Для 21 века характерно более пристальное внимание к ресурсам, поскольку конечность энергетических, минеральных и других ресурсов все отчетливее осознается промышленным и финансовым сообществами. Проблемы старой парадигмы лежат в ее экстенсивных подходах: превратить месторождение в горную массу (оставив в Земле огромную воронку или подземную выработку), измельчить значительную часть добытого до миллиметрово-микронного состояния, предпринять огромные усилия по разделению разноразмерной массы на минералы, после чего ломать голову, что делать с хвостами и отходами обогащения. Кроме того, при переизмельчении минералов, появляются факторы, связанные с увеличением поверхности и возрастанием ее роли по сравнению с объемными свойствами. Например, при переизмельчении магнетита в железных рудах, образуются флокулы, которые захватывают частицы нерудных минералов, снижающих качество концентрата, и создают необходимость в дополнительных устройствах (дефлокуляторах) и т.п. В результате мы имеем энергозатратные, капиталоемкие процессы, жестко структурированные и слабо поддающиеся гибкому управлению технологии.

 В измененной парадигме предлагается применить принцип декомпозиции. Данный подход позволяет использовать гибкую и управляемую многопоточную схему переработки, способную адекватно учитывать изменения структурных и физических свойств обогащаемого сырья на всех этапах. Физической основой новой парадигмы является естественная неоднородность сырья и непрерывно меняющиеся после каждого акта разрушения прочностные и структурные характеристики, большая дисперсия взаимосвязанных параметров, определяющих технологические свойства.

Технологическая реализация современной парадигмы базируется на принципах избирательного подхода ко всем этапам добычи и переработки минерального сырья, с учетом текстурно-структурной иерархии руд, изменения структурных и прочностных характеристик по переделам. Исследования многих руд показали, что для большинства из них снижение размеров в ходе разрушения, например в 10 раз, сопровождается уменьшением прочности (усилия разрушения) в 50-70 раз [3]. Отчасти поэтому  при  измельчении руд в “современных”  агрегатах (например, барабанных мельницах) с их постоянной интенсивностью воздействия и заданным спектром сил, мы имеем переизмельчение и неоправданное энергопотребление. Так, при удельной поверхности срастания магнетита 50÷200 мм²/мм³ (диапазон типичный для большинства железных руд) и значениях удельной энергии разрушения 40÷250 Дж/м² (характерный диапазон для многих руд) энергия разрушения составляет 0,2÷4,6 кВтч/т (последняя цифра относится к так называемым труднообогатимым рудам и может рассматриваться как предельная). Еще меньшее значение дает оценка работы разрушения через поверхность измельчения: при вновь образованной поверхности 0,2÷0,4 м²/г, характерной для большинства руд на конечных стадиях измельчения, и удельной поверхностной энергии 1÷4 Дж/м² (диапазон экспериментальных значений для кварца), значение энергопотребления составит порядка 0,1÷0,5 кВтч/т. Полученные значения в разы и на порядки меньше фактических затрат в действующих процессах измельчения. Разница технологических и физических величин энергопотребления обусловлена потерями энергии в результате неадекватной передачи усилий нагружающего устройства разрушаемому объекту, именно здесь скрыты основные причины не соблюдения принципа “не дробить нечего лишнего”. В наиболее распространенных в рудоподготовке барабанных мельницах более 90% электроэнергии расходуется на производство шума, тепла, износ мелющих тел и футеровки и др.[4,5]. На смену этим агрегатам, не способным гибко реагировать не только на изменение прочности в ходе разрушения, но и на изменение этих параметров у входного сырья, должны прийти компактные высокопроизводительные устройства с регулируемой кратностью сокращения и способные менять параметры разрушения в зависимости от свойств входящего сырья.  Идеальным решением для реализации принципа декомпозиции было бы устройство, совмещающее во времени и в пространстве операции дезинтеграции и разделения, при этом устройство должно “уметь подстраиваться” под изменяющиеся параметры разрушаемого объекта в ходе дезинтеграции.

