ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ
ОЦЕНКА
МИНЕРАЛЬНОГО
СЫРЬЯ
ОПРОБОВАНИЕ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ХАРАКТЕРИСТИКА
СЫРЬЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ
ОЦЕНКА
МИНЕРАЛЬНОГО
СЫРЬЯ
ОПРОБОВАНИЕ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ХАРАКТЕРИСТИКА
СЫРЬЯ
СПРАВОЧНИК
Под редакцией
доктора технических наук
П,Е. ОСТАПЕНКО
МОСКВА "НЕДРА" 1990
ББК 33.4
. Т- 3&..
УД Ki 622.71017 (035.5)
? Тель
•ВОД
... -.-л- ека!
з.
Технологическая оценка минерального сырья. Опробова-
Т 38 ние месторождений. Характеристика сырья: Справочник/
Под ред. П. Е. Остапенко.— М.: Недра, 1990.—272 с.: ил.
ISBN 5—247-00578—3
Рассмотрены способы технологического опробования месторождений,
подготовки проб к исследованию, а также современные методы изучения
свойств минералов и вещественного состава полезных ископаемых, обес-
печивающие получение необходимых исходных данных для разработки
технологии дробления, измельчения и обогащения. Описаны оборудование
и приборы, применяемые для отбора проб и проведения указанных иссле-
дований. Даны классификация и типовой состав минерального сырья.
Для инженерно-технических работников, занимающихся переработ-
кой минерального сырья, разведкой месторождений и проектированием
горно-металлургических предприятий.
2504000000-040
Т 043(01)- 90
ISBN 5—247—00578—3
ББК 33.4
© Издательство «Недра», 1990
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современное развитие мирового производства металлов и химической
продукции характеризуется, с одной стороны, непрерывным ростом их
объемов и качества в условиях повышения требований к охране окружа-
ющей среды и улучшения использования природных ресурсов, а с другой
стороны, ухудшением технологических свойств добываемого минераль-
ного сырья. Эти тенденции носят долговременный характер. Приведение
их в соответствие определило основную задачу ускорения научно-
технического прогресса в области технологии переработки минерального
сырья: значительную интенсификацию научно-исследовательских работ
по технологической оценке сырья с целью определения целесооб-
зности вовлечения его в промышленную переработку. Основные
аправления интенсификации применение новых технологических
и методических разработок, а также унификация исследований, обеспе-
чивающие современный уровень исследований, сопоставимость их ре-
зультатов и сокращение объемов экспериментальных работ.
Методические разработки по исследованию обогатимости руд начаты
впервые в СССР Большой объем исследований в этом направлении
выполнен в Механобре и Гинцветмете. На их основе в 1952 г была издана
монография С. И. Митрофанова «Исследования обогатимости руд»,
которая неоднократно переиздавалась и продолжает оставаться настоль-
ной книгой инженеров-исследователей в этой области. С 1976 г унифи-
кация научно-исследовательских работ по технологической оценке ми-
нерального сырья в СССР проводится Научным советом по методам тех-
нологических исследований Мипгео СССР при Всесоюзном научно-ис-
лсдовательском институте минерального сырья.
В последние годы этому направлению интенсификации научно-иссле-
довательских работ большое внимание уделяется и за рубежом. В за-
рубежной литературе появились публикации о методических разработках
по изучению структурно-текстурных характеристик руд; созданы эффек-
тивные автоматические сканирующие анализаторы изображений. На их
чюве некоторые предприятия начали прогнозировать технологические
показатели обогащения руд.
В целях повышения эффективности геологоразведочных работ
особенно технологической оценки минерального сырья, а также озна-
комления широкого круга научно-технических работников с современными
методами его исследований и для оказания научно-методической помощи
молодым специалистам-исследователям Научный совет по методам тех-
нологических исследований рекомендовал обобщить применяемые ме-
тодические разработки в специальный справочник по технологической
оценке минерального сырья.
В справочнике рассмотрены все виды минерального сырья по всем
этапам его технологической оценю : технологическое опробование, раз-
3
работка технологии и исследование процессов обогащения, гидрометал-
лургии и пирометаллургии. По каждому этапу приведены методические
рекомендации по способам опробования месторождений, определению
параметров технологической минералогии и технологических свойств
сырья, разработке технологии обогащения, гидрометаллургии, пироме-
таллургии и на их основе синтезу технологических схем переработки ми-
нерального сырья.
Указанные материалы представлены в виде методических основ по-
становки и организации исследований, что позволило привести в спра-
вочнике почти все сведения о разработках в этой области, выполненных в
СССР, а также данные о наиболее значительных зарубежных разработ-
ках. Практические руководства по проведению исследований на базе
этих основ излагаются в инструкциях, методических указаниях и реко-
мендациях, издаваемых Научным советом по методам технологических
исследований Мингео СССР (НСОМТИ) отдельными тиражами по каж-
дому методу и технологии.
В связи с большим объемом информационного материала, а также
интересами читателей предполагается издание серии справочников, в
каждом из которых приведены полные сведения о различных этапах
исследований: опробование месторождений и технологическая минера-
логия; методы исследования обогатимости минерального сырья; разра-
ботка технологии обогащения минерального сырья; полупромышленные и
промышленные установки по испытанию минерального сырья.
Данный справочник — первый из этой серии — подготовлен сотруд-
никами ВИМСа, ЦНИГРИ, Механобра, Механобрчермета, КИМСа,
КазПТИ, ИПИ, ЛГИ, МИСиСа, ИПКОНа АН СССР, ИОТТ, ИМГРЭ,
Гинцветмета, ИМРа, ГИГХСа, Уралмеханобра, ВНИПИсеры, ДВИМСа.
В справочнике широко использованы труды д-ра техн, наук, проф.,
заслуженного деятеля наук РСФСР И. В. Шманенкова — основополож-
ника методологической службы Мингео СССР и основателя Научного со-
вета по методам технологических исследований.
При подготовке справочника использовались также литературные
данные ГКЗ СССР, Министерства металлургии СССР, институтов и
горно-обогатительных предприятий, а также материалы научно-исследо-
вательских институтов и лабораторий, в которых работают авторы.
Коллектив авторов выражает глубокую благодарность этим организациям
за помощь в составлении справочника.
Авторы справочника: А. С. Авдонин, Б. Г Белов, В. И. Богачев,
В. П. Борискин, В. В. Варга, В. С. Гайдукова, Л. А. Глазунов, Б. С. Го-
робец, Г М. Дмитриева, В. Т Дубинчук, А. Н. Еремеев, В. В. Зуев,
В. В. Коровушкин, В. П. Кувшинов, В. П. Кузнецов, В. И. Кузьмин,
О. О. Минко, Б. М. Моисеев, Е. Г Ожогина, П. Е. Остапенко,
Г В. Остроумов, С. А. Потапов, А. А. Рогожин, Е. Г Рябева, Г А. Си-
доренко, В. М. Скляднева, Н. Н. Слуцкий, А. Р Смольяков, Л. С. Солн-
цева, П. М. Соложенкин, Э. А. Трофимова, А. А. Федоров, Т. А. Хрулева,
Е. Л. Чантурия, С. Ф. Чернопятов, Р Н. Юдин, Т. С. Юсупов,
Н. Ю. Якубовская.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ОПРОБОВАНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
1.	РАЗВЕДКА И ГЕОЛОГО-ПРОМЫШЛЕННАЯ
ОЦЕНКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ
1.1.	СТАДИИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ
Геологоразведочные работы, при которых осуществляется техноло-
гическое опробование, проводят в стадиях поисково-оценочных работ,
предварительной и детальной разведки, а также доразведки и эксплуа-
тационной разведки месторождений.
Поисково-оценочные работы — переходный этап от поисков к раз-
ведке месторождений полезных ископаемых. Основная цель работ —
оценка возможного промышленного значения выявленных месторож-
дений, отбраковка проявлений, не представляющих интереса для про-
мышленности, и выбор объектов для проведения предварительной раз-
ведки.
В процессе поисково-оценочных работ проводятся геологическое
картирование и целенаправленные структурно-геологические, мине-
ралого-петрографические, геохимические и геофизические исследова-
ния, осуществляемые с применением поверхностных горных выработок
(канав, траншей, шурфов, буровых скважин).
По данным поисково-оценочных работ на основе результатов опро-
бования, изучения вещественного состава и технологических свойств
полезного ископаемого устанавливают геолого-промышленный тип
месторождения. Одновременно с этим определяют ориентировочный
контур оруденения в плане и геологический прогноз распространения
его на глубину. На основе результатов поисково-оценочных работ в
приближенно геометризованном контуре месторождения или его части
подсчитывают запасы категории С2 и оценивают качественно и коли-
чественно прогнозные ресурсы категории Р\ с ориентировочным указа-
нием границ, в которых осуществлена оценка.
По итогам работ поисково-оценочной стадии составляют технико-
жономические соображения (ТЭС) о перспективах использования ме-
сторождения, на базе которого обосновывается решение о целесооб-
разности и сроках проведения предварительной разведки.
Предварительная разведка проводится с целью получения до-
стоверных данных для достаточно надежной геологической, техноло-
гической и экономически обоснованной оценки промышленного значе-
ния месторождения. Основные разведочные выработки данной ста-
дии — буровые скважины. На объектах со сложным и весьма сложным
5
геологическим строением проходят подземные горные выработки.
Число разведочных пересечений должно быть минимальным, но вполне
достаточным для выяснения общих размеров исследуемых объектов,
форм и условий залегания тел полезного ископаемого, его качества с
учетом основных и попутных компонентов.
При предварительной разведке обосновывают и уточняют данные о
геологическом строении месторождения. В результате предваритель-
ной разведки степень геологической изученности месторождения, ка-
чества, вещественного состава и технологических свойств руд, его
горно-геологических условий должна обеспечить оценку запасов по ка-
тегориям Ci и Съ. По результатам предварительной разведки разраба-
тывают и утверждают временные кондиции и составляют технико-
экономический доклад (ТЭД) о целесообразности проведения деталь-
ной разведки.
Детальная разведка производится месторождении (части круп-
ного месторождения), получившем по результатам предварительной
разведки положительную оценку и намечаемому к промышленному
освоению в ближайшие 10 лет на основании схемы развития и разме-
щения предприятий соответствующей горнодобывающей отрасли.
Детальная разведка месторождения (его части или группы терри-
ториально сближенных мелких месторождений) проводится с целью под-
готовки его к промышленному освоению в соответствии с требованиями
классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых
полезных ископаемых по соотношению категорий разведанных запасов
(табл. 1.1), изученности вещественного состава и технологических
свойств полезного ископаемого, а также гидрогеологических, инженер-
но-геологических, горно-геологических и других природных условий,
по повышенной детальности изучения участков и горизонтов место-
рождения, намеченных к первоочередной отработке,
Таблица
Соотношение категорий в балансовых запасах месторождений минерального
сырья, подготовленных для промышленного освоения
Категории запасов	Группы месторождений			
	1	2	з	4
А+В	30	20		
А не менее	10		—	—
С,	70	80	80	50
С2			20	50
На этой стадии разведочные выработки проходят в соответствии
с системой, принятой при предварительной разведке месторождения,
но по более густой сети с целью перевода запасов полезного ископае-
мого в более высокие категории. При этом плотность разведочной
сети должна обеспечивать получение надежных данных об основ-
ных горно-геологических особенностях изучаемого месторождения.
6
По результатам детальной разведки разрабатывают ТЭО постоянных
кондиций. По утвержденным кондициям подсчитывают разведанные
запасы полезных ископаемых. После утверждения запасов месторож-
дение подлежит передаче промышленному министерству (ведомству)
в установленном порядке.
Доразведка месторождений может выполняться на ранее детально
разведанных и не освоенных промышленностью, а также на разраба-
тываемых месторождениях.
Доразведка ранее детально разведанного месторож-
дения осуществляется при необходимости дополнительного его изу-
чения до вовлечения в разработку в связи с пересмотром его масшта-
бов и технологии добычи, изменением требований стандартов, а также
в случаях несоответствия имеющейся геологической информации тре-
бованиям классификации запасов месторождений и прогнозных ресур-
сов твердых полезных ископаемых. Разведочные системы и плотность
разведочной сети при доразведке месторождения, не освоенного про-
мышленностью, определяются ее задачами с обязательным исполь-
зованием данных по пройденным ранее выработкам. По результатам
доразведки в необходимых случаях проводится пересчет запасов и их
утверждение.
Доразведка разрабатываемого месторождения прово-
дится с целью последовательного уточнения и увязки с планами разви-
тия горных работ геологического строения, горно-геологических усло-
вий месторождения и качества полезного ископаемого на недостаточно
детально изученных участках месторождения (фланги, глубокие гори-
зонты, обособленные тела полезных ископаемых) с переводом запасов
категорий Сч и Ci в более высокие категории. При этом дополнительно
изучаются вещественный состав и "свойства полезного ископаемого,
разведка площадей (участков) месторождения для восполнения отра-
ботанных запасов или расширения сырьевой базы.
При доразведке разрабатываемых месторождений разведочные
системы и плотность разведочной сети принимают аналогичными ранее
принятым при детальной разведке с соответствующей корректировкой.
По результатам доразведки этих месторождений составляют отчет с
подсчетом запасов.
Эксплуатационную разведку проводят в течение всего периода раз-
работки месторождения с целью планомерного систематического полу-
чения достоверных данных, обеспечивающих текущее (годовое) и опе-
ративное (квартальное, месячное, суточное) планирование добычи
полезного ископаемого, а также контроль за полнотой и качеством от-
работки запасов.
Эксплуатационная разведка проводится в пределах эксплуата-
ционного этажа (участка), горизонта, группы блоков, подготавливаемых
к очистным работам при подземном способе разработки месторожде-
ний или в пределах уступа, полигона при открытом способе его разра-
ботки. Она опережает очистные работы и, как правило, сопровождает
или несколько опережает горно-подготовительные работы.
7
Основные задачи опережающей эксплуатационной разведки —
уточнение контуров тел полезного ископаемого, их внутреннего строе-
ния и условий залегания, количества качества запасов, геометриза-
ция технологических типов и сортов полезного ископаемого и т. д. Ре-
зультаты эксплуатационной разведки используют для оперативного
пересчета запасов полезного ископаемого, уточнения схем и проектов
подготовки и отработки тел полезного ископаемого, определения пла-
новых потерь и разубоживания полезного ископаемого и т. д.
1.2.	КОНДИЦИИ НА МИНЕРАЛЬНОЕ СЫРЬЕ
Кондиции на минеральное сырье устанавливают для определения
промышленной ценности месторождений и подсчета в них запасов
полезных ископаемых. Они представляют собой совокупность эконо-
мически обоснованных требований качеству и количеству полезных
ископаемых, горно-геологическим и иным условиям разработки место-
рождений. Параметры кондиций (предельные значения натуральных
показателей для подсчета запасов) должны иметь геологическое, горно-
техническое, технологическое и экономическое обоснование.
Кондиции разделяют на временные и постоянные. Временные
кондиции разрабатываются по результатам предварительной
разведки месторождений и утверждаются заинтересованными отрас-
левыми министерствами по согласованию с Министерством геологии
СССР
Постоянные кондиции разрабатывают по результатам де-
тальной разведки, для эксплуатируемых месторождений -- по резуль-
татам их разработки, эксплуатационной разведки, подразведки и утвер-
ждаются Государственной комиссией по запасам полезных ископаемых
при Совете Министров СССР (ГКЗ СССР), а для месторождений,
утверждение запасов по которым возложено на территориальные
комиссии по запасам полезных ископаемых Министерства геологии
(ТКЗ),— соответствующими ТКЗ.
Постоянные кондиции обеспечивают комплексную геолого-эко-
номическую оценку запасов полезных ископаемых в недрах и макси-
мальную полноту экономически эффективного для данного района пли
народного хозяйства страны использования этих запасов. Постоянные
кондиции соблюдаются при разработке проектов строительства (ре-
конструкции) добывающих и перерабатывающих предприятий, плани-
ровании и проведении горно-эксплуатационных работ, решении вопро-
сов, связанных с охраной недр и окружающей среды.
Технико-экономическое обоснование (ТЭО) постоянных кондиций
выполняется для всех детально разведанных месторождений или участ-
ков крупных месторождений, намечаемых к отработке самостоятель-
ными предприятиями по добыче полезных ископаемых.
Для минерального сырья, которое может быть использовано в
различных областях народного хозяйства, определяют сферу его наи-
более рационального и эффективного применения в соответствии с по-
8
требностями отрасли, экономического района, страны в целом и с учетом
требований государственных, отраслевых стандартов и технических
условий к качеству минерального сырья. Для комплексных месторож-
дений предусматривается использование как основных, так и совместно
с ними залегающих полезных ископаемых, а также содержащихся
в них компонентов. В расчетах, обосновывающих параметры кондиций,
оценивается и при положительных результатах учитывается возмож-
ность использования отходов производства, получаемых по рекомен-
дованной технологии добычи и переработки минерального сырья.
Вещественный состав и технологические свойства полезных иско-
паемых должны быть рассмотрены с детальностью, которая обеспе-
чивает получение исходных данных, достаточных для проектирования
технологической схемы их переработки с комплексным извлечением
заключенных в них компонентов, имеющих промышленное значение.
Целесообразность извлечения и промышленного использования каж-
дого из попутных компонентов следует определять на основании техни-
ко-экономических расчетов.
В постоянные кондиции для подсчета балансовых запасов металлов
и нерудного сырья включаются следующие параметры:
минимальное промышленное содержание полезного компонента,
при котором извлекаемая ценность минерального сырья обеспечивает
возмещение всех затрат на получение товарной продукции при нулевой
рентабельности разработки;
бортовое содержание полезных компонентов в пробе, устанавливаемое
при отсутствии четких геологических границ рудного тела для оконтурива-
ния запасов по его мощности (пересечению разведочной выработкой)
на основе повариантных технико-экономических расчетов. Число ва-
риантов и их «шаг» должны обеспечивать выбор оптимальной величины
этого параметра. Как правило, используется не менее трех вариантов со
значениями большими и меньшими по отношению к рекомендуемому;'
минимальное содержание полезных компонентов по пересечению
рудного тела (полезного ископаемого) выработкой для оконтуривания
рудного тела (полезного ископаемого) по простиранию и падению;
используется наряду с бортовым и минимальным промышленным со-
держаниями; максимально допустимое содержание вредных примесей в
подсчетном блоке или в пробе;
требования к выделению при подсчете запасов типов и сортов по-
лезного ископаемого, исходя из технологических свойств, определяю-
щих различные способы переработки или различные области использо-
вания сырья. В необходимых случаях устанавливается минимальный
выход товарной продукции и основного сорта сырья;
перечень попутных компонентов (раздельно по технологическим ти-
пам полезных ископаемых), по которым необходимо подсчитывать
запасы, в случае необходимости — минимальное содержание этих
компонентов по пересечению или подсчетному блоку;
коэффициенты для приведения содержаний полезных попутных ком-
9
понентов к условиям содержания основного компонента, минимальные
содержания компонентов, учитываемые при таком приведении;
минимальный коэффициент рудоносности в подсчетном блоке для
месторождений с прерывистым или гнездовым распределением ценных
компонентов;
минимальные мощности тел полезных ископаемых (пластов, зале-
жей, жил и т. д.) или соответствующий минимальный метропроцент
(метрограмм), при необходимости — минимальные мощности полезного
ископаемого по типам, сортам (маркам);
максимально допустимая мощность прослоев пустых пород или
некондиционных руд, находящихся внутри контура полезного иско-
паемого и включаемых в подсчет запасов;
минимальные запасы в изолированных (обособленных) телах
полезных ископаемых, участках;
максимальная глубина подсчета запасов, предельный коэффициент
вскрыши или максимально допустимое соотношение мощностей вскрыш-
ных пород и полезного ископаемого.
1.3.	ЗАПАСЫ И ПРОГНОЗНЫЕ РЕСУРСЫ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
Запасы твердых полезных ископаемых подсчитывают и учиты-
вают по результатам геологоразведочных, горных и буровых работ, вы-
полняемых в процессе разведки и промышленного освоения месторож-
дений. Данные о запасах используют при разработке схем развития
отраслей народного хозяйства, добывающих и потребляющих минераль-
ное сырье, составлении годовых, пятилетних и долгосрочных планов
экономического и социального развития СССР, а по месторожде-
ниям, подготовленным к промышленному освоению,— для проектирова-
ния предприятий по добыче и переработке минерального сырья, пла-
нирования развития горных работ и эксплуатационной разведки.
Данные о прогнозных ресурсах используют для планирования поис-
ково-оценочных и геологоразведочных работ. Запасы твердых иско-
паемых по степени их изученности подразделяют на разведанные
(категории Д, В, С\) и предварительно оцененные (категория С2).
Прогнозные ресурсы твердых полезных ископаемых по степени их
обоснованности подразделяют на категории Р}, Р2 и Р3.
К запасам категории А относят такие запасы, для которых:
установлены размеры, форма и условия залегания тел полезного иско-
паемого, изучены характер и закономерности изменчивости их морфо-
логии и внутреннего строения, выделены и оконтурены безрудные и
некондиционные участки внутри тел полезного ископаемого, при нали-
чии разрывных нарушений установлены их положение и амплитуды
смещения;
определены природные разновидности, выделены и оконтурены
промышленные (технологические) типы и сорта полезного ископае-
мого, установлены их состав, свойства и распределение ценных и
вредных компонентов по минеральным формам; число выделенных про-
10
мышленных (технологических) типов и сортов полезного ископаемого
охарактеризовано по всем предусмотренным кондициями показателям;
технологические свойства полезного ископаемого изучены с деталь-
ностью, обеспечивающей получение исходных данных, достаточных для
проектирования технологической схемы его переработки с комплексным
извлечением содержащихся в нем компонентов, имеющих промышленное
значение;
гидрогеологические, инженерно-геологические, геокриологические,
горно-геологические и другие природные условия изучены с детально-
стью, обеспечивающей получение исходных данных, необходимых для
составления проекта разработки месторождения;
контур запасов полезного ископаемого определен в соответствии с
требованиями кондиций по скважинам или горным выработкам.
Запасы категории В должны удовлетворять следующим тре-
бованиям:
установлены размеры, основные особенности и изменчивость фор-
мы, внутреннего строения и условий залегания тел полезного ископае-
мого, пространственное размещение внутренних безрудных и некон-
диционных участков; при наличии крупных разрывных нарушений
установлены их положение и амплитуда смещения, охарактеризована
возможная степень развития малоамплитудных разрывных нару-
шений;
определены природные разновидности, выделены и при возможно-
сти оконтурены промышленные (технологические) типы полезного иско-
паемого. При невозможности оконтуривания установлены закономер-
ности пространственного распределения и количественного соотношения
промышленных (технологических) типов и сортов полезного иско-
паемого, минеральные формы нахождения полезных и вредных компо-
нентов. Качество выделенных промышленных (технологических) типов
и сортов полезного ископаемого охарактеризовано по всем предусмот-
ренным кондициями показателям;
технологические свойства полезного ископаемого изучены в степени,
необходимой для выбора принципиальной технологической схемы пере-
работки, обеспечивающей рациональное и комплексное его использова-
ние с извлечением компонентов, имеющих промышленное значение;
гидрогеологические, инженерно-геологические, геокриологические,
горно-геологические и другие природные условия изучены с полнотой,
позволяющей качественно и количественно охарактеризовать их ос-
новные показатели и влияние на вскрытие и разработку месторож-
дения;
контур запасов полезного ископаемого определен в соответствии
с требованиями кондиций по скважинам или горным выработкам с вклю-
чением (при выдержанных мощности тел и качестве полезного ископае-
мого) ограниченной зоны экстраполяции, обоснованной геологическими
критериями, данными геофизических и геохимических исследований.
Для запасов категории Ci должны быть:
выяснены размеры и характерные формы тел полезного ископаемого,
11
основные особенности условий их залегания и внутреннего строения, оце-
нены изменчивость и возможная прерывистость тел полезного ископае-
мого, а для пластовых месторождений и месторождений строительного
и облицовочного камня — также наличие площадей интенсивного разви-
тия малоамплитудных тектонических нарушений;
определены природные разновидности и промышленные (технологи-
ческие) типы полезного ископаемого, установлены общие закономерно-
сти их пространственного распространения и количественные соотноше-
ния промышленных (технологических) типов и сортов полезного иско-
паемого, минеральные формы нахождения полезных и вредных компонен-
тов; качество выделенных промышленных (технологических) типов и сор-
тов охарактеризовано по всем предусмотренным кондициями показа-
телям;
технологические свойства полезного ископаемого охарактеризованы в
степени, достаточной для обоснования промышленной ценности разве-
данных запасов;
гидрогеологические, инженерно-геологические, геокриологические,
горно-геологические и другие природные условия изучены с полнотой,
позволяющей предварительно охарактеризовать их основные показатели;
контур запасов полезного ископаемого определен в соответствии с
требованиями кондиций по скважинам или горным выработкам, с учетом
данных геофизических и геохимических исследований и геологически
обоснованной экстраполяции.
К категории относят запасы, в которых:
размеры, форма, внутреннее сроение тел полезного ископаемого и
условия их залегания оценены по геологическим и геофизическим дан-
ным и подтверждены вскрытием полезного ископаемого единичными
скважинами или горными выработками;
качество и технологические свойства полезного ископаемого опре-
делены по результатам исследований единичных лабораторных проб
либо оценены по аналогии с более изученными участками того же или
другого подобного месторождения;
гидрогеологические, инженерно-геологические, геокриологические,
горно-геологические и другие природные условия оценены по имеющим-
ся для других участков месторождения данным, наблюдениям в раз-
ведочных выработках и по аналогии с известными в районе месторож-
дениями;
контур запасов полезного ископаемого определен в соответствии с
требованиями кондиций на основании единичных скважин, горных выра-
боток, естественных обнажений или по их совокупности, с учетом дан-
ных геофизических и геохимических исследований и геологических пост-
роений, а также путем геологически обоснованной экстраполяции пара-
метров, использованных при подсчете запасов более высоких категорий.
Прогнозные ресурсы категории Р\ учитывают возмож-
ность прироста запасов за счет расширения площадей распростране-
ния тел полезного ископаемого за контуры подсчета запасов по катего-
рии С2 или дополнительного выявления новых тел полезного ископае-
мого на разведанных, разведуемых, а также выявленных при поисково-
оценочных работах месторождениях. Для количественной оценки ресурсов
этой категории используют представления о промышленном типе ме-
сторождения.
Оценка ресурсов основывается на результатах геологических, гео-
физических и геохимических исследований площадей возможного рас-
пространения полезного ископаемого, а также на геологической экстрапо-
ляции имеющихся данных более изученной части месторождения о форме
и строении тел полезного ископаемого, его минеральном составе и ка-
честве (концентрации полезных компонентов), структурных особенно-
стях, литологических и стратиграфических предпосылках, определяющих
площади и глубины распространения полезного ископаемого, представ-
ляющего промышленный интерес.
Прогнозные ресурсы категории Р2 учитывают возмож-
ность обнаружения в бассейне, районе, рудном узле, рудном поле новых
месторождений полезных ископаемых, предполагаемое наличие кото-
рых основывается на положительной оценке выявленных при крупно-
масштабной геологической съемке и поисковых работах проявлений по-
лезного ископаемого, а также геофизических и геохимических аномалий,
природа и возможная перспективность которых установлены единич-
ными выработками. Количественная оценка ресурсов предполагаемых
месторождений, представления о форме, размерах тел полезного иско-
паемого, его минеральном составе и качестве основываются на анало-
гиях известными месторождениями того же формационного (генети-
ческого) типа.
Прогнозные ресурсы категории Р3 учитывают лишь по-
тенциальную возможность формирования и промышленной локализа-
ции месторождений того или иного вида полезных ископаемых на основа-
нии благоприятных стратиграфических, литологических, тектонических
и палеогеографических предпосылок, выявленных при производстве в
оцениваемом районе средне- и мелкомасштабной геологических съемок,
дешифровке космических imkob, а также при анализе результатов
геофизических и геохимических исследований. Количественная оценка
ресурсов этой категории производится по предположительным пара-
метрам на основе аналогии с более изученными районами, площадями,
бассейнами, где имеются разведанные месторождения того же генети-
ческого типа.
Запасы твердых полезных ископаемых и содержащихся в них по-
лезных компонентов по их народнохозяйственному значению подраз-
деляют на две группы, подлежащие раздельному подсчету и учету:
балансовые, использование которых, согласно утвержденным кон-
дициям, экономически целесообразно при существующей либо осваивае-
мой промышленностью прогрессивной технике и технологии добычи
переработки сырья с соблюдением требований по рациональному ис-
пользованию недр и охране окружающей среды;
забалансовые, использование которых, согласно утвержденным
кондициям, в настоящее время экономически нецелесообразно.
13
1.4.	КЛАССИФИКАЦИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Необходимая степень изученности месторождений, подготовленных
для промышленного освоения, определяется в зависимости от сложно-
сти их геологического строения и распределения полезных ископаемых,
а также экономических факторов — затрат средств и времени, требуе-
мых на производство геологоразведочных работ. С учетом этого место-
рождения подразделяют на следующие группы:
I — месторождения простого геологического строения, преобладаю-
щая часть запасов которых содержится в телах полезного ископаемого
с ненарушенным или слабонарушенным залеганием, выдержанными
мощностью, внутренним строением и качеством полезного ископаемого,
с равномерным распределением в них основных ценных компонентов,
что определяет возможность выявления в процессе детальной разведки
запасов категорий А и В.
II — месторождения сложного геологического строения, характери-
зующиеся изменчивыми мощностью и внутренним строением тел полез-
ного ископаемого либо нарушенным их зал-еганием, невыдержанным
качеством полезного ископаемого или неравномерным распределением
основных ценных компонентов. На месторождениях этой группы выяв-
ление при детальной разведке запасов категории А нецелесообразно
вследствие недостаточной эффективности и высокой стоимости геолого-
разведочных работ. Запасы месторождений этой группы разведуют по
категориям В и С\.
III — месторождения очень сложного геологического строения, ха-
рактеризующиеся резкой изменчивостью мощности и внутреннего стро-
ения либо интенсивно нарушенным залеганием тел или невыдержанным
качеством полезного ископаемого и весьма неравномерным распределе-
нием основных ценных компонентов. На месторождениях этой группы
выявление при детальной разведке запасов категорий А и В нецеле-
сообразно вследствие высокой стоимости их разведки и низкой ее эффек-
тивности. Запасы месторождений этой группы разведуют в основном по
категории Ci и частично по категории С 2-
IV — месторождения металлов и нерудного сырья весьма сложного
геологического строения, характеризующиеся резкой изменчивостью
мощности и внутреннего строения либо интенсивно нарушенным зале-
ганием тел полезного ископаемого, а также невыдержанным качеством
и весьма неравномерным распределением основных компонентов, разведка
которых требует проведения подземных горных выработок в больших
объемах. Запасы месторождений этой группы разведуют по категориям
С\ и С2. Дальнейшая разведка месторождений совмещается с их вскрыти-
ем и подготовкой к разработке.
Разведанные месторождения считаются подготовленными для про-
мышленного освоения при утвержденных запасах содержащегося в них
минерального сырья с соотношением категорий, приведенным в табл. 1.1.
14
2.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПРОБОВАНИЕ
КОРЕННЫХ РАЗВЕДУЕМЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
2.1.	НАЗНАЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ
Технологическое опробование — совокупность операций (размеще-
ние пунктов отбора, отбор, разделка, исследование), обеспечивающих
технологическую оценку минерального сырья разведуемого месторожде-
ния. При технологическом опробовании осуществляется отбор минера-
лого-технологических, малых технологических, лабораторных, укрупнен-
но-лабораторных, полупромышленных, а в ряде случаев и промышлен-
ных проб. Пробы, предназначенные для технологических исследований,
отбирают на различных стадиях геологоразведочных работ: от поисково-
оценочных до детальной разведки (табл. 2.1), а также в процессе
эксплуатации месторождений при доразведке и эксплуатационной раз-
ведке.
По результатам исследования отобранных проб осуществляется
технологическая типизация руд разведуемого месторождения, устанавли-
вается принципиальная возможность промышленного их использования,
выбираются эффективные методы и оптимальные технологические схемы
извлечения основных и попутных компонентов. Технологическая типи-
зация руд разведуемого месторождения производится при исследовании
руд на обогатимость.
Минералого-технологическими и малыми лабораторными пробами
характеризуют все природные разновидности руд, выявленные на место-
рождении. Эти пробы предназначены для разработки принципиальных
схем и режимов обогащения природных типов разновидностей руд.
По результатам их испытаний проводится геолого-технологическая ти-
пизация руд месторождения с предварительным выделением промышлен-
ных (технологических) типов и сортов руд.
На лабораторных пробах изучают технологические свойства всех
выделенных промышленных (технологических) типов руд, необходимые
для выбора оптимальной технологической схемы их переработки и опре-
деления основных технологических показателей обогащения. С учетом
результатов испытаний лабораторных проб отбирают малые технологи-
ческие пробы для геолого-технологического картирования, определяюще-
го закономерности размещения промышленных (технологических) типов
руд, на основе которых составляют геолого-технологические карты и
разрезы.
Полупромышленные и укрупненно-лабораторные технологические
пробы служат для проверки технологических схем и уточнения показа-
телей обогащения руд разных технологических типов, полученных на
лабораторных пробах, в том числе с применением водооборота и оцен-
кой возможности применения тех или иных методов получения концен-
тратов. Для легкообогатимых руд месторождений полезных ископаемых,
а также руд, близких по своим свойствам обогащаемым на действую-
щих предприятиях, получение исходных данных, достаточных для ут-
15
Табл ица 2.1
Виды технологических проб, отбираемых на различных стадиях геологоразведоч-
ных работ, и задачи их исследования
Стадия	Виды проб	Масса пробы, направляе,- мой на иссле- дования, т	Число проб	Основные задачи технологи- ческих исследований отобранных проб
Поисково-	Минерал ого-	0,02—0,3	По числу	Изучение вещественного
оценочные	технологичес-		природных	состава руд, форм на-
работы	кие, лабора- торные		типов или минераль- ных разно- видностей руд	хождения полезных и попутных компонентов; технологическая оценка руд на обогатимость; предварительное выделе- ние технологических ти- пов руд
Предвари- тельная раз- ведка	То же	0,1—0,5	5-10	Изучение вещественного состава и обогатимости руд; технологическая типизация руд и разра- ботка технологических схем обогащения раз- личных типов руд
То же	Малые техно-	0,01-0,05	От несколь-	Технологическое картиро-
	логические (картировоч-	(реже до 0,1)	ких десят- ков до не-	вание
	ные)		скольких сотен	
Детальная	Технологичес-	0,1 -3	По числу	Уточнение вещественного
разведка	кие, лабора- торные		технологи- ческих ти- пов (сортов)	состава руд и форм на- хождения основных и по- путных компонентов
	Укрупненно- лабораторные	1,5-30	1—2	Разработка технологи- ческой схемы переработ- ки руд. Проверка схемы в укрупненном полупро- мышленном масштабе со снятием технологических показателей
	Опытно-про- мышленные	1—2	1	Промышленные испыта- ния для получения необ- ходимых данных для гор- но-обогатительных пред- приятий
верждения запасов и проектирования предприятий, осуществляется в
результате испытаний укрупненно-лабораторных проб. Для труднообога-
тимых или новых типов руд эти показатели отрабатывают на полупро-
мышленных пробах.
Общая последовательность работ по технологическому
опробованию руд разведусмых месторождений принимается следующей:
выделение природных типов или минеральных разновидностей руд по
данным геологической документации разведочных пересечений, минера-
лого-петрографического изучения;
16
отбор минералого-технологических и малых технологических проб по
природным типам руд с целью разработки принципиальных технологи-
ческих режимов и схем;
статистическая обработка результатов исследований малых техноло-
гических проб, в результате которой выделяют и оконтуривают техно-
логические типы и сорта руд на планах и разрезах;
отбор технологических проб по типам руд (лабораторных, укруп-
ненно-лабораторных, полупромышленных).
В результате технологического опробования свойства руд изучают с
детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, достаточных
для проектирования технологии их переработки с комплексным извлече-
нием содержащихся в них компонентов, имеющих промышленное зна-
чение.
2.2.	ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЕ РАБОТЫ
Для отбора технологических проб при оценке и разведке коренных
месторождений могут быть использованы как горные выработки и сква-
жины, проходка которых осуществляется при выбранной системе раз-
ведки на соответствующей стадии геологоразведочных работ (по сети,
принятой для разведки рудных тел соответствующей группы сложности
строения данного типа месторождений), так и специально пройденные
горные выработки и скважины. В обоих случаях используют горные выра-
ботки (скважины) стандартного разведочного сечения (диаметра), при-
нятые при разведке месторождения и позволяющие вскрыть (пересечь)
и изучить геологическое строение и опробовать рудные тела месторожде-
ния с детальностью, соответствующей промышленной категории запасов.
