Исследования, выполненные на множестве руд, подтвердили, что работа внешних сил при дезинтеграции лишь в малой степени преобразуется во вновь образованную поверхность, т.е. собственно в раскрытие минералов [1]. Причина – неэффективная трансформация энергии внешних устройств в энергию упругих предельных деформаций и в поверхность разрушения. В известных измельчительных устройствах лишь часть упругой энергии идет на образование новой поверхности, часть ее остается в виде необратимой объемной деформации (связанной с межзерновым проскальзыванием), часть может возвращаться нагружающему устройству, трансформироваться в кинетическую энергию разлета кусков, в тепло и т.п. Основным фактором, обосновывающим массовое применение барабанных мельниц для измельчения огромной массы минерального сырья, является “простота их конструкций и надежность эксплуатации”. Именно поэтому, несмотря на чрезмерно высокий уровень энергопотребления (при низком кпд), эти устройства пока доминируют в перерабатывающих отраслях. В этом контексте логичнее было соотносить надежность не только конечного потребителя (мельницы), а надежность всей цепи производства и доставки электроэнергии, тогда значимость данного критерия для обоснования применимости такого энергозатратного оборудования может существенно снизиться. Очевидно, что дело не только в надежности, просто, пока не предложены адекватные устройства, способные переработать мегатонные массы минерального сырья с более высоким коэффициентом преобразования энергии. К сожалению, современная активность исследований по поиску путей эффективной трансформации работы внешних устройств в поверхность разрушения не внушает оптимизма в части скорого решения этой задачи.

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, d-размер частиц, s-структурный  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.

Рис.3. Кинетика трещинообразования при объемном деформировании титаномагнетита

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).

Рис.5. Кинетика трещинообразования при объемном деформировании хромитовой руды.

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).

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.

1. Хопунов Э.А. Теория и практика избирательной переработки минерального и техногенного сырья. М.: Нобель Пресс Lennex Corp,2014. 343 с. ISBN: 978-5-519-02669-7.
2. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д. Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения. УФН, 1972. Т. 108, №1, С.3-42.
3. Щукин Е.Д. Понижение поверхностной энергии и изменение механических свойств твердых тел под влиянием окружающей среды. // Физ. –хим. механика материалов. 1976. Т. 2. С.3-20
4. Латышев О.Г., Иванова С.С., Суворов Б.И. Влияние поверхностно-активных веществ на физические свойства горных пород // Изв. вузов. Горный журнал. 1985. №12. С.1-5

Все статьи автора «Хопунов Эдуард Афанасьевич»