CC BY
52
Н.П. Хрунина
ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРИ ЗОЛОТОДОБЫЧЕ
еомеханическое обеспечение добычи полезных ископае-
мых основано на переводе исходной структуры горной по-
роды в подвижное состояние посредством осуществления механических, гидродинамических, тепловых, электромагнитных, массообменных и химических процессов. Находят применение технологии интенсифицирующих воздействий путем генерирования ударных импульсов с помощью механических виброударных систем, электромагнитных - от ультразвуковых частот (16 кГц), ТВЧ (300 МГц), - до СВЧ (0,3-30 ГГц), электродинамических и электрораз-рядных, а так же - волновые, оптические и радиационные методы. В последние годы широкие исследования проводятся по использованию таких энергетических воздействий как радиационные, ультразвуковые, электротехнические, механохимические, плазменные. Академиком В.А. Чантурия и др. отмечалось, что с выпуском электрохимических кондиционеров пульпы, плазмотронов, линейных ускорителей, ультразвуковых генераторов можно говорить о реальном применении указанного оборудования в технологических процессах переработки труднообогатимых россыпей [1, 2].
В основе проблемы переработки глинистых песков, с низким и мелким содержанием золота, лежат вопросы эффективного предварительного разрушения продуктивного породного массива и направленного изменения свойств путем перевода песков в дисперсное состояние. Основополагающие принципы решения этих проблем были сформулированы академиками А.Е. Ферсманом, М.И. Агошковым, В.В. Ржевским, Ф.Д. Овчаренко. Большое значение для создания высокопроизводительных, малоотходных и экологически чистых технологий имеют труды Е.И. Богданова, А.И. Богданова, Р.О. Берта, Ю. Бранда, И.М. Верховского, В.С. Литвин-цева, В.П. Мязина, Ю.А. Мамаева, Б.Э. Фридмана, В.С. Ямщикова. Качество предварительного разрушения пород в значительной сте-
пени определяется возможностью интенсификации процесса средствами, способными изменить физическое состояние и структурномеханические параметры перерабатываемой системы с целью эффективной дезагрегации и диспергации частиц.
Получают развитие технологии на основе электромагнитной обработки, в том числе импульсной [3, 4, 5, 6, 7, 8]. Коллективом ученых ИПКОН РАН, ИРЭ РАН и ФГУП «ЦНИГРИ» разработан метод дезинтеграции и вскрытия упорных золотосодержащих руд и продуктов их обогащения на основе использования воздействия мощными электромагнитными импульсами [5]. В зависимости от минерального, вещественного состава и морфометрических свойств руд, продуктов и отходов обогащения обоснованы методы вскрытия золотосодержащих сульфидов, комплексной переработки концентратов металлов платиновой группы, включающие тонкое измельчение, автоклавное, химическое и биогидрометаллургиче-ское окисление, низкотемпературный обжиг, воздействие мощных электромагнитных импульсов [3]. В Московском государственном горном университете исследованы структурно - механические эффекты, вызываемые воздействиями электромагнитного поля, в сочетании с особенностями гранулометрического и вещественного состава отвальных продуктов золотодобычи для создания рациональных комбинированных технологических схем извлечения мелкого золота [6]. Рассмотрены различные технологические схемы разупрочнения и разрушения горных пород при воздействии электромагнитных полей на основе развития микро и макротрещиноватости за счет выбора температурного режима и систем ввода ВЧ/СВЧ - энергии. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности СВЧ - воздействий и перспективность использования их для создания современных технологий переработки упорных золотосодержащих руд [7, 8]. В Радиотехническом институте им. академика А.Л. Минца проведены экспериментальные работы по взаимодействию электромагнитных полей сверхвысоких частот (СВЧ) высокого уровня мощности с образцами рудных горных пород различного состава. По сравнению с механическим измельчением породы, где на разрушение используется только 1-5 % затрачиваемой энергии (95-99 % переходит в тепло), метод разупрочнения в СВЧ полях имеет ряд преимуществ. Посредством термоудара обеспечивается переход от вязкого разрушения к хрупкому, бесконтактный объемный способ ввода энергии в породу с высоким
к.п.д. (40-60 %), малые потери энергии в пустой породе и окружающих конструкциях камер облучения [9].