Опробование месторождений проводится с целью выявления качества
руд (химического и минерального составов, физико-технических и дру-
гих свойств), оконтуривания рудных тел и подсчета запасов основных и
попутных компонентов.
Геологическое (химическое) опробование предназна-
чено для определения химического состава руд и вмещающих пород,
содержания в рудах основных и попутных компонентов.
Минералогическое опробование проводится с целью вы-
явления минерального и петрографического составов руд, их природных
разновидностей и сортов, а также вмещающих пород. Оно выполняется
путем минералогического изучения штуфов, аншлифов, мономинеральных
и других проб.
Техническое опробование .осуществляется с целью изучения
физико-механических свойств руд и вмещающих пород. Важнейшие
из них — плотность, влажность, крепость, разрыхляемость, кусковатость,
склонность к самовозгоранию.
При геологическом (химическом), минералогическом и техническом
опробовании отбщ>ают все виды проб (бороздовые, задирковые, штуфные,
валовые, керновые и шламовые), обеспечивающие при поисково-оценоч-
ных, разведочных и эксплуатационных работах представительное опреде-
ление необходимых характеристик оцениваемых. руд.
17
На основе результатов геологического, минералогического, техни-
ческого опробования устанавливают природные разновидности изучаемых
руд и предварительно намечают промышленные (технологические) типы
руд. Окончательное выделение технологических типов и сортов руд произ-
водится по результатам технологического опробования.
В зависимости от типа применяемых разведочных работ могут ис-
пользоваться три группы разведочных систем: буровые, горные, а также
комбинированные горно-буровые. Горная система разведки позволяет
создать совокупность горизонтальных разрезов, буровая — совокупность
вертикальных разрезов, горно-буровая — их комбинацию. Создание сис-
темы разведочных разрезов на основе проходки горных выработок и
бурения скважин направлено на определение размеров, формы внутрен-
него строения и условий залегания рудных тел.
Система разведочных работ, определяющая методику и способы от-
бора технологических проб, выбирается исходя из природных геологи-
ческих особенностей строения разведуемых месторождений. При этом
соотношение объемов горных и буровых работ, виды горных выработок и
способы бурения, геометрию и плотность разведочной сети принимают ис-
ходя из возможностей горных и буровых средств /разведки, опыта раз-
ведки и разработки месторождений аналогичного типа.
Принятая система разведки должна обеспечивать возможность под-
счета запасов промышленных категорий в соотношении, установленном
классификацией запасов для месторождений различных групп сложности
разведки.
При разведке коренных месторождений применяют различные виды
горных выработок, которые позволяют обеспечить отбор представитель-
ных технологических проб на различных стадиях геологоразведочных
работ. К ним относят поверхностные разведочные горные выработки,
представляющие собой магистральные, разведочные канавы или тран-
шеи глубиной нс* более 3 м, мелкие шурфы глубиной до 10—12 м
и сечением до 1,5 м2, которые проходятся вместо канав при значительной
мощности наносов. В ряде случаев из ствола этих шурфов проходятся
рассечки длиной до 20 м и площадью сечения 1,8 м2
Глубокие шурфы (глубиной до 40 м и площадью сечения 4 м2) про-
ходятся в основном по коренным породам с целью вскрытия рудных
тел ниже зоны активного выветривания и по возможности ниже зоны
окисления. Из глубоких шурфов проходятся горизонтальные выработки
сечением 1,8—2,7 м2, ориентированные по простиранию и вкрест прости-
рания рудных тел. Длина горизонтальных выработок обычно не пре-
вышает 100 м от ствола шурфа.
Для вскрытия и оценки рудных тел на глубине применяют раз-
ведочные шахты и штольни. Разведочные шахты в зависимости от
глубины разведки, способа подъема породы проходятся сечением 6; 9;
12,5 и 13,8 м2 Глубина разведочных шахт обычно достигает 60—120 м.
Разведку горными выработками можно вести и до более глубоких го-
ризонтов. Штольни проходят при разведке рудных тел месторождения в
случае резко расчлененного рельефа местности. В зависимости от рас-
18
положения рудных тел они могут проходиться непосредственно по руд-
ному телу или выполнять роль подходной выработки для создания раз-
ведочных горизонтов.
Из шахт и штолен проходят систему горизонтальных разведочных
выработок (горизонты) Проходка разведочных горизонтов обычно осу-
ществляется через 50—60, реже 100—120 м.
Горизонтальные разведочные выработки из шахт и штолен (штреки,
квершлаги), имеющие значительную протяженность (до 300 м и более),
проходят сечением 4 или 5,1 м2 Небольшие разведочные выработки,
ориентированные вкрест простирания рудных тел (рассечки, орты, квер-
шлаги), имеющие протяженность до 100 м, могут проходиться сечением
2,7—4 м2 Более короткие разведочные выработки (рассечки, орты)
длиной не более 30—40 м имеют обычно сечение 2,7 м2
Вертикальные горные выработки (восстающие) проходят для не-
посредственного прослеживания маломощных рудных тел по восстанию
или для разведки мощных рудных тел рассечками, пройденными
из восстающих, между разведочными горизонтами.
Бурение широко применяется при геологоразведочных работах как
в сочетании с проходкой горных выработок, так и в качестве самостоя-
тельной системы разведки. Для целей разведки месторождений эф-
фективно применяют различные способы механического бурения сква-
жин: вращательное с использованием твердосплавного и алмазного по-
родоразрушающего инструмента, вращательно-ударное с высокочас-
тотными гидроударниками, ударно-вращательное с пневмо- или гидро-
ударниками и т. д.
Повышение надежности разведочных данных, а именно надежности
проб, отбираемых в скважинах при разведке, и геологической инфор-
мации, получаемой по керну, достигается применением наиболее совер-
шенных технических средств и технологии бурения, обеспечивающих вы-
сокий выход керна и наименьшее его избирательное истирание, а также
оперативным и точным контролем местоположения забоев скважин.
При разведочном бурении на коренных месторождениях исполь-
зуют различные буровые станки, обеспечивающие бурение скважин
глубиной от 100 до 2000 м с отбором керна и керно-шламового мате-
риала, достаточного для отбора проб.
2.3.	ЗАДАЧИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ
НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ
Стадия поисково-оценочных работ обычно ограничивается данными
о содержании полезных компонентов в рудах и общим представлением
о морфологии и характере залегания рудных тел. Поэтому на этой
стадии геологоразведочных работ предварительно выделяют природные
типы или минеральные разновидности руд, что позволяет на их основе
отобрать минералого-технологические и малые технологические пробы.
Природные типы руд выделяют в зависимости от их минерального и
химического составов, текстурно-структурных и других особенностей, с
19
учетом возможности четкого пространственного обособления типов
руд, обеспечивающего возможность селективной их добычи. Минераль-
ные разновидности руд выделяют в пределах одного природного
типа в результате изучения одного из преобладающих свойств руд
(минеральный, химический составы и др.) В стадию поисково-оценоч-
ных работ на месторождений производится отбор минералого-техно-
логических проб, представляющих природные типы или реже минераль-
ные разновидности руд.
Задачи технологического опробования при этом —
определение вещественного состава минеральных разновидностей руд,
установление принципиальной возможности извлечения полезных компо-
нентов, выбор примерных схем переработки руд и предварительная тех-
нологическая типизация руд разведуемого месторождения. Изучение тех-
нологических свойств минеральных разновидностей руд позволяет также
выяснить, на какие сопутствующие компоненты руды следует обратить
особое внимание. Результаты технологического опробования, проведен-
ного на этой стадии разведки, используют для обоснования дальнейших
геологоразведочных работ (предварительной разведки) и при геолого-
экономической оценке месторождения.
В результате проведения технологических исследований минералого-
технологических проб на обогатимость оценивается принципиально воз-
можная технологическая схема обогащения руд и проводится предвари-
тельное выделение их технологических типов и сортов.
Технологическая типизация сложных многотипных руд на стадии
предварительной разведки значительно облегчается, если отбор техно-
логических проб и их исследование начинаются уже в процессе
поисково-оценочных работ. При этом результаты технологического опро-
бования, хотя и имеют предварительный характер, позволяют в даль-
нейшем провести более обоснованную типизацию руд с необходимой тех-
нологической их оценкой.
Стадия предварительной разведки характеризуется более густой
сетью горных выработок и скважин и поэтому дает возможность со-
ставить представление о месторождении в целом. На этой стадии
геологоразведочных работ обычно устанавливают общие размеры мес-
торождения, условия залегания и морфологии рудных тел, получают
качественную и количественную характеристики руд, выделяют наибо-
лее перспективные участки для проведения детальной разведки.
Задача технологического опробования на стадии предварительной
разведки — изучение вещественного состава, технологическая типи-
зация руд и предварительный выбор технологии их переработки.
Для этих целей отбирают минералого-технологические, малые техноло-
гические и лабораторные пробы. По данным малообъемного техноло-
гического опробования (минералого-технологические и малые технологи-
ческие пробы) получают предварительную информацию о вещественном
составе, физико-механических свойствах и обогатимости руд. Эта ин-
формация используется с целью выявления технологической неоднород-
ности и пространственной изменчивости технологических свойств полез-
20
пых ископаемых и в конечном итоге оконтуривания технологических
типов и сортов руд на технологических картах и разрезах.
Малые технологические пробы используют для самостоятельных тех-
нологических исследований руд. Основное назначение малых техноло-
гических проб — получение предварительной информации об обогати-
мости, вещественном составе и физико-механических свойствах руд и
участие в геолого-технологическом картировании наряду с минералого-
технологическими пробами.
Технологические типы руд выделяют на стадии предварительной
разведки при технологическом опробовании месторождения по совокуп-
ности следующих признаков: присутствие в рудах, помимо основных,
других промышленно ценных попутных компонентов; степень окисления
руд; наличие в рудах компонентов, осложняющих технологию их пере-
работки; формы нахождения основного компонента изучаемых руд, в
первую очередь, его крупность и ассоциации с другими минералами.
В некоторых случаях на основе технологического опробования в преде-
лах одного технологического типа представляется целесообразным раз-
делить руды на сорта (богатые, средние и бедные), при выделении
которых необходимо учитывать содержание не только основных, но и
других промышленно ценных попутных компонентов.
На предварительной стадии геологоразведочных работ отбирают и
лабораторные пробы раздельно по технологическим типам руд, выделен-
ным на основе минералого-технологических и малых технологических
проб. Масса лабораторных проб зависит от методов их переработки и
числа вариантов испытаний проб, производительности применяемого для
исследований оборудования, массы концентрата, необходимого для его
изучения. Если на стадии поисково-оценочных работ при отборе техно-
логических проб по минеральным разновидностям обеспечивается, как
правило, качественная характеристика руд, то на стадии предвари-
тельной разведки при отборе проб по технологическим типам исходят
из их количественной характеристики.
На месторождениях со сложными по вещественному составу и труд-
нообогатимыми рудами на стадии предварительной разведки необходи-
мо осуществлять геолого-технологическое картирование. Оно проводится
на основе результатов исследования значительного числа минералого-
технологических и малых технологических проб, отобранных по сети,
определяемой на каждом конкретном месторождении в зависимости от
его масштаба, сложности строения и изменчивости параметров качест-
ва руд, устанавливаемых по данным геологической документации гор-
ных выработок (скважин) и результатам анализов рядовых геологи-
ческих проб. Геолого-технологическому картированию, основанному на
данных технологического опробования, предшествует выделение и изу-
чение природных типов и разновидностей руд, а также определение
предварительных показателей их обогатимости и разработка принци-
пиальных схем их обогащения по данным минералого-технологических
проб.
Детальная разведка за счет наиболее плотной сети разведанных
21
выработок обеспечивает наиболее полные данные о геологическом строе-
нии месторождения, морфологии и условиях залегания рудных тел,
качестве руд и расположении отдельных их типов, а также о законо-
мерностях изменения вещественного состава руд, содержаниях в них
полезных и попутных компонентов по простиранию и падению рудных
тел. В этот же период выявляют гидрогеологические и горнотехнические
условия ведения эксплуатационных работ. На этой стадии геологораз-
ведочных работ наиболее важную роль для оценки месторождения
выполняет технологическое опробование.
При детальной разведке в начальный ее период по выявленным типам
и сортам руд отбирают для исследований предварительные лаборатор-
ные технологические пробы. Технологическое опробование руд завер-
шается отбором укрупненно-лабораторных или полупромышленных
проб. На месторождениях с простыми по вещественному составу и
легкообогатимыми рудами в ряде случаев ограничиваются отбором ук-
рупненно-лабораторных проб массой 10—15 т.
На сложных по составу месторождениях, где выявлено несколько
технологических труднообогатимых типов руд, их используют в полу-
промышленных условиях на крупнообъемных технологических пробах
массой в несколько сотен тонн.
Опытно-промышленные пробы для технологических иссле-
дований руд отбирают только на месторождениях большого народно-
хозяйственного значения, требующих для их освоения больших капи-
таловложений и не имеющих аналогов в промышленности. Такое техно-
логическое опробование проводится и тогда, когда средние содержания
основных и попутных компонентов в товарной руде очень низкие (на
грани промышленного) и оценка рентабельности горного предприятия
находится в прямой зависимости от фактически достижимой степени
извлечения из руд основных и попутных полезных компонентов.
Полупромышленные пробы в зависимости от их массы
обрабатывают на специальных полупромышленных установках или
опытных фабриках. Задача технологического опробования в этом слу-
чае — проверка и уточнение технологической схемы переработки руд,
режима измельчения (самоизмельчения), реагентного режима, опреде-
ление характеристик работы нового, недостаточно апробированного
оборудования. С учетом все возрастающих требований к охране окру-
жающей среды в задачу технологического опробования должно также
входить изучение состава жидкой фазы пульпы, испытание разработан-
ной технологической схемы в условиях водооборота с корректировкой
реагентного режима, определение показателей обогащения руды и рас-
ходов обезвреживающих реагентов.
При наличии на месторождении нескольких промышленных (тех-
нологических) типов руд отбор полупромышленных проб проводится от-
дельно для каждого типа на основе отдельных проб. Это связано с тем,
что раздельная обработка руд разных технологических типов или сортов
по сравнению с- обработкой их смеси позволяет иногда получить более
высокие технологические показатели. Таким образом, при проведении
22
технологического опробования обосновывается необходимость раздель-
ной переработки руд различных типов.
В результате отбора полупромышленных и опытно-промышленных
проб уточняется вещественный состав руд, проверяются технологиче-
ская схема и режим, определяются показатели обогащения с использо-
ванием оборотной воды, составляются схемы цепи аппаратов, качест-
венно-количественная и водно-шламовая схема, т. е. снимаются все по-
казатели, необходимые для составления ТЭО постоянных кондиций,
подсчета запасов и проектирования горнодобывающего предприятия.
Отбор технологических проб на различных стадиях геологоразве-
дочных работ определяется специальным разделом проекта геологораз-
ведочных работ В случаях необходимости отбора отдельных техноло-
гических проб, не предусмотренных проектом, основным документом,
определяющим их отбор, является утвержденное техническое задание.
При возникающей необходимости проведения большого объема горно-
подготовительных работ для отбора полупромышленных (промышлен-
ных) технологических проб составляется отдельный проект. Проект от-
бора технологических проб для укрупненно-лабораторных, полупромыш-
ленных и промышленных испытаний разрабатывают организации, ве-
дущие разведку. В нем указывается назначение технологической пробы,
вид технологических исследований. Здесь же приводятся сведения о
методике разведки месторождения, степени его разведанности, дается
характеристика выделенных Технологических типов руд, указываются их
минеральный и химический составы, а также расчетные содержания
основных и попутных полезных компонентов и вредных примесей.
Проект отбора технологических проб должен содержать данные о
наличии и состоянии горных выработок, в которых предполагается
отобрать пробы, а также обоснование размещения и выбора числа пунк-
тов отбора проб. Кроме того, указываются способ отбора и обработки
(разделки) технологических проб, условия их хранения, вид упаковки
и транспортировки к месту исследований. От того, насколько правильно
в проекте составлена рабочая схема отбора технологических проб, во
многом зависит их представительность и обоснованность промышленной
оценки разведанного месторождения. К проекту прилагают графические
материалы (планы, разрезы), отражающие пространственное положение
природных и технологических типов руд, результаты геологического
опробования в пунктах, намеченных для отбора технологических проб, и
их расположение.
Технологические пробы отбирают в строгом соответствии с
проектом и техническими условиями отбора лишь после окончательного
уточнения пунктов их отбора и получения соответствующих данных,
подтверждающих их представительность. Технические условия представ-
ляют собой основную и ответственную часть проекта, обеспечивающую
отбор представительных проб. Они определяют вид (лабораторные,
укрупненно-лабораторные, полупромышленные) и целевое назначение
технологических проб (исследование технологического типа, сорта руд в
пределах рудного тела, участка или всего месторождения), а также
23
основные задачи исследований отбираемых проб (выяснение принци-
пиальной возможности обогащения руды, разработка промышленных
схем и т. д.)
Лабораторные пробы отбирают с целью изучения технологи-
ческих свойств всех выделенных технологических типов руд.
Частные пробы, соответствующие лабораторным, отбирают путем
производства специальных выемок в виде борозд (или задирок) в
стенках, кровле или в почве горных выработок, пересекающих рудное
тело на всю его мощность. Бороздовым способом пробы отби-
рают при полосчатых и слоистых текстурах руд и в случаях направ-
ленной максимальной изменчивости по мощности. Сечение борозды под-
бирается таким образом, чтобы после отбора частных проб рудного
материала из всех намеченных мест масса технологической пробы со-
ставила установленную проектом величину (от 100 до 500 кг). Масса
материала, поступающего в частную пробу из каждого места отбора,
должна быть пропорциональна объему руд, тяготеющему к этому месту
(горной выработки) При „равномерном расположении выработок в пре-
делах характеризуемого участка это достигается постоянством сечения
борозд, с помощью которых отбирается рудный материал в частные
пробы. В случае неравномерного расположения горных выработок для
соблюдения необходимой пропорции поступления материала поперечные
сечения борозд изменяются.
Задирковый способ отбора проб наиболее пригоден при весь-
ма и крайне неравномерном распределении основных полезных компо-
нентов. Основные условия пробоотбора этим способом — тщательная
подготовка (выравнивание) поверхности стенки или забоя горной выра-
ботки в интервалах отбора частных проб и строгое соблюдение
глубины и ширины задирки.
Рудный материал в технологическую пробу следует отбирать с та-
ким расчетом, чтобы он не был засорен вмещающими породами. Вез-
рудиые прослои, находящиеся внутри рудного тела, включают в состав
материала пробы, если они маломощны и не выдержаны по простира-
нию, а раздельная их выемка при разработке месторождения невоз-
можна или нецелесообразна. Если при отборе технологической пробы
в рудных телах небольшой мощности (менее 0,8—1 м) установлено
засорение руды вмещающими породами, то предполагаемое разубожи-
вание необходимо указать в паспорте пробы и сообщить лаборатории,
которая будет проводить ее исследование. При этом также необходимо
отобрать отдельную пробу вмещающих пород массой 40—50 кг, что
позволит провести лабораторные исследования над рудами, разубожен-
ными вмещающими породами в различной пропорции.
В исключительных случаях (при малом развитии подземных горных
выработок) технологические (лабораторные) пробы могут быть состав-
лены из керна подземных буровых скважин, специально пробуренных
для этой цели, или из материала (керна) разведочных скважин, остав-
шегося после отбора геологических проб.
Общий порядок выбора пунктов отбора частных проб и составления
24
технологических проб по скважинам тот же, что и при их отборе из гор-
ных выработок. Исходная масса технологических проб, отобранных из
керна скважин, по согласованию с лабораторией, проводящей исследо-
вание, может быть уменьшена.
Укрупнен но -лабораторные, полупромышленные
пробы. Крупнообъемные технологические пробы в горных выработках
отбирают с учетом результатов испытаний ранее отобранных лаборатор-
ных проб. Такие технологические пробы могут представлять все разве-
данное месторождение. Однако при наличии на месторождении несколь-
ких технологических типов руд, совместная отработка которых нерацио-
нальна, а выемка может производиться селективно, необходимо ото-
брать отдельные полупромышленные пробы по каждому типу руд для
их исследования.
Вопрос о необходимости отбора общей для всего месторождения
технологической пробы или ряда проб, характеризующих разные типы
руд, решается с участием специалистов-технологов, проводивших лабо-
раторные исследования руд месторождения, и представителей проектной
организации. Отбор и исследование одной средней пробы по всему
месторождению во многих случаях считается ненужным. Исследование
скольких проб обеспечивает более полную и надежную технологиче-
скую оценку руд, что позволяет обоснованно проектировать горные
работы и технологическую схему обогатительной фабрики.
Масса проб обычно колеблется от 1,5—30 (укрупненно-лаборатор-
ных) до 200—300 т (полупромышленных). В отдельных случаях для
полупромышленных проб она может достигать 1 — 2 тыс. т и более. Необ-
ходимую для исследований массу крупных технологических проб опре-
деляют исходя из технологических особенностей руды, сложности техно-
логических схем их обработки, массы концентрата, необходимого для
проведения лабораторных и полупромышленных исследований, произво-
дительности опытной установки, на которой она будет обрабатываться,
имеющегося оборудования и применяемых способов измельчения руд.
В связи с важностью этого вида технологических проб для
исследований, а также большими затратами средств, времени и труда на
их отбор, транспортирование и обработку необходимо обеспечить их
высокую представительность. Материал этих проб на этом этапе техно-
логического опробования должен удовлетворять следующим требо-
ваниям:
соответствовать по вещественному и гранулометрическому составам,
структуре и текстуре руд и другим показателям средним параметрам руд
месторождения или его участков;
отражать размер и форму основного компонента, характер связи его
с другими компонентами руд;
отличаться по содержанию основных и других полезных компонен-
тов от среднего их содержания в руде не более чем на 10—20%.
Крупные технологические пробы, предназначенные для полупромыш-
ленных испытаний, как правило, должны представлять ту часть место-
рождения, которая на данном этапе геологоразведочных работ разве-
25
дана до промышленных категорий (Л, В, С\) Запасы категории С2 при
составлении полупромышленной технологической пробы не учиты-
вают, если они разведаны только скважинами и расположены на более
глубоких, невскрытых участках месторождения. Крупные технологиче-
ские пробы отбирают в горных выработках и только в исключительных
случаях — из керна разведочных буровых скважин.
При отборе полупромышленных технологических проб из горных вы-
работок должны быть соблюдены следующие условия:
в каждом выбранном пункте материал в пробу необходимо отбирать
равномерно по всей мощности рудных тел — от лежачего до висячего
бока;
проба по своему составу должна быть близка к добытой и товар-
ной руде.
Одновременно с геологическим опробованием выработок, из которых
отбирают технологические пробы, приводится их геологическая доку-
ментация в участках отбора проб. При этом тщательно описывают
строение рудных тел, их размеры, условия залегания, минеральный
состав и т. д. Геологическая ситуация в интервале опробования зари-
совывается или фотографируется в масштабе 1:50 или 1:25. На зари-
совки или фотодокументы наносят все места отбора проб и указывают
их номера. Геологическую документацию и результаты геологического
опробования мест отбора технологической пробы прикладывают в даль-
нейшем к ее паспорту.
Если на стадии детальной разведки можно определить источник во-
доснабжения будущей фабрики; то необходимо отобрать из него пробу
и проанализировать ее на примеси, влияющие на технологию переработ-
ки руд, а результаты анализа сообщить в организацию, в которой
будут исследовать руду.
В отдельных случаях технологическая проба большой массы может
быть отобрана (при близповерхностном залегании рудных тел) в спе-
циальном карьере. Перед отбором технологической пробы осуществляет-
ся дополнительная проходка разведочных горных выработок и скважин
с целью обоснования места заложения карьера. Горные выработки и
скважины при этом проходят по более плотной сети, чем при деталь-
ной разведке.
3.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПРОБОВАНИЕ
РОССЫПНЫХ РАЗВЕДУЕМЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
3.1.	НАЗНАЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ
В процессе поисково-оценочных и разведочных работ на россыпных
месторождениях технологическое опробование, как и для коренных мес-
торождений, осуществляется путем отбора проб разведуемого минераль-
ного сырья. Отбор проб производится для разработки при их исследо-
26
вании эффективных технологических процессов обогащения и перера-
ботки песков, обеспечивающих рентабельное извлечение основных и по-
путных полезных минералов при минимальных затратах.
В соответствии с этим на основе технологического опробования
вначале осуществляют предварительную технологическую оценку пес-
ков, а затем — испытание их на обогатимость. Предварительная техно-
логическая оценка россыпей проводится на основе исследования рядо-
вых технологических проб путем определения: истинного содержания
основного компонента и количественного соотношения его технологи-
ческих видов; гранулометрического и вещественного состава песков;
повышенных концентраций сопутствующих полезных шлиховых мине-
ралов, их состава и крупности. Результаты этих работ служат основой
для выбора и разработки рациональных схем обогащения разведочных
проб и проведения испытаний песков на обогатимость.
Исследования на обогатимость проводятся на укрупненных и круп-
ных технологических пробах и включают уточнение данных о вещест-
венном составе песков, крупности, форме, минералогических особеннос-
тях и технологических свойствах основного и попутных полезных ком-
понентов, получение основных показателей по извлечению этих компо-
нентов, а также разработку технологии обогащения песков (технологи-
ческая схема, схема цепи аппаратов, режимы процессов и др.), включая
доводку концентратов. Исследования на обогатимость служат основой
для выявления необходимости отбора большеобъемных проб для опыт-
но-промышленных испытаний, в ходе которых проверяют и уточняют
схему обогащения песков и определяют оптимальные технико-экономи-
ческие показатели обработки песков.
Технологическому опробованию подвергают все россыпи с промыш-
ленными запасами. Пробы для технологических исследований отбирают
на различных стадиях геологоразведочных работ (от поисково-оценоч-
ных до детальной разведки) На каждой стадии работ отбирают техно-
логические пробы разных видов и по ним решают соответствующие для
стадии геологоразведочных работ задачи (табл. 3.1) Чем детальнее
оценка на каждой последующей стадии геологоразведочных работ, тем
представительнее должны быть пробы для технологических исследова-
ний. Основные требования к представительности технологических проб
при оценке россыпных месторождений сводятся к тому, чтобы грануло-
метрический и вещественный составы пробы соответствовали средним
составам песков на опробуемом участке; содержание основных и попут-
ных полезных компонентов в пробе было близко к среднему содержа-
нию их в песках на опробуемом участке; крупность полезных минералов
в пробе соответствовала гранулометрическому составу их в песках.
Отбору технологических проб .обычно предшествует геологическое
опробование разведочных выработок. Оно сопровождается изучением
литологии и гранулометрического состава рыхлых отложений, петрогра-
фического состава обломочного материала и минерального состава тяже-
лой фракции, определением гранулометрического состава основного ком-
понента, его формы, степени окатанности и т. д. Эти данные используют
27
Таблица 3.1
Виды технологических проб, отбираемых на различных стадиях
геологоразведочных работ, и задачи их исследования
Стадии геолого- разведочных работ	Виды проб и их назначение	Объем пробы, направляемой на исследова- ния (опреде- лен экспери- ментальным путем), м3	Число проб	Основные задачи технологического опробования месторождения
Поисково- оценочные работы Предвари- тельная раз- ведка Детальная разведка	Рядовые техно- логические ла- бораторные Рядовые техно- логические ла- бораторные (на участках рос- сыпи с различ- ными типами отложений) Укрупненные технологиче- ские лабора- торные	0,3 -0,5 0,3-0,5 2—3 и более	1—2 и более 3- -5 и более Десятки По числу предвари- тельно вы- деленных технологи- ческих ти- пов песков	Предварительная техно- логическая оценка россы- пи: определение истинно- го содержания полезного компонента с установле- нием количественного со- отношения его технологи- ческих видов; определе- ние вещественного соста- ва и степени нромывистос- ти отложений. Рекоменда- ция схемы обработки гео- логоразведочных проб Предварительная техно- логическая	типизация песков.	Рекомендация схем и аппаратуры для обработки разведочных проб на разных участках россыпи. Определение це- лесообразности отбора укрупненных технологи- ческих проб для дальней- ших исследований на обо- гатимость Технологическое карти- рование на крупных рос- сыпях с высокой степенью изменчивости технологи- ческих свойств песков Исследования на обога- тимость: уточнение техно- логической характеристи- ки основного полезного компонента и определение промышленной ценности каждого из его технологи- ческих видов; уточнение вещественного состава песков, ценности шлихо- вых минералов. Техноло- гическая типизация пес- ков. Разработка техноло- гической схемы их обога- щения. Определение необ- ходимости проведения полупромышленных ис- пытаний
28
Продолжение табл. 3.1
Стадии геолого- разведочных работ	Виды проб и их назначение	Объем пробы, направляемой на исследова- ния (опреде- лен экспери- ментальным путем), м3	Число проб	Основные задачи технологического опробования месторождения
	Полупромыш- ленные Промышленные	8—10 и бо- лее Сотни и ты- сячи	То же 1 и более (по числу техно- логических типов пес- ков)	Полупромышленные ис- пытания Проверка технологиче- ской схемы обогащения песков в промышленном масштабе со снятием тех- нологических показате- лей, необходимых для подсчета запасов и проек- тирования промышленно- го предприятия
Примечание. Полупромышленные пробы отбирают в том случае, когда при технологи-
ческих исследованиях укрупненных проб решаются не все задачи.
при постановке технологичёского опробования. При этом обращается
особое внимание на информацию об изменениях в теле россыпи крупности
основного компонента, выхода и состава тяжелой фракции, глинистости
отложений.
3.2.	ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЕ РАБОТЫ
Для отбора технологических проб при оценке и разведке россыпных
месторождений используют выработки, которые проходятся в соответст-
вующую стадию геологоразведочных работ. При разведке россыпных
месторождений используют буровые скважины различного способа буре-
ния, поверхностные горные выработки (шурфы глубиной до 5 м, тран-
шеи, котлованы и открытые полигоны), подземные горные выработки
(шурфы глубиной свыше 5 м, шахты с рассечками).
В связи с отчетливо вытянутыми формами большинства россыпных
месторождений разведочные линии выработок ориентируются вкрест их
протяженности. Расстояние между разведочными линиями и между от-
дельными выработками на них определяют группой месторождения,
морфологическим типом россыпей, их глубиной и шириной, стадией гео-
логоразведочных работ.
Разведка россыпных месторождений проводится преимущественно
бурением. Наибольшее применение при разведке россыпей имеет меха-
ническое ударно-канатное бурение, меньшее — колонковое. В незначи-
тельных объемах используется бурение установками комбинированного
действия.
В зависимости от мощности рыхлых отложений, природных гидро-
геологических и горнотехнических условий объектов разведки выбирают
29
различные технические средства бурения. Ударно-канатное бурение при-
меняется на всех стадиях геологоразведочных работ со сложными мерз-
лотно-гидрогеологическими и горнотехническими условиями при рыхлых
отложениях от 5 до 300 м. Основное средство’ проходки скважин —
станок БУ-20-34Ш, обеспечивающий бурение скважин диаметром около
200 мм. При этом способе бурения пробы отбирают с помощью желонок
и пробоотборников после каждого рейса (0,2—1 м) Длина рейса и со-
ответственно объем пробы зависят от содержания и размеров зерен по-
лезных минералов.
Колонковое бурение станками ЗИФ-650, СБА-500 (диаметр бурения
151; 112 мм) можно использовать на всех стадиях разведки до глубины
50 м с креплением и без крепления. Преимущество этого способа бу-
рения — возможность получения ненарушенного керна разбуриваемой
толщи рыхлых металлоносных отложений и подстилающих пород, что
позволяет изучить рыхлые отложения, условия формирования и зале-
гания месторождений. Длина рейсов при бурении в зависимости от
горнотехнических условий меняется от 2,5 до 0,4 м. Опробование керна
осуществляется по интервалам усадки. Пробы отбирают в продуктивном
пласте с интервалом 0,2—0,4 м.
В последнее время для разведки россыпей применяют установки
комбинированного действия БУУ-2, позволяющие бурить скважины диа-
метром 168—219 мм и до глубины 50 м, и УБСР (диаметром 715 мм и
до глубины 25 м)
Траншеями и открытыми полигонами наиболее эффективно разведы-
ваются россыпи, залегающие на глубине до 5—7 м, с очень невыдержан-
ным распределением полезного компонента и сложными гидрогеологи-
ческими условиями. Разведочные траншеи проходят поперек предпо-
лагаемого простирания россыпи с учетом полного ее пересечения. Их
рекомендуется закладывать в непосредственной близости от ранее прой-
денных буровых и шурфовочных разведанных линий. Протяженность
траншеи регулируется шириной промышленного контура россыпи.
При проходке траншей применяют землеройную технику (бульдо-
зеры, скреперы, экскаваторы) Опробование траншей ведут бороздами
и валовыми секциями. Борозды располагают по борту траншеи. Рассто-
яние между бороздовыми пробами составляет 5—20 м в зависимости от
ширины россыпи. Пробы отбирают секционно. Размер секций борозды:
длина 1 м, глубина 0,5 м, высота 0,2 м (объем 0,1 м3— 5 ендовок).
Бороздовое опробование применяют в основном после проходки тран-
шей.
Валовое опробование наиболее широко применяется при траншейной
разведке россыпей. Валовые пробы отбирают из траншей по ширине
полотна на всю мощность пласта, посекционно. Длина секций валовых
проб составляет при различной ширине россыпи от 10 до 40 м. Объем
валовых проб определяется мощностью продуктивного пласта, протя-
женностью секций и шириной полотна траншей.
Проходка шурфов осуществляется при мощности отложений до
20 м. Их рекомендуется проходить для опробования высоких террас и
30
долин древней гидросети. На поисково-оценочной стадии их проходят по
максимально разреженной сети. Линии шурфов должны пересекать все
геоморфологические элементы долины. Шурфы на стадиях разведки при-
меняют в комплексе с буровыми работами в небольшом объеме в качест-
ве контрольных для получения дополнительной информации о содержа-
нии полезного компонента, коэффициента разрыхления и т д. Сечение
шурфов обычно принимается равным 1,25 м2 (1X1,25) Форма сечения
прямоугольная, длинная сторона располагается поперек долины или
простирания россыпи.
При проходке шурфов осуществляется отбор и промывка проб с
целью определения содержания полезных компонентов. Отбор проб
производится из каждой проходки, выложенной около шурфа. В прак-
тике разведки объемы проб составляют 1—3 и более ендовок (0,02—
0,06 м2 каждая) Углубка шурфов проводится интервалами в 20 см или
кратными 20 см (т. е. по 40—60 см) Порода, вынутая интервала
20 см и уложенная на площадку у шурфа, является проходкой.
Подземные горные выработки (шахты с рассечками, штольни) при-
меняют для разведки россыпей со сложными условиями залегания,
крайне неравномерным распределением полезного компонента, когда
для оценки россыпного месторождения требуется отбор проб большого
объема. Небольшие объемы подземных выработок проходят в качестве
заверочных на глубокозалегающих россыпях, разведанных буровыми
скважинами. При разведке россыпей подземными горными выработками
обычно применяют наклонные и вертикальные шахты с рассечками.
Наиболее широко в практике разведки используют наклонные
шахты с рассечками. Ствол наклонной шахты проходят сечением
6 м2 (с креплением) и 4,6 м2 (без крепления). Рассечки, ориентиро-
ванные вкрест простирания россыпи, проходят по продуктивной части
пласта сечением 3,6 м2 (с креплением) и 2,7 м2 (без крепления) Для
определения кровли и подошвы пласта проходят восстающие или гезен-
ки сечением 1 м2 Место заложения системы подземных выработок
выбирают после тщательного анализа данных буровых работ.
Опробование в процессе проходки системы подземных выработок,
вскрывающих россыпное месторождение, осуществляется в основном
бороздовым и реже валовым способами. Бороздовые пробы отбирают
по стенкам горных отработок, валовые — из стенок выработок после
оконтуривания бороздами продуктивного пласта.
Плотность сети бороздовых проб, а также длина секций валовых
проб зависят от группы сложности и ширины россыпи.
