Техническое, товарное опробование

Геофизическое опробование. В практике геологоразведочных и горных работ широко используются приемы определения каче­ства полезного ископаемого без отбора проб с использованием геофизи­ческих методов.

Геофизические методы весьма раз­нообразны. Наиболее распространены магнитометрические и ядерно-физиче­ские, в том числе и радиометрические методы определения качества руды.

Магнитометрические ме­тоды применимы в основном для изу­чения магнетитовых руд. Разработано много разновидностей магнитометриче­ских методов, позволяющих опреде­лять количество магнетита в целике, скважине, штуфах или порошке. Наи­более часто применяется магнитный каротаж скважин, с помощью которого устанавливают или уточняют границы рудного тела и определяют среднее со­держание магнетита (и железа) в ин­тервале каротажа. Для определения содержания магнетита строится градуировочный график путем сравнения результатов химического анализа проб, совпадающих с интер­валами каротажа, со средней магнит­ной восприимчивостью в этих интер­валах. В дальнейшем градуировочный график позволяет находить со­держание магнетита по измеренному значению магнитной восприимчи­вости руды. Точность определения содержания магнетита таким спо­собом составляет 5—20%, что ниже точности при химическом опробо­вании, и зависит от особенностей минерального состава руды и длины интервала каротажа.

Ядерно-физические методы за исключением радиометри­ческого опробования в ряде случаев уже вытеснили химическое опробование. Они заключаются в активации руд и горных пород различными видами излучений, создаваемых радиоактивными изотопами. В результате взаимодействия излучения с электронами или ядрами атомов происхо­дят различные процессы, вызывающие ответное излучение, измеряя ко­торое можно определить содержание химических элементов в руде или горной породе.

Ядерно-физические методы можно разделить по типу активирую­щего излучения (гамма - кванты или нейтроны), типу взаимодействия активирующего излучения с атомами (фотопоглощение или рассеяние гамма - квантов электронами, ядерные превращения и др.), типу возбуж­даемого характеристического излучения (рентгеновское, гамма-излуче­ние, нейтронное). Одни ядерно-физические методы уже внедрены в про­изводство, другие прошли опытные испытания, третьи находятся в раз­работке. Почти все методы могут быть применены как в скважинном варианте (различные виды каротажа) так и для опробования в горных выработках и обнажениях.

Радиометрические методы наиболее разработаны среди ядерно-физических методов. Они основаны на измерении естественной радиоактивности руд, главным образом гамма-излучения, возникающего при распаде радиоактивных элементов (урана, тория и калия).

Интенсивность гамма-излучения зависит от содержания радиоактив­ных элементов в руде. Эта зависимость прямолинейная, но на каждом месторождении ее характер индивидуален, поэтому предварительно не­обходимо провести химическое и радиометрическое опробование какого-то числа проб (несколько десятков) и построить график зависимости между содержанием радиоактивного элемента и интенсивностью гамма-излучения. В дальнейшем измеряется только интенсивность гамма-излу­чения, а содержание определяется по графику.

Интенсивность гамма-излучения в обнажениях и горных выработ­ках измеряется радиометрами различных конструкций в скважинах про­водится гамма-каротаж (ГК) с помощью разрядных счетчиков, позволяющих оценивать количество импульс гамма-излучения за единицу времени.

ГК применяется не только для опробования радиоактивных руд, но и часто для расчленения толщи вмещающих пород, так как различ­ные типы горных пород обладают разной радиоактивностью. В некото­рых случаях с помощью ГК удается опробовать руды редких металлов (ниобий, тантал, редкие земли и др.), если они сопровождаются при­месью радиоактивных элементов и между редкими и радиоактивными элементами имеется четкая корреляционная зависимость. ГК по достоверности заметно уступает химическому опробованию, но весьма экономичен и оперативен.

