Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка современного состояния практики применения и исследований традиционных и физических способов дезинтеграции золотосодержащих глинистых песков россыпей 19
1.1. Состояние и перспективы освоения высокоглинистых россыпных месторождений 19
1.2. Анализ и обобщение практики дезинтеграции глинистых и высокоглинистых песков россыпей 20
1.3. Основные геомеханические и технологические особенности высокоглинистых золотосодержащих песков россыпей 30
1.4. Оценка ранее выполненных и обзор выполняемых исследований в области дезинтеграции высокоглинистых золотосодержащих песков россыпей 41
1.5. Цель, задачи и методы исследования 50
2. Аналитические обоснования основных физических параметров ультразвукового воздействия на высоко глинистые золотосодержащие пески 54
2.1. Исходные положения 54
2.2. Выделение основных физических и геомеханических особенностей высокоглинистых песков россыпей как исходных объектов дезинтеграции.. 56
2.3. Определение влияния физических волновых воздействий на минеральную дисперсную среду 64
2.4. Установление основных параметров ультразвукового воздействия на неводонасыщенные высокоглинистые золотосодержащие пески россыпей 70
2.5. Установление основных параметров ультразвукового воздействия на водонасыщенные высокоглинистые золотосодержащие пески россыпей
2.5.1. Определение равновесной плотности, эффективной сжимаемости и равновесного значения волнового сопротивления песков 87
2.5.2.0пределение физико-механических свойств водонасыщеиных высоко глинистых золотосодержащих песков 91
2.5.3. Сравнительный анализ физико-механических свойств водонасыщеи ных по сравнению с неводонасыщенными высокоглинистыми золото содержащими песками 96
2.5.4. Установление основных параметров ультразвукового воздействия на водонасыщенные высокоглинистые пески 98
2.6. Сравнительная оценка ультразвукового воздействия на водонасыщенные и неводонасыщенпые высокоглинистые золотосодержащие пески 105
2.7. Определение основных параметров затухания интенсивности ультразвукового излучения при его воздействии на неводонасыщенные высокогли нистые пески 107
Выводы 111
3. Экспериментальные исследования ультразвуковой дезинтеграции высокоглинистых золотосодержа щих песков россыпей 116
3.1. Постановка экспериментальных исследований 116
3.2. Методика экспериментальных исследований механической дезинтеграции глинистых песков 119
3.3. Результаты экспериментальных исследований механической дезинтеграции высокоглинистых песков
3.4. Методика проведения экспериментальных исследований изменения состояния песчано-глинистой составляющей минеральной гидросмеси при ультразвуковом на нее воздействии после механического влияния 124
3.5. Результаты исследования ультразвуковой дезинтеграции минеральной гидросмеси после механического воздействия на нее 129
Выводы 134
4. Разработка математической модели образования дисперсоида при ультразвуковой дезинтеграции минеральной гидросмеси 136
4.1. Исходные положения 136
4.2. Структурная трансформация минеральной гидросмеси при изменении интенсивности ультразвукового воздействия, дисперсности, удельной поверхностной энергии и некоторых других факторов 139
4.3. Оценка адекватности полученной эмпирической и теоретической зависимостей
4.3.1. Методика оценки погрешности и адекватности предполагаемого аналитического выражения 144
4.3.2. Оценка относительной погрешности и адекватности предполагаемого аналитического выражения 145
Выводы 148
5. Оценка экономической эффективности ультразвуковой дезинтеграции высокоглинистых золотосо держащих песков 149
5.1. Обоснование методики оценки экономической эффективности ультразвуковой дезинтеграции высокоглинистых песков и их гидросмеси 149
5.2. Определение основных параметров ультразвукового воздействия на песчано-глинистую составляющую гидросмеси при различном соотношении масс минеральной составляющей и воды 150
5.3. Оценка экономической эффективности ультразвуковой дезинтеграции высокоглинистых золотосодержащих песков и их гидросмеси 156
5.4. Качественная оценка экологической эффективности использования
ультразвуковой дезинтеграции высокоглинистых песков и их гидросмеси 165
Выводы : 166
Заключение 169
Список использованных источников
- Основные геомеханические и технологические особенности высокоглинистых золотосодержащих песков россыпей
- Установление основных параметров ультразвукового воздействия на неводонасыщенные высокоглинистые золотосодержащие пески россыпей
- Результаты экспериментальных исследований механической дезинтеграции высокоглинистых песков
- Методика оценки погрешности и адекватности предполагаемого аналитического выражения
Введение к работе
Актуальность работы. Влияние полей ультразвуковых частот на горные породы и минералы при добыче и переработке полезных ископаемых в настоящее время привлекают все более пристальное внимание исследователей. Тенденция снижения и нестабильность содержания ценного компонента, высокоглинистость песков россыпей и повышенное содержание в них мелкого и тонкого золота, загрязнение природной среды и возрастающие требования повышения полноты извлечения из недр полезных ископаемых требует использования совершенных способов, технологий и систем разработки нового уровня, основанных на эффективных методах воздействия, исключающих дополнительную нагрузку на окружающую среду. Согласно данным геологических и технологических исследований, многие золотосодержащие россыпи имеют повышенное и высокое содержание глин - от 30 до 78%. Обобщение данных около 290 россыпных месторождений показало, что многие из них могут быть отнесены к сложным по условиям переработки золотосодержащих песков вследствие малых размеров содержащихся в них частиц золота. Особую трудность создает сочетание в одном объекте таких неблагоприятных факторов, как высокая глинистость песков и значительное содержание в них мелкого золота (фракции менее 0,5 мм составляют в 49 случаях от 55 до 100 %, а размер золотин менее 0,1 мм составляет до 26%).
