автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка способа повышения обогатимости железистых кварцитов при их термической отбойке от массива

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

ЖУРИНА Елена Николаевна

УДК 622.236.3

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ОБОГАТИМОСТИ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ ПРИ ИХ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОТБОЙКЕ ОТ МАССИВА

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. ГОНЧАРОВ С. А.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, доц. РЫБИН В. М., канд. техн. наук БОГОМОЛОВ А. А.

Ведущее предприятие — АООТ Фирма «Рудпром» (г. Москва).

Защита диссертации состоится « » . 1994 г.

в УЯ-. час. на заседании специализированного совета К-053.12.05 в Московском государственном торном университете тю адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « ¥7. » . . . 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, лроф. КРЮКОВ Г. М.

Актуггакостэ рйвота. Перед горнорудной промышленностью стоит задача разработки и внедрения комплекса мероприятий по экономии топливно-энергетических ресурсов, сокращения потерь минерального сырья. Важность решения этой задачи возрастает с вовлечением в разработку труднообогатимнх руд, характеризующихся высокой прочностью, мелкими зернами извлекаемых шшераг лов, тонкой слоистостью.

Для снижения прочности руды и повышения раафытия рудных минералов могут быть использованы механический, гермичесгсий, электрофизический и другие способы направленного воздействия которые приводят к зарождению микротрещин, развитию их по границам верен.

Актуальность практического применения физических способов направленного воздействия на руду возрастает при рассмотрении экологической обстановки на территории, прилегающей к горнопромышленным предприятиям, где буровзрывной способ отбойки и последующие процессы дробления и измельчения являются источниками загрязнения окружающей среды.

Проблема создания экологически чистого горнорудного предприятия и разработки способа безвзрывной отбойки руд, обеспечивающей заданный грансостав горной пассы,. позволяющий отказаться от части технологических операций последующего передела, имеет в настоящее время важное значение.

Научные исследования и практическое использование термического и электротермического способов разрушения показывают

- 1 -

техническую возможность их применения для разработки месторождений железистых кварцитов. Углубление познаний физической сущности процессов термического разрушения неоднородной среды, изучение причин разупрочнения пород при термическом воздействии позволит ускорить решение проблемы рудоподготовки железных руд, уменьшить энергоемкость и затраты рудоподготовитель-ных процессов, снизить потери сырья.

Изложенное определяет актуальность исследований по оценке теплового воздействия на прочностные свойства железистых кварцитов, на показатели их дробления и измельчения, раскрытие рудных зерен. Изучению этих вопросов и посвящена диссертационная работа.

Цохьи работы является разработка способа повышения эффективности процессов рудоподготовки и обогащения, снижение энергоемкости дробления и измельчения железистых кварцитов за счет улучшения степени раскрытия рудных зерен, разупрочнения руды на уровне минеральных сростков и макроуровне при ее термической отбойке. '

- Осшакая щза работы заключается в использовании эффектов, проявляющихся в железистых кварцитах при тепловом воздействии, обеспечивающих направленное разрушение и разупрочнение руды по границам основных породообразующих минералов.

Пагода шсдадовз;сгя. В работе использован комплекс методов^ включающий в себя:- обобщение и анализ известных результатов исследования прочностных свойств горных пород и их разупрочнения под воздействием различных физических полей;

- обработка результатов экспериментов с применением методов математической статистики;

- аналитические расчета с применением численных методов для опенки напряженно-деформированного состояния неоднородных тел при тепловом воздействии!!;

- лабораторные эксперименты по определению энергоемкости измельчения железистых кварцитов и показателей обогатимостн способами гранулометрического, химического и магнитного анализов;

- натурные исследования процесса терморазрушения железистых кварцитов.

