Отбор проб твердых полезных ископаемых

Все применяемые способы взятия проб делятся на три группы: точечные, линейные и объемные.

· К первым принадлежат штуфной, точечный и вычерпывания.

· Вторая группа представлена бороздовым и шпуровым способами в горных выработках, и в нее входят все способы опробования керна и шлама скважин, буримых сплошным забоем.

· К третьей группе относятся задирковый и валовой способы.

Указанные способы различны по своей трудоемкости и представительности получаемых проб. Легче выполнимы способы первой группы и наиболее трудоемки способы третьей. Среди них наиболее представительны единичные пробы третьей группы — валовые или задирковые, наименее представительны единичные штуфные пробы, так как представительность пробы при прочих равных условиях зависит от ее величины. В каждом конкретном случае разведки целесообразен тот способ, который позволяет получить достаточно надежные сведения о качестве ПИ при наименьших трудовых и денежных затратах. Способы отбора проб в горных выработках и по естественным обнажениям отличаются большим разнообразием вследствие различия природных свойств объектов опробования, изменчивости качества ПИ, а также ввиду различной ориентировки горных разведочных выработок или плоскостей естественных обнажений в отношении элементов залегания тел ПИ. На выбор способа опробования влияет и технология проходки горной выработки, благоприятствующая или затрудняющая отбор проб. Ниже описаны типичные способы отбора проб в горных выработках и по естественным обнажениям, применяемые при разведке месторождений ПИ. Штуфной способ состоит в отбойке отдельных кусков («штуфов») ПИ из целика или в отборе кусков массы минерального сырья, отбитого при проведении выработки. Штуфы выбираются с таким расчетом, чтобы каждый из них характеризовал разновидность ПИ. В зависимости от условий опробования и вида ПИ масса отдельного штуфа бывает от 0, 2 до 2 кг.

Штуфные пробы используются главным образом для изучения минерального состава, структур и текстур руд и для определения физических свойств минерального сырья (объемной массы, пористости, технических свойств минералов и т. п.). Реже штуфные пробы подвергаются химическому анализу, хотя при равномерном распределении полезных компонентов в руде или в случае довольно однородного нерудного ископаемого (углей, некоторых строитель­ных материалов) по штуфным пробам можно определить качество таких ископаемых для подсчета запасов.

При поисках и поисково-оценочных работах возможен отбор штуфов для химического и минералогического исследований с целью весьма ориентировочного представления об элементарном составе ПИ. Однако подсчитывать запасы по данным единичных штуфных проб, даже по категории С₂, было бы неправильным.

Точечный способ заключается в том, что на некоторой плоскости обнажения тела ПИ на его естественном выходе или в подземной горной выработке (по забою или по стенке) размечается частая сетка, квадратная или ромбическая, и. в узлах этой сетки или в середине ее ячеек отбиваются кусочки ПИ приблизительно одинаковой величины. Сумма этих кусочков (частичных проб) составляет одну начальную пробу, характеризующую всё опробованное сечение тела ПИ (рис. 84).

Представительность точечной пробы зависит от числа отбитых кусочков и их размеров. Чем неравномернее распределение полезных компонентов в руде, тем больше требуется частичных проб и масса их должна быть большей. Разными исследователями рекомендуется отбирать: для руд равномерных — от 10 до 16 кусочков массой от 30 до 200 г; для неравномерных по содержанию ПИ — 20—30 кусочков от 50 до 500 г; при весьма неравномерном распределении полезных компонентов отбирается от 40 до 50 кусочков (иногда до 100) при массе частичных проб от 500 г до 1 кг. Таким образом, общая масса начальной пробы может составлять от единиц килограммов до 50 кг и более.

Точечный способ целесообразно применять для опробования мощных тел ПИ. Благоприятными текстурами руд для применения этого способа являются массивные и вкрапленные, тонкополосчатые и пятнистые с незакономерным распределением минеральных агрегатов. Он выгоден при крепком и очень крепком полезном ископаемом ввиду сравнительной легкости отбивания отдельных кусочков и предпочтителен для руд более равномерных по качеству.

Для механической отбойки точечных проб применим пробоотборник СГИ-3, сконструированный на основе пневматического перфоратора со специальным наконечником.

Горстевой способ (или способ вычерпывания) является универсальным для опробования рыхлых масс минерального сырья — отбитой руды, песков из россыпей, отвалов и других подобных минеральных скоплений. По своей идее он подобен точечному способу, описанному выше, и представляет собой разновидность первого для рыхлых масс.

Горстевой способ заключается в отборе частичных проб из навала минерального сырья по сетке, из которых составляется начальная проба. Для удобства отбора частичных проб по навалу раскидывается сетка и в зависимости от требуемого числа частичных проб (горстей) последние вычерпываются из ячеек сетки: из каждой ячейки, или через одну, две ячейки и т. д. (рис. 85).

Количество частичных проб и их массы должны быть примерно такими же, какие рекомендованы для точечного способа. Однако, учитывая крайнюю легкость взятия проб от рыхлого материала, их массы могут быть ближе к верхнему пределу — для равномерных руд 100—200 г, для неравномерных 400—500 г, для весьма неравномерных около 1 кг.

Отбор проб следует производить каким-либо мерным сосудом — совком, черпаком, обрезком трубы — так, чтобы отдельные порции материала были равновелики. При отборе частичных проб необходимо обращать внимание на соотношение между крупным материалом и мелочью, поступающими в пробу, и стараться, чтобы это соотношение соответствовало тому, которое имеет место в опробуемом навале. В противном случае преобладание крупных частиц или мелочи в пробах может привести к систематической ошибке опробования, так как благодаря избирательному выкрашиванию полезных минералов или сопутствующих им минеральных агрегатов мелочь может оказаться значительно более богатой или менее богатой полезными компонентами. При крупных кусках в опробуемом навале в частичную пробу отбиваются от них малые кусочки, которые вместе с мелочью включаются в частичные пробы.