Широко применяемые технологии добычи и переработки песков с использованием механического или гидромеханического воздействий приемлемы, по существу, для песков с низким (до 25 %) содержанием глинистой составляющей. При этом потери мелких частиц золота, по имеющимся оценкам, составляют более 58 %.
Эффективная разработка россыпных месторождений с существен
ным снижением потерь золота возможна при использовании ультразвуко
вого воздействия на высокоглинистые исходные пески и их гидросмеси.
Однако задача установления основных параметров ультразвуковой дезин
теграции, при которой обеспечивается эффективное разрушение жестких
структурных связей между твердыми частицами глинистых песков, а также
песчано-глинистой составляющей их гидросмесей до последнего времени
еще не была решена. v-,
Диссертация выполнена в соответствии с госбюджетными темами^ Института горного дела Дальневосточного отделения РАН: в 1995 Ч. Vі
2000г.г. - "Разработка научных основ эффективной и безопасной добычи руд (ГР № 01960003060) и в 2001-2009г.г. - "Развитие научных основ и способов геотехнологии добычи руд цветных и драгоценных металлов" (ГР№ 01.2.00 108180).
Цель работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании основных параметров ультразвуковой дезинтеграции, обеспечивающих эффективное разрушение жестких структурных связей высокоглинистых золотосодержащих песков, а также песчано-глинистой составляющей их гидросмесей при освоении россыпей.
Идея работы заключается в том, что повышение эффективности извлечения мелкого и тонкого золота из высокоглинистых песков россыпей обеспечивается на основе установления и использования рациональных параметров ультразвуковой дезинтеграции золотосодержащих песков.
Объект исследований: ультразвуковая дезинтеграция высокоглинистых песков золотоносных россыпей.
Предмет исследований: основные параметры ультразвукового воздействия на минеральную среду и характер разрушения высокоглинистых песков в ультразвуковом поле.
Задачи исследований:
- установить величину напряжений сжатия-растяжения и сдвига в за
висимости от водосодержания высокоглинистых песков с разным типом
пластичности при ультразвуковом воздействии на них;
определить основные параметры ультразвуковой дезинтеграции золотосодержащих высокоглинистых песков в неводонасыщенном и водо-насыщенном состояниях;
выполнить сравнительную оценку ультразвуковой дезинтеграции водонасыщенных и неводонасыщенньгх высокоглинистых песков;
- разработать математическую модель преобразования дисперсоида в
минеральной гидросмеси при ультразвуковом воздействии и установить
степень согласования аналитических решений с экспериментальными дан
ными.
Использованные методы исследований: анализ и обобщение литературных данных и патентных источников, аналитические расчеты на основе уравнений линейной акустики и теории деформаций; построение математической модели преобразования дисперсоида при ультразвуковом воздействии на гидросмесь и выявление степени согласования разработанной математической модели с данными эксперимента, оценка адекватно-
сти теоретических решений; экспериментальные исследования свойств, фракционного и элементного состава песков россыпей на основе автоматического гранулометрического экспресс - анализа, рентгенофлюорес-центного анализа, весового метода определения плотности песков, стандартных методик определения пластичности и скорости ультразвука в образцах; контроль изменения удельной поверхности частиц песков при механическом и ультразвуковом воздействиях с использованием лазерного дифракционного микроанализатора размеров частиц; стандартная методика оценки водонасыщения песков; технико-экономическая и экологическая оценка результатов исследований.
Защищаемые научные положения:
-
Параметры ультразвуковой дезинтеграции неводонасыщенных высокоглинистых песков с разным типом пластичности предопределяются, главным образом, их зависимостью от амплитудных значений смещения твердых частиц, при которых максимальные нормальные и касательные напряжения превышают соответствующие предельные значения для золотосодержащих песков высокоглинистых россыпей.
-
Процесс разрушения жестких структурных связей между частицами водонасыщенных высокоглинистых песков под воздействием ультразвука при прочих равных условиях протекает результативнее, чем в неводонасыщенных. При этом рациональный уровень параметров ультразвуковых колебаний предопределяется объемным содержанием воды в высокоглинистых песках, усредненной равновесной плотностью, сжимаемостью среды и скоростью распространения в ней ультразвука.
