Физика горных пород. Физические явления и эффекты в практике горного производства. Учебное пособие

5. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

5.1. Механические колебания

Колебание – это процесс, повторяющийся через одинаковые про-

межутки времени. Механические колебания – это процесс отклоне- ния тела от положения равновесия в одну и в другую сторону на одинаковое расстояние через одинаковые промежутки времени.

Механические колебания широко используются в процессах раз- рушения горных пород. Так, в практике горного производства широ- ко используется ударно-вращательное бурение с помощью перфора-

торов и ударное с помощью отбойных молотков. В этих случаях при возвратно-поступательных колебаниях породоразрушающего инст- румента, направленных вдоль его оси, уменьшаются силы его трения о породу, что приводит к снижению энергоёмкости разрушения по- роды и увеличению производительности инструмента.

Кроме этого в практике бурения скважины используется вибробу- рение (виброшарошечное бурение в частности), когда на шарошеч- ное долото одновременно со статическим давлением действуют виб- рационные колебания, генерируемые с помощью виброустановок, расположенных непосредственно над шарошечным долотом.

При механической обработке каменных изделий широко исполь-

зуется бучардирование – процесс ударно-вращательного воздействия на обрабатываемую поверхность с помощью специального инстру-

мента – бучарды, рабочий орган которой снабжён штырями из твёр- дого сплава. На рабочий орган бучарды передаются ударные механи- ческие колебания, генерируемые сжатым воздухом, по принципу перфоратора или отбойного молотка.

5.2. Акустика

Акустика – это явление, связанное с движением прямого и отра- жённого звукового сигнала при встрече с неоднородностью среды или преградой.

В практике горного производства это явление широко использу- ется для контроля степени трещиноватости массива горных пород, его текстуры, наличия неоднородностей, контроля технологических процессов (например, контроля диаметра и толщины ледопородного ограждения при сооружении горных выработок в связных водона- сыщенных породах).

21

Все способы акустического контроля параметров технологических процессов горного производства основаны на эффекте отражения акустической волны при встрече с неоднородностью в массиве.

Акустические колебания в ряде случаев, как и механические коле- бания, используют для интенсификации технологических процессов горного производства (например, для интенсификации процесса деш- ламации продуктов измельчения руды на обогатительных фабриках).

5.3. Волновое движение

Волна – это возмущение, распространяющееся с конечной скоро- стью в пространстве и несущее в себе энергию.

Волновое движение сопровождается переносом энергии без пере- носа вещества.

В практике горного производства волновое движение в массиве горных пород возникает при взрывных работах. Эти движения по своей амплитуде затухают по мере удаления от эпицентра взрыва в массиве горных пород.

При массовых взрывах на карьерах эти колебания (сейсмические волны) в горном массиве могут вызвать деформации, которые нега- тивно влияют на устойчивость зданий и сооружений, если последние находятся в зоне их действия. В связи с этим существуют норматив- ные правила по массовым взрывам на карьерах. Этими правилами предусмотрено максимально допустимое количество взрывчатого вещества (ВВ), взрываемого одновременно на карьерах. Это количе- ство ВВ регламентируется в зависимости от расстояния до ближай- ших зданий и сооружений.

22

6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

6.1. Электропроводимость

Известно, что электропроводимость металлов с повышением темпе- ратуры уменьшается, а электрическое сопротивление увеличивается.

У полупроводников и диэлектриков, которыми являются горные породы, с повышением температуры электрическое сопротивление падает, а электропроводимость увеличивается, что используется при

электротермическом способе разрушения негабаритов при разра-

ботке железистых кварцитов на карьерах.

При этом два электрода располагают на противоположных сторо- нах негабарита. На эти электроды подаётся высокое (до 3000 В) на- пряжение. Под действием этого напряжения в канале железистых кварцитов негабарита, соединяющем электроды, возникает неболь- шой ток. При этом порода в канале нагревается, что приводит к уве- личению проводимости в нём, а это, в свою очередь, приводит к уве- личению температуры. Далее этот процесс происходит лавинообраз- но. В конечном итоге железистые кварциты в объёме канала пробоя расплавляются, что приводит к возникновению тангенциальных (по отношению к каналу) термических напряжений в негабарите. При увеличении диаметра расплавленного канала до определённого зна- чения (в зависимости от размера негабарита) растягивающие терми- ческие напряжения достигают предела прочности на растяжение и негабарит разрушается.