Главное преимущество горстевого способа опробования состоит в его высокой производительности. Кроме того, он удобен при проходке горных выработок, так как не требует выделения времени в проходческом цикле и не задерживает операций бурения после отпалки и проветривания в забое.

Горстевое опробование при разведке успешно применимо на месторождениях, обладающих крупными телами ПИ с мощностями, превосходящими габариты разведочных выработок. Если же тела маломощны, то отбитая минеральная масса загрязняется вмещающими породами и результаты опробования горстевым способом дают представление об этой разубоженной массе, но не о качестве ПИ в целике.

Бороздовый способ наиболее распространен в разведочной практике. Он заключается в отборе материала пробы из борозды, располагаемой поперек тела ПИ, по соответствующему естественному или искусственному поперечному обнажению тела. Линия борозды ориентируется в направлении наибольшей изменчивости качества ПИ или близком к этому направлению, что делает пробу наиболее представительной. Обычно борозда находится на линии измеряемой мощности тела ПИ и, следовательно, измерения длины проб и мощностей тела осуществляются в едином акте, что упрощает дальнейшие расчеты при определении средних содержаний полезных компонентов и запасов ПИ.

Расположение пробных борозд в подземных горных выработках, как правило, целесообразно вертикальное или горизонтальное, соответствующее вертикальным или горизонтальным разведочным сечениям объекта разведки. При крутом падении тела ПИ пробы следует располагать горизонтально, а при пологом — вертикально. Ввиду этого обычным является следующее расположение пробных борозд в подземных горных выработках:

· по забою штрека (штольни) в зависимости от элементов залегания тела ПИ проба отбирается горизонтальной или вертикальной бороздой (рис. 86), при этом для удобства работы борозду следует располагать на высоте 1, 2—1, 4 м от почвы выработки; если тело отличается крайней неравномерностью мощности и содержания полезного компонента, бывает целесообразно отобрать две или три параллельные борозды, объединив их затем в одну забойную пробу;

Рис. 86. Расположение 87. Расположение секций

пробной борозды по пробной борозды по стенке

забою штрека в зависимости орта, пересекающего мощное

от залегания тела полезного рудное тело

ископаемого

· по стенкам секущих горизонтальных выработок (квершлагов, ортов, поперечных штолен) борозды отбираются непрерывной цепочкой от лежачего до висячего бока обнаженной залежи (рис. 87), эти пробы вместе с забойными образуют в ряде случаев непрерывные разведочные пересечения;

· по стенкам штреков (штолен), в которых обнажаются пологие тела ПИ, возможно отбирать пробы вертикальные, если по каким-либо причинам не опробовались забои в про­цессе продвижения горной выработки или когда необходимо выполнить повторное опробование в пройденной выработке;

· по кровле горизонтальной разведочной выработки, пройденной по простиранию крутопадающего тела, возможно брать горизонтальные бороздовые пробы, если не были опробованы забои при проходке выработки или при необходимости повторного опробования в ней;

· по стенкам вертикальных разведочных выработок, пересекающих тела ПИ (шурфы, дудки, шахты), обычно берутся вертикальные борозды по одной или двум противоположным сторонам выработки (рис. 88), объединяемые затем в одну начальную пробу;

· по стенкам разведочных выработок (восстающих, гезенков, уклонов), проходимых, как правило, по падению или восстанию крутопадающих залежей, бороздовые пробы отбираются горизонтально поперек залежи по стенкам выработки (рис. 89) и только в случае пологого падения тела по стенкам уклонки располагаются вертикальные борозды, отвечающие ориентировке разведочных пересечений пологой залежи в других ее частях.

Рис. 88. Расположение бороздовых проб по стенке шурфа при разведке россыпи

Рис. 89. Расположение борозд по стенке восстающего, пройденного по крутопадающей рудной жиле

Опробование канав бороздовым способом чаще проводится по их дну, где пробные борозды ориентируются поперек вскрываемой залежи ПИ (рис. 90). Реже, когда канава углубляется значительно и выходы рудных тел обнажаются по стенкам канавы, опробование проводится по этим стенкам. Перед опробованием дно канавы необходимо тщательно вычистить, для чего после выемки посторонней мелочи со дна канавы необходимо его подмести и, если возможно, смыть водой.

Рис. 90. Зарисовка разведочной канавы на Курганском полиметаллическом месторождении.

1 — делювий; 2 — известняк; 3 — оруденелый известняк; 4 — сланцы; 5 — окисленная руда; 6 — место взятия образца и его номер

Рис. 91. Секционное опробование залежи никель-кобальтовых руд (1, 2, 3 — номера секций)

1 — песчаники; 2 — полиминеральные скарны; 3 — сплошные; сульфидные руды; 4 —брекчированные руды; 5 — карбонатная порода с прожилками и вкраплениями сульфидов

Естественные обнажения на выходах тела ПИ опробуются бороздовым способом подобно тому, как это делается по дну или стенке канавы.

Если тело ПИ имеет полосчатое строение, обусловленное чередованием различных по составу слоев или обособленным положением разных типов руд в висячем и лежачем боках залежи и т. п., то бороздовая проба расчленяется на секции, из которых приготавливаются отдельные пробы (рис. 91).

Секционное бороздовое опробование возможно во всех описанных выше случаях расположения пробных борозд в горных выработках и естественных обнажениях. Кроме того, оно производится при пересечении горной выработки мощной залежи, неоднородной по содержанию полезных компонентов в разных ее частях (см. рис. 87). В таких случаях устанавливается некоторая средняя длина секций, исходя из особенностей распределения полезных компонентов в пределах залежи с таким расчетом, чтобы обогащенные участки или блоки пустых пород внутри залежи могли быть выявлены при опробовании. Секционное опробование применяется также при нечетких контактах залежи с вмещающими породами, когда, например, вкрапленные руды постепенно переходят в пустые породы. Здесь короткими секциями определяются границы между промышленной рудой и минерализованной непромышленной боковой породой.

