Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Концепция охраны и рционального использования минеральных ресурсов и современное состояние методов предконцентрации полезных ископаемых 20
1.1. Проблемы сырьевых ресурсов, охрана и рациональное использование недр 20
1.2. Концепция повышения полноты извлечения полезных ископаемых из недр 25
1.3. Гравитационные методы предконцентрации руд 35
1.4. Радиометрические методы предконцентрации руд 38
1.5. Задачи и обоснование направлений исследований 61
Глава 2. Основные положения теории люминесцентной сепарации минерального сырья 65
2.1. Разработка математической модели развития люминесценции минерала при его движении через зону облучения 65
2.1 1. Определение максимально возможной ширины зоны облучения 65
2.1.2. Модель развития люминесценции минерала, пересекающего зону облучения 73
2.1.3, Модель развития люминесценции минерала, пересекающего зону облучения с учетом затухающей составляющей люминесценции минерала .76
2.2. Модель развития люминесценции минерального агрегата, пересекающего зону облучения 85
2.3. Математическая модель и алгоритм выделения люминесценции полезного минерала из интегрального светового потока от минерального агрегата в целом 101
2.4. Математическая модель критерия оценки влияния условий возбуждения и регистрации люминесценции минеральных агрегатов на технологические показатели люминесцентной сепарации минерального сырья 107
2.5. Классификация и алгоритм выбора признаков люминесцентного контроля полезных компонентов минерального сырья и методов его разделения 111
Глава 3. Использование основных положений теории люминесцентной сепарации минерального сырья в практике изучения обогатимости руд 131
3.1. Основные факторы, влияющие на оценку люминесцентной обогатимости минерального сырья 131
3.2. Аппаратура для исследования люминесцентных характеристик минерального сырья 138
3.3. Оценка обогатимости апатитовых руд 141
3.3.1. Оценка обогатимости руд Хибинского массива 141
3.3.1.1. Геологическая характеристика месторождений Хибин 141
3.3.1.2. Определение доли пустых пород в границах балансовых руд .143
3.3.1.3. Изучение распределения Р205 в кусках рудной массы крупностью -200 мм 148
3.3.1.4. Определение оптимальных параметров процесса разделения для различных классов крупности руды 155
3.3.2. Оценка обогатимости апатитсодержащих пород Салмагорского массива 162
3.3.2.1. Геологическая характеристика 162
3.3.2.2. Изучение контрастности 164
3.3.2.3. Изучение люминесцентной обогатимости 173
3.3.3. Оценка возможности использования люминесцентного метода для предконцентрации апатитоносних карбонатитов 179
3.4, Оценка обогатимости шеелитовых руд 186
3.4.1. Оценка обогатимости некондиционных руд Северного Кавказа 186
3.4.1.1. Обоснование постановки задачи изучения возможности предконцентрации некондиционных руд Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината 186
3.4.1.2. Выбор признака разделения и оценка его эффективности 187
3.4.2. Оценка возможности люминесцентной предконцентрации кондиционных руд месторождения Северный Катпар 202
Глава 4. Особенности конструкции люминесцентных сепараторов 213
4.1. Питатели и транспортирующие устройства 215
4.2. Узлы облучения сепарируемого материала и регистрации его люминесценции 219
4.3. Узел обработки зарегистрированной информации от сепарируемого материала и узел разделения 220
4.4. Систематизация факторов, определяющих конструктивные особенности люминесцентных сепараторов 223
Глава 5. Варианты технологий люминесцентной гоедконцентрациируд 234
5.1. Технология люминесцешной гоедконцентрации апатитовых руд 234
5.2: Технология люминесцентной предконцентрации шеелитовых руд 259
Глава 6. Технико-экономическая оценка люминесцентной предконцентрации руд 264
6.1. Расчет экономической эффективности люминесцентной предконцентрации апатит-нефелиновых руд восточного рудника ОАО «Апатит» 264
6.2. Экономическая эффективность люминесцентной предконцентрации некондиционных руд карьера рудника открытых работ ТВМК 268
Заключение 271
Литература 279
Приложения 304
- Концепция повышения полноты извлечения полезных ископаемых из недр
- Модель развития люминесценции минерального агрегата, пересекающего зону облучения
- Аппаратура для исследования люминесцентных характеристик минерального сырья
- Узлы облучения сепарируемого материала и регистрации его люминесценции
Введение к работе
Актуальность работы. Продолжающаяся экспансия человека в природные комплексы приводит к увеличению объемов и разнообразия промышленного производства, вызывающие рост химического и физического загрязнения биосферы. Мнение большого числа исследователей заключается в том, что если не изменить сложившиеся в 18-20 веках стереотипы хозяйственно-экономической деятельности общества, то человечеству не избежать иммунно-гинетической и, в целом, биосферной катастрофы.