Научная гяятзка полученных результатов заключается в следующем:

- установлены закономерности формирования напряженно-деформированного состояния зерен минералов при термическом воздействии в неоднородной среде "гематит-кварц" и "магнетит-кварц";

- установлено наличие диапазона крупности продуктов термического разрушения, характеризующегося минимальным значением энергоемкости иамелъчент и ее зависимость от времени для различных классов крупности;

- разработана методика инженерного расчета генератора инфракрасного излучения для термической отбойки, обеспечивающей разупрочнение межзерновых связей в железистых кварцитах.

Обоснованность н достозергккпь научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью постановки решаемых задач, результатами натурных и лабораторных исследований, высокой достоверностью используемых з работе аппроксимаций, сходимостью результатов, полученных различными методами, положительными результатами производственных испытаний термического способа разрушения.

Научная и практическая ценкость работы заключается в разработке рекомендаций по основным технологическим параметрам процессов рудоподготовки и разработке методики инженерного расчета генератора инфракрасного излучения для термической отбойки железистых кварцитов.

Внедрение рекомендаций, полученных на основе теоретических и экспериментальных исследований, позволит снизить энергоемкость измельчения продуктов термического разрушения, повысить качественные и количественные показатели обогащения. Создание и внедрение агрегата для термической отбойки железистых кварцитов, рабочим органом которого является генератор инфракрасного излучения со сплошным излучателем, позволит решить проблему создания малооперационной экологически чистой безвзрывной технологии разработки железистых кварцитов, позволяющей отказаться от части технологических операций последующего передела.

Расчетный экономический аффект при использовании электротермического агрегата для отбойки железистых кварцитов от мас-сигл при энергоемкости отбойки 50 кВт-ч/т составит б¡25 млн.руб/год (в ценах 1990 года).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры "Физика горных пород и процессов" МГГУ и технических советах Михайловского ГОКа.

Пу&вкащш. По результатам выполненных исследований опубликовано 2 работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста; содержит 35 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы из 124 наименований и 1 приложения.

- 4 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время ведется интенсивный поиск путей снижения энергоемкости процессов дробления и измельчения посредством изменения параметров БВР, использования электрогидродина-мичесюзго,. электромагнитного и акустического воздействия на горние породы. Для железистых гаарцитов наиболее эффективны способы тейлового воздействия на массив, улучшающие технологические свойства рудного сырья (раскрываемость зерен, энергоемкость разрушения и т.п.) одновременно с отбойкой горной массы. Однако использование теплового воздействия и эффектов, возникающих при этом воздействии, рассматривается как вспомогательный процесс в ходе основного технологического цикла без учета возможности снижения общих энергетических затрат.

Несмотря на детальную разработку и широкое применение аналитических, численных и экспериментальных методов для определения полей напряжений и деформаций при тепловом воздействии на горные породы, вопросы о влиянии свободных поверхностей, неоднородности строения и теплового воздействия на напряженно-деформированное состояние горных пород практически не исследованы.

Возможность термической отбойки келеэнстых кварцитов от массива обоснована и теоретически, и экспериментально, однако, наработка исходных данных для создания малооперационной безвзрывной технологии добычи руды не макет быть осуществлена в процессе только лабораторных и стендовых испытаний по причине масштабного эффекта.

В результате проведенного анализа при выполнении исследо-• - б -

ваний были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать формирование термоналряжений при нагревании неоднородной среды ограниченных размеров с изменяемой геометрией включений.

2. Экспериментально установить зависимости энергоемкости измельчения железистых кварцитов, отбитых термическим способом, от интервала времени между процессами отбойки и измельчения и от крупности продуктов терморазрушения.

3. Разработать методику определения рациональных параметров генератора инфрокрасного излучения для термической отбойки железисных кварцитов, обеспечивающего конкурентоспособные технико-экономические показатели по конечному продукту (готовому концентрату).

С целью установления зависимостей формирования напряженно-деформированного состояния зерен основных породообразующих минералов при термическом воздействии решен ряд задач о распределении напряжений и деформаций численным способом с применением метода конечных элементов. Исходя из аналиа формы зерен, проведенного на основе группировки, предложенной В.И.Пи-роговым, рассмотрено напряженное состояние (НС) минеральных сростков в форме "брусков", характеризующихя в своей средней части условиями плоской деформации, и сростки изометрической формы, НС которых не может быть сведено к плоской задаче.