Длина борозды определяется мощностью опробуемого тела ПИ или его части, подлежащей опробованию отдельной секцией. В практике длины бороздовых проб составляют от 0, 2 до 2 м, реже до 3—5 м. Наиболее длинные борозды применяются при опробовании весьма мощных и однородных залежей.

Распространены прямоугольные сечения пробной борозды. Иногда применяются треугольные в поперечном сечении борозды. На некоторых месторождениях отбойка материала проводится без соблюдения правильного сечения борозды. Эта так называемая пунктирная борозда образуется из серии кусочков руды, отбиваемых по прямой линии с перерывами.

Опыты на месторождениях с относительно равномерными по содержанию рудами в ряде случаев показали близкую сходимость результатов опробования при помощи борозд разного поперечного сечения. В то же время производительность труда на отборе борозд прямоугольного сечения наиболее низкая, она несколько выше при опробовании треугольной бороздой и наиболее высокая при отборе пробы без соблюдения правильного сечения. Поэтому там, где это возможно, следует применять при ручной отбойке менее трудоемкие пробные борозды последнего типа.

Таблица 24 Поперечные сечения борозд

В практике бороздового опробования размеры поперечного сечения борозд выбираются в зависимости от степени изменчивости качества ПИ, крупности скоплений полезных минералов, крепости ПИ и мощности залежей. Для борозд прямоугольного сечения наиболее употребительные размеры приведены в табл. 24.

Эти сечения рекомендуются при опробовании крепких и средней крепости ПИ. При опробовании объектов малой крепости поперечные сечения борозд могут быть увеличены до 5x10 см при равномерном распределении полезных минералов и до 10 х20 см при весьма неравномерном.

Рис. 92. Стадии и приемы ручной отбойки бороздовой пробы

Отбойка борозды прямоугольного сечения слагается из трех операций, схематически изображенных на рис. 92. Вначале делается верхний, а затем нижний вруб, ограничивающие борозду по ширине и определяющие ее глубину. После врубов отбойка средней части борозды становится более легкой и лучше выдерживается правильное поперечное сечение борозды. При опробовании объектов малой крепости вместо врубов достаточно прочертить острым инструментом надрезы. Для ручной отбойки борозды необходим молоток массой около 2 кг и зубила, изготовляемые из буровой стали, длиной 20—25 см (5—10 штук в комплекте). Для отбора проб по крепким породам зубила армируются пластинками победита.

Перед взятием пробы должна быть проведена зачистка забоя или стенки, выравнивание значительных выступов в месте намечаемой борозды; в некоторых случаях следует обмыть водой или обдуть сжатым воздухом поверхность, на которой намечается взятие пробы. Для сбора материала пробы обычно применяют брезент размером 2x3 или 2x4 м, который расстилают на почве выработки или подвешивают у места отбойки пробы.

Для отбора бороздовых проб в крепких породах применим пробоотборник ЦНИГРИ (ППР-2), которым делается на обнажении два параллельных вреза с помощью дисков, армированных алмазной крошкой. Глубина вреза до 60 мм при ширине такой пробной борозды от 10 до 50 мм. За час возможно нарезать 4— 8 пог. м борозд. Скалывание материала между двумя врезами для пробы производится зубилом вручную или каким-нибудь механическим ударным инструментом.

Шпуровой способ состоит в том, что в процессе бурения шпуров в подземной горной выработке отбирается измельченный материал из шпуров, который и образует пробу для последующих анализов. Достоинства этого способа заключаются в том, что проба отбирается обычно попутно с бурением шпуров для проходки выработки и не требуется специальных значительных затрат на ее отбор, и, кроме того, материал пробы настолько измельчен, что дальнейшая её обработка при подготовке к анализам существенно облегчается. Однако этот способ применим только для отбора проб на химический анализ и поэтому может быть использован не на всяком месторождении. В забоях штреков и штолен, идущих по простиранию тела ПИ, шпуровое опробование возможно лишь при значительных мощностях рудных тел, а также при относительно однородном распределении полезных компонентов в рудном теле; при полосчатом строении залежи может быть большая ошибка в определении качества ПИ в зависимости от того, на какие прослои попадут шпуры. Поэтому при шпуровом опробовании в забоях штреков (штолен) следует располагать проходческие шпуры по возможности под углом к полосчатости или слоистости залежи ПИ (рис. 93).

Наиболее эффективно применение шпурового опробования при пересечении залежей ПИ ортами, квершлагами и другими подобными выработками, когда шпуры ориентируются по линии максимальной изменчивости в распределении содержаний полезных компонентов.

Кроме шпуров, буримых для проходки выработки, для опробования могут использоваться специальные шпуры, как, например, при оконтуривании рудного тела, выходящего за пределы разведочной выработки (рис. 94).

Рис. 94. Схема отбора проб из шпуров. а — при опробовании залежи большой мощности; б — при опробовании параллельных тел ПИ

Шпуровая проба обычно составляется из серии шпуров, характеризующих интервал уходки горной выработки или некоторый участок на стенке выработки. Поэтому измельченный материал серии шпуров собирается в один сосуд. При бурении с промывкой сбор материала производится в отстойник, куда он поступает из шпура по шлангу вместе с промывочной жидкостью. Для сбора шлама около устья шпура производится забурка отвода, в который вставляется патрубок со шлангом. Из отстойников шлам поступает в песчаную баню для просушки и затем на подготовку к лабораторному анализу. При бурении с продувкой шпуров сбор пыли производится пылеулавливателем (рис. 95).

Рис. 95. Установка для пневматического сбора буровой пыли из шпуров.

