Контроль качества естественных строительных материалов

можно осуществлять непосредственно по физическим свойствам пород. При этом целесообразно иметь наименьшее число пара­метров, достаточных для оценки качества.

Па производстве контролируют прочность строительных ма­териалов, нарушенность блоков и т. д.

При контроле качества заполнителей для бетонов распро­странение получил экспресс-метод оценки прочности кусков по­роды неправильной формы. Метод основан на расколе куска по­роды между двумя конусными (заостренными) стержнями.

Установлено, что

σ_р =(0,95÷1,05) σ_{р ск}, (6.4)

где σ_{р ск} — предел прочности породы при расколе.

σ_{р ск} = F_р / S_р; (6.5)

где F_р — нагрузка, при которой происходит раскол; S_р — площадь раскола куска породы.

Для контроля качества облицовочного и строительного камня в МГИ проф. В. С. Ямщиковым с сотрудниками разра­ботана ультразвуковая корреляционная аппаратура по дефек­тоскопии блоков природного камня.

Контроль зольности каменных углей. Обычный метод кон­троля зольности — это сжигание в стандартных условиях (при температуре печи 815 °С) навески угля и взвешивание мине­рального остатка. Процесс этот длится 3 ч (ГОСТ 11022-75).

Исследованиями установлено, что от зольности углей зави­сят практически все их физические свойства. Так, известно, что с увеличением зольности углей возрастает скорость распростра­нения в них ультразвука, с увеличением степени метаморфизации углей повышается их диэлектрическая проницаемость и ве­личина диэлектрических потерь, определенным образом меня­ется их отражательная способность.

Для некоторых угольных бассейнов (например, Подмосков­ного) вычислены корреляционные зависимости, по которым можно судить о зольности углей по величинеих объемной массы.

В конструкциях датчиков зольности углей используют наи­более четкие для конкретного месторождения зависимости свойств от зольности.

6.6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КОНТРОЛЬ СОСТАВА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Из существующих методов определения состава наиболее рас­пространен прямой метод химического анализа, заключаю­щийся в отборе пород в соответствующей точке технологиче­ского звена и анализе их на содержание искомых элементов в лаборатории. Такой метод обладает высокой точностью, но продолжителен по времени. Поэтому оперативный и тем более непрерывный контроль качества с одновременной регулировкой параметров процесса возможен только на базе физических дат­чиков состава.

Выделяют пять групп физических методов контроля.

1. Рентгеновские методы. В эту группу входят методы, основанные на воздействии рентгеновского излучения на горные породы. Наиболее широко используется рентгеноспектральный метод. Посредством этого метода определяют характеристиче­ский спектр вторичного рентгеновского излучения, присущий каждому химическому элементу, и таким образом устанавли­вают присутствие этих элементов в породе. Он применим не только в лабораторных условиях, но и непосредственно в тех­нологическом потоке в сочетании с автоматическими пробоот­борниками и механизмами подготовки проб.

2. Радиационные методы. Эти методы основаны на дей­ствии ядерных излучений на ядра и оболочки атомов различ­ных элементов. За счет ядерных реакций возникает поток вто­ричных частиц, а в ряде случаев наводится вторичная радиоак­тивность. Интенсивность вторичных излучений служит исходной информативной характеристикой содержания того или иного элемента. К данной группе относятся также различные методы ядерных реакций на заряженных частицах.

Известны, например, альфа-нейтронный метод, основанный на возбуждении ядерных реакций и создании потока нейтронов в легких эле­ментах облучением их α-частицами;

метод ядерных реак­ций на нейтронах, основанный на облучении вещества по­током нейтронов и фиксации ответных потоков различных ча­стиц;

метод ядерного гамма-резонанса (эффект Мессбауэра), использующий явление резонансного поглощения γ-квантов.

3. Полярографические методы объединяют физико-химические методы контроля за содержанием полезного эле­мента (или, в отличие от предыдущих методов, полезного мине­рала). Данные методы основаны на определении зависимости того или иного параметра тока, проходящего через электроли­тическую ячейку с контролируемым раствором, от приложен­ного к электродам напряжения. Указанное обстоятельство обус­ловливает необходимость предварительного растворения мине­ралов.

4. Оптико-спектральные методы:

эмиссионный, основанный на регистрации характерного оптического спектра сжигаемых минералов;

адсорбционный, основанный на определении спектров поглощения газов и жидкостей;

люми­несцентный — заключающийся в изучении спектров люми­несценции вещества, возбуждаемых ультрафиолетовыми лу­чами.

5. Методы, основанные на физических свойст­вах минералов. Для простейших скалярных параметров (например, плотности) пригодна формула арифметического средневзвешенного, поэтому, измерив параметр Х и зная параметры X_i составляющих компонентов для двухминераль­ной породы, можно непосредственно вычислить относительное объемное содержание Vi -того или иного минерала в породе.

