Геотехнологические свойства полезных ископаемых и руд
Характер протекания геотехнологических процессов зависит от многих свойств полезных ископаемых, руд и вмещающих пород. Однако наиболее важными являются те свойства, на использовании которых строится сама технология. Такие свойства, как говорилось ранее, называются геотехнологическими.
Условно геотехнологический процесс добычи можно подразделить на три операции: подвод рабочего агента к рудному массиву, взаимодействие, обусловливающее переход ископаемого в подвижное состояние, отвод продуктивных флюидов. Параметры каждой из этих операций определяются соответствующими свойствами.
Доставка рабочего агента может осуществляться:
а) к поверхности обнажения — при подземном растворении солей, гидродобыче с размывом струей, газификации с предварительной сбойкой;
б) в поровое пространство — при выщелачивании, выплавке теплоносителем, газификации и возгонке без предварительной сбойки. Условия доставки зависят от начальных фильтрационных свойств руд и от их изменений под воздействием геотехнологических процессов;
в) непосредственно в твердую фазу — при выплавке, перегонке и возгонке в электромагнитном поле. В этом случае на условия доставки энергии влияют электрические свойства минералов, руд и массива в целом.
Переход из твердого состояния в подвижное может осуществляться в результате использования следующих свойств: растворимости в воде и в различных химических растворах, плавкости, возгоняемости, разрыхляемости, размываемости, горючести, способности разлагаться с образованием жидких и газообразных составляющих при повышении температуры и т. д.
Отвод продуктов реакции возможен двумя способами — созданием потока в свободной среде и фильтрацией в пористой среде. Этот процесс определяется фильтрационными свойствами и их изменениями под влиянием геотехнологического процесса.
Свойствами, определяющими доставку рабочих агентов и отвод продуктов реакции, являются пустотность, проницаемость, гидропроводность, коэффициент диффузии, электромагнитные и тепловые свойства.
Свойства, определяющие переход из твердого состояния в подвижное. Основные процессы, в результате которых твердые вещества переходят в жидкое или газообразное состояние, следующие: плавление, возгонка, физическое растворение, химическое растворение, горение, размыв. В принципе могут быть использованы и другие процессы или их комбинации.
В открытых системах самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к уменьшению внутренней энергии системы. Эти процессы идут до тех пор, пока внутренняя энергия не уменьшится до минимального в данных условиях значения.
Для кристаллических веществ характеристикой внутренней энергии может служить энергия кристаллической решетки.
Критерием возможности протекания тех или иных реакций служит свободная энергия Гиббса (или потенциал Гиббса). Она представляет собой долю энергии системы, за счет которой может совершаться полезная работа.
При конкретном рассмотрении в качестве свойств используются параметры уравнений, описывающих конкретный процесс. Рассмотрим эти свойства в соответствии с наиболее распространенными процессами перехода твердого в жидкое.
Плавление осуществляется путем нагрева вещества. При этом тепло сначала расходуется на повышение температуры, затем на разрушение кристаллической решетки; после этого происходит нагрев уже жидкой фазы. Расход тепла на нагревание единицы массы вещества на 1° характеризуется удельной теплоемкостью. Количество тепла, необходимое для плавления единицы массы вещества, называется удельной теплотой плавления.
Если вещество при нагревании переходит в пар, минуя жидкое состояние (возгоняется), то затраты тепла на испарение единицы массы характеризуется скрытой теплотой парообразования. Одним из свойств, характеризующих способность вещества к испарению в данных условиях, является давление насыщенного пара, которое увеличивается с ростом температуры. Скорость растворения зависит от концентрации раствора, насыщенного по отношению к данному веществу, и от поверхности соприкосновения фаз. Поэтому для характеристики степени растворимости веществ используются такие свойства, как концентрация насыщенного раствора (которую часто называют просто растворимостью) и величина удельной поверхности. Последняя является одной из характеристик структуры пород. При растворении в пористой среде растворитель соприкасается не со всей поверхностью растворимого компонента, а только с той ее частью, которая образует стенки пор и трещин. Эта величина может быть охарактеризована коэффициентом доступности — отношением открытой поверхности к общей поверхности частиц растворимого компонента, а также удельной свободной поверхностью растворимого компонента. Еще одной из важных характеристик растворяемого вещества служит коэффициент диффузии данного вещества в растворителе.
Механизм растворения в химических реагентах более сложен, однако основные закономерности при этом процессе остаются теми же, что и при физическом растворении.
Основными понятиями, характеризующими способность веществ к тем или иным реакциям, являются стандартная свободная энергия (потенциал Гиббса), константа равновесия и окислительно-восстановительный потенциал.
Константа равновесия представляет собой отношение произведения активности продуктов реакции к произведению активности реагирующих веществ, причем каждая из активностей возведена в степень, равную числу молей соответствующего вещества. Например, для реакции
Термодинамическая константа равновесия отражает способность минералов реагировать с определенными растворами и показывает, при каких концентрациях наступает равновесие между растворителем и минералом. Заметим, что активность твердых веществ в стандартном состоянии равна единице.
Между стандартной свободной энергией АF° и константой равновесия k существует зависимость, выражаемая уравнением
где R — газовая постоянная; T — абсолютная температура.
Для реакций окисления-восстановления в качестве характеристики свободной энергии используется окислительно-восстановительный потенциал — э. д. с. элемента, состоящего из водородного полуэлемента и полуэлемента, состоящего из растворимого вещества и растворителя.
Для оценки условий протекания реакций горения необходимо знать такие свойства, как температура воспламенения, теплотворная способность (тепловой эффект реакции).
Для подземной газификации угля важнейшую роль играют такие его свойства, как содержание летучих веществ, пористость, влажность, содержание золы.
Основными свойствами руд, определяющими условия их размыва, служат их прочностные характеристики, выражаемые сопротивлением пород сжатию и сдвигу, а также гранулометрический состав, который определяет размер частиц, образующихся в результате размыва, и, следовательно, устойчивость гидросмесей. При внутреннем размыве, когда переход в подвижное состояние происходит в результате фильтрации воды в порах, большое значение приобретают пористость и проницаемость породы.
Свойства, определяющие отвод продуктов реакции. Отвод продукционных флюидов может осуществляться в основном двумя способами: потоком в свободной среде (растворение солей, СГД) и фильтрацией в пористой среде. Свойства, определяющие условия фильтрации, были охарактеризованы выше.
Для характеристики условий движения гидросмесей большое значение приобретают такие свойства, как гранулометрический состав, форма зерен и плотность минералов, из которых состоит размываемая порода.