1— трубопровод со сжатым воздухом; 2 — перфоратор на распорной колонке; 3 — шла-моприемная труба; 4 — пылеулавливатель

При отсутствии пылеулавливателя возможен сбор бурового шлама из шпуров специальной ложкой, а также в мешочек, прикрепляемый к устью шпура, или на широкий брезент, подстилаемый у шпура. Но эти примитивные способы сбора позволяют отбирать лишь 40—50% измельченного в шпуре материала.

Бурение шпуров вкрест простирания залежи с целью ее оконтуривания по данным опробования производится секционно. Длина секций зависит, прежде всего, от мощности опробуемой залежи: чем мощнее залежь, тем большей может быть секция, но обычно она находится в пределах 1—2 м. Если граница рудного тела с вмещающими породами не может быть определена при бурении шпура по цвету шлама или стуку бура, то длины секций в зоне ожидаемого контакта этого тела уменьшаются до 0, 5 м. Шпуровое опробование неприменимо для оконтуривания тел малой мощности — рудных жил, параллельных прослоев ПИ и т. п. В этих случаях возможны сильные искажения в определении их контактов по данным шпурового опробования.

Задирковый способ представляет собой отбойку (задирку) ровного слоя ПИ по всей обнаженной части тела в горной выработке или в естественном обнажении. Обычно задирковая проба берется со всего забоя выработки или со стенки, где выработка пересекла залежь; в кровле или почве выработки задирковым способом пробы берутся в исключительных случаях. Только в канавах опробуется по необходимости тело ПИ, обнаженное в дне.

В горных выработках, пройденных по простиранию тела ПИ, — штреках, штольнях, траншеях при большой длине пласта или жилы, задирковые пробы целесообразно отбирать через некоторые промежутки. Размеры задирок и промежутков между ними будут зависеть от особенностей строения объекта и задач опробования.

Основным условием задиркового опробования является соблюдение при отбойке материала пробы одинаковой глубины задирки на всей ее площади. Если это условие не соблюдается, то результаты такого опробования могут не отражать действительного качества ПИ в целике: если в пробу будут попадать в большем количестве рудные минералы вследствие своей хрупкости, то результаты определения содержания полезного компонента будут завышены; если же проба окажется засорена жильными минералами, то анализы покажут более низкое содержание металлов, чем в действительности. Чтобы достичь правильной отбойки материала в задирковую пробу, необходимо предварительно подготовить поверхность обнажения, на которой намечено взять пробу: она должна быть тщательно выровнена и очищена от посторонних частиц. Для выравнивания поверхности могут применяться горнопроходческие инструменты, геологический и пробный молотки. Поверхность перед взятием пробы может очищаться жесткими щетками, вениками, продуваться сжатым воздухом и обмываться водой.

В крепких ПИ глубина задиркового слоя составляет в среднем 5—10 см, по более мягким — задирка углубляется до 15—20 см. В зависимости от величины опробуемой площади объем тела ПИ, отбираемый в пробу, бывает большим или меньшим, но всегда довольно значителен и превосходит в несколько раз объемы бороздовых или точечных проб. Соответственно и масса задирковых проб составляет обычно десятки и сотни килограммов. Ввиду этого как отбойка, так и упаковка и транспортировка материала задирковой пробы довольно трудоемки.

Применение задиркового способа целесообразно лишь в тех случаях, когда более простые и менее трудоемкие способы не обеспечивают надежного определения качества. Это обычно разведка жильных месторождений с весьма неравномерным распределением полезных компонентов в жилах. Опыт показал, что при мощностях жил менее 15—20 см задирка более эффективна, чем бороздовое опробование, так как в этих случаях она не столь резко отличается от объемов бороздовых проб вообще, но дает более достоверные результаты, чем малая проба из борозды по маломощной жиле. Иногда применение задиркового способа оправдывается спецификой ПИ: так, пески с крупными золотыми самородками целесообразно опробовать задиркой; жилы амфибол-асбеста, когда требуется сортировка материала пробы, нередко опробуются задирковым способом. Этот способ в ряде случаев применяется как контрольный для выяснения относительной погрешности различных способов пробоотбора.

Валовой способ опробования заключается в сплошном отборе минеральной массы, получаемой на некотором участке тела ПИ при проходке горной выработки. Эта минеральная масса, предпочтительно не засоренная пустыми вмещающими породами, добывается из разведочных горных выработок при их проходке по полезному ископаемому или из горноподготовительных выработок на эксплуатационных участках. Она предназначается для различных испытаний с целью определения качества ПИ, а также его физических свойств, определяющих горнотехнические условия добычи. В некоторых случаях валовые пробы берутся для испытаний вмещающих горных пород.

В пробу может отбираться вся минеральная масса от уходки (нескольких уходок подряд) или только некоторые части отбитой массы. Это зависит от того, какое количество материала требуется для испытаний, что определяется видом ПИ и характером предстоящих испытаний. Так, если валовая проба служит только для определения среднего содержания полезного компонента, то для этого требуется относительно немного материала и можно взять в пробу лишь часть отбитой массы; если же проба пойдет на технологические испытания в производственном масштабе, то должна быть взята вся масса отбитого ПИ. Но и для определения содержаний полезных минералов на некоторых месторождениях в пробу поступают полные порции минеральной массы с каждой уходки разведочной выработки: слюдяных, оптических минералов, драгоценных камней, платины. Когда же достаточно только часть материала взять в пробу, то из навала отбитого минерального сырья при его погрузке откидывается в емкость для пробы третья, пятая или десятая лопата; или при выдаче минеральной массы из шурфа берется в пробу бадья через одну или две и т. п.