  Схема одного из  вариантов такого подхода приведена на рис.1. В приведенном устройстве сочетается принцип декомпозиции с возможностью регулировки параметров нагружения в разных зонах разрушения и соответственно для частиц разной крупности и прочности,  с выводом из зоны воздействия значительной части уже разрушенных частиц. Нагружающими элементами являются вращающийся барабан и несколько сегментов с криволинейной поверхностью, снабженных виброприводами, которые  позволяют  регулировать усилие и  циклические деформации на каждой ступени в зависимости от свойств разрушаемого материала. Разрушающая рабочая зона формируется поверхностью барабана (наружной или внутренней) и обращенной к ней поверхностью  вибросегмента с заданной формой кривизны. Число рабочих зон и их расположение (по наружной или внутренней поверхности барабана) определяются задачами разрушения: требованиями по производительности и качеству.  На рис 1,как вариант, приведены три вибрирующих сегмента и соответственно три зоны разрушения на внешней поверхности барабана.   Даже при кратности сокращения в каждой зоне равной 3,  представленное устройство способно  обеспечить раскрытие многих типов руд, начиная со структурных элементов раскрытия 10-15мм. Производительность устройства определяется длиной барабана, который монтируется на амортизаторах, при этом барабан может иметь свой вибропривод (условно показан пунктиром на рисунке) синхронизированный с виброприводом сегментов. 

 Рисунок 1. Схема устройства для разрушения руд.

Для руд, содержащих магнитные компоненты, данная конструкция представляет возможность совмещения  дезинтеграции и сепарации, схема на рис.2. Достаточно в поверхность подвижного барабана встроить магнитные ламели (вставки, создающие нужную топографию магнитного поля), наделив его свойствами магнитного барабанного сепаратора. Нераскрытые минералы, сростки направляются   на последующую стадию дезинтеграции.  Устройство допускает различные вариации как магнитной системы, так и методов удаления раскрытых частиц с поверхности барабана. Возможен также вывод тонких и пылевидных фракций через пространство между ступенями разрушения, например как на рис.2 локальным вакуумированием.

 Рисунок 2. Устройство для разрушения руд с выводом раскрытых частиц.

 Пока такие устройства в промышленных масштабах не созданы, адекватным решением является использование многостадиальной предконцентрации в связке: “дезинтеграция-сепарация” на каждой стадии. Наиболее оптимальным для всех стадий дезинтеграции является применение сухих методов сепарации (преимущественно радиометрических, магнитных, электрических, гравитационных и др.). Мокрые методы (например, флотация) необходимо включать в схему только при невозможности сухих методов обеспечить разделение в силу недостаточного контраста физических свойств. Учитывая высокий уровень предконцентрации на предыдущих стадиях и многопоточные схемы, объемы переработки в таких (мокрых) переделах можно свести к минимуму.

  Введение принципа декомпозиции в процессы переработки минерального сырья потребует значительного пересмотра многих устоявшихся подходов: к ведению буровзрывных работ, к формированию технологических сортов руд, к технологиям проектирования и компоновки цепи аппаратов  и др. При этом  ключевым звеном остается создание  управляемых измельчительных устройств, способных обеспечивать адекватные условия разрушения руд  и создание нового поколения высокопроизводительных сепараторов (радиометрических, электрических магнитных, гравитационных и др.).

 Для многих ученых и практиков, придерживающихся сложившихся взглядов на обогащение, новая парадигма покажется спорной, тем не менее, в ней нет ничего радикального, поскольку она базируется на классических принципах: не дробить и не обогащать ничего лишнего. К последним резонно добавить еще один принцип: не добывать ничего лишнего. В современной трактовке  их можно охарактеризовать следующим образом. Принцип – не добывать ничего лишнего, по сути, экономический принцип, отражающий необходимость комплексной переработки минерального сырья, направленный на минимизацию объемов техногенных новообразований (отходов, отвалов, хвостов и т.п.) при максимуме извлечения товарного продукта. Определяющей моделью этого принципа является экономическая модель, учитывающая фундаментальную стоимость месторождения, возможности современных технологий переработки, прогноз цен и потребности в сырье, экологические затраты и другие факторы. Основу технической реализации данного принципа составляют параметры технологического картирования месторождения по всем извлекаемым минеральным комплексам, дополненные характеристиками, связывающими параметры буримости-взрываемости с текстурными, структурными и прочностными свойствами извлекаемых минералов.

