Интенсификация оттайки мёрзлых грунтов с наложением ультразвуковых колебаний

С.Г. Чебурашкин —  директор ЗАО «Минералинтех»
Н.И. Геоня —  научный руководитель технических проектов ЗАО «Минералинтех»

Уровень развития техники по разработке вечномёрзлых грунтов месторождений цветных и благородных металлов или многолетнемёрзлых техногенных с помощью земснарядов за последние годы практически не менялся. Производительность земснарядов карьерного поля напрямую связана со скоростью оттайки грунтов, которая зависит от солнечной радиации в летний период и температуры теплоносителя — тёплой или горячей воды в зимний период. За образец можно взять объединение ЗАО «Минералинтех» в Норильском промышленном районе, деятельность которого направлена на круглогодичную разработку грунтов техногенных месторождений, содержащих никель, медь, платину, палладий, родий, иридий, рутений, осмий, золото, серебро, это хвостохранилища, отстойники, концентратохранилища, образованные в результате производственной деятельности НГМК и ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

За длительный период хранения грунты техногенных месторождений проморожены на всю глубину. В летний период предприятия ЗАО «Минералинтех» в условиях Заполярья работают с производительностью, в 2–3 раза превышающей производительность в зимний период из-за ограниченного количества теплоносителя — тёплой воды. Изменения в технологию добычи, такие как оттаивание, размыв, перенос потоком воды в майну карьерного поля, установка на консоли земснарядов подводного высоконапорного монитора и другие технические решения, дают значительный эффект [1], но в зимний период в отсутствие солнечной радиации основную роль по оттайке грунтов выполняет теплоноситель — теплая вода. Контакт теплоносителя с частицами в забое майны затруднён из-за создания теплоизоляционного слоя из оттаявших частиц материала (хвосты, концентраты), которые препятствуют контакту теплоносителя с ещё не оттаявшими частицами. Как наиболее перспективным направлением в исследованиях по обнажению неоттаявших частиц и их контакта с теплоносителем было выбрано ультразвуковое воздействие на частицы. Исследования проводили в лабораторных условиях.

Распространяющиеся в жидкой среде ультразвуковые волны высокой интенсивности [2] вызывают целый ряд эффектов на границе раздела жидкость — твёрдое: звуковое давление, кавитация, звуковая волна. При разработке и обогащении россыпных и техногенных месторождений применяют ультразвук высокой интенсивности (более 1 Вт/см2) применительно к отдельным технологическим операциям, где особо важное значение приобретает явление кавитации. При прохождении звуковой волны в жидкой среде в полупериоды разряжения образуются мельчайшие кавитационные пузырьки в местах, где прочность связи молекул жидкости ослаблена, например, на контакте с частицами твёрдых тел. При захлопывании кавитационного пузырька на поверхности твёрдой частицы, в котором давление парогазовой смеси достигает несколько тысяч атмосфер с одновременным повышением температуры также до нескольких тысяч градусов, в приповерхностной жидкости возникает мощная ударная микроволна, которая даже может вызвать частичное разрушение поверхности твёрдых частиц в жидкой среде. Ультразвуковая кавитация также сопровождается интенсивными микротурбулентными пульсациями в слоях жидкости, соприкасающихся с твёрдыми частицами, что приводит к интенсивному перемешиванию и деструкции поверхностных слоёв частиц [3]. Известны способы применения высокоинтенсивного ультразвука для разупрочнения и интеграции глинистых песков россыпных месторождений полезных ископаемых, мерзлых грунтов в сочетании с механическим воздействием [4] и полностью отсутствуют сведения о применении ультразвука и вообще акустических колебаний для ускорения оттайки мёрзлых мелко-дисперсных грунтов, а также для уменьшения угла естественного откоса оттаявшего мелкодисперсного грунта под водой. 