Практика разведки и технологического опробования показывает,
что большинство россыпей можно разведывать стандартными методами
обработки проб и отрабатывать с применением типовых схем обогаще-
ния песков. Однако для ряда месторождений, например россыпей со
значительным содержанием попутных полезных компонентов, требуется
вносить определенные коррективы в технологические и аппаратурные
схемы. Для некоторых месторождений, например россыпей с мелкими
и тонкими зернами полезного компонента, необходимо разрабатывать
31
рациональные схемы обработки геологоразведочных проб и промыш-
ленные схемы обогащения песков, рассчитанные на использование
нового оборудования. Из этого следует, что для большей части россы-
пей технологические схемы обогащения можно выбрать по аналогии
с другими россыпными месторождениями такого же минерального
и генетического типа, выполнив небольшой объем рядового технологи-
ческого опробования. Проведение полного комплекса технологических
исследований требуется при разведке россыпей с трудными условиями
обогащения, при выявлении месторождений новых типов.
3.3.	ЗАДАЧИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ
НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ
На стадии поисково-оценочных работ цель технологического опро-
бования — предварительная технологическая оценка песков, включаю-
щая определение истинного содержания полезного компонента и уста-
новление гранулометрического и вещественного состава песков. При
предварительной технологической оценке решают следующие задачи:
определяют технологические виды полезного компонента и соотно-
шение этих видов в пробе (в процентах), массу извлекаемого полезного
компонента и его крупность, форму и т. д.
выявляют, какие шлиховые минералы россыпи представляют интерес
как попутные полезные компоненты, рекомендуют способы их извлечения;
устанавливают массу и состав глинистой фракции, содержащейся
в пбеках, и определяют необходимость использования специальных дез-
интегрирующих устройств;
выбирают типовые или разрабатывают рациональные технологиче-
ские схемы обработки разведочных проб для использования на после-
дующих стадиях геологоразведочных работ, позволяющие получить в
ходе разведки надежные данные о массе извлекаемого полезного
компонента;
дают предварительное заключение о возможности применения
типовых промышленных схем обогащения песков или о необходимости
разработки новой технологии, предусматривающей использование
нестандартного оборудования.
Технологическое опробование производится в завершающий период
стадии поисково-оценочных работ после оконтуривания запасов по кате-
гории С2 в пределах общего контура запасов месторождения. Результа-
ты технологического опробования используют при геолого-экономиче-
ской оценке россыпного месторождения и составлении ТЭС о целесооб-
разности его промышленного освоения.
На стадии предварительной разведки цель технологического опро-
бования — завершение предварительной технологической оценки россы-
пи. В результате изучения отобранных в эту стадию проб выявляют
изменение технологических свойств песков по простиранию и в разрезе
промышленного контура россыпи, дают предварительную типизацию
32
пчч'ков, определяют целесообразность проведения дальнейших исследо-
ваний песков на обогатимость. На небольших россыпях, относительно
однородных с точки зрения вещественного состава отложений и круп-
ности полезного компонента (по данным геологического изучения и
опробования), технологическое опробование на стадии предварительной
разведки не проводят.
На стадии детальной разведки технологического опробования —
уточнение вещественного состава песков и промышленной ценности
полезных компонентов, определение технологических свойств песков,
разработка принципиальной схемы извлечения основных и попутных
полезных компонентов.
На основании результатов исследования технологических проб,
отобранных в эту стадию, проводят технологическую типизацию песков.
При этом может оказаться, что выделенные по данным предварительной
технологической оценки разнотипные пески обогащают по одной и той
же схеме и, следовательно, они могут быть отнесены к одному техно-
логическому типу. При подсчете запасов полезных компонентов в рос-
'ыпном месторождении следует оценивать запасы песков каждого тех-
нологического типа в отдельности. Таким образом, на стадии детальной
разведки по данным технологического опробования дают не только
качественную характеристику технологических типов песков, но и их
количественную оценку.
4.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПРОБОВАНИЕ КОРЕННЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
4.1.	ОПРОБОВАНИЕ ПРИ ДОРАЗВЕДКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
При доразведке эксплуатируемых месторождений технологическое
опробование проводят с целью дополнительного изучения вещественного
состава и технологических свойств полезного ископаемого при 'уточнении
направления его использования, пересмотра требований стандартов или
технических условий к качеству добываемого сырья и технологических
схем его переработки; совершенствования действующих схем обогаще-
ния; технологической оценки руд приращиваемых запасов на новых
участках (на флангах и глубоких горизонтах) месторождения, вовле-
ченных в доразведку с целью обеспечения горнодобывающего пред-
приятия дополнительной сырьевой базой.
При доразведке эксплуатируемого месторождения на выбор техни-
ческих средств доразведки оказывает влияние горнодобывающее
предприятие. Болес широко, чем на других стадиях разведки, использу-
ют подземные горные выработки и буровые скважины из них, особенно
при разведке глубоких горизонтов и флангов месторождения.
Технологические пробы всех видов при доразведке эксплуатируемого
месторождения отбирают в разведочных горных выработках и скважи-
33
нах, пройденных по той же сети, что и при детальной разведке, в
соответствии с существующими инструкциями и методическими указа-
ниями Мингео СССР и ГКЗ СССР При этом проходят горные выработ-
ки и скважины стандартного разведочного сечения (диаметра) теми же
техническими средствами, что и при разведке.
В ряде случаев доразведку совмещают с вскрытием и подготовкой к
эксплуатации отдельных участков месторождения. Поэтому горные
выработки на стадии доразведки можно проходить в соответствии с
проектом разработки месторождения того же сечения и уклона, как и
эксплуатационные выработки, с целью использования их в последующем
при его отработке. В этом случае отбирают те же виды технологических
проб, что и при детальной разведке, но из выработок эксплуатацион-
ного сечения. Их назначение, принципы и методика отбора, масса проб
и способы их контрольного опробования и разделки практически
ничем не отличаются от технологического опробования новых месторож-
дений.
Необходимость отбора лабораторных, укрупненно-лабораторных,
полупромышленных или промышленных проб возникает и при непо-
средственной эксплуатации месторождений в том случае, когда начина-
ется добыча новых типов или сортов руд, или тогда, когда технологи-
ческое картирование, осуществленное в процессе эксплуатационной
разведки, выявило возможность комплексного использования руд или
резкое изменение их состава и технологических свойств от установлен-
ных в стадии детальной разведки. В этих случаях технологические
пробы отбирают в эксплуатационных горных выработках отбойкой
рудного материала в коренном его залегании (в нескольких пунктах
оцениваемого участка месторождения) и непосредственно из уже отби-
той рудной массы.
При этом вид и массу технологических проб, а также характер
испытаний устанавливают по согласованию с технологической организа-
цией, которая будет осуществлять эти испытания в зависимости от их
назначения, изученности способов извлечения соответствующего полез-
ного компонента, освоенности и сложности методов, которые предпола-
гается применять при испытаниях. Исходя из данных оперативного
эксплуатационного опробования, массы технологических проб и харак-
тера их испытаний, разрабатывают, как и на стадиях предварительной
и детальной разведки, методику их отбора (число мест отбора, их
размещение, последовательность отбора проб и т. д.)
Лабораторные и укрупненно-лабораторные пробы массой до 10—
15 т на разрабатываемых месторождениях можно отбирать (как и при
их разведке) специальными выемками в выработках, вскрывающих руд-
ное тело. В этих случаях используют подготовительные и очистные
выработки. Так как технологические пробы в условиях эксплуатации
месторождений должны представлять рудную массу в том виде, какой
она подается на переработку, то способ выемки руды из целика (корен-
ного залегания) применим лишь на тех месторождениях, где мощность
рудного тела соответствует размеру выемочного пространства, в связи
34
• чем степень разубоживания минимальна. С целью отбора таких
।гхнологических проб применяют буровзрывные работы.
Наилучший способ отбора технологических проб при эксплуатации
месторождений — извлечение в пробу части добываемой рудной массы.
При этом технологическую пробу отбирают в течение достаточно дли-
юльного времени, что обеспечивает вовлечение в пробу представитель-
ного по своим показателям рудного материала. Если в период отбора
пробы добыча осуществляется из очистных забоев, расположенных рав-
номерно в пределах участка, характеризуемого технологической пробой,
го материал в пробу накапливают в течение нескольких суток.
Рудный материал в технологическую пробу отбирают отдельными
порциями из вагонеток при их погрузке и разгрузке или из навала
отбитой руды в действующих забоях. В последнем случае порции мате-
риала для технологической пробы (частные пробы) должны представ-
лять все действующие забои. Частные пробы отбирают горстевым
способом из лунок глубиной до 0,3—0,4 м, размещенных на поверхности
отбитой рудной массы по сети с ячейкой 0,5—0,6 м. При это1и методика
и качество отбора частных проб в период всего пробоотбора должны
быть одинаковыми в каждом действующем забое. Частные пробы,
взятые из навала в разных забоях (в разные смены) или из вагонеток
горстевым способом, объединяют и смешивают, составляя общую тех-
нологическую пробу соответствующего вида.
В тех случаях, когда технологические пробы отбирают из рудной
массы, находящейся в накопительном бункере, частные пробы для ее
составления берут при выгрузке рудной массы через равные промежутки
времени. Технологические пробы можно также отбирать и при транспор-
тировании рудной массы на конвейере путем отсекания равных ее
порций через соответствующие (равные) интервалы времени. При этом
частные пробы можно отбирать как вручную, так и в автоматическом
режиме специальным пробоотсекателем, длина которого должна превы-
шать ширину ленты конвейера, а глубина и ширина — в два раза
больше максимального размера кусков рудной массы. Аналогичными
способами в процессе эксплуатации месторождений отбирают и техно-
логические пробы большой массы (тысячи тонн) для полупромышлен-
ных и промышленных испытаний. Однако при этом период накопления
рудного материала для технологической пробы более длителен.
Из рудного материала, предназначенного для технологических проб,
в процессе накопления, так же как и при разведке месторождений,
отбирают контрольные пробы, которые должны характеризовать его
представительность в отношении руд соответствующего участка место-
рождения по качественному и количественному их составу.
4.2.	ОПРОБОВАНИЕ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ РАЗВЕДКЕ
При эксплуатационной разведке основная задача технологи-
ческого опробования -- уточнение полученных при детальной разведке
данных о выделении и пространственном размещении технологических
35
типов и сортов руд на действующих карьерах и рудниках в пределах
контура запасов, утвержденных ГКЗ СССР, с целью обеспечения наибо-
лее эффективной отработки и переработки руд.
Объекты изучения и оценки на стадии эксплуатационной разведки
участки месторождений, подготавливаемые к проведению эксплуатаци-
онных работ (эксплуатационные участки, блоки), в контурах которых и
уточняют оценки запасов полезного ископаемого.
Выбор способа эксплуатационной разведки и ее технических средств
определяется типом .вскрытия и принятой системой отработки. При
этом плотность разведочной сети (опробования) зависит в большей
степени от технических условий системы отработки, размеров эксплу-
атационных блоков и т. д. В качестве разведочных пересечений исполь-
зуют горно-подготовительные, нарезные и очистные выработки, взрыв-
ные скважины и шпуры. Специальные разведочные выработки сква-
жины проходят минимальных размеров.
Опробование горных выработок и скважин с целью изучения вещест-
венного состава приобретает в условиях эксплуатационной разведки
массовый характер, а число отбираемых проб увеличивается по сравне-
нию с детальной разведкой в десятки и сотни раз.
При эксплуатационной разведке технологическое опробование про-
водят для обеспечения планового извлечения полезных компонентов из
руд, с целью текущего годового и оперативного (квартального, месяч-
ного, суточного) планирования добычи руд и выявления качественной и
количественной характеристик руд, отправляемых на обогатительные
фабрики.
На стадии эксплуатационной разведки, при проведении которой
намечается две подстадии (опережающая и сопровождающая добычу),
осуществляется технологическое опробование (технологическое карти-
рование), основанное на изучении совокупности малых технологических
проб, отбираемых равномерной сети в пределах разрабатываемых
залежей полезных ископаемых. По результатам технологического карти-
рования составляют планы (карты), отражающие распространенность и
пространственное распределение различных технологических типов и
сортов руд, а также изменение показателей обогатимости в их пределах.
При опережающей эксплуатационной разведке наз-
начение технологического опробования заключается в установлении
уточненных границ (ореолов) развития различных типов и сортов руд
на горизонтах (одном-двух), расположенных ниже текущих очистных
работ. Технологическое опробование в этом случае опережает добычные
работы на 1 — 2 года и, как правило, сопровождает или несколько
опережает горно-подготовительные работы.
При сопровождающей эксплуатационной разведке
оно имеет то же назначение, но в пределах отрабатываемых блоков
(группы блоков), и по времени совпадает с очистными работами.
Средства и методика отбора проб при технологическом опробовании
в процессе эксплуатационной разведки несколько отличаются при
открытом и подземном способах отработки месторождений. При о т-
36
крытой добыче для отбора технологических проб используют
эксплуатационные скважины колонкового и бескернового бурения, кото-
рые бурят по плотной Сети 6x6, 12X12 м, и реже нарезные траншеи,
борта уступов и забои карьера. Для оценки качества руд и их техно-
логических свойств в коренном залегании (при опережающей эксплуата-
ционной разведке) широко используют бескерновые скважины, прохо-
димые станками шарошечного (2СББШ-200, СБШ-250, СБШ-250 МН)
или пневмоударного (НКР-100) бурения, а при сопровождающей экс-
плуатационной разведке — буровзрывные скважины, которые бурят
станками СБШ-250, СБУ-110.
Из материала, поступающего при бурении колонковых и бескер-
новых скважин, также и; частных геологических проб, отобранных в
забоях карьеров, составляют технологические пробы для лабораторных
исследований массой до 50- — 100 кг При отборе материала в техноло-
гическую пробу из скважин шарошечного бурения учитывают особенно-
сти технологии бурения и способа доставки к устью скважины (сегре-
гация по крупности и минеральному составу) Это требует особой
осторожности при отборе материала в технологическую пробу с целью
сохранения у нее гранулометрического и минерального составов, близ-
ких исходному материалу, поднимаемому из опробуемых скважин.
При подземной отработке месторождения технологические
пробы для картирования (при опережающей эксплуатационной развед-
ке) отбирают в основном из скважин, которые бурят с горизонта эксплу-
атации на нижеследующий горизонт через соответствующие интервалы
по простиранию и падению рудных тел. Для опережающей эксплуата-
ционной разведки при подземной отработке месторождений обычно
применяют бурение скважин теми же станками, что и при разведке и
доразведке месторождений, однако предпочтение отдается станкам бо-
лее легким и мобильным. Методика и принцип отбора кернового мате-
риала из скважин в технологические пробы остаются теми же, что и
при предварительной и детальной разведке. При сопровождающей
эксплуатационной разведке технологическое опробование совмещают по
времени с проходкой нарезных выработок и бурением скважин для
отбойки руды.
Технологические пробы при эксплуатационной разведке отбирают
с учетом проведения разведочных добычных работ, планируемых в
процессе эксплуатации месторождения. Главный принцип составления
технологических проб — обеспечение однородности их материала по
основным характеристикам с рудами в месте отбора. На основе иссле-
дований технологических проб, отбираемых на этой стадии, определяют
показатели обогатимости руд в различных местах отрабатываемого
рудного тела, их вещественный состав, пересчитывают результаты
полного химического и фазового анализов с указанием распределения
полезных компонентов по минералам и т. д. Это позволяет в контуре
развития промышленного оруденения составить карты (планы), на ко-
торых указывают границы технологически однородных блоков или
участков месторождения. На основе этих карт планируется состав
37
усредненной ошихтованной руды, который можно получить при одно-
временной добыче и перемешивании руд из нескольких пространствен-
но разобщенных участков месторождения.
Таким образом, с учетом данных технологического опробования
(картирования), проведенного в процессе опережающей и сопровож-
дающей эксплуатационной разведки, осуществляется перспективное и
оперативное планирование добычи и поступления на фабрику руд опре-
деленного качества. Усреднение, осуществляемое по данным технологи-
ческого картирования, направлено на повышение однородности качест-
венного состава, что в конечном итоге определяет эффективность
работы обогатительных фабрик.
5.	ОТБОР ПРОБ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ОБОГАТИМОСТИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
5.1.	ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Характер технологических испытаний проб методика их прове-
дения значительно различаются. Они зависят от вида полезного иско-
паемого, его природных свойств, области применения минерального
сырья и стадии геологоразведочных работ.
Объекты технологического опробования и испытаний - природные
типы и разновидности, технологические (промышленные) типы и сорта
РУД-
Минералого-технологическими и малыми техноло-
гическими пробами характеризуют природные типы и разновид-
ности руд. Типовые технологические пробы должны харак-
теризовать технологические типы руд. Они предназначены для разра-
ботки или уточнения рациональных схем и режимов обогащения и
определения показателей переработки руды. Сортовые техноло-
гические пробы характеризуют сорта руд и служат для уточнения
режимных параметров процесса обогащения, разработанных на типбвых
технологических пробах. На стадии предварительной разведки отбирают
типовые и сортовые лабораторные, на стадии детальной разведки —
укрупненпо-лабораторные, полупромышленные и опытно-промышленные
пробы. Технологические исследования по своим масштабам задачам
подразделяют на лабораторные, укрупненно-лабораторные, полупро-
мышленные и промышленные.
Микротехнологические исследования малых лабораторных проб
осуществляют в малогабаритных обогатительных лабораториях
(МОЛМ), которые позволяют проводить измельчение, классификацию
по крупности, гравитационное, флотационное и электрическое обогаще-
ние.
Лабораторные исследования осуществляют на лабораторном обору-
довании с постановкой отдельных опытов по каждой операции в замкну-
38
гой технологической схеме с прерывным исполнением всех операций в
отдельных аппаратах. Они предназначены для выяснения возможностей
обогащения руды, поисков принципиальной технологической схемы, пред-
варительного определения технологических режимов и показателей пе-
реработки руд, а также для оценки обогатимости руд при геолого-
технологическом картировании и опережающем технологическом опро-
бовании.
Укрупненно-лабораторные испытания проводят на укрупненно-
лабораторном оборудовании по схеме непрерывного технологического
процесса и предназначены для разработки оптимальной технологиче-
ской схемы переработки руды и получения устойчивых показателей
обогащения.
Полупромышленные испытания технологических проб выполняют на
опытно-промышленных фабриках или установках в условиях, макси-
мально приближенных к производственным; они предназначены для
проверки разработанных в лабораторных условиях технологической схе-
мы, режимов и показателей переработки руд.
Промышленные испытания проводят на оборудовании действующих
обогатительных фабрик при освоении новых технологических схем и ре-
жимов обогащения в течение времени, необходимого для получения
устойчивых технологических показателей.
Результаты исследований лабораторных, укрупненно-лабораторных,
полупромышленных и промышленных проб отражают в специальных
отчетах. Наравне с другими результатами геологоразведочных работ
они являются основой разработки и утверждения постоянных кондиций,
а затем и подсчета запасов. По результатам исследований минералого-
технологических и малых технологических проб составляют отчет о
геолого-технологическом картировании или информационную записку, в
которых дается характеристика полноты проведенных работ.
5.2.	ОТБОР ПРОБ
ПРИ ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ КАРТИРОВАНИИ
При геолого-технологическом картировании месторождения отбира-
ют минералого-технологические и малые технологические пробы массой
от 1 до 50 кг с целью проведения технологических исследований по
сокращенной схеме. Минералого-технологические и малые технологи-
ческие пробы отбирают в соответствии с программой исследований по
геОлого-технологическому картированию, включаемой в проект геолого-
разведочных работ. Пробы обычно отбирают из поверхностных и
подземных горных выработок, а также из керна скважин, вскрывающих
месторождение на всю его мощность. Пробы отбирают в виде штуфов
и борозд соответствующего сечения (параметров), обеспечивающих от-
бор технологических проб указанной массы. Сеть отбора минералого-
технологических и малых технологических проб может оставаться той
же (или разрежаться), что и сеть разведочных горных выработок и
39
скважин, обеспечивающих решение задач, поставленных перед предва-
рительной разведкой.
Эти пробы можно составлять также путем объединения материала
из остатков сокращения рядовых геологических проб, отбираемых на
пробирный авали;; данная групповая проба будет характеризовать
пересечение (профиль) соответствующего природного типа руд. Группо-
вые пробы для малообъемного технологического опробования и карти-
рования отбирают по опорным разведочным сечениям (створы скважин,
скважины в комбинации с горными выработками, горные выработки)
Они должны характеризовать один природный тип или одну разновид-
ность руд и отбираться на всю мощность, вскрытую разведочной
выработкой. Длина рудного интервала, охарактеризованного такой
пробой, может быть равной 30—50 м (штокверковые, колчеданные и
другие типы месторождений). При пересечении разведочной выработкой
нескольких природных типов руд, перемежающихся между собой, целе-
сообразно.в одну групповую пробу объединить все однотипные рудные
интервалы.
Ориентировочное число проб, необходимых для проведения техно-
логического картирования, можно определить исходя из показателя
изменчивости свойств руд (коэффициента вариации) Минимальное чи-
сло проб, необходимых для надежного определения изменчивости
свойств в пределах каждого типа (сорта) руд, обычно составляет для
месторождений с равномерным оруденением 12—16 (Г^40%), с'не-
равномерным— 20—25 (1/^100%), с весьма и крайне неравномер-
ным 35—50 проб (Г^ 150%) При наличии на месторождении двух
или трех типов руд общее число проб соответственно увеличивается в
два или три раза. Для месторождений средних масштабов, характери-
зующихся весьма неравномерным оруденением, ориентировочное число
проб, необходимых для технологического картирования, составляет при-
мерно 200.
Ввиду сложности отбора большого числа проб, трудоемкости и
относительно высокой стоимости их исследований необходимо стремить-
ся к их сокращению. При этом нужно исходить из того, что надежность
оконтуривания типов и сортов руд, определения их средних характери-
стик в целом по месторождению, отдельным его участкам, горизонтам и
блокам в решающей степени зависит не только от числа отобранных
проб, но и их представительности, а также системы размещения
месторождению и отдельным рудным телам.
Важнейшие условия, обеспечивающие объективное выделение тех-
нологических типов и сортов руд и определение изменчивости их соста-
ва и свойств при технологическом картировании (опробовании),— точ-
ная пространственная привязка проб к различным участкам рудных
тел и проведение их исследования по единым, стандартным схемам и
методикам.
Материал проб для технологического опробования и картирования
должен быть относительно крупнозернистым [крупность материала
6 (3) мм] Для этого следует обеспечивать использование и сохранность
40
-и ников от сокращения при отборе на химический анализ рядовых
। гологических проб. Срок хранения таких проб из-за возможности
 пчпсления рудного материала должен быть минимальным и устанавли-
н.нься экспериментальным путем для каждого типа исследуемых руд.
Малые технологические пробы в зависимости от сложности строения
месторождения и вещественного состава его руд могут быть отобраны
но всем или по отдельным (опорным) профилям. При этом по пробам
и <учают вещественный состав руды (определяют содержание полезных
п попутных компонентов и основных примесей, осложняющих техноло-
। пю переработки руды), проводят исследования руд на обогатимость.
Задачи опробования’ при геолого-технологическом картиро-
вании — изучение вещественного состава руд (определение содержания
полезных компонентов, размеров и форм нахождения полезного компо-
нента и примесей, осложняющих технологию переработки), обогатимо-
сти проб по схеме и режиму, рекомендуемому для обогащения того
типа руд, к которому относятся данные пробы, с целью оценки простран-
ственной изменчивости вещественного состава, физико-механических и
технологических свойств руд месторождения.
5.3.	ОТБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ
Для достижения наибольшей представительности технологических
проб (лабораторных, укрупненно-лабораторных, полупромышленных),
отбираемых в горных выработках, их следует отбирать путем взятия
частных проб (порций) не в одном, а в нескольких пунктах (горных
выработках), расположенных по возможности равномерно в пределах
площади распространения того технологического типа, который должна
представлять отбираемая проба. Отбору технологических проб в наме-
ченных участках и пунктах предшествует геологическое опробование
разведочных выработок (скважин) и изучение минерального и хими-
ческого составов, структуры и текстуры руд, т. е. основных показателей
их качества в соответствии с требованиями, предъявляемыми к данному
виду минерального сырья. Одновременно с этим составляют баланс
распределения полезных и вредных компонентов по минеральным фор-
мам их нахождения, изучают физические свойства руд.
Пункты отбора частных проб необходимо располагать с учетом
изменчивости вещественного состава и текстурно-структурных особен-
ностей руд по правильной сетке или на разведочных линиях, пересекаю-
щих рудное тело вкрест простирания. При большой изменчивости
оруденения для обеспечения представительности технологической пробы
необходимо иметь больше мест отбора частных проб.
Приведенные в табл. 5.1 параметры базируются на опытных данных,
которые увязаны с практикой отбора технологических проб на рудных
месторождениях.
Таким образом, технологические пробы по природному технологиче-
скому (промышленному) типу или сорту должны состоять в основном из
3—12 частных проб.
41
Таблица 5.1
Число пунктов отбора частных проб в зависимости
от степени изменчивости оруденения
Характер изменчивости оруденения
Коэффициент вари-
аций содержаний, %
Число пунктов отбо-
ра частных проб
Весьма равномерный и равномерны
Неравномерный
Весьма неравномерный
^40
40—100
> 100
1—3
5-6
8—12
Число пунктов и плотность сети отбора частных проб для предста-
вительной характеристики данного технологического типа или сорта
руды определяют в каждом случае, исходя из конкретных геологиче-
ских и горнотехнических условий месторождения.
На основе геологической документации, результатов геолого-
технологического картирования и данных геологического опробования
месторождения на погоризонтных планах намечают пункты отбора руд-
ного материала (частных проб) в технологическую пробу. При этом
среднее содержание основных и попутных компонентов, установленное
по данным опробования горных выработок в пунктах отбора частных
проб, должно соответствовать их среднему содержанию в руде оцени-
ваемого технологического типа, подсчитанному по данным геологическо-
го опробования всех горных выработок, пересекающих оцениваемые
руды. Если они отличаются более чем на 20%, то расположение и
число пунктов отбора частных проб следует изменить, выбрав тот
вариант, при котором различия в средних содержаниях основных и
попутных компонентов не будет превышать указанного предела.
При х небольшом числе горных выработок, вскрывающих рудное
тело (до 10—15), материал для технологических проб соответствующей
массы может быть взят порциями из всех горных выработок, пересе-
кающих руду соответствующего технологического типа. Исключение
составляют лишь те выработки, где руда по составу, уровню содержа-
ния, своему строению и другим свойствам не характерна для данного
технологического типа. В том случае, когда рудное тело вскрыто боль-
шим числом горных выработок, рудный материал для проб можно
отбирать не из всех выработок, а только из тех, которые пересекают
его в наиболее характерных (по геологическому строению и содержа-
нию компонентов) частях и на всю мощность.
Масса рудного материала, отбираемого в частную пробу (с опре-
деленного интервала горной выработки), в каждом намеченном пункте
должна быть пропорциональна запасам оцениваемых руд, которые пред-
ставляет данная частная проба. При выборе пунктов отбора частных
проб немалую роль играют горнотехнические условия их отбора. Выби-
рают те пункты в горных выработках, где отмечаются наиболее благо-
приятные горнотехнические условия для отбора рудного материала в
технологическую пробу.
Конкретные условия отбора технологических проб определяют в
зависимости от мощности рудного тела, способа разведки и вскрытия
42 •
месторождения, массы материала частных проб, отбираемых в отдель-
ных пунктах месторождения, и т. д. Когда масса технологической пробы
достигает 10—50 т (объем горной массы в целике соответственно сос-
тавляет 4—20 м3), а пробу отбирают в 3—5 пунктах, то в каждом из
них берут сравнительно небольшую массу материала (в среднем 2—
Ют). Этот материал может быть легко отобран из имеющихся разве-
дочных горных выработок. При небольшой мощности рудного тела
(жилы), прослеживаемого штреками по простиранию, технологическая
проба необходимого объема и массы может быть отобрана из забоев
штреков, в процессе проходки, после одной-двух отпалок.
Если в рудном теле встречаются прослои пустых пород, то их вклю-
чают в пробу, как и вмещающие породы из зальбандов. В процессе
отбора больших технологических проб по маломощным жилообразным
рудным телам необходимо руководствоваться размерами выемочного
пространства. Максимальная мощность пустых пород, включаемых в
рудный интервал, и ширина выемочного пространства должны соответ-
ствовать установленным кондициям.
В том случае, когда рудное тело имеет значительную мощность и
разведуется секущими выработками (рассечками, ортами, квершлага-
ми), материал в пробу отбирают из боковых стенок выработок путем
частичного их расширения.' Для этой цели по всей мощности рудного
тела может быть выбита борозда большого сечения (шириной 0,5—
0,6 м и глубиной не менее 0,6 м) Такие размеры борозды необходимы
для получения рудного материала в более крупных кусках. Отбойку
руды проводят путем бурения неглубоких шпуров с последующей от-
ладкой. Если масса отбитого материала значительно превысит необхо-
димую (расчетную), то его сокращают в нужной пропорции сразу же в
горной выработке при погрузке материала пробы в вагонетки.
При отборе технологической пробы массой 200—-300 т от отбитой
руды отбирается обычно 50—75 м3 руды. Такой объем руды из сущест-
вующих горноразведочных выработок отобрать бывает невозможно, и
приходится проходить специальные горные выработки. Из маломощных
рудных тел технологическую пробу можно отбирать проходкой штреков
или восстающих (особенно если они могут быть пройдены между двумя
разведочными этажами) В случае отбора пробы из мощных рудных тел,
разведанных секущими горными выработками или горизонтальными
скважинами, следует проходить специальные горные выработки (рас-
сечки, орты), располагая их вблизи уже пройденной разведочной выра-
ботки или между двумя соседними, ранее пройденными и вскрывающими
рудное тело на всю его мощность, по которым есть результаты геологи-
ческого опробования.
Крупная технологическая проба массой до 2000 т может быть ото-
брана только из специально пройденных очистных выработок (блоков).
На маломощных рудных телах очистную выработку следует располагать
по простиранию рудного тела и ограничивать двумя восстающими,
пройденными до отбора пробы. Целесообразно также располагать
очистную выработку между двумя разведочными горизонтами. В руд-
43
ных телах большой мощности очистную выработку располагают вкрест
простирания рудного тела и ограничивают также двумя восстающими.
Отбойку руды необходимо проводить лентами по всей мощности рудного
тела. При этом число лент и высоту очистной выработки определяют
массой руды, отбитой в пробу из данной выработки. После окончания
отбора большой технологической пробы забои и стенки выработок вновь
опробуют с целью получения наиболее полных данных о содержании
основных и попутных компонентов в отбитой руде (в интервале опро-
бования)
В том случае, если отбор проб производится из специально прохо-
димых выработок разведочного и очистного типа, то их в процессе про-
ходки подвергают, как и проектные разведочные выработки, системати-
ческому геологическому опробованию. Забои рудных штреков опробуют
по мере их проходки после каждой отпалки, очистные же выработки —
систематически, по мере продвижения их забоев. В квершлажных
выработках опробование осуществляется по двум стенкам. При отбой-
ке руды в технологическую пробу на разведочных или специально
пройденных для этой цели выработках необходимо соблюдать меры,
обеспечивающие полный сбор отбитого материала пробы и исключаю-
щие его засорение посторонним материалом. Для этого следует предва-
рительно тщательно обивать кровлю выработок и проводить отбойку
руды на железные листы.
При отборе технологических проб требуется особая тщательность и
аккуратность. Нельзя допускать потерь мелкого материала, который
часто обогащен основным компонентом или содержит компоненты,
существенно влияющие на технологию переработки руд, а также дли-
тельного хранения материала технологических проб под землей или на
поверхности. Это может привести к существенным изменениям руд
(окислению сульфидов, выщелачиванию некоторых компонентов, смер-
занию и т. п.) Материал пробы, отбитый в очистных выработках,
должен выпускаться в специально маркированные вагонетки. Необхо-
димо следить за полнотой выпуска из камеры рудного материала и
особенно мелкой части, исключая при этом засорение руды боковыми
породами.
5.4.	ОТБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ
НА КЕРНАХ БУРОВЫХ СКВАЖИН
На стадии поисково-оценочных работ, предварительной и детальной
разведки, при отсутствии широко развитой сети поверхностных и под-
земных горных выработок, технологические пробы, предназначенные для
лабораторных, укрупненно-лабораторных и реже полупромышленных
испытаний, могут быть отобраны из керна разведочных или специально
пробуренных колонковых скважин.
Главный показатель возможности отбора керна в технологическую
пробу — его выход, который должен быть более 70%. Из скважин,
пройденных для создания регулярной разведочной сети, отбирают, как
44
правило, четвертую часть керна, раскалываемого на керноколе или
распиливаемого на кернорезном станке вдоль длинной оси. В отдель-
ных случаях используют половину керна, оставшуюся после рядового
।еологического опробования.
При отборе материала в технологическую пробу из керна разведочных
скважин контрольное опробование не проводят. Для характеристики
отобранного в пробу материала по содержанию в не*м полезного ком-
понента в этом случае используют данные рядового геологического
опробования по керну. Остальные параметры качества кернового мате-
риала, поступающего в пробу, оценивают на основе первичной геологи-
ческой (фотогеологической) документации и описания керна, сопровож-
даемых минералого-петрографическими исследованиями.
Если по условиям разведки месторождения большую технологиче-
скую пробу можно отобрать только из керна буровых скважин, то ее
массу ограничивают 2—3 т. Поскольку керн с рудных интервалов раз-
ведочных скважин после геологического опробования бывает полностью
или частично использован, то для составления крупной технологической
пробы необходимо бурить специальные скважины на участках, выбран-
ных для этой цели с учетом данных геологического опробования керна
ранее пробуренных разведочных скважин. Это вызывает большие труд-
ности при отборе технологических проб, так как для составления техно-
логической пробы массой до 3 т необходимо пробурить непосредственно
по рудному телу скважины погонной длиной до 350—400 м.
Керн, отбираемый в технологическую пробу из скважин, специально
пробуренных для технологического опробования, предварительно дол-
жен быть опробован. С этой целью по рудному интервалу каждой
скважины составляют частную сквозную пробу из отдельных небольших
кусочков, равномерно отбитых от керна по всей его длине. Масса
материала, отбираемого со скважины погонной длиной 1 м, обычно
составляет 0,3—0,5 кг, а общая масса сквозной пробы в пределах
рудного интервала — несколько килограммов. Каждая частная сквозная
проба в дальнейшем проходит обычную обработку, как и при геологи-
ческом опробовании. После измельчения материала до крупности
— 1 мм из него отбирают лабораторные пробы для анализа, а остатки
объединяют, составляя групповую пробу, характеризующую материал
всей технологической пробы. Остатки материала сквозных керновых
проб объединяют пропорционально фактической длине рудных интерва-
лов, вскрытых каждой скважиной. Объединенную керновую пробу
вместе с основной направляют в организацию, производящую иссле-
дования, и используют для предварительных испытаний и уточнения ее
характеристик.
Преимущество отбора технологических проб из керна — отбор ма-
териала в пробу из большого числа точек. Недостаток - избирательное
истирание керна, приводящее к систематическим искажениям в опре-
делении содержания полезного компонента в материале технологических
проб.
45
5.5.	ОТБОР ПРОБ ИЗ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
На стадии поисково-оценочных работ отбирают одну-две (и более)
рядовых технологических проб объемом 0,3—0,5 м3 (в плотной массе)
для лабораторных исследований. Пробы отбирают из двух-трех вырабо-
ток, специально пройденных в наиболее типичном (по данным геологи-
ческого изучения и опробования) участке оконтуренной площади рос-
сыпи. Материал в технологическую пробу отбирают из песков по всей
их мощности. При мощности песков от нескольких десятков сантимет-
ров до 2—3 м отбирают одну технологическую пробу, при большей
мощности — две и более с учетом литолого-фациальных особенностей
песков.
Технологическую пробу отбирают из шурфов или шурфоскважин.
При этом проба должна быть составлена из частных проб (порций),
число которых соответствует числу опробованных выработок. Отбор
материала в пробу из выкидов шурфов и шурфоскважин, во избежание
нарушения гранулометрического состава песков, производится при малой
мощности песков валовым способом с отбором всего материала каждого
выкида, при значительной мощности песков — «бороздовым» способом,
т. е. выборкой материала из небольшой траншейки, пройденной через
каждый выкид на всю мощность выложенных песков. Не допускается
отбор материала в пробу из старых выкидов шурфов, так как под
влиянием атмосферных воздействий и размыва дождевыми и талыми
водами изменяется характер песков: вымывается глина, частично
может быть вынесен полезный компонент и т. д.
