Физика горных пород

1. Скальные  и полускальные породы.

     Механические свойства полускальных и скальных пород

    Скальные  и полускальные горные породы характеризуются  жесткими связями между составляющими  их частицами. По своим механическим свойствам они резко отличаются от мягких - сыпучих и связных - грунтов  и приближаются к твердым телам, изучаемым в сопротивлении материалов, почему иногда и называются твердыми горными породами.

    Скальные  и полускальные горные породы в большинстве  случаев являются вполне надежным основанием для сооружений, и только некоторые  из них - сильно трещиноватые, выветрелые, с ослабленными структурными связями - требуют специального изучения перед использованием их в качестве оснований сооружений.

    Механические  свойства твердых горных пород обычно характеризуют механической прочностью, твердостью и крепостью.

    Механической  прочностью твердых горных пород называют их способность сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих под нагрузкой.

    Различают механическую прочность на сжатие, растяжение, изгиб, срез и удар. Для  инженерно-геологических целей наибольший практический интерес представляет испытание твердых пород на сжатие.

    Прочность на сжатие характеризуют пределом прочности на сжатие , или временным сопротивлением сжатию, R_сж , под которым понимают величину напряжения, вызывающего разрушение образца при одноосном сжатии.

     Предел прочности на сжатие определяется по формуле:  

    где Р - нагрузка, при которой происходит разрушение образца испытуемой породы, в кг;

    F - площадь первоначального поперечного сечения образца в см² .

    Сопротивление породы сжатию зависит от ее минералогического  состава, текстуры, структуры, характера  цемента и степени выветрелости. Наибольшей прочностью характеризуются равнозернистые и мелкозернистые кристаллические породы - базальты, кварциты и др.

    Прочность пород в большинстве случаев  изменяется в различных направлениях, поэтому при испытаниях образцы  необходимо ориентировать с учетом условий их залегания.

    Различают пределы прочности при сжатии образцов:

• а) в воздушно-сухом состоянии,
• б) в водонасыщенном состоянии
• в) при естественной влажности.

    У некоторых полускальных пород (мертели, аргиллиты и др.) под влиянием увлажнения происходит уменьшение прочности. Это свойство называют размягчаемостью породы и характеризуют коэффициентом размягчаемости , который представляет собой отношение пределов прочности на сжатие после и до насыщения водой. Чем ниже коэффициент размягчаемости, тем больше снижается прочность породы при насыщении водой.

    Для изверженных пород коэффициент  размягчаемости практически равен единице. Осадочные породы, породы с глинистым или легко растворимым в воде цементом обладают низким коэффициентом размягчаемости (меньше 0,5). Определение коэффициента размягчаемости, как правило, производят только для полускальных пород с глинистым или другим слабым цементом. Предел прочности породы определяют путем раздавливания образцов правильной геометрической формы (куб, цилиндр) под прессом. Образцы цилиндрической формы высверливают на сверлильных станках с помощью специальных коронок. Образцы кубической формы изготовляют при помощи специальных дисковых пил (см. рис.). Подготовленные образцы шлифуют на шлифовальном станке. Правильность обработки плоскостей проверяют металлическим угольником или штангенциркулем. Размеры и формы образцов, а также характер обработки их поверхности и другие условия испытаний для различных материалов определяются ГОСТами и Техническими условиями, которые необходимо точно соблюдать при производственных испытаниях.  
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Процессы  обогащения полезных ископаемых.

    Общая информация

    При обогащении возможно получение как  конечных товарных продуктов (известняк, асбест, графит и др.), так и концентратов, пригодных для дальнейшей химической или металлургической переработки. Обогащение — наиважнейшее промежуточное звено между добычей полезных ископаемых и использованием извлекаемых веществ. В основе теории обогащения лежит анализ свойств минералов и их взаимодействия в процессах разделения — минералургия.

    Обогащение  позволяет существенно увеличить  концентрацию ценных компонентов. Содержание важных цветных металлов — меди, свинца, цинка — в рудах составляет 0,3-2 %, а в их концентратах — 20-70 %. Концентрация молибдена увеличивается от 0,1-0,05 % до 47-50 %, вольфрама — от 0,1-0,2 % до 45-65 %, зольность угля снижается от 25-35 % до 2-15 %. В задачу обогащения входит также удаление вредных примесей минералов (мышьяк, сера, кремний и т. д.). Извлечение ценных компонентов в концентрат в процессах обогащения составляет от 60 до 95 %.

    Операции  обработки, которым подвергают на обогатительной фабрике горную массу, подразделяют на: основные (собственно обогатительные); подготовительные и вспомогательные.

    Все существующие методы обогащения основаны на различиях в физических или  физико-химических свойствах отдельных  компонентов полезного ископаемого. Существует, например, гравитационное, магнитное, электрическое, флотационное, бактериальное и др. способы обогащения. 

