотя бы на единицу. Диэлектрическая сепарация

может быть осуществлена на металлической конвейерной ленте, представляющей собой один из электродов. Вторые электроды укреплены над лентой. Двигаясь в жидкости с определенной вели­ чиной диэлектрической проницаемости &г, минералы с большим значением ег, чем у жидкости, притягиваются к ленте и разгру­ жаются в конце ее в цриемник. Минералы с меньшим значением ег выталкиваются из поля.

В случае же сепарации в воздушной среде основную роль иг­ рает сила F 2, обусловленная величиной заряда частицы, которая, как известно, может быть рассчитана по закону Кулона. Зпачение силы F 2 в воздухе*в сотни раз превышает силу F v

Частицы минералов заряжают в поле коронного заряда, при трении, нагреве, радиоактивном облучении и т. д.

Электрическая сепарация применяется при доводке концентра­ тов руд редких металлов (титано-цирконовые пески), при обога­ щении неметаллических полезных ископаемых, например алмазов и т. д.

Метод избирательного дробления основан на том, что в некото­ рых рудах минеральные составляющие значительно различаются по дробимости. При дроблении таких руд, как правило, одни минералы измельчаются больше, другие — меньше. В результате последующей классификации по круппости можно выделить обо­ гащенную фракцию. Такой метод применяют, например, при обо­ гащении бурожелезняковых руд (кварц и бурый железняк).

Совершенствование методов обогащения. Исследования физи­ ческих свойств минералов и их изменений в различных внешних

ствие акустического поля на жидкости и пульпы, в которых про­

ции) флотируемых минералов позволяет снять с них поверхност­ ные слои — минеральные покрытия, окисные пленки, загрязне­ ния и т. д. В результате эффективность флотации возрастает. Влияние предварительной ультразвуковой обработки на флота­ цию ильменита показано на рис. 9.9. При воздействии ультразвука поверхность минералов очищается избирательно. Так, ультра­ звуковая обработка пирита приводит к разрушению на его по­ верхности адсорбционных слоев флотореагентов, в то время как на халькопирит упругие колебания не действуют (рис. 9.10). Способность ультразвука очищать поверхность используется и как самостоятельный метод обогащения, например при очистке квар­ цевых, стекольных, полевошпатовых песков и др.

Применение ультразвука позволяет осуществить тончайшую дезинтеграцию и диспергирование подвергаемых обогащению ми­ нералов, что дает возможность получить особо чистые мономинеральные фракции.