Существенным вкладом в новую парадигму является введение буровзрывных работ в систему рудоподготовки. Возможность избирательной рудоподготовки на стадии добычи горной массы (формирование нужного грансостава, наведенной трещиноватости и т.п.) основана на современных достижениях буровзрывных технологий, позволяющих настраивать параметры взрывания в зависимости от текстурно-структурной неоднородности рудного тела и прочностных характеристик его составляющих. Исследования нескольких десятков типов титаномагнетитовых руд показали наличие высокой корреляционной связи между параметрами буримости-взрываемости и текстурно-структурными, минералогическими, прочностными характеристиками, а также показателями обогатимости [4]. Данный подход является важной модификацией парадигмы, поскольку позволяет рассматривать рудной массив как текстурно-структурно дифференцированную совокупность единиц, обладающих разными буровзрывными и технологическими характеристиками (т.е. тот же принцип декомпозиции – от массива к дифференцированным разновидностям). Перемещение объемного разупрочняющего воздействия на стадию взрывного разрушения актуально еще и потому, что кпд разрушения взрывом в несколько раз превышает кпд дробильно-измельчительных устройств, несмотря на более высокую стоимость «химической энергии» по сравнению с электроэнергией. Высокоэнергетическое воздействие взрыва при объемном нагружении массива, способно вызвать дезинтеграцию его на фрагменты с некоторой укрупненной совокупностью разделительных признаков, например, по содержанию тех или иных извлекаемых минералов в продуктах взрывной отбойки. Известно, что текстурно-структурная неоднородность руд связана не только с распределением различных видов минерального сырья в рудном массиве, но и с параметрами акустического импеданса. Для неоднородностей с разными значениями акустического импеданса и размерами, соизмеримыми с длиной упругой волны,  возможно появление растягивающих напряжений при отражении на границах неоднородности, усиливающих эффект взрывного разрушения за счет явлений резонанса на уровне блоков и отдельностей. Теории волновых процессов при взрыве показывают, что формированием параметров взрывного воздействия (сетка и размер скважин, масса ВВ, число ступеней замедления, интервалов замедления, комбинирование зарядов и др.) можно добиться распространения в массиве упругих волн различной длины, а значит и управлять размерами селективно выделяемых блоков в соответствии с их структурными неоднородностями [4]. Таким образом, неоднородность структуры массива и вариация акустической жесткости, создают, по крайней мере, теоретические предпосылки для существования резонансных явлений в отдельных блоках и возможность избирательного их разупрочнения. Эта тема – предмет новых исследований, от которых можно значительного прорыва. Предлагаемы  подходы не исключают альтернативных методов добычи,  например гидрометаллургических технологий подземного выщелачивания и др.

Принцип – не обогащать ничего лишнего, по сути, отражает традиционную технологию стадиального обогащения, однако в современной трактовке ее необходимо дополнить методами избирательной рудоподготовки на всех этапах переработки, включая и добычу. В новой трактовке данный принцип рассматривается в тесной взаимосвязи с базовым принципом – не дробить ничего лишнего. Основу модификации составляют представления о структурных элементах разделения и раскрытия, которые формируются из горной массы в продуктовые потоки, начиная с первой стадии предконцентрации (с использованием радиометрических, магнитных и иных методов сухой сепарации). После каждой стадии разрушения образуются новые структурные элементы разделения, из которых после сепарации формируются новые потоки для последующей стадии дезинтеграции. При этом режим каждой дезинтеграции выбирается в соответствие с непрерывно меняющимся составом, структурой и прочностными свойствами разрушаемого минерального комплекса. Такая технологическая последовательность формирования структурных элементов раскрытия и разделения (в связке” дезинтеграция-сепарация”) осуществляется вплоть до получения конечных продуктов из исходного минерального сырья. Несмотря на то, что из-за уменьшения кратности разрушения, приходится увеличивать число стадий ” дезинтеграция – сепарация”, данный подход позволяет применять сухие методы обогащения вплоть до размеров, при которых физические методы разделения (гравитационные, магнитные, электрические) способны обеспечить концентрирование извлекаемых элементов. Это позволит сохранить главный минеральный ресурс – воду и снизить энергозатраты на обезвоживание продуктов мокрого обогащения.