3. Структурные изменения дисперсоида, образующегося в результате ультразвуковой обработки гидросмеси, адекватно описываются математической моделью, разработанной на основе уравнения Гиббса для термодинамического потенциала системы: изменения структурных характеристик дисперсоида определяются в основном удельной поверхностной энергией дисперсной системы, уровнем волнового сопротивления гидросмеси и ультразвуковым излучением.
Научная новизна работы заключается в том, что: - установлены зависимости основных физических параметров ультразвукового воздействия на золотосодержащие высокоглинистые пески от уровней их волнового сопротивления и водонасыщения, при этом изменения интенсивности ультразвука и амплитудных значений колебательной скорости частиц в ультразвуковой волне носят более выраженный возрас-
тающий характер при увеличении волнового сопротивления в условиях наименьшего водосодержания;
для разного типа пластичности золотосодержащих высокоглинистых песков в неводонасыщенном состоянии определены основные параметры интенсивности ультразвука и диапазоны их изменения, при которых максимальные расчетные напряжения превышают соответствующие предельные напряжения сжатия, растяжения и сдвига;
выявлен характер и степень воздействия ультразвукового излучения на водонасыщенные пески (с разным типом пластичности), которые определяются прямой зависимостью возникающих в песках напряжений от объемного содержания воды, сжимаемости среды, скорости ультразвука, обусловленной эффективной сжимаемостью воды и скелета песков;
установлена взаимосвязь между удельной межфазной поверхностью частиц (после обработки ультразвуком) и интенсивностью ультразвука, удельной поверхностной энергией частиц, волновым сопротивлением гидросмеси, диссипационными потерями в среде, при этом данная взаимосвязь носит возрастающий характер при увеличении интенсивности ультразвука.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается корректной постановкой задач на основе представлений о влиянии волновых процессов на напряженно-деформированное состояние высокоглинистых песков посредством ультразвукового воздействия; применением современных методов исследований, основанных на использовании математического аппарата; апробированными методами физического моделирования; анализом исследований природных и природно-техногенных песков россыпей; значительным объемом экспериментальных исследований в лабораторных условиях; сопоставимостью результатов, полученных при разработке и использовании математической модели, с экспериментальными данными; апробацией основных положений работы на международных конференциях, салонах инноваций и инвестиций, выставках-конгрессах; публикациями в реферируемых изданиях, признанием приоритета работ патентами Российской Федерации.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты исследований позволяют:
- обосновать структуру и принципы организации процесса разруше
ния и изменения состояния высокоглинистых природных песков, содер-
жащих мелкое золото, с разным типом пластичности в водонасыщенном состоянии и в гидросмеси; это может быть учтено при проектировании разработки золотоносных россыпей;
- в научных и практических целях применить разработанный метод
оценки (с использованием предложенного автором условного коэффици
ента трансформации) и управления процессом дезинтеграции песчано-
глинистой составляющей гидросмеси посредством механического и ульт
развукового воздействий;
- использовать способ дезинтеграции песчано-глинистой состав
ляющей гидросмеси, основанный на реальных представлениях о механиз
ме трансформации жестких структурных связей в поле ультразвука, про
исходящих при установленной частоте и переменной интенсивности ульт
развука;
осуществить технико-экономическое и экологическое обоснование ультразвуковой дезинтеграции;
иметь реальные представления об основных особенностях ультразвукового и механического воздействий и самой дезинтеграции высокоглинистых песков с преимущественно мелким золотом, которые можно использовать в научных и практических целях.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследования ультразвуковой дезинтеграции представлены для практического использования Ассоциации артелей старателей «Хабаровскзолото»; переданы для формирования группы инвесторов Дальневосточному агентству содействия инновациям и инвестициям (ДАСИ) при администрации Хабаровского края и специальному конструкторско-технологическому бюро (СКТБ) для использования при проектировании. Принцип ультразвукового влияния на дезинтеграцию песков использован в материалах учебного процесса Тихоокеанского государственного университета (г. Хабаровск).
Личный вклад автора
Постановка цели, формулирование задач, разработка методики исследования, систематизация и обработка исходных данных, выполнение аналитических исследований и численных расчетов физических параметров ультразвукового воздействия на высокоглинистые золотосодержащие пески и их анализ, разработка математической модели образования дис-персоида при ультразвуковой дезинтеграции минеральной гидросмеси, оценка адекватности полученной эмпирической и теоретической зависимостей, количественная экономическая и количественно-качественная эко-
логическая оценки, экспериментальные исследования, результаты которых представлены в настоящей работе, проводились непосредственно автором с использованием оборудования ИГД ДВО РАН и ФГУП ВНИИФТРИ «ДАЛЬСТАНДАРТ». Автор осуществлял все этапы подготовки и проведения экспериментальных исследований и обработки их результатов. Кроме собственных фактических данных, в диссертации использованы материалы работ по россыпной золотоносности южной части Дальнего Востока, выполненных ИГД ДВО РАН и Отделением региональной геологии и гидрогеологии Амурского научного центра.
