Испытания проб

Испытания проб, отбираемых в процессе разведки месторождений ПИ, делятся на следующие группы:

1) химико-аналитические и ядерно-физические с целью определения химического состава ПИ, содержаний полезных компонентов и вредных примесей;

2) минералогические исследования для выяснения минерального состава, размеров минеральных зерен, текстур и структур ПИ;

3) технические испытания, позволяющие выяснить физические свойства ПИ или полезных минералов, заключенных в нем, для оценки качества ПИ и решения вопросов отработки месторождения;

4) технологические испытания, предпринимаемые для выяснения наиболее эффективного способа переработки или прямого использования ПИ.

Все эти исследования выполняются в специальных лабораториях или на промышленных установках. Рассмотрение многочисленных и разнообразных методик таких исследований не входит в задачу данного курса. Поэтому ниже излагаются лишь некоторые сведения об испытаниях проб ПИ, дающие самые общие представления об этих испытаниях для понимания их существа и назначения, необходимые для геолога-разведчика при оценке результатов соответствующих анализов и испытаний.

Химико-аналитические исследования выполняются обычно в лабораториях, организованных в системе геологической службы или на горных предприятиях в районе поисковых и разведочных работ, На ранних стадиях изучения месторождений преобладают скоростные способы определения химического состава проб — капельный, полярографический, атомно-сорбционный и наиболее распространенный спектральный. Высокая чувствительность, возможность одновременного определения многих элементов (более 30), быстрота и дешевизна полуколичественного спектрального анализа, а также компактное изложение результатов анализа на фотографиях и ряд других преимуществ обусловили широкое его распространение в последние годы.

Точные химические анализы массовых проб являются основой определения качества и запасов ПИ по результатам разведочных работ. Наиболее жесткие требования к точности химических анализов предъявляются при опробовании бедных руд. Даже небольшие ошибки в определении содержаний полезных компонентов в бедных рудах могут привести к тому, что промышленное месторождение или его часть будут оценены как непригодные для использования, если в результате ошибок анализов содержания полезных компонентов будут занижены.

В комплексных ПИ по каждой пробе или по сериям проб определяется несколько полезных компонентов. Чтобы правильно установить компоненты, подлежащие точному химическому анализу в пробах, целесообразно воспользоваться данными предшествовавших спектральных анализов этих или подобных проб. Полуколичественный спектральный анализ покажет, какие компоненты можно ожидать в промышленных концентрациях или какие вредные примеси могут превышать допустимые пределы; тогда определение содержаний названных элементов более точными и дорогостоящими химическими методами будет достаточно обоснованным.

Нерационально исследовать пробы разной представительности с одинаковой наивысшей степенью точности. Поэтому заказчик должен сообщать в лабораторию известные данные о составе направляемых проб — химическом или минеральном, а также указывать допустимые погрешности определения содержаний компонентов.

Минералогические исследования проводятся как на полированных или прозрачных шлифах, так и на рыхлом материале из естественных песков или дробленых руд. Они служат задачам:

1) предварительного разделения ПИ на сорта соответственно его природным типам и предполагаемым технологическим свойствам;

2) определения содержания некоторых полезных компонентов в рудах, когда последние не подвергаются массовым химическим анализам при разведке;

3) корректировки данных химических анализов проб;

4) фазовых, фракционных и других анализов при технологических испытаниях проб.

Выяснение минерального состава руды, ее структурно-текстурных особенностей дает возможность различать руды окисленные, первичные и смешанные. В пределах каждого типа могут быть выделены минералогически более сложные и менее сложные руды по составу полезных компонентов в них. Среди однотипных по минеральному составу руд возможно выделение богатых и бедных по содержанию полезного компонента. Различная крупность минеральных зерен и их сростков может послужить основанием для разделения руды на сорта по различию их поведения при переработке ПИ. Предварительное выделение типов и сортов руд в результате минералогических исследований в некоторых случаях требует подтверждения химико-аналитическими данными.

