Приведены результаты экспериментальных исследований по установлению удельной энергоемкости разрушения бурого угля «Кангаласского» месторождения при отрицательных температурах. Показано, что удельная энергоемкость разрушения угля имеет локальные минимумы при температурах -5°С и -20°С.
Одна из важных задач управления процессами добычи промышленного сырья - оптимизация энергетических затрат различных технологических операций. В данный момент, наиболее масштабными и энергоемкими технологическими процессами при добыче и извлечении полезных ископаемых являются операции дробления и измельчения горных пород. По некоторым оценкам на эти операции расходуется до 60-70% капитальных затрат и общих эксплуатационных расходов предприятия. Разрушение горной породы, а именно энергозатраты этого процесса и являются объектом управления с точки зрения создания условий для эффективной выемки полезного ископаемого, его транспортировки, раскрытия зерен, разделения полезного ископаемого и вмещающих пород и, наконец, снижения или полного исключения потерь полезного компонента. Критерием оптимизации в данном случае выступает энергоемкость разрушения горных пород.
Под энергоемкостью разрушения пород понимаются затраты энергии необходимые на разрушение единицы объема горной породы при заданной степени разрушения. Несмотря на большое число исследований энергоемкости разрушения горных пород, к наиболее фундаментальным из которых можно отнести работы Риттингера, Кармазина, Бонда, Кирпичева, Кика, Ребиндера и других, применение их на практике встречает ряд трудностей. Главная причина – нелинейный характер свойств горной породы [1, с.36]. П.А. Ребиндер впервые высказал мысль, что неудачи в поисках универсальных законов измельчения обусловлены односторонней механической интерпретацией происходящих при разрушении твердых тел процессов и не учетом в них роли внешней среды.
Воздействие отрицательных температур на горные породы могут изменять их прочностные характеристики, следовательно, будет изменяться и энергия затрачиваемая на разрушение этой породы [2, с.38]. В данный момент единого мнения о величине изменения энергии разрушения горных пород, в зависимости от температуры, в диапазоне естественно низких температур нет.
В данной работе исследовалось влияние отрицательных температур на удельную энергоемкость процесса разрушения угля. Исследовался бурый уголь разреза «Кангаласский», пласт «Верхний». Предварительно, перед проведением исследований определялись физические свойства угля. В дальнейшем уголь дробили и просеивали для выделения класса -20+10 мм. Полученный материал усредняли, и формировали навески каждая массой 50±1 гр. Удельную энергоемкость разрушения угля определяли при температурах 20°С, 5°С, 0°С, -5°С, -10 °С, -15°С, -20°С, -40°С. При каждой заданной температуре исследовалось по 5 навесок угля с троекратной повторностью.
Уголь разделяли на 2 группы: испытуемые в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии. Водонасыщенные образцы перед замораживанием в течение 2 суток насыщались в дистиллированной воде. По окончанию времени насыщения образцы извлекались из воды и протирались для удаления воды с поверхности кусков, и сразу же направлялись в морозильную камеру. Каждую группу (водонасыщенные и воздушно-сухие образцы) выдерживали в морозильной камере в течение 6 часов, а затем сразу направляли на дробление.
Дробление замороженных образцов проводили по методу толчения на приборе для определения крепости (ПОК) [3, с.20], при температурах близких к температурам замораживания на массивном, жестком основании. Раздробленные образцы высушивали при комнатной температуре и подвергали полному ситовому анализу для расчета вновь образованной поверхности. Расчет производили по методике, приведенной в работе [4, с.214]. В дальнейшем, используя данные по затраченной на дробление энергии и площади образованной поверхности, определяли удельную энергоемкость процесса дробления. Результаты проведенного исследования показаны на рис. 1, 2.
На рис. 1 отображены энергетические затраты на разрушение угля испытанного в воздушно-сухом состоянии при различной температуре. Стоит отметить что, понижение температуры от комнатной до -5°С приводит к снижению удельных энергозатрат с 893 Дж/м2 до 622 Дж/м2. При дальнейшем снижении температуры энергоемкость разрушения возрастает, и при температуре -40°С необходимо затратить уже в 2 раза больше энергии на разрушение чем при температуре -5°С. Такое изменение энергоемкости в зависимости от температуры объясняется тем, что при понижении температуры в породе происходят различные физические и термохимические превращения [5, с.49]. Например, изменение агрегатного состояния воды в порах.