Предполагалось, что напряжения в материале обусловлены изменением температурного поля и различием деформационных и теп-лофизических параметров материалов (кварц: модуль Юнга Е-9бГПа, коэффициент Пуассона \М),08, коэффициент линейного расширения В-1,3-10"5 1/К; гепатит: Е-212 ГПа, у-0,14, 3-0,8-Ю"5 1/К;

- 6 -

магнетит: Е-105 ГПа, \>-0,2, а-1,6-10"5 1/К ). Влияние собственного веса не учитывалось, температура в расчетах изменялась в пределах 250-1000°с и оставалась одинаковой во всех точках расчетных областей. Минералы предполагались линейно-деформируемыми, упругими, изотропными и однородными в пределах одного типа минерала. Напряжения сжатия принимались положительными.

Вычисления выполнялись на ЭВМ ЕС 1045 с использованием программы, имеющей в своей основе алгоритм, предложенный Ю.Н.Ефимовым и Сапожниковим ( ВНИИГ им. Веденеева ). Проведение тестовых расчетов для областей с известными ан&татическиии решениями ( Тимошенко С.П. ) показало удовлетворительную сходимость численных и аналитических решений ( погрешность не более 5 - 10Х ) даже при сравнительно грубой сетке МКЭ.

Анализ полученного репения позволил установить следующее.

Установлены закономерности формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) полиминеральных сред конечных размеров, типичным представителем которых являются продукты термической отбойки железистых кварцитов.

НДС определяется геометрическими параметрами отбитого полиминерального сростка, соотношением геометрических и физико-механических параметров слагающих сростков минералов и интенсивностью внешнего воздействия (температуры).

Для однородных минералов ограниченных размеров напряжения определяются помимо температуры и значений коэффициента линейного расширения а и модуля Юнга Е преимущественно геометрическими параметрами минералов.

Для неоднородных сростков преимущественное влияние имеет соотношение произведений коэффициента теплового линейного расширения и модуля Юнга (3-Е) минералов, слагающих сросток.

- 7 -

Неоднородность сростков увеличивает действующие напряжения не менее чем на два порядка ( 300-500 раз как при сжатии, так и при растяжении ), дифференциация линейно увеличивается с ростом температуры.

В гематит-кварцевых сростках в зернах кварца ( маленькое значение произведения 8-Е по сравнению с гематитом ) формируются растягивающие напряжения, а в гематите-сжимающие. В магнетит-кварцевых сростках в зернах кварца ( большое значение произведения В-Е по сравнению с магнетитом ) формируется зона сжатия, а в магнетите - растяжения. Переход от сжатия к растяжению. в обоих случаях происходит параллельно границам минералов (рис.1,2).

Качественная картина сохраняется для условий объемного и плосконапряженного состояний.

Полученные результаты позволили выдвинуть предположение о существовании в продуктах термического разрушения остаточных напряжений и микроповреждений, могущих существенно повлиять на энергоемкость последующего измельчения традиционными способами. Поскольку эти явления в настоящее время практически не поддаются аналитическому или--численному анализу, предположение было проверено экспериментально в лабораторных условиях. При этом влияние совокупности уьсазаннкх факторов изучалось посредством выявления зависимости энергоемкости измельчения от времени с момента отбойки железистых кварцитов и от крупности продуктов термического разрушения.