Введение представлений о структурных элементах раскрытия и разделения обусловлено необходимостью управления дисперсией физических, минералогических и технологических параметров на соответствующих стадиях обогащения. Для этого надо принять очевидный и экспериментально доказанный факт (легко поддающийся верификации), что с уменьшением размера частиц усилие и энергия разрушения уменьшаются нелинейно, а значит и воздействия на них в процессах дезинтеграции должны быть адекватными. Типичный для многих руд пример: лопарит в срастании с двумя генерациями нефелина, с разными прочностными свойствами, при селективном измельчении может быть раскрыт практически в естественной крупности. Однако в реальных процессах лопарит из-за низкой прочности переизмельчается, что затрудняет его сепарацию, при этом сростки со второй (более прочной) генерацией нефелина остаются. Снижение дисперсии параметров и, как следствие, улучшение управляемости процессов на разных стадиях переработки, являются основой принципа не обогащать и не дробить ничего лишнего. Если структурные характеристики руд отвечают за размер структурного элемента раскрытия и содержание минералов, то характер разрушения и раскрытия определяется двумя факторами: факторами нагружения и фактором соотношения упругих и прочностных свойств минералов. Причем, факторы нагружения определяются задачами разрушения и свойствами раскрываемых минералов. Из возможных видов деформаций (сжатие, растяжение, сдвиг) в реальных процессах разрушения может быть реализована только деформация сжатия или сжатие со сдвигом. Деформации растяжения с некоторой вероятностью могут быть реализованы в редких случаях разрушения изгибом. Такие ситуации могут возникнуть при разрушении в слое, так называемых лещадных частиц, у которых отношение максимального и минимального размеров превышает 5 и более раз. В силу своей формы такие частицы при соответствующих деформациях слоя разрушаются изгибом при малых нагрузках, переходя от лещадных форм к кубовидным.

 Что касается длительности нагружения или, как часто в таких случаях говорят о динамическом или квазистатическом нагружении, то для большинства действующих устройств вопрос о длительности может практически не рассматриваться. Подробно это обсуждено в монографии [3]. При размерах структурного элемента раскрытия, не превышающего для большинства руд величины10÷12мм, все режимы нагружения со скоростью до 100м/с в соответствии с теориями физики разрушения можно рассматривать как квазистатические. Возможность проявления волновых (резонансных) явлений, способных вызвать разупрочнение границ срастания минералов с размером зерен 0,5 мм и ниже, лежат в области частот 1÷100 МГц. Устройств, способных реализовать подобное механическое воздействие для переработки руд в промышленных масштабах, не существует. Есть еще один фактор, который в значительной мере определяет собственно характер разрушения – режим деформирования (нагружения). Существует два вида нагружения – жесткий и мягкий, различие их в соотношении жесткости разрушаемого образца и нагружающего устройства. При одинаковой прочности разрушаемого тела, результат разрушения (число фрагментов, вновь образованная поверхность, энергия разрушения, селективность раскрытия) будет определяться типом деформирования. На уровне элемента раскрытия (при всем разнообразии структурных характеристик руд и соотношении свойств минералов) мы имеем дело с более простыми структурами и с ограниченным набором физических характеристик минералов. Значительная часть нерудных минералов вмещающих пород может быть отнесена к хрупким минералам, пластичные минералы относятся в основном к редкой группе самородных (золото, платина, серебро, медь и др.), квазипластичные минералы имеют значительный диапазон изменения коэффициента пластичности (к наиболее пластичным в этой группе можно отнести галенит, молибденит, халькозин и некоторые другие). Режим нагружения выбирается в зависимости от содержания раскрываемых минералов и соотношения их прочности, трещиностойкости, коэффициентов упругости и пластичности.

 В новой парадигме определяющее место отводится технологической минералогии,   в ее новой роли системного интегратора, задачи которого состоят не только в обеспечении процессов обогащения традиционной минералогической информацией, но и в разработке технологических и экономических моделей комплексной переработки минерального сырья на основе анализа связей физических, минералогических и технологических свойств,   увязке их с геологическими параметрами технологического картирования для оптимизации буровзрывных работ. Новыми задачами технологической минералогии являются: подготовка заданий на разработку оборудования (например, высокопроизводительных радиометрических устройств для сепарации частиц в миллиметровом диапазоне), выдача исходных данных для проектирования новых производств, стандартизация методов исследования свойств, состава минерального сырья и технологических процессов. Появление высокоэффективных инструментальных средств и методов исследования структуры и состава руд, высокопроизводительной вычислительной техники открывает большие возможности для создания комплексных компьютерных моделей, описывающих процессы добычи и переработки минерального сырья на основе энергоэффективности всего цикла. Современные информационные технологии различных стадий переработки руд, существующие оценки энергоэффективности большинства этапов обогащения могут стать основой для формирования комплексных энергетических, экономических и технологических моделей переработки минерального сырья.

