Алмазное бурение высверливанием скважин в толще горных пород с помощью буровых коронок
Алмазное бурение высверливанием скважин в толще горных пород с помощью буровых коронок
Бурение скважин в толщах горных пород, слагающих земную кору, в широких масштабах применяется при поиске и разведке месторождений полезных ископаемых, а также при эксплуатации нефтяных и газовых залежей. Не обойтись без бурения и при выполнении всевозможных взрывных и инженерно-геологических работ, предшествующих возведению крупных зданий, плотин и многих других объектов.
В техническом отношении наиболее совершенным является вращательное алмазное бурение, которое осуществляется высверливанием скважин в толще горных пород с помощью буровых коронок, армированных алмазами. Коронки, армированные алмазами, повышают скорость бурения в 8-15 раз по сравнению с бурением, основанным на применении твердосплавных или дробовых коронок.
Наилучшими алмазами для бурения считаются тонкозернистые плотные карбонадо, поскольку они обладают повышенной твердостью и наименее подвержены раскалыванию. На втором месте стоят шаровидные балласы и небольшие монокристаллы алмаза округлой формы. На изготовление буровых коронок ежегодно расходуется около 0.6 тонны камней, что составляет примерно 10 % общего количества добываемых в мире технических алмазов.
Применение алмазных резцов и сверл на обработке цветных и черных металлов, твердых и сверхтвердых сплавов, стекла, каучука, пластмасс и других синтетических веществ дает огромный экономический эффект по сравнению с использованием твердосплавного инструмента. Чрезвычайно важно, что при этом не только в десятки раз повышается производительность труда, но одновременно значительно улучшается качество продукции. Обработанные алмазным резцом поверхности не требуют шлифовки, на них практически отсутствуют микротрещины, в результате чего многократно увеличивается срок службы получаемых деталей.
Совершенно незаменимы алмазы при вытачивании опорных рубиновых камней, используемых в часовых и многих других точных механизмах, а также при правке шлифовальных кругов.
Практически все современные отрасли промышленности, в первую очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в огромных количествах используют тонкую проволоку, изготавливаемую из различных металлов. При этом предъявляются строгие требования к круговой форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволоки при высокой чистоте поверхности. Такая проволока из твердых металлов и сплавов может быть изготовлена лишь с помощью алмазных фильер. Фильеры представляют собой пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими (от 0.5 до 0.001 мм) отверстиями.
Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их получают путем дробления низкосортных природных алмазов, а также изготавливают на специальных предприятиях по производству синтетических алмазов. Алмазные порошки используются в дисковых алмазных пилах, мелкоалмазных буровых коронках, специальных напильниках и в качестве абразива. Однако, как и в любой отрасли, образуются отходы, и алмазосодержащая отрасль не исключение.
Традиционно основным сырьем для производства силикатных материалов автоклавного твердения является кварцевый песок. В то же время по России общий объем отходов промышленности ежегодно составляет миллиарды тонн, большая доля которых это попутно добываемые скальные породы и песчано-глинистые отложения незавершенной стадии глинообразования, характеризующиеся разнообразием вещественного состава и свойств.
Поэтому в настоящее время особую актуальность приобретают задачи расширения и замены традиционного сырья, для производства силикатных материалов, более дешевыми, доступными и эффективными сырьевыми материалами. Это позволит производить стеновые материалы, сочетающие в себе высокие конструктивные, декоративные и эксплуатационные качества с относительно низкой стоимостью.
В Архангельской области при добыче и обогащении алмазосодержащих руд, заключающейся в переработке горных пород, образуются огромные скопления техногенных отходов, большую долю, которых составляют песчано-глинистые отложения.
Состав отходов варьируется в зависимости от глубины залегания на вскрышные песчано-глинистые породы (на глубине до 200 м) и более глубинные высокомагнезиальные (сапонит-серпентинового состава) породы.
Известно использование глинистых пород КМА для производства силикатных материалов гидротермального твердения [1], а так же магнийсодержащего сырья, преимущественно железных руд Ковдорского и Качканарского ГОКов, как минерального сырья для производства различных строительных материалов и изделий: вяжущих веществ, бетонов, растворов, керамики, глазурей и т.д. [2, 3].
