CC BY
32
УДК 622.271.35: 534
Н.П. Хрунина
НОВЫЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ И СОСТОЯНИЯ ПОРОД ПОСРЕДСТВОМ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
А нализ современных тенденций развития способов освоения месторождений золота показывает, что преобладающее значение приобретают технологии, в основе которых находятся методы высоко и низкочастотных упругих колебаний среды. В условиях крупномасштабного освоения золотосодержащих россыпей, более % объема, которых представлено глинистыми породами, интенсифицирующему воздействию посредством механических, электромагнитных и других физических полей в настоящее время придается особое значение. Выявление закономерностей направленного изменения свойств и состояния песчано-глинистой породы, способов управления этими процессами, разработка источников инициирования данных процессов и способов их использования является одной из главных задач теоретических разработок по созданию ресурсосберегающей геотехнологии и геотехники для освоения россыпных месторождений с преобладающим содержанием мелкого и тонкого золота. Для решения этой задачи создано несколько модификаций геотехнологических комплексов [1, 2, 3, 4], позволяющих осуществлять направленное разрушение высокопластичных и слабопластичных золотосодержащих глинистых пород, рис. 1, 2, 3, 4. На рис. 1 представлена принципиальная схема направленного изменения свойств песчано-глинистой породы посредством механического и ультразвукового воздействий. В сформированной зоне для крупной и средней фракций породы осуществляется механическая активация с помощью динамического органа, установленного на эстакаде с возможностью поворота и перемещения вдоль всей зоны обработки. Зона мелкой фракции обрабатывается с
Рис. 1. Принципиальная схема формирования направленного изменения свойств песчано-глинистой породы россыпей
помощью подвижного устройства, снабженного ультразвуковыми излучателями. Обе зоны могут обрабатываться механическим и ультразвуковым воздействиями в сочетании. На рис. 2 представлен геотехнологический комплекс для разработки золотосодержащих россыпей [1] посредством механического разрушения структурных связей глинистых пород повышенной прочности. Принцип направленного изменения свойств и состояния высокоглинистой породы реализуется посредством формирования в массиве пород зон для крупной и мелкой фракций с последующей активацией горной массы механическим путем. Конструктивная схема реализации заложенного принципа включает гидромониторное и ковшовое устройства, два механических активатора для зоны мелкой и крупной фракций. Активаторы выполнены с возможностью перемещения в горизонтальных и вертикальных плоскостях, снабжены рыхлителями и установлены на поворотной платформе эстакады. Комплекс снабжен автоматической системой управления
Рис. 2. Геотехнологический комплекс [1]: 1; 2; 3 - блок с модулем направленного изменения состояния породы и блоки последующей отработки полигона, соответственно; 4 - перерабатывающий комплекс; 5 - система напорного гидротранспортирования; 6 - система отвалообразования пустой породы; 7 - опоры; 8 - эстакада; 9, 10 - механические активаторы; 11 - поперечина эстакады; 12 - поворотная платформа; 13 - привод поворота платформы; 14 - автоматическая система управления активацией; 15 - гидромонитор; 16 - ковш; 17 - зона активации крупной фракции; 18 - зона активации мелкой фракции; 19 - переходный порог между зонами активации
активацией, позволяющей фиксировать изменение физикомеханического состояния породы в процессе структурной перестройки. Последовательно соединенные зоны активации крупной и мелкой фракций сообщаются между собой благодаря уровню жидкости, превышающему переходный порог.