На величину определяемых характеристик влияют не только состав пород, но и другие факторы (строение, темпе­ратура и т. д.), одиночные измерения часто не дают нужной точности.

Для повышения точности измерений используют один из следующих приемов:

обеспечивают постоянство второстепенных факторов во всех измерениях;

выбирают такие параметры измерительного поля (например, частоту), при которых влияние второстепенных факторов мини­мально;

осуществляют перекрестное определение содержания полез­ного компонента.

В последнем случае используют не одну, а несколько зави­симостей физического параметра от состава породы.

Распространены емко­стные, электрические, магнитные, плотностные, термографические и дру­гие методы определения состава полезных иско­паемых.

6. Емкостные (ди­электрические) ме­тоды основаны на за­висимости относительной диэлектрической проницаемости ε_r и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ пород от их минерального со­става.

В электрических (кондуктометрических) методах используют зависимость удельного электрического сопротивления породот содержания в них хорошо проводящего компонента. Так как электрическая проводимость пород особенно сильно зависит от их строения и влажности, с целью получения достоверных результатов пробы должны быть измельчены и высушены.

7. Магнитные методы основаны на зависимости магнит­ной проницаемости породы от содержания в ней ферромагнит­ных минералов. Эти методы могут быть использованы для кон­троля качества измельченной магнетитовой руды на конвейер­ной ленте и в пульповодах.

При сравнительных измерениях одним датчиком измеряют магнитную восприимчивость эталона, другим — пробы.

Предварительный обжиг некоторых руд приводит к появле­нию ферромагнитных компонентов. В этих случаях магнитные методы определения содержания полезного компонента можно применять и для руд, не имеющих минералов — ферромагнети­ков в исходном составе.

Так, обжиг халькопирита при температуре 800—900 °С при­водит к образованию магнетита.

Содержание в руде магнетита полностью соответствует со­держанию в ней халькопирита. Таким образом, магнитный ме­тод с предварительным обжигом пробы позволяет определить содержание меди в сульфидной руде. А так как существуют корреляционные связи между содержанием в полиметалличе­ской руде меди, цинка и других металлов, этот метод в конеч­ном счете может дать полные сведения о содержании всех по­лезных компонентов в руде данного месторождения.

8. Плотностные методы, в которых используют различия мине­ралов по плотности. Так, если анализируемую руду можно пред­ставить как двухкомпонентную, причем компоненты сущест­венно различаются по своим объемным массам, то можно использовать метод определения объемной массы смеси, по которому вычисляют объемное содержание полезного компо­нента.

Опыт применения такого метода в течение нескольких лет показал, что по сравнению с химическим анализом проб ошибки определения содержания меди не превышают 5 %, содержания свинца и цинка — 8 %.

9. Термографический метод основан на аномальных изменениях тем­пературы нагреваемых минералов. Кри­вая изменения температуры большинст­ва минералов при их нагреве носит не­линейный характер, имеет ряд областей резкого повышения или понижения. Эти эффекты связаны с экзо- или эндотерми­ческими фазовыми превращениями ми­нералов. Температурные аномалии для каждого минерала строго определены и постоянны. Лишь незначи­тельное число минералов не имеет ано­мальных изменений температуры (тер­моинертны), например полевые шпаты, измененный нефелин и др. Поэтому по характерным аномалиям на термограм­мах можно судить о наличии тех или иных минералов в породе.

6.7 КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ

Оценка влажности пород в настоящее время наиболее часто осуществляется прямым методом — сушкой породы и последую­щим взвешиванием ее с целью установления массы содержав­шейся в породе воды.

Более перспективны физические методы оценки влажности, основанные на известных зависимостях свойств пород от влаж­ности.

Весовой метод основан на законе Архимеда. Если по­роду взвесить в воздухе, а затем взвесить ее в воде, то при постоянном удельном весе породы можно определить влажность.

Тепловой метод. Нагрев влажной пробы сопровожда­ется парообразованием. Давление пара возрастает и стабилизи­руется через 1 мин. после начала сушки. Величина этого давле­ния является функцией влажности породы.

К этому методу близок термоакустический метод контроля влажности, при котором фиксируют не давление пара, а степень изменения частоты собственных колебаний некото­рой гидрофильной мембраны, расположенной в области дей­ствия паров. Частота собственных колебаний зависит от влажности пород.

Метод теплопроводности основан на зависимости величины коэффициента теплопроводности от влажности пород.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Если в магнитное поле мощного постоянного магнита внести воду и одновременно воздействовать на нее высокочастотным магнитным полем, то протоны воды придут в колебательное движение.