В БГТУ им. В.Г. Шухова под руководством д.т.н., профессора В.С. Лесовика ведется разработка ряда технологий по производству строительных материалов и изделий на основе пород Архангельской алмазоносной провинции.
Одним из перспективных направлений в настоящее время является производство прессованных силикатных материалов автоклавного твердения на данном техногенном сырье.
Изучаемые породы вводили в состав путем совместного помола с известью и последующим смешиванием с остальными компонентами смеси. Результаты испытаний показали, что с использованием исследуемого сырья можно получить силикатный кирпич марки 250…400 в зависимости от типа сырья. Средняя плотность составляет 1900-1950 кг/м3. Высокая прочность сырца (выше в 2-2,5 раза по сравнению с силикатным кирпичом на традиционном песке), что позволит снизить расходы на брак и увеличить производительность заводов.
Песчано-глинистые породы, в зависимости от их минерального состава, имеют различную окраску, что позволяет использовать их в качестве пигментов для окрашивания строительных материалов. На основе предлагаемого сырья можно получать силикатные изделия красного, желтого и темно-серого цветов.
Таким образом, замена традиционных дефицитных материалов более дешевыми, доступными и эффективными песчано-глинистыми породами Архангельской алмазоносной провинции позволит не только снизить катастрофически огромное содержание отходов в хвостохранилищах и создать благоприятные микроклиматические условия для жизнедеятельности человека, но и повысить эффективность их использования в качестве одного из источников сырья для силикатных автоклавных материалов.
Известно, что с момента начала промышленной добычи полезных ископаемых и до настоящего времени извлечение алмазов из алмазосодержащего сырья во всех алмазодобывающих странах осуществляется на обогатительных фабриках. Алмазосодержащее сырья доставляется с месторождения на обогатительную фабрику, где и происходит извлечение алмазов.
В настоящее время на каждом этапе извлечения алмазов используется довольно большое разнообразие технологических процессов и оборудования. Однако, все известные способы извлечения алмазов объединяет то, что на всех этапах и операциях по извлечению алмазов обрабатывают алмазосодержащее сырье, находящееся в мокром состоянии, с применением большого количества воды и иных жидкостей (В.И. Брагина, И.И. Брагин, "Технология угля и неметаллических полезных ископаемых", Красноярское книжное издательство, 1973, с. 89-100). В частности удельный расход воды составляет порядка 1000 м3/т. Это объясняется крайне низким содержанием алмазов в алмазосодержащем сырье. В среднем одна часть алмазов приходится на 20 млн. частей руды, т.е. содержание алмазов в исходном сырье составляет порядка 0,000005%.
Способ достаточно производителен, обеспечивает высокую степень извлечения алмазов. Однако, как и во всех остальных известных и применяемых на сегодня способах извлечения алмазов, все его операции осуществляются с мокрым сырьем. При этом расходуется большое количество воды, что исключает возможность извлечения алмазов непосредственно на месторождении. Это влечет за собой необходимость транспортировки исходного сырья на горнообогатительные комбинаты, где имеются мощные водооборотные системы. Работа мощных водооборотных систем требует больших затрат на электроэнергию и требует создание больших водохранилищ. Для сбора и хранения отходов мокрого обогащения алмазосодержащего сырья требуется создание хвостохранилищ, опасных для окружающей среды. Все это вместе взятое существенно увеличивает себестоимость обогащения алмазосодержащего сырья, создает экологическую опасность для окружающей среды и делает нерентабельным промышленное освоение отделенных месторождений.
Разработан способ извлечения алмазов из алмазосодержащего сырья, включающий дезинтеграцию исходного сырья, классификацию дезинтегрированного сырья по классам крупности, первичное обогащение классифицированного сырья, дезинтеграцию получаемых промпродуктов и последующую доводку, в котором новым является то, что все операции осуществляют с сухим сырьем при отрицательных или положительных температурах, исключающих конденсатообразование и увлажнение сырья, при этом дезинтеграцию получаемых промпродуктов осуществляют с помощью планетарных мельниц самоизмельчения и\или валковых прессов.