При гидромеханическом воздействии горная порода подвергается первичному разрушению и последующему инициированию активатором в зоне для крупной фракции. Благодаря сообщению с зоной мелкой фракции, колебаний, механического и гидромехани-
ческого влияния мелкие частицы поднимаются вверх и перемещаются в смежную зону. При необходимости производятся дополнительные периодические перемещения рыхлителей в вертикальных плоскостях, в том числе в сочетании с вращением механических активаторов или с чередованием действий вращения и перемещения в вертикальных плоскостях. Механические активаторы могут работать синхронно и асинхронно. Далее активированные частицы породы в зоне мелкой фракции подвергаются дополнительному воздействию, диспергируются до заданных размеров и перемещаются с помощью системы напорного гидротранспортирования на перерабатывающий комплекс. После отработки части первого блока полигона зона мелкой фракции формируется в зоне для крупной фракции, а зона крупной фракции образуется по ходу отрабатываемого блока полигона. Эстакада с механическими активаторами смещается в следующую зону и цикл работы повторяется. Геотех-нологический комплекс обеспечивает разрушение высокоглинистой породы повышенной прочности с помощью многоступенчатой системы механической активации в процессе последовательной отработки формируемых в блоках полигона зон для мелкой и крупной фракций.
На рис. 3 представлен геотехнологический комплекс комбинированного действия для разработки высоко, средне и слабопластичных пород золотосодержащих россыпей [2]. Принцип направленного изменения свойств и состояния высокоглинистой породы в комплексе реализуется посредством формирования в массиве пород зон для крупной и мелкой фракций с последующей активацией горной массы в этих зонах с помощью механического влияния и дополнительного ультразвукового излучения. Конструктивное исполнение заложенного принципа включает гидромониторное устройство и поворотный модуль ультразвукового излучения. Система ультразвуковых излучателей выполнена с возможностью перемещения в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Комплекс снабжен автоматической системой управления активацией, позволяющей фиксировать изменение физико-механического состояния породы и настраивать режимы обработки механического и ультразвукового воздействий, в том числе - мощность, частоту излучения, интенсивность или звуковое давление. Активированная мелкая порода в зоне активации мелкой фракции подается
Рис. 3. Геотехнологический комплекс [2]: 1 и 2 - блок с модулем направленного изменения состояния породы и блоки последующей отработки полигона, соответственно; 3 - система ультразвукового излучения; 4 - зона для формирования крупной фракции горной массы; 5 - перерабатывающий комплекс; 6 - система напорного гидротранспортирования; 7 - система отвалообразования пустой породы; 8 -поворотный модуль ультразвукового излучения; 9 - подвижная каретка для продольного перемещения модуля ультразвукового излучения вдоль поперечины эстакады; 10 - эстакада; 11 - система ультразвуковых излучателей; 12 - датчики фиксации физико-механического состояния породы; 13 - функциональный блок; 14 - автоматическая система управления процессом направленного изменения состояния и свойств песчано-глинистой породы; 15 - гидромониторное устройство; 16 - поворот эстакады; 17 - зона для формирования мелкой фракции
с помощью системы напорного гидротранспортирования на перерабатывающий комплекс. После отработки первого блока полигона эстакада с системой ультразвуковых излучателей смещается в следующую зону и цикл работы повторяется.
Геотехнологический комплекс обеспечивает разрушение высокоглинистой породы с разным типом пластичности в процессе последовательной отработки формируемых в блоках полигона зон для мелкой и крупной фракций. По условиям воздействия на излучатель, рассматриваемая система «песчано-глинистая порода - вода» может быть отнесена к нейтральной среде, поскольку отсутствуют химически агрессивные компоненты и температурноагрессивные воздействия. Для акустически неограниченной жидкой среды сопротивление излучению нагруженного на эту среду излучателя является входным сопротивлением среды и определяется ее параметрами, частотой, типом и размерами излучателя.
