Полезные минералы и минералы пустой породы
Помимо полезных ископаемых, в состав минерального сырья входят и так называемые пустые породы. Что это такое? Почему они получили такое название? Ответ на эти вопросы кратко будет дан в статье. Кроме того, будет кратко рассказано, что такое обогащение, и описано его практическое значение.
Научное определение
Под пустыми породами в науке и промышленности понимают породы, не представляющие никакой практической ценности. Они обычно сопровождают залежи полезных ископаемых, и часто их не так-то легко отделить – для этого необходимы особые процессы обработки.
Так, пустая порода руды, например, состоит из оксидов алюминия, кальция, магния, кремния. Минералы, образованные ими, носят название силикатов, алюмосиликатов.
Как поясняет “Горная энциклопедия”, пустые породы извлекаются из недр вместе с полезными ископаемыми и направляются в отвалы – места размещения на поверхности некондиционного минерального сырья. Отвалообразованием обычно завершаются так называемые вскрышные работы на карьерах, которые открывают доступ к полезным ископаемым и подготавливают их к выемке. Всем известные терриконы представляют собой не что иное, как отвалы – горы пустой породы, извлеченной из шахт или (возле горнообогатительных фабрик) являющейся отходами обогащения.
Что такое обогащение
Обогащение применяется в том случае, если пустые породы не могут быть полностью отделены от полезных ископаемых по каким-либо причинам. Под этим термином понимают процессы первичной обработки минерального сырья. Цель – отделение ценных полезных ископаемых от пустых пород и друг от друга. Ведь в железной руде, например, помимо рассматриваемых нами пород, могут содержаться и другие ценные ископаемые – оксиды никеля, молибдена, ванадия, хрома, марганца, вольфрама.
Обогащение включает в себя несколько этапов, на которых, в свою очередь, проводятся определенные операции. Так, подготовительный этап включает процессы дробления и измельчения, грохочения (разделения частиц породы в соответствии с размерами) и классификации.
На основном этапе из сырья выделяются полезные компоненты – один или несколько. Для этого опираются на отличия пустых пород от полезных ископаемых и последних друг от друга в электропроводности, смачиваемости, плотности, магнитной восприимчивости, химических свойствах, растворимости и т. д. Заключительный этап подразумевает обезвоживание и сушку продуктов переработки.
Результат процесса обогащения
В результате обогащения получают концентрированные породы, готовые к переработке, и так называемые отвальные хвосты, состоящие в основном из пустых пород. Ценные ископаемые практически отсутствуют в них либо присутствуют в такой концентрации, что дальнейшая переработка такого сырья попросту нецелесообразна. Помимо этого, в процессе обогащения могут получать и промежуточные продукты, концентрация полезных компонентов в которых более высокая, чем в отходах, но более низкая, чем в целевых продуктах.
Процесс обогащения осуществляется на обогатительных фабриках, рядом с которыми постепенно вырастают горы пустой породы.
Использование отходов
Несмотря на свою кажущуюся бесполезность, эти породы могут найти применение в промышленности и строительстве. Так, их используют при рекультивации, в дорожном строительстве, ими заполняют горные выработки, засыпают овраги. Многие из пустых пород, ранее считавшихся ненужными, нашли свое применение в современной промышленности, к примеру хибинский нефелин. Раньше при получении апатитового концентрата нефелин отправляли в отходы, в настоящее же время, благодаря проведенным научным изысканиям, он используется в ряде отраслей промышленности. Таким образом, пустые породы, несмотря на свое говорящее название, могут с успехом применяться и приносить пользу.
История
развития (генезис) горных пород и минералов
представляет исключительную ценность при
оценке месторождений полезных ископаемых,
так как им определяется строение и иногда
даже состав полезного ископаемого, условия
залегания и нередко мощность месторождения,
предопределяются приемы эксплуатации и пр.
Необходимо
отличать горные породы от минералов. Горные
породы представляют собою большие
минеральные массы, принимающие
существенное участие в строении земной
коры, а минералы – это в большинстве
небольшие по размерам, физически и
химически более или менее однородные
продукты, образующиеся в горных породах,
главным образом в результате физико-химических
процессов.
Не
все минералы или горные породы имеют
значение полезных ископаемых, многие еще до
сих пор не нашли себе применения в народном
хозяйстве. Однако мы наблюдаем, что по мере
развития наук, особенно химии, металлургии
и других, все большее и большее количество
минеральных тел земной коры переходит в
разряд полезных ископаемых. В конечном
счете, одни раньше, другие позже, но все
минералы и горные породы найдут себе, то или
иное применение в народном хозяйстве, а так
называемые «пустые породы» исчезнут.