Апробация результатов работы. Основные положения и отдельные разделы диссертации докладывались на XIV международном совещании по геологии россыпей и месторождений кор выветривания - 2010г. (г. Новосибирск), на научных симпозиумах «Неделя горняка» - 2008, 2009, 2010 (г. Москва), на 1-й международной научно-практической конференции «Проблемы комплексного освоения минерального сырья Дальнего Востока» (г. Хабаровск, 6-8 сентября 2005г.), на II и III международных научных конференциях «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (г.Хабаровск, 11-12 сентября 2007г. и 16-18 сентября 2009г.), на международной конференции «Россия и Китай» (г. Биробиджан, 26-28 мая 1998г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 7 статей - в изданиях, рекомендованных ВАК; 1 монография и 24 патента РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 159 наименований и 4 приложений. Объем работы составляет без приложения и списка литературы 172 страницы, всего 210 страниц, включает 76 рисунков и 46 таблиц (в том числе 28 таблиц в приложениях).
Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность научным консультантам д.т.н., профессору Ю.А. Мамаеву, заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Г.В. Секисову; благодарит за научное консультирование - д.т.н. B.C. Литвинцева и научное руководство - д.т.н. А.М. Пуляевского, а также благодарит научных сотрудников профильного подразделения ИГД ДВО РАН и ряд сотрудников ФГУП ВНИИФТРИ «ДАЛЬСТАНДАРТ» за содействие в проведении экспериментальных исследований.
Основные геомеханические и технологические особенности высокоглинистых золотосодержащих песков россыпей
Истощение запасов, снижение объемов работ, рост мелких предприятий и разрушение крупных производственных структур привело к падению добычи золота в стране. При современных технологиях добычи по официальным данным потери весьма крупного и крупного золота на объектах с низкой глинистостью составляют до 10%, среднего — до 12%, мелкого - до 22%, весьма мелкого до 36%. [151]. В сумме потери мелкого и весьма мелкого золота достигают 58%. Это более половины их содержания в горной массе. Если потери мелкого золота столь велики на объектах с низким содержанием глин, то можно предположить, насколько возрастут их количественные составляющие при разработке высокоглинистых россыпей при использовании известных технологий.
В настоящее время в Дальневосточном регионе вовлекаются в эксплуатацию новые типы россыпей, ранее не относившиеся к промышленным объектам по содержанию ценных компонентов. Значительное количество разведанных в Приамурье россыпей характеризуется мелким золотом, повышенным содержанием глинистых фракций. Согласно данным геологических исследований золотосодержащих россыпей Дальнего Востока России, более 60% являются глинистыми. Кроме того, как указывалось выше, анализ россыпных месторождений Приамурья показал, что многие из них могут быть отнесены к сложным по переработке из-за значительного объема мелкого золота (фракции менее 0,5 мм составляют более 90%, а размер золотин менее 0,1 мм - до 26%). Понижение содержания ценного компонента в горной массе, преобладание мелкого золота и высокая глинистость требует снижения затрат на выемку и разупрочнение, т.е. создание новых технологий, решающих комплексно поставленные задачи.
По экспертным данным ЦНИГРИ, прогнозные ресурсы золота в эфель-ных отвалах составляют 238 т (1190 млн. м горной массы). Общие прогнозные ресурсы золота в техногенных комплексах россыпей равны 3260 т. Потери в недрах оцениваются примерно в 20% от общего количества добытого металла из россыпей, что соответствует 1762 т. Суммарное количество золота во всех техногенных россыпных образованиях составляет 5022 т или 57% от общего количества добытого золота за всю историю эксплуатации россыпей [151].
В горнодобывающей промышленности при освоении россыпных месторождений различают три способа разработки. Наибольшее распространение получил открытый способ, которым добывают до 75-80%) золота. Подводным (дражным) способом из россыпей добывают 15-20% благородных металлов. Подземным способом россыпные месторождения практически не разрабатываются. При открытом способе разработки различают способы производства работ: бульдозерно-скреперный; экскаваторный; гидравлический; комбинированный [151].
Существующий на практике подход к развитию открытого способа добычи не улучшает производственные показатели горных предприятий. Этап наращивания единичных мощностей добычного оборудования, основанного на принципах отделения песков от забоя, механического рыхления и транспортирования (экскаваторы, бульдозеры на базе тракторов Т-500, D-355, Т-25, ДЭТ-250, Т-130, Т-170, рыхлители Д-515А, Д-576, Д9Н и другие агрегаты отечественного и зарубежного производства) достиг своего предела и не позволяет в перспективе обеспечить эффективность горных работ [151]. Кроме того, технологии с использованием указанного оборудования имеют весомые недостатки — ограниченные технологические возможности по рыхлению и селективному разупрочнению применительно к различным по физико-механическим характеристикам песков; ограниченные размеры добычного блока и глубина разработки; высокая энергоемкость (поскольку транспортировка осуществляется волоком); значительные затраты на дизельное топливо и высокая себестоимость переработки песков.