Благодаря такому решению, извлечение алмазов может осуществляться непосредственно на место добычи алмазосодержащего сырья с использованием оборудования, способного работать с сухим сырьем без повреждения находящихся в нем алмазов. Это означает, что отпадает необходимость транспортировки исходного сырья на горнообогатительные комбинаты, где имеются мощные водообортные системы, необходимые для осуществления традиционно применяемых мокрых технологических операций существующих способов обогащения алмазосодержащего сырья. Вследствие этого, также отпадает необходимость в традиционных хвостохранилищах, опасных для окружающей среды. Все это вместе взятое и обеспечивает существенное снижение себестоимости обогащения, повышает его экологическую безопасность и создает возможность промышленного освоения отдаленных месторождений алмазов.
Все операции способа осуществляются с сухим алмазосодержащим сырьем. Поскольку мерзлое состояние руды отождествляется с абсолютно сухим состоянием, поскольку способ в одинаковой степени успешно реализуется как при положительных, так и при отрицательных температурах. При этом верхняя граница отрицательных температур и нижняя граница положительных температур ограничены температурами, при которых начинается конденсатообразование в сырье и его увлажнение. Эти температуры от вида и состава алмазосодержащего сырья, места нахождения месторождения. Поэтому каждого месторождения они определяются экспериментально. Нижняя граница отрицательных температур и верхняя граница положительных температур ограничиваются температурной работоспособностью используемого оборудования. Однако очевидно, что защита оборудования от экстремальных температур не представляет большой сложности.
Для дезинтеграции алмазосодержащего сырья в данном способе используются либо планерные мельницы самоизмельчения, либо валковые прессы, либо их совокупность. Их применение обусловлено тем, что только истирание сухого алмазосодержащего сырья в планетарной мельнице самоизмельчения или дробление всесторонним сжатием в валковом прессе практически исключают повреждение алмазов. Использование других видов дезинтегрирующего оборудования при работе с сухим сырьем неприемлемо, т.к. они создают дезинтегрирующие воздействия, которые приводят к повреждению алмазов.
Более подробно способ рассматривается на примере извлечения алмазов из алмазосодержащей руды. Алмазосодержащая руда из шахты или карьера в сухом (мерзлом) состоянии подвергается дроблению щековыми или конусными дробилками до крупности -50+0. Дробленый продукт с целью классификации по классам крупности направляется на грохочение. После грохочения получают фракции -50+20, -20+5, -5+2 и -2 мм. Фракции -50+20, -20+5 и -5+2 мм для извлечения раскрытых алмазов обогащаются на рентгенолюминесцентных сепараторах (РЛС). Хвосты обогащения фракций -50+20, -20+5 и -5+2 мм подвергаются дезинтеграции. Дезинтеграция может быть осуществлена истиранием в планерной мельнице самоизмельчения, как это представлено на фиг. 1, либо дроблением путем всестороннего сжатия в валковом прессе, как это представлено на фиг. 2, либо дроблением фракции -50+20 мм в валковом прессе и истирании фракций -20+5 и -5+2 мм в планерной мельнице. И тот и другой способ дезинтеграции уже обогащенных фракций по сравнению с другими способами, реализуемыми, например, в шаровых мельницах, дробилках ударного действия, точечного сжатия и др. имеет основное преимущество в том, что они не нарушают целостности кристаллов алмазов при их раскрытии. При этом в какой-то степени могут быть нарушены кристаллы алмазов, имеющие природные дефекты, например трещины, однако стоимость их невелика. Продукт истирания или всестороннего сжатия направляется далее на грохочение совместно с исходной дробленой рудой.
Фракция крупности -2 мм поступает на воздушную классификацию, где происходит отделение непродуктивной (не содержащей алмазы) фракции крупностью менее 0,5 мм, которая поступает в отвал. Полученная при воздушной классификации фракция крупностью -2+0,5 мм также обогащается в рентгенолюминисцентом сепараторе. Получаемые в нем хвосты направляются в отвал.
Специфика добычи и обогащения алмазосодержащих руд заключается в извлечении и переработке огромных масс горных пород. Современная технология позволяет использовать лишь часть извлекаемой горной массы, а оставшаяся часть породы накапливается в виде техногенных отходов. Одним из перспективных направлений разрешения ситуации, в настоящее время, является получение различных строительных материалов из отходов обогатительных фабрик и вскрышных пород Архангельской алмазоносной провинции. Высокомагнезиальные (сапонит-серпентинового состава) хвосты обогащения кимберлитов, а также вскрышные породы месторождения алмазов им. В. Гриба возможно применять в качестве сырья для производства плотных прессованных силикатных материалов автоклавного твердения. На данном сырье можно получить силикатный кирпич марки 250…400, средней плотности 1900-1950 кг/м3.