Рис. 1. Энергоемкость разрушения
воздушно-сухого угля при различных температурах
При переходе свободной воды в лед, а влажность у исследованного угля составляла около 40-60%, происходит увеличение объема льда в порах на 9 %, за счет чего возникает расклинивающее напряжение, достигающее порой порядка 212 МПа. Внутренние напряжения возрастают, пока происходит процесс интенсивного замерзания поровой влаги в угле. С прекращением роста кристаллов льда рост внутренних напряжений прекращается, наиболее интенсивное замерзание происходит при температурах от 0°С до -3°С. Этим и объясняется значительное падение затрачиваемой на дробление энергии при температуре -5°С. При дальнейшем понижении температуры поровый лед цементирует и упрочняет породу, поэтому происходит увеличение энергии затрачиваемой на разрушение при более низких температурах.
Рис. 2. Энергоемкость разрушения
водонасыщенного угля при различных температурах
На рис. 2 отражена энергоемкость разрушения образцов угля в водонасыщенном состоянии при различной температуре. Здесь мы вновь видим, что с понижением температуры от +5°С до -5°С энергетические затраты уменьшаются с 1262 Дж/м2 до 924 Дж/м2. При -20°С энергозатраты на разрушение после незначительного скачка при -10° и -15°С уменьшаются до 712 Дж/м2. При дальнейшем понижении температуры энергоемкость разрушения водонасыщенных образцов угля возрастает, как в случае с воздушно-сухими образцами (рис. 1).
На рис. 3 приведен анализ данных полученных в ходе эксперимента. Для сравнения энергоемкости разрушения воздушно-сухих (кривая 1) и водонасыщенных (кривая 2) образцов была введена относительная шкала. За 100% была принята энергоемкость разрушения угля при температуре +20°С в воздушно-сухом состоянии, т.е. более приближенная к естественному состоянию.
Рис. 3. Относительная энергоемкость разрушения воздушно-сухих (1)
и водонасыщенных (2) образцов угля в зависимости от температуры
Точками на рисунке обозначены значения, полученные в ходе эксперимента. По полученным данным построены усредненные линии соответствующие относительной энергоемкости разрушения воздушно-сухих (кривая 1) и водонасыщенных (кривая 2) образцов угля. На рисунке видно, что при температурах -5 °С и -20 °С присутствуют локальные минимумы, при которых относительная энергоемкость разрушение угля значительно снижается.
Кривая 1 соответствует относительной энергоемкости разрушения воздушно-сухих образцов угля. При понижении температуры от комнатной до -5°С относительная энергоемкость разрушения снижается на 30 %. Дальнейшее понижение температуры до -15°С приводит к увеличению относительной энергоемкости разрушения на 22% по сравнению с затратами энергии при температуре 20 °С. При понижении температуры до -40°С относительная энергоемкость разрушения угля на 35% больше чем при температуре 20°С.
Кривая 2 соответствует относительной энергоемкости разрушения водонасыщенных образцов угля. При температуре 5°С относительная энергоемкость разрушения равна 140%, так как за 100% были взяты показатели удельной энергоемкости разрушения при 20°С воздушно-сухого угля. При понижении температуры с 5°С до -5°С относительная энергоемкость разрушения уменьшается на 35%. Затем наблюдается незначительное повышение, а при температуре -20°С относительная энергоемкость разрушения на 60% меньше, чем при температуре +5°С. При дальнейшем понижении температуры относительные затраты энергии на разрушение водонасыщенных образцов угля возрастают.
Изменение энергоемкости разрушения обоих углей при небольших отрицательных температурах (-5°С) объясняется, как упоминалось ранее, расклинивающим действием порового льда. При дальнейшем понижении температуры (-10°С, -15°С) относительная энергоемкость разрушения увеличивается. Снижение энергоемкости разрушения угля при более низких отрицательных температурах может объясняться тем, что замораживание образцов производилось на улице (-20°С, -40 °С) ввиду невозможности создания данной температуры в холодильнике. В данном случае необходимо проведение дополнительных исследований по влиянию объема камеры холодильника, скорости промораживания и т.д.
Проведенные исследования показывают возможность существенного снижения энергетических затрат при разрушении угля в интервале температур 0…-5°С, а также при -20°С . В условиях Севера, где более полугода наблюдается отрицательная температура, использование естественного холода в качестве разупрочняющего агента позволит предложить или усовершенствовать технологии переработки полезных ископаемых.
Список литературы
1. Баранов Е.Г., Крымский В.И. Энергоемкость разрушения горных пород как объект управления горным производством. – Новосибирск: ФТПРПИ.1984. - №4.- с.36-40.
2. Шехурдин В.К. Удельная энергоемкость разрушения горных пород адекватна пределу прочности. Горная промышленность. 1999. - №6. – с.38-39.
3. Барон Л.И., Коняшин Ю.Г., Курбатов В.М. Дробимость горных пород. М.: Издательство Академии Наук СССР, 1963. – 168 с.
4. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород. - М.: Из-во МГГУ, 2004. – 224 с.
5. Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термодинамические процессы в горных породах. – М.: Недра, 1983. – 312 с.
