Способ направленного изменения свойств горных пород посредством лазерного излучения и геотехнологический комплекс с лазерным инициированием

Способ направленного изменения свойств горных пород посредством лазерного излучения и геотехнологический комплекс с лазерным инициированием

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к направленному изменению свойств горных пород лазерным излучением при разработке золотосодержащих россыпных и рудных месторождений.

Известен способ термического разрушения горных пород лазерным излучением с дополнительной подачей в зону нагрева породы газов, вступающих во взаимодействие с соединениями, входящими в состав пород /1, 2/.

Недостатком этих способов является низкая интенсивность протекающих процессов.

Известен способ разрушения горных пород лазерным излучением с разогревом породы и подачей газообразного вещества для образования SiH₂ моносилана и SiO₂ /3/.

Перевод в летучее состояние SiO₂ происходит при температуре (1419°С) выше температуры плавления золота (1067°С), поэтому данный способ имеет ограниченную область применения.

Наиболее близким по технической сущности является способ разрушения горных пород лазерным излучением, согласно которому монохроматический световой луч с длиной волны, выбранной таким образом, что большая часть энергии излучения поглощается породой, направляют на нее, при этом в зону нагрева и испарения породы подают поток газа для удаления образующихся продуктов разрушения /4/.

В данном способе процесс разрушения породы происходит в узком диапазоне энергии излучения. Это не обеспечивает эффективного выделения фракций ценных компонентов.

Технический результат - интенсификация процесса направленного изменения свойств минералов формированием требуемого распределения плотности энергии и интенсивности излучения.

Технический результат достигается тем, что в способе направленного изменения свойств горных пород посредством лазерного излучения, при котором излучение заданной интенсивности направляют на породу с последующей подачей газа в зону нагрева и испарения породы для удаления продуктов разрушения, после воздействия на породу интенсивностью излучения, обеспечивающей переход сульфидных соединений с низкой энергией атомизации, посредством термического разложения в летучее состояние, и предварительного сканирования поверхностей минеральных включений производят периодические чередования генерации сдвиговых и продольных волн в минеральных составляющих вмещающих пород путем изменения ориентации оптических осей лазерных излучений к плоскостям сначала минералов пониженных прочностных свойств, затем минералов повышенных прочностных свойств - от нормального к углу 45°, излучения инициируются заданной интенсивности и временного интервала для разрушения структурных связей и последующего разделения минералов по плотности в потоке инертного к породам газа и отвода летучих соединений.

В геотехнологическом комплексе с лазерным инициированием, содержащем источник лазерного излучения и систему подачи газа, модули источника лазерного излучения с управляемым спектром генерации выполнены с возможностью перемещения в вертикальных и горизонтальных плоскостях независимо друг от друга, при этом источник лазерного излучения снабжен системой сканирования физико-механических параметров пород, а система подачи газа установлена с возможностью двухстороннего воздействия для разделения породы и минералов по плотности и снабжена направляющими для тяжелой фракции и направляющей для легкой фракции.

Возможность формирования требуемого распределения плотности энергии и интенсивности лазерного излучения с помощью геотехнологического комплекса путем воздействия излучений заданных направлений в широком диапазоне энергетических параметров позволяет решить поставленную задачу, определяет новизну, промышленную применимость и изобретательский уровень разработки.

Геотехнологический комплекс с лазерным инициированием для осуществления способа направленного изменения свойств горных пород посредством лазерного излучения изображен на чертежах.

На фиг.1 - общий вид геотехнологического комплекса; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, модули источника лазерного излучения в исходном положении; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.2, показаны направляющие и ставы для забора легких, тяжелых фракций и летучих соединений; на фиг.5 показаны лазерные головки модулей с распределением излучения под прямым углом к передним панелям модулей и углом 45°, о - пучки излучений под прямым углом, - пучки излучений под углом 45°.

Геотехнологический комплекс с лазерным инициированием 1 содержит источник лазерного излучения с управляемым спектром генерации 2, состоящим из модулей 3, 4, 5, 6, которые выполнены с возможностью перемещения в вертикальных 7 и горизонтальных плоскостях 8 независимо друг от друга с помощью приводов 9, 10 и реверсивных опор 11, 12. Система сканирования физико-механических параметров пород 13 связана с системой управления процессом лазерного излучения 14 и системой управления подачей газа 15. Система подачи газа 16 установлена с возможностью двухстороннего воздействия на продукты разрушения в зоне разделения минералов по плотности 17 и снабжена направляющей для легкой фракции 18, выполненной под наклоном 19 в сторону става для забора легкой фракции 20, и направляющими для тяжелой фракции 21, 22 и поддоном 23, установленным под наклоном в сторону става для забора тяжелой фракции 24. Для удаления летучих соединений, в том числе сульфидов (антимонита (Sb₂S₃), арсенопирита (FeAsS), борнита (Cu₅FeS₄)) и других, установлен став для летучих соединений 25. Поверхности стенок 26, 27 камеры 28 могут быть ориентированы под углами 45° к горизонтальной оси 29 источника лазерного излучения с управляемым спектром генерации 2. Оптические оси лазерных излучений 30, 31, 32, 33 лазерных головок 34 каждого из модулей 3, 4, 5, 6 частично ориентированы параллельно горизонтальной оси 29, а частично - под углом 45° к горизонтальной оси 29. Модуляция интенсивности излучения производится с помощью звуковых излучателей 35, направленных на пучки излучений лазерных головок 34.

Способ реализуется следующим образом.

