Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РАБОТУ РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Султаналиева Р.М. 1 Конушбаева А.Т. 1 Турдубаева Ч.Б. 1
1 Кыргызский государственный технический университет имени И. Раззакова
При переработке минерального сырья, с целью извлечения металлов и полезных компонентов, в технологические процессы дробления и измельчения вовлекается большой объем трудно измельчаемых руд и минералов. Использование для этих руд традиционных способов измельчения приведет к росту энергозатрат, интенсивному износу металлических частей мельниц, к значительным потерям извлекаемых металлов. В связи с этим необходимость разработки способов воздействия на горные породы, изменяющие их прочность в сторону уменьшения, определения работу разрушения, улучшающие раскрываемость минеральных зерен, применения экологически чистых технологий извлечения металлов из крепких руд, в настоящее время стала стимулом новых исследований влияния физических полей на механические свойства горных пород. Поэтому изучены зависимости, отражающие влияние температуры, под воздействием электромагнитных полей, на работу разрушения. В статье рассматривается аналитический подход определения работы разрушения крепких горных пород, с учетом изменения их физико-механических свойств. Устанавливается зависимость работы разрушения горных пород от температуры. Для определения работы разрушения горных пород были использованы образцы взятые из разных месторождений Кыргызстана. Исследуются прочностные свойства образцов до и после механического и электромагнитного воздействия.
крепкие горные породы
работа разрушения
предел прочности
напряжения
деформация
температура
1. Новые методы разрушения горных пород / Емелин М.А. и др. М.: Наука, 1996. 256 с.
2. Кичигин А.Ф. Аналитические исследования механизма разрушения горных пород // Сборник научных трудов. Караганда: Карагандинский политехнический институт, 1995. № 5. С. 15–20.
3. Трубецкой К.И., Викторов С.Д. Физические проблемы разрушения горных пород. М.: 2014. 260 с.
4. Гончаров С.А. Физико-технические основы ресурсосбережения при разрушении горных пород. М.: Изд. МГГУ, 2009. С. 350.
5. Окресс Э., Алыбин В.Г., Пастрон Э.Я., Шлифер Э.Д. Применение энергии СВЧ в производстве. М.: Наука, 2010. С. 345.
6. Елисеев В.В. Механика деформируемого твёрдого тела. СПб., 2006. С. 260.
7. Горная энциклопедия. М.: Издательство «МИФ», 2010. С. 350.
8. Султаналиева Р.М., Тажибаев К.Т. Энергосберегающий способ измельчения крепких руд // Труды Международного научного симпозиума «Неделя горняка-2015». ГИАБ. М.: Изд. «Горная книга», 2015. № 12. С. 76–83.
9. Султаналиева Р.М., Козубай И. Определение удельной энергоемкости разрушения строительных материалов // International scientific conference «Science, Technology and Higher Education» Strategic Studies Institute: материалы Международной конференции. Канада (Вествуд), 2017. С. 94–99.
10. Дьяконов В.П. MATLAB 6. Учебный курс. СПб.: Питер, 2011. С. 180.

По кинетической теории разрушение твердых тел происходит следующим образом. Приложение к телу внешней нагрузки вызывает напряжение межатомных связей. При этом вследствие неоднородности строения реальных тел на субатомном уровне внешняя нагрузка распределяется неравномерно по связям: возникают локальные напряжения. В этих местах энергия активации распада межатомных связей понижается особенно сильно. Именно в этих местах наиболее интенсивно идут процессы термофлуктуационного разрыва структурных связей. Здесь формируются очаги разрушения, развитие которых и заканчивается распадом тела на части.

Одним из способов разрушения крепких горных пород и руд является электротермический способ разрушения горных пород [1, 2].

Сравнение с электротермическими способами определения работы разрушения указывает на меньшую энергоемкость механического способа. Фактически же часто выгоднее производить разрушение пород немеханическими (термическим, электротермическим и др.) способами. Это обусловлено следующими факторами:

1) разрушение пород механическими способами возможно только весьма прочными износостойкими внедряющимися в породу рабочими органами при приложении к ним больших усилий;

2) механическое разрушение связано с поверхностным воздействием на породу, в результате чего в последней преобладают силы сжатия, в отличие от немеханических способов, при которых в процессе разрушения, как правило, основную роль играют растягивающие напряжения;

При термическом разрушении, как известно, все тепло, поступающее в горную породу, расходуется на нагрев ее до температуры, при которой термические напряжения достигают разрушающих [3–5].

Цель исследования: оценка возможности определения влияния температуры на работу разрушения образцов из разных горных пород.

Материалы и методы исследования

Для определения работы разрушения горных пород были использованы образцы взятые из разных месторождений Кыргызстана. Исследуются прочностные свойства образцов до и после механического и электромагнитного воздействия.

Рассматривается аналитический подход влияния одноосного сжатия на образцы правильной геометрической формы. Сжимающие усилия интенсивности P приводят к совершению работы разрушения горных пород. Работа А расходуется на разрыв связей в породе, на прорастание трещин; в конечном счете – на разрушение породы. Работа разрушения определяется по формуле [6]:

sultan01.wmf (1)

где β – коэффициент объемного теплового расширения породы; T – среднее значение температуры в объеме V0; Y0 – объемный модуль упругости породы.