Американские специалисты (Конгресс обогатителей) [10] предполагают, что микроволновая технология более эффективна, чем биовыщелачивание. Современными методами установлено, что потери золота при цианидном выщелачивании составляют 50 %. Применение СВЧ - обработки золотосодержащей руды в диапазоне 50-300 секунд приводит к снижению расхода электроэнергии на 235 %. Специалисты из университетов Бирмингема и Стелленбоша работают в ЮАР над проектом СВЧ - резонатора для переработки золотосодержащих руд. Научными исследованиями установлено, что при измельчении руды расходуется не рационально более 99 % затраченной энергии и только 1 % - на само разрушение. Поэтому главная задача заключается в фокусируемой передаче энергии в необходимом количестве в нужное место и в оптимальном режиме СВЧ - резонанса. Технологии химсорбции, жидкостной экстракции, цианирования, химического чанового, кучного и подземного выщелачивания золотосодержащего сырья не обеспечивают полного извлечения ценных компонентов, что обуславливает необходимость их замены более эффективными физическими методами.
На основе метода автоматического гранулометрического экспресс-анализа суспензии с использованием физического принципа дифракции лазерного света по теории Фраунгофера и седимента-ционной устойчивости на основе разделения фаз в Институте горного дела ДВО РАН проведены исследования направленного изменения свойств песчано-глинистых пород при механическом и ультразвуковом воздействии.
Получена модель автоматической системы управления процессом структурной перестройки горной породы в водной среде на основе вычисления предложенного автором условного коэффициента трансформации:
тф1 т.
У = ~~ [(Ууз1 - УмО — (Ум1 — Уи1)]+- + ~~ [(Ууз. п - Ум.п) (Ум. п — Уи.
Мк1 Мкп
п)],
где ууз, ум, уи - физическая характеристика системы, изменяющаяся в процессе структурной перестройки в зависимости от типа воздействия (например: 8уд, - удельная межфазная поверхность); Шф, Мк -количественная характеристика фракции (фактическая и контроль-
ная массовая доля дисперсных частиц в измеряемом диапазоне размера); 1...п - номер ступени физического воздействия, и определения удельной межфазной поверхности частиц Syд.
В результате теоретического моделирования получено уравнение непрерывного процесса диспергации песчано - глинистой породы в воде при ультразвуковом воздействии:
dS = п 0,0096 Z V-11 [1 - exp (- 2 а l)] а'1 dT, (1)
где S - площадь межфазной поверхности в системе; п - коэффициент полезного действия установки; Z - волновое сопротивление среды; V -объем диспергируемого материала; I - интенсивность ультразвукового излучения; а - коэффициент поглощения ультразвуковой энергии средой; l - расстояние от источника звука до точки измерения интенсивности в среде; а - удельная поверхностная энергия частиц; т - время воздействия ультразвука.
Решением уравнения (1) будет:
Sfj = S1 exp 0,0096 п Z V-11 [1 - exp (- 2 а l)] а-1 т,
где S1 - площадь межфазной поверхности системы при т = 0. Учитывая:
Syд. = S/V.
где S'уд, - удельная межфазная поверхность; V - объем дисперсной фазы.
Получим:
S),d. = S^j exp 0,0096 п а-1 Z V-21 [1- exp (- 2 а l)]r, (2)
где S^j - удельная межфазная поверхность при т = 0.
Установленная зависимость (2) учитывает термодинамические и структурно-механические особенности песчано-глинистых пород и подтверждается характером изменений удельной поверхностной энергии частиц от интенсивности ультразвука, действительной плотности среды, скорости прохождения звука в ней, диссипаци-онных потерь с учетом поглощения энергии средой и др. и позволяет объяснить закономерности изменения их структуры и свойств под воздействием ультразвука.