Валовая проба является наиболее представительной по сравнению с другими пробами, так как дает высокую точность определения свойств ПИ, характерных для того участка, где взята проба. Однако при взятии пробы в выработке, идущей по простиранию слоистого тела ПИ с резко различными свойствами слоев, может возникать значительная ошибка опробования, достигающая 20% и обусловленная непропорциональным попаданием в пробу материала разных слоев. Когда горные выработки обнажают не только залежь ПИ, но и вмещающие породы, валовые пробы оказываются разубоженными, и тогда содержания полезных компонентов в пробе, а также другие свойства такой горной массы не будут соответствовать содержаниям полезных компонентов в залежи и другим свойствам чистого ПИ в целике.

Валовые пробы для технологических испытаний отбираются по различным сортам ПИ. Если в процессе разведки месторождения выявляются различные типы руд, требующие применения различных схем обогащения или металлургической переработки и соответственно раздельно подсчитываемых запасов, то пробы на технологические испытания должны быть взяты по каждому типу в отдельности. Так, в зоне окисления полиметаллических месторождений богатые свинцовые руды, богатые цинковые руды, смешанные окисленно-сульфидные руды должны быть представлены разными пробами. Сплошные богатые руды и вкрапленные руды одного и того же металла — железа, хрома, меди и др. — всегда опробуются для технологических испытаний раздельно.

Состав минеральной массы, поступающей в переработку, зависит от принятой системы разработки месторождения. Поэтому отбор валовых проб на технологические испытания должен производиться по возможности в условиях, близких к добыче ПИ. Например, для отбора валовой пробы по маломощной жиле целесообразно пройти вначале разведочную выработку не полным сечением, а узкую, соответствующую ширине очистного пространства для таких жил, взять материал на испытания и затем расширить выработку в этом месте до принятого размера, если в этом есть необходимость. При взятии проб из разведочной выработки следует учитывать также возможность рудоразборки в процессе эксплуатации.

Массы проб для технологических испытаний зависят от характера этих испытаний. Лабораторные исследования проб рудных и нерудных ископаемых проводятся на материале массой 100 — 250 кг, иногда до 1000 кг. При испытаниях в полузаводском масштабе, выполняемых обычно в стадию детальной разведки месторождения, обрабатываются пробы массой 10—15 т. Производственные же испытания в период отработки месторождения в зависимости от производительности перерабатывающего предприятия требуют валовые пробы массой в десятки и сотни тонн.

При разведке россыпей опробование производится главным образом из вертикальных горных выработок — шурфов и дудок. Оно осуществляется путем выемки горизонтальных слоев толщиной 0, 2—0, 3 м в процессе углубки шурфа. Пески из каждого такого слоя складываются на площадке у шурфа в отдельную кучку («выкид»). В пробу поступает материал каждого отдельного выкида или его часть. В последнем случае из разных точек выкида набирается материал в мерный сосуд — ендовку, который затем и направляется на пробную промывку. В последнее время в связи с расширением механизированной добычи золота при помощи драг и гидравлических установок интервал опробования в разведочных шурфах на золото увеличился до 0, 5 м.

Валовые пробы используются для определения физических свойств ПИ и вмешающих горных пород. Объемная масса пород или ПИ, особенно неравномерно пористых, кавернозных и трещиноватых, наиболее точно может быть определена при помощи большого количества материала валовой пробы. Гранулометрический состав россыпи или отбитого рудного материала, знать который необходимо для успешного решения вопроса отработки и переработки ПИ, можно определять с уверенностью лишь по значительному количеству материала в валовой пробе. Обычно физические свойства ПИ выясняют на материале одной и той же пробы, которая затем может пойти на технологические испытания. Рекомендуется после отпалки замерить объем выработки, в пределах которой отбита минеральная масса, предназначенная для валовой пробы; затем отбитая масса разравнивается слоем 20— 30 см и из нее способом вычерпывания берется 60—80 кг материала для определения влажности. Этот материал помещается в герметические сосуды и направляется в лабораторию. Весь остальной материал также взвешивается. Сумма масс отбитой руды, отнесенная к замеренному объему выработки, дает наиболее правильное представление об объемной массе ПИ на данном участке. Одновременно при взвешивании отбитой массы подсчитывается число мерных ящиков (или вагонеток) и определяется суммарный объем этой массы; последний, отнесенный к объему ПИ в целике, есть коэффициент разрыхления ПИ. Материал валовой пробы, выданный на поверхность, обычно подвергается грохочению для разделения на фракции по крупности. Для некоторых ПИ — россыпных, фосфоритов, гравия и др. — определение гранулометрического состава минерального сырья особенно важно.

Способы отбора проб в буровых скважинах существенно отличаются от способов опробования в горных выработках. Эти отличия обусловлены, прежде всего, тем, что человек не может войти в скважину с целью осмотра ее стенок для наиболее рационального расположения пробы. По буровым скважинам возможен почти исключительно отбор линейных проб, подобных по своим техническим данным пробам бороздовым. Количество материала, поступающего в пробу, обычно ограничено, и лишь в некоторых случаях при бурении скважин большого диаметра или при применении специальных способов расширения ствола скважины можно достичь значительной массы пробы. Ниже описаны способы отбора проб по различным видам буровых скважин.

Отбор проб при ударно-вращательном бурении неглубоких скважин, осуществляемом комплектом ручного бура или медленновращательным бурением шнековыми и другими буровыми станками, производится ложкой, змеевиком и желонкой. Эти же инструменты вместе с обсадными трубами при бурении рыхлых отложений служат буровыми наконечниками для проходки скважины. Таким образом, опробование и углубка скважин при медленном ударно-вращательном бурении выполняются одновременно.

