El calor rompe las rocas.
Hace miles de años, China dominó la antigua tecnología de romper rocas con agua y fuego. En las "Notas varias sobre los jardines de la dinastía Ming" de Lu Rong y más tarde en "Ríos de la dinastía Ming" está registrado que se utilizaba para extraer mineral de cobre duro y formaciones de roca dura para cavar canales.
Antes del siglo XVII, incluso después de la invención de la pólvora para hacer estallar rocas, debido a la baja eficiencia de la perforación manual, la trituración térmica todavía se consideraba un método eficaz para procesar rocas sólidas hasta la primera mitad del siglo. Siglo XIX. La perforación mecánica fue eliminada sólo después de su ascenso.
La trituración térmica moderna de rocas utiliza principalmente métodos de calentamiento modernos para reemplazar el método antiguo de quemar madera, que puede causar rápidamente un frío y calor severos y desiguales en la roca, logrando así efectos de trituración de alta velocidad. A veces se utiliza calor elevado concentrado para debilitar, derretir o vaporizar rocas (como la perforación con fusión en caliente, la trituración de rocas asistida por energía termomecánica, etc.). Las fuentes de calor modernas incluyen chorros de cohetes, llamas de plasma, corrientes de alta frecuencia e irradiación de microondas. , irradiación infrarroja, irradiación láser, reacciones termoquímicas, etc., se han utilizado diversos métodos que pueden generar calor en los intentos de romper rocas. Sin embargo, hasta el día de hoy, pocos de ellos están disponibles para la producción industrial. La razón es que el dispositivo de calentamiento es complejo, no adecuado para condiciones de trabajo en el campo y el ruido es relativamente fuerte durante el funcionamiento. Algunos son difíciles de extraer y otros son muy costosos.
Figura 1-6-9 Coeficiente de expansión lineal y curva de cambio de temperatura
1. Propiedades físicas y mecánicas de la roca a altas temperaturas
La fractura térmica de la roca es no solo relacionado con sus propiedades mecánicas, sino también con sus propiedades y sus propiedades térmicas, como conductividad térmica, calor específico, coeficiente de expansión térmica, cambio de fase cristalina, etc. Por lo tanto, para desempeñar eficazmente el papel de trituración térmica, es necesario estudiar las propiedades físicas y mecánicas de las rocas.
1. Coeficiente de expansión lineal
Debido a que la roca es un cuerpo anisotrópico heterogéneo, el coeficiente de expansión lineal no es una constante, sino una variable que cambia con la temperatura. El erudito japonés Chu Chuan midió el coeficiente de expansión lineal y los datos de cambio de temperatura de cuatro tipos de rocas y dibujó una curva a-T como se muestra en la Figura 1-6-9. La piedra caliza cambia lentamente; el coeficiente de expansión lineal de la arenisca, la andesita y el granito cambia mucho, con un valor máximo que es de 24 a 120 veces diferente del valor A a temperatura ambiente. Se puede observar que no es práctico elegir A como constante en el cálculo del estrés térmico.
2. Efecto de la temperatura sobre el módulo de elasticidad
El efecto de la temperatura sobre el módulo de elasticidad de varias rocas es diferente. El módulo elástico de la roca SiO2_2 disminuye gradualmente con el aumento de la temperatura. Por ejemplo, cuando la temperatura aumenta de 20 ℃ a 600 ℃, el módulo elástico disminuye entre un 20% y un 30% para la roca carbonatada anhidra. 800°C, el módulo de elasticidad permanece básicamente sin cambios.
La Tabla 1-6-1 presenta los cambios en el módulo elástico de varias rocas con la temperatura. Al analizar los datos de la tabla, se puede ver que el módulo elástico de la roca disminuye gradualmente con el aumento de la temperatura, pero el patrón de disminución es diferente.
Tabla 1-6-1 Módulo elástico de la roca E a diferentes temperaturas
3. Efecto de la temperatura sobre la resistencia de la roca
Los experimentos muestran que la mayoría de las rocas se calientan. La resistencia final disminuye y cuanto mayor es la temperatura de calentamiento, mayor es la disminución. Cuanto más rápida es la velocidad de enfriamiento, más disminuye la resistencia. Algunas rocas, como arenisca, gabro, antracita, etc. , con mayor resistencia a medida que aumenta la temperatura, como se muestra en la Figura 1-6-10.
4. La influencia de la conductividad térmica λ
La dificultad del triturado térmico está estrechamente relacionada con la conductividad térmica de la roca. Las rocas con buena conductividad térmica no son propensas a sufrir estrés térmico con grandes gradientes, es decir, es difícil provocar fallas por desconchado.