Если по геологическим и горнотехническим условиям невозможна
проходка шурфов, то следует пройти два-три «куста» колонковых сква-
жин, которые обеспечили бы необходимый объем технологических проб
(в каждом конкретном случае производится специальный расчет числа
скважин в «кусте» с учетом диаметра скважин, выхода керна, интервала
отбора технологической пробы и т д.) Скважины ударно-канатного
бурения не могут быть использованы для отбора технологических проб,
так как при этом возможны потери полезного компонента, деформация
его частиц, нарушение гранулометрического состава отложений в ре-
зультате переизмельчения материала и т. д.
Одновременно с отбором технологических проб из песков, вскрытых
выработками, проводится их геологическая документация. На зарисов-
ках отмечают места отбора технологических проб и их номера. Техно-
логические пробы сразу же после их отбора должны быть хорошо
упакованы в плотные ящики или бочки, которые маркируют установлен-
ным образом. Масса каждого ящика (бочки) в целях удобства транс-
портирования должна составлять 60—70 кг
На каждую технологическую пробу составляют паспорт, в котором
указывают название россыпи, номер пробы, ее вид, объем, место и
способ отбора. Приводят краткую геологическую характеристику россыпи
с данными о гранулометрическом и вещественном составах рыхлых
отложений, содержаниях полезного компонента (по результатам геоло-
гического опробования), а также сведения о способе упаковки пробы и
46
числе упаковок (ящиков, бочек) Рядовые технологические пробы на-
правляют в лаборатории геологических объединений, где их исследуют
по сокращенной схеме.
При технологическом опробовании на стадии предварительной раз-
ведки пробы отбирают на нескольких участках россыпи, где по геоло-
гическим данным выявлены заметные изменения качественных характе-
ристик песков. Число проб (минимальное 2—3) определяется числом
предварительно выделенных участков и мощностью песков (расчет
числа проб в зависимости от мощности песков производится так же,
как и на стадии поисково-оценочных работ). Объем рядовых технологи-
ческих проб — 0,3—0,5 м3
Представительность технологической пробы достигается отбором
рыхлого материала из нескольких разведочных выработок, расположен-
ных относительно равномерно в пределах опробуемого участка россыпи
или разведочной линии, пересекающей опробуемый участок. Таким об-
разом, каждая технологическая проба составляется из частных проб
(порций) Объем частной пробы для среднегалечных отложений 1 (наи-
более распространенных в россыпных районах) должен быть не менее
0,02—0,03 м3 С возрастанием крупности обломочного материала в
россыпи объем частной пробы необходимо увеличивать (до 0,05 м3 и
более), чтобы избежать искажения гранулометрического состава изуча-
емых отложений. Число частных проб, а следовательно, и число опробу-
емых выработок рассчитывают с учетом объема частной пробы.
При разведке россыпного месторождения траншеями (подземными
сечениями) частные пробы отбирают бороздовым способом из борта
траншеи на всем ее протяжении, с равными интервалами между бороз-
дами. Сечение борозды и интервал между бороздами подбирают таким
образом, чтобы после отбора частных проб объем технологической про-
бы не превышал установленного. При разведке россыпей с применением
других разведочных выработок для технологического опробования
всегда предпочтительнее шурфы и шурфоскважины, но не исключается
применение и «кустов» скважин колонкового бурения. При этом принцип
расчета числа колонковых скважин в «кусте» и отбора проб из выкидов
шурфов и шурфоскважин тот же, что и на стадии поисково-оценочных
работ.
При большой изменчивости технологических свойств песков в плане
и разрезе россыпи (практика геологоразведочных работ и технологи-
ческого опробования показывает, что это характерно для некоторых
аллювиальных россыпей с мелкими и тонкими зернами полезного ком-
понента, приуроченных к мощным аккумулятивным толщам, для комп-
лексных россыпей, имеющих разнотипные источники питания, и т. д.),
определяющей наличие нескольких технологических типов песков, а сле-
довательно, возможную селективную отработку месторождения, произ-
водится технологическое картирование россыпей.
Технологическое картирование предусматривает разделение место-
рождения на участки, отличающиеся друг от друга крупностью полезно-
1 Установлен эмпирическим путем.
47
го компонента, формами его нахождения, а также гранулометрическим
и вещественным составами рыхлых отложений, содержанием глинистой
фракции (в большой мере определяющей степень промывистости песков),
выходом и составом тяжелой фракции и т. д., что в конечном итоге
позволяет предварительно выделить технологические типы песков. При
технологическом опробовании с целью картирования вдоль всей россы-
пи с учетом типа и положения коренных источников, а также факторов,
определяющих литологический состав отложений, несущих полезный
компонент, выход и состав тяжелой фракции, намечается для отбора
проб ряд разведочных линий, а в пределах них — несколько участков
(3—4 и более), характеризующих россыпь в разных ее частях.
В пределах каждого участка линии в зависимости от мощности
песков отбирают от одной (при мощности песков до 3 м) до нескольких
(при мощности песков более 3 м) рядовых технологических проб
объемом 0,3—0,5 м3 Число технологических проб должно соответство-
вать числу крупных литологических горизонтов в разрезе песков. Каж-
дую пробу отбирают на всю мощность литологического горизонта и
составляют из частных проб по принципу, рассмотренному выше для
этой стадии разведочных работ. Общее число рядовых проб при техно-
логическом картировании может составлять десятки.
Результаты технологического картирования отражают на планах и
разрезах в виде контуров распространения песков различных техно-
логических типов. Таким образом, итог этого вида работ предвари-
тельная типизация песков. На основе данных технологического карти-
рования уточняют схему обработки геологоразведочных проб примени-
тельно к участкам россыпи с различными технологическими свойствами
песков.
Оформление документации, транспортирование и обработку рядовых
технологических проб производят аналогично, как и на стадии поисково-
оценочных работ..
В начальный период детальной разведки с учетом результатов
предварительной технологической оценки, завершенной на стадии пред-
варительной разведки, проводят испытания песков на обогатимость по
укрупненным и крупным технологическим пробам. Если по данным пред-
варительной оценки новая россыпь, разведуемая в районе, оказывается
аналогичной по своим технологическим свойствам разрабатываемым
россыпям, то испытания песков на обогатимость не обязательны, при
том, однако, условии, что схемы обогащения, принятые на отрабатывае-
мых россыпях, установлены на основании технологических испытаний и
проверены в процессе их эксплуатации.
Объем укрупненных проб составляет 2—3 м3 и более. Объем проб
во многом определяется объемом опробуемых песков и их технологиче-
скими особенностями. Из большеобъемных труднообогатимых россыпей
(по данным предварительной технологической оценки) необходимо
отобрать пробы наибольшего объема (до 5—6 м3).
Если не все задачи технологических исследований (например, до-
водка концентратов и др.) решаются на укрупненных пробах, то отби-
48
рают большие технологические пробы объемом 8—10 м3 и более.
Укрупненные и крупные технологические пробы отбирают из песков
каждого технологического типа, предварительно выделенного в резуль-
тате технологического картирования. При этом среднее содержание
полезного компонента в технологической пробе должно быть близко к
среднему содержанию его на опробуемом участке россыпи, где распрост-
ранен тот технологический тип песков, который будет представлять
отбираемая проба. Представительность пробы должна обеспечиваться
составлением ее из частных проб (порций), отбираемых из разве-
дочных выработок по возможности равномерно по всей-площади распрост-
ранения опробуемого типа песков. Эти частные пробы отбирают из
шурфов, разведочных шахт, траншей, разведочных полигонов по тому
же принципу, что и рядовые технологические пробы на стадии предвари-
тельной разведки. Число мест отбора частных проб зависит от степени
неравномерности распределения содержаний в россыпях (коэффициент
вариации) и программируемой погрешности в определении среднего
содержания в технологической пробе.
После проведения геологической документации всех опробуемых
выработок и надежной упаковки проб в плотные ящики или бочки их
направляют в лаборатории научно-исследовательских институтов или
в специализированные лаборатории геологоразведочных организаций.
На основе данных исследования технологических проб на обогатимость
дают заключение о необходимости отбора проб для опытно-промыш-
ленных испытаний.
Задача отбора опытно-промышленных проб — проверка и уточ-
нение схемы обогащения песков, рекомендованной на основе лаборатор-
ных исследований на обогатимость, и определение оптимальных тех-
нико-экономических показателей. С учетом этих показателей составляют
ТЭО постоянных кондиций и подсчитывают запасы. Отбор опытно-про-
мышленных технологических проб предусматривается, главным образом,
для крупных, имеющих большое народнохозяйственное значение рос-
сыпных месторождений, разработка которых требует применения новых
или недостаточно апробированных на практике схем обогащения. При
этом должна быть определена экономическая целесообразность и рен-
табельность извлечения полезных компонентов на современном уровне
развития обогатительной техники. Это же относится и к сопутствующим
ценным шлиховым минералам.
Объем опытно-промышленной пробы составляет сотни и тысячи ку-
бических метров. При определении объема пробы учитывают техноло-
гические особенности песков, сложность технологической схемы их обо-
гащения, производительность опытной установки, на которой пробу
будут обрабатывать. Для опытно-промышленных испытаний отбирают
одну технологическую пробу, если месторождение представлено одним
технологическим типом песков (что присуще абсолютному большинству
россыпей) или две и более проб, если месторождение представлено
несколькими технологическими типами песков.
Технологическую пробу для опытно-промышленных исследований
49
отбирают по специальному проекту, в котором обосновывается объем
технологической пробы и схема ее отбора. Проект составляется гео-
логами, ведущими разведку россыпи, на основании всех имеющихся
по месторождению геологических и технологических данных. После
согласования с организацией, проводящей технологические исследова-
ния, проект утверждается руководством геологоразведочной партии
или экспедиции.
Технологическую пробу для опытно-промышленных испытаний,
представляющую все россыпное месторождение, следует отбирать
на нескольких его участках (составляя из частных проб из расчета
одна частная проба — с участка), подобранных таким образом, чтобы
в сумме частные пробы наиболее полно отражали все основные тех-
нологические свойства песков россыпи. Объем песков, отбираемых в
частную пробу, на каждом участке должен быть пропорционален
объему песков, которые она представляет. В соответствии с объемом
частной пробы рассчитывают параметры разведочного полигона, пред-
назначенного для технологического опробования.
Частные пробы отбирают из открытых полигонов с шахт с помощью
экскаваторов, бульдозеров, скреперов и других механизмов и агрега-
тов. Опытно-промышленную технологическую пробу, представляющую
один из технологических типов песков месторождения, отбирают таким
же обоазом, но в пределах той части месторождения, которая сложена
песками этого технологического типа.
Опытно-промышленные технологические пробы отбирают только
в контуре запасов категорий В и Сь Для сбора всего материала тех-
нологической пробы на месторождении около опытно-промышленной
установки должна быть подготовлена специальная крытая площадка.
После отбора частные пробы доставляют к месту испытаний автоса-
мосвалами или специальными контейнерами. Обработку проб следует
по возможности приблизить к месту их отбора с тем, чтобы не пере-
мещать на значительные расстояния большие массы породы.
К паспорту технологической пробы прилагают план россыпи с на-
несенными на него всеми горными выработками, из которых отбирался
материал в технологическую пробу, характерные разрезы месторож-
дения с теми же горными выработками, геологическую документацию
этих выработок.
5.6.	ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КАЧЕСТВУ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ
На выбор способа переработки руд, определение того или иного
технологического режима работы фабрики, а также на качество извле-
чения полезного компонента из руд могут оказывать влияние:
содержание в рудах основных и наиболее важных попутных полез-
ных компонентов;
особенности их распределения по минеральным составляющим;
минералого-петрографический состав руд;
50
структурно-текстурные особенности руд;
гранулометрические характеристики зерен полезных и породо-
образующих минералов;
интенсивность и характер изменения первичных руд в зоне окис-
ления;
включения прослоев вмещающих пород;
масса вмещающих пород, неизбежно попадающих в руду в про-
цессе ее добычи;
содержание компонентов, благоприятствующих технологическому
процессу, и вредных примесей, осложняющих этот процесс.
В связи с этим технологические пробы, предназначенные для ис-
следования с целью выбора наиболее рациональных технологической
схемы и режима переработки руд каждого выявленного типа, должны
представлять оцениваемое месторождение, рудное тело или участок по
своему составу и перечисленным свойствам с точностью, соответствую-
щей целям технологических исследований. В связи с этим под пред-
ставительностью технологической пробы понимают степень соот-
ветствия основных свойств руды (минерального и химического соста-
вов), отобранной в пробу, свойствам руды того технологического типа
(сорта), который она характеризует. При оценке крупных технологи-
ческих проб (полупромышленных и др.) необходимо также учитывать
следующие основные физические свойства руд: плотность, влажность,
крепость, кусковатость.
Для малообъемных (лабораторных) технологических проб, отоб-
ранных на вновь разведуемых месторождениях, следует использовать
рудный материал, не засоренный вмещающими породами. Однако в
него должны быть включены все безрудные прослои, имеющиеся внутри
рудного тела, если они являются выдержанными и маломощными и
раздельная выемка их при отработке месторождения невозможна.
В том случае, когда технологические пробы отбирают на эксплуати-
руемых месторождениях, они должны включать в себя рудную массу,
засоренную при добыче вмещающими породами.
Большеобъемиые технологические пробы для укрупненно-лабора-
торных и полупромышленных испытаний должны представлять сред-
ний состав рудной массы, т. е. смесь руды с промышленным содер-
жанием полезного компонента и разубоживающих ее вмещающих по-
род, ориентировочно в том же соотношении, в котором их будут вы-
давать на поверхность при эксплуатации. Такой рудный материал,
поступающий в технологическую пробу в разубоженном виде, не дол-
жен подвергаться рудоразборке.
Технологическая проба, предназначенная для промышленных
испытаний, должна представлять состав рудной массы в том виде, в
каком ее будут подавать в перерабатывающие цехи фабрики. Поэтому
руду для такой пробы отбирают в тех же условиях, в которых ве-
дется ее добыча при эксплуатации (с той же степенью разубоживания).
Предварительное заключение о представительности технологических
проб производится предприятием, отбирающим пробу. Окончательное
51
заключение о соответствии технологических проб техническим условиям
составляется организацией, проводящей исследования.
5.7.	ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОПРОБОВАНИИ
Важная часть работ при отборе технологических проб в процессе
разведки и эксплуатации месторождений — геологическая документа-
ция. Основная ее задача — правильное описание и отображение
геологических наблюдений, осуществляемых в местах технологического
опробования. Хорошо выполненная геологическая документация горных
выработок и скважин (в форме описания, зарисовок или фотосним-
ков) — основа объективной оценки геологического строения месторож-
дения, правильного представления о характере оруденения, типах руд
в местах отбора технологических проб. На основе геологической
документации можно оценить правильность отбора всех видов техно-
логических проб при разведке и эксплуатации месторождений.
В процессе отбора технологических проб на графической зарисовке
или фотодокументах отображают контуры мест отбора проб с тем,
чтобы иметь четкое представление об их расположении относительно
элементов залегания и внутреннего строения рудных тел. В журнале
геологической документации записывают данные о мощности, минераль-
ном составе, текстурно-структурных особенностях рудных тел, а также
номера проб, длину секций, их ширину и глубину.
Независимо от вида технологических проб место их отбора в про-
цессе геологоразведочных работ выбирают по результатам геологичес-
кого опробования и материалам массовой геологической документации.
Материал технологических проб отбирают обычно не в одном месте,
а в нескольких пунктах, по возможности равномерно размещенных в
пределах площади распространения того типа (сорта) руды, который
представляет данная проба. Сравнение геологической обстановки
массовым фотодокументам в значительной мере обеспечивает надеж-
ность оценки качественных показателей и вещественного состава руд
на различных участках месторождения и более обоснованный выбор
мест отбора технологической пробы.
На стадии поисково-оценочных работ технологические пробы отби-
рают в основном из полотна открытых разведочных выработок взрыв-
ным, бороздовым или задирковым способами. Фотогеологическая до-
кументация мест отбора технологических проб в таких условиях прак-
тически нецелесообразна, так как горные породы сильно изменены.
При вскрытии поверхностными горными выработками (канавами, тран-
шеями, шурфами) рудных тел, представленных крепкими породами,
рекомендуется выполнять фотосъемку наиболее характерных штуфов
руды, которая была отобрана в пробу. Техника и методика фотосъемки
в этом случае аналогичны применяемым при обычной геологической
документации. Отличительным признаком на фотодокументах должна
52
служить специальная маркировка штуфа с указанием номера техноло-
гической пробы.
На стадии предварительной разведки объем технологического
опробования резко возрастает. Производится отбор малых техноло-
гических (минералого-технологических, лабораторных) проб. При
вскрытии маломощных рудных тел жильного типа, вписывающих-
ся в сечение горной выработки, материал для малых технологических
проб отбирают в основном при проходке прослеживающих горизон-
тальных или восстающих выработок. Следовательно, объекты фотогео-
логической документации в первом случае — забои и кровля выработок,
во втором — стенки. В этом случае отбираемые технологические пробы
целесообразно характеризовать фотодокументами, фиксирующими гео-
логическую обстановку в плоскостях сечения выработки до и после
отбора пробы.
Методика фотодокументации мест отбора технологических проб
принципиально не отличается от методики обычной геологической фо-
тодокументации подземных разведочных выработок. Она сочетает в себе
приемы массовой и детальной фотосъемки. Массовой фотосъемке под-
лежат обнаженные поверхности выработок по всей длине и ширине,
чтобы на фотодокументах в масштабе 1:25; 1:50 фиксировалась выем-
ка рудного тела на полную его мощность. Фотодокументы должны
содержать информацию о морфологии рудных тел в плоскости сечения
и по направлению простирания или падения, характере контактов с
вмещающими породами, об основных элементах внутреннего строения
рудных тел, взаимоотношениях с тектоническими нарушениями и т. д.
В случае сложного внутреннего строения рудных тел следует иметь
также детальные фотоснимки масштабов 1:5; 1:2; 1:1, отражающие
визуально различимые структурно-текстурные особенности выделенных
типов руд.
Технологические пробы в ряде случаев составляют из керна не-
скольких колонковых скважин. Если скважины пробурены специально
для отбора технологических проб, то фотосъемку керна следует выпол-
нять так же, как при массовой геологической документации и систе-
матическом геологическом опробовании. Эти документы в масштабе
1:5 должны подтверждать, что выход керна составляет не менее 70%
и вещественный состав руды однороден. Если технологическая проба
составляется из керна разведочных скважин, оставшегося после от-
бора рядовых геологических пород, то помимо использования ранее
полученных фотоснимков массовой геологической документации целе-
сообразно выполнять дополнительную фотосъемку отдельных образцов
керна, характеризующих данный тип руды по всему пересечению вскры-
того рудного тела.
Фотогеологическая документация при отборе болынеобъемных тех-
нологических проб (укрупненно-лабораторных, полупромышленных,
опытно-промышленных) должна подтвердить правильность выбора
участков отбора проб, представляющих средние показатели руд по
основным характеристикам — вещественному составу, структуре, текс-
53
туре, физическим свойствам, содержанию вмещающих пород и разубо-
живающих руд. В зависимости от конкретных условий отбора больших
технологических проб — мощности рудного тела, способов разведки и
вскрытия месторождения и необходимой массы проб — фотодокумента-
ции подлежат различные объекты:
забои прослеживающих выработок (при небольшой мощности руд-
ных тел);
врезы (ниши) в стейках секущих выработок (рудные тела значи-
тельной мощности);
стенки, кровля и забои рассечек, ортов, специально пройденных
для получения большеобъемных полупромышленных проб (при мощ-
ных рудных телах),
забои и ленты очистных камер (при отборе технологических опытно-
промышленных проб массой до 2000 т и более)
Во всех этих случаях фотогеологическую документацию выполняют
по принципу массовой документации для получения фотосхем масштаба
1:25, реже 1:50. Фотосъемку выработок в мёстах отбора проб следует
выполнять после контрольного геологического опробования забоев штре-
ков, квершлагов, очистных выработок, т. е. до и после отбора основ-
ной массы материала проб. Геологическая документация в местах от-
бора технологических проб должна включать подробное визуальное
наблюдение и тщательное описание минерального состава рудных тел,
их строения, условий залегания и д. В случае сложного строения
рудных тел необходимо проводить дополнительную детальную фотодо-
кументацию выработок в масштабах 1:5; 1:10.
5.8.	ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ
В состав работ по предварительной подготовке (разделке) техно-
логических проб к исследованиям входят перемешивание, сокращение,
взвешивание и выделение дубликата. В отдельных случаях может осу-
ществляться рудоразборка и сортировка руды по фракциям крупности.
Все эти операции осуществляют непосредственно на месторождении,
где их отбирают Разделку лабораторных и укрупненно-лабораторных
проб сравнительно небольшой массы (от 0,1—2 до 15—20 т), отоб-
ранных в разведочных горных выработках или скважинах, проводят на
специально подготовленной площадке с настилом из листового железа
или плотно подогнанных досок. При этом площадки должны иметь на-
вес и быть достаточными по размерам для проведения без помех ука-
занных операций обработки проб.
Материал таких технологических проб, как правило, должен состо-
ять из кусков руды размером не менее 40 мм. Составлять пробу из
более мелкого материала нежелательно, так как на такой пробе будет
трудно, если это потребуется, проводить сортировку рудного материала.
Кроме того, мелкий рудный материал быстрее окисляется, что затруд-
няет его исследование и технологическую оценку. Если размер кусков
исходного материала пробы превышает 40 мм, то его необходимо про-
54
< <*ять на грохоте с отверстиями указанного размера и более круп-
ный (надрешетный) материал раздробить. После дробления материал
пробы тщательно перемешивают многократным (не менее 3 раз) пере-
< ыпанием на кольцо и конус для достижения однородности материала
по составу и содержанию полезных компонентов. Затем от него отби-
рают горстевым способом или вычерпыванием определенную часть
материала, характеризующую весь его объем, которую используют в
/|.альнейшем в качестве контрольной пробы. Контрольную пробу ана-
лизируют с целью установления содержания основных и попутных
полезных и вредных компонентов в материале технологической пробы.
Если их содержание в пробе отличается более чем на 20% от содержа-
ния в рудах коренного залегания оцениваемого участка месторожде-
ния, то пробу признают непригодной и отбирают новую.
Технологическую пробу после получения положительных резуль-
татов контрольного опробования делят квартованием на две части, одну
из которых направляют в соответствующую лабораторию на техноло-
гические испытания, а другую в качестве дубликата хранят непосред-
ственно на месторождении. Дубликат оставляют в связи с тем, что в
процессе испытаний технологических проб (в ряде случаев) возникает
необходимость дополнительных исследований. Оставление дубликата
технологических проб оговаривается в каждом конкретном случае в
проекте их отбора.
Разделку технологических (полупромышленных, опытно-промыш-
ленных) проб массой в несколько сотен тонн и более осуществляют
на специально подготовленной (бетонированной) площадке. Посту-
пающий в вагонетках из горных выработок рудный материал объеди-
няют и тщательно перемешивают бульдозером или экскаватором. При
этом куски руды крупнее 30—40 см разбивают, чтобы технологическая
проба в основном состояла из кусков, не превышающих эти размеры.
Объединенный и перемешанный материал делят на две части. Одну
часть направляют в исследовательскую организацию на испытания,
а вторую (дубликат технологической пробы) — хранят на месторожде-
нии. При транспортировании и перемешивании пробы большой массы
необходимо следить, чтобы она не загрязнялась посторонним материа-
лом и не переизмельчалась.
Желательно сохранять большую часть материала пробы в кусках
размером 30—40 см. Это связано с тем, что мелкий материал, как
правило, более обогащенный, быстрее теряется и окисляется при хра-
нении и транспортировании проб, что снижает их представительность.
Допустимая крупность технологических проб в каждом конкретном слу-
чае согласовывается с исследовательской организацией. Если проектом
работ предусмотрены такие испытания, как измельчение или промывка
руд, то дробление пробы исключается. Из пробы и ее дубликата от-
бирают контрольные пробы, которые после соответствующей обработки
направляют в лабораторию для анализа на основные и попутные по-
лезные и вредные компоненты. Анализ контрольных проб должен быть
осуществлен до отправки технологической пробы на исследование с
55
тем, чтобы контрольное опробование подтвердило расчетное (по данным
геологического опробования) содержание полезных компонентов в ос-
новной пробе и ее дубликате.
Рудный материал, отбираемый для технологических проб, должен
быть тщательно взвешён. При массе пробы до 300 т ее взвешивают в
вагонетках в процессе транспортирования из подземных горных вы-
работок до площади накопления (места складирования). В этом слу-
чае взвешивают все вагонетки с рудным материалом. При определении
фактической массы крупных технологических проб, отобранных из экс-
плуатационных очистных выработок, проводят выборочное взвешивание
каждой десятой-двадцатой вагонетки при тщательном учете их числа.
Одновременно со взвешиванием материала пробы осуществляют конт-
рольное маркшейдерское измерение пространства в тех выработках, из
которых отобраны технологические пробы. При маркшейдерских изме-
рениях в очистных выработках необходимо определять степень раз-
убоживания руды боковыми породами при ее отбойке в пробу с тем,
чтобы более надежно провести технологические испытания руд.
5.9.	КОНТРОЛЬНОЕ ОПРОБОВАНИЕ МАТЕРИАЛА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ
Материал, отбитый в технологические пробы, должен быть опробо-
ван с целью выявления его соответствия запланированному качеству,
установленному на основе данных геологического опробования, прове-
денного в местах их отбора. Опробование отбитого материала яв-
ляется по своему значению контрольным. Оно позволяет оценить пред-
ставительность отобранных проб перед их отправкой на исследование.
Отбитый и перемещенный из горных выработок материал техноло-
гических проб отличается большей однородностью своего состава, чем
в коренном залегании, что вызвано его перемешиванием в процессе
транспортирования на специально подготовленную площадку накопле-
ния, а также в результате разделки технологических проб. В таком
материале практически отсутствуют структурные и другие неоднород-
ности, но в то же время возникает его сегрегация по крупности (массе)
кусков, которая может привести к повышенной концентрации полезных
компонентов в наиболее мелкой части материала.
Основное условие надежности каждой частной пробы, отбираемой
при контрольном опробовании технологических проб,— ее соответствие
по гранулометрическому составу и основным качественным показателям
основной пробе. При этом очень важно, чтобы проба была такого
объема (массы), который гарантировал бы попадание в нее как мелких,
так и крупных кусков в той же пропорции, что и в месте ее отбора
из массива отбитого материала. В противном случае при нарушении
данного условия могут4 возникнуть существенные систематические по-
грешности, которые' могут привести к неправильному выводу о предста-
вительности технологической пробы в отношении содержания полезного
компонента.
56
Контрольное опробование материала, отбитого в технологические
пробы (лабораторную, укрупненно-лабораторную) относительно малой
массы (10—30 т), осуществляют после ее разделки. Широко распрост-
раненные способы контрольного опробования отбитого материала тех-
нологических проб — горстевой способ и способ вычерпывания.
При опробовании горстевым способом частные контрольные пробы
отбирают по квадратной сети с поверхности складированной техно-
логической пробы. Для обеспечения надежности частных контрольных
проб при ручном пробоотборе из отбитого неподвижного материала
необходимо соблюдать следующие правила. От технологической
пробы частные пробы отбирают в намеченных пунктах из предвари-
тельно подготовленных лунок глубиной 0,3—0,5 м. Материал в пробу
отбирают снизу вверх по стенке лунки, а затем высыпают в приемную
емкость, предназначенную для контрольной пробы. При крупнокускова-
том материале частные пробы из лунок отбирают пропорционально
крупности материала трех классов: менее 10 мм; до 50 мм; более 50 мм.
Плотность сети (параметр ячейки) отбора частных проб, составляю-
щие в целом контрольную пробу, колеблется от 0,3 до 0,6 м. Она опре-
деляется с учетом тщательности перемешивания отобранного матери-
ала, степени изменчивости распределения в нем компонентов, крупности
кусков рудного материала и однородности их размещения, а также
массы технологических проб. Представительность контрольной пробы
достигается равномерным размещением частных проб по опробуемой
поверхности рудного материала и послойным его опробованием в про-
цессе накопления на разделочной площадке.
Горстевой способ опробования оперативен и высокопроизводителен,
однако основной его недостаток — возникновение систематической по-
грешности за счет концентрации мелкого (часто обогащенного полез-
ным компонентом) материала в нижней части штабеля, располагаемого
на площадке накопления, который не попадает в пробы.
Способ вычерпывания (рис. 5.1) при отборе контрольных проб бо-
лее трудоемок, чем горстевой, но надежнее за счет отбора частных
контрольных проб не с поверхности навала рудного материала, идуще-
го в технологическую пробу, а по всей его глубине, что исключает
возникновение погрешностей за счет сегрегации материала по его круп-
ности и обогащенности. Этот способ наилучший при контрольном опро-
бовании технологических проб сравнительно малой массы (лаборатор-
ных, укрупненно-лабораторных). Частные контрольные пробы при этом
способе отбирают по всей мощности отбитого в технологическую пробу
материала после его перемешивания и размещения ровным слоем
(толщиной 0,3—0,6 м) на покрытой настилом площадке накопления.
Частные контрольные пробы в этом случае отбирают по равномер-
ной сети с параметром ячейки от 30 до 60 см в зависимости от массы
технологической пробы, тщательности перемешивания материала и его
однородности. Пробы отбирают специальным пробоотборником, изготов-
ленным из труб большого диаметра.
Контрольное опробование полупромышленной пробы, поступающей
57
Го	о	о	о	ol
3
о	о	о	d	о
о	о	о	о	о
о	о	о	о	о
о	о	о	о	о7
Рис. 5.1. Контрольное опробование тех-
нологической пробы вычерпыванием:
а — перемешивание методами кольца (1) и
конуса (2); б — разрез I и план II опробова-
ния (3 — место отбора проб)
от места отбора к месту накопле-
ния, осуществляется из вагоне-
ток (отбирают горстевые пробы
массой 4—5 кг) При массе тех-
нологической пробы до 300 т гор-
стевые пробы отбирают из каждой
вагонетки, а при массе 2000 т и
более — из каждой пятой — деся-
той. Из горстевых проб состав-
ляют объединенную контрольную
пробу, которая характеризует тех-
нологическую пробу в целом.
Контрольную пробу делят в про-
цессе перемешивания и перелопа-
чивания на две равные части,
которые служат затем двумя кон-
трольными параллельными про-
бами технологической пробы.
Выделенные контрольные про-
бы обрабатывают по разработан-
ным схемам до получения конеч-
ных проб массой 1—2 кг, а затем
направляют в лабораторию на
анализ с целью определения со-
держания основных и попутных
компонентов. Анализы контроль-
ных проб необходимо в обязатель-
ном порядке проводить до от-
грузки технологической пробы к
месту испытаний. Если состав кон-
трольных проб соответствует со-
ставу опробованного типа руд, то
технологическая проба может
быть направлена на испытание. Отбор частных контрольных проб из
руды, погруженной в вагонетки, автомашины и контейнеры, допуска-
ется ручным способом. При этом отбор частных проб должен прово-
диться по единой системе, например из рудной массы, находящейся
в вагонетках, материал в контрольную пробу отбирают горстевым спо-
собом в одних и тех же местах.
В том случае, когда технологическую пробу транспортируют на
площадку накопления с помощью ленточного конвейера, ее опробуют
пересечением потока автоматическим пробоотсекающим устройством.
Опробованием рудных масс, находящихся в движении на конвейере,
достигается наибольшая представительность контрольной пробы за счет
равномерного охвата частными пробами всей опробуемой массы техно-
логической пробы и применения автоматизированных пробоотборников,
исключающих ошибки ручного отбора проб.
58
При механизированном пробоотборе пробоотборники устанавливают
на перепаде потока руды с ленточного конвейера в штабель накопи-
тельной площадки. Пересечение рудного потока осуществляется про-
боотсекающим устройством через равные промежутки времени с по-
стоянной скоростью. За одно перемещение оно должно охватывать
все сечение потока рудного материала. При механизированном от-
боре контрольную пробу накапливают в специальном бункере и затем
обрабатывают по обычной схеме (дробление, перемешивание, сокраще-
ние) и направляют в лабораторию на анализ.
5.10.	ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ
При транспортировании технологических проб от мест отбора до
места накопления (складирования) и исследования недопустимы потери
материала или его разубоживание. При этом принимают во внимание
следующее:
вагонетки, в которых отбитую технологическую пробу направляют
на накопительную площадку, тщательно очищают, промывают и марки-
руют;
материал загружают в вагонетки до уровня, исключающего его по-
тери в процессе транспортирования от забоя до мест складирования
и разделки;
тщательно контролируют прохождение маркированных вагонеток до
мест накопления и учитывают их число и массу.
После завершения разделки технологические пробы подготавливают
для транспортирования к местам исследования. Технологические пробы
массой до 10—15 т транспортируют, как правило, в ящиках. Пробы
предварительно упаковывают в крафт-мешки, что исключает потери
мелочи. Каждый мешок с материалом взвешивают и помещают в от-
дельный плотный ящик, который маркируют. При этом номер и массу
каждого мешка надписывают на мешках и заносят в сопроводитель-
ную ведомость. Кроме того, в каждый мешок вкладывают бирку, где
обозначают номер мешка и массу рудного материала в нем.
Если на месторождении отбирается несколько технологических проб,
характеризующих разные типы руд, то перед номером каждого от-
дельного мешка проставляется индекс, присвоенный соответствующей
технологической пробе. В отдельных случаях технологические пробы
массой до 10—15 т могут быть транспортированы в плотных ящиках
без предварительной упаковки в мешки. При этом доски в ящиках
должны быть плотно подогнаны и иметь типовые соединения. После
этого упакованную пробу направляют в лабораторию соответствующего
института на исследование. Для удобства транспортирования масса
каждого ящика с материалом пробы не должна превышать 80 кг.
Крупнотоннажную технологическую пробу (полупромышленную,
опытно-промышленную) к месту испытаний транспортируют навалом в
автосамосвалах, вагонах или в специальных контейнерах в завйси-
59
мости от расстояния и условий транспортирования. При ее погрузке,
транспортировании и выгрузке следует принимать все необходимые
меры, исключающие потери материала, его загрязнение и воздействие
на него ветра, дождя, снега и т. д.
6.	ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ
6.1.	СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ
ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КАРТИРОВАНИЯ
Геолого-технологическое картирование (ГТК) — комплекс работ по
изучению пространственной изменчивости вещественного состава, тек-
стурно-структурной характеристики, физико-механических и технологи-
ческих свойств руд; выделению и изучению распределения на разве-
дуемых и разрабатываемых месторождениях технологических типов и
сортов руд с определением (прогнозированием) показателей обогаще-
ния по типам, сортам и участкам месторождений.
Работы по ГТК включают:
детальное количественное изучение минерального и химического
составов, текстурно-структурных характеристик и физико-механических
свойств руд с целью выявления природных (текстурно-минералогичес-
ких) типов и разновидностей руд, установления их пространственной
локализации и оценки изменчивости важнейших параметров качества
руд;
оценку обогатимости природных типов и разновидностей и ее измен-
чивости в пределах рудных тел;
установление зависимостей показателей обогащения от параметров
качества руд;
разработку геолого-технологической классификации (типизации)
руд с выделением технологических типов и сортов;
оконтуривание (при невозможности оконтуривания — установление
закономерности пространственного распределения и количественного
соотношения) технологических типов и сортов руд на геологических
планах, картах и разрезах, составление геолого-технологических карт
и разрезов;
оценку изменчивости информативных параметров качества и показате-
лей обогащения руд по технологическим типам, сортам, участкам место-
рождения и периодам эксплуатации.
Материалы ГТК используют для отбора представительных техно-
логических проб по технологическим типам и сортам руд для прове-
дения лабораторных и полупромышленных испытаний; составления
ТЭО временных и постоянных кондиций, а также ТЭО обоснования
детальной разведки и разработки месторождений; подсчета запасов по
технологическим типам и сортам руд; проектирования новых и рекон-
струкции действующих горно-обогатительных предприятий; планирова-
ния добычи и управления качеством руды, поступающей на обогаще-
ние (переработку).
60
Геолого-технологическое картирование — неотъемлемая часть еди-
ного геологоразведочного цроцесса и выполняется с полной увязкой
со всеми геологоразведочными данными. ГТК проводят на всех стадиях
разведки, но наиболее детально и достоверно — при детальной и экс-
плуатационной разведках.
В инструкциях ГКЗ СССР по применению классификаций запасов
различных полезных ископаемых изложены основные требования к
результатам ГТК месторождений.
Объемы и детальность ГТК на каждой стадии разведки определяют
исходя из требований ГКЗ СССР к разведанности и изученности раз-
личных категорий запасов.
Общие требования к изученности природных типов и разновидно-
стей, технологических типов и сортов руд в запасах промышленных
категорий Л, В и Ci, получаемых при предварительной, детальной и
эксплуатационной разведках:
определение природных разновидностей, технологических типов и
сортов руд;
качество выделенных технологических типов и сортов полезного
ископаемого должно быть охарактеризовано по всем предусмотренным
кондициями показателям;
должны быть определены минеральные формы нахождения полез-
ных и вредных компонентов.