Объемный модуль упругости породы:

sultan02.wmf (2)

где E – модуль Юнга, μ – коэффициент Пуассона.

Из уравнений (1) и (2) определяется работа разрушения:

sultan03.wmf (3)

Исследуемые образцы из песчаника и мрамора (h = 5 см; d = 4 см) цилиндрической формы соответствуют стандарту для проведения численных и экспериментальных исследований. Работа разрушения определена для трех одинаковых по объему образцов горных пород (песчаник, мрамор). Первый образец контрольный (без нагрева, при комнатной температуре 27 °С), другие образцы при влиянии электромагнитного воздействия до температуры 59 °С, 97 °С и 134 °С.

С помощью генератора высоковольтного переменного напряжения задаем различные значения разности потенциалов в концах исследуемого образца горной породы. При проведении трех значений высоковольтного переменного напряжения 2000 В, 2100 В, 2300 В и 2540 В, лазерный термометр регистрирует значения температур.

Температура образца изменяется от 27 °С до 134 °С под действием высокого напряжения переменного тока (стенд для создания разряда).

Результаты исследования и их обсуждение

Работа разрушения для песчаника с учетом следующих данных: V = 0,0000628 м3, Е = 1,8·104 МПа, µ = 0,25, β = 11,6·10-6 1/ °С и мрамора: V = 0,0000628 м3, Е = 5,6·104 МПа, µ = 0,25, β = 5,5·10-6 1/ °С [7–9], определена по формуле (3) с помощью программы Matlab [10].

Далее, используя результаты экспериментов (табл. 1 и 2), приводятся графики зависимости работы разрушения от внешней нагрузки при различных значениях температуры.

Таблица 1

Расчетные значения работы разрушения песчаника

Название горной породы

Р, кН

А, кДж, работа разрушения

1

Песчаник (исходный), при температуре 27 °С

30

2,92

2

70

6,83

3

110

10,74

4

150

14,64

5

190

18,55

6

230

22,45

1

Песчаник, при температуре 59 °С

30

2,11

2

70

4,94

3

110

7,77

4

150

10,59

5

190

13,42

6

230

16,25

1

Песчаник, при температуре 97 °С

30

1,29

2

70

3,01

3

110

4,73

4

150

6,45

5

190

8,17

6

230

9,89

1

Песчаник, при температуре 134 °С

30

0,59

2

70

1,38

3

110

2,16

4

150

2,95

5

190

3,74

6

230

4,52

 

Таблица 2

Расчетные значения работы разрушения мрамора

Название горной породы

Р, кН

А, кДж, работа разрушения

1

Мрамор (исходный), при температуре 27 °С

40

1,85

2

60

2,78

3

80

3,71

4

100

4,63

5

120

5,55

6

140

6,48

7

160

7,41

1

Мрамор, при температуре 59 °С

40

1,34

2

60

2,01

3

80

2,68

4

100

3,35

5

120

4,02

6

140

4,69

7

160

5,36

1

Мрамор, при температуре 97 °С

40

1,01

2

60

1,22

3

80

1,63

4

100

2,04

5

120

2,45

6

140

2,85

7

160

3,26

1

Мрамор, при температуре 134 °С

40

0,373

2

60

0,56

3

80

0,746

4

100

0,933

5

120

1,12

6

140

1,31

7

160

1,49

 

Поскольку в состав пород входят различные минералы, имеющие различные значения тепловых параметров, электрических и магнитных характеристик, температур фазовых переходов, то для некоторых пород достижение максимума предела прочности при сжатии σсж будет зависеть от температуры нагревания.

Как видно из графика, с увеличением температуры работа разрушения горных пород уменьшается, что подтверждается теорией разрушения горных пород (рис. 1 и 2).

sultaN1.wmf

Рис. 1. График зависимости работы разрушения от внешней нагрузки песчаника при различных температурах (t1 = 27 °С, t2 = 59 °С, t3 = 97 °С и t4 = 134 °С)

sultaN2.wmf

Рис. 2. График зависимости работы разрушения от внешней нагрузки для мрамора при различных температурах (t1 = 134 °С, t2 = 97 °С, t3 = 59 °С и t4 = 527 °С)

sultaN3.wmf

Рис. 3. График сравнения зависимости работы разрушения при температуре 134 °С для двух горных пород от внешней нагрузки (1 – песчаник, 2 – мрамор)

При сопоставлении двух образцов выявлено, что работа разрушения песчаника больше чем мрамора, при одинаковых ростах значений температуры (рис. 3).

Как видно из графика, с увеличением температуры работа разрушения горных пород уменьшается, что подтверждается теорией разрушения горных пород.

Выводы

1. Вычислена работа разрушения песчаника (это полиминерал) и мрамора (это мономинерал – кальцит) при комнатной и трех значениях повышенной температуры.

2. Выявлено, что с увеличением температуры работа разрушения этих горных пород уменьшается. При этом работа разрушения песчаника больше, чем мрамора, при одинаковых значениях температуры. Это можно объяснить тем, что коэффициент теплового расширения песчаника больше в два раза, чем у мрамора. А значение работы разрушения прямо пропорционально этому коэффициенту.


Библиографическая ссылка

Султаналиева Р.М., Конушбаева А.Т., Турдубаева Ч.Б. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РАБОТУ РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 11. – С. 101-104;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=12940 (дата обращения: 22.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074