La Tabla 1-6-2 enumera los valores de conductividad térmica de varias rocas medidos a temperatura ambiente. Como puede verse en la tabla, la conductividad térmica de diferentes rocas varía mucho.
La conductividad térmica también está relacionada con la temperatura, la estructura de la roca (lecho), la composición mineral, la porosidad, el contenido de agua y otros factores. La relación entre la conductividad térmica y la temperatura se muestra en la Figura 1-6-11. En la figura, de 20°C a 200°C, la conductividad térmica disminuye más rápidamente a medida que aumenta la temperatura. Después de 200°C, la conductividad térmica disminuye lentamente y la conductividad térmica de algunas rocas, como el granito, casi no se ve afectada por el aumento de temperatura. Durante el enfriamiento, la conductividad térmica aumenta aproximadamente linealmente a medida que disminuye la temperatura.
5. Efecto de la temperatura sobre el contraste térmico
El calor específico es un indicador importante para calcular la absorción de calor de las rocas. Cuando cambia la temperatura, también cambia el calor específico. La Figura 1-6-12 es la curva experimental del cambio de calor específico con la temperatura obtenida al calentar cuatro tipos de rocas de 50°C a 600°C.
Se puede ver en las cuatro curvas que el calor específico del pórfido es más sensible al aumento de temperatura, seguido de la cuarcita y la piedra caliza, mientras que el granito casi no se ve afectado por el aumento de temperatura y su calor específico puede considerarse constante.
Figura 1-6-10 Efecto de la temperatura sobre la resistencia de la roca
Tabla 1-6-2 Conductividad térmica de la roca medida a temperatura normal
Figura 1 - 6-11 Efecto de la temperatura de calentamiento sobre la conductividad térmica
Figura 1-6-12 Relación entre calor específico y temperatura
6.
El silicato es un mineral importante en las rocas, representando el 11% del peso total de la corteza. Por lo tanto, entre rocas rotas se encuentran a menudo rocas que contienen elementos estacionales. Hay varias fases cristalinas, como α, β, etc. El β-silicio pertenece al sistema cristalino trigonal y su temperatura estable es de 573°C. El silicio α pertenece al sistema cristalino hexagonal y su temperatura estable es de 573 ~ 870 ℃.
Al calentarse hasta una determinada temperatura, sufre un cambio de fase. Por ejemplo, cuando el ácido β-sintético se calienta a 573 °C, la energía térmica rápidamente (alrededor de 2 ~ 8 s) hará que el silicio (Si) y el oxígeno (O2) se reorganicen en ácido α-sintético y, al mismo tiempo, causará expansión de volumen (reacción sintética se produce contracción de volumen durante el enfriamiento). La Tabla 1-6-3 enumera la temperatura y el porcentaje de expansión de volumen de cada etapa del cambio de fase.
Tabla 1-6-3 Cambio de temperatura y volumen de la transformación de fase dependiente del tiempo
El cambio de fase dependiente del tiempo provoca un cambio de volumen, que puede causar fácilmente tensión de expansión térmica. Por lo tanto, cualquier roca que contenga tungsteno es propensa a descascararse y agrietarse a temperaturas de alrededor de 573°C.
7. Efecto de la temperatura sobre la resistividad de la roca
La resistividad de la roca es un parámetro físico importante para la rotura electrotérmica de rocas.
Hay muchos factores que afectan a la resistividad de la roca, como la composición mineral (a mayor contenido de metal, menor resistividad), la humedad, la porosidad, el lecho, la temperatura, etc.
La temperatura tiene dos efectos sobre la resistividad de la roca: por un lado, el aumento de temperatura intensifica el movimiento térmico de las moléculas de la roca, aumenta el número de colisiones y aumenta la resistencia, provocando así un aumento. en resistividad. Grande por otro lado, el aumento de temperatura aumenta la cantidad de material cargado en la roca, mejorando la conductividad de la roca, lo que resulta en una disminución de la resistividad. Generalmente, el último efecto de la mayoría de las rocas es mayor que el primero. Por lo tanto, la resistividad de la mayoría de las rocas disminuye significativamente al aumentar la temperatura.
2. Teoría de la fractura térmica de la roca
Directamente relacionado con la fractura de la roca está el estrés térmico causado por la energía térmica. En condiciones unidimensionales, cuando la temperatura aumenta de T0 a Ts, el estrés térmico es proporcional al aumento o disminución de la temperatura, es decir:
Ingeniería de trituración de rocas
Dónde : σh es la tensión térmica, kg/cm2; k es una constante adimensional; e es el módulo elástico, kg/cm2; α es el coeficiente de expansión térmica, ℃-1, y su valor cambia con la temperatura.