При разведке многих месторождений благородных и редких металлов или драгоценных минералов минералогические исследования проб являются единственным способом определения качества ПИ и содержания полезного компонента в шлихах из песков или из искусственно измельченного каменного материала — так называемых «протолочек» рудных проб. Золото в шлихах отделяется отдувкой прочих более легких минералов или амальгамацией, когда преобладает тонколистовое золото, способное уноситься при отдувке вместе с легкими минералами. Содержание касситерита, вольфрамита, монацита, циркона и колумбита в шлихе определяется путем подсчета зерен по фракциям различной крупности. Определение алмазов производится в концентрате из пробы при помощи рентгеновых лучей и расчет их содержания выполняется на основании минералогических исследований. Своеобразны минералогические исследования для определения качества и содержаний таких полезных минералов, как асбест, слюда, корунд, пьезокварц и др.

Корректировать данные химических анализов проб при помощи минералогических исследований того же материала возможно в ряде случаев, когда имеют место грубые ошибки химического анализа или путаница результатов относительно нумерации исходных проб. Сопоставление результатов минералогических исследований (наблюдений) и химических анализов позволяет установить несоответствие элементарного состава ПИ по химическому анализу и минералогическому исследованию; тем самым обнаруживается ошибка в определении его качества,

При технологических испытаниях проб ПИ минералогические исследования проводятся и с исходным материалом пробы, и с ее частями, представленными различными фракциями или продуктами переработки. Эти исследования неотъемлемы от опытов по переработке минерального сырья, так как расшифровывают ход процесса по любой технологической схеме.

Технические испытания проводятся в целях: 1) определения качества некоторых видов минерального сырья; 2) выяснения горнотехнических условий отработки месторождения; 3) установления объемной массы ПИ по сортам для подсчета его запасов.

Технические испытания ископаемых углей, горючих сланцев и торфа производятся путем сжигания и нагрева. Они позволяют выяснить долю горючей части (кокс, летучие) и негорючей (влага, зола), калорийность топлива (теплотворную способность), измеряемую количеством выделенного тепла при полном сгорании 1 кг топлива. Технические испытания асбестового волокна проводятся с целью определения его прочности, тонкости и гибкости, кислотоупорности, огнестойкости, теплопроводности и электропроводности. Эти показатели, характеризующие качество минерального сырья, выполняются в специализированных лабораториях. Качество слюды определяется ее электротехническими свойствами термической стойкостью и прозрачностью. Эти технические характеристики слюды выясняются в лабораторных условиях на мономинеральных фракциях проб — отбираются пластины слюды на испытания массой до 5 кг. Оптические минералы и драгоценные камни подвергаются специфическим испытаниям их физических свойств, которые являются решающими в определении качества этих минеральных видов.

Технические испытания минерального сырья, важные для его отработки, заключаются в определении крепости, кусковатости руд или гранулометрического состава песков, коэффициента разрыхления, пластичности и вязкости, сопротивления раздавливанию, степени разбухания при намокании глин, пористости и влагоемкости твердых пород и др. Большая часть из этих испытаний проводится в специальных лабораториях, но некоторые возможны в полевых условиях и не требуют сложного оборудования. Так, например, влажность руды можно определить путем ее взвешивания во влажном состоянии и после просушки; коэффициент разрыхления горной породы или ПИ определяется как отношение объема отбитой руды (породы) к ее объему в целике — тот и другой объемы замеряются на месте работ. Определение крепости породы для присвоения ей категории по буримости надежнее всего определяется с помощью хронометража в проходческом забое или на буровой вышке.