Среди
техногенных массивов наибольшее
воздействие на загрязнение атмосферы
оказывают отвалы пустой породы. В настоящее
время на предприятиях занимающихся
открытой разработкой железорудных
месторождений отвалы пустой породы
занимают достаточно большие площади, при
этом на крупных предприятиях суммарная
площадь изъятых земель под складирование
пустой породы может достигать порядка 654,2
га.
В 2006 году были выполнены исследования с
целью установления химического состава
взвешенных веществ выделяющихся при
пылении с поверхности отвалов. Химический
анализ отобранных проб проводился
рентгенофлуоресцентным методом в учебно-научной
лаборатории анализа вещественного состава
при Научно-Образовательном Центре СПГГИ(ТУ),
на спектрометре ED2000 фирмы Oxford Instruments (Великобритания).
Данные анализа представлены в таблице 1.
Таблица
1. Химический состав пробы отобранной с
поверхности отвала пустой породы
Химическое | % | Химическое | % |
SiO2 Al2O3 Fe2O3 K2O | 67,5 ± 6,7% 12,2 ± 1,2% 7,9 ± 0,7% 5,1 ± 0,5% | CaO MgO Na2O P2O5 | 2,6 ± 0,2% 1,4м0,1% 1,2 ± 0,1% 1,1 ± 0,1% |
Данные
рентгенофлуоресцентного анализа
выполненного по методу фундаментальных
параметров, без учета H2O и СО.
При
повышенной запыленности воздуха
засоряются устьица растений, что ведет к
ухудшению газообмена (поглощению и
выделению СО2 и О2). В результате снижения
интенсивности фотосинтеза и газообмена
растений наблюдается ухудшение или полное
прекращение их роста. Наибольшую опасность
для растений, особенно вечнозеленых,
представляет известняковая пыль. Такая,
пыль не смывается с хвои, а образует корку,
которая не только ухудшает светопоглощение
и газообмен хвои, но и механически
препятствует её росту. А щелочные растворы,
образующиеся при взаимодействии пыли с
осадками, вызывают ожоги и некрозы хвои и
приводят, в конечном счете, к деградации
растений.
Также выпадение пыли на растительные
сообщества приводит к трансформация
растительного покрова. Лишайниковая флора
полностью исчезает при первом же попадании
загрязнителей. Более остро реагируют на
загрязнение почв травянистые растения с
круглыми листьями, чем кустарниковые с
листьями, имеющими кутикулярный слой (брусника,
подбел). Трансформация растительного
покрова под действием пыли проходит
несколько стадий: выпадение отдельных
растительных ярусов, смена естественного
растительного покрова производственной
растительностью, исчезновение сплошного
растительного покрова, полное исчезновение
растительного покрова.
По
массовой доле пылевые выбросы составляют в
среднем 63 % от массы соединений,
проанализированных в пробах атмосферных
выпадений, но в отдельных пробах дос-тигали
80-96%. Минералогический анализ осаждений на
фильтре показал наличие в пылевых
осаждениях кварца, полевого шпата, биотита,
роговой обманки, при этом атмосферные
выпадения существенно обогащены Ca (в 3 раза),
Mg (в 8 раз) по сравнению с фоновыми
территориями. Размер частиц во всех пробах
менее 0,1мм, в редких случаях- 0,2-0,5 мм и выше.
Отвалы
пустых пород в Горловке (Донецкая область
Украины)
Примеры
использования пустых пород
Хорошим
примером могут служить так называемые
бросовые соли, залегавшие поверх каменной
соли. Вначале их не умели использовать и
бросали в отвал. Лишь после того как химик
Либих показал, что среди бросовых солей
имеется минерал сильвин – хлористый калий,
представляющий собою ценнейшее
удобрительное средство, его месторождения
стали всюду искать. Укажу, что США до
настоящего времени израсходовали более 30
млн. золотых долларов на мало успешные
поиски сильвина в своей стране.
Только
после Великой Октябрьской
социалистической революции на Кольском
полуострове в Хибинских горах были найдены
колоссальные залежи апатита, имеющего
исключительную ценность в качестве
фосфористого удобрения. Минерал этот
залегает здесь вместе с нефелином. Была
построена обогатительная фабрика, на
которой апатит отделяется от нефелина,
вначале не находившего себе применения. Но
в последнее время, после ряда изысканий
Академии наук, нефелин применяется уже в 23
видах промышленности и нисколько не
уступает апатиту по своей ценности в
народном хозяйстве нашей страны.