Las teorías de fractura térmica de rocas relacionadas con el estrés térmico incluyen: teoría de la fractura por estrés térmico; A esto se suman los efectos destructivos de los cambios de fase de las rocas, su descomposición y fusión.
1. Teoría de la fractura por tensión térmica
Basándose en la débil resistencia a la tracción de la roca, muchos estudiosos que estudian la fractura térmica creen que la tensión térmica es la principal causa de la fractura de la roca.
Cuando una fuente de calor actúa sobre una roca, la tensión térmica en la roca excede la resistencia a la tracción de la roca, y la roca forma una nueva superficie y se separa del macizo rocoso. Según la perspectiva de la mecánica de fracturas, debería ser la tensión térmica en la punta de la microfisura dentro del objeto la que genera una gran tensión de tracción. Cuando esta tensión de tracción excede la resistencia a la tracción de la roca, se propagarán microfisuras y provocarán que la roca se rompa.
Según esta teoría, bajo la condición de una fuente de calor conocida, se puede determinar el rango de fragmentación de la roca, o bajo las condiciones de selección de la roca, se pueden calcular nuevamente el calor y la temperatura necesarios para lograr la fragmentación.
2. Teoría de la fractura por esfuerzo cortante térmico
Algunas personas han propuesto que el esfuerzo cortante generado por la diferencia entre dos superficies isotérmicas adyacentes debería usarse como criterio para juzgar el daño a un objeto. es decir, cuando dos superficies isotérmicas adyacentes Cuando el esfuerzo cortante generado por la superficie isotérmica excede el esfuerzo cortante máximo del material, el material se agrietará térmicamente. De modo que esta teoría se extendió a la fractura térmica de las rocas. También se proponen dos fórmulas para calcular el esfuerzo cortante en capas isotérmicas adyacentes.
3. Cambio de fase de la roca, descomposición y daño por fusión.
La ruptura por tensión térmica se refiere a la ruptura de la roca que se produce sin descomposición de fases ni fusión.
Sin embargo, algunas rocas, como el granito que contiene cambios estacionales, sufren cambios de fase debido a los cambios de temperatura (como se mencionó anteriormente), lo que hace que el volumen se expanda rápidamente, lo que resulta en una disminución significativa de la resistencia, grietas y fracturas por corte; otro ejemplo es la calcita; que constituye la piedra caliza. Se descompone a unos 500 ℃ y la temperatura de la piedra caliza desciende mucho. Para este tipo de roca, la ubicación y el alcance de la fractura no se pueden determinar basándose en la teoría de la tensión de tracción.
En tercer lugar, dispositivos generadores de energía térmica
Existen muchos tipos de dispositivos generadores de energía térmica, incluidos chorros de llama supersónicos para simulacros de incendio, láseres, plasmas, haces de electrones y microondas.
1. Simulacro de incendio
En la antigüedad, la gente sabía utilizar el fuego para romper rocas. A principios del siglo XX se utilizaban lanzas de oxígeno para perforar agujeros.
En 1938, se probaron por primera vez simulacros de incendio en Estados Unidos. Antes de 1947, se utilizaba principalmente el método de fusión, y luego se mejoró al método de pelado por tensión y diferencia de temperatura, que se ha convertido en un método práctico. Se utiliza principalmente para operaciones de expansión de fondo de perforación con voladuras en minas a cielo abierto. Industrialmente se utiliza para cortar piedra y hormigón, incinerar basura y más.
Actualmente existe una plataforma de perforación móvil especialmente utilizada para simulacros de incendio. Sus principales componentes son: mecanismo de trabajo (quemador de chorro), mecanismo de elevación, mecanismo de giro, sistema de alimentación, mecanismo de movimiento, chasis, mástil y mecanismo de operación. plataforma y mecanismos fijos. Además, existen equipos auxiliares como ventiladores, camiones de oxígeno, camiones cisterna y camiones petroleros.
Figura 1-6-13 Diagrama esquemático del principio de funcionamiento del quemador de chorro para taladro contra incendios.