Существенные различия требований ГКЗ СССР к категориям
запасов имеются по детальности технологических исследований и гео-
метризации технологических типов и сортов.
Исходя из требований ГКЗ СССР к запасам различных категорий
в табл. 6.1 приведены задачи, методы и цели ГТК на различных ста-
диях разведки.
6.2.	МЕТОДОЛОГИЯ ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КАРТИРОВАНИЯ
Имеется несколько разновидностей ГТК, различающихся главным
образом по способу определения показателей обогащения, используе-
мых для оконтуривания (геометризации) технологических типов и сор-
тов руд:
экспериментальный (определение технологических показателей обо-
гащения преимущественно опытным путем);
минералогический (определение минералогических факторов, опреде-
ляющих прогнозные показатели обогащения. Например, определение
гранулометрической характеристики касситерита при картировании
оловянных руд по методике ЦНИИолова) Эти методики обычно на-
зывают методиками минералого-технологического картирования;
расчетный (используют для определения прогнозных показателей
обогащения, математических зависимостей показателей обогащения от
информативных параметров качества руды)
Однако фактически при проведении ГТК ни один из вышеуказан-
ных способов определения показателей обогащения в чистом виде не
61
В Таблица 6.1
Содержание работ по геолого-технологическому картированию на различных стадиях разведки месторождений руд цветных и
редких металлов
Стадия геолого- разведочных работ	Категория запасов	Задачи ГТК	Методы ГТК	Цели ГТК
Предваритель-	Ci	В контурах запасов, разведуе-	Выделение и изучение природ-	Подготовка исходных данных
ная разведка	с2	мых до категории Ci,— опреде- ление вещественного состава, текстурно-структурных особен- ностей, физико-механических и технологических свойств выде- ленных природных типов и сор- тов руд. Выделение технологи- ческих типов и сортов руд и ус- тановление общих закономер- ностей их пространственного распространения и количествен- ного соотношения Предварительная (принципиаль- ная) оценка качества и обога- тимости руд	ных типов и разновидностей руд по данным геологической доку- ментации, химического и мине- ралогического опробования. Ис- следование вещественного сос- тава и обогатимости минерало- го-технологических проб (по природным типам и разновид- ностям), выявление количест- венных зависимостей показате- лей обогащения от информа- тивных параметров качества руд. Составление предваритель- ных геол ого-технологических карт и разрезов В контурах запасов категории С2 исследование вещественного состава и обогатимости руд по единичным минералого-техно- логическим пробам	для общей технологической оценки руд всего месторожде- ния, составление временных кон- диций, подсчета запасов по ка- тегориям Ci и С2, составление ТЭДа о целесообразности прове- дения детальной разведки
Детальная раз-	В	Детальное изучение веществен-	Количественные методы иссле-	Подготовка геолого-технологи-
ведка		ного состава, текстурно-струк- турных особенностей, физико- механических и технологических свойств и их изменчивости в вы- деленных технологических типах и сортах руд. Разработка де- тальной геолого-технологичес-	дований качества руд- Выделе- ние, а при возможности геомет- ризация природных типов и раз- новидностей руд по количествен- ным значениям признаков. /Ми- нералого-технологическое опро- бование природных типов и раз-	ческой основы для опробования по технологическим типам и сортам руд лабораторными, ук- рупненно-лабораторными и по- лупромышленными пробами, про- ведение технологической оценки запасов, обеспечивающей состав-
С., C2
кой классификации руд. Окон-
туривание либо установление за-
кономерностей пространствен-
ного распределения и количест-
венного соотношения техноло-
гических типов и сортов руд
новидностей руд. Испытание ма-
лых технологических проб, ха-
рактеризующих все рудные пе-
ресечения, по стандартным схе-
мам, разработанным на мине-
ралоге- технологических пробах
по природным типам руд. Ста-
тистическая обработка резуль-
татов анализов и технологичес-
ких испытаний проб, выявление
математических зависимостей
показателей обогащения от ин-
формативных параметров ка-
чества руд. Определение расчет-
ных формул для прогнозного
определения показателей обога-
щения с допустимой погрешно-
стью и вероятностью. Выделе-
ние технологических типов и сор-
тов руд и их оконтуривание (при
возможности) с использованием
экспериментальных и расчетных
показателей обогащения, а так-
же геофизических данных. Сос-
тавление геолого-технологичес-
ких карт и разрезов
ление постоянных кондиций и
подсчет запасов по технологи-
ческим типам и сортам по катего-
риям В и Cj. Получение данных
для проектирования ГОКов, пер-
спективного календарного пла-
нирования добычи и переработ-
ки руд на весь период отработ-
ки месторождения
Аналогично предварительной разведке
Промышленная
разведка
(доразведка)
В, С\
Уточнение качества, обогатимос-
ти руд и контуров технологичес-
ких типов и сортов руд на не-
достаточно детально изученных
и разведанных участках место-
рождения (флангах, глубоких
горизонтах, изолированных руд-
ных телах ит. п.)
/Методика исследований принци-
пиально аналогична применяе-
мой при детальной разведке.
Однако работы проводят часто
по более густой сети разведоч-
ных выработок. При этом ис-
пользуют все результаты и вы-
воды, полученные при геолого-
технологическом картировании
на стадии детальной разведки
Подготовка геолого-технологи-
ческой основы для технологичес-
кой оценки запасов с переводом
их в более высокие категории
(В, с.)
г
Стадия геолого- разведочных работ	Категория запасов	Задачи ГТК
Эксплуатацион- ная разведка: опережающая подстадия	А	Уточнение внутреннего строения и геометризация технологичес- ких типов и сортов, их качества и показателей обогащения в пре- делах эксплуатационного этажа (горизонта), группы блоков (ус- тупов), подготавливаемых к очистной выемке
сопровождаю- щая подстадия		Уточнение качества руды (или оптимальной шихты) в преде- лах эксплуатационных блоков (камер, уступов), находящихся в отработке
Продолжение табл. 6.1
Методы ГТК
Цели ГТК
Работы выполняют на базе ге-
олого-технологических карт и
разрезов, составленных при де-
тальной и промышленной раз-
ведке. Геолого-технологическое
картирование (опережающее
технологическое опробование)
производится с использованием
малых проб, расчета показате-
лей обогащения по уравнениям
регрессии, геофизических дан-
ных. Геолого-технологические
карты и разрезы составляют в
масштабе 1:1000—1:200
Работы выполняют на геолого-
технологической основе, состав-
ленной на подстадии опережа-
ющей эксплуатационной раз-
ведки. Определяют содержание
основных и попутных компонен-
тов, формы их нахождения (при
необходимости). Технологичес-
кие исследования проводят (при
необходимости) для уточнения
показателей обогащения смеси
руд различных сортов и управ-
ления качеством добываемых руд
Подготовка геолого-технологи-
ческой основы для обеспечения
текущего планирования добычи
и переработки на срок до 1—2
лет, а также для оперативного
пересчета запасов с переводом
их в категорию А
Подготовка исходных данных
для обеспечения оперативного
планирования добычи, перера-
ботки и управления качеством
руды, поступающей на обогаще-
ние .на период от смены до ме-
сяца (квартала)
применяется, а используется весь комплекс способов, но с различным
количественным соотношением между собой. Все разновидности ГТК
основаны на единой методологии, включающей следующие принци-
пиальные положения:
степень изменчивости минерального состава, текстурно-структурной
характеристики, физико-механических свойств и обогатимости руд, как
правило, соразмерны со степенью изменчивости содержаний основных
полезных компонентов и потому должны изучаться по достаточному
числу проб, как статистические совокупности;
степень технологической изученности запасов руд находится в пря-
мой зависимости от степени общей разведанности и изученности место-
рождений и определяется детальностью изучения технологических
свойств руд по пробам, а также степенью достоверности интерполяции
(экстраполяции) результатов этих исследований на запасы, представ-
ляемые пробами;
показатели обогащения находятся в корреляционных зависимостях
от информативных параметров качества руды, что обусловливает целе-
сообразность и возможность (особенно при коэффициентах корреляции
больше '0,7--0,8) использования 'расчетных показателей обогащения
(при достаточном числе контрольных прямых определений показателей
обогащения);
на пробах с малой массой можно получать (особенно для од по-
компонентных руд) технологические показатели, практически а на./
гичные (либо моделирующие) полученным на пробах с большой массой.
6.3.	МЕТОДИКА МАЛООБЪЕМНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОПРОБОВАНИЯ И КАРТИРОВАНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИ РАЗВЕДКЕ
Принципиальная схема проведения ГТК приведена на рис. 6.1
Геолого-технологическому картированию должно обязательно предше-
ствовать изучение, выделение и оконтуривание природные типов и раз-
новидностей руд, которые проводят при геологической документации
разведочных выработок, минералогическом опробовании и картирова-
нии. Для ГТК необходимо, чтобы по каждому природному типу и раз-
новидности были определены важнейшие параметры качества руд (в
том числе средние пределы колебаний, средние квадратические откло-
нения, коэффициенты вариации)
Ввиду того, что при геологоразведочных работах необходимая для
ГТК количественная оценка природных типов и разновидностей руд
часто не дается или она недостаточно полная и детальная, то во многих
случаях (особенно при минералого-технологическом картировании)
этот вид работ входит в состав ГТК.
Для месторождений различных геолого-промышленных типов коли-
чественные критерии для выделения природных типов и разновидностей
руд весьма разнообразны. Например, по классификации ВНИИцвет-
мета для полиметаллических руд, содержащих пирит и барит, учиты-
вают:
65
Выделение и оконтуривание при-
Геолого-технологическое картирование	родных типов и разновидностей
Химическое и минералогическое
опробование и картирование
Отбор и технологические исследования типовых и сортовых технологических
проб, характеризующих технологические типы и сорта руд, а также смеси
сортов руд в пределах одного технологического типа. Исследования в
лабораторном и укрупненно-лабораторном масштабах с целью разработки
схем и режимов промышленной переработки руд
................	......I
Отбор и испытания полупромышленных проб
|Подсчет запасов по технологическим типам и сортам руд|
Примечания: В случае получения низких показателей обогащения по стан-
дартным схемам и режимам необходимо провести поиско-
вые исследования с целью получения удовлетворительных
результатов.
2.	Число и массу малых проб определяют в каждом конкрет-
ном случае, исходя из сложности и изменчивости веществен-
ного состава, тесноты связей показателей обогащения от
параметров вещественного состава. Но они должны быть
достаточны для получения надежной статистической оценки
качества и обогатимости руд по природным типам и разнови-
дностям, технологическим типам и сортам.
3.	При разведке крупных месторождений со сложными измен-
чивыми рудами и значительными объемами проходки под-
земных разведочных выработок целесообразно технологиче-
ские исследования проводить на опытных фабриках, работа-
ющих на разведуемых месторождениях (на стадии детальной
разведки) В этом случае вся руда, попутно добытая при
проходке разведочных выработок, перерабатывается на
опытной фабрике, что обеспечивает полноту и высокую
представитепьносгь технологического опробования место-
рождения.
4.	Массу малообъемных, лабораторных, укрупненно-лаборатор-
ных и полупромышленных проб определяют стандартом на
отбор проб.
Рис. 6.1. Принципиальная схема геолого-технологической оценки запасов руд при
разведке
характер рудной массы (набор и соотношение основных металлов);
характер рудной основы (соотношение основных рудных минералов
меди, свинца и цинка с пиритом и баритом),
интенсивность оруденения (абсолютные содержания основных ме-
таллов) ,
степень окисления;
размерность зерен рудных минералов;
текстурно-структурную характеристику;
содержание элементов-примесей и основных породообразующих
минералов.
При этом природные типы и разновидности руд выделяют с учетом
граничных критериев качества. В основу их могут быть положены раз-
67
личные принципы. Так, по ВНИИцветмету граничные значения призна-
ков подбирают для полиметаллических руд с учетом утвержденных
кондиций на полиметаллические руды и данных по их обогащению.
Минимально учитываемое в классификации содержание компонента
принимается равным или больше бортового. В тех случаях, когда бор-
товое содержание не утверждалось, рекомендуется учитывать лишь те
компоненты (из числа основных), содержание которых превышает 5—
10% (относительно суммы содержаний всех основных компонентов)
При этом 5%-й уровень принимают, если сумма абсолютных содержа-
ний всех основных компонентов более 10%. Для барита и пирита мини-
мально учитываемое содержание принимается равным 20% (относи-
тельно суммы содержаний галенита, сфалерита, халькопирита, барита
и пирита)
Для. выделения и оконтуривания природных типов руд в мощных
рудных толщах с непрерывными переходами одних руд в другие и
с наличием минералого-геохимической зональности используют коэф-
фициенты, отражающие условия образования (седиментацию, диагенез
осадков, отложение из гидротермальных растворов, процессы метамор-
фических, метасоматических гипергенных преобразований и др.) руд.
Например, при геолого-технологическом картировании Михайловского место-
рождения железистых кварцитов в качестве количественных параметров исполь-
зовали коэффициенты магнитности (Км = FeM4n„„т/Fe) и окисленности [/<Ок =
= Ее20з/ (РеО + РегОз)], а также коэффициенты сернистости (S/Fe), фос-
фористости (Р/Fe), карбопатности (П.П.П./Fe).
После выделения природных типов (разновидностей) руд в их кон-
турах формируют групповые пробы, характеризующие природные типы
руд на интервалах длиной до 10—15 м и более (для месторождений с
большой мощностью рудных тел — штокверковые, пласто- и линзооб-
разные залежи и др.)
В групповые пробы объединяют рудный материал смежных (по
мощности) рядовых проб одного и того же природного типа. При малой
мощности рудных тел групповая проба может быть отобрана из не-
скольких рудных пересечений (в пределах одного разведочного про-
филя) В этом случае необходимо обеспечить однородность групповых
проб. При компоновке групповых проб, отбираемых из нескольких пере-
сечений, ВНИИцветмет рекомендует использовать принцип оптималь-
ных интервалов геохимических выборок:
X = (x1Ilflx-xIllin)/(l+3,2lg^>
где /< — оптимальный интервал выборки («шаг» групповых проб) по
рассматриваемому параметру; хгп.1Х, xmjn — соответственно максималь-
ное и минимальное значение параметра (содержание металла, окислен-
ных форм и т. п.); N — число проб, учитываемых при определении
оптимального интервала выборки.
Оптимальный интервал рассчитывают с учетом рядовых проб по
всем выборкам (скважинам), вскрывающим одноименный природный
тип руд в пределах каждого разведочного сечения (профиля) отдельно.
68
Параметры качества руд соседних разведочных выработок, объединяе-
мых в одну групповую пробу, не должны отклоняться более чем на
50% от расчетного «шага» групповой пробы. Например, при «шаге»
по содержанию свинца 6% в групповую пробу могут быть объединены
рядовые пробы с содержанием 3—9% свинца.
Пробы анализируют на содержание основных полезных и важней-
ших попутных компонентов, подвергают полуколичественному спект-
ральному и фазовому химическому анализам, а также сокращенному
минералогическому анализу.
Результаты всех анализов групповых проб выносят на геологиче-
ские разрезы, на которых производится оконтуривание природных типов
разновидностей руд.
Подготовленная таким образом геологическая карта с геометризо-
1ЩННЫМИ природными типами и разновидностями руд является основой
для последующего отбора и испытаний минералого-технологических и
малых технологических проб в оптимальных объемах.
Для обеспечения представительности малых технологических и
минералого-технологических проб, отбираемых при ГТК, рекомендуется
при их компоновке из групповых проб пользоваться схемой (рис. 6.2),
предусматривающей возможность отбора проб двух видов (I и II).
Малые технологические пробы I вида характеризуют только одно пере-
сечение рудного тела в пределах одной разновидности или типа (если
тип представлен одной разновидностью) Малые технологические
пробы II вида характеризуют одну и ту же разновидность руд, но из
нескольких пересечений рудных тел разведочными выработками. В про-
Прировный тип руды
Разнобидноешь	I	Разновидность Л
Ш/ ЕО СШз
Рис. 6.2. Принципиальная схема компоновки малых технологических и минералого-
технологических проб при геолого-технологическом картировании:
/—3 соответственно рядовые, групповые и объединенные разведочные пробы; МТПГ —
малая технологическая проба I вида (по групповым пробам); МТПО — малая технологиче-
ская проба II вида (по объединенным пробам), М-ТПР — минералого-технологическая
проба природной разновидности руды; М-ТППТ минералого-технологическая проба при-
родного типа руды
69
бу отбирается материал из соседних разведочных пересечений по прин-
ципу однородности вещественного состава текстурно-структурных и
физико-механических свойств.
Минералого-технологические пробы I вида отбирают из всех пере-
сечений рудного тела разведочными выработками с одной и той же
природной разновидностью в пределах одного горизонта, эксплуатацион-
ного или подсчетного блока. Эти пробы дают среднюю характеристику
разновидности. Минералого-технологические пробы II вида отбирают
из всех пересечений рудного тела разведочными выработками с одним
и тем же природным типом руд в пределах горизонта, эксплуатацион-
ного или подсчетного блока. Они дают среднюю характеристику типа
руды.
Крупность малых технологических проб должна быть нс менее
6(5)—0 мм. Для этого их компонуют из рудного материала нужной
крупности, остающегося при разделке рядовых химических проб, либо
из специально отобранного материала (бороздовые и керновые пробы)
Использование для этих целей тонкоизмсльченных дубликатов групповых
проб допустимо лишь в исключительных случаях, когда невозможно
заново отобрать пробу.
Должна строго выдерживаться последовательность операций при
отборе материала в малые пробы. В каждом разведочном сечении груп-
повые пробы, представляющие одну природную ^разновидность (после
отбора из них резервных дубликатов), объединяют в пропорциональных
долях, отвечающих характеризуемым ими мощностям рудных тел.
Из собранного и перемешанного материала отбирают малообъемную
пробу (массой до 40 кг и более) Остальной материал направляют на
формирование смеси, характеризующей природную разновидность и
тип руды в целом по месторождению. При формировании смеси должно
выдерживаться требование о пропорциональном объеме материала
из различных разведочных сечений (в соответствии с долей природной
разновидности в общей мощности рудного тела)
Из этой смеси, после ее шихтовки и перемешивания, отквартовы-
вают материал для минералого-технологической пробы, характеризую-
щей усредненную разновидность руд (масса пробы 50—100 кг). Осталь-
ной материал поступает на формирование минералого-технологической
пробы по природному типу руд, которая компонуется из материала
всех разновидностей руд данного природного типа (масса 250—300 кг).
Сформированная минералого-технологическая проба при направлении
на технологические исследования должна сопровождаться серией част-
ных малых проб, характеризующих все природные разновидности руд,
входящих в данный природный тип. Это позволяет при разработке
оптимальной схемы и режима технологической обработки руд данного
типа определить возможные отклонения в измельчаемости, расходе
реагентов, времени флотации применительно к каждой природной раз-
новидности, а также провести исследования по определению оптималь-
ной шихтовки.
Исследования минералого-технологических и малых технологиче-
70
ских проб — основа для характеристики вещественного состава, тек-
стурно-структурных особённостей, физико-механических свойств, обо-
гатимости руд и их изменчивости по природным типам и разновидно-
‘тям, технологическим типам и сортам. По этим же пробам определя-
ется характер зависимости между параметрами качества руд и пока-
зателями обогащения.
Комплекс исследований вещественного состава по групповым, ма-
лым, минералого-технологическим и типовым технологическим пробам
приведен в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Рекомендуемые определения параметров качества по различным видам проб
при геолого-технологическом картировании месторождений
Комплекс ИС	Виды проб			
		мал ыс техноло- гические	минерало- го-техно- логиче- ские	типовые техноло- гические
Содержание основных полезных и важ- нейших попутных компонентов Анализ:	+	+	+	+
полный химический			+	+
пол укол и чест венный спектральный	+	+		
количественный		+	+	+
спектральный сокращенный фазовый полный фазовый	+	+	+	+
сокращенный минералогический полный минералогический	+	+	+	+
Определение размеров зерен, структур и текстур руд		+	+	+
Изучение степени раскрытия рудных зе- рен при различном измельчении			+	+
Изучение мономинеральных фракций			+	+
Изучение физико-механических свойств		+	+	+
Особое внимание уделяется минералого-технологическим пробам, так
как на них разрабатывают принципиальные схемы обогащения природ-
ных типов руд, выявляют технологические типы и сорта, разрабатывают
стандартные моделирующие технологические схемы и режимы для оценки
малых проб, выявляют информативные параметры качества руд, наибо-
лее тесно связанные с показателями обогащения, разрабатывают методы
экспрессного изучения вещественного состава руд по малым пробам.
Обогатимость руд по минералого-технологическим пробам изучают
обычными лабораторными методами. Поэтому масса этих проб должна
быть достаточной для проведения всего объема исследований, в том
числе в замкнутом цикле.
Учитывая широкий диапазон колебаний содержания полезных
71
При исследовании руд, содержащих ценные элементы-спутники, необ-
ходимо проводить вначале полуколичественные спектральные анализы
концентратов на содержание этих элементов, а в случае установления
повышенных концентраций — количественные.
В тех случаях, когда качество получаемых концентратов опреде-
ляется не только содержанием полезных компонентов, но и некоторыми
примесями (например,Р, S, CaO, MgO, AI2O3, SiOo в железных рудах),
концентраты также анализируют на содержание этих примесей.
Необходима тщательная документация всех опытов по массовой
обработке малых технологических проб с фиксацией схемы, режимов
обработки, выходов продуктов обогащения и их анализов.
Паспортизация проб руды’, оформленная в виде документов постоян-
ного хранения, необходима при проведении последующих работ, свя-
занных как с геологическими (например, подсчет запасов), так и с тех-
нологическими построениями. Паспорта руды следует рассматривать
как обязательный фактический материал к технологическим картам,
который позволяет при необходимости пересмотреть возможные вари-
анты этих карт, особенно при изменении технических условий на руды
или технических возможностей обогащения.
Геометризация технологических типов и сортов руд. Для подсчета
запасов руд по их технологическим типам и сортам по различным кате-
гориям необходима их геометризация (запасы категории Л и частично
В) либо установление закономерностей пространственного распределе-
ния и количественного соотношения (категории С\ и частично В)
При полном совпадении природных и технологических типов руд, при-
родных разновидностей и технологических сортов руд оконтуривание
технологических типов и сортов производится по контурам природных
типов и разновидностей. Однако во многих случаях такого не наблю-
дается. Обычно контуры технологических и природных типов руд, тех-
нологических сортов и природных разновидностей совпадают лишь
частично. В этом случае для оконтуривания технологических типов и
сортов используют малообъемные и минералого-технологические пробы,
а также определяют показатели обогащения по зависящим от инфор-
мативных параметров вещественного состава уравнениям регрессии.
Как правило, уравнения регрессии достаточно надежно и с требуемой
точностью могут быть использованы для прогнозирования показателей
обогащения руд месторождений всех геолого-промышленных типов.
Для природных типов руд, сложенных несколькими разновидностями,
надежность и точность прогноза по уравнениям регрессии более низ-
кие, чем для каждой разновидности в отдельности. Поэтому для обес-
печения необходимой достоверности расчетные показатели по типам
руд должны систематически контролироваться экспериментальными
методами. Число контрольных определений должно быть не более 15—
20% от общего числа расчетных и экспериментальных определений.
Комбинирование экспериментальных и расчетных определений показа-
телей обогащения обеспечивает требуемую плотность наблюдений,
необходимую для подсчета запасов по технологическим типам и сортам
74
руд по тем же категориям, что и подсчет запасов руды и полезных
компонентов.
Широкое, но научно обоснованное использование расчетных пока-
зателей обогащения руд при проведении малообъемного технологиче-
ского опробования и картирования позволяет выполнять исследования
вещественного состава и 'обогатимости руд в оптимальных объемах,
без потери точности и надежности.
Составление геолого-технологических карт Геолого-технологические
карты (планы горизонтов, разрезы) — графическое выражение резуль-
татов ГТК, а также информационная основа для организации добычи
руд с целью переработки их в оптимальных режимах, обеспечивающих
полноту и комплексность извлечения полезных компонентов. Их состав-
ляют на всех стадиях картирования в соответствии с категориями
разведанных запасов. При предварительной и детальной разведках
масштаб карт и разрезов составляет 1:5000—1:2000, при эксплуата-
ционной разведке — 1:1000- 1:200.
На геолого-технологические карты и разрезы выносят все отобран-
ные и испытанные технологические пробы, контуры природных типов
и разновидностей, технологических типов и сортов руд. На картах
или отдельных накладках к ним изолиниями должно быть показано
распределение (по каждому типу и сорту) технологических показателей
обогащения и информативных параметров качества руд, которые могут
быть непосредственно использованы для планирования и управления
качеством руды. Построение изолиний проводится ручным или машин-
ным способами. При этом используют программы тренд-анализа или
изолиний.
Интерполяцию или экстраполяцию данных по пробам на запасы
проводят общепринятыми способами. Пример геолого-технологической
карты приведен на рис. 6.3.
6.4.	МЕТОДИКИ ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КАРТИРОВАНИЯ
Наиболее часто применяют методики О. П. Иванова (ЦНИИОлово)
и Б. И. Пирогова (Криворожский горнорудный институт)
Методика ЦНИИОлова. Методику минералого-технологического кар-
тирования оловорудных месторождений применяют на всех стадиях их
разведки и эксплуатации. В качестве основного исходного материала
для исследований используют специальные технологические пробы, от-
бираемые по сети опорных геологоразведочных выработок. Опробованию
подвергают выработки, вскрывающие рудные тела на всю ширину про-
мышленного контура с прихватом пустых разубоживающих пород. Опро-
бование подземных выработок проводят непрерывной бороздой сек-
ционно по природным типам руд, но можно использовать также рудный
керн и шлам. Масса проб, достаточная для проведения необходимых
исследований, составляет нс более 10—15 кг. Все пробы обрабатывают
75
Рис. 6.3. Схема распределения руд с разным извлечением меди на горизонте
1505 м медно-порфирового месторождения:
1 — 4 — извлечение меди на участках соответственно составляет, %: > 85, 80—85; 75—80;
<75; 5 — скважины эксплуатационной разведки, из которых отбирали пробы для
ГТК
по стандартной схеме (рис. 6.4) На исследование поступает материал,
дробленый до —2 мм. Каждую пробу подвергают, детальному химиче-
скому, минералогическому й гранулометрическому анализам. Например,
при картировании одного из месторождений сульфидно-касситеритовых
руд химическим анализом определены содержания олова общего, мышь-
яка, бора, индия, серебра, висмута, сурьмы; фазовым анализом — рас-
пределение олова (в форме оксидов, станнина и окисленных кислото-
растворимых форм), триоксида вольфрама (в форме вольфрамита и
шеелита), меди (в форме оксидов, вторичных сульфидов и халькопири-
та), серы (общей и сульфатной), свинца (в форме англезита, церус-
сита, суммы миметизита и пироморфита, галенита и суммы плюмбояро-
зита и бедантита) и цинка (в форме смитсонита, суммы адамина и
каламина, сфалерита) Минеральный состав проб устанавливают с по-
мощью минералогического и химического анализов, а также селектив-
ного растворения. Были определены содержания карбонатов, гидрок-
76
Исходная минералого-
технологическая проба
f
Дробление
Грохочение
|-5мм
Перемешивание
Сокращение
Остаток
Дроблением
Грохочение
мм
Перемешивание
~ V
Сокращение
£кг |	|5-5 кг
Исследование
обогатимости
Минералого-
химический
анализ
Перемешивание
Сокращение
Сокращение
Ситовой анализ___________
|-0,07мм|”0,2+0,07мм|-0,5+^мм|-2>+0,55 мм
Разделение в тяжелой жидкости
каждого класса
0,5кг
Тяжелая
фракция
Легкая
фракция
Грохочение
Дробление
Перемешивание
Сокращение
Магнитная
сепарация
Немагнит-
ная фрак-
ция
брикетирование
Измельче-
тирание
Запас, (разо-
вое растворе- ние и ис~
ние тиранив
Магнитная
фракция
0,2 ю
Исследование	Шлиховой
под микро- анализ
скопом
Химический
анализ
Складиро-
вание
Исследование
под микроско-
пом
Рис. 6.4. Типовая схема обработки и изучения минералого-технологических проб
оловянных руд
77
сидов железа, сульфидов, полевых шпатов, слюд, глинистых минералов,
кварца.
Пробу, предназначенную для минералогических исследований, рас-
сеивают на четыре класса (-24-0,5; -0,54-0,2; -0,24-0,074 и
— 0,074 мл1) Шламы (класс —0,074 мм) из дальнейшего исследования
исключают. Затем от каждого класса берут по две навески: одну для
определения содержания олова, другую — для разделения в тяжелых
жидкостях на легкую и тяжелую фракции. Легкую фракцию изучают
как шлих под бинокуляром. Из тяжелой фракции изготавливают поли-
рованные препараты (брикеты) для определения под микроскопом мине-
рального состава, степени освобождения касситерита, а также харак-
тера его срастания с сопутствующими минералами. Магнитную фрак-
цию ввиду небольшого выхода изучают под бинокуляром. При необхо-
димости из нее изготавливают брикеты. Подсчет сростков и свободных
зерен касситерита, а также определение их размеров производят для
каждого класса отдельно линейным способом с помощью окуляр-микро-
метра.
Особое внимание в методике ЦНИИолова уделяется количественной
оценке наиболее важных для обогащения оловянных руд гранулометри-
ческих параметров касситерита (в том числе относительного содержа-
ния в руде касситерита в виде зерен размером -24-0,025 мм и свобод-
ных зерен) Парный коэффициент корреляции между извлечением олова
в гравитационный концентрат и относительным содержанием кассите-
рита в виде свободных зерен в классе -0,54-0,2 мм составляет 4-0,8
и более.
По результатам определения гранулометрических параметров оло-
вянные руды относят к различным технологическим типам и прогнози-
руют показатели обогащения (табл. 6.3)
Таблица 6.3
Минералого-технологическая классификация оловянных руд
п руды		Характеристические параметры руды		Извлечение олова в гра- витационный концентрат, %
		Преобладающий размер вкрапленности касситерита, мм	Относительное содержание касси- терита в виде свободных зерен, %	
I 1	(крупновкрапленная)	+ 0,375	75	80
II	(средневкрапленная)	+ 0,250	50—75	65—80
III	(мелковкрапленная)	+ 0,125	25—50	40- 65
IV	(тонковкрапленная)	-0,125	25	40
Примечания: 1 Параметры приведены для руды, измельченной до —2 мм и с вы-
деленным шламовым классом — 0,063 мм. 2. Под преобладающим размером вкраплен-
ности понимается гранулометрический класс касситерита, на долю которого приходится
50% общего касситерита руды.
Типы руд разделяют на подтипы и сорта по содержанию сульфидов:
78
Содержание сульфидов,	<5	5—10	> 10
Подтип	Низкосульфид- Умеренно-суль- Высокосуль-
ные	фидные	фидные
Сорта руд внутри подтипов выделяют по основным компонентам,
имеющим промышленную ценность (например, оловянные, оловянно-
вольфрамовые, оловянно-медные, оловянно-полиметаллические и т. д.)
Прямое (экспериментальное) определение показателей обогащения
проводится в зависимости от степени изменчивости параметров каче-
ства руды для всех минералого-технологических проб или их определен-
ной части (каждая вторая, третья и т. д.) Исследования проводят по
сокращенной стандартной технологической схеме (рис. 6.5) с получе-
Руда крупностью -0,5+0 мм
Основная срлотация сульфидов (W мин)
Пенный
продукт
Камерный
продукт
Перечистная
Конце нтрация
Промежуточный
продукт
Перечистка
|	V	|	v
Сульфидный Концентрат Промежу- Промежу- Хвосты Шламы
прддукт оловянный точный точный
продукт продукт
I П
Рис. 6.5. Упрощенная флотационно-гравитационная схема обогащения (ЦНИИ-
Олово).
79
нием концентратов близкого качества. Цель прямого изучения обога-
тимости проб — получение относительных технологических показателей,
которые бы позволили сопоставить эти пробы между собой и выделить
среди них определенные группы со сходной обогатимостью. Подобная
информация в совокупности с определением информативных параметров
качества руд дает возможность обоснованно геометризовать в недрах
типы, сорта и разновидности руд и составить минералого-технологи-
ческие и геолого-технологические карты и разрезы.
На минералого-технологические карты и разрезы наносят не пока-
затели обогащения, а наиболее важные в технологическом отношении
параметры вещественного состава руд.
Разновидности руд выявляют на минералого-технологических кар-
тах, как участки распространения проб со сравнительно однородными
важнейшими параметрами. Минимальные размеры оконтуриваемого
участка, сложенного рудой определенной разновидности, не должны
быть меньше размеров эксплуатационного блока или такой его части,
которую можно отработать селективно. После оконтуривания таких
участков для каждого из них вычисляют средние параметры, коэффи-
циенты вариации, дисперсию и другие статистические характеристики.
Для объективного выделения и геометризации типов, сортов и разно-
видностей руд используют различные математические методы, в том
числе методы разграничения геологических объектов на области стати-
стической однородности по комплексу признаков, метод главных ком-
понент и др. На заключительной стадии геолого-технологического (мине-
ралого-технологического) картирования по методике ЦНИИОлова от
каждой выделенной разновидности отбирают технологическую пробу
большой массы с гарантированной представительностью по всем важней-
шим параметрам качества руд.
Методика Криворожского горнорудного института. Принципиальная
схема последовательности работ при минералого-технологическом кар-
тировании месторождений магнетитовых железистых кварцитов при-
ведена на рис. 6.6. Сущность этой методики состоит в следующем:
детальное изучение вещественного состава и текстурно-структурной
характеристики руд с целью выделения типоморфных признаков и ассо-
циаций минералов, определяющих их технологические особенности;
установление при топоминералогическом картировании закономер-
ностей в изменчивости вещественного состава минералого-генетических
типов руд и текстурно-минералогических разновидностей в пределах
отдельных рудных залежей, горизонтов, уступов, блоков;
оценка технологических особенностей минералого-генетических ти-
пов и текстурно-минералогических разновидностей с учетом закономер-
ностей изменчивости их вещественного состава;
разработка минералого-технологической классификации руд место-
рождения с выделением технологических типов и сортов;
оконтуривание технологических типов и сортов на основе топомине-
ралогических карт, разрезов, планов; составление минералого-техноло-
гических документов.
80
Составление геолого-структурной основы
I
Минералого-генетическое изучение руд
Минералого-петрографическое
изучение
Изучение физических и физико-механи-
ческих свойств
Исследование химического и фазового составов
Топоминералогическое картирование минералого-генетических типов и
основных текстурно-минералогических разновидностей руд
--------------------------------!--------------------------------
Технологическое исследование руд
Технологическое опробование разновид-
ностей руд
Составление уравнений регрессии,
увязывающих основные минералого-гене-
тические и технологические параметры
Рис. 6.6. Принципиальная схема геолого-технологического картирования место-
рождений железных руд по методике Б. И. Пирогова (КГРИ)
Текстурно-минералогические разновидности руд
выделяют на основе следующих основных критериев:
химико-аналитических — содержания химических компонентов (FeO,
SiO2, СО2, Na2O-FK2O, Р, П.П.П.) и отношений Fe2O3/(FeO + Fe2O3);
SiO2/Fe; (Na2O +К2О)/Fe; S/Fe; P/Fe; П.П.П./Fe; CO2/Fe;
минералогических — содержания основных рудных минералов, по-
лученные путем подсчета данных химических анализов; весовая доля
основных минеральных форм железа (железо в форме магнетита, гема-
тита-(-мартита, гидроксидов, карбонатов, силикатов) по данным фазо-
вых анализов в сочетании с микроскопическим, термовесовым и др.;
петрографических — тип текстуры по отношению рудных, смешан-
ных и нерудных прослоев; их мощности — тонко-, средне-, широко-,
грубо-, неясно- и смешаннослоистые; структурные признаки — характер
вкрапленности рудных и нерудных минералов — друг в друге с выде-
лением крупно-, мелко-,‘тонко- и весьма тонковкрапленных руд; грану-
лометрия важнейших рудных и нерудных минералов, типы их сраста-
ний.
81
По этим критериям с учетом минералого-генетических законо-
мерностей, особенностей геологической структуры, стратиграфии и
литологии внутри толщи кварцитов по каждой разведочной скважине
и по забоям уступов карьера выделяют основные текстурно-минерало-
гические разновидности руд. Данные по скважинам и забоям увязы-
вают на погоризонтных планах и профилях. В каждом профиле вы-
деленная разновидность характеризуется по крепости, удельной ра-
боте дробления, плотности.