 Информационной основой для рудоподготовки (формирования стадий “дезинтеграция-сепарация”) в новой парадигме должны стать не только стандартный набор структурных характеристик, принятых в минералогии. Их необходимо дополнить параметрами удельной поверхности срастания, характеристиками распределения по крупности всех извлекаемых минералов, характеристиками трещиноватости, трещиностойкости, показателями упругости и пластичности. Важную часть информационной матрицы составляют параметры прочности (усилий разрушения) разрушаемых минеральных комплексов в большом диапазоне крупности, например 20÷0,1мм с одновременной оценкой энергии разрушения и дисперсии всех параметров. Значительная часть этих характеристик в нынешней технологической минералогии не определяется, отсюда и уровень ее влияния на разработку процессов: как можно правильно разрушить и раскрыть минеральный комплекс, не зная, например, усилий, которые необходимо к нему приложить, какие минералы и при каких условиях деформирования будут разрушаться первыми и т.п. Для получения этой информации необходимы соответствующие приборы и устройства, за прототип можно принять методики и приборы, на которых все эти характеристики определялись на большом разнообразии руд [3].

В новой концепции оправдано введение энергетического принципа: оптимум энергозатрат при максимуме объема извлеченного товарного продукта, а также интегральных показателей энергоемкости и дисперсии параметров. Наибольшая дисперсия и наименьшая энергоемкость разрушения – это параметры начальных условий   первой стадии рудоподготовки: производства горной массы. Конечные условия – минимум дисперсии свойств (концентрат, однородный товарный продукт) и оптимальные энергозатраты. Связка “селективное разрушение – сепарация” на каждой стадии должны быть самосогласованны с меняющимися текстурно-структурными параметрами, прочностными свойствами разрушаемых частиц и содержанием извлекаемых элементов при определении кратности дезинтеграции.

Таким образом, новый подход позволит найти ответы на вопрос, как «не дробить, не обогащать и не добывать ничего лишнего», как не тратить энергии сверх того, что физически необходимо и достаточно для того, чтобы добытую горную массу превратить в совокупность ценных продуктов; как выбирать рациональную схему рудоподготовки, тип оборудования, режим разрушения, средний размер куска, с которого целесообразно начинать раскрытие минералов, или же для некоторых видов сырья обоснованно уйти от механических способов дезинтеграции  и применить энергетически более выгодные, способы вскрытия минерального сырья. Допустимо ожидать на некоторых  этапах рудоподготовки    появления структурных  элементов раскрытия, с размерами извлекаемых минералов, при которых дальнейшая их дезинтеграция механическими методами окажется экономические нецелесообразной. В таких ситуациях привлечение иных (например, гидрометаллургии) методов вскрытия минералов  на основе технологий активного выщелачивания с одновременной дезинтеграцией, может оказаться более выгодным. Подобные технологии выщелачивания на встречных потоках пульпы (своего рода аналог струйного измельчения) в свое время применялись для вскрытия трудно извлекаемых минералов, и могут получить свое развитие для тонко вкрапленных руд как альтернатива механическим методам раскрытия.

Появление или рост трещины в материале, нагруженном до критической плотности упругой энергии, приводит к потере устойчивости и к “мгновенному” высвобождению запасенной упругой энергии, распространяющейся в виде волны разгрузки. Указанные явления инициируют лавинообразный рост других трещин, если только величина упругой энергии будет достаточна для поддержания этого процесса. В случае мягкого нагружения лавинообразный рост трещин и образование новых поверхностей разрушения возможно и за счет энергии, запасенной в самом нагружающем устройстве. Одним из потенциальных инновационных направлений снижения энергозатрат на дезинтеграцию являются волновые технологии, в которых используется эффект «реологического взрыва» (незначительное подобие этого эффекта реализуется в валковом прессе, однако процессы объемного сжатия-расширения там сравнительно медленные и неконтролируемые).