Следует
отметить, что скопление в земной коре того
или другого применяемого в народном
хозяйстве полезного ископаемого лишь тогда
может быть названо его месторождением,
когда разработка последнего экономически
выгодна, что, в свою очередь, зависит от
целого ряда условий: от процентного
содержания полезного элемента в породе, от
условий залегания, от наличия дешевых путей
сообщения, от климатических условий и
многого другого. Конечно, приемы разработки
месторождений имеют также большое значение
в деле добычи полезного ископаемого.
Себестоимость тонны руды, добытой
кустарными приемами, всегда обходятся
дороже, чем в случае применения мощных
технических средств, но применение
последних требует, чтобы и самое
месторождение было достаточно мощным.
Открытая
разработка месторождений полезных
ископаемых характеризуется интенсивным
загрязнением атмосферы. При производстве
горных работ в воздушную среду поступает
значительное количество минеральной пыли и
газов, в процессе машинного разрушения
пород, бурения скважин, взрывной отбойки,
вторичного дробления, резки горных пород,
погрузки, транспортировки и выгрузки их на
приёмных пунктах или отвалах, разрушения
дорожного полотна при движении по нему
транспортных машин, эрозии поверхности
отвалов, откосов уступов, карьеров.
Выбросы в атмосферу вредных веществ при
разработке месторождений открытым
способом в основном связаны с
механическими примесями (пыль) и
химическими, среди которых, в зависимости
от технологии ведения работ, преобладают
окислы углерода, азота, сернистый ангидрид
и др.
Известняк – популярный в строительстве камень, подходящий для возведения стен, отделки фасадов, создания декоративных элементов и малых архитектурных форм.
История известняка в архитектуре, строительстве и зодчестве исчисляется тысячелетиями. Известно, что на территории современной Турции люди строили дома из известняка еще 14 000 лет назад. Пирамида Хеопса в Египте, Стена Плача в Иерусалиме, город Пальмира в Сирии – все это известняк. При строительстве Великой Китайской стены использовался известковый раствор, в Древнем Риме из камня научились делать мозаику.
Что такое известняк
Известняк это осадочная порода, в ходе образования которой формируется пористый камень различной плотности и оттенка с обилием в составе кальцитов (известковых шпатов). В структуру материала также входят другие минералы, которые снижают его пористость и повышают прочность. Известняки отлагаются преимущественно в соленых морских бассейнах, реже – при испарении лагун и озер. Цвет известняков преимущественно светло-серый, бежевый, желтоватый. Присутствие органических, железистых, марганцовистых и других примесей обусловливает тёмно-серую, бурую, красноватую и зеленоватую окраску.
Как правило, происхождение известняка связано с жизнедеятельностью организмов, которые выделяют из соленой воды карбонат кальция для формирования скелетов и раковин. Реже материал имеет хемогенное происхождение. Оседание породы длится миллионы лет (современные пласты остались после высыхания древних морей). Мощность толщ известняковых отложений кардинально отличается: от нескольких сантиметров до пяти километров. Чем меньше возраст отложений, тем более рыхлыми получаются породы.
Виды известняков
По структуре камень делится на такие виды:
- Кристаллический – плотный минерал, по своей структуре близкий к мрамору. Хорошо полируется за счет мелких пор, морозоустойчив.
- Органогенно-обломочный – это всем известный ракушечник, состоящий из остатков морских организмов. Хорошо обрабатывается (пилится, обтесывается), имеет большую пористость. К этому виду также относят рифовый известняк, крайне богатый на остатки морской фауны, и обычный мел – слабосцементированную карбонатную породу (фактически, затвердевший ил теплых морей).
- Обломочно-кристаллический – органогенный детрит, образованный из фрагментов растений, раковин и скелетов животных. Несмотря на мелкие поры, имеет малую прочность и высокую степень водопоглощения.
- Натечный (известковый туф) – формируется в стоячих и проточных подземных водоемах из нерастворимой соли, которая под давлением уплотняется. Камень из стоячих водоемов более плотный, из проточных – пористый и хрупкий.
По происхождению камень делится на:
- Биогенный – это отложения карбонатных остатков морских организмов с небольшой долей карбонатного цемента.
- Хемогенный – образуется в соленой воде или подземных источниках (тот самый туф) путем осаждения извести.
- Обломочный – образуется из угловато-окатанных обломков известняковых пород в ходе их раздробления и смыва.
- Смешанный – следствие одновременного протекания нескольких процессов, в ходе которых формируются карбонатные материалы.