6.2. Электромагнитное поле

Электромагнитное поле является совокупностью электрического и магнитного полей. Изменяющиеся электрические и магнитные по- ля индуктируют друг друга.

Импульсные электромагнитные поля возможно использовать для обработки руды, содержащей минералы-ферромагнетики, пьезост- рикторы и электрострикторы, перед её измельчением в мельницах на обогатительных фабриках с целью снижения энергоёмкости из- мельчения руды и увеличения производительности мельниц по гото- вому классу.

В этом случае под действием магнитного поля в минералах- ферромагнетиках возникает явление магнитострикции. При этом минералы-ферромагнетики по одним кристаллографическим осям

23

удлиняются, а по другим – сокращаются. В целом минералы- ферромагнетики при этом меняют свою форму и размеры. В связи с явлением магнитострикции в минералах-ферромагнетиках на грани- це срастания их с соседними минералами, возникают сдвиговые на- пряжения, что при импульсном магнитном воздействии приводит к ослаблению межзеренных связей, а это в свою очередь обеспечивает снижение энергоёмкости измельчения руды. Опытно-промышленные испытания, проведённые на железистых кварцитах, содержащих ми- нералы магнетита (они являются ферромагнетиками), позволили сни- зить энергоёмкость измельчения руды на 10…12 % и повысить произ- водительность мельниц по готовому классу на 5…6 %.

При импульсной электромагнитной обработке руды, содержащей минералы-электрострикторы и пьезострикторы (такими минералами являются минералы кварца, магнетита и частично гематита) проис- ходит также изменение их формы и размеров.

Опытно-промышленные испытания, проведённые на черновом концентрате рудного, тонковкраплённого в зёрна кварца золота, по- казали снижение потери золота в хвостах с 6…8 % до 1…2 %.

6.3.Магнетики

Кмагнетикам относятся твёрдые вещества, способные под дей- ствием магнитного поля приобретать собственный магнитный момент (намагничиваться). По величине и направлению этого мо- мента твёрдые вещества делятся на диамагнетики и парамагнетики.

В практике горного производства широко используется магнит-

ная сепарация для извлечения минералов-парамагнетиков из руды,

предварительно измельчённой до размеров меньше меньшего разме- ра минерала-парамагнетика. Магнитная сепарация повсеместно при- меняется при обогащении железистых кварцитов с целью извлечения минералов магнетита.

Магнитный сепаратор представляет собой корытообразную ём- кость с вращающимся магнитным барабаном, расположенным в этой ёмкости вдоль её оси. В ёмкость по пульповоду подаётся пульпа, со- держащая железистые кварциты, измолотые до размеров готового класса. Готовым классом считается размер продуктов измельчения меньше меньшего размера минералов магнетита. На разных горно- обогатительных комбинатах, добывающих железистые кварциты, этот размер изменяется от 40 до 70 мкм (микрон).

24

При вращении магнитного барабана, нижняя половина которого находится в пульпе корыта, частицы магнетита притягиваются к ба- рабану. В верхней части магнитного барабана (выше уровня пульпы в корыте) устанавливаются скребки, которые очищают магнитный барабан от зёрен магнетита. Получаемый таким образом магнетито- вый концентрат направляют для сушки в горизонтальные сушильные печи, где он расстилается на паллеты (конвейер из металлических секций). Температура в печи постепенно увеличивается от естест- венной температуры на входе в неё до 700…800 ºC на выходе. Длина печи составляет порядка 25 м. Полученный сухой магнетитовый кон- центрат направляется потребителям (на металлургические заводы) или же на окомкование для получения окатышей, которые затем по- ступают на металлургические заводы.

25

Литература

Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. Физические величины: Справ. М.: Энергоатомиздат, 1991.

Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Не-

дра, 1984.

26

Учебное издание

Гончаров Степан Алексеевич Пащенков Павел Николаевич Плотникова Анна Валерьевна

ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД

Физические явления и эффекты в практике горного производства

Учебное пособие

Редактор Т.А. Кравченко

Компьютерная верстка М.А. Шамарина

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4

Издательский Дом МИСиС, 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4

Тел. (495) 638-45-22

Отпечатано в типографии Издательского Дома МИСиС 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4

тел. (499) 236-76-17, тел./факс (499) 236-76-35

27