Принцип ультразвукового инициирования для эффективного извлечения частиц золота, размер которых приближен к нанодиапазону, может быть реализован также посредством геотехнологи-ческого комплекса [3]. Комплекс включает первичное разрушение сцементированных глиной песков и поступление их на направляющие элементы безнапорного транспортирования крупнокусковой породы, установленные наклонно в сторону системы транспортирования. Наиболее крупные куски породы направляются в барабанный грохот модуля второй ступени дезинтеграции. После грохочения в барабанном грохоте надрешетный материал поступает с помощью системы отвалообразования в отвал, а подрешетный материал, через систему напорного гидротранспортирования - в грохот - дезинтегратор с интенсификацией ультразвуком модуля третьей ступени дезинтеграции. Одновременно в модуле первой ступени дезинтеграции более мелкий материал поступает через щелевые отверстия, расположенные перпендикулярно направлению безнапорного гидротранспортирования, на направляющие элементы для поступления материала промежуточной дезинтеграции на ультразвуковую обработку. Это обеспечивает исключение потерь мелкого золота размером менее 500 мкм на первых стадиях геотехнологической подготовки и сокращает ряд операций при дальнейшей переработке. Геотехнологический комплекс также может быть снабжен установленными выше уровня дна зумпфов системами предварительной ультразвуковой обработки в виде секций
с поворотными с помощью приводов затворами. Наличие систем предварительной ультразвуковой обработки существенно сокращает или исключает дополнительное физико-химическое воздействие сильными полиэлектролитами - кислотами и другими агрессивными реагентами. Тем самым обеспечивается не только повышение эффективности и производительности процесса переработки высокоглинистых пород, но и снижение экологической безопасности. Для управления направленной структурной перестройкой системы «песчано-глинистая порода-вода» важное значение имеют данные физико-механических и гранулометрических характеристик исходных и промежуточных продуктов, получаемых в зонах активации крупной и мелкой фракций при последо-вательной отработке блоков полигона, рис. 2, 3 на установках 4 и 7, 10, 11 геотехнологиче-ских комплексов и перерабатывающего модуля, рис. 4 [1, 2, 3, 4]. Геотехнологический комплекс направленного изменения свойств горной породы с перерабатывающим модулем [4] включает поворотную многоуровневую с периодическим ультразвуковым воздействием установку 4. Установка 4 позволяет осуществлять более эффективную трансформацию на стадии геотехнологической подготовки. Установка содержит многоуровневые элементы рабочих поверхностей и позволяет исключить некоторую часть гравитационных установок перерабатывающего модуля (например, промежуточные грохота ультразвуковой дезинтеграции
10, 12) и осуществлять подачу материала от установок 4 к модулям шлюзов мелкого наполнения 16 или на установку 15, рис.
4.
Выполненный комплекс исследований позволил разработать методологию моделирования процесса трансформации песчаноглинистой породы, рис. 5.
Поскольку было установлено, что результаты данного процесса зависят от увеличения роста мелкодисперсной фазы, последовательности и количества этапов фракционного разделения и степени трансформации на всех стадиях, то для построения модели было выделено два основных процесса - механическая активация и ультразвуковое воздействие. Для описания закономерностей использовались значения функций условного коэффициента ультразвуковой трансформации
17 16 15 14
Рис. 4. Геотехнологический комплекс направленного изменения свойств горной породы с перерабатывающим модулем [4]: 1 - модуль предварительного механического или гидравлического рыхления; 2 - гидромониторная установка; 3 - геотехнологический комплекс направленного изменения свойств горной породы; 4 - многоуровневая поворотная установка с периодическим ультразвуковым воздействием; 5 - сектор поворотной установки; 6 - устройство отвалообразова-ния; 7 - модуль второй стадии направленного изменения свойств с ультразвуковым воздействием; 8 - модуль шлюзов глубокого наполнения; 9 - ультразвуковой преобразователь с генератором ультразвука; 10 - промежуточный грохот ультразвуковой дезинтеграции; 11 - накопитель мелкой фракции; 12 - сборник концентрата; 13 - грохот ультразвуковой дезинтеграции третьей стадии; 14 - модуль обезвреживания с оборотным водоснабжением; 15 - ультразвуковой обогатительный комплекс; 16 - модуль шлюзов мелкого наполнения с автоматическим спо-лоском; 17 - ультразвуковой обогатительный комплекс; 18 - сборник концентрата; 19 - перерабатывающий модуль