Определение объемной массы ПИ в целике, необходимое для подсчета запасов ПИ, может быть выполнено как в полевых, так и в лабораторных условиях. Для лаборатории требуются типичные образцы массой от долей килограмма до 2—3 кг, которые подвергаются измерению и взвешиванию на лабораторных приборах. Наиболее распространенными способами определения объемной массы по малым образцам плотных пород или руд являются определение объема образца в мерном стакане и взвешивание его на технических весах; способ взвешивания образца в воде и воздухе. Сильно пористые образцы перед определением их объема взвешиваются, затем парафинируются, т.е. покрываются тонким слоем парафина для изоляции пор и пустот внутри образца от внешней среды; парафинированный образец погружается в мерный стакан для определения его объема. Однако наиболее представительными являются пробы большой массы из горных выработок, где объемная масса в процессе проходки последних определяется путем взвешивания отбитого ПИ и измерения объема выработки или ее части, где это полезное ископаемое было отбито. В некоторых случаях объемную массу целесообразно определять по монолитам, для чего высекается брус правильной формы, тщательно измеряется рулеткой или линейкой и взвешивается. Во всех способах определения объемной массы ПИ наиболее затруднительно достаточно точное определение объема, масса же всегда может быть определена с высокой степенью точности.

Объемная масса определяется также на основании измеренной плотности ПИ или горной породы с учетом их пористости. Современными геофизическими методами плотность измеряется с точностью ±1—2%.

Технологические испытания проб ПИ производятся для установления технологической схемы их переработки или уточнения и изменения текущего технологического процесса, если изменяется качественный состав ПИ, поступающего в переработку. В начальные стадии разведки месторождения технологические испытания проводятся только для решения вопроса о возможности рациональной переработки минерального сырья, которое может быть получено на разведываемом месторождении. В стадию предварительной разведки месторожде­ния, а иногда и при поисково-оценочных работах, технологические испытания проводятся в предварительном порядке обычно в лабораториях. В процессе детальной разведки и в начальный период эксплуатации месторождения технологические испытания уже носят производственный характер и осуществляются на опытных или уже действующих промышленных предприятиях, потребляющих данное сырье. В этот период испытываются пробы по всем промышленным сортам ПИ и на основании испытаний разрабатываются технологические схемы переработки минерального сырья.

Пробы руд отбираются для технологических испытаний на обогатимость или на плавку. Технологические испытания металлических руд обычно начинаются со спектрального их анализа. Затем выполняется полный химический анализ руды по комплексу тех элементов, которые установлены спектральным анализом в значительном количестве. Для определения содержания драгоценных металлов проводится пробирный анализ. Одновременно с изуче­нием химического состава руды производится минералогический анализ рудного материала по фракциям крупности: определяются все рудные и нерудные минералы, слагающие руду, их размеры и формы выделений. В зависимости от характера ПИ эти минералогические исследования производятся при помощи микроскопа или бинокулярной лупы. Другие вспомогательные исследования — люминесцентные, радиометрические, термический анализы и т.п. — проводятся по мере необходимости для установления минеральных форм проявления различных элементов в руде. Последние бывают заключены в одном или нескольких минералах то в виде определенных химических соединений, то в качестве механических или изоморфных примесей. При этом важно установить наличие свободных зерен полезного минерала и его участие в сростках с другими нерудными минералами, долю тех и других проявлений полезного минерала в материале пробы при разной крупности этого материала. Для выбора технологической схемы обогащения руды решающее значение имеют физико-механические свойства минералов, крупность свободных зерен полезного минерала и их формы. Например, крупные классы минеральной массы могут обогащаться отсадкой в тяжелых суспензиях или магнитной сепарацией (2—20 мм), мелкие — концентрацией на столах, электромагнитной сепарацией, агитационным выщелачиванием (0, 2—2 мм); тонкие — флотацией, выщелачиванием (0, 02—0, 2 мм); весьма тонкие — отмучиванием (0, 002— 0, 02 мм). Руды сплошные с массивной текстурой обычно идут в плавку без обогащения.