По каждой разновидности проводят статистическую обработку всех
характеристик с определением их средних значений, средних квадра-
тических отклонений и коэффициентов вариации в целом по место-
рождению и по различным горизонтам. На планы и профили наносят
главные и минералого-петрографические характеристики, подчеркиваю-
щие существенные отличительные признаки разновидностей руд при их
мощности не менее 10 м.
Технологические исследования при детальной и промышленной раз-
ведках осуществляют на представительных пробах по основным тек-
стурно-минералогическим разновидностям руд, на которых в лаборатор-
ных условиях разрабатывают технологические схемы и режимы обога-
щения руд в открытом и замкнутом циклах с выделением технологиче-
ских типов и сортов руд.
Число технологических проб зависит от степени неоднородности
руд, а также может быть связано с необходимостью оценки руд по
отдельным периодам отработки (5—10 лет) или на разных глубинах
месторождений.
При эксплуатационной разведке пробы по каждому эксплуатацион-
ному блоку отбирают по текстурно-минералогическим разновидностям
по сети разведочных выработок. По пробам определяют минералого-
генетические параметры и экспериментальным путем (при заданной
степени измельчения руд) фактические показатели обогащения (содер-
жание в концентрате и хвостах железа общего и магнитного, выход
концентрата). Для перспективной оценки технологических показателей
обогащения руд на период более 1—2 года по каждой разновидности
составляют уравнение множественной регрессии, увязывающее типо-
морфные минералого-генетические признаки и технологические пара-
метры руд.
6.5.	МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КАРТИРОВАНИЯ
Математическую обработку результатов исследования веществен-
ного состава и обогатимости малых проб проводят с целью:
расчета средних взвешенных параметров качества и технологических
показателей обогащения руд определенного природного типа (техноло-
гического типа, сорта, рудного тела, добычного блока и т. д.) по всем
пробам, характеризующим этот объект;
82
определения изменчивости параметров качества и показателей
обогащения руд, а также определения оптимального числа проб;
выявления и количественной оценки взаимосвязей между основными
параметрами качества, определяющими технологические свойства руд,
и технологическими показателями их обогащения;
прогнозирования показателей обогащения по информативным пара-
метрам качества руды.
Результаты обогащения каждой малой пробы сводят в стандартные
таблицы (табл. 6.4), в которых с помощью формул подводят балансы
распределения полезного компонента в продуктах обогащения и под-
считывают его извлечение в концентраты.
Табл ица 6.4
Форма таблицы для обработки результатов геолого-технологического
картирования
Объект
картирования
Технологические показатели
Природ-
ный
(техно-
логиче-
ский)
тип
руды
Рудное
тело
(добыч-
ной
блок)
Масса
РУДЫ,
кг
Номер
малой
пробы
Продукты
обогащения
Выход
кон-
цен-
трата,
Содержание, %
Извлечение, %
Определяемые компоненты
Концентрат
Хвосты
Руда
100
Концентрат
Хвосты
Руда
100
100
100
100
Итого
по при-
родному
типу
Концентрат
Хвосты
Руда
Концентрат
Хвосты
Руда
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
2
2
3
При невязках в балансе необходимо повторить анализы продуктов
обогащения либо провести контрольные опыты на дубликатах проб.
После подсчета результатов обогащения каждой отдельной малой
пробы по приводимым ниже формулам определяют средние взвешен-
ные показатели обогащения для каждого технологического сорта, уча-
стка, горизонта и всего месторождения в целом, а также по тем его
участкам, от которых отбирали укрупненные лабораторные или полу-
промышленные пробы с целью сопоставления среднерасчетных данных
обогащениях малых проб с данными укрупненных испытаний.
Средние взвешенные показатели обогащения малых проб подсчиты-
83
вают с учетом длины рудных интервалов, из которых отобрана проба,
или объемов (массы) руды, которые характеризует каждая проба.
Среднее взвешенное содержание полезного компонента аср в пробе
рассчитывают по формуле
аср =	•••	Нntin)/^Н,
где Н\у Н<2, Нп — длины рудных интервалов; ои, аг, ап— содержание
полезных компонентов в малых пробах.
Аналогичным образом рассчитывают средние выход концентрата,
содержание полезного компонента в концентрате и извлечение. Сред-
ние взвешенные показатели обогащения малых проб сопоставляют с
данными лабораторного укрупненного или полупромышленного обога-
щения проб руды соответствующих участков месторождения.
Расхождение показателей о (%) по укрупненным и малым пробам
0=1 00 (/7Мал Пукр) / //укр,
где /7Мал, //укр — показатель обогащения соответственно для малой и
укрупненной проб.
В случае выявления систематических расхождений их можно исполь-
зовать как поправочные коэффициенты для пересчета данных испытаний
малых проб.
Степень изменчивости того или иного параметра качества руды
или технологического показателя обогащения оценивают коэффициен-
том вариации Vx (%), определяемым по формуле
Ух = 100ох/%,
где ох — среднее квадратическое отклонение (стандартное отклонение
или просто стандарт) от среднего значения параметра х.
Среднее квадратическое отклонение рассчитывают по формуле
где п— число малых проб; xt— порядковое (z-e) значение параметра.
Качество полезного ископаемого и технологические показатели
обогащения подвержены не только случайной изменчивости, характе-
ризуемой значениями ох или Ух, но и закономерной изменчивости, для
выявления которой предложен ряд методов. Наиболее распространен
для определения закономерной изменчивости признака метод П. Л. Кал-
листова, заключающийся в многократном сглаживании упорядоченного
ряда исходных данных способом скользящего окна. Сглаживание про-
водят до тех пор, пока дисперсия о2 достигнет минимума. Минималь-
ная дисперсия характеризует степень случайной изменчивости приз-
нака, а разность между общей о2 и случайной дисперсиями отражает
°	2
степень закономерной Озак изменчивости.
Изучение изменчивости основных параметров качества руды и тех-
нологических показателей обогащения позволяет оценить число (п)
84
малых проб (следовательно, и расстояние между ними), необходимое
тля определения средних показателей с заданной погрешностью
И = 1/2/2/6отн,
где t — коэффициент вероятности погрешности (на практике t прини-
мают равным 2); 62Тц — максимально допустимая относительная погреш-
ность среднего показателя.
В случае сочетания закономерной и случайной изменчивости для
определения необходимого числа проб служит коэффициент вариации
случайной изменчивости |/с.
Для выявления количественной оценки взаимосвязей между пара-
метрами качества и технологическими показателями обогащения, опре-
деления информативных параметров качества, прогнозирования по-
казателей обогащения по параметрам качества в практике геолого-техно-
логического картирования наиболее часто используют методы регрес-
сионного (корреляционного), факторного анализов, тренд-анализа.
Наличие и степень взаимосвязей обычно оценивают с помощью ко-
эффициента парной линейной .корреляции г, который является мерой
взаимосвязи случайных величин и изменяется от —1 до 1. Корреля-
ционная связь считается сильной при | г | > 0,9, средней (вполне досто-
верной) при | г | =0,74-0,9, слабой (малодостоверной) при | г | =0,54-0,7
и случайной (шум, фон) при | г |< 0,5. Надежность (реальность) кор-
реляционной связи определяется по величине \г\/п—1 |, где п — число
сопоставляемых пар признаков. Если эта величина ^3, то реальность
связи считается доказанной с вероятностью 1; если ^1, то вероятность
связи ^0,95. Пример графического изображения результатов парного
корреляционного анализа с рассчитанными коэффициентами уравнения
регрессии приведен на рис. 6.7 Пользуясь этим уравнением, можно
прогнозировать содержание фосфора в хвостах обогащения апатит-
ильменитовых руд без проведения технологических опытов, а только
по содержанию его в руде.
Следует иметь в виду, что в любом варианте при прогнозировании
технологических показателей обогащения от параметров качества руды
нельзя полностью отказываться от исследований проб на обогатимость,
так как возможны изменения технологических свойств руд в зонах
тектонической нарушенное™, гипергенеза и т д. Поэтому даже при
наличии тесных взаимосвязей и при малой погрешности уравнений
необходимо по части (15—20%) проб проводить технологические опыты
с прямым получением показателей обогащения.
Довольно часто технологические показатели обогащения руд за-
висят от нескольких параметров качества руды. В этих случаях при-
меняется метод множественной регрессии, являющийся одним из мето-
дов многомерной статистики и позволяющий решать прогнозные задачи.
Найденное в результате обработки массива исходных данных уравне-
ние множественной регрессии определяет совместное влияние ряда
параметров на зависимые переменные. Например (рис. 6.8), извлечение
Т1О2 в ильменитовый концентрат зависит от содержания TiO2(ai) и
. 85
Рис. 6.7. Зависимость содержания Р2О5
в хвостах 0 от содержания а Р2О5 в руде
Рис. 6.8. Номограмма для определения
извлечения ТЮ2 в ильменитовый кон-
центрат по содержанию TiO2 (oci) и
Fe(a2) в руде
Рис. 6.9. Номограмма для определе-
ния извлечения меди в концентрат в за-
висимости от степени ее окисленности
рСи и содержания в руде aCu
Fe(a2) в руде: eTj0<2 = 72,61 -|-6,17oci — 2,8a2. Пользуясь полученным
уравнением и номограммой, можно оперативно планировать извлечение
титана с полученной в данном случае относительной погрешностью 4%.
При прогнозировании методами множественной регрессии опреде-
ляют статистические характеристики (средние, стандарты), коэффи-
циенты парной корреляции, а также относительное влияние каждого
параметра.
В ряде случаев в целях прогнозирования используют методы тренд-
анализа. Зависимости вида U = f(x,y) или U = f(x, у, z) аппроксими-
руются полиномами вида U = ап + а\х + а2у + азг + а4Х2 + а5ху-[-абу2-\- ... .
Здесь U — выбранный анализируемый параметр.
86
Коэффициенты полинома а0 — &п рассчитывают методом наименьших
квадратов при условии минимума суммы квадратов отклонений прог-
нозных значений параметра Un от фактических U$.
Вид уравнения связи подбирается предварительно графическим
путем или же автоматически при расчете на ЭВМ. В последнем случае
расчет ведется от простейшего полинома до более сложных и прекра-
щается, когда изменение дисперсии отклонений становится малым, не-
существенным.
Достоверность прогнозирования выявляется сопоставлением про-
гнозных значений параметра и фактических, расчетом среднего квад-
П~п '
ратического расхождения сг = —\/— > ([/„— Т%)2 и коэффициента кор-
Ут п 1
реляции между Un и /7ф.
Пример определения методом тренд-анализа зависимости извлече-
ния меди в концентрат от ее содержания в руде и доли меди в окислен-
ной форме приведен па рис. 6.9. Все расчеты выполнены на ЭВМ по
стандартной программе с построением номограмм.
При математической обработке результатов ГТК можно использо-
вать также метод главных компонент (для типизации руд), максималь-
ного правдоподобия, дискриминантный анализ и др.
Широкое применение ЭВМ способствует экспрессное™ при обра-
ботке данных ГТК, что особенно важно в процессе эксплуатации на
стадиях опережающей и сопровождающей эксплуатационной разведки.
Раздел второй
Технологическая минералогия
7.	ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИНЕРАЛОВ
7.1.	СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МИНЕРАЛОВ
В настоящее время известно более 2800 минералов, состав каждого
из которых характеризуется индивидуальной, в определенной степени
идеализированной кристаллохимической формулой, а строение — идеа-
лизированной кристаллической структурой. Минералы с систематиче-
ским отклонением состава или кристаллического строения от идеализи-
рованных относят к минеральным разновидностям. Общее число мине-
ралов и их разновидностей составляет около 5—6 тыс.
В составе и кристаллической структуре реального минерала всегда
находят отражение условия его формирования и последующего суще-
ствования, так называемые типоморфные особенности, в том числе
типохимизм, структурный типоморфизм, что используется при генети-
ческой классификации минералов.
Систематизация минералов представляет собой их классификацию
по совокупности идеализированных по составу, кристаллическому
строению и единству этих свойств (доминантная роль кристаллохимии)
В отдельные классы выделяют самородные элементы и интерметаллои-
ды, а также бескислородные соединения, наименование которых опре-
деляется названием входящего в их состав неметалла (арсениды, суль-
фиды, карбиды, антиманиды, фосф’йды, селениды, теллуриды и т. п.)
Кислородные соединения систематизируют в основном по их анион-
ной составляющей в виде класса оксидов солей кислородных кислот:
классы силикатов, боратов, сульфатов, карбонатов, фосфатов, арсена-
тов, ванадатов и т. д.
Тесная связь свойств кислородных соединений (минералов и их
синтетических аналогов) с их кристаллической структурой позволила
разработать кристаллохимическую классификацию минеральных ви-
дов, основанную на типе кристаллической структуры, определяемом
размерами строящих ее атомов, ионов, молекул и характером их взаимо-
действия, т. е. типом осуществляемой между ними химической связи
(металлическая, ионная, ковалентная, остаточная) Вещества, близ-
кие по химическому составу и принадлежащие к одному структурному
типу, имеют близкие физические свойства. Вещества, близкие по
химическому составу, но относящиеся к разным структурным типам,
по физическим свойствам обычно отличаются друг от друга более зна-
чительно (например, модификации углерода — графит и алмаз).
Все структурные типы можно разделить на 5 категорий: коорди-
национные, островные, цепочечные, слоистые, каркасные.
88
В координационных соединениях кратчайшие межатом-
ные расстояния близки. Такие структуры характеризуются большими
координационными числами с правильными координационными много-
гранниками. Они представлены самородными элементами, интерметал-
лидами и т. п.
В островных структурах на кратчайших расстояниях друг от
друга расположено ограниченное число атомов, а расстояние между
такими «островами» существенно больше расстояний внутри «острова».
Подобным образом выделяют ц е п о ч е ч н ы е и слоистые струк-
туры — пироксены, амфиболы, слоистые силикаты.	;
В каркасных структурах кратчайшими расстояниями связана
основная часть атомов. В пустотах структур располагаются «атомы
внедрения». Наиболее яркие представители этого структурного типа —
полевые шпаты, цеолиты.
Одинаковые кратчайшие межатомные расстояния могут наблюдать-
ся только в простых структурах, где число разных сортов атомов
не превышает двух. Как только структура усложняется за счет вхожде-
ния разных атомов в одни структурные позиции (например, вхождение
атомов А1 на место части Si в алюмокремнекислородном каркасе по-
левых шпатов), межатомные расстояния не могут уже оставаться стро-
го одинаковыми в силу различных размеров ионов Si4-1’ и А13+ Тем не
менее кристаллохимическая роль обоих катионов в данной постройке
одинакова, что позволяет отнести их к каркасному типу.
Для практических целей важно, каким кристаллохимическим ти-
пом представлено минеральное образование, поскольку структурный
мотив, тип и анизотропия химической связи между ионами, строящими
кристаллическую структуру, определяют физические свойства мине-
ральных компонентов перерабатываемого сырья.
Кристаллохимическая характеристика минералов необходима для
последующей переработки минерального сырья. Она является состав-
ной частью технологических свойств минералов. Кристаллохимические
характеристики прогнозируют поведение минералов и их ассоциаций
в процессе флотации, склонность минералов к разделению и прораста-
нию вплоть до образования эпитаксиальных срастаний. К таким срас-
таниям приводит идентичность структурных построек на макро- и мик-
роуровнях, что в ряде случаев исключает обособление двух различных
по составу минеральных видов, например коффинита и циркона, коффи-
нита и торита. Принципиальные различия структурных построек мине-
ралов ведут к более легкому раскрытию сростков (например, насы-
щенный магнетитом и бруситом асбест).
Кристаллохимические особенности влияют на поведение минералов
в процессах раскрытия и обогащения. Активной оказывается анизотро-
пия химической связи. Проявляется она в совершенной спайности
минералов и остаточных (вандерваальсовых) связях между слоями.
Кристаллохимическая типизация породообразующих и рудных ми-
нералов в определенной мере обосновывает направления переработки
руд, применение тех или иных методов обогащения.
89
7.2.	ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИНЕРАЛОВ
Минералы представляют собой природные химические соединения,
образовавшиеся в результате геологических процессов на различных
стадиях развития земной коры. Характерная особенность минералов —
их относительная однородность. Она обусловлена определенным хими-
ческим составом и закономерным расположением соответствующих
атомов в их кристаллической структуре.
Химический состав минерала отражает его кристаллохимическая
формула, уточняемая при решении кристаллической структуры мине-
рала. Анализы элементного состава минералов обнаруживают в них
дополнительные к кристаллохимической формуле примесные элементы.
Чем более чувствителен примененный к анализу состава метод, тем
большее число элементов-примесей обнаруживается в минерале. При
их учете усложняется состав минералов, что служит основанием для
описания минеральных разновидностей (например, Sn-содержащий гра-
нат, Si-содержащий магнетит и т. п.).
Связь элемента-примеси с матрицей минерала имеет различный
характер. Примесный элемент может входить в кристаллическую струк-
туру как изоморфная примесь, замещать какой-либо из минералообра-
зующих элементов в его структурном положении (в магнетите Fe2+" на
Mg2+, в кальците — Са2+ на Mg2+ и т. п.), располагаться в полостях
кристаллической постройки для компенсации заряда каркаса, слоя при
гетеровалентном изоморфизме и пр. Так, вхождение редкоземельных
элементов TR3+ в структуру флюорита по схеме CaFe2->(Ca, TR3 + )F2+
приводит к вхождению в структуру дополнительного иона. В этом слу-
чае извлечение полезного примесного элемента, как правило, требует
разрушения (растворения) минерала-носителя.
Примесный элемент может формировать собственную минеральную
фазу, которая захватывается минералом-хозяином в процессе его кри-
сталлизации как акцессория или эпитаксиальная встройка, или является
результатом распада твердого раствора при охлаждении высокотемпе-
ратурного минерала (например, титаномагнетит, распавшийся на магне-
тит и ильменит), или является следствием частичной перекристаллизации,
связанной с наложенными процессами. В этом случае извлечение (или
обособление) полезного (или вредного) примесного элемента связано
прежде всего с процессами раскрытия минералов и сростков и их
фракционированием, флотацией.
Примесный элемент может сорбироваться на поверхности кристал-
лов и в межблоковых пространствах. В этом случае его извлекают на
стадии обогащения или подземным выщелачиванием.
Корректное определение форм нахождения примесного элемента
в минерале, руде, концентрате важно, поскольку является обоснованием
способов его извлечения как в случае его ценности, так и в случае его
вредности для последующего процесса технологического передела.
Пути и средства корректного определения формы нахождения при-
месного элемента, силы и характера связи его с минеральной матрицей
90
।орной породы, руды, концентрата зависят от типа руды, степени рас-
сеяния полезного (или вредного) компонента, степени дисперсности и
взаимопрорастания минеральных фаз и других характеристик минераль-
ного сырья.
Для определения элементного состава минералов используют хими-
ческие и физико-химические методы (гравиметрический, титриметриче-
ские, фотометрические, электрохимические, кинетические), оптический
спектральный анализ, рентгеноспектральный, в том числе микрозондо-
вый, и ядерно-физический элементный анализ.
Наиболее экспрессный и массовый — полуколичественный метод
спектрального анализа элементного состава — метод отбраковки, гео-
химического картирования и элементного контроля технологического
процесса. Метод ограничен по чувствительности. Корректные количе-
ственные данные обеспечивает анализ по инструкциям НСАМ.
7.3.	КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛОВ
Кристаллохимия минералов, т. е. их состав и кристаллическая
структура, определяют химические и физические свойства минералов,
от которых в значительной степени зависит поведение минералов в про-
цессе обогащения. Поэтому при рассмотрении кристаллохимических
особенностей минералов изучают прежде всего особенности кристалли-
ческой постройки и расселения в ней атомов, ионов, молекул, характер
связей между атомами, ионами, молекулами, влияющими на свойства
образуемых ими минералов.
Тип кристаллической структуры определяет морфологию минерала,
его изометричность и формы выделения; анизотропию свойств минерала;
поведение под влиянием механических воздействий, определяемых на-
личием спайности, степени ее совершенства как следствия упаковки
и взаимодействия строящих структуру атомов, ионов, молекул или
таких фрагментов кристаллической структуры, как слой или цепочка.
Кристаллохимическйе особенности при обогащении определяют спе-
цифику свойств и поведения, например,слоистых силикатов с сильны-
ми межатомными связями в плоскости слоя и ослабленными связями
между слоями, что ведет к расщеплению кристаллов слюд на листова-
тые отдельности и в то же время объясняет различие в поведении
и свойствах таких слоистых силикатов, как слюда и монтмориллонит,
слюда и тальк-пирофиллит, поскольку в слюдах слои связаны меж-
слоевым ионом (калий, кальций, натрий), в монтмориллоните связь
осуществляется лишь молекулами воды, в минералах серии тальк-пиро-
филлит — лишь остаточными слабейшими связями. Следствие этих
кристаллохимических особенностей — разлйчие физических (прежде
всего, сорбционных) свойств упомянутых слоистых’силикатов, различное
поведение их в процессе обогащения, а в ряде случаев, явно вредное
влияние при флотации руд.
К категории кристаллохимических особенностей относится и явле-
ние изоморфизма, поскольку вхождение в структуру минерала изо-
91
морфной примеси, ее природа, содержание, характер расселения в
структуре (образование структуры замещения «ион на ион», структуры
внедрения с заполнением пространства, структуры вычитания с обра-
зованием вакансий или «дырок») влияют на технологические свойства
минералов. Тип изоморфизма определяет структурное состояние мине-
рала. Например, в халькопирите при разупорядоченности расселения
в кристаллической структуре ионов Си и Fe растет изотропия физи-
ческих свойств; во флюорите по мере замещения Са на TR (V) ослабе-
вает спайность по плоскости октаэдра (111); у минералов серии колум-
бит-танталита на физические свойства оказывает влияние характер
распределения по структурным позициям ионов Та, Nb, Fe, Мп и сте-
пень окисленности Fe и Мп.
Свойства твердых веществ можно подразделить на две группы:
структурно чувствительные и структурно нечувствительные. Первые
зависят от атомной (кристаллической) структуры минералов, вторые —
главным образом от электронного строения атома и типа химической
связи. К первым относят механические свойства (твердость), вторым —
электрические й оптические.
Такие свойства, как термические, механические электрические,
существенно зависят от типа химической связи. Основные типы хими-
ческой связи следующие: ионная (или полярная) связь, где межатом-
ные расстояния определяются уравновешиванием сил притяжения меж-
ду анионами и катионами и сил отталкивания между их электронными
оболочками; ковалентная, характеризующаяся наличием общей элек-
тронной пары с антипараллельными спинами; координационная, как
разновидность ковалентной связи, осуществляющаяся за счет элек-
тронной пары одного атома, участвующего в связи; металлическая, при
которой часть электронов имеет возможность свободно перемещаться
по кристаллу; остаточная (или вандерваальсова) В реальных вещест-
вах они редко встречаются в чистом виде. Как правило, тип связи
носит промежуточный характер.
Преобладание того или иного типа связи определяет электриче-
ские свойства минералов: преобладание металлической связи обеспе-
чивает электропроводность в самородных металлах, сплавах, интер-
металлических соединениях; ионный характер свя: проявляется, в
частности, в том, что галоидные соли щелочных металлов растворяют-
ся в полярных растворителях, диссоциируя на ионы.
8.	МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ
8.1.	ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
Минералогические исследования технологических проб проводят для
получения информации о вещественном составе минерального сырья,
определяющем его промышленную ценность и технологические свой-
92
сгва, возможные способы переработки для получения кондиционной про-
дукции и др.
Параметры вещественного состава в общем виде включают све-
дения о минеральном составе, форме проявления извлекаемых элемен-
тов, структурно-текстурных особенностях руд, составе и свойствах от-
дельных минералов. Такие сведения позволяют прогнозировать техно-
логические свойства руды. На стадии поисково-оценочных работ, когда
рудопроявления относятся к достаточно изученному типу, минерало-
гическое изучение производится на малых технологических пробах,
представляющих природные разновидности руд. Исследования вклю-
чают оценку структурно-текстурных особенностей, минерального соста-
ва руд, параметров раскрытия основного рудного минерала. На их
основе проводится предварительная оценка обогатимости руды и прог-
ноз сравнительных показателей обогащения природных разновидностей.
Для рудопроявлений, относящихся к сложному, мало изученному или
новому типу руд, уже на этой стадии обычно проводится изучение
лабораторной пробы. Исследования кроме перечисленных включают
изучение баланса распределения полезного компонента по минералам,
состава и свойств главных минеральных форм полезного компонен-
та, .сопутствующих и нерудных минералов.
На стадии предварительной разведки проводится детальное изуче-
ние вещественного состава при максимальном использовании комплек-
са минералогических исследований для прогнозирования технологиче-
ских свойств природных типов и разновидностей руд. Изучается мине-
ральный состав руды на средней пробе: исследуют классы крупности,
гравитационные и магнитные фракции, все физико-химические свой-
ства минералов, гранулометрический состав рудных вкраплений и не-
рудных минералов в недробленой и стадиально дробленной руде;
определяют их удельную поверхность, степень раскрытия руды при
измельчении, распределение типов сростков, границы срастаний руд-
ных минералов в сростках и классах крупности, форму нахождения
полезных компонентов в руде, баланс распределения основных и по-
путных элементов по минералам.
На стадии детальной разведки осуществляется технологическая
оценка соответствия полупромышленной пробы лабораторной по наи-
более важным и информативным минералогическим данным: минераль-
ному и гранулометрическому составам руды, раскрытию минералов
в дробленой руде, балансу распределения основных и попутных полез-
ных компонентов по минералам.
Приведенная характеристика основных целей, задач и содержание
минералогических исследований для разработки технологии обогаще-
ния даны лишь в общем' виде. Возможные методы и область их при-
менения зависят от вида сырья, степени его изученности, постановки
и решения различных частных технологических задач. Следует отме-
тить, что объем, глубина и разнообразие исследований минерального
сырья непрерывно расширяются с развитием технологической минера-
логии. К ней, например, относят такие важные направления, как
93
изучение технологических свойств минералов в зависимости от осо-
бенностей их состава и структуры, направленное изменение технологи-
ческих свойств минералов, изучение поведения минералов в техноло-
гическом процессе и др.
8.2.	СИСТЕМАТИЧЕСКИЙ МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ
Технологические пробы изучают в следующей последовательности
(табл. 8.1)
Лабораторные исследования заключаются в изучении вещественно-
го состава руды, включающие пробоподготовку, минералогические и
аналитические исследования.
Штуфы (15—80 в зависимости от контрастности руды, сложности
минерального состава, содержания рудных минералов, текстурных и
структурных особенностей руды) отбирают после перемешивания
(усреднения) исходной технологической пробы по сетке (например, для
полупромышленной пробы — 2X3 м) Из них изготовляют шлифы и
аншлифы.
Схема дробления руды и выбора представительной массы пробы
для минералогического анализа составляется по результатам предыду-
щих минералогических исследований объекта.
Разделка средней пробы включает дробление руды до 2 мм и менее
(с учетом размеров зерен рудных и породообразующих минералов)
Таблица 8.1
Последовательность изучения вещественного состава руды технологической пробы
Подготовка пробы к исследованиям	Виды минералогических и аналитических исследований	Решаемы
Отбор штуфов (15—80), из- готовление шлифов и ан- шлифов	Текстурно-структурный анализ, включающий гра- нулометрический анализ рудных минералов	Выбор принципиальней технологической схемы, метода крупнокускового обогащения; оценка ка- чества руды с учетом гео- лого-промышленного ти- па месторождения
Отбор пробы на аналитиче- ские исследования Отбор дробленой пробы (—2 мм, масса 100—3000 г) на минералогические иссле- дования Классификация пробы (-2+1; -1+0,5; -0,5 + + 0,25; -0,25 + 0,1; -0,1 + + 0,05; -0,05 + 0,02; — 0,02 + 0,01; —0,01+0 мм)	Определение элементного состава руды	Выявление всех возмож- ных полезных компонен- тов, вредных и радиоак- тивных примесей
94
Продолжение табл. 8.1
Подготовка пробы к исследованиям	Виды минералогических и аналитических исследований	Решаемые задачи
Отбор навесок из класса крупности на определение со- держаний полезных элемен- тов Фракционирование классов крупности: выделение маг- нитной фракции; деление в двух-трех и более тяжелых жидкостях; выделение из фракций плотностью более 2,9 г/см3 сильно-, средне- и неэлектромагнитных фрак- ций; взвешивание фракций	Распределение полезных элементов по классам крупности (ситовой ана- лиз) Определение полного ко- личественного минераль- ного состава руды комп- лексом методов Определение приближен- но-количественного мине- рального состава оптико- минералогическим мето- дом Оценка степени раскры- ваемости зерен рудных минералов и распределе- ния типов рудных срост- ков	Выбор схемы рудоп од го- товки, оценка шламируе- мости руды Оценка комплексного ис- пользования минерально- го сырья, качества кон- центратов, потерь в про- дуктах гравитационной и магнитной сепарации Выделение природных и технологических типов и сортов руд, составление минералого-технологиче- ских карт Обоснование принципи- альной схемы обогаще- ния, вероятных потерь (неизвлекаемой доли) в продуктах обогащения
Отбор навесок из фракций для определения содержаний основных полезных элемен- тов	Определение распределе- ния основных полезных элементов по фракциям, разделенным по плот- ности (гравитационный анализ) и магнитным свойствам (магнитный а н ал из)	Обоснование минималь- ных потерь в хвостах и промежуточных продук- тах, оценка содержаний и степени извлечений по- лезных элементов в кон- центратах
Отбор средней пробы для выделения монофракций (— 2 мм, масса 0,5—5 кг)	Составление баланса распределения полезных элементов по минералам	Расчет теоретически воз- можного извлечения по- лезных компонентов, сте- пени их рассеяния в раз- личных технологических продуктах
Выделение монофракций (классы -0,54-0,05 мм); гравитационное обогащение; обработка проб (ультразву- ковая, кислотная и др.); се- парация тяжелых фракций: магнитная, электрическая, электромагнитная; флотация; доводка монофракций (вруч- ную)	Определение химическо- го состава минералов Изучение форм вхожде- ния элементов-примесей в минералы Определение структурных и физических свойств ми- нералов	Оценка качества концен- тратов Оценка комплексности ру- ды и возможности из- влечения полезных эле- ментов Оценка возможности при- менения, выбор режимов крупнокусковой, гравита- ционной, магнитной, элек- трической, флотационной и других методов сепара- ции, схем химико-метал- лургического передела
95
Минимальная представительная масса проб для минералогического
анализа определяется необходимостью получения достаточной массы
фракции (не менее 0,1 г), в которой концентрируется рудный матери-
ал, что составляет, например, для редкометалльных и оловянных руд
0,5—1 кг. При комплексном изучении фракций руды исходная масса
достигает 2—4 кг
Пробу для минералогического анализа подвергают обесшламли-
ванию (выделение класса —0,05 мм) и классификации материала
крупностью более 0,05 мм (классы —2+1, —1+0,5; —0,5 + 0,25;
-0,25 + 01, —0,1+0,05; -0,05 + 0,02; -0,02 + 0,01, —0,01+0,005;
— 0,005 + 0 мм)
Схема фракционирования определяется минеральным составом про-
бы. Основная цель фракционирования — концентрация рудных и основ-
ных породообразующих минералов во фракции (более 70%), при ко-
торой средняя относительная погрешность количественных оценок мине-
ралов составляет не более 5—10%.
Выбор интервалов плотностей при гравитационном фракциониро-
вании определяется фактическими плотностями слагающих руду ми-
нералов. Они предусматривают разделение по плотности, например
редкометалльных пегматитов и гранитов на 10 фракций, а для поле-
вошпатовых метасоматитов и карбонатитов — на 5. Фракции плотно-
стью более 2,9 г/см3 подвергают электромагнитной сепарации с выде-
лением сильно-, слабо- и неэлектромагнитных фракций. При анализе
дробленых руд слабоэлектромагнитные фракции обычно представлены
различными сростками сильномагнитных и немагнитных минералов, не
позволяющих отчетливо разделить их по магнитным свойствам. Поэто-
му выделение слабоэлектромагнитной фракции не всегда целесообраз-
но. Для некоторых типов руд, например редкометалльных карбонатитов,
имеющих достаточно простой минеральный состав, электромагнитной
сепарации не требуется.
8.3.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРОБ И ПРОДУКТОВ ОБОГАЩЕНИЯ
При определении минерального состава предусматривается диагно-
стика всех минеральных фаз с количественной оценкой их содержа-
ний. Выделяют обычно группы минералов по их составу: рудные и
породообразующие, и содержанию минералов: главные (более 10%),
второстепенные (1 —10%), акцессорные (0,1—0,9%), редкие (0,09—
0,01%), весьма редкие (менее 0,01%)
В зависимости от назначения, полноты и точности количественных
оценок содержаний минералов минералогические анализы подразде-
ляются следующим образом:
1.	Приближенно-количественный минералогический анализ проб
оптико-минералогическим методом (подсчет 500 зерен)
2.	Полный количественный минералогический анализ комплексом
минералогических (фазовых) методов минералогических исследований.
96
3.	Полный и неполный полуколичественный минералогический ана-
|ц; оптико-минералогическим методом (визуальная оценка содер-
жаний) .
Приближенно-количественный минералогический анализ проводится
при изучении малых проб. Он основан на разделении и фракциони-
ровании их по плотности и магнитным свойствам с последующим опре-
делением качественного и количественного состава фракций оптико-
минералогическим методом, включающим в себя оптическую диагно-
стику и количественную оценку содержаний минералов под оптическим
микроскопом. Минералы диагностируют по их внешним признакам —
форме кристаллов, физическим и химическим свойствам с использова-
нием микрохимических реакций, люминесцентного, рентгеноструктурно-
го, локально-лазерного и других методов.
Количественная оценка содержаний минералов во фракции, про-
водимая по 500 зернам, считается обычно достаточной для получения
падежных результатов. Фракции анализируют шлиховым методом (под
бинокуляром) в сочетании с иммерсионным (при подсчете прозрачных
минералов) и рудной микроскопией. Для выполнения анализа из от-
квартовки данной фракции в первом случае приготавливается иммер-
сионный препарат, во втором - полированный брикет. Иммерсионный
анализ проводится методами «кольцевого экранирования» или «тем-
ного поля». При подсчете минералов вводится поправка на их форму.
При наличии люминесцирующих минералов их подсчитывают в ультра-
фиолетовом свете. Объемные доли (в процентах) с учетом поправки
на плотность минералов переводят в массовые доли (в процентах).
Чувствительность оптико-минералогического метода анализа высо-
кая. Порог обнаружения разных минералов в пробе неодинаков и за-
висит от выхода фракции, в которой концентрируется анализируемый
минерал.
Выход фракций у, % ..... > 10	10— 1	1—0,1	0,1 - 0,01	<0,001
Порог обнаружения минера-
ла, % от выхода ........ 2-Ю"2	240 3	2-10" 4	2-Ю"5	2- 10“6
Определение минерального состава фракций осложняется главным
образом в связи с попаданием минералов в смежные интервалы плот-
ностей, обусловленным присутствием их в различных типах сростков
(по содержанию, составу, степени изменений и т. д.). Визуальная оцен-
ка их содержаний в сростках путем суммирования объемной доли зерна,
приходящегося на данный минерал; снижает точность оптико-минера-
логического метода (количественного) анализу руды. Анализ минерало-
гического состава руды без учета шламовых классов (их выход иногда
достигает 15- 20%) также уменьшает точность оценки минерального
состава руды в целом.
Относительная воспроизводимость оптико-минералогического метода
зависит от массовой доли минералов:
Массовая доля минералов, %	................ > 15
Относительная воспроизводимость, % .............. 5—10
5-15
10—20
<5
20—30
97
Полный количественный минералогический анализ проводится при
детальном изучении минералого-технологических и типовых техноло-
гических проб.
Диагностику и полную количественную оценку содержаний мине-
ралов руд проводят путем рационального комплексирования оптико-
минералогического метода с другими методами фазового анализа. На-
ряду с традиционными минералогическим и химическим методами
успешно применяют физические — термический, инфракрасную спек-
троскопию (ИКС), термомагнитотермический, ядерную гамма-резонанс-
ную спектроскопию (ЯГРС), квантово-оптический и рентгенографиче-
ский.