Таким образом использование вскрышных пород и хвостов обогащения кимберлитов в качестве сырья для производства строительных материалов позволит не только снизить катастрофически огромное содержание отходов в хвостохранилищах, но и заменить традиционное сырье более дешевыми, доступными и эффективными песчано-глинистыми породами Архангельской алмазоносной провинции.
Кроме того, В процессе обточки образуются отходы, содержащие алмазы в виде сколов и алмазной пыли. В состав отходов входят алмазная крошка различной величины, алмазная пыль, эпоксидная смола, металлическая стружка, стекло и другие примеси органического и неорганического происхождения.
Рекуперация алмазосодержащих отходов основана на том, что алмаз по своим свойствам является типичным металлоидом, химически инертен и только при повышенных температурах приобретает незначительную химическую активность. Все виды кислот даже при нагревании не оказывают на алмаз никакого действия. Рекуперацию выполняют в такой последовательности.
. Приготовление рабочего раствора. Рабочий раствор готовят из расчета 250 мл дистиллированной воды, 600 мл азотной кислоты (плотность 1,4), 150 мл соляной кислоты (плотность 1,19) на 1000 мл раствора.
. Травление отходов рабочим раствором. Образовавшиеся в процессе обточки алмазосодержащие отходы засыпают в двухлитровые стаканы по 800-1000 кар в каждый. Поочередно в стаканы медленно доливают рабочий раствор, перемешивая содержимое стеклянной палочкой до прекращения бурной реакции и получения жидкого содержимого. Затем раствор отстаивают 3-4 ч. По истечении отстаивания алмазные сколы отмывают от продуктов реакции водопроводной водой методом декантации (сливания) до тех пор, пока вода в стакане не станет прозрачной.
. Кипячение промытого осадка в азотной кислоте (1:1) и отмывка водов от продуктов реакции. Алмазные сколы после промывки переносят в один стакан, заливают азотной кислотой (1:1) и кипятят в течение 1 ч. После кипячения сколы промывают водопроводной водой методом декантации и высушивают на электроплитке, покрытой асбестом.
. Кипячение алмазных сколов в концентрированной серной кислоте. Высушенные сколы заливают концентрированной серной кислотой объемом, в два раза превышающим объем сколов. Кипячение производят до осветления раствора над осадком. Затем добавляют 5-10 г азотно-кислого калия и кипятят в течение 20 мин. После кипячения сколы промывают водопроводной водой методом декантации.
. Просушка сколов и обработка их тяжелой жидкостью (бромоформом) при комнатной температуре. При этом алмазные частицы, имеющие более высокий удельный вес, оседают на дно стакана, а взвеси удаляют и бромоформ сливают для повторного использования. Алмазные сколы промывают водопроводной водой методом декантации.
. Просушка чистых сколов и анализ их на содержание примесей. Промытые сколы сушат в том же стакане на электроплитке, покрытой асбестом, и делают анализ алмазных сколов на содержание примесей методом сжигания навески в муфельной печи при 1050°С. Процентное содержание примесей определяют по такой формуле: % примесей - (а· 100)/Л, где а -навеска несгораемого осадка, А - навеска алмазных сколов, взятых для анализа.
Полученные алмазные сколы-концентраты согласно техническим условиям на алмазное сырье (ТУ 47-2-73) классифицируются как алмазные концентраты (VI категория, XI группа).
Содержание посторонних примесей в них не должно превышать 15%. Обычно после обработки по вышеизложенному методу содержание примесей в алмазном концентрате находится в пределах 2-3%. Полученный алмазный концентрат передается на соответствующие предприятия для использования при изготовлении алмазных порошков, паст и других промышленных целей.
Отходы, собранные после обточки, содержат 9-10% алмазного концентрата.
Литература
- Епифанов В.И., Песина А.Я., Зыков Л.В. Технология обработки алмазов в бриллианты. М., 1976.
- Орлов Ю.Л. Минералогия алмаза. М., 1973
- Шафрановский И.И. Алмазы. М. - Л., 1953.
- Милашев В.А. Кимберлитовые провинции. Л., 1974