Спосіб видобутку корисних копалин з кускової гірничої маси та пристрій для його здійснення

1. Способ извлечения полезных ископаемых из кусковой горной массы, включающий помещение кусковой горной массы в замкнутую емкость – реактор, заполение ее жидким реагентом под давлением и перевод полезного компонента в раствор путем воздействия силовыми волнами сжатия, отличающийся тем, что к жидкой среде реагента, в которую погружена кусковая горная масса, с входного конца емкости подводят волны сжатия с амплитудой давления, определяемой выражением: A (54) СПОСІБ ВИДОБУТКУ КОРИСНИХ КОПАЛИН З КУСКОВОЇ ГІРНИЧОЇ МАСИ ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО ЗДІЙСНЕННЯ 29780 глухой крышкой, уровень реагента превышает нулевое сечение конуса согласователя, при этом расстояние от крышки до свободной поверхности реагента и величина превышения реагента равны внутреннему диаметру отсека. 5. Устройство для реализации способа по пп. 1-3, отличающееся тем, что длина поверхности отражения определяется выражением: L отр = d , cos a где d=0,5 м - диаметр сечения жидкостного волновода; a - угол отражения. Изобретение относится к области извлечения полезных ископаемых, в частности к способам их извлечения из кусковой горной массы. Может быть использовано при гидротермической выплавке или химическом извлечении полезных ископаемых. Известен способ и устройство для подземного выщелачивания полезных ископаемых через скважины. По этому способу силовые импульсные волны генерируют на поверхности и по столбу жидкости подают в зону выщелачиваемого пласта, где с помощью специального отражателя вектор скорости частиц в волне поворачивают вдоль пласта (А.с. СССР № 1240112, кл. Е21В43/25, 1986 г.). К недостаткам этого известного способа следует отнести невозможность подвода энергии силовых волн и создание неравномерных нагрузок в кусках раздробленной горной породы с целью обеспечения их жидкостной проницаемости в режиме усталости при неравномерном объемном нагружении, что позволило бы исключить дробление и помол горной породы в условиях обогатительных фабрик горно-металлургических производств. В качестве прототипа выбран способ извлечения полезных ископаемых из кусковой горной массы и устройство для его реализации. Способ включает помещение горной массы в замкнутую емкость - реактор, заполнение ее жидким реагентом под давлением и воздействие силовыми волнами сжатия. Устройство, реализующее способ, включает генератор волновых импульсов, состоящий из гидравлического (пневматического или электрического) молота, металлического волновода и конуса согласователя, и емкость - реактор, заполненную кусковой горной массой и жидким реагентом (А.с. СССР № 1476987, кл. Е21В43/25, 1989 г.). К недостаткам этого известного технического решения следует отнести недостаточно четкое определение амплитуды подводимых силовых волн и постепенное оседание с последующей консолидацией измельченной горной породы в процессе разуплотнения кусков и извлечения полезного компонента в раствор. Задачей изобретения является усовершенствование способа извлечения полезных ископаемых из кусковой горной массы и устройства для его осуществления таким образом, чтобы ускорить процесс и полноту извлечения полезного компонента из кусковой горной массы. В отличие от прототипа к жидкому реагенту подводят волны строго определенной амплитуды давления с расчетным полем скоростей волнового движения. В кусках горной массы создается предельно неравномерное нагружение, обуславливающее дилатантное порообразование. Количест во волновой энергии выбирают исходя из условий протекания в единице объема технологической среды химических реакций захвата полезного компонента жидким реагентом. Техническая эффективность от реализации изобретения заключается в сокращении времени перевода в раствор полезного ископаемого при минимальных затратах волновой энергии и снижении требований к величине кусков. Потребительская