При определенной частоте переменного поля протоны пере­ходят в состояние резонанса. Этому моменту соответствует наи­большее поглощение водой энергии магнитного поля. Если в поле магнита внести влажную породу и достичь состояния магнитного резонанса, то величина этого резонанса будет прямо пропорциональна числу протонов воды, т. е. влажности об­разца.

Емкостные методы основаны на зависимости относительной диэлектрической проницаемости ε_r горных пород от их влажности. В этих методах в качестве датчика при­меняют плоский или цилиндрический конденсатор. Непосред­ственное соприкосновение датчика с породой не обязательно.

Так как при контроле влажности в качестве основной вы­ступает зависимость свойств пород от содержания в них воды, зависимость этих свойств от минерального состава становится помехой и должна быть максимально уменьшена или исклю­чена. При этом можно использовать различное влияние влаж­ности на диэлектрическую проницаемость пород, установлен­ную при высоких и низких частотах электромагнитного поля.

Например, определяется диэлектрическая проницаемость по­роды при высокой частоте, что соответствует значению ε_r1 дан­ной практически сухой горной породы. Затем определяется ди­электрическая проницаемость ε_r2 при низкой частоте электри­ческого поля.

Отношение ε_r1 / ε_r2 связано с влажностью породы.

6.8 ПРОЦЕССЫ КОНТРОЛЯ ЗА ОТДЕЛЬНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОПЕРАЦИЯМИ

Контроль за режимом работы добычных комбайнов. Установ­лено, что минимальным удельным энергозатратам при добыче угля соответствует работа комбайна при постоянном отношении скорости его подачи V _п к скорости резания V_рз:

V_п / V_рз = const. (6.6)

Таким образом, при работе добычного комбайна необходимо поддерживать постоянное отношение V_п / V_рз.

Скорость резания зависит от физических свойств углей, конструкции исполнитель­ного органа и мощности электродвигателя комбайна. С измене­нием свойств углей происходит изменение и момента сил реза­ния исполнительным органом. Так, при встрече зубков ком­байна с породным прослойком момент сил возрастает.

В настоящее время в качестве параметра, пропорциональ­ного прочности породы, принимают усилия, возникающие в ис­полнительном органе, которые можно определять, например, тензодатчиками.

При добыче угля необходимо осуществлять автоматизацию направления движения комбайна. Чтобы устранить внедрение комбайна в почву или кровлю пласта и обеспечить оставление предохранительной пачки угля заданной толщины, применяют датчики, реагирующие на границу раздела двух сред – угля и породы.

В качестве таких датчиков можно применять устройства, фиксирующие различия в электрической проводимости, скоро­сти распространения упругих волн, скорости распространения электромагнитных колебаний, поглощения γ-лучей в углях и вмещающих породах.

По принципу отражения ультразвуковой волны работают, например, ультразвуковые датчики, которые по времени про­хождения прямого и отраженного лучей от плоскости раздела уголь-порода позволяют определить расстояние от комбайна до границы между углем и вмещающей породой.

Примерно так же решается эта задача и с помощью гамма-излучения, и радиоволновыми методами.

Контроль упрочнения горных пород необходим для своевре­менною прекращения этого процесса, а также обнаружения зон, в которых по тем или иным причинам упрочнение не происхо­дит. Для этих целей используют физические характеристики, легко фиксируемые в натуре и в то же время различающиеся у исходного и упрочненного массивов.

Так, для контроля за толщиной ледопородного цилиндра ис­пользуют различие в скоростях распространения упругих волн в мерзлой и не замерзшей породах. С увеличением толщины про­мерзшего слоя пород скорость распространения упругих волн возрастает.

Для этих же целей применяют термокаротаж, так как коэф­фициент теплопроводности пород возрастает с увеличением сте­пени их промерзания.

Оценить качество цементации, битумизации или силикати­зации массивов пород можно посредством проведения контроль­ных измерений их электрической проводимости. Упрочнение по­род указанными методами приводит к росту их электрического сопротивления, причем величина его прямо пропорциональна толщине упрочненного слоя.

Контроль процесса дробления горных пород. При дроблении горных пород в дробилках осуществляют контроль за степенью их загрузки и гранулометрическим составом продуктов дробле­ния. Интересны методы регулирования загрузки мельниц по уровню шума в них. Разработаны различные схемы звукометрических регуляторов, позволяющих быстро оценивать состоя­ние мельницы. Уровень шума, кроме всего прочего, определя­ется прочностными и упругими параметрами дробимой руды.