    Технологический эффект обогащения

    Предварительное обогащение полезных ископаемых позволяет:

• увеличить промышленные запасы минерального сырья за счёт использования месторождений бедных полезных ископаемых с низким содержанием полезных компонентов;
• повысить продуктивность труда на горных предприятиях и снизить стоимость добываемой руды за счёт механизации горных работ и сплошной выемки полезного ископаемого вместо выборочной;
• повысить технико-экономические показатели металлургических и химических предприятий при переработки обогащённого сырья за счёт снижения затрат топлива, электроенергии, флюсов, химических реактивов, улучшения качества готовых продуктов и снижения потерь полезных компонентов с отходами;
• осуществить комплексное использование полезных ископаемых, потому что предварительное обогащение позволяет извлечь из них не только основные полезные компоненты, но и сопутствующие, которые содержатся в малых количествах;
• снизить затраты на транспортировку к потребителям продукции горного производства за счёт транспортироввания более богатых продуктов, а не всего объёма добытой горной массы, содержащей полезное ископаемое;
• выделить из минерального сырья вредные примеси, которые при дальнейшей их переработке могут ухудшать качество конечной продукции, загрязнять окружающую среду и угрожать здоровью людей.

    Переработка полезных искпаемых осуществляется на обогатительных фабриках, представляющих собой сегодня мощные высокомеханизированные предприятия со сложными технологическими процессами.

    Классификация процессов обогащения

    Переработка полезных ископаемых на обогатительных фабриках включает ряд последовательных операций, в результате которых достигается  отделение полезных компонентов  от примесей. По своему назначению процессы переработки полезных ископаемых разделяют  на подготовительные, основные (обогатительные) и вспомогательные (заключительные).

    Подготовительные  процессы

    Подготовительные  процессы предназначены для раскрытия  или открытия зёрен полезных компонентов (минералов), входящих в состав полезного  ископаемого, и деления его на классы крупности, удовлетворяющие  технологическим требованиям последующих  процессов обогащения. К подготовительным относят процессы дробления, измельчения, грохочения и классификации.

    Дробление и измельчение

    Дробление и измельчение — технологическая операция и процесс разрушения и уменьшения размеров кусков минерального сырья (полезного ископаемого) под действием внешних механических, тепловых, электрических сил, направленных на преодоления внутренних сил сцепления, связывающих между собой частички твёрдого тела.

    По  физике процесса между дроблением и  измельчением нет принципиальной разницы. Условно принято считать, что при дроблении получают частицы крупнее 5 мм, а при измельчении — мельче 5 мм. Размер наиболее крупных зёрен, до которого необходимо раздробить или измельчить полезное ископаемое при его подготовке к обогащению, зависит от размера включений основных компонентов, входящих в состав полезного ископаемого, и от технических возможностей оборудования, на котором предполагается проводить следующую операцию переработки раздробленного (измельчённого) продукта.

    Раскрытие зёрен полезных компонентов — дробления или (и) измельчения сростков до полного освобождения зёрен полезного компонента и получения механической смеси зёрен полезного компонента и пустой породы (микста). Открытие зёрен полезных компонентов — дробление или (и) измельчения сростков до высвобождения части поверхности полезного компонента, что обеспечивает доступ к нему реагента.

    Дробление проводят на специальных дробильных установках. Дроблением называется процесс разрушения твердых тел с уменьшением размеров кусков до заданной крупности, путем действия внешних сил, преодолевающих внутренное силы сцепления, связывающие между собой частицы твердого вещества.

    Грохочение и классификация

    Грохочение и классификация применяются с целью разделения полезного ископаемого на продукты разной крупности — классы крупности. Грохочение осуществляется рассевание полезного ископаемого на решето и ситах с калиброванными отверстиями на мелкий (подрешётный) продукт и крупный (надрешётный). Грохочение применяется для разделения полезных ископаемых по крупности на просевных (просеивающих) поверхностях, с размерами отверстий от частичек от миллиметра до нескольких сотен миллиметров.

    Грохочение осуществляется специальными машинами — грохотами.

    Классификация материала по крупности производится в водной или воздушной среде  и базируется на использовании различий в скоростях оседания частичек разной крупности. Большие частички оседают  быстрее и концентрируются в нижней части классификатора, мелкие частички оседают медленнее и выносятся из аппарата водным или воздушным потоком. Полученные при классификации крупные продукты называются песками, а мелкие — сливом (при гидравлической классификации) или тонким продуктом (при пневмоклассификации). Классификация используется для разделения мелких и тонких продуктов по зерну размером не более 1 мм.

    Основные (обогатительные) процессы

    Основные (обогатительные) процессы предназначены  для разделения исходного минерального сырья с раскрытыми или открытыми  зёрнами полезного компонента на соответствующие продукты. В результате основных процессов полезные компоненты выделяют в виде концентратов, а  породные минералы удаляют в виде отходов, которые направляют в отвал. В процессах обогащения используют отличия минералов полезного компонента и пустой породы в плотности, магнитной восприимчивости, смачиваемости, электропроводности, крупности, форме зёрен, химических свойствах и др.