强化地浸过程的电物理法

强化地浸过程的电物理法、设备和实施方案采用电磁场强化地浸过程的物理方法电物理作用法可分为两类：电液压破碎和电磁场作用于岩体。在采矿工程中下列一些电液压法获得了发展：液体中火花放电，脉冲电压发生器和脉冲电流发生器系统联合工作，导线电爆破。在形成放电通路的各种方法中，电液压破碎岩石法的实质不变，即在强大放电和电爆破时在液体中形成冲击波。经研究证明，这种方法的主要优点是：破碎时不会飞溅和扬尘，可以控制破坏力，可以使作用过程自动化，地震作用轻微，容易获得定向裂面等。同时也查明了液压破碎岩石的一些特点：1、电击穿水的静态特性导致放电不稳定和电压脉冲的再生性差；2、放电通路的准稳定电阻小于放电回路的有效电阻，放电能量大时它会大大降低能量转化的电机械效率，这对低电压设备（约5~10千伏）特别明显；3、在利用导电性高的液体时，如盐水，会显著增加放电前的能量损耗。脉冲电压发生器和脉冲电流发生器联合工作法也不能完全避免这些缺点。虽然这种方法可以大大降低电容器蓄电池的工作电压，不会恶化放电效率，但这一方法的效果和水的导电性的关系仍依然如故。实施电液压破碎的最有效的方法是导线电爆破。许多研究者所作的各种研究工作表明，导线电爆破与破碎岩石的自由放电相比的主要优点是：水动力效率较高；可灵活控制压力场的几何形状，直到形成低平的冲击波；放电的电特性和水动力特性的稳定性高。电磁场可以直接作用于岩石，表现在电和磁定向兼容（电极化和磁化），电子和离子的激励等，或者间接地作用于岩石，即通过电流在岩石中转化成的热力场作用于岩石。在电磁场对岩石作用时，可出现三类现象：加热岩石、在电磁场作用下直接改变岩石性质和击穿岩石。使用电能破碎和软化岩石的各种方法，可划分为电热法和电法两类。电热法的基础是由电流引起的热击穿或加热岩石；电法的基础是电击穿岩石。在电热法中又分为：工业频率交流电法和直流电法；高频接触法；高频电阻法；高频磁场法。在工业频率直流电法和交流电法中，利用岩石具有通过足够对其加热的电流的能力。使用这种方法的主要条件是：岩石需具有相当大的初期导电性，这就是限制这种方法的使用范围。热作用于地浸过程的实质在于改变溶浸的三个基本因素：按照菲克定律来提高按渗滤流体学规律进行反应的速度；提高溶浸液温度来提高有用成分的回收率；降低溶浸液的粘度来提高渗透系数。但是，加热溶浸液是与消耗大量能量相联系的，例如，将1米3溶浸液加热10°，需消耗104千卡热量，这相当于消耗4.2×104千焦耳或11.6千瓦/小时电力。由于60～70年代资本主义国家出现能源危机，曾进行了大量研究，来探索利用象海浪、海潮、风、太阳能等这样一些能源的可能性。经研究证明，用非传统的能源来弥补短缺的能源基本上是不可取的。至于利用太阳能的问题，由于需要将能量输送给用户（以一定的效率将太阳能转变为电能），需要占用大量土地面积（平均1昼夜要获得1千瓦电力需要50～68米2面积）和装备太阳能接收器需要投入大量物质材料，因此难于大规模应用。上述前两项缺点对于地浸来说已不复存在，因为加热的溶浸液不需要运往别处，并且沉积矿床地区内无人居住的和没有耕种的空地很充裕。但是要保证将500米3溶浸液（中型矿床的用量）在一小时内加热到60℃，如用国产的玻璃镜面的太阳收集器，则需要投资一百万卢布。因此，探索研究不需要大量材料费用的太阳能加热地浸溶液的方法是十分紧迫的任务。使用工业频率高电压可以在含磁铁矿、硫化物和其它初电阻小的半导电矿物和半导电岩石中进行热击穿。为此目的使用1YPH和2YPH型设备。在高频电场中，加热岩石还可进行得更快些，甚至还可加热导电性差的岩石，这是建立在高频（接触）破碎岩石法的基础上的。在导电岩石中由于热击穿而产生破碎作用。此时在破碎的耗电量为6—14千瓦小时/米2。在不导电岩石中，可能不发生热击穿，特别当电极间距很大时。在与电极接触处的岩石加热强烈，因为该处电磁场集中。岩石发生加热是由于岩石中有介电能量损耗，受电磁场作用的整个体积迅速被加热。由于高频电加热，岩石发生破碎。