В настоящее время все чаще разработка осуществляется комплексно, с использованием сложноструктурных технологических схем - с вовлечением террасовых россыпей, техногенных образований, селективной отработкой объектов, многие из которых содержат комбинированные составы глинистых песков — от высокопластичных до слабопластичных. Опыт вовлечения террасовых россыпей в попутную отработку получил развитие при дражной отработке россыпей. На дражных полигонах ЗАО «Светлый» была опробована технология попутного вовлечения в разработку драгами террасовых россыпей высокого уровня с непромышленным для открытого раздельного способа разработки содержанием золота, рис. 1.1. В долине реч. Хомолхо Ленского золотоносного района (среднее содержание золота 0,303 г/м3) разработка россыпи осуществлялась с помощью драги 250Д с черпаками вместимостью 250 л. На месторожде-нии реч. Ныгри (среднее содержание золота 0,213 г/м ) добыча золота производилась с применением двух драг. Технология включала процесс оттаивания мерзлых пород, послойной разработки с перевалкой бульдозером, механическое рыхление и зачистку плотика. На полигоне реч. Хомолхо применяли исключительно бульдозерный способ разработки, подачи и последующей укладки золотоносных отложений террасы на полигон, при этом дальность транспортирования песков бульдозером D355A Komatsu не превышала 120 м. На полигоне речки Ныгри применяли комбинированный способ, при котором разработку песков на террасе проводили бульдозером ДЗ-141ХЛ (на базе трактора Т-500), затем с его помощью их складировали в аккумулирующий отвал, формируемый у края террасовой площадки.
Установление основных параметров ультразвукового воздействия на неводонасыщенные высокоглинистые золотосодержащие пески россыпей
С 2002 по 2005 г. количество предприятий, добывающих россыпное золото, сократилось на 139, а добыча золота снизилась на 17,8 т. [40-41]. Нормативные данные по эксплуатационным потерям ценных компонентов по Амурской области для дражного способа составляют до 7%, по Хабаровскому краю -до 10,6%. Технологические потери по Амурской области по драгам составляют 17,2%, по промприборам — до 24%. По Хабаровскому краю технологические потери дражным способом составляют до 25,8%, промприборами - до 26,]% [54]. Как указывает Куторгип В.И., в расчетах нормативов потерь учитывается гранулометрия металла, а глинистая составляющая продуктивного пласта при этом не участвует, что искусственно занижает степень технологических потерь. Сверхнормативные потери составляют от 20 до 25%. Если учесть эти величины, то официальные цифры потерь возрастут соответственно в два раза, а фактические - намного больше. Нормативные коэффициенты извлечения на ваш-гердно-шлюзовых приборах (ГВ, ПВШ) по классу крупности - 0,5 + 0,2 мм составляют 0,68, по классу крупности - 0,2 мм - 0,32. На гидромеханических грохотах (ГГМ) нормативный коэффициент извлечения по классу крупности - 0,5 + 0,2 мм - 0,78, по классу - 0,2 мм - 0,4. На скрубберных приборах (ПКС, ПКБШ) нормативный коэффициент извлечения по классу крупности - 0,5 - 0,2 мм составляет 0,85, а по классу - 0,2 мм - 0,6 [54]. Естественно, и они не соблюдаются и являются явно не достигаемыми в условиях освоения современными традиционными методами. Отработка многочерпаковой драгой и применение экскаваторно-гидромеханизированной технологии малоэффективно из-за резкого снижения производительности комплекса по добыче песков и значительных потерь песков (по некоторым данным - до 50% балансовых запасов). Гидравлическая разработка с использованием землесосов и гидроэлеваторов не даст положительного результата из-за затрудненного гидроразмыва глинистых песков без дополнительного оснащения системами, способными дезинтегрировать твердую составляющую гидросмеси в интервалах от 0,5 до 0,002 мм. Разработанные и используемые способы не решают задачу эффективной выемки и первичной дезинтеграции без значительных потерь. Горногеологические условия, заболоченность, разобщенность, сложноструктурность месторождения, нестабильность содержания ценного компонента, высокоглинистость и повышенное содержание мелкого золота усложненных форм и типов (уплощенного и в сростках) на объектах россыпей ставит перед исследователями новую задачу, решение которой позволит на стадии выемки песков россыпей с разным типом пластичности осуществить разрушение структурно-механических связей глинистой составляющей без потерь золота, в том числе, мелких его частиц размером от 0,5 до 0,002 мм.
