Качество полезного ископаемого и строительных материалов

Главная задача опробования – определение качества полезного ископаемого. Качество полезного ископаемого – многогранное понятие, описываемое различными показателями или свойствами.

К показателям качества относятся химический и минеральный составы руды, ее текстурно-структурные особенности, физические свойства и технологические показатели переработки.

Химический состав руды отражает содержание в ней компонентов, в роли которых могут выступать химические элементы, анионные и катионные радикалы, миналы и даже минералы (например, СаF2, BaSO4 и др.). Частным случаем химического состава является фазовый состав, когда определяется содержание химических элементов, находящихся в различной минеральной форме (например, сера сульфидная и сульфатная, медь в сульфидной и окисленной форме и т.д.). Следует отметить, что при опробовании изучается содержание лишь тех компонентов, которые влияют на качество руды.

По своей роли в составе руды компоненты делятся на главные и второстепенные. Среди главных компонентов могут быть полезные и вредные, а среди второстепенных – выделяются полезные, вредные, летучие и шлакообразующие. Второстепенные полезные компоненты принято называть попутными. Среди них различаются попутные компоненты первой группы (элементы-примеси), образующие собственные минералы, и второй группы (элементы-спутники), не образующие собственных минералов, а находящиеся в изоморфном виде или в виде тонких включений в чужих минералах.

Главные компоненты определяют промышленное значение и область использования руды. Отличительная особенность главных компонентов состоит в том, что по их содержанию проводятся контуры рудных тел и внутри рудных тел выделяются контуры промышленных сортов руд, т.е. элементы неоднородности первого и второго порядков (см. табл.4).

Второстепенные компоненты влияют на качество руды, но обычно не участвуют в оконтуривании рудных тел и промышленных сортов руд, иначе говоря, они учитываются в пределах контуров, выделенных по главным компонентам. Тем не менее, имеется возможность учесть и второстепенные попутные компоненты при оконтуривании рудных тел путем их пересчета на содержание условного главного компонента.

Летучие и шлакообразующие компоненты определяются в тех рудах, которые подвергаются плавке или пирометаллургической переработке. При нагревании летучие компоненты (влага, углекислота, сера и др.) улетучиваются, за счет чего в руде повышается содержание нелетучих компонентов (например, железа). Соотношение же шлакообразующих компонентов определяет количество и состав флюсов, которые нужно добавлять в руду при ее плавке. Наилучшим является равное соотношение оснований (СаO, MgO и др.) и кислотных радикалов (SiO2, Al2O3 и др.). Если наблюдается избыток последних, то в руду добавляется известь; если избыток оснований, – то кварц. И в том и в другом случаях добавление флюсов снижает содержание полезных компонентов в руде.

Минеральный состав на одних месторождениях позволяет лучше понять химический состав, так как дает возможность оценить форму нахождения компонентов в руде, на других месторождениях, например на россыпях и на месторождениях индустриальных полезных ископаемых, где считаются запасы минералов, а не химических элементов, играет главную роль. По минеральному составу можно предсказать вероятную схему переработки руды. Например, магнетитовые кварциты могут быть обогащены магнитной сепарацией, а гематитовые кварциты того же химического состава – флотацией или восстановительным обжигом с последующей магнитной сепарацией. Если медь находится в сульфидах, то ее можно извлечь флотацией; если же руда окислена и медь содержится в силикатах и карбонатах, то ее извлечение затруднено, и руда обычно становится непромышленной.

Минералы, входящие в состав руды, по экономическим соображениям делят на главные, второстепенные, редкие и жильные.

Главные минералы определяют область использования и промышленное значение руды, в них находится основная масса полезных компонентов. Второстепенные минералы влияют на качество руды, но в них содержится небольшая доля полезных компонентов. Например, на многих месторождениях меди главным минералом является халькопирит, а второстепенными – халькозин, ковеллин, блеклые руды и другие медьсодержащие сульфиды. Редкие минералы могут содержать полезные компоненты, но в таких незначительных количествах, что они не влияют на качество руды, а представляют лишь минералогический интерес. Жильные минералы, чаще всего нерудные, могут слагать значительную, иногда преобладающую часть руды (например, кварц в кварцево-золоторудных месторождениях), но промышленного значения не имеют, при переработке руды они попадают в хвосты обогащения и их обычно выбрасывают. Однако существует тенденция к более полному использованию всех составных частей руд, в том числе и жильных минералов, и в пределе – к переработке руд по безотходной технологии.