Сегодняшние деструктивные процессы в биосфере определяют как Глобальный экологический кризис, связывая его, прежде всего, с несовершенством технологий производства товаров и услуг. Впервые сущность Глобального экологического кризиса обозначила Конференция ООН по окружающей среде и развитию (г. Рио-де-Жанейро, 1992): это кризис рыночной системы хозяйствования в ее существующей форме [1]. По мнению руководителя Института климата, экологии и энергетики Германии Э. фон Вайцзекера Для того, чтобы преодолеть экологический кризис, необходимо переустраивать весь мировой механизм хозяйствования таким образом, чтобы алгоритм его действия, прежде всего, экономического, был направлен на сохранение и улучшения окружающей среды.
Основой такого переустройства служит концепция устойчивого развития, принятая на Конференции ООН, суть которой заключается в том, что процветание экономики должно быть обусловлено не за счет «пожирания» различными технологиями биосферы, а за счет уменьшения и дальнейшего искоренения этими технологиями экологических издержек, имеющих место в настоящее время. Эта концепция, должна стать руководящим началом в процессе перехода к новым принципам хозяйствования человека на Земле.
Современная горно-геологическая ситуация России такова, что минерально-сырьевая база страны текущего столетия будет характеризоваться истощением запасов крупных месторождений с относительно высоким качеством полезных ископаемых. Такая ситуация обусловлена интенсивным освоением недр в течение всего 20-го столетия. Несмотря на это, потребности, возрождающейся промышленности нашей страны, и, в целом, в мире, в минеральных ресурсах нисколько не уменьшились. Именно поэтому сейчас, а еще больше в ближайшие десятилетия, будет возникать необходимость в освоении месторождений с низким содержанием полезных компонентов. Наверняка придется вовлекать в разработку, так называемые, малые месторождения (мелкие по объему, но с высоким содержанием ценных компонентов), и проводить на уже разрабатываемых месторождениях доработку забалансовых запасов и некондиционных руд, сохраненных в недрах. Особый статус приобретают техногенные месторождения, представляющие собой отвалы и хвосты процессов обогащения, образовавшиеся при эксплуатации месторождений. На всех этих объектах минерального сырья необходимо особенно тщательно подходить к выбору методов опробования, добычи и переработки руд. Традиционные методы опробования скважин, включающие геологические методы, определяют контур рудного тела и запасы полезного ископаемого, которые утверждаются ГКЗ, после чего, месторождение передается в эксплуатацию. Однако в ходе его отработки, в некоторых случаях, выясняется, что часть запасов минерального сырья осталась в недрах, а некоторые объемы пустой породы были отправлены на обогащение [2]. Например, при анализе геологической базы данных месторождений Хибинского массива установлено, что в границах рудных частей скважин содержится определенная доля нерудных включений с содержанием Р205 менее 2%, которые можно отнести к пустым породам. Кроме того, между рудными интервалами также существуют пропластки пустых пород, т.к. количество рудных интервалов на скважину более одного [3]. Следовательно, в руде поступающей на обогатительную фабрику содержание полезных компонентов будет занижено, что в большинстве случаев приводит к ухудшению технологических показателей работы горного предприятия [4]. Действующая ныне концепция разработки месторождений основана на применении главным образом высокопроизводительных и валовых технологий, которые позволяют достигать максимального извлечения полезных ископаемых из недр [5]. Однако такой подход не всегда бывает оправдан. Например [6], аналитическая оценка эффективности технологий с валовой добычей и селективной выемкой рудной массы для двух месторождений апатитовых руд, различающихся по среднему содержанию (а) Р2О5 (оц а2 в 1,5 раза), основанная на методике [7], показала, что только для месторождения с высоким содержанием Р2О5 выгодно вести отработку по варианту с валовой добычей. Поскольку в этом случае, величина прибыли на 1т балансовых запасов возрастает на 6,6%. Для месторождения с низким содержанием Р2О5 применение валовой технологии нецелесообразно [6].
Таким образом, в современных условиях становится очевидной необходимость изменить подходы, обеспечивающие рациональное недропользование, дополняя традиционные горноперерабатывающие технологии новыми операциями, позволяющими повысить не только полноту извлечения запасов из недр, но и эффективность получения товарных концентратов в процессе переработки полезных ископаемых.
Такой дополнительной операцией может стать предварительная концентрация (предкойцеитрацня) минерального сырья. Этой операцией, еще прочнее связываются все горно-технологические процессы в единую технологию извлечения полезных ископаемых из недр. Только с ее помощью можно реализовать технологическую схему, в которой появляется возможность осуществлять совместную добычу балансовых и забалансовых запасов, максимально повышая при этом извлечение ценных компонентов из недр.
Гранулометрический анализ отбитой горной массы показывает, что на любой стадии дезинтеграции минерального сырья, включая и взрыв, в первую очередь высвобождается пустая порода по сравнению с раскрытием рудных минералов, содержащих ценные компоненты [8]. Это обстоятельство свидетельствует только о том, что необходим переход от характерной для обогащения технологии, предусматривающей тонкое измельчение всей горной массы до крупности зерен рудных минералов, к предварительному концентрированию полезных компонентов, при котором разделяемыми фазами являются минеральные агрегаты, куски горных пород и отдельные рудные тела.