Под воздействием высоких температур и давлений известковая порода постепенно уплотняется и становится более твердой, а ее зернистость уменьшается. В результате получается мрамор – по сути, метаморфизированный известняк с плотной кристаллической структурой. Резкого фазового перехода не происходит, мрамор формируется постепенно, поэтому в природе встречаются промежуточные варианты (например, мраморизированный известняк, одновременно плотный и легко поддающийся резке).
Свойства известняка
Свойства камня разнятся в зависимости от источника происхождения и напрямую зависят от структуры материала. Даже в одном месторождении могут встречаться залежи с различной плотностью, объемной массой и прочностью. Более плотные кристаллические породы хорошо полируются, пористые (например, ракушечник) – легко пилятся и обтесываются.
Физические характеристики материала:
- Плотность – 2700-2900 кг/м³.
- Объемная масса – от 800 кг/м³ (ракушечник) до 2800 кг/м³ (мраморизированные породы).
- Твердость по шкале Мооса – 3.
- Предел прочности при сжатии – от 0,4 МПа (ракушечник) до 300 МПа (кристаллический).
Основа известняка – карбонат кальция (50-95%). Остальное – это кварц, доломит, полевой шпат и другие минералы (5-50%). Именно из-за наличия в составе минералов камень имеет различные оттенки. Цвет известняка преимущественно белый, но в природе в обилии встречаются породы светло-серого, светло-желтого, красноватого, зеленого, бурого оттенка. Существует даже черный известняк – в его составе в обилии присутствуют нефтепродукты. В целом камень известен мягкими, пастельными тонами и ненавязчивыми цветовыми сочетаниями.
Физически и химически камень-известняк не слишком устойчив. Он растворяется в воде (пусть и медленно), поэтому при использовании камня в отделочных работах он обрабатывается водоотталкивающими составами. Особенно уязвим минерал к воздействию кислот (в частности, уксусной, серной, соляной), причем реакция протекает бурно и быстро, с образованием углекислого газа. В природных условиях это чревато образованием карстовых пустот, зачастую внушительных размеров. Морозостойкость камня существенно меняется в зависимости от пористости и наличия трещин. Наибольшую морозостойкость (до 400 циклов) имеют мраморизированные породы с плотной кристаллической структурой.
Добыча известняка
В России минерал добывается и разрабатывается преимущественно посредством буровзрывных работ (БВР). Предварительно проводятся вскрышные работы – верхний слой почвы снимается с помощью бульдозера и в дальнейшем используется для рекультивации. В твердом слое известковой породы бурятся шурфы глубиной до 24 метров, в них закладываются промышленные взрывчатые материалы и детонаторы (тротиловые шашки). Для одного подрыва обычно требуется 2-3 десятка скважин и порядка 5 тонн взрывчатки. Скважины взрываются не одновременно, а с задержкой в доли секунды.
Существует альтернативная европейская технология добычи известняка под названием Rip&Load (рыхление и погрузка), позволяющая работать без применения БВР. Массив забоя разрушается с помощью специального рыхлителя на тяжелом экскаваторе, после чего оператор не выходя из кабины меняет рыхлитель на ковш и грузит разрушенную горную массу в самосвал. Далее операция повторяется. Преимущество такой технологии – селективная выемка известковой породы в месторождениях со слоистой структурой. В обоих случаях используется тяжелая промышленная техника. Например, эксплуатационная масса экскаваторов в карьерах может достигать 240 тонн, а их производительность – 800 т/ч.
Образовавшиеся обломки породы грузятся тяжелым экскаватором в карьерные самосвалы и вывозятся на дробильно-обогатительную фабрику (ДОФ). В результате чаша карьера перемещается в сторону известковых пород, а выработанное пространство постепенно засыпается отсевом и вскрышными породами.
На дробильно-обогатительной фабрике известняк последовательно подвергается крупному, среднему и мелкому дроблению. Мелкие частицы камня (до 1 см) вывозятся обратно в карьер. Готовый продукт (дробленый камень) грузится в ж/д вагоны или автотранспорт и отправляется потребителям. В местах малых залежей известняк просто пилят на прямоугольники нужных размеров и вывозят грузовиками на завод.
В России основные месторождения минерала находятся в Московской и Тульской области. В Туле (помимо обычного) добывается ценный мраморизованный известняк, в Подмосковье – редкую породу кремового оттенка. Известняк встречается практически в любом регионе Земли, а некоторые карьеры используются на протяжении тысяч лет.