эффективность от реализации изобретения заключается в обеспечении прибыльного режима извлечения полезных ископаемых из кусковой горной массы, что исключает традиционные самые энергоемкие в обогащении циклы дробления и помола. Поставленная задача решается за счет того, что способ извлечения полезных ископаемых из кусковой горной массы, включает помещение кусковой горной массы в замкнутую емкость – реактор, заполнение ее жидким реагентом под давлением и перевод полезного компонента в раствор путем воздействия силовыми волнами сжатия. Согласно изобретения к жидкой среде реагента, в которую погружена кусковая горная масса, с входного конца емкости подводят волны сжатия с амплитудой давления определяемой выражением 12 éA ×Eù P>ê ú , ë l û где А - удельная (на единицу вновь образующейся поверхности) работа разрушения; Е - модуль упругости породы; l - длина минимальных размеров трещины (начальной) в разуплотняемой породе; при величине энергии в единичном импульсе, определяемой выражением: DV W >P×e , aNTи где DV=V-V0 – объем наведенной пористости (проектной, заданной) за N циклов импульсного нагружения; V0 - суммарный объем начальной пористости разуплотняемой породы; V - суммарный объем наведенной и начальной пористости разуплотняемой породы; N - число циклов импульсного волнового нагружения разуплотняемой породы до получения проектного объема наведенной пористости DV; а - скорость упругой продольной волны в разуплотняемой породе; Ти - длительность импульсной волны; 2 29780 Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежом (фиг.), на котором показан продольный разрез реактора. Сущность предложенного способа заключается в следующем. Кусковую горную массу помещают в замкнутую емкость - волновод, заполняют ее жидким реагентом (растворителем или теплоносителем) под давлением и воздействуют силовыми волнами сжатия, с амплитудой давления определяемой выражением: VвL - суммарная линейная деформация a направлении вектора скорости частиц в волне (объема горной массы, заполненной жидкой средой); Vв - величина скорости волнового движения разуплотняемой породы; L=а×Ти - длина импульсной волны в разуплотняемой породе; причем в жидкую среду излучают волны близкой к прямоугольной форме, в координатах давление время. Для предотвращения оседания и консолидации измельченной горной массы в процессе разуплотнения кусков, волновое поле первоначально излучают с вектором скорости частиц в волне, направленным вертикально вниз, а затем поворачивают отражением от поверхности емкости – реактора вертикально вверх, причем обеспечивают отражение первоначальной волны сжатия от свободной поверхности реагента, над которым расположена газовая подушка. Для ускорения процесса и повышения полноты извлечения полезного компонента в раствор, количество подводимой волновой энергии, отнесенное к единице объема реагента и обрабатываемой породы, выбирают равной или больше энергии поглощения в единицу времени, необходимой для протекания в единице объема технологической среды химических реакций захвата полезного компонента жидким реагентом, т.е.: P × Tи × Vв × n > Эп , 3600 × Vp e= 12 éA ×Eù P>ê ú , ë l û где (1) А=200-1000 Эрг/см2 - удельная (на единицу вновь образующейся поверхности) работа разрушения; кг × м (А=(200-1000)×10-8 ) см2 10 11 2 Е=10 -10 Н/м - модуль упругости породы; l, м - длина минимальных размеров трещины (начальной) в разуплотняемой породе (l=10-6 для крепких пород), при величине энергии в единичном импульсе, определяемой выражением DV W >P×е , (2) a × N × Tи где V=V-V0 - объем наведенной пористости (проектной, заданной) за N циклов импульсного нагружения; V0 - суммарный объем начальной пористости разуплотняемой породы (для крепких пород V0=3% от объема разуплотняемой породы); N - число циклов импульсного волнового нагружения разуплотняемой породы до получения проектного объема наведенной пористости DV; для крепких пород N=105-106; а - скорость упругой