Гамма-гамма-метод (ГГМ) основан на взаимодействии гамма -квантов с электронами атомов, вызывающем ответное рассеянное гамма-излучение. Источником гамма - квантов служат изотопы Cs или Со. Интенсивность рассеянного гамма-излучения определяется элек­тронной плотностью вещества, зависящей от атомного номера химиче­ских элементов и плотности руды или горной породы. Рассеянное гам­ма-излучение обусловлено суммарным взаимодействием электронов не­зависимо от вида атомов, поэтому оно не дает возможность установить химический состав вещества. Поскольку в состав горных пород входят в основном химические элементы с малыми атомными номерами, ин­тенсивность рассеянного гамма-излучения обусловлена в основном плот­ностью вещества. Поэтому гамма-гамма-метод применяется преимуще­ственно для определения плотности горных пород или руд, а гамма-гамма-каротаж часто называют плотностным каротажем.

Интенсивность рассеянного гамма-излучения измеряется теми же радиометрами, что и при радиометрическом опробовании.

Если в руде присутствуют атомы с большими атомными номерами то электронная плотность вещества и интенсивность рассеян­ного гамма-излучения заметно возрастают, что дает возможность опре­делять содержание тяжелых химических элементов. Известны примеры использования гамма – гамма - каротажа для опробования руд свинца, вольфрама, сурьмы, железа, меди.

Рентгенорадиометрический метод (РРМ) — один из наиболее перспективных ядерно-физических методов. Под воздействием мягких гамма - квантов, возбуждающих электроны атомов, возникает от­ветное характеристическое рентгеновское излучение. Энергия его для каждого химического элемента постоянна, а интенсивность излучения пропорциональна содержанию химического элемента в руде.

Источниками гамма - квантов служат чаще всего изотопы Se, Cd, Sn, Co, Tn и др. Для возбуждения рентгеновского излучения энер­гия гамма - квантов в каждом конкретном случае должна находиться в узком диапазоне, что достигается подбором соответствующего изотопа. Разделение характеристического рентгеновского излучения специаль­ными фильтрами, использование спектральных отношений, применение многоканальных анализаторов позволяют определять содержание двух-трех химических элементов одновременно, например свинца, цинка и железа или сурьмы, ртути и бария и др. Рентгенорадиометрическим мето­дом можно определять также содержание вольфрама, молибдена, меди, марганца, олова и др.

Гамма-нейтронный метод (ГНМ) используется в основном для определения содержания бериллия. Под воздействием жесткого гам­ма-излучения, создаваемого изотопом Sb, ядра атома бериллия воз­буждаются и испускают нейтроны, происходит ядерная реакция. Интенсивность потока нейтронов пропор­циональная интенсивности гамма-излучения и содержанию бериллия в руде. Поток нейтронов измеряется сцинтилляционными детекторами, содержащими бор и обладающими большим сечением захвата нейтро­нов.

Метод ядерного гамма-резонанса (ЯГРМ) основан на эффекте Мессбауэра (резонансном рассеянии гамма - квантов) и исполь­зуется для определения касситерита. Источником гамма-излучения слу­жит изотоп Sn. При неподвижном источнике происходит резонансное рассеяние (поглощение) гамма - квантов атомами олова (природным изо­топом Sn). Резонанс (при подвижном источнике) и рассеяние гамма - квантов (при подвижном и неподвижном источниках) позволяют судить о содержании окисного олова.

Следует отметить, что в реальных условиях обычно применяют комп­лекс различных геофизических методов опробования, что повышает его достоверность. Например, на месторождениях железистых кварцитов для выделения магнетитовых и гематитовых разновидностей применяют комплексный магнитный и плотностной каротаж, а также кавернометрию (для введения поправок).

Технологическое опробование. Технологические испытания минерального сырья — одна из важней­ших составных частей разведочных работ. Без тщательных технологи­ческих испытаний обогатимости или металлургического передела руд нельзя выполнить промышленную оценку месторождения и составить проект горнорудного предприятия, т. е. нельзя решить главные задачи разведки.