Исследования проводились на продуктах разрушения - окисленных и неокисленных железистых кварцитах - газовой беспламенной горелкой ГБПш-280 и из навалов термического шлама, полученного после расширения скватан станками огневого бурения

- 8 -

5)

сраеток с содержанием кИирцс 50% О ухашни? грахщы разЗ&юнш ттралеЗ

— сросток о содержанием кйарцз: 60% ф указс-чие границы ртЯелеиия панррялоб

р!'с. 1, Распрехгелвшо нпптетшняй в гематит-кварцевых сростках по характерным лшшот сечений: а/ в центре сростка перпендикулярно контакту; б/ на свободной поверхности сростка перпендикулярно контакту,

«о

100 60 во АО 20 о -¡о

•40 •60 -60

еимгк

✓ \ 1 \ А \

г 1

V------

^ ^----

ф

*у-о

ф

у* 0,1 МП

— сросток с содержанием кбарца 30% ф указание границы разделения минерамА

сросток с содержанием кбарца 60% О указание границы разделения тшраааб

Рис. 2. Распределение напряжений в магнетит-кварцевых сростках пв характерна» линиям сечений: а/ в центре сростка перпендикулярно контакту; б/ на сво^олной поверхности сростка перпендикулярно контакту.

СБШ-250 МНР.

Проба исходной руды делилась методом квартования на необходимое количество частей, каждая из которых в определенный момент времени после отбойки измельчалась. Для оценки энергоемкости измельчения по классам крупности исходная руда рассеивалась выделением классов -100+5 мм, -б+З мм, -3+1,2 мм, -1,2+0 мм.

Проведение всех экспериментов на мельнице постоянной мощности в течение фиксированного промежутка времени позволяет выполнить сравнительную оценку энергоемкости измельчения для проб равной массы. В нашем случае использовалась мельница "Рольганг" мощностью 1,1 кВт, масса навески 200 г, время измельчения 23 мин, готовый класс крупности, по выходу которого проводилось сравнение, -0,05+0 мм.

Выявление зависимостей относительной энергоемкости измельчения железистых кварцитов от времени и крупности отбитого материала произведено методами стандартного статистического анализа. Уровень значимости для статистических выводов принимался не ниже 80Z.

Проведенные исследования показали, что зависимость относительной энергоемкости измельчения от крупности и времени имеет сложный характер. При неизменном значении времени зависимость a-f(d) имеет квадратичный характер, а для выделенных по классу крупности проб зависимость Э-f (t) линейна, причем коэффициенты регрессии сильно* (вплоть до смены знака) изменяются для разных классов крупности.

Поскольку зависимости Э-f(d) существенно нелинейны, то как для продуктов разрушения неокисленных и окисленных железистых кварцитов, полученных в результате их термической от-

11 -

Сойки, существует диапазон крупности, характеризующийся минимальным значением относительной энергоемкости измельчения в пределах 0,89-1,20 (относительных единиц) для неокисленных и 1,11-1,22 (относительных единиц) для окисленных железистых кварцитов.

Установлено критическое значение размера продуктов термического разрушения железистых кварцитов, ниже которого энергоемкость их измельчения уменьшается с увеличением времени с момента их термической отбойки от массива и, выше которого -увеличивается.

Значение диаметра продуктов термического разрушения, железистых кварцитов.обладающих минимальным значением энергоемкости измельчения, связано со временем после их термической отбойки следующей зависимостью;

для неокисленных железистых кварцитов:

d - 19,590 t"0'048 - 15,567, (1)

для окисленных железистых кварцитов: \>ч

d - 18,105 Г0'065 - 12,529. (2)

• Влияние фактора времени существенно для классов крупности + 100 + 1,0, для более мелких классов снижение энергоемкости требует весьма значительных промежутков времени.

Для создания методики инженерного расчета основных технологических параметров агрегата для электротермической отбойки железистых кварцитов (температура излучающей поверхности, величина удельного теплового потока, крупность продуктов разрушения, производительность, скорость перемещения агрегата) необходимо знать помимо типа разрушаемого материала минимально необходимую температуру разрушения породы, время теплового воздействия для устойчивого процесса шелушения.