Определяются величины углов между поверхностями стенок 26, 27 камеры 28 и горизонтальной осью 29 источника лазерного излучения с управляемым спектром генерации 2 геотехнологического комплекса с лазерным инициированием 1. Включается система сканирования физико-механических параметров пород 13. После обработки полученной информации подается команда на систему управления процессом лазерного излучения 14 в режиме интенсивности излучения, обеспечивающую переход высокотоксичных сульфидных соединений с низкой энергией атомизации (t_пл.=350-700°С) в летучее состояние. Происходит процесс предварительного термического разложения сульфидов с удалением их с поверхности доступного слоя породы через став летучих соединений 25. После выделения соединений с низкой энергией атомизации осуществляется обработка информации о состоянии поверхностей стенок 26, 27. Посредством системы сканирования физико-механических параметров пород 13 поступает команда на ориентацию оптических осей лазерных излучений 30, 31, 32, 33 к плоскостям минералов пониженных прочностных свойств. Подается команда на приводы 9, 10 и реверсивные опоры 11, 12. Модули 3, 4, 5, 6 устанавливаются в исходное положение так, чтобы излучения лазерных головок 34 каждого из модулей 3, 4, 5, 6 в любой из фаз воздействия были частично направлены под углами 90° и частично 45°. Линейно дисперсные лазерные излучения, модуляция интенсивности которых произведена звуковыми излучателями 35, ориентируются, например, на верхнюю часть поверхности стенки 26 так, что оптические оси лазерных излучений 30 и 32 модуля 3 направлены параллельно горизонтальной оси 29 и под углами 45° к плоскостям минералов на поверхности стенки 26 для обеспечения генерации продольных волн в минералах сначала с пониженными прочностными свойствами, а затем с повышенными прочностными свойствами. Одновременно оптические оси лазерных излучений 30, 32 модуля 4 направлены под углами 90° к плоскостям минералов на поверхности стенки 26 и углами 45° к горизонтальной оси 29 для генерации сдвиговых волн. В первой фазе, например, осуществляется генерация сдвиговых волн в минералах на верхней части поверхности стенки 26 модулем 4, а затем производится генерация продольных волн на верхней части поверхности стенки 26 модулем 3. Временной интервал и интенсивность воздействия чередующихся сдвиговых и продольных волн задается программным устройством системы управления процессом лазерного излучения 14. Все модули 3, 4, 5, 6 действуют одновременно и могут настраиваться на необходимый режим работы как по распределению плотности энергии, интенсивности, времени, так и чередованию направленных излучений под нужным углом к минералам различных прочностных свойств.

В процессе разрушения структурных связей минералов с пониженными или повышенными прочностными свойствами подается команда на систему управления подачей газа 15 для формирования необходимого давления. Включается система подачи газа 16. Поступая в зону разделения минералов по плотности 17, легкие частицы минералов смещаются струями системы подачи газа 16 на направляющую для легкой фракции 18, выполненную под наклоном 19 в сторону става для забора легкой фракции 20. Частицы минералов высокой плотности опускаются на направляющие для тяжелой фракции 21, 22 и затем - на поддон 23. Ставом для забора тяжелой фракции 24 частицы поднимаются на поверхность.

Способ направленного изменения свойств горных пород посредством лазерного излучения с помощью геотехнологического комплекса с лазерным инициированием интенсифицирует процесс направленного изменения свойств минералов формированием требуемого распределения плотности энергии и интенсивности излучения для разрушения структурных связей в горных породах с широким спектром прочностных свойств.

Источники информации

1. Патент РФ №958654, МКИ 3 Е 21 С 37/16, Способ термического разрушения горных пород лазерным излучением, опубл. 15.09.82, Бюл. №34.

2. Патент РФ №872754, МКИ 3 Е 21 С 37/16, Способ термического разрушения горных пород, опубл. 15.09.82, Бюл. №34.

3. Патент РФ №1645509, МКИ 3 Е 21 С 37/16, 37/18 Способ разрушения горных пород лазерным излучением, опубл. 30.04.91, Бюл. №16.

4. Экспресс-информация ВИНИТИ "Горнорудная промышленность", 1976, №43, с.3-14, Способ разрушения горных пород лазерным излучением (прототип).

1. Способ направленного изменения свойств горных пород посредством лазерного излучения, при котором излучение заданной интенсивности направляют на породу с последующей подачей газа в зону нагрева и испарения породы для удаления продуктов разрушения, отличающийся тем, что после воздействия на породу интенсивностью излучения, обеспечивающей переход сульфидных соединений с низкой энергией атомизации посредством термического разложения в летучее состояние, и предварительного сканирования поверхностей минеральных включений, производят периодические чередования генерации сдвиговых и продольных волн в минеральных составляющих вмещающих пород путем изменения ориентации оптических осей лазерных излучений к плоскостям, сначала минералов пониженных прочностных свойств, затем минералов повышенных прочностных свойств - от нормального к углу 45°, излучения инициируются заданной интенсивности и временного интервала для разрушения структурных связей и последующего разделения минералов по плотности в потоке инертного к породам газа и отвода летучих соединений.

2. Геотехнологический комплекс с лазерным инициированием, содержащий источник лазерного излучения и систему подачи газа, отличающийся тем, что модули источника лазерного излучения с управляемым спектром генерации выполнены с возможностью перемещения в вертикальных и горизонтальных плоскостях независимо друг от друга, при этом источник лазерного излучения снабжен системой сканирования физико-механических параметров пород, а система подачи газа установлена с возможностью двухстороннего воздействия для разделения породы и минералов по плотности и снабжена направляющими для тяжелой фракции и направляющей для легкой фракции.