Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

RESEARCH INFLUENCE OF TEMPERATURE ON WORK OF DESTRUCTION STRONG ROCKS

Sultanalieva R.M. 1 Konushbaeva A.T. 1 Turdubaeva Сh.B. 1
1 Kyrgyz State Technical University named after I. Razzakov
In the processing of mineral raw materials, in order to extract metals and useful components, a large volume of hard-to-grind ores and minerals are involved in the technological processes of crushing and grinding. The use of traditional grinding methods for these ores will lead to an increase in energy consumption, intensive wear of the metal parts of mills, and significant losses of recoverable metals. In this regard, the need to develop methods for influencing rocks that change their strength in the direction of decrease, determine the work of destruction, improve the detection of mineral grains, use environmentally friendly technologies for the extraction of metals from hard ores, has now become an incentive for new studies of the influence of physical fields on mechanical rock properties. Therefore, the dependences reflecting the influence of temperature, under the influence of electromagnetic fields, on the work of destruction are studied. The article considers the analytical approach to determining the work of destruction of strong rocks, taking into account changes in their physical and mechanical properties. The dependence of the work of rock destruction on temperature is established. Samples taken from different deposits of Kyrgyzstan were used to determine the work of rock destruction. The strength properties of samples are studied before and after mechanical and electromagnetic effects.
strong rocks
work of destruction
tensile strength
stresses
deformation
temperature

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.