Примером максимального использования внешней энергии для образования новой поверхности является метод Бриджмена, который позволяет значительную часть накопленной при всестороннем сжатии упругой энергии преобразовать в энергию неуправляемого разрушения (реологический взрыв) с получением множества фрагментов и большой вновь образованной поверхности. Создание устройств, способных «закачать» в тело предельную плотность энергии упругих деформаций и «мгновенно» высвободить ее в виде динамического разрушения, может стать новым направлением дезинтеграции руд с повышенным кпд преобразования энергии внешних нагрузок во вновь образованную поверхность продуктов разрушения. Однако как показали исследования [1], не для всех материалов (в том числе разномодульных минералов в руде) такая возможность физически осуществима. Величина накапливаемой энергии пропорциональна модулю объемной упругости, объему тела и квадрату относительной деформации, поэтому необходимо соотносить размеры и свойства разрушаемых тел с техническими возможностями устройств, способных трансформировать энергию внешних сил в объем разрушаемого тела через поверхность нагружения. В той или иной степени элементы объемного деформирования можно обнаружить при разрушении частиц в слое, например, в некоторых зонах роллер-пресса и конусной инерционной дробилки. Согласно многим исследованиям нагружение материалов в слое создает картину близкую к объемному сжатию. Специфика поведения деформированного слоя, состоящего их частиц различного размера, с различной жесткостью и прочностью, позволяет рассматривать его в качестве объекта для создания условий объемного разрушения. Известны два способа дезинтеграции. Наиболее распространенный способ – последовательное (с некоторой кратностью- k) сокращение начального размера куска с увеличением числа дочерних частиц “n” (n= k^m,   m-число сокращений). Для этих процессов характерны следующие факторы: несоответствие (превышение) энергии внешнего устройства необходимому и достаточному уровню энергии разрушения частиц, как следствие – неконтролируемые потери энергии; снижение прочности и энергии разрушения дочерних частиц (p≈d^s, p-прочность (Н), d-размер частиц (м), s-структурный безразмерный параметр); необходимость повторных приложений усилий к дочерним частицам для продолжения разрушения. Увеличение вероятности разрушения (при непрерывном росте дочерних частиц) может быть достигнуто либо за счет синхронного увеличения частоты внешних воздействий, либо за счет увеличения длительности нахождения частиц в зоне воздействия. Назовем этот способ сокращения размеров частиц – свободное разрушение единичных фрагментов многократным локальным деформированием. Указанные выше обстоятельства создают “каналы” утечки внешней энергии в тепло, излучение (акустическое, электромагнитное) и т.п. Основные причины потерь энергии в этом способе следующие: низкая доля упругой энергии, трансформирующейся в новую поверхность, по отношению к упругой энергии, переданной телу внешним нагружающим устройством; уменьшающаяся вероятность отбора частиц в зону воздействия при непрерывно увеличивающемся их числе; степенная зависимость уменьшения прочности частиц при снижении размеров; избыточный и не меняющийся спектр усилий, создаваемых нагружающими элементами (шарами и пр.).  Второй способ, который, как уже упоминалось, лишь фрагментарно содержится в некоторых устройствах для дезинтеграции, характеризуется множественным разрушением частиц исходного размера за счет объемного (или квазиобъемного) деформирования. “Накачать” предельный уровень энергии в объем разрушаемого тела можно как внешними деформациями (давление газа, жидкости, внешних тел и т.п.), так и внутренними воздействиями за счет тепло-, пьезо-,магнитострикционных и других деформаций (например, электромагнитного поля различной частоты). Для руд, содержащих разнопрочные и разномодульные минералы, этот способ создает неплохие предпосылки для селективного разрушения, в том числе и интеркристаллитного по границам срастания.