Технологические испытания проб из россыпей преследуют главным образом цель выяснения поведения различных видов полезных минералов при промывке песков. Зная содержание в песках шлихового, свободного тонкого и связанного золота, можно установить наиболее рациональную схему переработки золотоносных песков. Для этого от валовой пробы берется часть (0, 3 — 0, 4 м3) и тщательно промывается на бутаре. Хвосты классифицируются по крупности, мелкие фракции подвергаются амальгамации с целью улавливания плавучего тонкого золота. Концентрат-шлих, полученный промывкой на бутаре, доводится на лотке; при этом хвосты доводки также амальгамируются после отсадки. Галечная крупная фракция просушивается, разделяется по классам крупности и каждый класс дробится и обрабатывается подобно рудным пробам. От каждого класса берется средняя проба на пробирный анализ. Пробирному анализу подвергаются также хвосты амальгамации. Таким образом, выясняется распределение золота по фракциям крупности материала и его поведение при отмывке песков для установления производственной технологической схемы их переработки. Вторая задача технологических испытаний песков состоит в выявлении попутных полезных компонентов и их распределения по фракциям пробы. Она решается минералогическим изучением шлихов на всех стадиях исследования технологической пробы песков.

Технологические испытания ископаемых углей ведутся по двум видам проб: пластово-дифференциальным, характеризующим качество угля в каждом пласте мощностью 0, 5—1, 0 м (до 2—3 м), и пластово-промышленной, которая характеризует качество угля по всей совокупности угольных слоев и прослоев пустых пород в пределах угленосной пачки, вынимаемой целиком при отработке месторождения. Уголь после отбора пробы должен анализироваться немедленно во избежание окисления и соответственного изменения его свойств. Основными показателями качества угля в условиях лабораторного анализа материала пробы являются: содержание влаги на рабочее топливо и аналитической влаги, содержание золы на абсолютно сухое вещество, содержание серы на абсолютно сухое вещество, выход летучих на горячую массу угля, теплота сгорания на горючую массу и низшая теплота сгорания на рабочее топливо. Кроме того, для коксующихся углей выясняется выход кокса. Данные по дифференциальным и промышленной пробам на каждом участке месторождения позволяют решать вопросы селективной добычи угля и наиболее рационального его использования.

Технологические испытания пробы асбестовой руды направлены на установление ее сортов и рациональной схемы переработки. В лаборатории проба последовательно дробится до крупности 20, 6, 3 и 1, 5 мм. После каждого дробления производится механическое грохочение материала. При этом асбестовое волокно, как более легкое, сосредоточивается на поверхности фракции в каждом сите и оно снимается волосяной щеткой для дальнейшей обработки и технических испытаний. Сортность асбестового волокна определяется на специальном просеивающем аппарате, состоящем из четырех секций с ситами размером 0, 7; 0, 4 и 0, 25 мм. Сорт асбеста определяется по преобладающему количеству крупного или мелкого волокна и результатам технических испытаний этого волокна. Кроме того, описанное испытание рядовой пробы асбестовой руды дает возможность установить технологию ее переработки в производственном масштабе.

Пробы дли технологических испытаний слюдоносных пегматитов берутся большие и прежде всего подвергаются рудоразборке; При этом отбираются куски пробы, содержащие кристаллы мусковита площадью более 4 см². Отобранный забойный сырец взвешивается и измеряется объем слюдоносного пегматита по выработке, где отбита минеральная масса пробы. Так определяется содержание забойного сырца мусковита в килограммах на 1 м3 слюдоносного пегматита. Определения промышленного сырца и колотой слюды производятся в специализированных лабораториях. В итоге определяется качественный показатель слюдоносного пегматита, имеющий размерность кг*см²/м³. Качество самой слюды в процессе технологических исследований пробы слюдоносных пегматитов выясняется в результате соответствующих технических испытаний. Слюдяные пегматиты в ряде случаев содержат высококачественное керамическое сырье. Поэтому одновременно с исследованиями пегматита на слюду должны производиться исследования на керамическое сырье и выяснение возможного технологического режима разделения слюды и полевого шпата.