用这种方法破碎的耗电量为8—10千瓦·小时/米2实验证明，高频电磁场不仅是岩石的热源，而且还明显改变矿物和岩石的机械性质。岩石中现有的断层通常具某种放电现象，因此外部电磁场能作用于断层，改变断层方向，或使其向一定的方向移位。由于电磁场作用于某些岩石，即使不加热岩石。也会相当显著地改变弹性模数（2.3-1.25倍），抗压强度极限和塑性变形。高频电阻法令人感兴趣的是，它可以不接触空气或其它介质，将能量传送给岩石。它与接触（电极）传送能量法相比的最大优点即在于此。此外，在使用这种方法时，可以加热体积相当大的岩石块。将电磁场施加于岩体时不存在介质的匹配问题，在空气中产生位于电磁发生器和岩石表面之间的驻波，而驻波的大部分电磁能耗散在空间中。用这种方法将能量传送给岩石时，一定量的能量随反射波而损失。此时岩石主要表面开始加热，而温度按指数律向深部扩散。根据电磁能被哪一岩石层吸收，岩体可破碎成大块或小块片。在其它岩石参数和电磁发生器相同条件下，完全吸收电磁能的岩石层取决于电磁振荡的频率。通过选配适用于该岩石的频率，可以求得破碎岩体的某种方式。改变电磁辐射密度的方法具有实用意义。使用这种方法的决定性条件是电磁波通过岩体。在岩体中还有几种波与这一电磁波的走向相反，而使岩石产生内部加热。此时为了不引起岩石表面加热，每一发生器的功率应不大。该方法容易实施，但为了降低生产率大时的耗电量，要求总功率大，因此应当用多台小功率发生器。加热岩体深部的岩石，利用定向改变岩石的导电性来达到。使岩体冷却到某一深度。冷却岩石的综合导电性大大降低，冷却体积中的电磁能损耗也相应降低，电磁波无损耗地通过冷却的岩石地段，这样在岩体中形成被加热的岩石体积。用于冷却的能耗为0.42千瓦·小时/米2电破碎法的基础是电击穿岩石。使用脉冲电压破碎岩石，脉冲电压量取决于被破碎岩石的电绝缘强度和范围大小。电击穿可用来裂碎岩块、打眼和崩落岩块。在地浸中，电击穿法本身可用于溶浸由水力开采后在矿层中留下的矿柱。在用电击穿时，当电压一旦超过击穿电压，破碎作用基本上是瞬间进行的。发现岩石破碎是有选择性的，其主要发生在矿物包体的分界处。超声波和声波作用于溶浸岩石也有一定发展前途。在超声波影响下发生在液体中的涡流、空蚀、声压和其它效应，能改变边缘扩散层的性质，该层贴近物质粒面，物质的厚度限制了溶浸过程的速度。空蚀作用能在颗粒表面形成许多微裂隙，在分子扩散加速度的影响下，溶液沿毛细管渗入溶浸颗粒的深部，从而加速溶浸作用。在捕获空蚀气泡时产生单个压力脉冲，由单个压力脉冲形成的总的作用，导致声波毛细管效应,由于这种效应而提高了溶液的渗滤速度。从参考文献得知，在超声波作用下水溶液中的化学反应，在大多数情况下仅见于液体中产生空蚀作用之后。在高温情况下（空蚀气泡的绝热压缩约104K），空蚀气泡内的水分子转为激励状态，裂解成H和OH原子团，并可能电离，形成水合电子，即有水分子附着的电子。部分原子团重新组合，而且水在超声场中分解的最终原子团和分子产物的组成，取决于溶于水中的气体的性质。最初形成的H原子团和水合电子与溶于水中的氧起反应，水裂解的主要产物为HO2·O2·H2O2。因此，用超声波处理溶液，结果可预期形成一种具有一定氧化—还原特性的系统，这种系统可以有效地应用于地浸过程。在专门论述开发强化地浸工艺方法的大量著作中，阐述了电物理作用的各种经验，有的改变了矿层的渗滤特性，有的改善了溶浸液与矿物相互作用的性质。但是大多数研究工作还没有做到能提供有足够代表性的现场试验和工业试验结果。作为例外的有：上述两项试验工作的基础，是在作者参加下，于1979—1983年间所完成的分析研究和实验室研究。曾研究了用电磁场来强化地浸过程的可能性。砂—泥质岩石的渗透性，在很大程度上取决于发育在泥质颗粒周围的扩散层厚度。扩散层充填了孔隙空间中的一定体积，不参与或很少参与渗滤过程。因此，结合水造成了液体渗滤的额外液压阻力。在泥质含量高的砂岩和粘土中，这种液压阻力表现强烈。扩散层根据交换阳离子的不同价，而具有扩大或减少本身体积的特性。