Для определения гранулометрического состава ферромаг­нитных руд используют прибор, индукционный датчик которого устанавливается под лентой конвейера. Ферромагнитная руда, находящаяся над датчиком, замыкает его магнитную цепь. ЭДС импульса зависит от магнитной проницаемости материала и размера его кусков. Большие куски руды наводят импульсы большей амплитуды и длительности. Если магнитная проницае­мость руды примерно постоянна, то по сигналу можно судить о ее гранулометрическом составе.

Контроль процесса обогащения полезных ископаемых. В процессе обогащения необходимо следить за различными характеристи­ками обогащаемого продукта. С этой целью используют раз­личные ранее установленные зависимости свойств пород от со­става и строения. Широко применяют акустические методы, ос­нованные на акустических свойствах пород.

Акустическим методом можно осуществить контроль концен­трации суспензий. Наиболее рационально при этом использо­вать такую характеристику, как коэффициент поглощения уль­тразвука.

Установлены корреляционные зависимости скорости распро­странения и коэффициента поглощения ультразвукаотплотности "хвостов" угольного шлама и от его зольности.

Эти зависимости можно использовать для анализа процесса флотации каменного угля.

Радиосвязь в подземных горных выработках. Обязательным условием полной автоматизации горного предприятия является немедленная передача необходимой информации в пределах подземных горных выработок,а также с поверхности в горные выработки, и наоборот.

Наиболее подходящим способом передачи информации явля­ется радиосвязь. Однако при этом необходимо решить задачи распространения электромагнитных волн в пределах горных вы­работок и через массив горных пород. Дальность распростра­нения электромагнитных волн даже по выработкам зависит от электрических свойств пород месторождения.

При радиосвязи через массив пород основное влияние на дальность приема оказывают два фактора – поглощение элек­тромагнитных колебаний и эффективность излучателей.

С увеличением частоты, как известно, поглощение сильно возрастает, однако при этом улучшается излучающая способ­ность антенн. Таким образом, для конкретных условий необхо­димо выбирать оптимальную частоту.

Дальности прямой связи через массив в зависимости от свойств пород составляют 100-1000 м, в частности в сульфид­ных рудах 100-150 м, в углях 150-200 м и в кварцитах 1000 м. При использовании металлических направляющих можно полу­чить дальность распространения радиоволн, равную5-7 км.

Заключение

Как уже отмечалось,на любой стадии ведения горных работ не­обходимо знание значительного количества данных о физиче­ских параметрах пород и их состоянии. При этом на подготови­тельном этапе к проектированию и в период проектирования разработки месторождений полезных ископаемых свойства пород нужны для оконтуривания месторождения, подсчета за­пасов и оценки качества полезного ископаемого, оценки состоя­ния разрабатываемых массивов пород, а также для выбора и расчета оптимальных схем вскрытия, систем разработки, водоотлива, проветривания, крепления, перемещения, складирова­ния и отвалообразования, выбора соответствующих машин, ме­ханизмов, агрегатов.

В сфере непосредственного производства (ведение горных работ) свойства пород используются при нормировании труда горнорабочих, определении потребного количества и производи­тельности машин и механизмов, при оперативном управлении горным производством и всеми его составляющими с целью обеспечения наивысшей производительности, безопасности ве­дения работ и высокого качества добываемого продукта.

В области научных исследований и конструирования машин знание физических свойств пород необходимо для изыскания и разработки методов и средств повышения производительности отдельных технологических процессов или всего цикла горных работ.

Отсюда вытекают те основные задачи, которые необходимо решать при изучении свойств горных пород:

- установление причинной обусловленности физических свойств горных пород;

- установление закономерностей изменения свойств пород от внешних воздействующих полей;

- определение закономерностей изменения свойств пород с уве­личением и уменьшением изучаемого объема (масштабный эф­фект);

- определение закономерностей изменения свойств пород с уве­личением степени их нарушенности вплоть до рыхлого со­стояния;

- определение закономерностей пространственного распреде­ления физических свойств горных пород;

- установление закономерностей временного изменения физи­ческих свойств горных пород.

В итоге все практические исследования свойств горных пород направлены на разработку системы физико-технического обес­печения горного производства.

Именно такая система позволит существенно изменить каче­ственные характеристики работы горного предприятия.

Система физико-технического обеспечения горного производ­ства призвана оперативно обеспечивать любое горное пред­приятие следующими данными:

- комплексом физико-технических и горно-технологических па­раметров пород, слагающих данное месторождение, в образце, массиве, разрыхленном состоянии с учетом средних значений этих параметров, пределов изменения, коэффициента вариации, доверительной вероятности;

- пространственным распределением техже свойств в разра­батываемом массиве;

- полным набором зависимостей свойств разрабатываемых по­род от температуры, давления, частоты и напряженности элек­тромагнитного поля, влажности;

- набором методик расчета технологических процессов на дан­ном предприятии, использующем физико-технические пара­метры пород.