Традиционный минералогический метод включает оптико-минера-
логический и оптико-геометрический анализы. Оптико-минерало-
гический количественный анализ выполняется подсчетом
зерен (обычно 500) во фракциях, а полуколичественный — визуальной
оценкой содержаний зерен минералов во фракциях под бинокулярным
микроскопом (класс —2 + 0,2 мм) или микроскопом типа Полам в им-
мерсионных препаратах (классы менее 0,2 мм)
Оптико-геометрический анализ проводится на средней
пробе. Материал рассеивают на 3—4 класса крупности, из которых изго-
товляют по одной или несколько (для крупных классов) пар препара-
тов (шлиф + аншлиф) Кусковой материал служит для макрохарак-
теристики руды, а изготовленные из него шлифы и аншлифы — для
диагностики и микрохарактеристики слагающих руду минералов и их
взаимосвязи. Наиболее характерные, типичные выделения/ и сростки
ценных минералов фиксируются на микрофотографиях, которые служат
документальным подтверждением данных минералогического анализа.
По результатам оптического изучения шлифов и аншлифов кускового
материала пробы составляется петрографическое и минераграфическое
описание руды и слагающих ее минералов. Эти данные дополняются
результатами других методов исследования (иммерсионного, термиче-
ского, микрозондового, рентгенометрического и др.), для выполнения
которых обычно используются мономинеральные фракции изучаемой
руды.
Средняя проба служит для количественных подсчетов минерально-
го состава, которые проводятся в каждом классе и затем суммируются
в итоговой таблице. Данные о массовой доле минералов пробы по их
составу пересчитывают на химический состав пробы и сопоставляют с
соответствующими данными химического анализа этой пробы. Пере-
счет минерального состава на химический состав пробы обычно выпол-
няется не для всех, а только для главнейших (по содержанию) и
ценных химических элементов. Корректность количественного минера-
логического анализа оценивается по сходимости результатов пересче-
та его данных на химический состав пробы с соответствующими дан-
ными химического анализа. Количественные подсчеты минералов в
средней пробе под микроскопом осуществляют визуально (точечным,
площадочным или наиболее распространенным линейным методом)
98
либо с привлечением автоматической аппаратуры. Поскольку визуаль-
ный (ручной) метод весьма трудоемок и малопроизводителен, в на-
стоящее время все шире применяют полуавтоматические и автоматиче-
ские оптические анализаторы изображений (приборы МИУ, «Кванти-
мет», «Ибас», «Маджискан» и др.). Имеются сведения о применении
для этой цели рентгенометрического фазового анализа и электронного
микрозонда.
По сравнению с широко используемым в практике геологоразведоч-
ных работ оптико-минералогическим методом физические способы обла-
дают преимуществом в точности, но уступают в чувствительности и
полноте анализа. Химическому фазовому анализу физические методы
уступают по чувствительности.
Основа комплексирования различных методов — оптическая микро-
скопия. При количественной оценке минералов с близкими физиче-
скими свойствами, анализе тонких классов (в том числе шламовых),
продуктов обогащения и химико-металлургического передела наиболее
эффективен метод РКФ'А. При анализе тонкодисперсных руд, содержа-
щих термоактивные минералы, хорошие результаты обеспечивает тер-
мический метод, для рентгеноаморфных и аморфных — ИКС, для
минералов железа —- ЯГРС и термомагнитометрический, для минералов
олова — ЯГРС.
Минералогический анализ шламов, выполняемый инструментальны-
ми методами, позволяет повысить точность определения полного ко-
личественного минерального состава исходных руд.
Полный и неполный полу ко лич о ст венный минералогический анализ
продуктов обогащения позволяет проводить экспрессный минералоги-
ческий контроль хода процесса обогащения и химико-металлургического
передела руд, особенно полиминсральных (например, редкометалль-
ных, оловянно-полиметаллических и др.), представленных И —12 руд-
ными минералами, из которых собственно минералами основного по-
лезного компонента являются четыре-пять. В этом случае аналитические
методы контроля недостаточно эффективны.
Подготовка проб к анализам проводится но упрощенной схеме:
разделение на два класса крупности с последующим фракциониро-
ванием по плотности в тяжелых жидкостях (бромоформ и Клеричи)
и магнитным свойствам (на слабомагнитную, сильномагнитную и не-
магнитную). Для проб относительно простого минерального состава
и крупностью менее 0,5 мм фракционирование не требуется. Минера-
логический анализ проводится под бинокулярным микроскопом, при
необходимости -- в иммерсионных препаратах и полированных шлифах-
брикетах путем визуальной оценки содержаний минералов. Эффективен
метод фотолюминесценции минералов.
Среднее квадратическое отклонение результатов полуколичествен-
ных минералогических анализов не должно превышать + 30—50.
Изложенный общепринятый ход минералогического анализа техно-
логической пробы не охватывает всего многообразия изучения минера-
логических особенностей технологических объектов. Он дает общую
99
схему и направленность исследований. Минералогический анализ
сложных, малоизученных руд, характеризующихся низким содержанием
ценных компонентов, требует нестандартных подходов, постановки спе-
циальных исследований, привлечения дополнительных современных
физических методов. При этом особое значение приобретает получе-
ние высококачественных мономинеральных фракций исследуемой руды.
Поскольку точность визуального количественного минералогиче-
ского анализа довольно низка, то установление минеральных фаз
при их низком содержании в руде (сотые и тысячные доли процента)
оптическими методами весьма, затруднительно. Это, частности, ка-
сается поверхностных оксидных минеральных образований на сульфи-
дах Си, Pb, Fe, Zn, W других элементов. Задачу по диагностике
и количественной оценке этих минеральных форм успешно решает
современный фазовый химический анализ, а оценку дефектности,
наличия изоморфных примесей, микронеоднородностей однозначно обес-
печивает электронный микрозондовый и другие виды локального мик-
роанализа.
Некоторые виды минерального сырья (алуниты, бокситы, глины
и др.) вследствие тонкодисперсной формы нахождения полезных мине-
ралов в руде плохо диагностируются и характеризуются обычными
оптическими микроскопическими методами. Существенную помощь
минералогу при изучении этих объектов оказывают электронно-ми-
кроскопический, рентгенометрический и термический методы исследо-
вания.
Важную информацию об особенностях электронного строения цен-
ных минералов, их тонких конституционных особенностях, состоянии
химической связи, прочностных и поверхностных (флотационных) свой-
ствах могут дать определения микротвердости, методы ИКС, ЯГРС,
ЯКР, ЯМР, ЭСХА и др. Эти работы имеют большое значение и распро-
странение в практике минералогических исследований, так как позво-
ляют непосредственно оценить технологические свойства минералов
и получить необходимые данные для решения проблемы комплексного
использования минерального сырья. Этот комплекс методов служит
также для контроля результатов направленного изменения технологи-
ческих свойств минералов под действием различного рода деформа-
ционных, акустических, термических, химических и радиационных обра-
боток.
Минералогическая характеристика исходного материала технологи-
ческой пробы выдается в форме исследовательского отчета, в котором
последовательно излагаются результаты всех этапов и видов минера-
логических исследований. В нем приводится паспортная информация
с данными о времени, месте отбора пробы, ее массе, представительно-
сти и т. д. Вначале излагают макрохарактирстику руды с выделением
типов (сортов, разновидностей), представляющих текстурно-структур-
ные особенности, минеральные образования, особенности распре-
деления в руде ценных минералов, прочностные свойства (плотность,
пористость, трещиноватость). На основании микроскопического изуче-
100
ния шлифов и аншлифов кускового материала приводят качествен-
ный минеральный состав изучаемой пробы с выделением рудных и не-
рудных, главных (по содержанию) и второстепенных, первичных и
вторичных и других групп минералов. Для составляющих руду мине-
ралов отмечают их разные генерации, которые обычно различаются
особенностями состава, примесями и морфологией. Эту часть отчета
завершают табличные данные о количественном содержании основных
минералов в пробе, гранулометрическом составе и удельной поверхно-
сти их вкраплений.
Описание (характеристика) рудных (полезных) и породообразую-
щих минералов приводится раздельно. Для каждого рудного минерала
сообщают подробные сведения о морфологии зерен (идиоморфная,
ксеноморфная и т. д.) с указанием характера границ и типов срастаний
с другими минералами. Особое внимание обращается на наличие сра-
станий минералов, которые отрицательно сказываются на результатах
разделения минералов: тонкая эмульсионная вкрапленность одной
минеральной фазы в другой, структуры распада твердых растворов
либо разложения сложных минералов на простые составляющие, кор-
розионное замещение (с тонким взаимным прорастанием) одних мине-
ралов другими и т. д. Эти данные должны сопровождаться указанием
размерных характеристик минеральных индивидов в сростках и при-
ведением соответствующего иллюстративного материала (микрофото-
графий). Подобная информация позволяет объяснить снижение селек-
ции разделения минералов традиционными процессами обогащения и
обосновать усложнение схемы для успешного решения этой проблемы.
Полный и количественный минералогический анализ технологических
проб дополняется табличным или графическим материалом, показы-
вающими количественную взаимосвязь ценных минералов с нерудными
и другими рудными минералами; данными микрозондовых определений
химического состава ценных (извлекаемых из руды) минералов, а
также сопутствующих минералов на предмет установления е* них при-
месей ценных компонентов; детальными исследованиями различных
физических свойств ценных (рудных) минералов — микротвердости,
хрупкости, измельчаемости, флотируемости и т. д.
Составная часть минералогических исследований технологических
проб — анализ продуктов обогащения, поскольку технологические
испытания на обогатимость руды обычно проводят параллельно с изу-
чением ее вещественного состава. Минералогический анализ продуктов
обогащения дает возможность путем накопления соответствующей
информации корректировать технологический процесс или схему обо-
гащения. При анализе продуктов разделения оценивается качество
получаемых промежуточного и конечного концентратов (доля зерен
ценного материала, свободных и связанных в сростках, либо в форме
включений и вкрапленности в породе), устанавливается форма потерь
полезных минералов в хвостах и т. д.
Особое внимание при анализе продуктов обогащения следует уде-
лять характеристике сростков рудных и нерудных минералов.
101
По содержанию рудного минерала сростки подразделяют следую-
щим образом:
Сростки .............. Богатые Рядовые Бедные Примазки и
вкл ючения
Содержание рудного мине-
рала, % .............. 71—99	31-71	6-31	0-5
По составу минералов сростки подразделяют на мономинеральные
(и с включениями)u биминеральные (двойные), полиминеральные (три
и более минералов). По текстурным особенностям сростки характери-
зуются поверхностью границ срастаний минералов, которая бывает:
ровная, извилистая, бугристая, неровная, зазубренная, заливообразная,
сложная.
Сростки, представляющие собой результат замещения рудного ми-
нерала (или окисления), можно, в свою очередь, подразделить на два
типа:
сростки, в которых имеется замещение (или окисление) с сохране-
нием рудного компонента. Они представляют собой как бы полимине-
ральные агрегаты рудных минералов. При количественной оценке учи-
тывается их суммарный объем;
сростки с полным замещением или окислением первичного минерала.
Такие образования рассматриваются как сростки рудных и нерудных
минералов.
Долевое распределение различных типов рудных сростков можно
оценить по их концентрации в определенные фракции плотности клас-
сифицированной руды. Например, сростки касситерита с породообра-
зующими минералами из оловянной руды кварцево-жилыюго типа
имеют различную плотность, кг/м3: богатые 4200—6900; рядовые и
бедные 2900—4200; примазки и включения 2900.
8.4.	ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ И КРИСТАЛЛОМОРФОЛОГИЧЕСКИЙ
АНАЛИЗ ПОЛЕЗНЫХ МИНЕРАЛОВ
Гранулометрическая и морфологическая характеристика минера-
лов — неотъемлемая составная часть минералогического анализа техно-
логических проб; размер вкрапленности определяет крупность измель-
чения руды, необходимую для вскрытия минералов. Качественная гра-
нулометрическая характеристика минералов осуществляется путем из-
мерений (в шлифах и аншлифах) под микроскопом сечений зерен
минералов с определением интервала колебаний и преобладающей
крупности. Количественный гранулометрический анализ минералов в
шлифах и аншлифах осуществляется с помощью автоматических анали-
заторов изображений (приборы типа МИУ, «Эпиквант», «Ибас», «Мад-
жискан» и др.) с выдачей соответствующих гистограмм и кривых рас-
пределения по крупности анализируемых минералов.
Гранулометрический анализ мономинеральных фракций обычно
осуществляют с помощью ситового или седиментационного анализов.
В настоящее время эта проблема успешно решается с помощью авто-
102
митических лазерных гранулометров, изготовляемых, в частности, фир-
мами «Фрич» (ФРГ), «Сиэсин» (Япония) и др.
Кристалломорфологический (или просто морфологический) анализ
'.пачительно помогает решению проблемы селективного раскрытия руд-
ных минералов при измельчении руды и прогнозирования поведения
<‘е на следующих этапах технологического передела. Морфологическая
характеристика зерен (индивидов) полезных минералов дается в виде
описания с указанием принадлежности зерен минералов к определен-
ным формам (изометрической, призматической, игольчатой и др.), либо
в виде микрофотографий. Следует учитывать, что оценка формы зерен
минералов в шлифах и аншлифах делается по срезам (сечениям) об-
разцов, т. е. необходима последующая экстраполяция на объем. Такая
экстраполяция успешно решается методом стереологической статисти-
ки путем соответствующей математической обработки.
8.5.	ВЫЯВЛЕНИЕ ФОРМ НАХОЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В МИНЕРАЛАХ
Выявление форм нахождения полезных компонентов в рудах не-
обходимо для оценки возможности их извлечения, качества получае-
мых продуктов, комплексного использования сырья. Особенно важное
значение оно имеет для руд, в которых ценные элементы распреде-
лены по многим минералам. Основные формы нахождения их в рудах —
собственные минералы, изоморфная примесь, микровключения рудных
минералов.
В редкометалльных рудах формы нахождения полезных компонен-
тов разнообразные: тантал, ниобий, олово, бериллий, литий, цирконий,
фосфор образуют собственные минералы, рубидий, галлий, таллий, ред-
кие земли, гафний, стронций входят, в основном, изоморфно в состав
рудных и породообразующих минералов. В оловянных рудах серебро,
висмут, ниобий, тантал, вольфрам находятся преимущественно в виде
микровключений собственных минералов в касситерите.
Обычно различают две формы проявления элементов в минералах —
концентрированные и рассеянные. Их изучают, как правило, для руд-
ных (полезных) компонентов.
Для породообразующих минералов детальное изучение форм вхождения рас-
сеянных в них полезных компонентов часто не проводят. Определяют лишь их
общее содержание. Исключение составляют случаи резко повышенных содер-
жаний полезных компонентов в породообразующих минералах. Например, в оло-
вянно-силикатных рудах обнаружен турмалин, с которым связано 10% олова
при среднем содержании 0,9%; формы нахождения его—изоморфная и микро-
включения натанита, редко касситерита. Выделение турмалина в отдельный про-
дукт с последующей его металлургической переработкой может привести к по-
вышению извлечения олова примерно на 4—5% за счет микровключений рудных
минералов.
Важно выявить формы вхождения вредных примесей в рудные ми-
нералы. Если вредные примеси находятся в виде микровключений дру-
гих минералов, особенно достаточно легко растворимых, то концентра-
ты могут быть очищены от них сравнительно несложной химической
103
обработкой. Например, вхождение разпоактивных элементов в циркон
в виде торита, легко разлагающегося в кислотах (а не изоморфно),
обусловливает возможность эффективной очистки цирконовых концен-
тратов химическим путем. Также пирохлоровые концентраты легко
освобождаются химическим путем от примесей фосфора, входящего в
пирохлор в виде микровключений апатита.
Один из наиболее важных видов минералогических исследований —
составление баланса распределения полезных компонентов по минера-
лам, необходимое для определения степени и характера их рассея-
ния, и теоретически возможного извлечения как основного, так и попут-
ных компонентов в отдельные продукты. Это дает возможность оценить
комплексность руды.
Для составления баланса требуются все необходимые данные о
полном количественном минеральном составе сырья и содержании по-
лезных компонентов в минералах.
Полный количественный минеральный состав руды определяется
химическим и фазовым анализом средней пробы. Содержание полезных
компонентов в минералах определяется в мономинеральных фракциях,
выделенных из средней пробы руды. Применение физических методов
анализа минералов (спектрального, рентгеноспектрального, рентгенора-
диометрического, пламенно-фотометрического, атомно-абсорбционного
и др.) на малых (100—200 мг) навесках уменьшает затраты на вы-
деление мономинеральных фракций.
Определение содержания полезных компонентов в минералах,
однородных по своему составу, необходимо проводить на 3- -4 навес-
ках, отобранных отдельно из средней пробы и проанализированных
не ниже III категории точности. Однако в связи с природной микроне-
однородностью распределения полезных компонентов в минералах, свя-
занных с зональностью или неравномерным распределением микровклю-
чений, число навесок увеличивается до 4—5, иногда до 7 Важное зна-
чение это имеет для минералов, составляющих основную массу руды,
как правило, породообразующих. Особое внимание следует уделять
выявлению неоднородности состава зерен и агрегатов основных руд-
ных минералов. Состав этих минералов часто различен в разных клас-
сах и фракциях плотности.‘Последнее объясняется тем, что свободные
зерна минералов часто имеют иной состав, чем его агрегаты, образую-
щие или замещающие другие рудные минералы. Например, тантало-
ниобаты в данных классах и фракциях могут различаться по соотноше-
нию ниобия, тантала и радиоактивных элементов, слюды — но со-
держанию рубидия, лития, цезия, молибдошеелит - по содержанию
молибдена и вольфрама и т. д. Поэтому при оценке состава рудных ми-
нералов необходимо выделять мономинеральные фракции из разных
классов крупности и фракций плотности, а при возможности — сравни-
вать состав в свободных зернах и сростках с помощью микрозондового
анализа.
При расчете баланса распределения полезных элементов руде
определяется их массовая доля. Общая сумма массовых долей представ-
104
ляет собой расчетное содержание всех полезных элементов в пробе.
Относительное расхождение расчетных и аналитических данных по
пробе не должно превышать 20%. Отношение массовой доли полезного
элемента к расчетной его доле в минерале составляет долю этого ми-
нерала в пробе.
8.6.	ВЫДЕЛЕНИЕ МОНОМИНЕРАЛЬНЫХ ФРАКЦИЙ
Выбор метода получения мономинеральных фракций зависит от
состава руды, крупности слагающих ее минералов, характера их
срастаний, наличия взаимных включений и вкрапленности минералов,
контрастности или близости их физических свойств и т. д.
Для крупнозернистого материала применяют визуально-ручной спо-
соб отбора мономинеральных фракций под бинокулярной лупой. Од-
нако в настоящее время он имеет весьма ограниченное применение
ввиду низкой производительности.
Наиболее распространены методы получения мономинеральных
фракций, основанные на различии (контрастности) физических свойств
разделяемых минералов.
Минералы по плотности обычно разделяют в тяжелых жидкостях,
плотность которых составляет 2900—4300 кг/м3 и может быть повышена
до 5000 кг/м3 с использованием легкоплавких солей и металлов. Мине-
ралы разделяют в специальных делительных воронках или центри-
фугах (для тонкодисперсного материала) При значительном содержа-
нии тонкодисперсного материала крупностью 10—40^ мкм требуется не-
однократная перечистка фракций. Плотность жидкости подбирают в
зависимости от минерального состава исследуемой руды. Вначале обыч-
но выделяют легкую фракцию (<2650—2900 кг/м3), представляющую
пустую породу (кварц, карбонаты) с незначительной долей рудных
минералов в форме тонких включений и вкраплений.
В промежуточные фракции плотностью 2900—3400 кг/м3 обычно
концентрируется сростковый материал, а в тяжелых фракциях (3400—
4200 кг/м3) сосредоточиваются свободные зерна и богатые сростки
рудных минералов. Во фракцию плотностью более 4200 кг/м3 часто
выделяется практически мономинеральный материал рудных минералов.
Магнитогидростатическая сепарация с целью выделения мономине-
ральных фракций осуществляется в аппаратах МГС-1, где использует-
ся искусственно утяжеленная парамагнитная жидкость (растворы
МпС1, МпВг2) и возможно деление немагнитных минералов плотностью
2500—7500 кг/м3
Для выделения парамагнитных минералов с удельной магнитной
восприимчивостью (0,2—700)-10“6 см3/г применяется магнитная сепа-
рация. Простейший такой сепаратор — ручной магнит Сочнева С-5,
имеющий четыре класса интенсивности магнитного поля, на котором
можно разделять такие минералы, как магнетит, ильменит, вольфрамит,
монацит и пирит (диамагнитный).
Минералы с близкой магнитной восприимчивостью разделяют (су-
105
хим и мокрым способом) на электромагнитных сепараторах (СЭМ-1,
УЭМ-1Т, СИМ-1), на которых можно выделять мономинеральные фрак-
ции магнетита, титаномагнетита, гематита, хлорита, амфибола, грана-
та и др.
Электрические сепараторы применяют при разделении смесей сухих
минеральных компонентов. Эффективность этого способа разделения
зависит от состояния поверхности. Он используется при крупности час-
тиц материала не менее 0,1—0,2 мм. Поэтому перед сепарацией отмы-
вают шламы, удаляют (в случае их наличия) пленки окисления с по-
верхности зерен. Непосредственно перед сепарированием требуется
сушка материала (при / = 340 К) для удаления следов влаги. В лабора-
торных условиях используют коронные сепараторы ЭКС-2 и ЭКС-3.
Эффективный способ получения мономинеральных фракций (в виде
соответствующих концентратов) — флотация, а также другие физиче-
ские и физико-химические процессы (диэлектрическая сепарация, де-
крипитация и др.)
Применяется также химическая доводка мономинеральных фрак-
ций в случае особо тесных и тонких взаимных прорастаний разделяемых
минералов. Этот способ концентрирования основан на избирательном
растворении химическими реактивами сопутствующих минералов и
химической инертности концентрируемого минерала. В качестве реак-
тивов применяют растворы минеральных и органических кислот, щелочей,
соды и др. Такая обработка наиболее эффективна, если выделяемый
минерал весьма инертен к большинству реактивов (золото, платинои-
ды, касситерит, кварц, корунд), а сопутствующие минералы, наоборот,
легко растворимы в них (кальцит, малахит, азурит, пирротин, сфа-
лерит)
9.	ТЕКСТУРНО-СТРУКТУРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
9.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Один из важнейших признаков минерального сырья, оказывающих
решающее влияние на его обогатимость,— строение рудного мине-
рального вещества, определяемое морфологией и взаиморасположением
отдельных минеральных частиц (зерен) и их агрегатов в массе руды.
Основные черты этого строения характеризуют текстурой и структурой.
Текстура руд—совокупность признаков строения руды, определяю-
щих форму, размер, взаимную ориентировку и состав минеральных
агрегатов, слагающих рудный материал. При обогащении руд перво-
степенное значение имеет сочетание признаков, отражающих размеры,
морфологические особенности и характер распределения в простран-
стве минеральных агрегатов — характерных составных частей руды, об-
разованных срастаниями минералов, выделившихся в определенные эта-
106
иы и стадии процесса рудообразования. Для руд слоистой текстуры к
1лким признакам относят мощность и протяженность рудных и без-
рудных прослоев; для руд вкрапленной и пятнистой текстур — размеры
и форму вкрапленников или пятен, частоту их распространения; для
редкометалльных руд блоковой или гнездовой текстуры — размеры и
форму блоков, их состав, концентрацию полезных минералов в блоках,
гнездах и промежуточном пространстве. Важный количественный пара-
метр текстуры руд в технологической минералогии —- объем безрудных,
«пустых» интервалов в рудной массе.
Характеристика текстуры руды определяется морфогенетическими
особенностями слагающих текстуру минеральных агрегатов: их морфо-
логией, размерами, минеральным составом, способом образования и
последующими изменениями. По форме выделений минеральные агре-
гаты подразделяют на три группы: удлиненные, округлые и агрегаты
неправильной формы.
Минеральные агрегаты удлиненной формы преиму-
щественно развиты в одном или двух направлениях. Они могут пред-
Табл ица 9.1
Классификация минеральных выделений (зерен и минеральных
агрегатов) по размерам
Рудные текстуры	Тип выделений	Преобладающий размер выделе- ний, мм	Условия наблюдения и измерений
Макрострукту-	Весьма крупные	20—200	Отчетливо наблюдаются не-
ры (макротек-			вооруженным глазом
стуры)	Крупные	2—20	Видны невооруженным гла- зом. Размеры определяют не- посредственным измерением
Микрострукту- ры (микротек- стуры)	Мелкие	0,2--2	Наблюдаются с помощью лупы или невооруженным глазом. Размеры определяют непосредственным измерени- ем или под лупой
	Тонкие	0,2—0,02	Различимы при помощи лу- пы или микроскопа. Размеры определяют под микроско- пом
	Весьма тонкие (эмульсионные)	0,02-0,002	Наблюдают и измеряют толь- ко с помощью микроскопа
	Субмикроскопиче- ские	0,002—0,0002	Нод микроскопом могут наб- людаться лишь с использо- ванием самых высокократ- ных увеличений. Размеры измеряют специальными ме- тодами
Коллоидно-дис- персные		< 0,0002	Неразличимы в обыкновен- ном микроскопе даже при самых больших увеличениях. Требуют применения специ- альных методов исследова- ния
107
Таблица 9.2 Генетическая классификация текстур руд
Груп- па по форме мине- раль- ного агре- гата	Форма мине- рального аг- регата, опре- деляющая морфологиче- ский тип текстуры	Первичные				
		Сингенетические, обра- зованные в процессе		Эпигенетические, образованные в процессе		
		магматиче- ской ликва- ции и крис- таллизации	седимента- ции и диа- генеза	заполнения пустот в породах и рудах	метасоматического заме- щения пород и руд	
					текстуры коррозион- ные	текстуры унаследо- ван ные
1	Полоски, прослои и другие ми- неральные образова- ния удли- ненной фор- мы	Полосча- тая; псев- дослоис- тая	Полосча- тая; слои- стая; лин- зовидная	Полосчатая; крустифика- ционная		Полосчатая; диффузион- но-полосча- тая; слоис- тая; линзо- видная
2	Прожилки и дендриты	Прожил- ковая	Прожил- ковая; просечко- вая	Прожилко- вая	Прожилко- вая; нитеоб- разная; пе- тельчатая; решетчатая; субграфиче- ская; гра- фическая	
3	Цемент	—	Цементная	—	-	Цементная
4	Почки, ооли-	Нодуляр-	Оолито-	Секрецион-	Вкраплен-	Вкраплен-
	ты, псевдо-	ная; вкрап-	вая; пссв-	ная и жео-	ная; пятни-	ная; пятни-
	оолиты, но-	ленная;	дооолито-	довая; ко-	стая; эмуль-	стая; ооли-
	дули и дру- гие мине- ральные об- разования округлой формы	пятнистая	вая;вкрап- ленная; конкреци- онная; се- крецион- ная	кардовая; вкраплен- ная; пятни- стая	сионная	товая; зо- нальная; конкрецион- ная
5.	Органоген- ная	—	Органо- генная	—		✓	Органоген- ная
6	Натечная		Колло- морфно- метакол- лоидная	Колломорф- но-метакол- лоидная; концентри- чески-зо- нальная; сталактито- вая; сталаг- митовая		Колломорф- ная
7	Каемчатая	—	—	—	Каемчатая; корковая	—
8	Обломки	—	Конгломе- ратовая	—	—	—
9	Осколки	Брекчие- вая; брек- чиевидная	Брекчие- видная	Брекчиевая; брекчиевид- ная	—	Брекчиевид- ная
108
Вторичные, в процессе
метаморфизма			выветривания		
при дробле- нии и смятии минеральных агрегатов	при течении и перекрис- таллизации минеральных агрегатов	при выщела- чивании и дроблении минеральных агрегатов	при метасоматическом замещении		при заполне- нии пустот
			текстуры корро- зионные	текстуры ре- ликтов (унас- ледованные)	
Сланцева- тая; плойча- тая; линзо- видная; гнейсовид- ная	Сланцева- тая; плойча- тая; линзо- видная; гнейсовид- ная			Полосча- тая; слоис- тая	
—	Субграфи- ческая; гра- фическая; прожилко- вая; просеч- ковая	—	Нитеобразная; петельчатая; решетчатая; сетчатая; суб- графическая; графическая; дендритовая	—	Прожилко- вая; дендри- товая
—	—	—	—	Цементная	Цементная
Очковая	Очковая			Конкреци- онная	Секрецион- ная; кокар- довая; жео- довая
—	—	—	—	—	—
	Мета колло- идная; реак- ционно-кае- мочная	/			Колломорф- ная; мета- коллоидная; корковая; сталактито- вая; сталаг- митовая
—	—	—	Каемчатая; корковая; зо- нальная	Зональная	—
—	—	Обломочная	—	—	—
Брекчиевид- ная	—	Брекчиевид- ная		—	Брекчиевид- ная
109
Продолжение табл. 9.2
Груп- па по форме мине- раль- ного агре- гата	Форма мине- рального аг- регата, опре- делающая морфологиче- ский тип текстуры	Первичные				
		Сингенетические, обра- зованные в процессе		Эпигенетические, образованные в процессе		
		магматиче- ской ликва- ции и крис- таллизации	седимента- ции и диа- генеза	заполнения пустот в породах и рудах	метасоматического заме- щения пород и руд	
					текстуры коррозион- ные	текстуры унаследо- ванные
10	Реликты-ос- татки; ске- летная		—	—	Скелетная; раскрошен- ная; релик- товая	—
11	Каркасы	—	—	—	—	—
12	Бесформен-	Массив-	Землис-	Массивная;	Вкраплен-	Массивная;
	ная; неопре- деленная	ная; вкра- пленная	тая; поро- шковатая; массив- ная; вкра- пленная	вкраплен- ная	ная	вкраплен- ная
ставлять собой прослойки, полосы, лепты, линзы, прожилки, струйча-
тые выделения и т. д. Образуются эти текстуры в процессе ликвации
или кристаллизационной дифференциации в изверженных горных по-
родах, в ходе метасоматических процессов, при выполнении трещин
и зияющих полостей во вмещающих породах, а также в ходе седи-
ментации в месторождениях осадочного происхождения.
Округлая форма минеральных агрегатов проявляется в виде
конкреций, секреций, оолитов, рудной гальки в конгломератах и пр.
Минеральные агрегаты неправильной формы встре-
чаются наиболее часто. Морфологические особенности их весьма разно-
образны. К ним могут быть отнесены вкрапленность, пятна и гнезда
рудных минералов в изверженных и метаморфических горных поро-
дах, корки, натеки, друзы, каемки, дендриты, сетчатые выделения рудо-
образующих минералов во вмещающих породах и в самих рудах; руд-
ный цемент в тектонических брекчиях и песчаниках.
Размеры минеральных агрегатов могут варьировать от долей до
нескольких сантиметров. Рудные текстуры по размерам минеральных
агрегатов подразделяют на макро- и микроструктуры (табл. 9.1).
Минеральные агрегаты могут быть сложены как рудными, так и
нерудными минералами одного или нескольких минеральных видов.
В природе наиболее широко распространены полиминеральные агрега-
ты. Реже встречаются мономинеральные агрегаты, представленные
сростками зерен одного минерального вида.
110
Вторичные, в процессе
метаморфизма
выветривания
при дробле-
нии и смятии
минеральных
агрегатов
при течении
и перекрис-
таллизации
минеральных
агрегатов
при выщела-
чивании и
дроблении
минеральных
агрегатов
при
метасоматическом
замещении
текстуры корро-
зионные
текстуры ре-
ликтов (унас-
ледованные)
при заполне-
нии пустот
Реликтовая;
раскрошенная
Землистая
Каркасная;
пористая;
губчатая;
ящичная;
пещеристая
Пористая;
каверноз-
ная; земли-
стая; норо-
шковатая;
охристая
Вкрапленная
Примечание. Первичные текстуры — текстуры, характерные минеральные агрегаты
которых сложены первичными минералами; вторичные текстуры — текстуры, характер-
ные минеральные агрегаты которых сложены вторичными минералами.
Главный фактор, определяющий морфогенетический текстурный тип
руд,— способ образования минеральных агрегатов, или их генезис. Ми-
неральные агрегаты, сформировавшиеся на ранних этапах становления
месторождений полезных ископаемых, при кристаллизации минералов
из рудоносных расплавов или растворов, сочетаясь между собой, обра-
зуют генетическую группу первичных текстур. Более поздние процессы,
связанные с перекристаллизацией ранее выделившихся минералов, их
дроблением под воздействием тектонических напряжений, растворением
и перераспределением в пространстве, приводят к формированию вто-
ричных текстур. На практике обычно приходится сталкиваться с совме-
щением на одном и том же месторождении первичных и вторичных тек-„
стур, но при преобладании какого-либо главного типа.
Своеобразные вторичные текстуры образуются в результате вывет-
ривания руд. При этом механическое разрушение рудного материала
приводит к его дезинтеграции и формированию обломков все более
мелких размеров вплоть до мелкозернистых песков, а химическое вы-
ветривание — к выщелачиванию из руды одних минералов и сохранению
других, более устойчивых, с образованием пористых, ячеистых, кавер-
нозных и подобных им текстур. Морфогенетическая классификация тек-
стур руд, предложенная С. А. Юшко, приведена в табл. 9.2.
111
Структура руд — совокупность признаков, характеризующих строе-
ние слагающих рудный материал минеральных агрегатов. Каждый
минеральный агрегат состоит из совокупности минеральных зерен, или
минеральных индивидов, представляющих собой обособление однород-
ного по химическому составу вещества, образовавшегося в результате
природных процессов и отделенного от других (соседних) индивидов
естественными поверхностями раздела — границами. Строение мине-
ральных агрегатов обусловлено формой, размерами и типами сраста-
ний отдельных минералов, их удельной поверхностью, количеством и
размером включений посторонних минеральных фаз в кристаллических
или аморфных выделениях минералов.
В технологической минералогии к наиболее важнььм количественным
параметрам, характеризующим структуру руд, относят гранулометриче-
ский состав, морфологию и удельную поверхность соответствующей
минеральной фазы. Размеры и геометрические формы минеральных зе-
рен определяют необходимую крупность измельчения руды для опти-
мального раскрытия сростков минералов. Знание удельной поверхности
основного рудного минерала позволяет прогнозировать качество кон-
центрата обогащения при заданной крупности измельчения руды.
Структурные признаки руды, как и ее текстура, обусловлены генети-
ческими особенностями формирования месторождения и конкретного
типа руд: условиями выделения, кристаллизации и преобразования ми-
нералов. В зависимости от характера процесса рудообразования, скоро-
сти кристаллизации минералов, концентрации компонентов рудооб-
разующей среде, температуры, давления, газонасыщения системе
размеры зерен минералов могут быть как очень крупными, так и весьма
мелкими, вплоть до коллоидно-дисперсных (см. табл. 9.1)
Форма минеральных индивидов в агрегатах в зависимости от разли-
чий в условиях образования руд также может быть самой разнообраз-
ной: идиоморфной, аллотриоморфной, гипидиоморфной, также обло-
мочной. Минералы могут быть представлены коллоидными образова-
ниями, эмульсионной вкрапленностью и кластическим материалом:
обломками, осколками, глинкой трения (табл. 9.3)
Идиоморфными называют зерна с очертаниями, характерными
для кристаллографически ограненных выделений данного минерала, об-
разовавшихся при кристаллизации из расплава или раствора. В случае
формирования правильных кристаллов минералов в ходе перекристал-
лизации ранее выделившихся минеральных фаз их форму называют
идиобластовой (идиобластической)
К аллотриоморфным или ксеноморфным (ксенобласто-
вым для метаморфических процессов) относят зерна, форма которых
полностью определяется конфигурацией соприкасающихся с ними дру-
гих минералов. Минеральные зерна, в очертаниях которых лишь час-
тично проявлены их естественные кристаллографические формы, носят
наименование гипидиоморфных (гипидиоморфнобластических в мета-
морфогенных рудах).
При участии в процессах рудообразования коллоидных систем отде;
112
ni.ie минералы нередко выделяются в виде скоплений неправильной
формы, образуют участки со сферическим, скорлуповатым или концент-
рпчески-зональным строением, формируют сложные натечные агрегаты
колломорфного строения.
В результате катаклаза (дробления и смятия) руд под воздействием
।сктонических напряжений и подвижек минералы в зависимости от их
механической прочности могут измельчаться до осколков различного
размера или истираться до тонкодисперсного состояния, образуя глинку
। рения.
Морфологические особенности минеральных зерен, образующихся
в результате химического и физического выветривания руд и горных
пород, определяются как исходной формой соответствующих минералов,
гак и их химической и физической (механической) устойчивостью. Они
могут сохранять очертания минералов исходной руды, приобретать
округлые сглаженные формы в случае длительной транспортировки вод-
ными потоками, особенно при низкой абразивной устойчивости мине-
рала, наконец, могут химически и физически разрушаться, уменьшаясь
в размерах, приобретая неправильную форму с границами извилистых
очертаний. Минеральные зерна, окатанные или сглаженные в процессе
перемещения поверхностными агентами (водные потоки, морской при-
бой, ледниковое перемещение, воздушный перенос), называют облом-
ками, а их рыхлые агрегаты — песками.
