ультразвук в горнорудной промышленности

О чем поведала Хозяйка Медной горы

Ультразвуковые технологии для горнорудной промышленности

Наверное, у любого специалиста, работающего в горнорудной промышленности, найдется не один технологический вопрос, на который он хотел бы услышать ответ от Хозяйки «Медной горы». И так же, как Степан Петрович в сказке П.П.Бажова, научиться находить, извлекать и обогащать полезные ископаемые с минимальными затратами энергии и максимальной экономической выгодой. Но причем здесь «звук», а тем более «ультразвук» – который мы даже не слышим? И что может сделать звук с горной породой, где не выдерживает тяжелая и надежная карьерная техника; где энергия взрыва не всегда справляется со своей задачей? Да, нам известно о применении ультразвука в геологоразведке, в измерительных приборах и средствах автоматики, но может ли звук обогащать, извлекать, сортировать полезные ископаемые, а тем более «собирать по крупицам» ценные редкоземельные элементы, сможет ли звук облегчить столь тяжелый и порой опасный труд работников горнорудной и угольной промышленности?

Попробуем в этой статье дать ответ на эти вопросы и попытаться рассмотреть физическую суть, связывающую звук с горной породой, и возможность использования колоссальной энергии звука в горнорудной промышленности.

Приведем один из наглядных примеров, высказанный академиком М.А.Садовским в его статье «Голос земли» (ж. «Химия и жизнь» № 1, 1985г.). Важнейший признак жизни – постоянное преобразование энергии в организме. Растения, поглощая энергию солнца, из минеральных веществ создают органические, которые, в свою очередь, служат пищей для животных и человека. Переработка энергии поступающей из вне, свойственная всему живому, присуща она и Земле. Так, в земной коре мы можем выделить процессы, возникающие под влиянием энергии, поступающей из глубин планеты и космического пространства. Эти процессы обуславливают перемещения земного вещества, порождают тектонические движения, регистрируемые с помощью сейсмографов и деформографов. Это и постоянные микросейсмические колебания, и приливные движения и многие другие.

Для понимания побудительных причин этих движений нужно вкратце сказать об особенностях земной коры. Рассматривая обнажения горной породы (рис. 1 и рис. 2), мы замечаем, что она рассечена трещинами на отдельные части – блоки.

Рис. 1 – Карьер

И в каком бы масштабе ни взять горную породу, общей характеристикой всегда будет блочность ее строения. В микромасштабе – это расчленение на мельчайшие глобулы – кристаллы, в масштабе всей земной коры – расчленение на гигантские блоки в сотни и тысячи километров.

Рис. 2 – Блоки земной коры

Даже на микрофотографии шлифа кварцевого стекла (рис. 3) отчетливо выделяются крупные глобулы, заполненные мелкими, которые в свою очередь, сложены из еще более мелких. Иначе говоря, горную породу можно считать системой блоков разного размера, как будто вложенных друг в друга. Под влиянием энергии, поступающей извне, и в первую очередь из глубин Земли, в коре и мантии планеты меняются свойства и состояния вещества – идут фазовые переходы, химические превращения, сопровождаемые перемещением вещества.

Рис. 3 – Поверхность кварцевого стекла

Эти превращения и вызывают тектонические движения в литосфере.

Блоки земной коры деформируются, в них накапливается упругая энергия. Энергонасыщенность тех или иных блоков может быть и нейтральной, и как угодно близкой к неустойчивости. А, как нам известно, только неустойчивые системы способны к самоорганизации. При длительной энергетической подпитке блоки земной коры, достигшие неустойчивости, будут сбрасывать энергию в окружающую среду в виде упругих волн.

Очень важно то, что частота этих волн (ƒі) зависит от размеров блоков. Грубо: ƒ=1/L_і где L_і – размер блока. Частота в упругих резонансных системах описывается как отношение скорости распространения к резонансной длине ƒ = c/L_р , где c – скорость распространения звука в материале; L_р – резонансная длина.

