В статье приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию циклического замораживания-оттаивания на дезинтеграцию карбонатных пород. Показано, что после воздействия на кимберлит трех циклов замораживания-оттаивания более 70% исходного материала переходят в меньшие классы крупности.
Ключевые слова: замораживание-оттаивание, кимберлит, известняк, циклы.
Значительная часть бюджета России формируется за счет горного производства. Как известно, самыми энергоемкими, а значит и дорогостоящими, операциями являются дробление и измельчение полезных ископаемых в процессе их обогащения. По некоторым оценкам на эти операции приходятся до 70 % от общих затрат и эксплуатационных расходов предприятия.
Добыча и переработка полезных ископаемых в условиях Крайнего Севера, в отличие от центральной части России, представляет значительные трудности, ввиду того, что необходимо учитывать природно-климатические условия в районах залегания месторождений. Также нужно учитывать влияние данных факторов на физико-механические свойства добываемых горных пород.
Промерзание различных типов горных пород сопровождается многообразными и сложными теплофизическими, физико-химическими и физико-механическими процессами, которые приводят к существенным преобразованиям их вещественного состава, структуры, текстуры и свойств. Изучением этих вопросов занимались Э.Д. Ершов, Д.М. Шестернев, Т.Н. Жесткова, В.Н. Конищев, А.И. Попов, Е.М. Сергеев, И.А. Тютюнов, Е.П. Шушерина, Н.А. Цитович, А.С. Курилко и др. отечественные и зарубежные ученые.
Влияние циклов замораживания-оттаивания на дезинтеграцию горных пород исследовалось на известняках карьеров «Удачный» и «Айхал», а также на кимберлите рудников «Интернациональный» и «Мир» ЗАО АК «АЛРОСА».
Известняк карьеров «Удачный» и «Айхал». Методика проведения испытаний.
Перед проведением испытаний определялись влажность, плотность и пористость материала. Исходную навеску известняка каждого месторождения предварительно просеивали по классу -20+10 мм, затем отмывали от глинистых включений и высушивали в течение двух суток при комнатной температуре. После сушки вновь был произведен рассев по классу -20+10 мм. Далее из просеянной и усредненной пробы путем квартования формировали навески материала. На рисунке 1 представлен вид известняка подготовленного к испытаниям (карьер «Удачный»).
Рисунок 1. Известняк карьера «Удачный» Рисунок 2. Известняк после 6 циклов
замораживания-оттаивания
Подготовленные навески породы исходной фракции -20+10 мм засыпались в алюминиевые бюксы и заполнялись дистиллированной водой или 5% раствором хлорида натрия. Образцы выстаивали в течение двух суток для насыщения пор водой (или раствором соли). Затем бюксы помещали в морозильную камеру с температурой -20°С.
Температура образцов контролировалась датчиком, находящимся в одном из замораживаемых бюкс. При достижении заданной температуры в -20°С (время составляло около 6 часов) процесс замораживания заканчивали, бюксы вынимали из морозильной камеры и размораживали при комнатной температуре, затем повторяли цикл заданное количество раз.
Было проведено три серии опытов. В первой серии испытывался известняк карьера «Удачный», который замораживался в 5% солевом растворе NaCl. Во второй серии данный известняк замораживался в дистиллированной воде. В третьей серии исследований в дистиллированной воде замораживался известняк карьера «Айхал».
Уже после первого цикла замораживания-оттаивания наблюдалась частичная дезинтеграция образцов. Дальнейшее воздействие циклов замораживания–оттаивания значительно увеличивало массу самопроизвольно дезинтегрировавшегося материала (рисунок 2). После воздействия заданного количества циклов материал высушивался, а затем подвергался рассеву на ситах.
Ситовой анализ (рисунок 3) показал, что уже после трех проведенных циклов в солевом растворе (серия I, карьер «Удачный») и дистиллированной воде (серия III, карьер «Айхал»), а также после одного цикла в дистиллированной воде (серия II, карьер «Удачный») около 30 % исходного материала перешло в меньшие классы крупности без механического воздействия, только лишь под действием циклического замораживания-оттаивания.
Рисунок 3. Усредненные данные гранулометрического состава горных пород карьера «Удачный» и карьера «Айхал» после воздействия заданного числа циклов замораживания-оттаивания
Значительный интерес в технологическом плане представляет слабая морозостойкость кимберлита и его дезинтеграция под влиянием циклического замораживания-оттаивания. Исследования проводились с кимберлитами рудников «Интернациональный» и «Мир» АК «АЛРОСА».
Подготовленный и отмытый от глинистых включений кимберлит с массой навески около 1 кг. каждый, после насыщения в течение 2 суток в дистиллированной воде и 5% рассоле NaCl подвергался воздействию 0, 3, 5 и 10 циклов замораживания-оттаивания. После воздействия заданного количества циклов кимберлит высушивался при комнатной температуре и подвергался ситовому анализу. На рисунке 4 показан кимберлит рудника «Интернациональный», подготовленный к испытаниям, класс крупности -20+10 мм.
Рисунок 4. Кимберлит рудника «Интернациональный» исходный вид
Рисунок 5. Кимберлит рудника «Интернациональный» после воздействия на него 10 циклов замораживания-оттаивания в водной среде.
На рисунке 5 представлен этот же материал, что и на рисунке 4, только после воздействия 7-10 циклов замораживания-оттаивания.
На рисунке 6 приведены данные по ситовому анализу водонасыщенного кимберлита рудника «Интернациональный». Из приведенной гистограммы следует, что даже простое насыщение кимберлита дистиллированной водой в течении 2 суток, приводит к тому, что около 10 % первоначальной массы кимберлита переходит в меньшие классы крупности. Воздействие 3-х циклов замораживания-оттаивания приводит к тому, что уже около 70% материала дезинтегрируется, в дальнейшем при проведении 5 и 10 циклов замораживания-оттаивания в исходном классе крупности (-20+10 мм) остается лишь 20% от массы исходного материала.
Рисунок 6. Ситовой анализ кимберлита рудника «Интернациональный»
В отличие от кимберлита рудника «Интернациональный» насыщение кимберлита рудника «Мир», рисунок 7, в водной среде в течении 2 суток (0 циклов замораживания-оттаивания) не приводит к потере первоначальной массы кимберлита. Но воздействие 3 циклов замораживания-оттаивания приводит к дезинтеграции 80% начального материала. В дальнейшем при увеличении количества циклов замораживания-оттаивания увеличивается масса дезинтегрировавшегося материала.
Рисунок 7. Ситовой анализ кимберлит рудник «Мир»
В проведенных экспериментах разрушение горных пород, их самопроизвольная дезинтеграция обусловлена постепенным возникновением, накоплением и раскрытием повреждений при циклическом замораживании-оттаивании. Напряжения в горных породах возникают при изменении объема компонентов породы в соответствии с присущими им коэффициентами температурного расширения, при замерзании поровой воды, когда её объем увеличивается примерно на 9 %, при миграции поровой влаги. При этом одновременно на скелет породы давит как лед, так и оставшаяся незамерзшая вода, сдавливаемая льдом. Установлено, что влияние последнего фактора преобладающее.
В ходе экспериментальных исследований установлено, что под воздействием трех циклов замораживания-оттаивания более 70% первоначальной массы кимберлита рудников «Интернациональный» и «Мир», а также, около 30% массы известняков карьеров «Удачный» и «Айхал» дезинтегрируется без механического воздействия, лишь под воздействием циклического замораживания-оттаивания. Данный эффект может быть использован при разработке кристаллосберегающей технологии обогащения алмазосодержащего сырья.