Таким образом, современное и тем более перспективное состояние минерально-сырьевой базы страны свидетельствует о том, что разработка выше перечисленных разновидностей месторождений без существенного изменения традиционных технологий горно-перерабатывающего производства, может оказаться экономически нецелесообразна. При этом, переработка бедных и некондиционных руд, помимо увеличения себестоимости товарного продукта, за счет увеличения расхода токсичных реагентов и количества складируемых тонкоизмельченных хвостов, может привести к ухудшению экологической обстановки в районах горнорудных предприятий.
Следовательно, возникает необходимость решения актуальной не только для горного дела, но и для биосферы в целом, задачи по рациональному использованию недр и обеспечению необходимой полноты извлечения запасов полезного ископаемого.
Достичь положительных результатов при решении этой задачи можно путем формирования из горной массы непосредственно после ее добычи, и перед последующими процессами переработки, руды повышенного качества. При этом, обеспечивая уменьшение потерь полезного ископаемого в недрах и получение при обогащении конечного продукта высокого качества, создаются условия сбалансированного воздействия горноперерабатывающего производства на окружающую среду.
Необходимо отметить, что применение операции предконцентрации рудной массы может способствовать: - вовлечению в переработку бедных и некондиционных руд, повышая тем самым полноту извлечения запасов; - выделению из технологического потока рудной массы, непосредственно перед переработкой, от 20 до 50%, крупнодробленых отвальных хвостов; - разделению добываемого сырья на технологические сорта; - увеличению в 1,3 -И,9 раза содержания ценных компонентов в питании процессов глубокого обогащения; - уменьшению объемов тонкоизмельченных хвостов процесса обогащения, способствуя стабилизации экологической обстановки района горноперерабатывающего предприятия; - снижению затрат по всему технологическому циклу на уровне на 30%; - рациональному использованию минеральных ресурсов [9]. Основными методами предконцентращш минерального сырья, являются гравитационные и радиометрические методы. Гравитационные методы предконцентрации руд, такие как отсадка и тяжелосредная сепарация широко применяются при переработке каменных углей, антрацита, горючих сланцев, руд черных металлов других видов руд, для которых крупность зерен ценных компонентов соизмерима с крупностью разделяемых кусков. Только в этом случае куски рудной массы контрастно различаются между собой по плотности и эффективность гравитационных процессов очевидна. В случаях, когда крупность зерен ценных компонентов много меньше кусков рудной массы, поступающих на переработку, достоверный контроль их содержания в кусках становится достаточно проблематичным и эффективность гравитационного предконцентрации снижается, т.к. снижается корреляционная зависимость между содержанием ценных компонентов и плотностью разделяемых кусков горной массы. Во второй половине 20-го столетия, в связи с большими успехами, достипгутыми в изучении взаимодействия различных видов излучений с веществом, стали развиваться радиометрические методы предконцентрации руд. Одним из этих методов является люминесцентный метод. По литературным данным более 200 природных минералов шоминесцируют при облучении их поверхности ультрафиолетовым (УФ) или рентгеновским излучением [10]. Именно поэтому люминесцентный метод первым из радиометрических методов был применен для обогащения минерального, а именно алмазосодержащего сырья [11-37]. В практике переработки руд люминесцентный метод может эффективно использоваться в качестве предварительной операции, направленной на повышение содержания ценных компонентов в технологическом потоке, поступающем на дальнейшее обогащение, обеспечивая наиболее полное извлечение полезных ископаемых из недр. Однако, этот метод на сегодняшний день не получил широкого распространения. Причина такого положения объясняется тем, что в практике изучения люминесцентной обогатимости не учитываются динамические факторы, характерные для процесса сепарации руд, в связи с чем, в ряде случаев люминесцентный метод уступает по эффективности другим методам. Анализ периодической литературы и отдельных изданий показал, что, теоретической основой процесса переработки руд с использованием люминесценции минералов является исключительно классическая теория люминесценции кристаллофосфоров, которая способна лишь объяснить происхождение люминесценции в минералах. Исключительно поэтому в рамках этой теории ничего не сказано о том, как выбирать условия и режимы сепарации, при которых эффективность люминесцентного метода контроля содержания ценных компонентов и, в целом, процесса разделения была бы максимальной. В ней также отсутствует математический аппарат, позволяющий аналитически определить оптимальное время возбуждения люминесценции минералов, а также рассчитать размеры зоны облучения и области регистрации свечения, установить алгоритм возбуждения и регистрации люминесценции, количество детекторов и их ориентацию в пространстве сепаратора, а также расстояние от фотокатодов фотопримеников до разделяемого материала, и другие параметры. Таким образом, можно констатировать, что стройной теории люминесцентной сепарации, применение которой позволяло бы выбирать оптимальные условия контроля ценных компонентов руд, учитывать их при разработке сепараторов, прогнозировать и получать максимально возможные технологические показатели, на сегодняшний день нет. Кроме того, отсутствие классификации люминесцентного контроля полезных компонентов минеральнго сырья по признакам разделения, непроизвольно сужает сферу его применения в области сепарации руд. Именно