Сброшенная энергия воспринимается соседними блоками, увеличивая их энергонасыщенность. Причем, наиболее эффективно энергия упругих волн будет впитываться блоками, размер которых равен или кратен габаритам блока, достигшего неустойчивости. Эффект резонатора возни-кает при условии, что длина волны равна λ; λ/2; λ/3; λ/4; … λ/n.

В результате все большее число блоков какого-то конкретного i-того размера будет приближаться к состоянию неустойчивости и излучать упругие волны.

В некоторый момент все блоки этого размера сбросят накопленную энергию, которая в основном соберется в объеме блоков (i+1)-го масштаба. Потом блоки и этого размера будут насыщаться энергией. Процесс повторится и перейдет в следующий, еще больший масштаб (i+2). Так будет до тех пор, пока процесс не остановится на естественной границе – на поверхности Земли. С помощью сейсмографов и деформографов можно наблюдать такие упругие волны в самых разных частотных диапазонах.

По сути дела эти колебания можно назвать «голосом» Земли. Его диапазон огромен – от ультразвука до глубокого инфразвука. Исследование распределения блоков земной коры по размерам дало интересные результаты. Выяснилось, что в природе не все размеры кусков равновероятны. Природа как бы предпочитает некоторые из них. Оказалось, что эти «преимущественные» размеры образуют последовательность, подчиняющуюся закономерности, приближенно описываемой выражением:

(L_і+1)/ L_і = const = k ,

где L_і и L_і+1 – соседние преимущественные размеры. Далее было установлено, что постоянная k лежит в пределах 2

В таблицах (1-4) даны примеры отдельностей в горной массе, кварцевом стекле и распределении тел. Солнечной системы по размерам. Средняя величина k всех таблиц – 3,52. Сейчас нет надежных объяснений такому свойству твердых кусков. Однако это не случайно. Если предположить, что таблицы достоверны, тогда и в голосе Земли должны быть колебания преимущественной частоты. Некоторые данные, подтверждающие это, уже получены.

Таблица 1 – Характерные размеры мелких частиц

* Реологический взрыв – мгновенное разрушение твердого материала, испытывающего сильное сжатие и кручение. При этом поверхность образца дробится на мелкие частицы, разлетающиеся с огромной скоростью.

Таблица 2 – Характерные размеры горной массы в карьерах

Таблица 3 – Характерные размеры отдельностей пород на Ингури ГЭС

Таблица 4 – Характерные величины тел солнечной системы

Блоки земной коры колеблются со свойственной их размерам частотой, накапливают энергию, поступающую извне, и обмениваются ею с соседями. То есть блоки обладают некоторой свободой и способностью к малым перемещениям. Но ведь из-за изменения расстояний и размеров контактов между блоками будет меняться плотность их укладки, что чревато изменением пористости, проницаемости и других свойств горной породы.

А из этого следует, что «преимущественные» частоты голоса Земли, обусловленные блочным строением коры, дарят нам возможность активного воздействия на свойства горной породы. В самом деле, с помощью «специальных вибраторов» мы можем сообщать блокам дополнительную энергию. Подбирая соответствующую частоту вибрирования, можно заставить блоки тех или иных размеров интенсивно поглощать ее. Если вибрировать достаточно долго, можно добиться последовательного возбуждения все более крупных отдельностей. При этом в разных диапазонах частот будут меняться разные свойства горной породы.

Важно, что этот процесс может идти не только в сторону больших масштабов. Меньшие неустойчивые блоки тоже будут реагировать на вибрацию и, теряя устойчивость, излучать волны больших частот, хотя и гораздо слабее.

Этот эффект известен: при землетрясениях низкочастотные колебания земной коры (доли Гц) сопровождаются звуками – гулом, грохотом и ультразвуковыми колебаниями. Подобные явления возникают и при движении подземных масс в глубоких шахтах.