Было выдвинуто предположение, что ускорить оттайку можно за счёт высокоинтенсивного ультразвукового воздействия на частицы грунта, в котором мелкодисперсные частицы сцементированы льдом. В патенте 2392054 RU фиг. 2 [4], выполнен расчёт величины смещения частиц для песков различных месторождений в ультразвуковой волне в зависимости от частоты. Гранулометрический состав хвостов исследуемого мёрзлого месторождения (хвосты от обогащения нормально- вкрапленных руд месторождения «Норильск-1») приведён в таблице 1.

Класс крупности, мм	0,5	-0,25	-0,11	-0,05	-0,19	-0,66	-0,05
Выход, %	0,16	1,83	9,82	18,72	10,11	11,37	47,99

Табл. 1. Гранулометрический состав хвостов

Из нее следует, что минеральные частицы в хвостах на 98 % представлены классами крупности менее 0,5 мм, а ультразвуковые колебания с частотой 50 кГц могут сместить эти вытаявшие частицы, находящиеся на поверхности конуса грунта или хвостов, и вывести их из состояния равновесия. Такое воздействие ускорит осыпание частиц грунта после оттайки к основанию конуса грунта (или хвостов) и обнажение последующих слоёв мелкодисперсных частиц, соответственно их взаимодействие с теплоносителем и дальнейшим действием на них ультразвука высокой интенсивности, что позволит растеплить мерзлый грунт значительно раньше, чем при оттайке под действием одного теплоносителя. 

Практическое применение ультразвука высокой интенсивности позволит увеличить производительность гидромеханического способа отработки в промышленных условиях мелкодисперсных грунтов (хвостов), находящихся в криолит зоне. В настоящее время известны ультразвуковые аппараты для реализации процессов в жидкодисперсных средах в промышленных масштабах в режимах «развитой» кавитации мощностью от 200 до 1000 Вт [5], что с большой долей вероятности говорит о возможности промышленного внедрения данного способа оттайки мерзлого грунта. Также можно уменьшить угол естественного откоса под действием ультразвука, что также позволит частично обнажить ещё не оттаявшие слои мелкодисперсных частиц и будет способствовать их дальнейшему контакту с теплоносителем и воздействию ультразвука и позволит растеплить их значительно раньше, чем при оттайки одним теплоносителем. Предполагалось, что эффективность оттайки и уменьшение угла естественного откоса будет как результат суммарного действия: теплоносителя — воды, действия ультразвука высокой интенсивности и гравитационных сил Земли. 

Лабораторные опыты с применением ультразвуковой оттайки осуществляли следующим образом. 

Приготовление шести образцов в виде диска диаметром 120 мм и толщиной 17 мм и их оттайка 

В круглые металлические ёмкости диаметром 120 мм и глубиной 30 мм ровным слоем засыпают 250 г сухих хвостов, имеющих гранулометрический состав, приведённый в таблице 1, и смачивают оборотной водой (60 мл) до полного насыщения. Вода имеет ионный состав и рН идентичные, как и при складировании хвостов. Образцы в количестве 6 шт. помещаются в морозильную камеру и выдерживаются в ней 24 часа при температуре минус 6 °С. Через сутки образцы поочерёдно подвергают оттайке в ультразвуковой ванне ПЭ 5100 в проточной оборотной воде (цель — исключить влияние температуры теплоносителя воды на время оттайки) постоянной температуры с наложением ультразвуковых колебаний при различной выходной мощности магнитострикционного источника ультразвука 50, 100, 200, 300, 350 Вт и без ультразвуковых колебаний. В ультразвуковой ванне диаметр диска магнитострикционного источника ультразвука составляет 150 мм. С целью предотвращения потери интенсивности ультразвуковых волн в окружающее пространство ванны вокруг диска устанавливают отражатель ультразвука. 