поэтому разработка научных основ сепарации минерального сырья с использованием регистрации люминесценции минералов и контроля ее уровня в зависимости от содержания ценных компонентов, представленных в рудах, является очень важной научно-прикладной проблемой. Ее решение позволит более достоверно оценивать содержание ценных компонентов в рудах, определять возможность эффективного применения люминесцентной сепарации, обеспечивая при этом рациональное недропользование. Актуальность проблем сформулированных в диссертационной работе также подчеркнута и другими документами: Программой особо важных работ по созданию ядерно-физических методов контроля качества и радиометрического обогащения руд цветных металлов на 1981-1985 гг., утвержденной МЦМ СССР 28.12.81 г.; Программой работ по подготовке к внедрению процесса радиометрической сепарации руд на предприятиях МЦМ СССР в 1986-1990 гг.; Перечнем приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН: 1.3.2. «Развитие методов и применение спектроскопии, люминесценции», 5.1.15. «Теория и методология комплексного и эффективного освоения недр Земли», 5.1.16. «Новые процессы максимального извлечения полезных компонентов из руд»; решениями научно-технических советов Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината (письмо №14-1372 от 16.04.85 г.), ОАО "Апатит" (письмо №19-1/27 от 28.02.97 г.; протокол НТС от 23.10.98 г.), комитета по геологии и использованию недр Мурманской области министерства природных ресурсов РФ (протокол №144 от 20.03.97 г.; письмо №2-7538 от 22.02.99 г.) о проведении работ по изучению достоверности определения содержания ценных компонентов полезных ископаемых Северного Кавказа и Кольского полуострова с использованием люмішесценции и других физических свойств руд, и возможности использования результатов исследований для совершенствования технологических процессов Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината и предприятий Мурманской области. Исходя из изложенного, вытекает цель настоящей работы. Цель работы. Разработка научных основ люминесцентной сепарации минерального сырья, применение которых позволяет осуществлять достоверный контроль содержания ценных компонентов в рудах, выбирать оптимальные условия регистрации люминесценции разделяемого материала, учитывать их при разработке сепараторов, прогнозировать и получать максимально возхможные технологические показатели сепарации. Идея работы заключается в том, что на основе изучения спектрально-кинетических характеристик люминесценции минералов и закономерностей развития люминесценции минералов и минеральных агрегатов в динамических условиях разрабатываются математические модели, с помощью которых можно рассчитывать режимы и условия регистрации люминесценции, обеспечивающие достоверный контроль полезных компонентов руд и максимальную эффективность сепарации Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований: критическое обобщение опыта на основе анализа литературных и патентных источников; теоретические исследования с использованием теории дифференциальных уравнений, вариационного исчисления, методов оптимизации принимаемых решении, теории распознавания сигналов; математического и физического моделирования. При изучении вещественного состава руд и признаков разделения применялись методы химического, минералогического, спектрального, ситового и фракционного анализов. Измерения люминесцентных характеристик минералов и минеральных агрегатов проводились с использованием стандартных приборов и специально разработанных аппаратуры и методик. Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований выполнялась в лабораторных, укрупненно лабораторных и полупромышленных условиях.
Концепция повышения полноты извлечения полезных ископаемых из недр
Повышение полноты извлечения запасов полезного ископаемого при разработке месторождений, получение из него качественной продукции при обогащении, а также минимальное воздействие горнорудного производства на экологию является одной из актуальных задач рационального использования недр [7,39]. На любом месторождении весь объем утвержденных ГКЗ запасов полезного ископаемого по ряду установленных параметров подразделяется на балансовую и забалансовую части и для многих месторождений забалансовые запасы, содержащие некондиционные руды составляют от 1/3 до 2/3 объема всех запасов полезного компонента [42]. Например, одно из медно-никелевых месторождений [43] в своем составе имеет кондиционные и некондиционные по меди и никелю руды. Причем объем кондиционных руд составляет 26,3% от всего массива месторождения. Остальная часть месторождения представлена забалансовыми запасами. Если вовлекать в переработку только кондиционные руды, то извлечение меди и никеля из недр будет составлять соответственно 76,2% и 71,2%). Оставшаяся часть запасов металлов с большой степенью вероятности может быть потеряна, т.к. вернутся к ее отработке в будущем может не представится возможным. Как было отмечено во введении, в забалансовых запасах содержится некоторая часть (от 5 до 25%) кондиционной руды, из которой можно было бы получить товарный концентрат, а в балансовых запасах присутствуют участки (от 10 до 30%) пустых пород. Поэтому, с точки зрения полноты извлечения запасов из недр и повышения качества рудной массы, поступающей на обогащение, необходимо не только снижать потери полезного компонента, вовлекая в добычу и переработку кондиционные и некондиционные руды, но и уменьшать долю пустых пород в технологическом потоке, поступающем на переработку. Современное горное производство характеризуется всё ухудшающимися горно-геологическими условиями и для некоторых видов минерального сырья они таковы, что получение из него товарной продукции крайне затруднено.
