В процессе извлечения полезных компонентов из крепких руд и минералов, для изменения механических свойств пород под воздействием физических полей, используются закономерности и механизмы процессов преобразования структурного состояния горных пород. При выборе рационального вида и режима физических полей для обработки минерального сырья необходимо знание этих закономерностей, позволяющих обеспечивать экономическую выгоду, эффективность и экологическую чистоту производства. Не полностью раскрывается механизм изменения свойств горных пород, происходящего под воздействием внешних полей, когда рассматриваем их как традиционные физические процессы. Только новые подходы, учитывающие разнородность горных пород, понимание механизма и причин структурных преобразований, позволяют обеспечить существенное уменьшение энергоемкости процесса измельчения. Характер изменения горных пород под воздействием физических полей зависит от различных факторов: минералогического состава и структуры пород, а также из вида воздействия физических полей. Для того чтобы получить необходимую информацию об изменениях структурного состояния происшедших на всех уровнях после воздействия физических полей, необходимо понимать, что произошло с горной породой. Структурное состояние горной породы используется для более полной характеристики состояния полиминеральных руд и минералов. Дефектность и напряженное состояние ее структурных элементов в целом можно понимать как структурное состояние горных пород [1, 2].
Структурные состояния горных пород в целом изменяются под воздействием физических полей. Под воздействием электромагнитного поля сверхвысоких частот рудосодержащие минералы нагреваются, а пустая порода вначале остается холодной. В связи с этим на границах раздела фаз возникают сильные термомеханические напряжения, приводящие к образованию новых микротрещин, и формируются остаточные напряжения, которые обуславливают изменение структурного состояния породы. Эти процессы приводят к уменьшению прочности пород в несколько раз [3, 4].
Цель исследования – оценка влияния воздействия полей СВЧ на структурные изменения минеральных зерен горных пород.
Материалы и методы исследования
В этой работе приведены результаты изменений структурного состояния горной породы под воздействием СВЧ-поля при определенном оптимальном времени. Для изучения изменений параметров структурного состояния использовались образцы из мрамора, отобранного из месторождения Токтозан, представляющие исходные состояния, т.е. до облучения и после СВЧ-облучения.
Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены из мрамора 6 образцов, и для каждого образца в исходном состоянии производилась съемка с помощью светового микроскопа марки Axio Imager .
Затем каждый из образцов по отдельности помещался в СВЧ-печь и подвергался нагреву от 1 до 7 мин. Для образцов мрамора после воздействия СВЧ-поля также производилась съемка с помощью микроскопа. Этапы выявления границ зерен при наших экспериментальных данных проводились следующим образом: шлифование, полирование. Шлифование проводилось на алмазных чашках. Полировка производилась на алмазных черепашках зернистостью № 30 (далее шлифовальный круг меняется на № 50, 100, 200, 400, 600, 800). Для количественной оценки зерен была использована программа ImageJ, программа ImageJ предоставлена на сайте http://rsb.info.nih.gov/ij/ [5]. Данная программа представляет собой независимый дистрибутив, написанный на языке JAVA и предназначенный для обработки, преобразований и широкого спектра аналитических процедур над цифровыми изображениями [6].
На рис. 1 представлена последовательность работы программы ImageJ, в главном окне приводится файл Open. Рабочий язык программы на английском языке.
Результаты исследования и их обсуждение
Для всех цифровых изображений образцов мрамора (в исходном и после воздействия СВЧ-поля) были определены площади границ зерен и гистограмма изображений.
На рис. 2. а, отображена структура мрамора в исходном состоянии, до облучения. Параметры измерения были заданы в микрометрах с помощью команды Analyze > Set Scale.
Команда Threshold используется для фиксирования границ зерен, выделяемые границы окрашиваются в красный цвет. Используя данную команду, можно автоматически или интерактивно настроить верхние и нижние значения порога для сегментирования области интерфейса и заднего фона изображения. На цифровых изображениях образцов горных пород при заданном значении границы выделятся красным цветом, а задний фон останется серым.
Затем, с помощью команды Analyze Particles, находится площадь объектов.