продольной волны в разуплотняемой породе. Для крепких пород а= =5000 м/с; Ти - длительность импульсной волны, в основном Ти=10-3-10-6 с; VL - суммарная линейная деформация e= в a объема, охваченного волной в направлении вектора скорости частиц в волне (объем горной массы, заполненной жидкой средой); Vв - величина скорости волнового движения разуплотняемой породы, в основном Vв=310 м/с; L=a×Tи - длина импульсной волны в разуплотняемой породе; причем в жидкую среду излучают волны близкой к прямоугольной формы в координатах давление время. Волновое поле первоначально излучают с вектором скорости частиц в волне, направленным вертикально вниз, а затем поворачивают отражением от поверхности емкости - реактора вертикально вверх, причем последующее отражение первоначальной волны сжатия осуществляют от свободной поверхности реагента, над которым расположена газовая подушка. Количество волновой энергии, отнесенное к единице объема реагента и обрабатываемой породы, выбирают равной или больше энергии поглощения в единицу времени, необходимой для где Эп - энергия поглощения химических реакций перевода полезного компонента в раствор; Vp - объем реагента охваченного волной. Устройство, реализующее способ, включает генератор волновых импульсов, состоящий из гидравлического (пневматического или электрического) молота, металлического волновода и конуса согласования, и емкость - реактор. Согласно изобретению реактор состоит из загрузочного бункера и двух симметрично расположенных, относительно оси загрузочного бункера, отсеков, которые снабжены плоскими акустически жесткими по отношению к реагенту, отражателями, расположенными под углом 45° к горизонтальной плоскости. К первому отсеку присоединен генератор волновых импульсов. Его продольная ось расположена вертикально и проходит через центр отражателя. Во втором отсеке, который закрыт глухой крышкой, уровень реагента превышает нулевое сечение конуса согласователя. Расстояние оси крышки до свободной поверхности реагента и величина превышения реагента равны внутреннему диаметру отсека. Для отражения волны по всему сечению волновода длина поверхности отражения определяется выражением: d L отр = , cos a где d=0,5 м - диаметр сечения жидкостного волновода; a - угол отражения. 3 29780 Реагент после обработки содержал в процентах: серной кислоты 5%, химического катализатора 1,9%, MnSO4 - 30%, остальное вода. Горная порода после выщелачивания содержала в процентах: вмещающие элементы 97% и 3% марганца. Устройство реализующее способ состоит из емкости реактора 1, на котором имеются загрузочные люки 2, смонтированные в верхней части вертикальных бункеров 3. Симметрично по центру к емкости - реактору присоединен генератор волн 4, заканчивающийся излучателем 5, смонтированным над жидкостным волноводом 6, образованным жидкостью внутри участка конструкции равного сечения 7, которая в свою очередь соединена с корпусом генератора волн 4 коническим согласователем 8. Непосредственно под излучателем расположена коническая поверхность отражателя 9. Внутри емкость - реактор 1 заполнена кусковой горной породой 10, залитой реагентом до уровня самой высокой точки излучателя 5. Емкость - реактор снабжена также боковыми стенками - отражателями 11, являющимися акустически жесткими по отношению к жидкостному реагенту внутри емкости. В верхней части бункеров 3 непосредственно под люками 2 расположены газовые (воздушные) подушки 12. В нижнем коническом сужении емкости - реактора 1 расположен разгрузочный люк 13 заканчивающийся к верху поверхностями отражения 9, а к низу - винтовым механизмом 14 открытия - закрытия загрузочного люка 13. Вся установка крепится к фундаменту на опорах 15. При этом длина поверхности отражения определяется выражением: d L отр = , cos a где d=0,5 м - диаметр сечения жидкостного волновода; a - угол отражения. Устройство по предлагаемому способу работает следующим образом. В емкость - реактор 1 через