Буровой ложкой пробы берутся при проходке рыхлых отложений — песков, суглинков, иногда диатомита и трепела. Каждая забурка на глубину 10—30 см в зависимости от податливости породы идет в пробу, составляемую на поверхности из нескольких забурок с таким расчетом, чтобы длина пробной секции по скважине соответствовала установленной для данного месторождения величине. Обычно длина пробной секции от 0, 5 до 2 м. После подъема снаряда обсадная труба доводится до забоя скважины, затем осыпавшийся при этом рыхлый материал, скопившийся у забоя скважины, вычищается той же ложкой и снова производится следующая забурка для отбора пробы. Бурение скважин в рыхлых отложениях и их опробование могут производиться стаканом-грунтоносом И. В. Хаустова.

Змеевиком (шнеком) отбираются пробы мягких и пластичных пород — глин, каолинов, иногда силикатно-никелевых руд и др. Буровой наконечник ручного комплекта (змеевик) или специального станка с механическим приводом (шнек) при бурении скважины принимает на свои лопасти выбуриваемую породу, которая и извлекается из скважины. Забурка змеевика составляет 30—40 см, а шнека — на всю его длину (около 1, 5 м). Однако при секционном опробовании малыми секциями величины забурок ограничиваются установленной величиной секции. Материал пробы на лопастях змеевика или шнека при подъеме загрязняется о стенки скважины посторонними частицами. Поэтому на поверхности пробу необходимо очистить путем соскабливания тонкого слоя прилипшей грязи обычно другого цвета. При неполном захвате выбуренной породы змеевиком или шнеком, что нередко случается при бурении снарядом большого диаметра, приходится периодически применять для отбора полной пробы какой-либо грунтонос.

Желонкой отбираются пробы при бурении в сильно обводненных рыхлых отложениях. При этом обсадные трубы должны погружаться с опережением желонки на 10—15 см. Тогда плывучий материал вычерпывается с водой из скважины, обсаженной трубой, порциями, соответствующими интервалам опробования. Разжиженный материал, поднятый желонкой, сливается в мерный ящик или трубу, где отстаивается.

При опробовании россыпей желонкой отбираются секционные пробы, различные для пласта песков и для торфов. В стадию предварительной разведки принимается минимальная длина секции — 0, 2 м по пласту золотоносной россыпи и 0, 5—1 м по пласту касситеритовых, ильменитовых, монацитовых и других россыпей; при этом довольно точно устанавливаются нижняя и верхняя границы промышленной части россыпи. В стадию детальной разведки, когда общий контур россыпи очерчен, длины секций увеличиваются: по золотым и платиновым россыпям до 0, 5 м, а по касситеритовым, вольфрамитовым и другим подобным — до 1—2 м.

Установлены значительные погрешности, возникающие при опробовании россыпей, особенно обводненных и валунистых, где скважины бурятся с применением долот для раздробления встречных валунов. Обсадка скважины и долочение вызывают сотрясение рыхлого материала, вследствие чего тяжелые частицы, в том числе золото и другие полезные минералы, перемещаются вниз, искажая картину их распределения в россыпи. Желонка не может поднять все тяжелые частицы с плотика россыпи, ввиду чего занижается содержание полезного компонента в пробе. В сильно обводненных россыпях пески из затрубного пространства могут перемещаться в скважину (плывуны), что приводит к увеличению материала проб и искажениям содержаний полезных компонентов. Опробование желонкой поэтому должно производиться исключительно аккуратно и с соблюдением предосторожности при отборе пробы.

Рис. 96. Ручной пробоотборник системы Тихомирова и Коломейченко

Отбор проб при ударно-канатном и роторном бурении из скважин различной глубины (от нескольких метров до нескольких километров) производится путем вычерпывания измельченного материала с забоя скважины или выносом его под давлением в процессе бурения. Ввиду значительных диаметров (до 600 мм) скважин ударно-канатного и роторного бурения масса сухой пробы с 1 пог. м колеблется от 40 до 200 кг.

При ударно-канатном бурении получается тонкоизмельченный материал в виде грязи или пыли. Чем полнее будет извлечен этот измельченный материал из скважины, и чем лучше он предохраняется от засорения посторонними частицами — вывалами из вышележащих горных пород, тем правильнее будет отражать проба действительное качество ПИ в пробуренном интервале скважины. Поэтому разведочные скважины крепятся с целью изоляции тела ПИ от вышележащих отложений. Для наиболее полной очистки забоя скважины перед взятием пробы в скважину заливается вода и проводится повторное опускание желонки до тех пор, пока вода в поднимаемой желонке не будет достаточно чистой. Если требуется тщательное разделение проб по интервалам при секционном опробовании скважин, то такую очистку следует делать перед взятием каждой следующей пробы. Ввиду возможного добавления материала из стенок скважины в пробу или, наоборот, потерь шлама в трещинках по стен­кам скважины из желонки при транспортировке объем поднятого материала в сухом виде должен сопоставляться периодически с теоретическим объемом скважины в интервале опробования. Эти данные заносятся в журнал опробования и по ним определяется степень надежности каждой пробы. Длина интервала, приходящегося на одну пробу, обычно 1 — 1, 5 м. Увеличение длины таких секций до 2—5 м возможно при относительно однородном строении залежей ПИ большой мощности. Тела мощностью менее 1 м ударно-канатным бурением не могут разведываться и соответственно пробы меньшей длины в таких скважинах могут отбираться лишь в редких случаях.

Большая масса начальных проб при сильном измельчении материала долотом определяет целесообразность сокращения таких проб непосредственно у скважины с тем, чтобы направлять в лабораторию минимально достаточное количество материала на анализ. В отечественной практике для сбора и сокращения материала пробы применяются шламоприемные ящики, из которых отбирается сокращенная проба ручным пробоотборником (рис. 96). Пробоотборник представляет собой металлическую трубу диаметром 4—10 см и длиной на 10—15 см больше глубины шламопрнемного ящика. По окончании вычерпывания шлама из скважины в ящик содержимое его быстро перемешивают палкой и сразу же погружают в него пробоотборник в вертикальном положении. Когда пробоотборник достигает дна ящика, клапан закрывают поворотом рукоятки стержня, пробоотборник быстро вынимают, а содержимое его выпускают в сосуд. Практика показала, что для отбора пробы, отвечающей среднему составу шлама в ящике, достаточно пяти - восьми погружений пробоотборника в разных пунктах ящика. Затем материал, составляющий пробу, высушивают на листах и упаковывают в плотный мешок для отправки в лабораторию.