- 12 -

Определение температуры, при которой в железистых кварцитах возникают напряжения, достаточные для разрушения сростков по контактам основных породообразующих минералов, выполнено на основе анализа напряженного состояния, полученного численными расчетами, в точках, принадлежащих границам раздела минералов. При этом рассчитывалось напряженное состояние, обусловленное равномерным нагревом неоднородных сростков для диапазона температур (ДТ-500°С). В качестве критерия разрушения принят критерий Кулона-Мора. Установлено, что температура 100-300°С достаточна для разрушения породы по межэеренным границам основных породообразующих минералов. Используя это значение температуры, произведен расчет необходимой, температуры излучающей поверхности рабочего органа электротермического ?гоегата в зависимости от величины создаваемого ей удельного теплового потока для различных типов пород.

Для количественной оценки времени воздействия на массив с целью устойчивого процесса разрушения в условиях Михайловского ГОКа был проведен эксперимент, в ходе которого установлено,что средняя продолжительность теплового воздействия составляет 70 с (изменяясь от 40 до 108 с), при работе горелки ГБПШ-280.

Из анализа зависимости производительности электротермического агрегата от величины плотности теплового потока и времени, затрачиваемого на отбойку, установлено, что работа агрегата в диапазоне 100-150 кВт/м2 позволит обеспечить высокие значения объема отбиваемой породы.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета основных технологических•параметров электротермического воздействия на породы, позволяющие проектировать электротермические

- 13 -

органы агрегатов и технические требования к их конструкциям.

Методика расчета заключается в следующем:

1. Исходя из требуемой температуры разрушения Тп при которой происходит разупрочнение и разрушение руды по межзерен-ным границам, параметров, характеризующих теплопередачу излучатель - порода ЕПр. б", а также, выбрав значение удельного теплового потока из диапазона рациональных значений, соответствующих максимальному объему разрушения, определяется температура излучающей поверхности рабочего органа электротермического агрегата:

Ти - л / -3-т. " Тп . К , (3)

V £пр -О

где ЕПр - приведенная степень черноты для системы двух тел;

б* - 5,67 -10"8 Вт/м2'К4 - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

2. Размер отделяемых шелушек связан с величиной удельного теплового потока известной зависимостью:

32-я-Х-бр ... Н *----- , м , (4)

где Л - теплопроводность породы, Вт/м 'К; бр - предел прочности на растяжение, Па; к - коэффициент пластичности; V - коэффициент Пуассона; ■ q - плотность излучения, Вт/м2; В - коэффициент теплового расширения, К"1 ; Е - модуль Юнга, Па.

3. Время цикла между отделениями двух, следующих одна за другой шелушек равно:

Ьц

4-с-р-б /л-а

(5)

где с - теплоемкость, Дж/(кг "К); р - плотность, кг/м3; а - температуропроводность породы, м2/с.

4. Время цигла и толщина шелушки определяют линейную, объемную скорости и производительность отбойки:

3600

0Л---- . н , м/ч , (6)

Сц

«об ■ «л ■ Я ■ М3/Ч , (7)

*»м - *>об • р . т/ч •• (8)

где Э - площадь рабочего органа агрегата, м2.

Обеспечение данной производительности возможно при соблюдении дополнительных условий, оптимизирующих как работу агрегата, так и последующие процессы передела.

Основным из этих условий являются:

1. Перемещение излучателя параллельно забою должно осуществляться с "такой скоростью, чтобы каждый элемент массива находился под воздействием излучателя в течение времени устойчивого процесса разрушения

Очевидно, что скорость движения зависит от линейных размеров излучателя I:

V - Ь / Ьу . м/с. (9)

2. Угол наклона рабочего органа к горизонту, с одной стороны, должен Сыть максимальным для наилучшего удаления продук-

- 15 -

тов разрушения, а с другой - обеспечивать формирование устойчивого уступа массива. Последнее условие является решающи и поэтому угол наклона равен:

1 - б1П<Р где Р - нагрузка на уступ, Па;

С" - сцепление породы, Па;

<Р - угол внутреннего трения, градус.