Например, использование безрудных оливинитов Хабозерского месторождения в качестве сырья для производства огнеупоров приводит к росту затрат на процесс их обжига из-за большого количества в добываемой рудной массе жил сунгулита (потери при прокаливании - П.П.П. составляют 3-5%). Для олововольфрамового месторождения Тигриное технико-экономическая оценка освоения, учитывающая только традиционные способы обогащения, оказалась вообще отрицательной [44]. Следовательно, такая ситуация требует внесения изменений в традиционные технологические операции, обеспечивающие рациональное использование минеральных ресурсов, дополняя их новыми процессами, позволяющими повысить не только полноту извлечения запасов из недр, но и эффективность получения товарных концентратов в процессе переработки полезных ископаемых. Как было уже отмечено во введении, с помощью операций предварительной концентрации полезных компонентов, можно реализовать технологическую схему, в которой появляется возможность осуществлять переработку не только балансовых, но и забалансовых запасов, максимально повышая извлечение ценных компонентов из недр. При этом после удаления из горной массы в процессе предконцентрационных операций некоторой части пустых пород (при предконцентрации балансовых запасов их доля будет изменяться от 10 до 30%, а забалансовых от 50 до 90%) на переработку в любом случае будет поступать кондиционная руда. Это позволит избежать увеличения капитальных затрат, связанных с корректировкой технологии «глубокого» обогащения, увеличением площадей для размещения большего объема тонкоизмельченных хвостов процесса переработки минерального сырья и ухудшением из-за этого экологической обстановки. Изучение кондиционных и некондиционных руд ряда месторождений показывает, что при крупности кусков горной массы менее 300 мм в кондиционной руде присутствует некоторая доля кусков практически пустой породы, в некондиционных рудах содержатся куски с кондиционным содержанием полезных компонентов. Например, для Тырныаузского месторождения в рудной массе крупностью -200+100 мм содержание кусков пустой породы с незначительным содержанием ценных компонентов (менее 0,03% W03) составляет около 20%, а в классе -75+25 мм их содержание повышается до 30-50%. Аналогичная картина наблюдается для многих других месторождений полезных ископаемых [45], которая свидетельствует о наличии природной контрастности определенных объемов минерального сырья по содержанию полезных компонентов. Контрастность любого месторождения (участка, блока и т.д) по содержанию в нем полезных компонентов и разбитого на отдельные порции (участки, блоки, куски горной массы и т.п.) можно выразить через показатель М [45] как, где у - выход руды, поступающей на переработку; Ккач=— - коэффициент качества руды, зависящий от среднего содержания полезного компонента а по месторождению, участку, блоку и т.д., и от содержания полезного компонента рудной массы Д поступающей на переработку. В свою очередь полнота извлечения запасов полезного компонента є определяется через количество добытой руды и коэффициент ее качества, т.е. Следовательно, зависимость полноты извлечения запасов є полезного компонента от показателя контрастности М и коэффициента качества руды Ктч можно выразить формулой:
Из выражения (1.3) можно вывести зависимости изменеїшя объема и качества руды при известной величине показателя контрастности и требуемой величине извлечения запасов: Поскольку показатель М рассчитывается по среднему содержанию ценного компонента по месторождению, участку, блоку, пробе и т.д., то показатель Ккач можно интерпретировать как максимально возможную величину, а показатель у - как минимальный выход руды, имеющей этот показатель Ккач и, которая может быть отправлена на переработку, при заданном значении извлечения ценного компонента из недр. Следовательно, при использовании природного распределения ценных компонентов по массиву месторождения появляются предпосылки перехода к совершенствованиго стратегии не только оценки запасов, но и к их добыче и переработке. На рис. 1.1 представлены зависимости изменения коэффициента качества руды Ккач (2) и выхода рудной массы поступающей на переработку (1) от величины показателя контрастности М при максимальном значении извлечения запасов є. Рассмотрим, как можно применить данные зависимости, используя для этого приведенный выше пример по медно-никелевым рудам. Значение показателя контрастности М для забалансовых запасов составило 1,0. Исходя из этого можно ожидать, что значения показателей Ккач и у, определенные по зависимостям рис.1 при максимальном извлечении запасов, будут следующими Ктч =2,0 и у = 0,51. Для балансовых запасов, значение показателя контрастности М=0,4 и при сто процентном извлечении ценных компонентов максимальное значение К п будет не более 1,25, при минимальном выходе рудной массы не более 85%. С учетом того, что доля балансовых запасов на рассматриваемом месторождении не превышает 27%, показатель М по всему объему месторождения составил 0,8 отн.ед. В связи, с чем значения показателей Ккач и у, при максимальном извлечении ценных компонентов из недр, определенные по зависимостям рис.1, могут составить в среднем 1,7 и 0,57, соответственно. Данные рентгенорадио метрического опробования свидетельствуют о том, что достичь стопроцентного извлечения полезного ископаемого при удовлетворительном качестве руды не представляется возможным. Максимально возможное извлечение ценных компонентов из недр, которое можно обеспечить, исходя из уровня качества руды не менее 1,3 отн.ед., составляет 95-96%.