Известно, что ультразвук полностью отражается на границе раздела жидкость — газ и поэтому можно считать, что коэффициент отражения в жидкости близок к единице [6]. Конструктивно, отражатель ультразвука представляет собой усечённый конус с открытыми нижним и верхним основаниями, с двойной стенкой из тонкой латуни. В нижней и верхней частях усечённого конуса выполнены кольца из меди толщиной 5 мм и диаметром 150 и 120 мм, к которым герметично припаяны внутренний и внешний конусы из листовой латуни с таким расчетом, чтобы воздушная прослойка была не менее 5 мм, а внутренний и внешний конусы не соприкасались и верхний внутренний диаметр отражателя-конуса был равен диаметру образца в 120 мм. Поверх крупноячеистой сетки укладывали полиэтиленовую плёнку с целью исключения попадания оттаявших мелкозернистых частиц в зону магнитострикционного источника ультразвука. Через сплошной полиэтилен и плёнку полиэтилена в водной среде ультразвуковые волны проникают без отражения, что подтверждается расчётом коэффициента проникновения ультразвука через полиэтилен по формуле Релея:
β = 4c1p1/c2p2)/{c1p1/c2p2+1}2,
где:
β — коэффициент проникновения;
с1 и с2 — скорость звука в полиэтилене и воде, м/сек.; 
р1 и р2 – плотность полиэтилена и воды, кг/м3. 

Формула приведена в описании патента [7], расчёт показывает, что значение этого коэффициента максимально и близко к единице, т.е. ультразвуковые волны проходят без отражения. Исходные данные для расчёта: скорость ультразвука в водной среде и полиэтилене —1490 и 1940 м/сек.; плотность полиэтилена и воды — 920 и 1000 кг/м3 [8]. Замороженный образец в металлической ёмкости, предназначенный для оттайки, кратковременно, на 15 сек., помещали в воду с температурой 6 °С, для оттайки поверхностных слоёв твёрдых частиц, примыкающих к внутренней поверхности металлической ёмкости для облегчения извлечения образца из ёмкости, его сразу помещали в ультразвуковую ванну, работающую при определённой выходной мощности ультразвука или без ультразвука. Время начала и окончания оттайки каждого образца фиксировали с помощью секундомера. 

С целью исключения влияния повышения температуры теплоносителя (воды) при работе магнитострикционного источника в ультразвуковую ванну проточно подавали оборотную воду с температурой 6–7 °С. Количество проточной воды подбирали заранее, чтобы в ванне не повышалась температура теплоносителя (воды) при работе ультразвуковой ванны при максимальной выходной мощности. По мере оттайки частиц происходит их осыпание по периметру диска образца, и во избежание создания теплоизоляционного слоя из оттаявших частиц и уменьшения их влияния на оттайку последующих слоёв частиц их вручную удаляли сифонным патрубком со стеклянным наконечником. На рисунке 1 представлена схема опытов оттайки замороженных образцов. Результаты оттайки с ультразвуком и без ультразвука приведены в таблице 2.

Рис. 1. Схема опытов оттайки замороженных образцов

1 — ультразвуковая ванна ПЭ-5100; 2 — ультразвуковой магнитострикционный излучатель; 3 — медные кольца; 4 — отражатель ультразвука; 5 — воздушная прослойка отражателя; 6 — крупноячеистая сетка из полиэтилена; 7 — полиэтиленовая плёнка; 8 — замороженный образец в виде диска или прямоугольного параллелепипеда; 9 — независимые опоры для крупноячеистой сетки, отделённые от ультразвуковой ванны; 10 — переливной патрубок для проточной воды; 11 — входной патрубок для проточной воды; 12 — направление движения вытаявших частиц; 13 — стеклянный наконечник сифона; 14 — гибкий шланг сифона

№ п/п	Номер опыта	Выходная мощность генератора ультразвука, Вт	Интенсивность ультразвука на поверхности образца, Вт/см2 (расчётная)	Время оттайки образца, сек	Относительное снижение времени оттайки, %	Примечание
1	31	0	0	497	0	Опыты проведены в ультразвуковой ванне ПЭ-5100. Образцы заморожены при температуре минус 6°С
2	33	50	0,44	476	4,2
3	34	100	0,88	456	8,2
4	35	200	1,76	423	14,9
5	36	300	2,64	413	16,9
6	32	350	3,09	371	25,4

Табл. 2. Результаты опытов оттайки 6 искусственно замороженных образцов мелкодисперсных хвостов с применением ультразвука частотой 50 кГц  различной интенсивности

По результатам опытов 31–36 по оттайке искусственно замороженных образцов построен график зависимости относительного снижения времени оттайки от выходной мощности ультразвукового генератора (рис. 2), из которого видна чёткая линейная зависимость относительного снижения времени оттайки. Величина достоверности аппроксимации 0,96.