При роторном бурении с промывкой шлам вместе с промывочными водами по выходу из скважины направляется в отстойники, где он накапливается по отдельным интервалам проходки скважины. Такого рода пробы применимы только при разведке весьма мощных залежей ПИ с высоким содержанием полезных компонентов (железные руды, бокситы и т. п.), так как не выносимый из скважины шлам неизбежно смешивается и может характеризовать качество ПИ только на значительных интервалах в усредненном выражении. Опыты по очистке забоя роторных скважин сжатым воздухом показали возможность сбора выдуваемого шлама специальными шламоулавливателями различных систем. Шлам, собираемый с определенного интервала скважины в пылеобразном состоянии, может служить пробой. Если требуются более точные данные о качестве ПИ, пересекаемого скважиной, то применяются грунтоносы, отбирающие пробы со стенок скважины. При помощи грунтоносов можно брать секционные пробы любой длины с целью дифференцированного изучения разреза залежи ПИ по скважине.

Отбор проб при колонковом бурении отличается наибольшим разнообразием способов. Здесь, так же как и в скважинах, пробуриваемых сплошным забоем, можно отбирать в пробы измельченный материал, но главной отличительной чертой колонкового бурения в этом отношении является возможность получения более или менее сохранного столбика керна ПИ. Поэтому основным объектом опробования служит керн. Однако далеко не всегда удается извлекать керн в достаточном количестве, прежде всего вследствие его естественного разрушения и истирания в процессе бурения скважины. В связи с этим для проб обычно используют керн и шлам, а при отсутствии керна один шлам. На некоторых месторождениях с весьма ценными компонентами, способными переизмельчаться (золото, молибден и др.), опробуются керн, шлам и муть.

Выход керна определяется в процентах как отношение длины поднятого столбика или суммы длин столбиков керна к длине пробуренного интервала; если же керн добывается сильно разрушенным, когда не представляется возможности составить из него столбики, то следует применять весовой способ определения выхода керна как отношение массы поднятого керна к его расчетной массе на длину интервала проходки скважины, с которого был поднят керн.

Для повышения выхода керна рекомендуется бурить по неустойчивому полезному ископаемому (трещиноватому, хрупкому) коронками возможно большего диаметра, чаще производить подъемы, применять двойные колонковые трубы, бурить, где это возможно, алмазами.

Приемы опробования керна разных ПИ обладают своей спецификой. При пересечении скважиной тел ПИ небольшой мощности (до 2 м), таких, как рудные жилы или маломощные пласты, когда число разведочных пересечений по таким телам невелико, отбор должен быть особенно тщательным, чтобы не исказить представление о размерах и качестве этих тел или вовсе не потерять их из виду. В таких случаях отбор проб целесообразен короткими секциями как по самой рудной жиле, так и в ее зальбандах. Секционное опробование проводится всегда, если предварительные данные показывают возможность и необходимость выделения различных типов или сортов ПИ. Длина пробной секции в этих случаях определяется мощностями частей залежи, сложенной различными типами ПИ. Обычно минимальная длина секции устанавливается из условий ведения селективной отработки залежи и при систематическом опробовании составляет 0, 3—0, 5 м. При разведке крупных месторождений, обладающих залежами ПИ большой мощности, длины секций чаще опрееляются соображениями рациональной массы одной пробы. При относительно равномерных по качеству залежах ПИ длины пробных секций в скважинах составляют 2—3 м и достигают 5 м.

Поднятый керн после очистки и геологической документации поступает на разделку. В нормальном случае керн делится на две половинки по длинной оси столбика — одна половинка направ­ляется на химический или минералогический анализ, а вторая остается в качестве фактического каменного материала. При отборе материала на технологические испытания из серии скважин, представляющих некоторый участок или все месторождение в целом, накапливание этого материала производится в количествах, пропорциональных мощностям тела ПИ в разных пунктах его пересечения буровыми скважинами. Для отбора рядовых и технологических проб от керна последний делится на три части — половинка и две четверти столбика, которые распределяются в зависимости от требуемых количеств материала: одна часть (половинка или четверть) направляется на рядовые анализы, вторая часть (половинка или четверть) поступает в технологическую пробу, третья часть в виде четверти столбика керна остается на хранение. Мелочь, образующаяся при делении керна, смешивается по каждому интервалу опробования, делится пропорционально выделенным частям керна и присоединяется к ним.

Раскалывание керна производится керноколами, конструкции которых разнообразны. Портативный кернокол (рис. 97) рассчитан на раскалывание сравнительно небольших по длине столбиков керна. При большом объеме работ по опробованию буровых скважин следует пользоваться высокопроизводительным гидравлическим керноколом с электроприводом конструкции ЦКБ. Он выполняет продольное и поперечное раскалывание керна диаметром от 50 до 130 мм всех категорий пород. Кернокол представляет собой рабочий цилиндр с поршнем и штоком, соединенный с головкой, в которой происходит раскалывание керна ножами-колунами. Гидравлическая система примыкает к рабочему цилиндру и питается из бака с маслом. Употребляется веретенное масло. Общая масса кернокола 420 кг при габаритах 1280X430X600 мм.

Рис. 97. Портативный кернокол. 1 — корпус; 2 — стержень с зубчатой рейкой; 3 — шестеренка; 4 — рычаг; 5 — направляющие планки; 6 — подвижной нож; 7 — нажимные планки

В практике разведочных работ применяются камнерезные станки для распиливания керна. Такой способ отбора проб имеет несомненные преимущества перед раскалыванием керна, так как материал при этом не дробится и делится с высокой точностью на любые части. Камнерезный станок А. А. Боровских, в котором камнерезным материалом является электрокорунд, развивает скорость резания от 3 до 19 м в час (в зависимости от крепости ПИ). При армировании дисков алмазами скорость резания значительно возрастает.