Модель развития люминесценции минерального агрегата, пересекающего зону облучения
Известно [6,45], что отбитая горная масса представляет собой кусковой материал и, если ее подвергнуть грохочению по классам крупности с модулем, например, два, то в каждом классе крупности будет присутствовать, кроме кусков с кондиционным содержанием ценного компонента, еще и определенная часть кусков с хвостовым содержанием этого компонента и пустой породы. Например, в шеелитовой руде со средним содержанием \Оз на уровне 0,05% в классах крупности -200+100 мм, -100+50 мм и —50+25 мм, присутствует от 40 до 80% кусков с содержанием WO3 менее 0,03% (рис.10 -а), а для апатитовой руды в тех же классах крупности со средним содержанием Р2О5 на уровне 12 -г 14%, присутствует от 20 до 35% кусков с содержанием Р2О5 менее 2% (рис. 10 -б). Этот факт является убедительным основанием для того, чтобы изыскать метод или методы, использование которых даст возможность выделить из технологического потока, поступающего на обогащение, ту часть горной массы, содержание ценных компонентов в которой, ниже или на уровне содержания этих компонентов в хвостах процессов «глубокого» обогащения. Одним из таких методов может быть люминесцентный метод. Однако, для кусковых руд в ряде случаев оценка обогатимости проб руд крупностью от 20 мм и более с использованием люминесценции минералов, входящих в их состав, свидетельствует о невозможности использования люминесцентного метода в качестве обогатительной операции. Рассмотрим, почему же, несмотря на высокую чувствительность люминесцентного метода, выражающуюся в способности возбуждать и регистрировать свечение минералов, содержащих ценные компоненты, в ряде случаев наблюдается невысокая его эффективность. Лпализ таких случаев показал, что невысокая эффективность люминесцентного метода отмечается тогда, когда в рудах наряду с лгомииесцирутощим полезным минералом также присутствует и люминесцируїощии сопутствующий минерал, причем его содержание в этих рудах значительно превышает содержание ПМ. Так, например, в шеелитовых, флюоритовых, апатитовых, датолитовых и других рудах содержание такого достаточно распространенного люминесцируїощего минерала как кальцит может достигать 60% и более, а содержание ПМ в этих же рудах не превышает первого десятка процента В этом случае при изучении по общепринятой методике оценки люминесцентной обогатимости вкрапленных руд крупностью превышающей крупность ПМ в статических условиях [10], можно прийти к тому, что определенная часть кусков, не содержащих ПМ, неизбежно окажется в концентрате разделения, ухудшая его качество. Этот факт подтверждается результатами, приведенными табл.8 и на рис. 11 и 12. Полученные результаты можно объяснить следующим образом.
При непрерывном облучеіши в статических условиях облучается вся поверхность куска и все люминесцирующие минералы, находящиеся на этой поверхности, светятся. Поэтому куски с высоким содержанием кальцита могут обладать уровнем интенсивности люминесценции сравнимой с интенсивностью люминесценции кусков с кондиционным содержанием ПК. Например, на рис. 12 (кривая 2) интегральная интенсивность люминесценции куска одного уровня (/ = 500 усл.ед.), может соответствовать как наличию в нем некондиционного содержания ценного компонента (0 0,04%WO3), так и кондиционного (3 0,06%WO3). Именно этим объясняется факт наличия кальцитсодержащих кусков (СаСОз 30%) в концентрате люминесцентного разделения (рис. 11 а) и неудовлетворительным коэффициентом корреляции между содержанием Р2О5 и интенсивностью люминесценции кусков (рис. 116). Поэтому для достижения удовлетворительных показателей люминесцентного разделешш кусков, содержащих люмішесцирующие ПМ и СМ, необходимо создать такие условия, при осуществлении которых поставленная задача - селективное разделение кусковой горной массы, была бы успешно реализована. Решение этой задачи необходимо начать с определения размера предельно допустимой зоны облучения, при которой куски с кондиционным и выше содержанием полезных компонентов (ПК) отличальсь бы от кусков той же крупности, но с максимальным содержанием люминисцирующих сопутствующих минералов. Для этой цели разработано приложение «Mineral-1», реализует следующие функции: - расчет максимально допустимой и оптимальной ширины зоны облучения для чего необходимо определить зависимость изменения интенсивности люминесценции кусков с минимальным содержанием ПК и максимальным содержанием СМ и, вычислив разницу R = 1Пм - Гсм, определить время Т01Ш при котором R будет максимальной; - графическое отображение зависимостей интенсивности люминесценции исследуемых минералов от времени облучения; - экспорт графических объектов в Microsoft Word, для создания отчетов; - доступ к базе данных минералов. Приложение «Mineral-І» позволяет определить зависимость изменения интенсивности люминесценции кусков с минимальным содержанием ПК и максимальным содержанием СМ и, вычислив разницу R = 1Пм - 1см определить время Тош, при котором R будет максимальной. В этой программе параметр So, входящий в уравнения, описывающие развитие интенсивности люминесценции куска, определяется исключительно классом крупности сепарируемого материала и процентным содержанием в куске: S0=K2C/\00, где, К — средний линейный размер сепарируемых кусков; С - содержание минерала в руде. Алгоритм определения оптимальной ширины зоны облучения приведен на рис. 13. Итак, размеры зоны облучения определены.