Далее рассмотрим возможность создания «специальных вибраторов», способных активно воздействовать на горную породу.

Для сообщения блокам дополнительной энергии в объемах, необходимых и приемлемых для применения в сегодняшней экономике, обратимся к «макрозвуку» – мощным ультразвуковым колебаниям. Как известно, интенсивность (плотность) звука в слышимом диапазоне частот свыше 133 децибел – это болевой порог человеческого уха. Уровень в 133 децибела соответствует интенсивности 20 Вт/м². Примерно такую же плотность звука создает оркестр из 75 инструментов в районе дирижерского пульта или, скажем, реактивный самолет в момент взлета на расстоянии 1 метра от его сопла. Но такая интенсивность вряд ли заставит блоки активно изменять свое состояние.

Ультразвуковой преобразователь, работающий на частоте 20 кГц, позволяет прикладывать (вводить в среду) энергию интенсивностью до 50 Вт/см² и более. А это, как мы видим, на несколько порядков выше. Но как же быть с частотным диапазоном? Ведь выше мы говорили о том, что каждому размеру соответствует своя частота колебаний.

Учитывая тот факт, что горная порода состоит из вложенных друг в друга блоков уменьшающегося размера, вполне очевидно, что наиболее эффективно поглощать энергию ультразвуковых колебаний будут те блоки, линейные размеры которых наиболее соответствуют частоте колебаний ультразвукового преобразователя, передающего воздействие в среду (горную породу). Будем считать, что это блоки i-того размера. После насыщения энергией всех блоков этого размера накопленная энергия будет сбрасываться в блоки (i+1)-го масштаба, т.е. будут возбуждены колебания более высокого, следующего по размерам масштаба. Далее, после насыщения энергией блоков (i+1)-го масштаба, энергия будет «перекачиваться» в блоки (i+2)-го масштаба и т.д.

В итоге, при длительном интенсивном воздействии происходит последовательное возбуждение колебаний частиц от долей миллиметра до километровых блоков, при этом частота и амплитуда колебаний частиц (блоков) каждого порядка (масштаба) будет в строгой зависимости от их линейных размеров. Очевидно, что для разных пород (разной плотности веществ) необходимо применять разные частоты возбуждаемых колебаний, т.е. применять преобразователи с наиболее оптимальной рабочей частотой для каждой породы.

При использовании диапазона частот ультразвуковых колебаний от 20 до 40 кГц можно создать оптимальную систему воздействия с «преимущественной» частотой для любой «обрабатываемой» среды. А поскольку линейно изменить частоту ультразвукового преобразователя нельзя, т.к. его работа эффективна только на фиксированной резонансной частоте, то дополнительным средством настройки системы на оптимальный режим воздействия на среду является регулировка амплитуды колебаний рабочей части ультразвукового преобразователя, непосредственно контактирующей с рабочей средой (горной породой, пластом и т.д.).

Амплитуду колебаний ультразвукового преобразователя мы можем регулировать по своему усмотрению, т.е. подбирать необходимую амплитуду в каждом конкретном случае, для каждого конкретного блока, заставив его интенсивно поглощать энергию.

Разработанные Научно-Производственной Лабораторией «Ультра Звуковые Технологии» генераторы и колебательные системы, работающие в диапазоне «макрозвука», позволяют уже сегодня внедрить в производство технологии, построенные на использовании акустической ультразвуковой энергии. Энергии, способной осуществить переворот в различных областях деятельности человека. В частности, в таких как обогащение, флотация, выщелачивание полезных ископаемых; интенсификация нефтеотдачи пластов; устранение газа из угольных пластов, опасных по газу и пыли; законтурное обводнение, тепловое воздействие на пласт; применение поверхностно-активных веществ и химреагентов; регулирование процессов тепломассообмена и многое другое.

20.09.2008

Зав. Лаборатории Валерий Буряков

Техн. директор Александр Кореневич