Керн калийных и натриевых солей при бурении подвергается избирательному вымыванию наиболее легкорастворимых минералов, вследствие чего может возникнуть значительная ошибка в определении качества соли. Поэтому из соляного керна берется проба в центральной части столбика путем высверливания полости вдоль оси керна. Обычно применяется сверло диаметром 8—10 мм, дающее порошок солей в количестве, достаточном для анализов.

Опробование шлама проводится при выходе керна менее 60— 80%. Но иногда и при почти 100%-ном выходе керна опробовать шлам бывает целесообразно, если ценные компоненты руды, находящиеся в ней в малых количествах по тонким прожилкам или редким гнездам, подвержены сильному избирательному истиранию вследствие своей мягкости и хрупкости по сравнению со всей остальной минеральной массой. Полосчатые и брекчиевые текстуры, сложенные минеральными агрегатами разной твердости и устойчивости, указывают на целесообразность опробования шлама. Чтобы шлам, отобранный из скважины, мог удовлетворять требованиям, предъявляемым к материалу пробы, необходимо предохранить его от частичных потерь по трещинкам в стенках скважины, а также от загрязнения посторонними примесями из вышележащих свит горных пород. Напор промывочной жидкости должен быть достаточным для выноса всех частиц шлама с забоя, и если некоторые из них не могут достигать поверхности, то следует применять шламовую трубу (рис. 98) и зачистку шлама с забоя после каждого подъема снаряда. Шлам из шламовой трубы и с забоя должен присоединяться к пробам соответствующих интервалов, отобранным из материала, вынесенного промывочной жидкостью на поверхность. Для получения надежных результатов опробования шлама большое значение имеет крепление скважины выше залежи ПИ.

Рис. 98. Шламовая труба в сборе с колонковым снарядом.

1 — штанга; 2 — переходная муфта; 3 — колонковая труба; 4 — шламовая труба

Вместе со шламом из скважины выносятся мельчайшие частицы ПИ, находящиеся долгое время во взвешенном состоянии и образующие так называемую буровую муть. Эта муть с мелким шламом разделяется на шламовый осадок и грязевую струю, утекающую дальше с частицами, находящимися во взвешенном состоянии. Осевший у устья шлам собирается и объединяется со шламом из трубы и из забойной зачистки — этот материал и составляет собственно шламовую пробу. Но кроме шлама остается неуловленной еще буровая муть, для которой устанавливаются чаны или перегородчатые желоба (рис. 99). Муть направляется по желобу при помощи насадки на верхний конец кондуктора обсадных труб за пределы буровой вышки. Обычно бывает достаточно четырех сосудов: в первом оседают последние порции мелкого шлама, во втором и третьем оседает илоподобный налет из мельчайшей взвеси буровой мути, в четвертый стекает относительно очищенная вода, которая там окончательно осветляется. Собранный шлам помещается в металлическую коробку, просушивается и направляется на дальнейшую обработку. Так же собирается буровая муть из отстойных ящиков (перегородчатых желобов), высушивается и упаковывается в бумажные пакеты.

Рис. 99. Установка для сбора бурового шлама и мути.

1 — желоб; 2, 3 — отсадочные ящики; 4 — сточный желоб; 5 — бак-отстойник

Если полезное ископаемое представлено рыхловатой неустойчивой массой, как, например, осадочные марганцевые руды, некоторые бокситы, силикатно-никелевые руды, угли и т. п., то колонковое бурение не может дать нормального керна. При этом обычно опробование вымываемого из скважины шлама оказывается ненадежным ввиду размывов стенок скважины, влекущих перемешивание и потери шлама. То же относится и к буровой мути, которая в таких условиях почти целиком теряется. Получение материала для пробы колонковым снарядом при подобных обстоятельствах возможно путем бурения по полезному ископаемому без промывки зубчаткой с «затиркой всухую». При этом бурение ведется на предельно уменьшенном числе оборотов снаряда, достаточном лишь для его медленного продвижения в рыхлой массе ПИ. При затирке всухую возможно набирать в колонковую трубу материал из скважины на интервале 20— 30 см, редко более.

Опробование подводных залежей осуществляется грейферными, ударными, вибрационными и поршневыми пробоотборни­ками. Наиболее трудной задачей при этом является сохранение от размыва пробы, взятой на дне водоема.

Грейферное опробование применяется только при взятии образцов достаточно плотных горных пород и руд с глубин до 0, 6 м от поверхности дна водоема.

Для взятия проб водонасыщенных песков успешно используются пробоотборники, состоящие в своей основе из колонковой трубы с поршнем.

Отбор проб монолитов для физических испытаний производится на месторождениях строительных и облицовочных камней — известняков, песчаников, доломитов, мраморов, гранитов, туфов и им подобных.

Процесс отбора проб монолитов из целика представляет собой серию нестандартных операций искусного каменщика, который, находя благоприятные трещины, иногда едва различимые, выла­мывает плиту из массива. При этом работы должны вестись с большой осторожностью, чтобы не нарушить структуру плиты и не вызвать дополнительную искусственную трещиноватость в пробе. Из выломанной плиты осторожным обкалыванием отделяется монолит требуемой формы и размеров. Обычными стандартными размерами проб-монолитов являются кубики с ребрами 20 и 30 см.

В некоторых случаях целесообразно заменить способ выламывания плиты способом обуривания монолита серией рядом расположенных скважин. Этот способ более производителен. Выбуренные монолиты также подвергаются обколке для придания их граням достаточно ровных поверхностей.