Текстурно-структурные особенности руды играют большую роль для многих полезных ископаемых, прежде всего для тех, которые подвергают дроблению и механическому обогащению. Чем крупнее зерна и мономинеральные агрегаты, тем легче и эффективнее обогащается руда. Так, руды прожилковые, брекчиевые и пятнистые обогащаются лучше, чем вкрапленные, а крупнозернистые лучше, чем тонкозернистые. Особенно плохо обогащаются руды колломорфной или метаколлоидной структуры. Кроме размера зерен и минеральных агрегатов на обогатимость влияют характер срастания зерен, наличие в них тонких включений и каемок иных минералов и другие особенности.

Физические свойства руд и слагающих их минералов разнообразны. Особенно важны те свойства, которые влияют на разведку, добычу и переработку руды, а также определяют область ее применения. Чаще других измеряют плотность, пористость и влажность, так как знание этих свойств необходимо для подсчета запасов руды. Большое значение имеют прочностные свойства руды. В одних случаях прочность настолько мала, что руда самопроизвольно обрушается в горных выработках, создавая трудности при ее добыче, в других случаях – наоборот, требуется значительный расход взрывчатых веществ для обрушения руды. Часто определяются также категория буримости, коэффициент разрыхления и кусковатость руды. У рыхлых полезных ископаемых изучается гранулометрический состав, особенно в тех случаях, когда ценная часть руды заключена во фракциях определенного размера (месторождения желваковых фосфоритов, оолитовых железных руд, строительного гравия и др.).

Для большой группы нерудных полезных ископаемых физические свойства минералов определяют возможность и область их использования. Например, для асбеста важны длина и гибкость волокон, для слюды – размер пластинок и электроизоляционные свойства, для оптического сырья – размер бездефектных моноблоков. Поделочные материалы оценивают по декоративным свойствам: цвету, текстурному рисунку, отсутствию трещин, некоторых включений и т.п.

Полезные ископаемые редко находят непосредственное применение в народном хозяйстве. Обычно их подвергают переработке с получением какой-то продукции. Например, руды цветных металлов обычно обогащают с получением концентратов, которые подвергают далее плавке с получением металлов. Из сложных по составу руд может быть получено несколько концентратов и металлов. Хвосты (отходы переработки), состоящие в основном из нерудных минералов, можно использовать в качестве строительного материала.

Схема переработки полезного ископаемого определяется его химическим и минеральным составом, текстурно-структурными особенностями и физическими свойствами. Некоторые схемы очень сложные и состоят из множества различных операций: дробления, обогащения, обжига, растворения и пр. Схемы характеризуются показателями переработки, наиболее важные из них выход, качество и состав полезной продукции, извлечение в нее ценных компонентов. Представляют интерес также потери компонентов в хвостах, расход воды, энергии, реагентов и других материалов на тонну руды или продукции. Все эти показатели определяются в результате исследования технологических проб.

Различные комбинации показателей качества используются для выделения типов и сортов руд. Исторически сложились два подхода к классификации руд. Один из них применяется в геолого-разведочной практике и состоит в выделении промышленных сортов и природных типов руд, а другой разработан обогатителями и металлургами и заключается в выделении технологических типов и сортов руд [26].

Существуют четыре ступени классификации руд, которые образуют иерархическую систему в порядке от крупных подразделений к мелким: технологический тип – промышленный сорт – технологический сорт – природный тип руды.

Технологические типы руд различаются способом переработки. Например, на железорудных месторождениях выделяются руды для плавки (мартеновские и доменные), для агломерации (богатые) и для обогащения (рядовые и бедные). Границами их служат содержания железа и вредных примесей: серы и фосфора. На многих рудных месторождениях к различным технологическим типам относятся первичные и окисленные руды, так как они требуют различных схем переработки. Каждый технологический тип должен быть оконтурен, раздельно добыт и переработан. На многих месторождениях имеется лишь один технологический тип руды, т.е. все руды добываются и перерабатываются по одной технологической схеме. Если имеется небольшая примесь другого технологического типа, то ею при добыче обычно пренебрегают.

Промышленные сорта руд различаются областью применения или кондициями – экономически обоснованными показателями качества. Так, на рудных месторождениях по содержанию компонентов часто выделяют богатые, рядовые и бедные руды, хотя схема их переработки может быть одинаковой. Многокомпонентные руды принято делить по соотношению компонентов, например, руды медные, цинковые или руды комплексные и некомплексные. Желательно, чтобы промышленные сорта руд совпадали с технологическими типами, но на практике часто внутри технологического типа выделяется несколько промышленных сортов руд. Каждый промышленный сорт должен быть оконтурен и запасы его подсчитаны отдельно.

Технологические сортаруд, имея одинаковую схему переработки, различаются показателями обогащения, что обусловлено их текстурно-структурными и минералогическими особенностями. Так, часто выделяются руды хорошо-, средне- и труднообогатимые. Даже при одинаковом химическом составе (в пределах одного промышленного сорта) они могут давать резко различные по количеству и качеству продукты обогащения (рис.1).