После этого необходмио оценить влияние свечения всех лтоминесцирующих минералов на интегральный световой поток люминесценции от куска в целом. Проанализируем процесс развития люминесценции куска, состоящего из двух минералов, происходящий во время его движения через зону облучения (рис.14). Пусть кусок, имеющий форму прямоугольника размером - X Y, разделен по диагонали на две части, причем все ПМ расположены в верхней части прямоугольника, а все СМ в нижней, пересекает зону облучения. Рассмотрим, движение куска через зону облучения, ширина которой меньше его линейного размера и, состоящего из двух люминесцирующих минералов, т.к. в большинстве случаев в разделяемых кусках содержание минералов обладающих яркой люминесценцией не превышает двух.
Аппаратура для исследования люминесцентных характеристик минерального сырья
При оцеїже обогатимости полезных ископаемых с использованием люминесценции минералов, входящих в их состав, важным этапом является изучение соответствия между содержанием промышленно полезного компонента и величиной регистрируемой характеристики (или характеристик) люминесценции, выбираемого в качестве признака разделения. Эта величина определяется с помощью специальной аппаратуры для оценки признака разделения (АПР). Различные типы АПР, несмотря на специфику конкретного признака разделения, включают в основном идентичные по назначению и выполняемым функциям блоки и узлы. Основными из них являются следующие: узел подачи исследуемых кусков (минералов) в зону возбуждения (облучения возбуждающим излучением) и регистрации люминесценции; источник какого-либо излучения для возбуждения люминесценции; блок регистрации и анализа характеристик люминесценции. На рис.24 представлена обобщенная блок-схема такой АПР (вид сверху).
АПР в этом случае должна включать в себя следующие основные узлы: светоизолированный корпус 1, обеспечивающий в случае использования для возбуждения люминесценции исследуемых образцов ионизирующих излучений радиационную защиту персонала; предметный столик 2 с устройством (или устройствами) для крепления на нем образцов 12 и имеющий фиксированные положения при проведении исследований в статических условиях, а также обладающий возможностью вращения вокруг собственной оси с заданной скоростью при проведении исследований в динамическом режиме (режиме «Сепарация»); источник излучения 3 для возбуждения люминесценции с коллиматором 4, с помощью которого производится регулировка размеров зоны облучения; коммутирующее устройство 5, обеспечивающее подключение к источнику излучения 3 либо устройство 6 для непрерывного облучения образцов, либо устройства 7 для их импульсного облучения с регулируемой длительностью импульсов; блок регистрации люминесценции 8, в который входят детектор на базе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) с комплектом светофильтров (с/ф) или специальным прибором (например, монохроматором) для выделения необходимого участка спектра люминесценции; блок обработки и анализа полученных данных 9. Для использования в качестве разделительного признака эффекта стимуляции люминесценции в данной блок-схеме может быть предусмотрен источник дополнительного излучения 10, обеспечивающий заданные энергию этого излучения и его длительность. В качестве такого источника может быть применен лазер с перестраевыемыми параметрами излучения. При проведении исследований в динамическом режиме аппаратура может быть дополнена еще одним блоком, с помощью которого можно определять линейный размер образца или его поверхность со стороны излучения возбуждающего люминесценцию.
С помощью подобной установки можно исследовать люминесцентные характеристики как отдельных минералов, так рудных и нерудных кусков определенного класса крупности.
Апатит-нефелиновые руды Хибинского массива продолжают оставаться уникальным по качеству и запасам источником фосфорных удобрений. Генетически родственные апатит-нефелиновые месторождения Хибин группируются в 3 рудных поля, характеризующиеся специфическими особенностями геологического строения апатитовых залежей [225-229].
Юго-западное рудное поле представлено месторождениями Кукисвумчорр, Юкспор, Апатитовый цирк и Расвумчорр. В Юго-восточном рудном поле сосредоточены месторождения Коашва, Ньоркпахк, Эвеслогчорр и Олений ручей, а также рудный участок Вуоннемиок. Северо-западное рудное поле включает Партомчоррское месторождение и рудные участки Куэльпор и Снежный цирк. В пределах Северо-западного поля находится также апатитовое оруденение Поачвумчорр, представленное серией апатитовых жил мощностью 1-8 м, залегающих среди рисчорритов, не связанное с продуктивной интрузией ийолит-уртитов.
