ЭНЕРГЕТИКА ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

В основе энергетики процессов разрушения горных пород лежат законы Риттингера и Кирпичева, определяющие расход энергии на разрушение (измельчение) горных пород. В физическом отношении эти законы одинаково обоснованы, однако чаще пользуются первым. Установлено, что при тонком измельчении минеральных тел закон Риттингера соблюдается с большой точностью.

В соответствии с этим законом работа, затраченная на измельчение горной породы, пропорциональна приращению поверхности материала, поэтому можно записать:

A_s = H_S ∆S, (2.15)

где A_s - работа, затраченная на измельчение; H_s - работа, которую необходимо выполнить на образование единицы поверхности; ∆S - приращение поверхности.

Затрачиваемая на разрушение работа A_s может быть дифференцирована на работу:

· расходуемую на образование новой поверхности горной породы A_v,

· расходуемую на упругие и пластические деформации А_уп, которые сопровождают процесс разрушения, но не приводят к образованию новой поверхности;

· работу трения А_т.

Следовательно, H_s всегда значительно больше поверхностной энергии σ.

Так как горная порода имеет трещины и поры, работу на ее разрушение можно представить в виде

A_s = H_S(S – S_тр) = H_S λ S, (2.16)

где S - общая поверхность частиц; S_тр - общая поверхность трещин и пор; λ = (1 - S_тр /S).

В начальной стадии разрушения трещиноватость и пористость играют, естественно, большую роль, чем в дальнейшем.

Энергоемкость разрушения горных пород зависит от силы удара при динамическом разрушении, которая, в свою очередь, определяется нагрузкой и скоростью ее приложения, формой разрушающего инструмента и др.

С увеличением скорости приложения нагрузки при постоянном запасе работы объемная работа уменьшается, асимптотически приближаясь к некоторому значению.

Влияние формы породоразрушающего инструмента (штамп - сфера - призма) на энергоемкость процесса разрушения пород при статическом и динамическом вдавливании сводится к следующему:

· абсолютные значения объемных работ при динамическом вдавливании в несколько раз выше, чем при статическом;

· геометрическая форма породоразрушающего инструмента оказывает существенное влияние на объемную работу;

· наименьшая объемная работа наблюдается при вдавливании цилиндрического штампа, наибольшая - при вдавливании призмы, т.е. бурить крепкие породы шарошечными долотами с цилиндрическими зубцами значительно выгоднее, чем с призматическими.

Удельная работа разрушения увеличивается пропорционально росту прочности на сжатие или твердости горной породы. Известно, что объемная работа разрушения пропорциональна квадрату твердости. Однако противоречия здесь нет, так как во время разрушения подавляющая часть затраченной работы идет на преодоление сил трения, пропорциональных твердости в первой степени.

На объемную работу разрушения пород оказывает влияние активность среды. Эффективность действия адсорбционных слоев падает почти до нуля, когда объемная работа достигает минимального значения; эффективность действия ПАВ достигает максимума, когда работа разрушения максимальна, так как в этом случае в породе возникает зона предразрушения, характеризующаяся развитой системой трещин.