Технологическое опробование проводится с целью создания рациональной схемы или проверки применимости существующих схем переработки минерального сырья, а также для установле­ния технологических показателей. Результаты технологических ис­пытаний могут использоваться для установления зависимостей пока­зателей переработки от состава руды, для подсчета запасов. Большое значение они имеют при геолого-экономической оценке месторождений и проектировании горнорудных предприятий.

Технологическая проба может характеризовать природные типы, промышленные сорта руд, рудные тела или месторождение в целом. Соответственно можно различать и виды технологических проб по объекту исследования. Пробы, освещающие природный тип руды, на­зывают минералого - технологическими. Они имеют минимальную массу (десятки, редко сотни килограммов) и позволяют выявить различия в технологических свойствах природных типов руд при использовании одной стандартной для данного вида сырья пробы. Число минералого-технологических проб должно быть пропорционально распространенно­сти типов руд (не менее 20—30). Минералого-технологические пробы испытанные по стандартной схеме, позволяют установить разнообраз­ные зависимости технологических показателей от состава руды.

Технологические пробы освещают промышленный сорт руды. Они
позволяют разработать рациональную технологическую схему перера­ботки минерального сырья и определить основные технологические показатели (выход продуктов, их состав и свойства, извлечение компонен­тов и др.). Такая технологическая проба чаще представляет собой смесь природных типов руд, и для обеспечения надежных показателей переработки необходимо, чтобы химический и минеральный состав пробы, а также соотношение в ней типов руд были близки к соответствующим характеристикам промышленного сорта руды. Число технологических проб обычно пропорционально числу промышленных сортов руд, иногда числу участков месторождения.

В редких случаях отбирают составные технологические пробы из смеси промышленных сортов руд в заданном соотношении для характе­ристики какого-либо участка, рудного тела или месторождения в целом. Необходимость в составных пробах возникает, когда предполагается совместная добыча нескольких сортов руд, обладающих сходными тех­нологическими свойствами, и требуется оценить технологические пока­затели смешанной руды. Следует отметить, что во многих случаях веро­ятные значения технологических показателей при смешивании сортов руд можно определить расчетным путем на основе зависимостей пока­зателей от состава руды.

Одной из важных геологических задач является обеспечение пред­ставительности любых технологических проб, что обычно достигается рассредоточением мест взятия пробы по участку или по месторождению, а также соблюдением в ней заранее известного и заданного минераль­ного и химического состава руды и соотношения природных типов руд.

Технологические пробы отбирают различными способами. При бу­ровой системе разведки материал для проб берут либо из керна, остав­шегося после химического опробования, либо из керна специальных технологических скважин, проходимых увеличенным диаметром. При ударно-канатном бурении технологическую пробу отбирают из шлама. Если применяется горная или буровая система разведки, то технологи­ческие пробы берут из горных выработок бороздовым или валовым спо­собом в зависимости от необходимой массы пробы.

Технологические пробы позволяют составить рациональную схему переработки руд и определить показатели переработки (выход продук­ции, ее состав, извлечение компонентов, расход воды, энергии, реаген­тов и др.). Они различаются по масштабу и объекту исследования. По масштабу можно выделить лабораторные, укрупнено - лабораторные и полузаводские технологические пробы.

Лабораторные пробы позволя­ют исследовать технологические свойства руды в лабораторных усло­виях путем постановки отдельных опытов по обогащению и металлур­гии при разных режимах, чтобы определить оптимальный режим пере­работки руды. Масса лабораторных проб колеблется в пределах десят­ков — сотен килограммов.

Укрупнено - лабораторные пробы изучаются также в лабораторных условиях, но после достижения наилучшего режима переработки руды. Кроме того, в процессе таких испытаний можно получить значительное количество концентратов или промпродуктов, которые могут быть использованы для других технологических или технических исследований. Масса укрупнено - лабораторных проб обычно составляет тонны или десятки тонн.