Для Хибинских месторождений характерно полосчатое чередование (расслоенность) природных типов руд с закономерным положением их в структуре пластообразных рудных тел в направлении от верхнего контакта к нижнему: богатых руд в верхних частях залежей, а бедных - в нижних и фланговых.
Вместе с тем определенные группы месторождений, отдельные объекты в пределах групп обладают значительными отличиями по геологическому строению, связанными с приуроченностью их к различным структурным блокам.
На эксплуатируемых месторождениях Юго-западного рудного поля апатитовая залежь имеет форму относительно выдержанного по мощности пласта с устойчивыми элементами залегания и постоянным качеством руд.
Геологическое строение апатит-нефелиновых зон Ньоркпахкского и Коашвинского месторождений во многом аналогично. В обоих случаях рудные залежи (Ньоркпахк) и рудные горизонты (Коашва) локализуются внутри толщи более поздних по отношению ко времени рудообразования ийолитов (уртитов), которые их брекчируют. На обоих месторождениях рудные тела характеризуются изменчивой морфологией, сложным внутренним строением, сходными условиями залегания, общностью и соизмеримой распространенностью природных типов руд.
На Ньоркпахкском месторождении рудные залежи представлены брекчией с ксенолитами апатит-нефелиновых руд различных природных типов и массивных уртитов, сцементированных пострудными трахитоидными ийолитами. Сложность внутреннего строения брекчии обусловлена незакономерным чередованием в разрезе участков концентрации ксенолитов, представленных апатитовыми рудами и практически безрудными массивными уртитами, а также участков с преобладанием цементирующих пород. Последние занимают 10,8 % объема брекчии, а пересекающие апатит нефелиновые руды и вмещающие их трахитоидные ийолиты дайки лампрофиров мощностью до 10 м - 4,5 % объема брекчии.
Узлы облучения сепарируемого материала и регистрации его люминесценции
Узлы облучения сепарируемого материала и регистрации его люминесценции являются не только основными, но и важнейшими в люминесцентном сепараторе, поскольку их работа в значительной степени определяет возможность практической реализации тех предпосылок для осуществления процесса предварительного обогащения, которые заложены в свойствах подвергаемого переработке полезного ископаемого. Узлы облучения и регистрации в люминесцентных сепараторах пространственно и функционально тесно связаны друг с другом. Основные требования, предъявляемые к этим узлам люминесцентного сепаратора, заключаются в необходимости создания оптимальных условий возбуждения люминесценции и измерения всех необходимых ее характеристик, а также получения информации о свойствах возможно большей части поверхности кусков или отдельных минералов обогащаемого минерального сырья. Оба эти требования могут быть выполнены путем выбора оптимальной конструкции и параметров узлов облучения и регистрации люминесценции.
В люминесцентных сепараторах в качестве узла облучения выступает источник электромагнитного излучения. Как правило, этим источником является либо рентгеновская трубка, либо любое устройство, вырабатывающее ультрафиолетовое (УФ) излучение (ртутно-кварцевые лампы различных типов со светофильтрами (с/ф), которые необходимо использовать для устранения видимого и инфракрасного (ИК) излучения на выходе источника или различные типы лазеров). Сепараторы, в которых для облучения рудной массы в качестве узла облучения используется рентгеновская трубка называются рентгенолюминесцентными, а при использовании какого-либо источника УФ-излучения — фотолюминесценпвыми. Узлы облучения люминесцентных сепараторов как правило снабжены приспособлениями, называемыми коллиматорами, с помощью которых излучение коллимируется и в месте прохождения кусков создается необходимая по размерам зона облучения. Узел регистрации в любом типе люминесцентного сепаратора представляет собой устройство или устройства способные преобразовывать световой поток люминесценции в электрические сигналы. Такие устройства называют детекторами. Как правило, детектор состоит из фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) со схемой предварительного усиления сигналов, но в ряде случаев могут использоваться различные тины полупроводниковых преобразователей световых потоков. Кроме того, для выделения необходимого спектрального диапазона светового потока люминесценции кусков, детекторы могут иметь перед фотокатодом ФЭУ устройство для установки либо абсорбционных, либо интерференционных с/ф. В рентгенолюминесцентиых сепараторах для защиты фотокатода ФЭУ от воздействия рентгеновского излучения и снижения шумовых сигналов, вызываемых этим излучением, необходимо устанавливать свивдовое стекло толщиной не менее 5-Ю"3 м. Установлено, что отсутствие свинцового стекла увеличивает шумы ФЭУ не менее, чем в 3 раза, что приводит к снижению Н чувствительности тракта регистрации сепаратора. Узел регистрации может дополняться, по мере необходимости, блоком оценки геометрических параметров сепарируемых минералов или кусков рудной массы.
Похожие диссертации на Научные основы люминесцентной сепарации минерального сырья