Для реализации условий близких к “реологическому взрыву” необходимо создать сдвиговые деформации в момент предельного сжатия разрушаемого объема или вызвать адсорбционное понижение поверхностной энергии в минеральных компонентах (или по границам срастания минералов) нагружаемого образца в момент достижения некоторой плотности упругой энергии в разрушаемой среде. Известный подход к анализу группы явлений, объединяемых общим понятием адсорбционное понижение прочности или эффект Ребиндера[2,3], состоит в привлечении представлений об определяющей роли понижения свободной поверхностной энергии твердого тела в процессах деформации и разрушения. Снижение уровня работы образования новых поверхностей в результате адсорбции поверхностно-активных веществ (пав) способствует не только росту образовавшихся трещин, но и может являться “спусковым механизмом”, своего рода триггером для возникновения реологического взрыва или самоподдерживающего разрушения в условиях объемно напряженного состояния неоднородного материала.

Задача настоящей работы состояла в проверке: могут ли поверхностно-активные вещества, выступающие в качестве понизителя поверхностной энергии, вызвать образование новых поверхностей за счет внутренней упругой энергии, накопленной при внешнем деформировании. При этом задача поиска наилучшего ПАВ для усиления данного эффекта (если он будет обнаружен) не ставилась, поскольку известны многочисленные работы по избирательному воздействию ПАВ, в том числе и на горные породы [4]. Физическая суть массового разрушения при объемном  деформировании состоит в следующем. Быстрое снятие внешней нагрузки с поверхности хрупкого тела, подвергнутого всестороннему сжатию, вызывает распространение внутри него волны разгрузки. Инициированная таким образом волна  в условиях неоднородной среды создает растягивающие напряжения, вызывающие множественное разрушение с большой вновь образованной поверхностью. В практике разрушении твердых тел известны примеры максимального преобразования внутренней накопленной энергии в поверхность разрушения – “взрыв батавских слезок”.  Роль спускового механизма в “батавских слезках” играет трещина, образующаяся при надломе тонкой части стеклянного образования. Накопленная в объеме потенциальная упругая энергия (компенсируемая до этого момента сжимающими напряжениями оболочки) взрывообразно трансформируется в работу разрушения с образованием значительного числа фрагментов, как правило, микронных размеров.

Идея настоящей работы исходила из предположения, что в случае объемной деформации подобную роль (триггера) могут сыграть адсорбционные понизители поверхностной энергии. В многочисленных проявлениях эффекта Ребиндера (понижения прочности, облегчения пластической деформации и др.) есть важное для селективного разрушения обстоятельство – возможность использования избирательной адсорбции пав на границах зерен и границах срастания минералов для интеркристаллитного разрушения. Объемное сжатие различных руд моделировалось деформированием частиц узких фракций (средний размер сростков 2÷4 мм) в ограниченном замкнутом пространстве, образованном цилиндрической матрицей и двумя пуансонами. Характерная диаграмма деформирования приведена на рис.1.

На рис.2 приведен пример сростков, подвергаемых испытаниям. Динамика трещинообразования регистрировалась датчиком акустической эмиссии (АЭ) и фиксировалась цифровым осциллографом (самописцем) с отражением в реальном времени на мониторе компьютера. Испытанию подвергалось несколько руд: лопаритовая, хромитовая, титаномагнетиты и железистые кварциты, их характеристика  приведена в [1].

В качестве ПАВ использовалась вода (дистиллированная), 0,1% раствор анионных ПАВ (алкилсульфаты) и 1% раствор этилового спирта в воде.  В точке предельного деформирования (определяемого по резкому росту усилия сопротивления сжатию и динамике АЭ)  движение пуансона прекращалось, и в нагруженный объем рудного материала, находящегося в условиях всестороннего объемного сжатия, подавалось ПАВ.  На рис.3-5 приведены диаграммы, отражающие кинетику интенсивности акустической эмиссии во время нагружения и при воздействии ПАВ на различных образцах руд.

На диаграмме: t₀-начало деформирования, t₁-прекращение деформирования и t₂ - момент подачи ПАВ). На некоторых диаграммах момент t₀ не обозначен, поскольку начало деформирования обычно совпадает с резким ростом акустической эмиссии. В  работе не анализировалась кинетика акустической эмиссии на промежутке t₀÷t₁ (на этапе деформирования), поскольку эти вопросы подробно рассмотрены в [1] на разных рудах  и   минералах.