Рис. 1. Изменение условного коэффициента трансформации при ультразвуковом воздействии (у) на золотосодержащую дисперсную систему в зависимости от времени озвучивания, мощности 2 Вт (1), 5 Вт (2) и 10 Вт (3), при увеличении исходной £ §уд. на порядок и мощности 5 Вт (4)
Разработан метод выбора технологических параметров настройки ультразвуковых излучателей, формирующих направленное изменение структурно-механических параметров песчаноглинистых пород, который обеспечивает определение области настройки мощности в зависимости от увеличения исходного параметра удельной поверхности частиц при неизменных величинах частоты излучения и времени его воздействия. Выявлены параметры мощности излучения и времени воздействия, формирующие наибольшую стабильность устойчивого состояния исследуемых золотосодержащих глин (рис. 1).
Посредством графического метода проанализированы экспериментальная и расчетная кривые (рис. 2), получена упрощенная эмпирическая функция (5 = 81ееШ ), адекватность которой подтвер-
Разработаны гео-
технологические комплексы и автоматическая система управле-
Рис. 2. График зависимости удельной поверхности частиц от мощности ультразвукового излучения (расчетный и полученный экспериментальным пу-
тем)
Рис. 3. Способ управления спектром генерации и формирования плотности излучения геотехнологического лазера на основе звукового модулятора
ния ими, которая учитывает изменение физико-механических параметров песчано-глинистой породы в процессе направленного изменения их свойств и обеспечивает оптимизацию структурномеханических и физических параметров системы [11, 12, 13, 14].
Продолжается работа по исследованию функциональных возможностей лазерной техники для управления процессами направленного изменения свойств горных пород. Создана феноменологическая модель способа управления спектром генерации и формирования плотности излучения геотехнологического лазера на основе звукового модулятора (рис. 3), который позволяет эффективно в автоматическом режиме управлять плотностью интенсивности излучения посредством звукового поля [15].
Создан способ направленного изменения свойств горных пород посредством лазерного излучения и геотехнологический комплекс с лазерным инициированием для осуществления данного способа (рис. 4) [16] .
Фокусировкой и генерацией поперечных и продольных волн в минеральной системе на основе теплового режима и плазменного образования осуществляется процесс физической и химической трансформации сульфидных включений и удаление их из рабочей зоны, затем осуществляется импульсное воздействие моделируемым излучением для разрушения структурных связей комплексов минералов в зависимости от физико-механических параметров минеральных включений. Временной интервал и интенсивность воздействия чередующихся сдвиговых и продольных волн задается программным устройством системы управления процессом лазерного излучения. Все модули действуют одновременно и могут
А
А-А
А
Рис. 4. Геотехнологический комплекс с лазерным инициированием.
настраиваться на необходимый режим работы как по распределению плотности энергии, интенсивности, времени, так и чередованию направленных излучений под нужным углом к минералам различных прочностных свойств.
Анализ известных разработок направленного изменения свойств горных пород и проведенные исследования в ИГД ДВО РАН показали, что технологии, основанные на ультразвуковом и лазерном инициировании, являются технологиями ХХ1 века, которые успешно могут заменить экологически опасные процессы. Исследования в этом направлении наиболее успешно могут развиться в области обработки горной породы и золотосодержащей руды на этапах добычи и подготовки к обогащению.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аренс В.Ж. Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых. -М.: Недра, 1975. - 265 с.
2. Чантурия В.А. Современные проблемы обогащения минерального сырья в России // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1999. - №3. - С. 107 - 121.
3. Чантурия В.А. Прогрессивные технологии обогащения руд комплексных месторождений благородных металлов. Геол. руд. месторожд. 2003. 45, №4, С. 321-328.
4. Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов: Метериалы 5 международной конференции, Воронеж, 14-16 февр., 2003. Воронеж: Изд-во ВГТУ. 2003, 272 с.
5. Бунин И.Ж. Влияние высокоэнергетических воздействий на дезинтеграцию упорных золотосодержащих продуктов и извлечение ценных компонентов. Проблемы освоения недр в ХХ1 веке - глазами молодых: 1 Международная конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 25-летию ИПКОН РАН, Москва, 21-23 окт., 2002. - М.: Изд-во ИПКОН РАН. 2002, С.114-116.