Использование известняка
Известняк – универсальный материал, нашедший применение в производстве, сельском хозяйстве, строительстве, дизайне помещений. Сфера применения камня различается в зависимости от его происхождения, физических характеристик, состава. Основные области использования известкового камня:
- Строительство. Прочности некоторых сортов известняка хватает, чтобы возводить из них малоэтажные здания, но в большинстве случаев материал используется в качестве облицовки. Из него делают стеновые панели, облицовочные плиты, декоративные элементы – колонны, пилястры, барельефы. Камень мелких фракций используют в качестве щебня при производстве бетона, крупных – для обустройства оснований автомобильных дорог и гидротехнических сооружений. Бутовый камень (крупные обломки размером до 500 мм) подходит для фундаментных работ.
- Отделка и облицовка. Известняк – популярный фасадный материал, хорошо противостоящий российским климатическим условиям. Тонкие срезы износостойкого камня – готовый материал для укладки садовых дорожек и тротуаров.
- Дизайн помещений. Мраморизированный известняк редких оттенков используется для отделки стен, лестниц, пола, изготовления кухонных столешниц, подоконников, барных стоек. Камень изысканных цветов подходит для создания каминных порталов, журнальных столиков, декоративных колонн. В среде дизайнеров особенно ценится слоистый камень с ярко-выраженным рельефом.
- Производство отделочных материалов. На основе известняка делают белила, краску, шпатлевку.
- Изготовление цемента. Карбонатные компоненты в сырьевой смеси при производстве цемента могут достигать 80% от общего объема сырья. Наряду с известняком в цемент добавляют глину, шлак, корректирующие добавки.
- Химическая промышленность. Материал используется в технологиях производства пластика, резины, фармацевтических препаратов.
- Производство сахара, стекла, соды. Здесь минерал используется в качестве дополнительного сырья. Например, в производстве сахара используется известь, получаемая путем обжига карбонатных пород.
- Металлургия. Известняк – незаменимый компонент при выплавке металлов. Известняковый флюс снижает температуру плавления и облегчает отделение металла от пустой породы. Используется с рудами, богатыми кремнеземом и глиноземом.
Кроме этого, известняк активно используется в качестве компонента зубных паст и кремов для обуви, в производстве фильтров и минеральных удобрений. Минерал также применяется в производстве бумаги – из одной тонны материала можно получить порядка 800 кг готовой продукции. Некоторые виды известняка применяются в производстве абразивных материалов для тонкой шлифовки, а в сельском хозяйстве его используют в качестве минеральной добавки для скота и птицы.
Известняк важен не только для отделки зданий и интерьеров. Он незаменим в создании цемента, а также находит применение в других отраслях промышленности, таких как очистка сахара, производство стекла. Когда известняк нагрет, он используется в производстве железа и стали, а также глинозема и магнезии. Также известняк помогает очистить питьевую воду. Фермеры часто используют удобрение, которое содержит дробленый известняк на зерновых культурах. Известняк в смеси – источник питательных веществ и нейтрализатор кислотности почвы. Порошкообразный известняк используется, чтобы удалить примеси из литых металлов. Известняк используется в качестве наполнителя во множестве изделий, включая бумагу, пластмассу и краску. Самый чистый известняк даже используется в продуктах питания и лекарствах, таких как таблетки кальция и хлопья для завтрака.
Известняк в архитектуре и дизайне
Известняк является очень популярным материалом для строительства и облицовки зданий. Подходит для облицовки фасада, а также для создания декоративных элементов экстерьера – барельефов, колонн и пилястр, кронштейнов. Область дизайнерских решений для интерьера довольно широка: изготовление колонн, арок, каминных порталов, отделка известняком полов и стен, дверных и оконных проемов. Некоторые виды известняка подходят для помещений с повышенной влажностью (ванные комнаты, бассейны).
В ландшафтном дизайне известняк используется при оформлении дорожек, террас, декоративных стенок, оград и сооружения альпийских горок (сохраняет тепло, пропускает воду и воздух, нормализует почвенный состав).
В нашей стране популярны отечественные известняки, Испанские известняки и Немецкие мраморизованные известняки. Благодаря относительно низкой цене (по сравнению с другими натуральными камнями) и устойчивости к перепадам температур (количество циклов зима/лето) известняк является самым популярным материалом для отделки фасадов жилых комплексов и коммерческих зданий и сооружений.
Самые популярные известняки:
Jura Beige
Jura Grey
Jura Rahmweis
Branco Valongo
Branco do Mar
Фотографии известняка
Ниже вы можете посмотреть несколько фотографий известняка в различном применении. Фасады, отделка стен, мощение и тд.