El quemador de inyección (Figura 1-6-13) es similar a un motor de inyección líquida. Su cámara de combustión es de tamaño pequeño y libera una gran cantidad de calor por unidad de volumen; utiliza varias (generalmente tres) boquillas para impactar dinámicamente el combustible comprimido o la gasolina (0,7 ~ 1,0 MPa) y el oxígeno de entrada (0,9 ~ 1,2 MPa), el El combustible se mezcla, se atomiza, se quema en la cámara de combustión y luego se rocía desde la boquilla. La velocidad del gas en chorro puede alcanzar una velocidad supersónica y la temperatura del flujo de aire de la llama es de aproximadamente 3000 °C, lo que produce directamente estrés térmico y efectos mecánicos de trituración en la roca. Se utiliza agua (0,4~0,55 MPa) para enfriar la pared del quemador de chorro, y el vapor formado por el agua pulverizada eliminará la grava (aproximadamente la mitad del diámetro es ≥0,83 mm o más). También se puede utilizar aire comprimido de 7 atmósferas en lugar de oxígeno y la temperatura de la llama es de unos 2000°C.
La distancia entre el quemador y el fondo del agujero es siempre de 18 ~ 20 cm, y su velocidad de rotación óptima es de 10 ~ 20r/min.
Al simulacro de incendio también se le puede añadir el efecto auxiliar del chorro de agua, que se introduce en el fondo del pozo desde el lateral del simulacro de incendio, y los recortes del taladro regresan hacia arriba a través del chorro de agua.
2. Rotura de rocas con láser
El láser es una nueva tecnología que se ha desarrollado rápidamente desde los años 60. En los años 1970 se dedicó a experimentos de trituración de rocas. Al cortar rocas, perforar túneles y perforar agujeros, se han utilizado láseres en experimentos conjuntos de rotura de rocas y se han obtenido buenos resultados. Los expertos estadounidenses predicen que se convertirá en una tecnología práctica para la industria minera.
El láser es un láser de gas (líquido, sólido). Después de que una fuerza externa actúa sobre el material activo, la mayoría de los átomos se elevan al estado excitado y algunos de los fotones emitidos espontáneamente escapan. Los fotones axiales provocan una emisión estimulada, una vibración del fotón, una emisión estimulada, mejorada (amplificada) por la reflexión de los dos espejos finales. Este rayo láser se irradia desde el extremo de algunos espejos. Su frecuencia es muy alta (1014s-1) y la longitud de onda es muy corta (10-2).
El rayo láser tiene excelentes características como buena coherencia, buena direccionalidad (cerca de la luz paralela), buena monocromaticidad, alto brillo y buena concentración de luz. La densidad del haz puede alcanzar los 109W/mm2. Bajo la irradiación de luz con una densidad de energía tan alta, una sustancia puede generar una temperatura elevada de varios millones de grados Celsius en un tiempo muy corto (microsegundos o milisegundos), fundiéndose y evaporándose. La potencia del rayo láser que se utiliza actualmente para triturar rocas es cercana a 20 ~ 40 kW. Actualmente, estamos trabajando en un láser de 200~300 kilovatios.
La rotura de rocas con láser provoca principalmente la expansión y el aumento de microfisuras después de que la roca se calienta; el cambio de fase provoca la separación de los granos de la cavidad del gas y el agua y el cambio químico general. Por lo tanto, los láseres se pueden utilizar tanto para la fragmentación directa de rocas como para la fragmentación asistida de rocas (debilitamiento térmico y corte alrededor de los pozos).
En países extranjeros, la rotura de rocas asistida por láser se ha aplicado a máquinas perforadoras combinadas. Cuando se trabaja, el rayo láser emitido por el láser primero crea pequeños agujeros y grietas en la superficie del túnel, y luego la perforadora corta rocas grandes, aumentando así considerablemente la velocidad de excavación.
Alguien ha realizado experimentos: combinando láser y placa de disco para romper rocas, si el láser enfocado se mueve horizontalmente a una velocidad de 0,254 cm/s, la velocidad de rotura de rocas de la placa se puede aumentar 3,5 veces. Se informa que un láser de 1 kW puede perforar carbón bituminoso a una velocidad de 1,8 ~ 2,4 m/h; para perforar carbón subbituminoso a una velocidad de 3,7 ~ 4,6 m/h, en granito duro, se utiliza un láser de 5 ~ 17 kW. requerido. Por ejemplo, utilizando un láser de ranurado de 14,5 kW, la velocidad de perforación de una herramienta de perforación de barrenos de 0,3 m de diámetro en cuarcita se incrementará 2 veces (es decir, de 10 m/h a 30 m/h).
Figura 1-6-14 Diagrama esquemático de la pistola pulverizadora de plasma
Las ventajas de la trituración de rocas con láser son: alta densidad de energía, que puede formar fácilmente un espacio de fusión estrecho y profundo en cualquier roca; se puede romper en el agua Funciona; más fácil de enfocar y emitir luz láser.