Первой фундаментальной работой по механике рыхлых горных пород следует считать исследование Ш. Кулона (1773) по теории сыпучих тел. В 1885г. был опубликован труд Ж. Буссинеска «О распределении напряжений в упругой почве от сосредоточенной силы». В 1915 г. П.А. Миняев применил теорию упругости к расчету напряжений в сыпучих грунтах. Развитие теории было достигнуто в работах Н.П. Пузыревского, Н.Н. Павловского и К. Тсрцаги. Важным вкладом в механику грунтов явились работы Н.М. Герсеванова, в которых он уточнил уравнение одномерной консолидации грунтов, сформулировал дифференциальные уравнения плоской и пространственной задач теории консолидации грунтов. Большой вклад в развитие теории деформаций водонасы-щенных грунтов внес В.А. Флорин. Вопросам сжимаемости грунтов посвящены работы академика А.Н. Крылова, профессоров Г.Э. Проктора, М.И. Горбунова-Посадова, Б.Н. Жемочкина и др. Значителен вклад Б.Д. Васильева, Б.И. Далма-това, Н.А. Цытовича и М.Ю. Абелева в механику неравномерно сжимаемых слабых глинистых грунтов [25, 61, 149]. В данных работах изучение волновых процессов рассматривалось в связи с проявлениями динамических процессов естественного и техногенного характера в рамках безопасности производства работ при добыче полезных ископаемых и строительстве. Теоретические исследования сейсмических волн в анизотропных средах, изучение подходов к использованию скалярно-векторных методов теоретической акустики, изучение волновых процессов, возникающих в грунтах под влиянием естественных сейсмических, искусственных ударных, в том числе взрывов, и других проявлений в неравновесных системах проводили СВ. Гольдин, М.Н. Гольдштейн, В.П. Дзюба, Г.И. Покровский, Н.А. Цытович, Г.М. Ляхов, А.А. Царьков, И.И. Черкасов и др. Были рассмотрены вопросы изменения состояния песков при кратковременной динамической и длительной постоянной статической нагрузках (компрессия, консолидация). Отмечалось, что глинистые грунты вследствие их связности при динамических нагрузках уплотняются очень мало, а действия импульсных динамических и статических нагрузок не приводит к разжижению. При вибрационном воздействии в водонасыщенных песках динамические нагрузки вызывают значительные напоры в воде, грунт взвешивается в некоторой области и при определенных условиях разжижается [149]. Интересными являются исследования деформации глинистых песков в фазе ползучести с учетом релаксации напряжений. Различают характерные прочностные показатели грунтов, обладающих реологическими свойствами: мгновенную прочность а0 -практически мгновенное сопротивление грунта в самом начале нагружения; временную, т.е. изменяющуюся во времени прочность at, вызывающую разрушение грунта за определенный промежуток времени t, и длительную прочность Тоо - наименьший предел прочности при релаксации напряжений, ниже которого сопротивление не снижается. Для прогноза изменений прочности фунтов во времени at С.С. Вяловым и Ю.К. Зарецким предложены формулы [149] ег = b/ln—; В 0, = a0-( T0- J„) t/(Tp+t), где Ъ, В и Тр — параметры, определяемые опытным путем; /— время. Н.А. Цытович отмечает, что снижение напряжений при неизменной деформации для грунтов различной структуры и разной консистенции весьма различно: для твердых и полутвердых глин - до 10-20 %, для пластичных - до 30-60 % и текучепластичных - до 80 %, а для льдистых мерзлых и вечномерз-лых грунтов - в 5 раз и более [149]. В настоящее время при рассмотрении волновых процессов в песках наибольшее применение находят модели грунта идеально упругой среды, упругопластической среды (Х.А. Рахматуллина, С.С. Григоряна и др.), модели вязкопластической среды (Г.М. Ляхова) и нелинейной дилатационной модели (А.П. Синицына) и др. Распространение трехмерных волн в изотропной идеально упругой среде описывается линейными дифференциальными уравнениями второго порядка [149]:
Результаты экспериментальных исследований механической дезинтеграции высокоглинистых песков
Результаты измерений и вычислений занесены в табл. 2.1 и Б.1 Приложения Б, а также использованы для расчетов в табл. 2.2- 2.3, Б.1 приложения Б.
Для расчета рациональной величины интенсивности ультразвука, возникающей в начальный период в поле звуковой волны при воздействии на глинистые пески россыпей, на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 2.16, определялась скорость ультразвука (скорость продольных волн) в сухих (содержание воды близкое к нулю) образцах. Эксперимент проводился в лаборатории ультразвука ФГУП ВНИИФТРИ «ДАЛЬСТАНДАРТ» в 2003 году. Скорость звука определялась по методике В.А. Бархатова [7] с помощью ультразвукового прибора ГСП УК — 10П, имеющего основную относительную погрешность измерения времени распространения ультразвуковых волн 0,99 %. Ультразвуковой прибор 5 содержит источник мощных электрических импульсов, возбуждающих упругие колебания, которые вводятся в контролируемое изделие 6.
Схема экспериментальной установки для измерения скорости ультразвука в образцах глинистых песков: 1 - измерительная линейка; 2 - преобразователь ввода ультразв) ковых колебаний; 3 - электрический преобразовагель ультразвуковых колебаний; 4 - устройство визуальной индикации и отсчега временных ишервалов между моментом ввода в изделие ультразвуковых колебаний и моментом их приема; 5 - улыразвуковой прибор ГСП УК - 10ПМ; 6 - образец
Прошедшие через материал упругие колебания, после преобразования приемным преобразователем 3 в электрические, усиливаются усилителем и подаются на устройство 4 визуальной индикации и отсчета временных интервалов между моментом ввода в образец ультразвуковых колебаний и моментом их приема. Для обеспечения стабильности контакта торцовые поверхности образца выравнивались наждачной бумагой и смазывались контактной жидкостью. Определение продольного размера в направлении прозвучивания производилось с помощью средств измерений линейных размеров.