На некоторых рудах эффект последействия акустической эмиссии, вызванный ростом трещин за счет накопленной упругой энергии, продолжался и после прекращения деформирования (после момента t₁). Величина последействия (длительность и скорость затухания акустической эмиссии) зависит от типа руды. Так у титаномагнетита эффект последействия (снижение интенсивности акустической эмиссии) составил десятки секунд (рис.3), у хромитовой руды – порядка 5 секунд (рис.5). Объяснение данному эффекту кроется в структуре руды и в содержании минералов, способных накапливать энергию упругих деформаций. Матрица вмещающих пород хромитовой руды- преимущественно серпентинит не обладает таким свойством, а сам хромшпинелид, являясь хрупким минералом, имеет высокую трещиноватость и низкий коэффициент трещиностойкости, чем и обусловлено быстрое затухание АЭ после прекращения деформирования образца.  Для выделения эффекта воздействия ПАВ на объемно нагруженный материал реагент подавался в зону нагружения после снижения активности акустической эмиссии (последействие), т.е. через несколько секунд после прекращения деформирования (без разгрузки).

Как следует из многочисленных экспериментов с разными ПАВ и на разных рудах, у всех выявлен эффект самопроизвольного трещинообразования в момент подачи ПАВ в нагруженный объемно-деформированный материал. При этом существенного (в разы) различия в активности и длительности “последействия” акустической эмиссии при использовании различных ПАВ на однотипных рудах не выявлено. Некоторые различия интенсивности, характера кинетики и длительности процесса затухания АЭ, наблюдаемые при использовании разных ПАВ, можно отнести на счет неизбежной вариации структуры и состава образцов. Более заметные различия кинетики АЭ выявлены на разных рудах: на рис.3 в объемно деформированный титаномагнетит в момент, отмеченный как t_2, было подано ПАВ (1% раствор этилового спирта), что вызвало “колоколообразную” кинетику процессов трещинообразования и разрушения. Несколько иная кинетика роста и затухания акустической эмиссии у железистого кварцита рис.4, подвергнутого воздействию ПАВ (дистиллированная вода), при этом длительность процесса затухания трещинообразования в несколько раз больше, чем у титаномагнетита и хромита. Для хромитовой руды в силу особенностей ее структуры характерен кратковременный всплеск активности трещинообразования, как, например, на рис.5 при подаче ПАВ (0,1% раствор алкилсульфатов) – длительность цикла акустической эмиссии составила чуть более 10 секунд.

Практически на всех образцах отмечена тенденция увеличения активности акустической эмиссии (и ее длительности) при подаче ПАВ, при сокращении  выдержки t₁÷t₂. Такое поведение материала можно связать с различной скоростью релаксации объемного напряженного состояния, которая зависит от структуры, состава руды и физико-механических свойств минералов.

Продукты разрушения руд при объемном деформировании были подвергнуты микрофрактографическому анализу. Лопаритовая руда при объемном деформировании разрушается преимущественно интеркристаллитно, с минимальным числом сростков, образованных в основном со скрытно кристаллическим нефелином, при этом лопарит в значительной части раскрыт в естественной крупности (рис.6).

Рис.6.Продукты объемного разрушения: раскрытые зерна лопарита (черное) (фракция -2+1,6 мм)

Отмечено также существенное переизмельчение кристаллического нефелина и частично эгирина. Схожая картина и на других рудах с учетом специфики их структуры и минерального состава. В титаномагнетитах рудный минерал раскрывается в естественной крупности преимущественно за счет измельчения пироксена. При недостаточной деформации образуются сростки титаномагнетита с плагиоклазом. Почти идеальная картина в железистых кварцитах, в которых вмещающая “матрица” представлена в основном зернистым кварцем, в межзерновом пространстве которого находится магнетит, раскрываемый практически на 100% в естественной крупности. Микронные (пылевидные) зерна магнетита, находящиеся в раскрытых зернах кварца, требуют более высоких уровней деформации, причем, в качестве иного структурного элемента раскрытия  и отдельно от основной массы.

Приведенные результаты показали способность ПАВ играть роль триггера самопроизвольного разрушения объемно нагруженного тела. Не проводя аналогий с горными ударами,   отметим лишь, что в геотехнологиях есть множество агентов, способных выступить в роли ПАВ: газы, в том числе выделяемые самими горными породами (например, в угольных пластах), грунтовые,  поверхностные воды и т.п.