高价阳离子被吸引到颗粒表面更加为强烈，扩散层厚度就减小。当粘土交换组分的多价阳离子被溶液中的低价阳离子替换时，蒙脱土类泥质颗粒显著膨胀。多价阳离子被置换能促使泥质矿物体积增大，泥质矿物在水的压裂作用下而具有可伸缩的晶格。由于粘土的胶结矿物（碳酸盐类、磷酸盐类矿物等）溶解粘土的软化也使体积增大，在砂—泥质岩石中泥质组分的膨胀，促使由帮质颗粒形成的孔隙的有效截面减小。岩石中泥质组分愈多，则这种称作为离子交换淤化现象表现得愈剧烈。基本上当粘土含量为1%以上时，就会开始出现淤化。上述已指出，砂—泥质岩石的渗透性在很大程度上取决于泥质组分的矿物成分。这是由蒙脱土、水云母和高岭土的不同膨胀率而造成的。泥质颗粒在孔隙空间中占有的体积不同，因而对岩石渗透性影响的程度也不同。严重影响岩石渗透性的其它因素是机械淤化和化学淤化作用。机械淤化是由随同溶浸液一起带入的浮悬颗粒引起的，此时浮悬颗粒的含量可达100毫克/升以上。采用交流或直流磁场对溶浸液预先进行磁法处理，可能是从溶浸液中清除掉机械杂质的有效方法。尽管磁法处理应用很广，但对磁化过程的物理性质还了解得不多。各种研究的结论经常相互矛盾，以致在每一具体情况下必须对此过程进行实验研究。为此，制定了研究磁化酸性溶浸液影响溶液澄清强度和溶浸金属速度的试验。化学淤化在氧化期内表现得特别强烈。关于地下化学淤化的发展情况，可根据分析循环溶浸液的成分来判断。虽然不断增强输入矿层中的硫酸溶液，但在抽出液中并没有发现硫酸盐离子含量有明显增加，它保持在15～20克/升水平。酸在地下的耗量稳定，证明了溶浸液与岩石之间不断进行着化学作用，不断地形成可溶的和不溶的组分，后者沉淀在溶浸层的岩石中。此外，由于粘土和其它造岩矿物的溶解而形成硅酸胶，硅胶绝大部分堆积在孔隙中。砂—泥质岩石具有如下特性：它们的渗透性质取决于孔隙中的溶液成分和存在的外界作用，如电磁作用、热力作用、声波作用。砂—泥质岩石在交流电场作用下，提高渗透性的物理效应的实质，在于分离出结合水，导致扩大岩石的孔隙度。这种效应与大家熟悉的电渗作用不完全一样，电渗时结合水是由直流电流搬运的。在交流电场作用下，脱离泥质矿物表面的结合水是由溶浸液搬运的。由于直流电和交流电作用于结合水的上述特性，从而限制了它们的应用范围。直流电是用来使渗透系数达0.5米/昼夜的砂壤质岩和泥质岩脱水。电渗法是用来去除浸润岩体并起“骨架”作用的水，此时岩体变得致密。交流电不用于此目的，因为它不造成水的定向运动，但它由于提高以砂粒为骨架的砂—泥质岩石的渗透性，效果很好（渗透系数大于0.1米/昼夜）；在将结合水转变成自由状态时，岩石中的砂粒能阻止岩石致密。8.2用电磁场作用于溶浸矿石的实验室研究成果为了查明交流电对砂—泥质岩石中溶浸液流动的影响，预先确定了结合水（松散结合水和吸附水）的数量，以及渗透系数在1%硫酸溶液渗滤过程中的变化情况。渗滤研究是用含蒙脱土和水云母粘土杂质（1.5和10%）的矿砂进行的。吸附不量按苏联国家标准51080-64测定。吸水率为2%。松散结合水的数量（最高分子含水量）用高柱法测定。试验按下列程序进行。将矿层的泥质砂过筛，筛孔直径2毫米。筛下物的粒级列于下面（三个试样平均）：粒级大小，毫米11-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.050.05-0.0050.005含量：%0.80.930.446.47.15.29.2矿砂的矿物组成（三个试样平均）%：石英64.2，长石6.9，泥质矿物9.2，其它矿物19.7。在0.005毫米粒级吕，泥质矿物含76.8%水云母和23.2%高岭土。粘土的矿物成分是在乌兹别克共和国地质部的化验室分析的。矿砂的矿物成分和粒度组成是在地浸企业的实验室测定的。矿砂含有大量粘土，粘土中水云母类矿物占多数，水云母类矿物的膨胀率介于蒙脱土类矿物和高岭土类矿物之间。矿砂装入垂直柱中，垂直柱是用不锈钢做成的，高1米，直径0.065米，沿柱