Измерения проводились в пяти точках на поверхности ввода ультразвуковых волн. Далее рассчитывался средний размер Н и погрешность АН по формулам tn.itp - коэффициент Стьюдента, зависящий от количества измерений п и доверительной вероятности р, принятой равной 0,95; А// — инструментальная погрешность средства измерения линейных размеров.
Измерение времени распространения волн производилось при совмещении полуволны принятого сигнала на экране ультразвукового прибора ГСП УК - 10П с началом линии развертки на экране. Предел допускаемой основной относительной погрешности измерения времени (согласно инструкции по эксплуатации) распространения ультразвука в образце, включающей систематическую и случайную, не более значения где До- основная относительная погрешность измерения времени распространения ультразвука, %; t - время распространения ультразвука.
Средняя скорость ультразвука в образцах Vp слабопластичных песков составила 2000 м/с, среднепластичных песков - 2500 м/с, высокопластичных песков - 3000 м/с с погрешностью — не более ±5%. По этим данным рассчитывалось волновое сопротивление песков, в том числе в водонасыщенном состоянии, и эквивалентная расчетная плотность песков, табл. 2.1-2.3, Б.1, Б.4, Б.5, Б.6 приложения Б.
Для расчета начальных параметров интенсивности (плотности потока энергии) ультразвуковой волны, распространяющейся в продольном направлении в массиве высокоглинистых песков россыпей в неводонасыщенном состоянии, принимались следующие условия: вскрытый объект, изотропная среда, плотность песков/? в соответствии с пластичностью; скорость продольных волн в среде Vp, которая для слабопластичных песков - 2000 м/с, среднепластичных песков - 2500 м/с, высокопластичных песков - 3000 м/с, длина волны Л, определяемая в зависимости от частоты излучения звука f, равной 20, 60, 100, 150 кГц. Полученные экспериментальным путем данные позволили определить параметры ультразвукового воздействия на пески с разным типом пластичности до водонасыщения. При возбуждении ультразвуковых колебаний в среде в ней возникает распределенное в пространстве поле напряжений для твердых тел и поле звуковых давлений - для жидких и газообразных [1]. Относительная деформация S в плоской продольной волне для высокоглинистых песков выражается через колебательное смещение частиц в ультразвуковой волне по формуле [9]
Интенсивность волны равна средней по времени энергии, переносимой волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению ее распространения. В изотропном случае это модуль среднего по времени вектора Умова-Пойнтинга. В рассматриваемой задаче модуль этого вектора совпадает с количеством энергии - интенсивностью [9] I = (X + 2fl)-\S\- , (2.4) где X и ju - характеристики упругих свойств среды или компоненты Лямэ, связанные с коэффициентом Пуассона v формулой [9]
За счет использования полученных экспериментальным путем данных и формул (2.2), (2.3) найдены скалярные характеристики (действительные числа) амплитудных значений колебательного смещения \и\ и колебательной скорости частиц в продольной волне. Задаваясь относительной деформацией песков на уровне 10"5, затем 10"4 и 10"\ зная скорость продольной волны для высокоглинистых песков с разным типом пластичности, определив величину X+2ju из формулы [9, 147] проводим расчет интенсивности, формируемой излучением, по формуле (2.4). На основе полученных экспериментальных данных рассчитаны аналитически и построены зависимости длины волны Л (рис. 2.17) от волнового сопротивления среды при IS IO" . слабопластичных; :..-.: - срсдиешгастичных, :_? - вьісокоіпасіичньтх А, Б — зоны, в которых соответствующие значения функций изменяются линейно от значений в предыдущей зоне к последующей.
Методика оценки погрешности и адекватности предполагаемого аналитического выражения
Дезинтеграция высокоглинистых песков золотосодержащих россыпей в массиве с целью выделения тонкого и мелкого золота требует детального изучения процессов, протекающих в полях ультразвуковых частот при влиянии на песчано-глинистую (минеральную) составляющую гидросмеси. Образующиеся после водонасыщения, посредством энергетического ультразвукового и механического воздействий на высокоглинистые пески, среда представляет собой минеральную гидросмесь из воды и отдельных кусков горной массы (твердой составляющей) и дисперсных частиц в небольшом количестве.
Анализ информации о протекающих при механическом и ультразвуковом воздействии на золотосодержащие песчано-глинистые пески процессов, выполненный на основе системного подхода, показал противоречивость отдельных экспериментальных данных и недостаточную их изученность. Для проведения экспериментальных исследований дезинтеграции высокоглинистых песков при механическом воздействии потребовались разработка методики имитационного моделирования, ориентированной на специфику данного процесса, и построение на ее основе физической модели.