Рис. 2. Зависимость относительного снижения времени оттайки искусственно замороженных образцов мелкодисперсных хвостов от выходной мощности ультразвукового генератора (опыты 31–36)

Приготовление двух образцов в виде прямоугольного параллелепипеда с размером в основании 65×65мм и высотой 35 мм для заморозки с более низкой температурой и их оттайка

С целью изучения влияния на оттайку формы образца и температуры заморозки провели опыты с образцами, искусственно замороженными при температуре минус 38 °С и формой в виде прямоугольного параллелепипеда размером 65×65×35 мм без ультра-звука и с ультразвуком при выходной мощности источника ультразвука 300 Вт. В пластмассовые ёмкости в виде куба ровным слоем засыпают 200 г сухих хвостов, имеющих гранулометрический состав, приведённый в таблице 1, и смачивают оборотной водой (55 мл) до полного насыщения. Ионный состав воды и рН идентичные, как и при складировании хвостов. Образцы в количестве 2 шт. помещали на 24 часа в холодное помещение, в котором отрицательная температура окружающего атмосферного воздуха равна минус 38 °С. Через сутки образцы поочерёдно подвергают оттайке в ультразвуковой ванне ПЭ 5100 с про-точной оборотной водой (для поддержания постоянной температуры воды в ванне) постоянной температуры с наложением ультразвуковых колебаний при выходной мощности магнитострикционного источника ультразвука 300 Вт и без ультразвуковых колебаний. Результаты оттайки образцов приведены в таблице 3.

№ п/п	Номер опыта	Выходная мощность генератора ультразвука, Вт	Время оттайки образца, сек	Относительное снижение времени оттайки, %	Примечание
1	13	0	1200	—	Опыты проведены в ультразвуковой ванне ПЭ-5100, АОЗТ «Экрос». Образцы заморожены при температуре минус 38 °С
2	14	300	954	20,5

Табл. 3. Результаты опытов оттайки искусственно замороженных образцов мелкодисперсных хвостов с хвостохранилища в форме прямоугольного параллелепипеда размером 65×65×35мм без ультразвука и с ультразвуком частотой 50 кГц при выходной мощности генератора ультразвуковой ванны в 300 Вт

Опыт 13 стандартный без ультразвука и опыт 14 с ультразвуком. В опыте с ультразвуком снижение времени оттайки на 246 сек. или 20,5 %, что согласуется с данными, приведёнными на рисунке 2. Вывод: форма образца и температура заморозки не оказывают существенного влияния на относительное снижение времени (относительно стандартного опыта, проведённого при тех же самых условиях без ультразвука) оттайки мелкодисперсных грунтов с применением ультразвука, и предлагаемый способ можно применить для оттайки грунтов.

Приготовление двух образцов с разрабатываемого мёрзлого хвостохранилища в виде прямоугольного параллелепипеда с размером основании 65×65 мм и высотой 35 мм, одинаковой массой и их оттайка 

