Использование электрических магнитных свойств горных пород для горного производства

Все способы разрушения пород с применением электрической энергии подразделяется на электротермические, обусловленные тепловым пробоем или нагревом породы электрическим током, и электрические, основанные на электрическом пробое горной породы.

К первой группе относится высокочастотный контактный метод разрушения плохо проводящих пород. Электроэнергия частотой до 300 МГц проводится к породе по контактирующим с ней электродам. В зависимости от формы электродов и их взаимного расположения в породе возникает электрическое поле определенной конфигурации. Таким образом, можно создать направленное электрическое поле или концентрировать его на определенных участках породы. В результате этого процесса порода разогревается и откалывается в виде чешуек или кусков. При этом методе разрушения горных пород основную роль играют электрические свойства породы и слагающих ее минералов.

Электрические методы основаны на электрическом пробое пород. Для разрушения пород электрическим пробоем используют импульсные напряжения. Величина этих напряжений зависит от электрической прочности разрушаемых пород и их размеров. Электрические пробой можно применять для раскалывания кусков породы, бурения и отбойки от массива. Однако для его осуществления требуются высокие напряжения, опасные для обслуживающего персонала.

Оттаивание пород осуществляется пропусканием электрического тока по разогреваемому участку на площади, подлежащей оттаиванию, бурят шпуры, в которые помещают электроды, так, чтобы их концы находились в такой породе. При подключении напряжения образуется замкнутая электрическая цепь в такой породе, так как электропроводность такой породы во много раз выше, чем мерзлой.

Слой, по которому протекает ток, нагревается и передает тепло вышележащему слою, который после оттаивания сам начинает проводить так. Постепенно процесс оттаивания достигает поверхности.

При упрочнении пород используют электрохимические закрепление и электроплавление.

Электрохимическое закрепление осуществляют путем пропускания постоянного электрического тока через влажные породы. В результате химических реакций калий и натрий замещаются водородом, алюминием или железом, и в породе образуются гидраты окиси металлов (например, боксит). При электроплавлении водоносные пески нагреваются пропусканием электрического тока до температуры 1700-1800⁰С, в результате чего песок расплавляется. Остывшая масса образует стекловидное вещество высокой прочности, водонепроницаемое и не разрушаемое.

Сущность электрических методов обогащения заключается в избирательном действии электрического поля на заряженные минеральные частицы. В электрическом сепараторе руда перемещается по электрическому полю. В зависимости от электрических свойств, крупности и формы минеральные частицы движутся по различным траекториям и могут быть разделены.

Для добычи серы применяют высокочастотный электромагнитный нагрев серных руд. Под воздействием электромагнитного поля массив нагревается за счет диэлектрических потерь независимо от его проницаемости, трещиноватости и теплопроводности. Скорость нагрева, таким образом, определяется только электрическими свойствами и теплоемкостью нагреваемого объема.

Для разведки месторождений полезных ископаемых широко применяются электромагнитные методы

Магнитный метод. Суть метода заключается в измерении величины напряженности магнитного поля. Напряженность магнитного поля в каждой точке поверхности Земли зависит от намагниченности находящихся под этой точкой геологических объектов. Этим методом можно исследовать породы, залегающие на глубине 10 4 20 м. По результатам этой съемки можно судить о геолого-петрографических особенностях массива, трещиноватости пород, разломах и т.д.

Электрические свойства пород используются в методах электроразведки. Наиболее распространены следующие.

Метод естественного электрического поля, который заключается в последовательном замере потенциалов точек, расположенных на одной прямой линии относительно одной центральной точки. Выявленные аномалии потенциала обычно указывают на наличие какого-то источника локальных токов (соляные или каменноугольные месторождения).

Если хорошо проводящая залежь вскрыта хотя бы одной скважинной или горной выработкой, то ее контуры можно определить методом заряженного тела. Один из полюсов источника тока подсоединяют к залежи, другой – заземляют на расстоянии, превышающем размеры залежи в 10 4 20 раз и более. В результате залежь заряжается и создает вокруг себя электрическое поле. Залежь оконтуривают эквипотенциальные линии. Это дает возможность, прослеживая их распределение на поверхности Земли, определить границы и конфигурацию изучаемого объекта.

Для шпурового метода определения трещиноватости массива вокруг горных выработок на кафедре горной геомеханики ДонНТУ был создан прибор радиоинтроскопии, состоящий из зонда, измерительного блока и досылочного устройства. Излучающая катушка зонда создает в породах вокруг шпура электромагнитное поле постоянной частоты 1МГц; величина тока в приемной катушке зонда зависит от относительной диэлектрической проницаемости среды вокруг зонда. Последнее обстоятельство и позволяет обнаруживать в массиве трещины (заполненные, как правило, воздухом) и устанавливать их параметры: величину раскрытия, их местоположение по длине шпура и их угол наклона к оси шпура.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какой смысл удельного электрического сопротивления горной породы?

2. Какой смысл относительной диэлектрической проницаемости горной породы?

3. Какой смысл относительной магнитной проницаемости горной породы?

4. Можно ли разрушить горную породу электромагнитным полем?

5. Как используют электромагнитные свойства горных пород при разведке месторождений?

РАДИАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОРОД

12.1 Базовые параметры радиационных свойств горных пород и методы их определения

 

Радиоактивность горных пород предопределяется содержанием радиоактивных элементов (урана, актиноурана, тория и радиоактивного калия). Содержание в породах других радиоактивных элементов (технеция, полония, прометия, кальция, рубидия, циркония, олова, теллура, висмута, вольфрама, рения) практически не влияет на их общую радиоактивность, так как скорость их радиоактивного распада очень мала. Содержание высокорадиоактивных элементов в земной коре незначительно. Так, среднее содержание урана (до глубины 16 км.) составляет 3×10^-4%, а тория – 8×10^-4%.

Радиоактивность горных пород характеризуется наличием в них радиоактивных минералов, большинство из которых могут адсорбировать радиоактивные изотопы и элементы из окружающей среды. Так, например, глина и глинистые сланцы в результате адсорбции радиоактивных элементов приобретают значительную радиоактивность.

При радиоактивном распаде, связанном с перестройкой ядер элементов, происходит излучение α- и β- частиц, а также γ- лучей. Гамма-лучи представляют собой электромагнитные волны с длиной до 10^-10м и энергией от 8·10^-15 до 4,8·10^-15 Дж. Они обладают наибольшей проникающей способностью.

В настоящее время известно около 250 радиоактивных минералов, содержащих уран и торий. В зависимости от преимущественного содержания радиоактивного урана или тория, радиоактивные минералы делят на урановые и ториевые.

Наиболее часто встречаются минералы главных типов магматических, метаморфических и осадочных пород по степени их радиоактивности делятся на три группы:

– слаборадиоактивные – главные породообразующие минералы (кварц, плагиоклаз, нефелин, калиевые полевые шпаты);

– повышенно-радиоактивные – главные акцессорные и рудные минералы (апатит, флюорит, магнетит, ильменит и др.);

– высокорадиоактивные – акцессорные минералы (сфен, ортит, монацит, циркон, лопарит и др.).

Радиоактивность осадочных пород, обусловленная наличием в них радиоактивных минералов, близка радиоактивности магматическим образованиям. Содержание радиоактивных элементов в осадочных породах зависит от их происхождения. Так в коренных (массивных) породах, содержание урана и тория значительно меньше, чем в почвах.

Радиоактивность горных пород характеризуется количеством распадающихся за одну секунду атомов вещества. Этот параметр называется удельной радиоактивностью. Удельную радиоактивность впервые измерили искровым счётчиком Э. Резерфорд и Х. Гейгер. Так, например, удельная радиоактивность радия составляет 3,7×10¹³с^-1кг^-1.

Проходя через породы, радиоактивные излучения частично поглощаются, за счет превращения энергии излучения в другие виды энергии. Способность пород поглощать радиоактивные излучения оценивается коэффициентом поглощения, который характеризует степень превращения энергии излучения в другие виды энергии.

Между коэффициентом поглощения Θ и длиной волны λγ, существует следующая зависимость:

 

Θ=λ3γ (12.1)

 

Проходя через вещество, гамма-лучи сталкиваются с его частицами, вследствие чего их направление изменяется. Хаотическое изменение направления гамма-лучей характеризуется рассеиванием.

Для горных пород характерно давление рассеивания лучей, при этом поглощение энергии немного превышает 10% общих потерь энергии.

На практике применяют различные методы изучения радиоактивности пород. Так, радометрические методы позволяют обнаруживать очень незначительные количества радиоактивных веществ.

Абсолютные измерения активности альфа и бета излучений проводятся методом 4π-счета, согласно которому регистрируются частицы, испускаемые источником в любом направлении.

Для источников, обладающих значительной активностью, используют калориметрический метод измерения радиоактивности, который основан на измерении теплового эффекта. Радиоактивность можно измерить также масс-спектрометрическим методом или методом эмиссионного спектрального анализа.

На практике широко используются относительные методы измерения радиоактивности, в основу которых положено сравнение радиоактивности анализируемых источников и образцов.

Радиоактивность горных пород можно определить по интенсивности их излучения. Для этого применяют радиометры, сцинтиляционные анализаторы, полупроводниковые детекторы и т. п. Излучения бета- частиц регистрируют ионизационными калярами и газоразрядными счетчиками. Для измерения радиоактивности бета-излучений с низкими энергиями применяют метод жидкостного сцинтиляционного счёта. При измерении интенсивности гамма-излучений часто применяют сцинтилируемые пластмассы в комплекте с фотоэлектронным умножителем.

Наиболее распространённым для измерения гамма-излучений является прибор СРП-2.

В качестве датчиков гамма-излучений используют газоразрядные счётчики, часто индикаторами нейтронов служат боровые пропорциональные счётчики.

Радиоактивность горной породы определяют как относительный параметр – Г_акт (радиоактивность, приведенная к относительному содержанию урана):

 

Г_акт=(П_п×Т_э×А)/(П_э×Т_п), (12.2)

 

где П_п и П_э – количество частиц, вылетающих за 1 мин. соответственно из образца породы и эталона, содержащего уран;

Т_э и Т_п – массы эталона и образца;

А – массовое содержание урана в эталоне.

Величина Г_акт называется грамм-эквивалентом урана на 1г.