Дальнейший передел продуктов разрушения в зависимости от

их крупности макет быть также оптимизирован в соответствии с

ранее установленными закономерностями.

В диссертационной работе решена актуальная задача повышения эффективности процессов рудоподготовки и обогащения, снижения энергоемкости дробления и измельчения железистых кварцитов за счет повышения полноты раскрытия рудных зерен, разупрочнения руды на уровне минеральных сростков и макроуровне при термической отбойке.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

1. Напряженно-деформированное состояние полиминеральных сред конечных размеров, типичными представителями которых являются продукты термического разрушения железистых кварцитов, определяется геометрическими параметрами отбитого полиминерального сростка, соотношением геометрических и физико-механических параметров слагающих сросток минералов и интенсивностью

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

внешнего воздействия (температуры).

При термическом воздействии напряжения, возникающие в неоднородных материалах, помимо температуры определяются их геометрическими размерами и соотношением значений характеристик физика-механических свойств - коэффициента линейного расширения в и модуля Юнга Е. Для неоднородных сростков преимущественное влияние имеет соотношение произведений С-Е минералов, слагающих сросток.

В гематит - кварцевых сростках при нагреве в кварце формируются растягивающие напряжения, а в гематите - сжимающие. В магнетит- кварцевых сростках в магнетите формируется зона растяжения, в кварце - сжатия.

Переход от сжатия к растяжению происхо, • г параллельно границам разделения минералов.

Напряжения в неоднородных сростках в 30СН500 раз выше, чем в однородном материале, дифференциация линейно увеличивается с ростом температуры.

2. Установлено, что относительная энергоемкость измельчения продуктов термического разрушения характеризуется наличием минимума, равного 0,89-1,20 (отн.ед.) для неокисленных и 1,11-1,22 (отн.ед.) для окисленных железистых кварцитов. Существует критическое значение размера продуктов термического разрушения железистых кварцитов, ниже которого энергоемкость их измельчения уменьшается с увеличением времени после их термической отбойки от массива и выше которого - увеличивается.

Минимальное значение энергоемкости определяется крупностью продуктов разрушения и временем после отбойки в соответствии с зависимостями:

для неокисленных железистых кварцитов

<1-19,590Ь~0'048 - 15,567,

для окисленных железистых кварцитов

сМ8,105Г0-065 - 12,529.

3. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены значения параметров, входящие в ранее известные зависимости определения технологических параметров электротермического разрушения. Температура, при которой в железистых кварцитах возникают напряжения, достаточные для разрушения сростков по контактам основных породообразующих минералов, составляет 100-300°С.

Продолжительность теплового воздействия для устойчивого процесса термического разрушения в условиях Михайловского ГОКа составляет 70 с.

4. Разработана методика инженерного расчета основных технологических параметров электротермического агрегата, выполнен расчет и разработано техническое задание на создание агрегата с электротермическим исполнительным органом площадью 55 м2 для отбойки железистых кварцитов при открытой разработке.

5. На основе технико-экономического анализа эффективности использования выемочного комплекса с электротермическим разрушением массива в схеме малооперационной поточной технологии разработки экономически обосновано использование агрегата для термической отбойки железистых кварцитов в составе этого комплекса при энергоемкости разрушений 67 кВт-ч/т.

Расчетный экономический эффект при использовании электротермического агрегата при энергоемкости отбойки 50 кВт-ч/т составит 6,25 млн. руб./год (в ценах 1990 года).

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Журина E.H., Особенности изменения энергоемкости измельчения продуктов терморазрушения железистых кварцитов. В сб.:Физические процессы горного производства. -М.: МГИ, 1990, С. 15-17.

2. Журина E.H. Расчет напряжений, вызванных нагреванием в неоднородной среде ( на примере гематит-кварцевых сростков). - М.: МГГУ, ГИАБ N2, 1993, 17 с.

Подписано в печать 20.05.1994 г Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Формат 60x90/16 Заказ N ^^

Типография Московского государственного горного университета, Ленинский пр. 6.