Рис. 5. Блок - схема алгоритма управления процессом направленного изменения свойств песчано-глинистых пород
X [(< У уз п ) - < У м п > ) - (< У м п ) - < У и п ) )] , (1)
где <ууз>, <ум >, <уи> - физическая характеристика системы (эмпирическая средняя величина удельной межфазной поверхности); mф , Мк - количественная характеристика фракции (фактическая
и контрольная объемная доля дисперсных частиц в измеряемом диапазоне размера); 1п - номер ступени физического воздействия, математическая модель основного процесса, протекающего под действием ультразвука, теоретические формулы
Эуд = Syд.0exp0,0096B(^cpn^a-1 VnI [1 - Aexp(-2а1 )]t , (2)
Syд = Syд.oexp14,4-2Bpn^a-1 VnР2 [1 - Aexp (-2а1)] t , (4)
где Sуд - удельная межфазная поверхность системы частиц в выбранном размерном диапазоне измерения; Sуд0 - удельная меж-фазная поверхность системы частиц в выбранном размерном диа-
ды, С,с = рсСс , где pc - плотность среды; Сс - скорость звука в среде; B - показатель, зависящий от свойств и состояния пород; р п - плотность поверхностной массы частиц; ^ - коэффициент полезного действия установки; а - удельная поверхностная энергия системы дезинтегрированы золотосодержащих глинистых частиц в выбранном размерном диапазоне измерения; Уп - объем поверхностной массы частиц; I - интенсивность излучения энергии; Л - поглощательная способность материала; a - коэффициент поглощения звуковой энергии средой; I - расстояние от источника звука до точки измерения интенсивности в среде; 1 - время
пазоне измерения при 1 = 0 ; С - волновое сопротивление сре-
воздействия подводимой энергии; W - мощность излучаемой энергии; Р - звуковое давление, эмпирические формулы
Sel = Sel0•ebW (5)
Sel = Sel0•ebH (6)
в том числе формула
Sуд* = Sудo•eм (7)
где Ь - эмпирический коэффициент, или, в условиях наших исследований -
Sуд* = 1,306х0,0146И (8)
и другие эмпирические зависимости, учитывающие изменения излучаемого потока энергии посредством параметров мощности или давления звука с рассчитанными коэффициентами.
С учетом функциональности процесса переменными величинами являются управляемые факторы, определяющие структурные параметры системы. Контроль согласования действий отдельных процессов в комплексах, сочетающих механическое и ультразвуковое инициирование, осуществляется по алгоритму в соответствии с рис. 5. Для примера взяты геотехнологические комплексы направленного изменения свойств горной породы с перерабатывающим модулем [1, 2, 4], рис. 2, 3, 4. Блок - схема включает необходимое число ступеней управления процессом контроля, измерения параметров удельной поверхности на которых происходят в одном и том же диапазоне 1,19 - 171,19 мкм, массовая доля регистрируется фотометрическим или другими способами.
Порядок управления процессом
1. Настройка технологических параметров работы и управления механической частью устройства, осуществляющего механическую активацию в процессе последовательной отработки формируемых в блоках полигона зон для мелкой и крупной фракций (поз. 9, 10 - рис. 2, поз. 4 - рис. 4). Введение алгоритма вычисления роста мелкодисперсной фазы, происходящей от механического влияния на систему. Согласование частоты вращения, обеспечивающей стабильность дисперсной системы с частотой, обеспечивающей перемещение породы - для использования установки 4, рис. 4.
Расчет изменения удельной поверхности частиц от ультразвукового воздействия по формулам (2), (3), (4) или (8) в зависимости от исходной удельной поверхности частиц. Введение алгоритма вычисления условного коэффициента трансформации по формуле (1). Настройка измерительной аппаратуры.
2. Ввод данных, полученных после измерения исходных параметров системы: показателей измерения среднеариф-
метической величины удельной межфазной поверхности частиц в исходном состоянии F; контрольной величины Ъ разности G - F. Величина Ъ получена на основе расчета скорости роста мелкодисперсной фазы после механического воздействия.
3. Механическая активация системы.
4. Ввод данных, полученных после механической активации, в программу управления процессом - показателей измерения среднеарифметической величины удельной меж-фазной поверхности частиц, подвергшихся механической активации G.
5. Вычисление коэффициента трансформации после механической активации N по формуле (1), N= G - F.