Рис. 1. Интерфейс программы ImageJ
а) б)
Рис. 2. а) исходная структура мрамора; б) работа команды Threshold
Рис. 3. Результат площадей границ зерен и гистограмма изображения
На следующем окне показан подсчет значений и общая площадь объектов. Для определения размеров исследуемых объектов используется поле Size. Если размеры цифровых изображений образцов или выделенные объекты на изображениях будут больше указанных, то они учитываются [5, 6]. На исходном образце (до облучения) подсчитаны все границы и показаны на рис. 3.
Площадь выделения на рисунке приведена как Area Distribution (если его нет, то всего изображения), подсчитывается в квадратных пикселях. Гистограмма изображения для исходного состояния образца показывает, что всего 4412 значений: 8,163 мкм – минимальный размер зерен, 283420,41 мкм – максимальный размер зерен.
Гистограмма цифрового изображения образца мрамора после воздействия СВЧ-поля за 1 мин показывает, что всего 1298 значений: из них 8,163 мкм – минимальный размер зерен; 36987,754 мкм – максимальный размер зерен.
Под воздействием СВЧ-поля, где время облучения составляет 3 мин, в гистограмме изображения всего 2190 значений: 8,1632656 мкм – минимальный размер зерен; 143020416 мкм – максимальный размер зерен.
В гистограмме изображения, где время облучения составляет 5 мин, всего 1091 значение: 8,163 мкм – минимальный размер зерен; 73240,812 мкм – максимальный размер зерен.
В гистограмме изображения, где время облучения составляет 7 мин, всего 1520 значений: 8,163 мкм – минимальный размер зерен; 52187,754 мкм – максимальный размер зерен.
На основе структурного анализа, полученного с помощью программы Image J для образцов мрамора, до и после СВЧ-облучения, были определены средние размеры блоков мозаики D, величины дислокации на границе блока мозаики ρD.
Как видно из таблицы, СВЧ-облучение в продолжительности 3 мин влияет также на деформационные характеристики горных пород, для мрамора (Новороссийск) происходит значительное уменьшение модуля упругости [7].
Рис. 4. Структура образца мрамора (время облучения 1 мин) после обработки на ImageJ
Рис. 5. Структура образца мрамора (время облучения 3 мин) после обработки на ImageJ
Рис. 6. Структура образца мрамора (время облучения 5 мин) после обработки на ImageJ
Рис. 7. Структура образца мрамора (время облучения 7 мин) после обработки на ImageJ
Деформационные характеристики и параметры структуры горных пород
|
Название породы |
Состояние породы |
Номер образца |
Модуль упругости, Е, МПа |
Коэффициент Пуассона, μ |
Плотность дислокаций, ρD ·10-10, см2 |
|
Мрамор (Новороссийск) |
исходное |
1 |
0,76 |
0,18 |
9,4 |
|
после облучения |
3 |
0,3 |
0,40 |
29 |
Выводы
На основе результатов исследований структурного анализа исследуемых образцов мрамора можно сделать следующие выводы:
1. Поле сверхвысоких частот влияет на механические характеристики и на диаграмму деформирования образцов исследуемой горной породы. Воздействие СВЧ-облучения приводит к структурным изменениям в горных породах в зависимости от минералов, а это приводит к неоднозначному измению плотности дислокации на границе блока.
2. После обработки результатов программой ImageJ гистограмма значений показала следующие результаты: количество зерен после облучения изменяется неоднозначно, для 1 мин и 5 мин воздействия СВЧ-волн приводит к уменьшению зерен мрамора, а для 3 мин и 7 мин, наоборот, увеличивается плотность дислокаций на границе зерен.
3. Изменение плотности дислокаций во время воздействия СВЧ-волн приводит к упругим искажениям кристаллической решетки горных пород и создает многочисленные препятствия к перемещению дислокаций. Структурные изменения приводят к уменьшению упругих характеристик, в том числе прочности зерен мрамора при СВЧ-воздействии.
Полученные результаты хорошо согласуются с данными, ранее полученными другими методами.