Изменение состояния песчано-глинистой составляющей гидросмеси под влиянием гидродинамических и механических воздействий определяется не только гранулометрическим составом минеральной составляющей, но и физическими и структурно-механическими свойствами песков. Развитие процесса идет с увеличением доли структурированной жидкости (гидросмесь с явно выраженными тиксотропными свойствами), переходящей в бесструктурную - вяз-кис свойства смеси выражены слабо. Рекомендации по применению разработанных и защищенных патентами геотехнологических комплексов и гидро транспортирующих напорных систем с кавитацией [64-66, 68-69, 90-96, 99, 105-112, 136-139, 144] обуславливает необходимость проведения экспериментальных исследований процесса разрушения твердой составляющей минеральной гидросмеси с учетом развития скорости образования мелких частиц при механическом воздействии.
Одной из важных составляющих моделируемого способа разрушения песчано-глинистой составляющей гидросмеси является исследование кинетики процесса разрушения. Осуществление подобных процессов возможно после во-донасыщения металлоносного пласта и последующей дезинтеграции твердой составляющей минеральной гидросмеси непосредственно в забое или на установках, размещаемых на бортах разреза [95-98, 108-109, 111-113]. Применение таких систем определяет необходимость знания реального физического состояния высокоглинистых песков в процессе водонасыщения и физической сущности процесса динамического влияния, способного осуществить эффективное разупрочнение, разрушение и дезагрегацию песчано-глинистой составляющей.
При моделировании процесса разрушения песчано-глинистой составляющей минеральной гидросмеси должно учитываться сокращение времени механического воздействия на систему и активизация процесса деструктуриза-ции твердой составляющей. Характер кинетики процесса в условиях непрерывно действующей системы позволяет установить зависимость показателей дезагрегации от физических параметров и конструктивных особенностей системы. Такое предположение сделано в работах В.В. Троицкого, A.M. Верховского, Н.Н. Виноградова, В.М. Арутюнова и др. [19]. При выводе уравнения кинетики использовано предположение о пропорциональности количества (массы) dN некоторого компонента системы, подвергнувшегося воздействию за бесконечно малый промежуток времени dt, его количеству, находящемуся в гидросмеси в данный момент времени, dN = k(Nv-N)dt, (3.1) где N0 — количество компонента в начальный момент времени; 118 N - выделенное количество компонента в результате дезагрегации за предшествующее начальному моменту время; к - коэффициент пропорциональности.
В реальных условиях зависимость (3.1), как правило, не выполняется. Для согласования теории с экспериментом обычно предполагают, что коэффициент к зависит от времени, и это приводит к более сложным уравнениям.
Другим способом получения уравнения кинетики является рассмотрение гравитационного процесса как стохастического, состоящего из двух процессов: закономерного перемещения центра распределения частиц вниз или вверх под действием сил тяжести и сопротивления среды; случайных перемещений частиц относительно центра их группирования, нарушающих достигнутое расслоение. Первый из указанных процессов характеризуется скоростью перемещения центра распределения частиц; второй — соответствующими вероятностно — статистическими характеристиками. Подобные процессы, которые могут быть названы квазидиффузией в поле силы тяжести, описываются уравнением Фок-кера - Планка [84, 86] dco/dt = д [c(t, z)co) ]/dz + 0,5д2 [b(t z)co]/dz2, (3.2) где со — плотность распределения вероятности нахождения частицы на уровне z\ с (t, z), b (t, z) — коэффициенты, зависящие в общем случае от времени / и уровня z, характеризующие перемещение частицы, соответственно, под влиянием силы тяжести (и сопротивления среды) и вследствие перемешивания. В частности, при Ъ = const и с = const уравнение (3.2) примет вид dco/dt = сдсо/dz + 0,5b d2co/dz2. Относительное количество частиц, проходящее через площадку единичной площади с местоположением z = zi в единицу времени, определяется формулой г = 0,5Ъ дсо/dz ± с со . Решение уравнения (3.2) при различных начальных и граничных условиях, определяющих вид распределения частиц по высоте слоя в начальном сече 119 нии, а также поведение частиц на верхней и нижней границах слоя, приведено в работах [84, 86].
Эта теория может быть использована для расчета реальных проектируемых систем с заданными свойствами для дезагрегации высокоглинистых золотосодержащих песков. Однако она не раскрывает реальной физической сущности процесса, происходящего в рабочей зоне моделируемых систем, и не может явиться основой создания математической модели и корректного алгоритма, адекватно описывающего процесс разрушения высокоглинистых песков и позволяющего производить управление этим процессом.
Более того, в некоторых источниках указывается, что многочасовое динамическое воздействие на высокоглинистые пески может привести к противоположному ожидаемому результату - к слипанию частиц, упрочняющему эффекту и образованию вторичных агрегатов [10, 18].
Поэтому для решения стоящей задачи необходимо установить зависимости, характеризующие изменение параметров дезагрегации песчано-глинистой составляющей во времени. Реальные возможности по определению эффективности дезагрегации исследуемых высокоглинистых песков могут быть получены в результате экспериментальных исследований отдельно механического влияния и совместного последовательного влияния механического и ультразвукового воздействий.