6. Введение логического алгоритма N > Ъ: при условии “Нет” - подается сигнал на механический привод вращения установки для интенсификации процесса, при условии “Да” - подается команда на ультразвуковой генератор: “Включить”.
7. Ультразвуковое инициирование.
8. Ввод данных, полученных после ультразвукового инициирования, в программу управления процессом: фактическая объемная доля дисперсных частиц в измеряемом диапазоне после механического и ультразвукового диспергирования т; контрольная величина объемной доли дисперсных частиц в измеряемом диапазоне, которая должна быть получена для эффективности процесса, М; показатели измерения среднеарифметической величины удельной межфазной поверхности частиц, подвергшихся механической активации, G; показатели измерения среднеарифметической величины удельной межфазной поверхности частиц, подвергшихся ультразвуковому инициированию, I; разность N = G - F; контрольная величина условного коэффициента трансформации при ультразвуковом воздействии Х.
9. Вычисление относительного показателя:
К = т/М;
10. Вычисление условного коэффициента трансформации при ультразвуковом воздействии (формула (1)):
Е = к • [(I - G) - N1.
11. Использование логического алгоритма Е > Х: при условии “Нет” - подается сигнал на увеличение параметров мощности ультразвукового излучения или времени и пункты 6, 7, 8, 9 повторяются; при условии: “Да” - управление переходит на вторую ступень.
12. Повторение цикла по пунктам 2-10, с учетом п. 1. Переход на последующие ступени.
Основная часть программы управления процессом может быть записана на языке Паскаль.
Алгоритм направленного изменения свойств песчаноглинистых пород основан на оптимизации структурно - механических и физических параметров системы в процессе разрушения породы и получения на каждой стадии заданных эквивалентов объемной доли частиц в определенных диапазонах измерения.
Вывод
На основе нового метода управления энергетическими параметрами ультразвукового излучения, формирующими направленное изменение свойств и состояния пород, полученных теоретических и эмпирических зависимостей изменения удельной межфаз-ной поверхности частиц от мощности излучаемой энергии и зависимостей изменения роста массовых долей дисперсной составляющей системы, получена возможность осуществить автоматическую настройку и управление процессом разрушения высокопластичной золотосодержащей песчано-глинистой породы в размерном диапазоне до пяти порядков - от 50 мм до 0,002 мм.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Заявка 2006146393 Российская Федерация, МПК7 Е21 С45/00, Е 21 С41/14. Геотехнологический комплекс для разработки золотосодержащих россыпей / Хрунина Н. П., Мамаев Ю. А., Литвинцев В. С., Секисов Г. В.; заявитель Институт горного дела ДВО РАН; заявл. 25.12.06.
2. Заявка 2006146387 Российская Федерация, МПК7 Е21 С 45/00, Е 21 С 41/14. Геотехнологический комплекс для разработки золотосодержащих россыпей / Хрунина Н.П., Мамаев Ю.А., Литвинцев В.С., Секисов Г.В.; заявитель Институт горного дела ДВО РАН; заявл. 25.12.06.
3. Пат. 2209974 Российская Федерация, МПК7 Е 21 С 41/30, В 03 В 5/00. Геотехнологический комплекс с многоступенчатой дезинтеграцией / Хрунина Н.
П., Мамаев Ю. А.; заявитель и патентообладатель Институт горного дела ДВО РАН. - № 2002103642/03; заявл. 08.02.02; опубл. 10.08.03, Бюл. № 22. - 6 с. : ил.
4. Пат. 2204441 Российская Федерация, МПК7 В 03 В 7/00, В 03 В 9/00. Перерабатывающий геотехнологический комплекс / Хрунина Н. П., Мамаев Ю. А.; заявитель и патентообладатель Ин-т горного дела ДВО РАН. - № 2001128264/03; заявл. 18.10.01; опубл. 20.05.03, Бюл. № 14. -6с.: ил. ВТШ
— Коротко об авторах ---------------------------------
Хрунина Н.П. - научный сотрудник, Институт горного дела ДВО РАН.