При рыхлении бортов карьера ножом бульдозера, при отрицательной температуре окружающего воздуха, отбирают куски мёрзлых хвостов размерами превышающими необходимые и вручную, ножовкой по металлу, придают им форму прямоугольного параллелепипеда с размером основания 65×65 мм и высотой 35 мм. Образцы обрабатывают и хранят в морозильной камере при температуре минус 6 °С. Образцы поочерёдно подвергают оттайке в ультразвуковой ванне ПЭ 5100, также с проточной оборотной водой (для поддержания постоянной температуры воды в ванне) постоянной температуры с наложением ультразвуковых колебаний при выходной мощности магнитострикционного источника ультразвука 350 Вт и без ультразвуковых колебаний. Оттаявшие частицы мелкодисперсных хвостов удаляли сифоном в ёмкость, где материал хвостов отстаивался, воду удаляли сифонированием, сушили и взвешивали с целью контроля и исключения влияния твёрдой массы образцов на время оттайки. Результаты оттайки образцов приведены в таблице 4.

№ п/п	Номер опыта	Выходная мощность генератора ультразвука, Вт	Время оттайки образца, сек	Относительное снижение времени оттайки, %	Примечание
1	41	0	941	0	Опыты проведены в ультразвуковой ванне ПЭ-5100, АОЗТ «Экрос». Образцы заморожены при температуре минус 6 °С
2	42	350	715	24

Табл. 4. Результаты опытов оттайки многолетнемерзлых образцов мелкодисперсных хвостов с хвостохранилища в форме прямоугольного параллелепипеда размером 65×65×35 мм без ультразвука и с ультразвуком частотой 50 кГц при выходной мощности генератора ультразвуковой ванны в 350 Вт

Опыт 41 стандартный без ультразвука, опыт 42 с ультразвуком. Применение ультразвука при выходной мощности источника в 350 Вт снижает время оттайки на 226 сек. или 24 %, относительных по сравнению со стандартным опытом, что также согласуется с данными, приведёнными на рисунке 2. Сухая масса образца в опыте 41 — 221,4 г, в опыте 42 — 226,8 г. Вывод: оттайка многолетнемёрзлых образцов с хвостохранилища проходит также эффективно, как и искусственно замороженных. 

Приготовление четырёх образцов для измерения угла естественного откоса до воздействия ультразвука и после, методика измерения 

В стеклоуглеродный стаканчик (тигель № 4), имеющий форму усечённого конуса, засыпают 150 г сухих мелкодисперсных хвостов (табл. 1) и смачивают оборотной водой (45 мл) до полного насыщения. Тигель для заморозки выбран из стеклоуглерода, так как имеет очень низкое тепловое расширение и из него легко извлечь замороженный образец. Образцы помещают в морозильную камеру и выдерживают в ней 24 часа при температуре минус 6 °С. 

Через сутки образцы, имеющие форму усечённого конуса, с диаметром оснований 40 и 60 мм, высотой 50 мм, поочерёдно помещают на дно прозрачного ящика из оргстекла, ёмкостью 7,5 дм3 (25×25×12 см), который установлен строго горизонтально и заполнен оборотной водой с температурой 7 °С. Образцы располагаются большим основанием вверх и подвергаются полной оттайке в течение 15–20 минут. Процесс полной оттайки контролируется погружением тонкой иглы по центру образовавшегося конуса и измерением угла естественного откоса угломером-шаблоном с точностью до 1°. На 2 минуты включали источник ультразвуковых колебаний (устройство «Бионика» с выходной мощностью 5 Вт и частотой 30 кГц с объёмным акустическим излучением) с последующим измерением угла естественного откоса. Устройство «Бионика» располагали над образцом на расстоянии 5 см. Результаты измерений углов естественного откоса для образцов до и после воздействия ультразвука 25 и 10°, для второго — 27 и 17°, для третьего — 28 и 14°, для четвёртого — 30 и 12°. Средние значения замеров угла естественного откоса по 4 образцам: без ультразвукового воздействия — 27,5°; с ультразвуком — 13,2°. Таким образом, угол естественного откоса под воздействием ультразвуковых колебаний уменьшается в 2 раза.

По результатам исследований применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в водной среде позволит увеличить скорость разработки мелкодисперсных мёрзлых грунтов до 20–25 %. 

Опубликовано в журнале "Золото и технологии" № 4/декабрь 2017 г.