специальные загрузочные люки 2 загрузочных бункеров 3 загружают кусковую горную массу, заливают ее жидким реагентом, закрывают загрузочные люки 2 и подают сжатый воздух под крышки загрузочных люков 2, затем включают генератор силовых волн 4, который наносит удары по металлическому излучателю 5 с заданной частотой и энергией удара. В момент каждого удара в металлическом волноводе 5 возникает упругая волна сжатия, которая распространяется вдоль его оси и на другом конце излучается в жидкостный волновод 6, в качестве которого используется жидкий реагент заполняющий цилиндрическую емкость 7 реактора 1, а для обеспечения акустического согласования (с целью полной передачи энергии) между металлическим 5 и жидкостным 6 волноводами используется специальный конус согласователь 8; кроме того металлический волновод имеет профильную форму. На выходе из конуса согласователя и входе в жидкостный волновод 6 емкости - реактора 1 силовая волна направлена вертикально вниз. Пройдя по этому отсеку она отражается от специального конического отражателя 9, который изменяет ее направление на протекания в единице объема технологической среды химических реакций захвата полезного компонента жидким реагентом, т.е. P × Tи × Vв × n > Эп , (3) 3600 × Vp где Эп - энергия поглощения химических реакций перевода полезного компонента в реагент; n - частота волновых импульсов; Vр - объем реагента охваченного волной. Предложенный способ иллюстрируется следующим примером его осуществления. В емкость - реактор загружали 1 т кусковой горной массы (марганцевая руда с содержанием марганца 33%) и размером кусков 20-200 мм, суммарный объем начальной пористости разуплотняемой породы - 3% от объема породы. Энергия поглощения химических реакций перевода полезного компонента в реагент - Эп. Обработку вели 1 м. куб. жидкого реагента состава: серная кислота 15%, химический катализатор 2%, вода 83%, при температуре 20°С, и подводе силовых волн с амплитудой давления определяемой выражением (1), где А=600 Эрг/см2=600×10-8 кг×м/см2 Е=1010 Н/м2=109 кг/м2 l=10-6 м, тогда é 600 × 10 -8 × 10 9 ù P>ê ú 10 - 6 ê ú ë û 12 = = 2450 кг / см2 = 2,45 × 107 кг / м2 принимаем Р=2,45×107 кг/м2 и при величине энергии в единичном импульсе определяемой выражением (2), где N=3×60/10-4=1,8×106 а=5000 м/с Vв=5 м/с Ти=10-4 с L=5000×10-4=0,5 м 5 × 0,5 l= = 5 × 10 - 4 м 5000 DV=10%-3%=7% или в абсолютных величинах DV=0,07 м3 и равной 0,07 W = 2,45 × 10 7 × 5 × 10 - 4 × = 5000 × 1,8 × 10 6 × 10 - 4 = 9,5 × 10 -4 кг / м и статическим давлением внутри реактора равном 0,5 МПа. Для протекания в единице объема технологической среды химических реакций захвата полезного компонента жидким реагентом количество волновой энергии, отнесенное к единице объема реагента и обрабатываемой породы, выбирали больше энергии поглощения в единицу времени, определяемой выражением (3). Для рассматриваемого примера Vp=0,25 м3, Vв=5 м/с. P × Tи × n × Vв 2,45 × 10 7 × 10 -4 × 5 × 10 4 = = 13 × 10 4 кг × м 3600 × Vp 3600 × 0,25 Эп=2,5×104 кг. 4 29780 горизонтальное и далее силовая волна движется по внутреннему объему, заполненному кусковой горной породой 10 реактора 1. Здесь силовая волна проходит через загруженную кусковую горную массу вызывая ее разуплотнение и способствуя, за счет подвода дополнительной энергии, переходу полезного компонента в реагент. Далее волна снова отражается от второго плоского отражателя - боковых стенок-отражателей 11 и ее направление изменяется на вертикальное. Достигнув воз душной подушки 12 силовая волна сжатия отражается волной растяжения и возвращается в первый (начальный) вертикальный отсек-волновод 6. После завершения обработки порода и реагент удаляются из емкости - реактора через разгрузочный люк 13, который открывается с помощью винтового механизма с приводом 14. Вся установка смонтирована на фундаменте с помощью стержневых опор 15. Фиг. 5 29780 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6