Полузаводские технологические пробы предназначены для прове­дения технологических испытаний на опытных полупромышленных и промышленных установках с целью проверки технологической схемы и определения надежных показателей переработки руды. Масса полуза­водских проб может достигать несколько сотен или тысяч тонн. Полуза­водские испытания применяются лишь в особых случаях: с целью про­верки новых технологических схем, еще не освоенных промышленностью, и технологических свойств руд сложного состава (например, комплекс­ных руд) при крайне неравномерноморуденении.

Техническое опробование служит для изучения физических свойств полезного ископаемого. Технические испытания проводятся на всех месторождениях полез­ных ископаемых. Для ряда полезных ископаемых (слюда, асбест, пьезооптическое сырье, строительные материалы, каменный уголь и др.) техническое опробование является основным. В этих случаях при технических испытаниях не только определяют физические свойства, но и устанавливают технологическую схему переработки минераль­ного сырья.

Простейшие технические испытания проводятся в геологоразведоч­ных партиях, а более сложные — в специальных лабораториях. Чаще других приходится изучать объемную массу, влажность, грануломет­рический состав, коэффициент разрыхления и некоторые другие свой­ства полезных ископаемых.

Объемная масса является одним из параметров подсчета запасов, поэтому ее изучению уделяется большое внимание. Объемную массу устанавливают в штуфных или в валовых пробах (в целике).

Штуфные проб массой 0,5—2 кг взвешивают в воздухе и в воде, что позволяет определить объемную массу. Если штуф состоит из пористой руды, то перед взвешиванием его парафинируют. Число штуфных проб должно быть не менее 20—30 по каждому промышленному сорту руды.

Часто объемная масса руды зависит от ее состава. В этих случаях штуф после взвешивания обрабатывают как химическую пробу и ана­лизируют на главные компоненты. Серия таких испытаний позволяет построить график и рассчитать формулу зависимости объем­ной массы от состава руды. В дальнейшем с помощью графика или формулы можно определять объемную массу руды в отдельных блоках подсчета запасов.

По штуфным пробам нельзя изучить влияние трещиноватости и кавернозности на объемную массу полезного ископаемого. Это можно установить лишь в валовых пробах. Объемную массу в этом случае находят путем деления массы добытой руды из целика к его объему, составляющему обычно несколько кубических метров. Измерения объем­ной массы в валовых пробах позволяют ввести поправки на трещиноватость и кавернозность к объемным массам, установленным по штуф­ным пробам. Величины поправок обычно не превышают 5—10% изме­ряемой величины.

Изучение влажности необходимо из тех соображений, что объемная масса руд измеряется в естественно-влажном состоянии, а содержание компонентов в навеске — в расчете на сухое вещество. Поэтому при под­счете запасов компонентов в рудах надо вводить поправку на влаж­ность.

Влажность определяют путем взвешивания штуфа руды в естествен­но - влажном и сухом состоянии. При необходимости сохранить влажность в сильно пористой руде штуф при отборе парафинируют. После взвешивания во влажном состоянии штуф раскалывают на кусочки крупностью 5—10 мм и сушат в сушильном шкафу при температуре 100° С, затем определяют влажность.

Гранулометрический изучается пре­имущественно для сыпучих полезных ископаемых, например на россыпях. Гранулометрическому анализу может подвергаться валовая проба руды полностью (пробы желваковых фосфоритов) или только тяжелая фракция, даже ценный минерал (россыпи).

Гранулометрический анализ заключается в разделении пробы на фракции по крупности частиц с помощью стандартного набора сит и взвешивании каждой фракции.

Товарное опробование. Товарное опробование вагонеток, самосвалов, барж и других транс­портных средств используется для определения качества руд или кон­центратов при хозяйственных расчетах между предприятиями.