Los problemas con la rotura de rocas con láser son: la eficiencia general del láser es baja; la potencia de salida es pequeña; el láser de alta potencia es grande; el rayo láser y su onda reflejada no son beneficiosos para la roca; cuerpo humano; las condiciones de trabajo del láser en el fondo del pozo no son buenas.
3. Trituración de rocas por plasma
A mediados de la década de 1960, la tecnología de corte de metales por plasma se introdujo en la trituración de rocas para la trituración secundaria de rocas grandes. Se han conseguido buenos resultados en perforación, corte y excavación.
El plasma (el cuarto estado de la materia) es un chorro de gas ionizado de temperatura ultraalta (de miles a decenas de miles de grados). Si se aplica un voltaje de CC convencional entre el cátodo metálico y el ánodo de la pistola de plasma (como se muestra en la Figura 1-6-14), puede excitarse mediante chispas de alta frecuencia o cortocircuitos de partículas de carbono para generar un arco. Debido a que hay un medio gaseoso entre los dos electrodos, los electrones de alta energía golpean las moléculas o átomos calentados en el medio electrónico, provocando que se ionicen. Esta reacción en cadena (avalancha de electrones) expulsa continuamente dos o tres electrones, formando una conducción local (descomposición) del gas, y recibe energía del campo eléctrico o campo magnético acompañado de luz intensa y calor (el efecto del calor también promueve aún más ionización del gas), por lo que se genera una columna de arco entre los dos espacios entre electrodos (igual que el arco eléctrico de soldadura). El gas ionizado en la columna del arco se llama plasma porque sus partículas con carga positiva y negativa tienen la misma carga pero signos opuestos. Después de pasar a través de la boquilla enfriada por agua refrigerante, el plasma se expulsa a una velocidad igual o mayor que la velocidad del sonido para formar un chorro de plasma. Después de ser expulsado, se recombina en gas, liberando rápidamente energía y una gran cantidad de calor, lo que hace que la temperatura alcance entre miles y decenas de miles de grados Celsius. Usando esta alta temperatura, se puede lograr un efecto de fusión de lava muy alto. Por ejemplo, al perforar granito duro, granodiorita, arenisca y cuarcita (el diámetro de perforación es φ 75 ~ φ 135 mm), la velocidad de perforación puede alcanzar 2,7 ~ 4 m/h. Estados Unidos ha estudiado la aplicación de llamas de plasma en túneles de roca dura. ingeniería de perforación.
4. Trituración de rocas por haz de electrones
El uso de un acelerador de electrones especial para generar electrones de alta energía para triturar rocas es una nueva tecnología desarrollada en los últimos 20 años. Se realizaron experimentos de corte y perforación que demuestran que tiene buenas perspectivas de desarrollo.
El dispositivo que genera haces de electrones es un cañón de electrones (Figura 1-6-15), que es un generador de cátodos. El campo eléctrico entre los electrodos E1 y E2 acelera los electrones del cátodo, que tiene una bobina de calentamiento eléctrica en su interior, creando su fuente de iones termoiónicos. Debido a que los propios electrones generan un campo eléctrico y las líneas del campo eléctrico divergen hacia afuera, se utilizan lentes de electrones para restringirlos y enfocarlos.
Figura 1-6-15 Diagrama esquemático del cañón de electrones
Cuando el haz de electrones atraviesa la roca, debido a la ionización y excitación de los átomos del medio, la energía del haz de electrones (10 ~ 200 kev) se transfiere a la roca. En la superficie, su densidad de potencia puede alcanzar 106 W/cm2, por lo que puede liberar una gran cantidad de calor para calentar o fundir (o vaporizar) rocas. La superficie termofusible se extenderá hacia adelante a una velocidad de 3 m/s. La ventaja del haz de electrones enfocado es que la densidad de potencia es superada solo por el plasma y la tasa de conversión de energía es del 75%, que es mayor que la del láser y el plasma. El trabajo específico es de alrededor de 200 ~ 3000 J/cm2, que no es demasiado alto.
En 1976, Estados Unidos también propuso la idea de utilizar haces de electrones pulsados (≥1MV) para generar tensión térmica pulsada para provocar grietas por tracción y desconchado en las rocas.
Además, hay trituración de rocas por microondas (usando microondas para irradiar la roca para calentarla, causando daño térmico); perforación con corriente de alta frecuencia (usando corriente de alta frecuencia para calentar la roca eléctrica); perforación por inducción (que utiliza corriente de alta frecuencia para calentar la roca); el calentamiento por campo magnético elimina las rocas magnéticas (utiliza la alta temperatura generada por un arco eléctrico de 10 000-30 000 ℉ para fundir y romper rocas), etc. .