Природные типы руд различаются минеральным составом, текстурой и структурой, иногда физическими свойствами и другими особенностями (плотные, пористые, сыпучие и пр.) Например, по текстуре могут выделяться руды массивные, вкрапленные, пятнистые, брекчиевидные, прожилковые; по структуре – крупно-, средне-, мелко- и тонкозернистые; по минеральному составу – халькопирит-пиритовые, сфалерит-пиритовые, халькопирит-пирротиновые и т.д. В составе одного технологического сорта может присутствовать несколько природных типов.

Изучение типов и сортов руд ведется обычно от частного к общему. Вначале в процессе геологической документации выделяются природные типы руд. Они служат основой организации опробования – отбора рядовых или секционных проб. Химический или тех­нический анализ этих проб позволяет разделить руды на промышленные сорта, а технологические испытания – определить наличие и количество технологических сортов руд. Если руды требуют различных схем переработки, то выделяются технологические типы руд. В процессе разведки месторождения по мере накопления геологической информации список типов и сортов руд пополняется и уточняется.

Следует отметить, что на практике используется много других наименований, эквивалентных по смыслу рассмотренным типам и сортам руд. Чтобы определить, чему соответствует та или иная характеристика руды, необходимо обратить внимание на критерии ее выделения. По способу переработки выделяют технологические типы; по показателям обогащения – технологические сорта; по кондициям – промышленные сорта; по минеральному составу, текстуре и структуре – природные типы руд.

В процессе разведки принято оконтуривать и изображать на геологических чертежах (планах, разрезах, проекциях) технологические типы и промышленные сорта руд и раздельно считать их запасы. Желательно поступать так же и с технологическими сортами и природными типами руд, но на практике это трудно выполнимое требование, и их чаще учитывают статистически в пределах блоков промышленных сортов руд.

Взятие проб

Первая операция опробования – это взятие проб. Способы взятия проб одинаковы для различных видов опробования и поэтому рассмотрены отдельно.

В зависимости от вида разведочных выработок и состояния материала, подлежащего опробованию, выделяют три группы взятия проб. К первой группе относятся способы взятия проб из горных выработок и обнажений, т.е. из пород в коренном залегании. Сюда входят штуфной, точечный, бороздовый, задирковый и валовый способы. Этими способами опробуются канавы, шурфы, штреки, рассечки и другие горные выработки. Ко второй группе относятся способы взятия проб из скважин и шпуров, они определяются видом бурения и характером получаемого при этом материала. Наиболее часто для взятия проб используется керн скважин колонкового бурения, реже пробы берут из шлама скважин и шпуров. Третью группу образуют способы взятия проб из отбитой руды, находящейся в отвалах и вагонетках, причем этими способами можно опробовать не только руду, но и продукты ее переработки. Они включают горстьевой способ и способ вычерпывания.

Взятые пробы обладают определенными геометрическими параметрами и массой. Геометрические параметры (или геометрия проб) включают длину, площадь поперечного сечения, объем пробы и ее пространственную ориентировку. По геометрическим параметрам различают пробы точечные, линейные, площадные и объемные (табл.5). В точечных пробах учитывается только их масса. Для линейных проб имеют значение длина пробы, площадь поперечного сечения и пространственная ориентировка. Дело в том, что рудные тела в большинстве случаев анизотропные, и линейные пробы должны быть ориентированы как можно ближе к направлению наибольшей изменчивости оруденения. Например, в пластообразных и жильных рудных телах линейные пробы рекомендуется ориентировать по их мощности.

Если это технически невозможно, то необходимо, чтобы угол между направлением линии опробования и рудным телом (угол встречи) был не менее 30° (рис.2). При угле встречи менее 30° данные опробования считаются недостоверными. Площадные пробы характеризуются размером площади и глубиной взятия. Объемные пробы включают значительный объем рудного тела и имеют сопоставимые размеры по длине, ширине и глубине.

Выбор геометрии проб определяется характером оруденения и назначением проб. Так, для изучения минерального состава, текстурно-структурных и минералогических особенностей, плотности, пористости и влажности применяются преимущественно точечные пробы. Для оконтуривания рудных тел и промышленных сортов руд в основном используются линейные пробы.

При опробовании маломощных рудных тел масса линейных проб оказывается недостаточной для анализа, и тогда переходят к площадным пробам.

Если оруденение имеет гнездовый, прерывистый характер, т.е. его изменчивость очень высокая, то достоверные результаты могут быть получены лишь с помощью объемных проб. Их используют также для получения проб большой массы, например, для технологических испытаний.

При отборе проб основное внимание обращается на достоверность опробования. Необходимо знать основные причины появления систематических погрешностей взятия проб и уметь предупреждать их.