Образование минералов и минеральных агрегатов определенной
структуры связано с первичными и вторичными (наложенными) про-
цессами минералообразования. Соответственно и морфогенетические
типы тех или иных структур подразделяют на первичные и вторичные.
Первичные структуры минеральных агрегатов формируются в
процессе кристаллизации минералов из расплавов или растворов.
В дальнейшем руды могут подвергнуться преобразованию в ходе мета-
соматического замещения или собирательной перекристаллизации, не-
редко приводящей к укрупнению минеральных зерен и к изменению их
первичной формы. В этом случае говорят об образовании метакристал-
лов или метазерен. Глубокое преобразование руды при перекристалли-
зации под влиянием резко изменившихся термодинамических условий
называют бластез, а образующиеся при этом зерна минералов —
бластокристаллами или бластозернами. В процессе рас-
кристаллизации коллоидов (гелей) и при распаде твердых растворов
минералов образуются сложные, как правило, мелко- и микрозернистые
структуры с тонкими срастаниями минеральных фаз.
В табл. 9.3 приведена морфогенетическая классификация структур
руд. В ее основу положена форма характерного минерального выде-
ления, определяющая морфологический тип структуры.
9.2.	ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА СРАСТАНИЯ ЗЕРЕН МИНЕРАЛОВ
. Для минералов характерно многообразие типов внутрикристалли-
ческой химической связи между отдельными атомами, ионами и груп-
113
Таблица 9.3
Генетическая классификация структур руд
Группа по фор- ме ми- не- раль- ного зерна	Форма минераль- ного зер- на, опре- деляющая морфоло- гический тип структуры	Первичные, образованные		
		при кристаллизации расплавов и растворов		при метасома- тизме
		Зернистые	Коррозион- ные	Мета- зернистые
1	Идио- морфная	Идиоморфно- зернистая	—	Идиоморф- но-метазер- нистая
2	Гипидио- морфная	Гипидиоморф- но-зернистая; сидеронитовая; порфировидная; пойкилитовая		Гипидио- морфно-ме- тазернистая
3	Алло- трио- морфная	Аллотриоморф- но-зернистая; графическая; субграфическая	Графичес- кая; субгра- фическая	Аллотрио- морфно-зер- нистая; гра- фическая; субграфиче- ская
		Вторичные, образованные			
в процессе коагу- ляции коллоидов и осаждения механических взвесей мине- ральных зерен из растворов		при распаде твердых растворов, перекристаллизации и раскристаллизации минеральных агрегатов			при дроблении и смятии минералов
Коллоид- ные	Обло- моч- ные	Распад твердого раствора	Кристалло- бластические	Металло- идные	Катаклас- тические
—	—	—	Идиоморф- но-бласти- ческая	Сферолито- вая или ра- диально-лу- чистая	—
		•	Гипидио- морфно-бла- стическая; порфиро- бластиче- ская; пойки- литобласти- ческая		
		Неоднород- ная; графи- ческая; суб- графичес- кая, пламе- невидная	Аллотрио- морфно- бластиче- ская; ориен- тированно- бластиче- ская		Ориентиро- ванно-зер- нистая
4	Колло- идная	Афанитовая	—	Афанитовая	Гелевая колло- морфная	—	—	—	Концентри- чески-зо- нальная или коломорф- ная	—
5	Эмуль- сионная	—	—	—	—	— .	Эмульсион- ная	—	—	—
6	Пластин- чатая	—	—	—	—	—	Пластинча- тая; решет- чатая; пе- тельчатая; зональная	—	—	Смятия
7	Реликто- вая (ос- татки)	—	Разъедания; скелетная; реликтовая	—	—	—	—	—	—	—
8	Оско- лочная									Дробления; граноклас- тическая; порфиро- кластиче- ская; ориен- тированно- кластическая
9	Обло- мочная	—	—	—	—	Обло- моч- ная	—	—	—	—
Примечания: 1. В группах 1, 2 и 4 такой формой минеральных зерен обладают все выделения минералов в характерном минеральном
агрегате; в группе 3 — с формой выделений минералов 1-й и 2-й групп; в группах 5—9 формы характерны для отдельных минеральных
выделений в агрегате. 2. В группу «идиоморфная» объединены минеральные зерна с формой, соответствующей их кристаллическим
структурам. Для характеристики генетического типа структуры точное определение формы минерального зерна не имеет существенного
значения.
пами атомов и ионов: ионная, ковалентная, металлическая, координа-
ционная, вандерваальсова, водородная. В одном минеральном индивиде
зачастую одновременно действуют несколько видов кристаллохимиче-
ской связи. В минеральных агрегатах могут иметь место аналогичные
типы химической связи в зонах соприкосновения минеральных зерен
друг с другом. Дополнительный вклад в когезию кристаллитов могут
вносить силы кулоновского притяжения несбалансированных зарядов на
границах раздела фаз, силы поверхностного натяжения поровых раство-
ров и др. Учет всех действующих сил для точного определения энергии
связи минеральных зерен на границах их срастаний представляет весь-
ма сложную задачу. Однако согласно теореме Гельмана — Фейнмана
взаимодействие в данном случае можно свести к электростатическому
взаимодействию ядра атома с электронным облаком и другими атомами.
Следовательно, природа всех типов химической связи является электро-
статической. При этом сила когезии, характеризующая интегральную
прочность связи минералов по границам срастаний, будет зависеть от
электронной структуры поверхностей соприкасающихся зерен, которая в
свою очередь определяется элементным составом и кристаллической
структурой контактирующих минералов.
В рудах выделяется два класса границ срастания: гомофазная,
отделяющая разные зерна одного минерального вида, и гетерофаз-
ная, разделяющая два разных минерала. Прочность гомофазной гра-
ницы определяется в основном степенью разориентации контактирую-
щих кристаллических поверхностей, оцениваемой углом разориента-
ции 0. Прочность связи между зернами на границе срастания зависит
от наличия примесей (сегрегаций) в зоне контакта зерен и от состава
этих примесей. Прочность гетерофазных границ определяется в первую
очередь электрическими свойствами контактирующих минералов.
Контакт зерен по гомо- или гетерофазной границе срастания мине-
ралов приводит к перераспределению электронов и переносу их через
границу, возникновению контактной разности потенциалов и электри-
ческих полей, образованию новых валентных связей. Контактные яв-
ления на межфазной границе определяются электропроводностью мине-
ралов: диэлектриков (Д), полупроводников (П) или металлов (М), их
диэлектрической проницаемостью и сродством к электрону, работой
выхода электрона J, типом проводимости, концентрацией носителей за-
ряда и шириной запрещенной зоны. В табл. 9.4 приведена классифи-
кация границ срастания минералов по типам структурных особенностей
контактирующих фаз и прочностным характеристикам срастаний.
Деление гомофазных границ на мало-, средне- и большеугловые от-
ражает реальные свойства их структур, определяемые нарушениями
периодичности кристаллической решетки в зоне контакта. Малоуголь-
ные границы имеют дислокационную природу и являются границами
двойников и блоков (субзерен). Они расположены в объеме зерна —
монокристалла и делят его на структурные элементы, разориентирован-
ные друг относительно друга на малый угол (0<5°) При увеличении
угла разориентировки происходит слияние образующих границу субзе-
116
Таблица 9.4
Типы и прочностные характеристики границ срастания минералов
Структурная характеристика границ минералов	Тип симметрии, соотношение параметров кристаллической решетки, особенности типа границ	Прочность связи на границе в зависимости от типа контакта					
		М — М	п — п	д-д	п - м	п-Д’	м-д
Гетерофазные границы
Регулярная	Идентичный; одинаковые (ал =ав)	Прочная			Прочная или ослаб- ленная	Слабая
Нерегулярная Эпитаксиальная	Идентичный; одинаковые или различные (аА=Лав) Взаимно ориентированные и сопряженные кристалличе- ские решетки		Прочная Прочная	Прочная или ослабленная		» »
Диффузионная	Термодинамически неравно- весные границы		Прочная	Прочная или ослабленная		Слабая или очень слабая
Аморфно-кристал- лическая	Полунеупорядоченные гра- ницы	Прочная |	Ослабленная	Ослабленная или слабая		То же
Аморфная Сегрегационная Малоугловая (0<5°) Среднеугловая (5°<0<1О°) Большеугловая (0> 10°) Сегрегационная	Неупорядоченные границы Осложненная примесями Граница двойников и блоков (субзерен) Малодефектная Нарушенная С примесями	Прочная	Ослабленная или слабая Слабая с высокой хрупкостью Гомофазные границы Прочная Прочная или ослабленная Ослабленная или слабая Слабая с высокой хрупкостью				» Очень сла- бая
Примечания: 1. (	Звязь: прочная — близка к прочности кристаллов; ослабленная — ниже прочности кристаллитов; слабая — сущест-					
венно ниже прочности кристаллитов; очень слабая 3. аА и ав — постоянные решеток минералов А и В.		— практически	отсутствует. 2. П, М, Д -	- типы минералов по электропроводности.		
рен дислокаций, и малоугловые границы переходят в среднеугловые
(при 0> 5°) и большеугловые (при 0> 10°), которые уже являются
типичными межзерновыми границами в поликристаллических агрегатах.
Характерная особенность гомофазных границ между одноименными
минералами — наличие общих атомов, через которые зерна как бы при-
растают друг к другу, обеспечивая тем самым высокую прочность связи
на границе. Тем не менее эта связь все же остается значительно менее
прочной, чем межатомные связи внутри кристаллической структуры
минерала.
Число дефектов на границе контакта увеличивается по мере увели-
чения угла разориентировки кристаллической структуры контактирую-
щих зерен. Поэтому большеугловые границы срастаний имеют пони-
женную прочность и при разрушении поликристаллов раскрываются в
первую очередь. Кроме того, большеугловые границы из-за значитель-
ной разориентировки кристаллических блоков обычно трассируются
микротрещинами, вдоль которых наблюдается сегрегация примесей, что
еще больше снижает прочность срастаний. Поскольку разрушение са-
мого зерна минерала подчиняется дислокационному механизму, опреде-
ленный вклад в измельчаемость минералов могут вносить границы суб-
зерен и плоскости двойникования, являющиеся местами зарождения
микротрещин при пересечении этих границ дислокациями.
Выделение сегрегационных границ в качестве самостоятельного типа
срастаний обусловлено значительным влиянием примесей на свойства
границ срастаний. К этому типу отнесены такие границы, вдоль которых
примесные атомы сегрегированы и хотя еще не образуют самостоятель-
ной кристаллической фазы, но уже существенно ослабляют связь между
соприкасающимися кристаллитами. При этом прослойка этих атомов
может быть как непрерывной, так и дискретной, локализованной лишь
в отдельных участках поверхности контакта зерен.
Энергия связи на малоугольных границах срастаний практически
равна энергии связи атомов в кристаллической решетке. На средне-
и особенно на большеугловых границах срастания энергия межатомных
связей меньше, чем внутри зерен за счет дефектов и увеличения рас-
стояний между атомами граничных поверхностей кристаллитов. Энергия
связи на сегрегационной границе практически всегда меньше или су-
щественно меньше энергии связи атомов в объеме минералов; эта
граница характеризуется наименьшей прочностью.
Из указанных в табл. 9.4 гетерофазных границ срастания в рудах
наиболее часто встречаются нерегулярные, эпитаксиальные и сегрега-
ционные. Диффузионные границы характерны для срастаний минералов
из зон контактового метасоматоза и некоторых метаморфических пород.
Этот тип границ срастаний характерен для термодинамически неравно-
весных условий при наличии диффузионного перемещения элементов
вдоль границ зерен соприкасающихся минералов.
Минералы вмещающих пород чаще всего являются диэлектриками,
а рудные минералы — полупроводниками, поэтому на гетерофазных гра-
ницах между минералами вмещающих пород и минералами руды наибо-
118
н е распространен контакт Д — П. Контакты П — П, М — П и М — М
характерны для границ между рудными, а контакты Д — Д — между
нерудными минералами. В случае гетерофазных границ перенос заряда
через контакт приводит к возникновению в приповерхностных слоях
контактирующих кристаллитов области пространственного заряда
(ОПЗ) и электрических полей значительной напряженности, а также к
изменению энергетического состояния электронов в этой области, ис-
кривлению энергетических зон и к возникновению поверхностного заряда
па границе контакта. Этот заряд активно участвует в образовании связи
между минеральными зернами.
Все межфазные контакты образуют гетеропереход, скачок электро-
статического потенциала, на котором обусловлен разностью электрохи-
мических потенциалов электронов, т. е. уровней Ферми в минералах, и
разностью электроотрицательностей смежных атомов. Если контакти-
рующие минералы находятся в термодинамическом равновесии, то по-
ложение уровня Ферми одинаково для всей системы. Если, кроме того,
пограничные атомы на контакте образуют валентные связи, то проис-
ходит выравнивание электроотрицательностей на поверхности: при этом
пограничная электроотрицательность принимает промежуточное значе-
ние между электроотрицательностями контактирующих веществ. В зави-
симости от разностей электроотрицательностей ДЭ контактирующих ми-
нералов или атомов между ними может возникнуть ионная (ДЭ =
= 2,54-3,2), ковалентная полярная (ДЭ= 14-2,5) или ковалентная сла-
бо полярная связь (ЛЭ<1).
При отсутствии на контакте валентных связей взаимодействие ато-
мов на границах обусловлено возникновением ОПЗ противоположного
знака. В этом случае знак заряда в ОПЗ определяется соотношением
работ выхода электрона в контактирующих минералах. Электроны пере-
ходят из минерала с меньшей работой выхода в минерал с большей.
Следовательно, если работа выхода (JA) электрона в минерале А боль-
ше работы выхода (J8) в минерале В, то пространственный заряд в
минерале А будет отрицательным, а в В — положительным, а на гра-
нице контакта возникает скачок потенциала и двойной электрический
слой. Такой же слой возникает при контакте двух минералов с электро-
проводностью, близкой к металлической.
Для гетерофазных границ прочность связи зарядов на контакте зе-
рен минералов в значительной степени определяется диэлектрической
проницаемостью минералов, так как энергия электростатического поля
заряженных частиц, а, следовательно, и энергия их связи обратно про-
порциональны эффективной диэлектрической проницаемости вещества.
В металлах и полупроводниках с высокой проводимостью диэлектри-
ческая проницаемость очень велика, поэтому электростатическое поле
любого внешнего заряда в них экранируется на расстояниях меньших,
чем расстояния между атомами. Это приводит к тому, что в большинст-
ве случаев при контакте минералов-диэлектриков с минералами-провод-
никами их связь на границе срастаний оказывается слабой. Наиболее
прочная связь возникает на контактах Д — Д, П — П, М — М, а также
119
Д — П в случае низких диэлектрических проницаемостей контактирую-
щих минералов (е^20) Если один из контактирующих минералов
имеет £>> 30, то связь между зернами ослабляется. Низкая прочность
связей на контакте минерала-диэлектрика с минералом с высоким 8 при-
водит к тому, что такие минералы при выветривании руд часто образуют
россыпи (если они обладают к тому же высокой химической и абразив-
ной устойчивостью)
9.3.	МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ
ТЕКСТУРНО-СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Основные задачи при исследовании текстурно-структурных парамет-
ров руд — отнесение выявленных текстур и структур к соответствующим
видам и типам принятой классификации; определение геометрических
параметров; изучение гранулометрического состава минералов и раз-
мерности минеральных агрегатов, их удельной поверхности и морфо-
метрических характеристик.
Изучение текстуры руды производится при геологическом описании
ее на характерных штуфах или участках керна разведочных скважин.
Измерения выполняются линейкой. В рудах со слоистой текстурой изме-
ряют нормальные или истинные мощности слоев, с вкрапленной — раз-
меры вкрапленников или участков, не содержащих рудные минералы.
Наиболее представительные данные о текстурных особенностях тех-
нологических проб могут быть получены, если будут измерены все об-
разцы, входящие в пробу, что возможно только для небольших (20—
40 кг) лабораторных проб кусковатого материала (размер кусков не
менее 50—70 мм)
Для получения надежных статистических данных общее число еди-
ничных измерений должно составлять не менее 300 для одной разно-
видности руды.
Число штуфов (образцов), которые необходимо измерить по техно-
логической пробе для различных размерных типов текстур, зависит от
размера текстурного элемента:
Необходимое число штуфов (образцов) для определения текстуры
Преобладающий размер текстурного элемента, мм 0—5	0—10	0—25
Максимальное число штуфов (образцов)	25	60	150
Данные измерений текстуры руд обобщают по следующим классам
крупности: +25; 25—10; 10—5; 5—3; 3—1; —1 мм. Размеры текстур-
ных элементов, соответствующие границам между классами, относят к
меньшему классу.
Правильность определения текстурных элементов и параметров тек-
стуры в целом контролируют повторными измерениями текстурных
элементов в контрольных образцах. Суммарная мощность текстурных
элементов в контрольных образцах должна составлять 3—5% суммы
выполненных измерений по разновидности руды или технологической
120
пробе в целом. Относительные отклонения суммарных измерений по
одним и тем же образцам не должны превышать 10%.
Структурные характеристики руды определяют путем изучения ри-
сунка, выявляющегося на поверхности приполированных образцов
(штуфов) руды, наблюдения микроструктуры и структурных особенно-
стей руды в полированных (или прозрачных) шлифах под микроскопом
сопоставления этих картин с типовыми текстурами и структурами,
приведенными в соответствующих справочниках и атласах.
Для изучения структуры руд визуальным способом используют руд-
ные микроскопы МИН-9, МИМ-8м, МИМ-7, «ПОЛАМ 311», АМПЛИВАЛ,
НУ-2е, ЙЕНА-ПОЛ, НЕОФОТ-2 и другие с комплектующими их пре-
паратоводителями.
В плоскости шлифа намечают три параллельные линии. При нали-
чии слоистости линии проводят перпендикулярно к ней. Одну линию
проводят в середине шлифа, две другие — на равном расстоянии от
средней линии. Расстояние, на котором их проводят, должно в 3—4 раза
превышать размер максимальных сечений зерен. Для установки линий
измерения и соблюдения ее в процессе измерения, шлиф устанавлива-
ют в препаратоводитель. Линия измерения ориентируется поворотом
столика микроскопа. По выбранным линиям измеряют сечения рудных
и нерудных выделений и относят их к соответствующим общепринятым
размерным классам (<0,2; 0,1—0,2; 0,074—0,1; 0,045—0,074; 0,03—
0,045; >0,03 мм). В классе <0,2 мм необходимо фиксировать разме-
ры всех сечений. Сечения, размеры которых соответствуют границам
между классами, относят к нижнему размерному классу. Фиксировать
результаты измерений сечений по размерным классам можно по счет-
ной части прибора «Эльтинор» или другому многоканальному счетчику
с ручным приводом. Результаты измерений заносят в таблицу.
Для расчета объемного содержания рудных выделений по классам
рассчитывают суммарную длину по каждому интервалу умножением
числа подсчитанных сечений на среднее значение по классу. Объемная
доля классов (в процентах) определяется как отношение суммарной
длины сечений по каждому классу к суммарной длине по всем классам.
Контроль выполненных измерений производится повторным измере-
нием 1—2 шлифов. Если средние значения сечения по шлифам не пре-
вышают 10%, то анализ считается удовлетворительным. В случае боль-
ших отклонений измерения повторяют.
Наиболее эффективный метод оптико-геометрического структурного
анализа — автоматический сканирующий анализ с помощью анализато-
ров изображений, снабженных обычно ЭВМ. В настоящее время в
СССР выпущены автоматические анализаторы изображений типа
«Протва» и «Свит»; за рубежом некоторые фирмы серийно выпускают
роботизированные анализаторы изображений, которые используют и для
структурного анализа руд: «Периколор» (Франция), «Ибас» (ФРГ),
«Маджискан-2» и «Маджискан-2А» (Великобритания)
Автоматические анализаторы изображений при исследовании опти-
ческих препаратов дают возможность получить количественные грануло-
121
a
Рис. 9.1. Гистограммы
длин зерен пирохлора из
рудных зон № 1 (а) и
№ 2 (б) карбонатитового
месторождения, получен-
ные на автоматическом
анализаторе изображений
«Маджискан-2» (мас-
штаб логарифмический)
-Число зерен
3-10	10г	103	5Р03 ренрмм
Рис. 9.2. Гистограмма площадей зерен слюды во
флюоритовой руде (масштаб логарифмический)
1 i । “ ।	* 1	।	।	।
^5*	°°	Число зорен
'	......'.......7 ' ' ' ......Z........  С......... Л РаЗМеР Зе •
10	10z	10 s	10**	105	10ь рен,мм\
122
метрические характеристики зерен минералов: их удельные поверхности,
форму, длину и ширину, периметры и т. д. На основе регистрации
различий в оптических и геометрических свойствах минералов в данных
системах одновременно осуществляется фазовый анализ. Все числовые
характеристики обрабатывают статистически и выдают в виде гисто-
i рамм, статистических параметров, ряда других цифровых и графи-
ческих сведений (рис. 9.1 и 9.2). Высокое быстродействие автомати-
ческих систем обеспечивает экспрессность анализа и набор представи-
тельных выборок.
9.4.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ВСКРЫТИЯ МИНЕРАЛОВ
Под раскрытием руд или вскрытием минералов понимается процесс
высвобождения их из руд в чистом виде, в результате чего образуется
подготовленная для разделения механическая смесь минеральных ча-
стиц.
Степень раскрытия руд или вскрытия минералов
представляет собой отношение содержания контролируемого минерала,
находящегося в измельченной руде или продуктах обогащения в свобод-
ном состоянии (в виде изолированных частиц), к общему его содержа-
нию в руде или продуктах обогащения.
Степень вскрытия минералов используется для выбора оптимальной
крупности дробления и измельчения руд, а также оценки эффективности
применяемых процессов обогащения.
Определение степени раскрытия в общем случае сводится к опреде-
лению доли вскрытых минералов в измельченной руде или доли срост-
ков и соотношения в них рудных и нерудных минералов.
В руде, которая до измельчения представляет собой две нераскры-
тые фазы (рудную рр и нерудную рн), в процессе дробления или измель-
чения образуется три компонента: вскрытые рудные частицы, сростки
рудных и нерудных минералов и вскрытые нерудные частицы. Доли их
в руде соответственно составляют р, с и н. Равенство компонентов руды
до и после измельчения может быть записано в виде рр + рн= р + с + н,
а балансовые уравнения — рр = р-|-срс.р; рн = н + срс.1=р + нф-с;
рс. Н — 1 Рс. р-
Здесь рс. р — содержание рудного минерала в сростках, доли ед.;
Рс. н—содержание нерудного минерала в сростках, доли ед.
Математически степень раскрытия руды или вскрытия минерала
определяется безразмерным коэффициентом
Р р = Рв/Рк,
где Рр — коэффициент вскрытия минералов, доли ед.; рв — содержание
рудного минерала во вскрытых частицах, доли ед.; ри — содержание
рудных минералов в исходной руде или продуктах обогащения, доли ед.
Степень раскрытия руд контролируют как по рудным, так и неруд-
ным материалам. Однако использовать степень вскрытия нерудных ми-
нералов для оценки процессов раскрытия и разделения предпочтитель-
123
нее. Степень вскрытия нерудных минералов позволяет при обогащении
вычислить показатели разделения на основе обычного уравнения балан-
са металлов, в то время как при оценке степени раскрытия руды по
рудным минералам для этих целей требуется определение доли срост-
ков или содержания в них рудной фазы, методы определения которых
весьма трудоемки и ненадежны.
В настоящее время разработаны и используются различные методы
и приемы оценки степени раскрытия, учитывающие физико-химические
свойства руд, размеры вкрапленности рудных минералов, характер
нахождения химических элементов в минералах. Основные из них: ви-
зуально-макроскопический, микроскопический, гравитационно-оптиче-
ский, разделительно-аналитический.
Визуально-макроскопический метод используется для продуктов,
имеющих размер кусков от 5 до 150 мм, и пригоден для руд, свойства
полезных минералов в которых надежно определяются макроскопиче-
скими методами минералогической диагностики (цвет, блеск, спайность,
твердость и др.). Метод применяется для оценки степени раскрытия при
дроблении, предварительной концентрации (сухая магнитная сепарация,
радиометрическая сепарация).
При визуально-оптическом методе из рассеянных па узкие классы
крупности проб отбирают частные пробы для определения раскрытия.
Объем частных проб по наиболее крупным классам должен позволять
подсчитать не менее 100 зерен (кусочков).
В каждой частной пробе подсчитывают и определяют число вскры-
тых рудных зерен и сростков. В крупных вскрытых классах допуска-
ется до 5% включений нерудных минералов.
Для определения общей степени раскрытия руды отобранные рас-
крытые зерна и сростки взвешивают. Отношение массы раскрытых
рудных зерен к общей массе рудного минерала в пробе и есть степень
раскрытия руды.
Данный метод обладает относительной погрешностью, так как в
крупных зернах и кусках трудно определить визуальными методами
долю рудного минерала. Для повышения точности рекомендуется ме-
тодами фазового анализа определять массовую долю рудного минерала
в разобранных продуктах.
Микроскопический (оптический) метод используется при оценке
степени раскрытия проб, имеющих крупность 0,04—5 мм. Для диагно-
стики зерен на раскрытые и сростки применяют петрографические мето-
ды. Для тонковкрапленных руд проводится диагностика в специально
приготовленных полированных шлифах. Метод применяется для оценки
степени раскрытия при измельчении и сепарации.
Микроскопический метод наиболее распространен. Его использова-
ние дает возможность применить автоматические анализаторы подсчета
зерен. Для этого метода применяют стереоскопические микроскопы
МБС-2, МПС-2, поляризационные микроскопы отраженного и проходя-
щего света «Полам 213», «Полам 312» и других фирм, аналогичных по
техническим характеристикам. Для автоматического подсчета минера-
124
наиболее приемлемы анализаторы «Маджискан» (Великобритания)
«Ибас» (ФРГ).
Частные пробы на анализ отбирают из тщательно усредненных
проб по узким классам крупности. Для повышения точности диагностики
<ерен изготавливают полированные шлифы. Получению надежных дан-
ных удовлетворяет масса отобранной пробы, в которой находится не
менее 1000 зерен.
Подсчет выполняется по каждому узкому классу. Подсчитывают
раскрытые (свободные) рудные зерна и их сростки с нерудными мине-
ралами. Для коллективных концентратов полиметаллических руд за
раскрытые рудные зерна можно принимать сростки двух-трех выделяе-
мых в концентрат рудных минералов.
При необходимости ведется раздельный подсчет по каждому минера-
лу, а сростки разделяют на богатые (рудного минерала более 50%) и
бедные (рудного минерала менее 25%).
Под микроскопом в анализируемом поле подсчитывают относи-
тельную долю рудного минерала в свободных зернах и различных ти-
пах сростков; при этом раскрытые рудные зерна принимают за единицу,
а в каждом сростке определяют долю рудного в долях единицы. Пре-
параты в полированных шлифах рекомендуется перемещать с помощью
препаратоводителя. Результаты (в пределах каждого анализируемого
поля) по подсчетным полям, видам сростков суммируют.
При использовании автоматических анализаторов расчет ведется
для каждого поля с последующей записью в память измерений по
полям. Для расчета раскрытия можно использовать специальную про-
грамму (систему ИБАС ОПТОН) или обработку на машине отдельных
распечатанных полей измерений («Маджискан»)
Гравитационно-оптический метод определения степени вскрытия ми-
нералов чаще всего применяют для железных руд, но можно применять
для руд цветных, редких металлов, горно-химического сырья и флюсо-
вых материалов. Истинная плотность рудных минералов при этом не
должна превышать более чем на 25% плотность жидкости Клеричи,
т. е. 5300 кг/м3 Для диагностики минералов используют их плотности
и петрографические признаки.
Метод применяют для оценки процессов измельчения и разделения
минералов.
Гравитационно-оптический метод по сравнению с традиционным
микроскопическим отличается повышенной точностью, так как оптиче-
ский метод диагностики зерен под микроскопом или их срезов в аншли-
фах заменяется разделением их по плотности в тяжелых жидкостях и
последующим контрольным просмотром под микроскопом.
Последовательность и способ разделения (отстаивание или центри-
фугирование) выбирается в зависимости от плотности разделяемых
частиц.
При размере частиц свыше 0,2 мм и разности между истинной плот-
ностью жидкости и разделяемых минералов 1000 кг/м3 применяется
отстаивание в делительных воронках или стаканах. При меньшей раз-
125
ности плотностей и крупности частиц менее указанных применяется
центрифугирование.
Полученные легкие и тяжелые фракции просматривают под микро-
скопом с определением в них открытых зерен и сростков. Раскрытие
во фракции крупностью менее 0,01 мм определяется экстраполяцией по
графику. Долю рудных и нерудных минералов в исходной пробе опре-
деляют по данным фазового анализа.
Разделительно-аналитический метод основан на отделении рудных
минералов от сопутствующих, не содержащих ценный компонент мине-
ралов, обогатительными процессами с последующим фазовым или хими-
ческим анализом полученных продуктов.
Разделительно-аналитический метод эффективен только для магне-
титовых руд, являющихся двухкомпонентными системами и хорошо
поддающимися магнитным способам разделения. Этот способ может
быть успешно применен и для других двухкомпонентных руд, а также и
многокомпонентного минерального сырья, если имеется возможность
каким-либо способом отделить последовательно вскрытые рудные или
нерудные зерна контролируемых минералов от их сростков с пустыми
породами или сопутствующими минералами.
Степень раскрытия минерального сырья, когда каким-либо спосо-
бом может быть выделен один из компонентов в свободном виде, опре-
деляют по формулам
Рр==Р/Рр> Рц==н/ри.
При анализе руд в свободном виде обычно лучше отделяются вскры-
тые нерудные минералы. Выделить вскрытые рудные минералы, в связи
с большой их плотностью и близкими значениями физических свойств
со сростками, практически не удается. Вследствие этого технологиче-
ский анализ позволяет определить только рудную Ср и нерудную С„
составляющие, взвешиванием или по результатам химического анализа:
Ср = (а —т)/(Рр.с —т); Сн=1—Ср
или
Сн= (Рр. с а)/(Рр. С т) ,
где а — содержание металла в исходной руде, доли ед.; т — содержа-
ние неизвлекаемого металла в хвостах, доли ед.; рр с — содержание
металла в рудной составляющей, доли ед.
Тогда степень раскрытия руды по нерудным минералам (или степень
вскрытия нерудных минералов)
Л< = Сн/Рн = (Рр с — а)/(рр.с — т).
Для определения степени вскрытия рудных минералов требуется
иметь сведения о доле сростков в измельченной руде или содержании
в них рудного металла, так как рудная составляющая представлена
смесью вскрытых рудных минералов и сростков. Долю вскрытых руд-
ных минералов рассчитывают по следующей балансовой зависимости:
Р = (Рр с <о) / [Ср (Р мин — со)| »
126
где рмин - содержание металла в минерале, доли ед., (о — содержание
металла в сростках, доли ед.
Степень раскрытия измельченной руды на основе приведенных
балансовых уравнений и их производных определяют по следующим
формулам:
р= (Р to) (Рмин т)/[([3мин со) (Р т)|;
Рн = (|3 —а) (рмин — т)/[(р —т) (Рмин —а)|,
где р — содержание металла в рудной составляющей, доли ед.
При со = а, как следует из приведенного, Рн = Рр.
Долю рудной фазы в сростках сор для расчета степени вскрытия руд-
ного минерала определяют с помощью одного из способов минерало-
гического анализа. Она зависит от измельчаемости составляющих
руду минералов и при равных или близких значениях измельчаемости
может быть принята равной содержанию ее в исходной руде. Для
руд, имеющих различную измельчаемость, целью определения доли
рудной фазы в сростках могут быть использованы закономерности кине-
тики раскрытия руд. В этом случае
й) =_________рГр(1~^ир)________
|РУ(1 -ри.Р)+ к- (1-Р-) (1 -р. „)|
Ур = exp|-XpW/(Fp)|;
У„ = exp { - %„W/|F(1
где р — содержание рудного минерала в исходной руде, доли ед.;
Ри.р и Ри.„ — степень вскрытия соответственно рудного и нерудного мине-
рала в исходной руде, доли ед. Хр и Хн— истинная удельная производи-
тельность мельницы по вскрытому соответственно рудному и нерудному
минералам; И — вместимость мельницы, л; t — время измельчения, ч;
F — масса навески измельчаемой руды, кг.
9.5.	ХАРАКТЕРИСТИКА ВКРАПЛЕННОСТИ МИНЕРАЛОВ
Вкрапленность минералов — основной фактор, определяющий
успешную подготовку его к обогащению. К характеристике вкраплен-
ности относят удельную поверхность (или гранулометрический состав)
вкраплений минералов, их вскрываемость или селективность раскрытия.
На практике о вкрапленности чаще всего судят по крупности измель-
чения, при котором происходит раскрытие руды до заданной степени.
Вскрываемость — способность минерального сырья к раскрытию
при дезинтеграции. Она в значительной степени определяется характе-
ром срастания минералов. Вместе с этим на вскрываемость оказывают
существенное влияние физические свойства минералов и методы дезин-
теграции, поскольку разрушение руды происходит не только по контак-
там срастания (интеркристаллитное разрушение), но и в большей мере
непосредственно по минералам (транскристаллитное разрушение). Это
связывает структурно-текстурные свойства сырья процессами рудо-
127
подготовки и определяет вскрываемость как параметр технологической
минералогии, который учитывает минералогическую характеристику
в виде удельной поверхности, а рудоподготовку - крупностью или
удельной поверхностью и способом дезинтеграции.
Коэффициент вскрываемости руды ф (доли ед.) представ-
ляет собой отношение удельной поверхности срастания Sc к общей
удельной поверхности руды S(|„ измельченной шаровым способом до
крупности, обеспечивающей 95% степени ее вскрытия
Ф = Sc/S(|.
Селективность раскрытия характеризуется отношением интеркристал-
литного и транскристаллитного разрушения при дезинтеграции мине-
рального сырья, поскольку измельчение руд сопровождается разрушением
как минеральных составляющих, так и контактов срастания минералов.
При непосредственном разрушении минералов, находящихся в сростках,
скорость их вскрытия прямо пропорциональна измельчаемости и доли
минералов в руде, а при разрушении по контактам срастания — обратно
пропорциональна прочности связи минералов в сростках.
Анализ характера раскрытия тонковкрапленных руд при измель-
чении производится с помощью коэффициента интеркристаллитного
измельчения ф, представляющего собой отношение вновь образованной
поверхности материала, полученной за счет разрушения контактов
срастания минералов Sc, к общей вновь образованной поверхности,
полученной при измельчении 5обт за то же время ф = 5с/50бщ.
Коэффициент интеркристаллитного разрушения определяют путем
измерения удельной поверхности срастания исследуемого минерала до
и после дезинтеграции материала
Ф = (Sc2 - SC1)/(S2 - Si),
где Sci и Sc2 — удельная поверхность срастания соответственно до и после
дезинтеграции, м2 / кг; Si и S2— общая удельная поверхность мате-
риала соответственно до и после дезинтеграции, м2 / кг.
В общем, коэффициент интеркристаллитного разрушения представ-
ляет собой коэффициент вскрытия для рассматриваемого способа
дезинтеграции при изменении крупности материала в пределах 0 до
Sq).
Раскрытие руды по минеральным составляющим производится при
ф = 0, так как разрушение сростков происходит только вследствие
уменьшения объема составляющих их минералов. Площадь контактов
срастания при этом не изменяется, а степень раскрытия повышается
за счет отделения от рудного и нерудного материала зерен минералов,
находящихся в сростках. Раскрытие руды по контактам срастания
происходит при ф=1, что приводит к одновременному вскрытию зерен
рудных и нерудных минералов. При смешанном раскрытии руды коэф-
фициент интеркристаллитного измельчения изменяется от нуля до
единицы.
В первоначальный период разрушения руды происходит преиму-
128
нкч'твенно по зонам, имеющим природные или приобретенные в процессе
лробления дефекты. Часто расположение этих зон совпадает с контак-
|.1ми срастания минералов.
Со снижением крупности вскрытие минералов осуществляется глав-
ным образом разрушением зерен и агрегатов, составляющих сростки,
<> чем свидетельствуют незначительные коэффициенты интеркристаллит-
пого разрушения после первичного измельчения, которые со снижением
крупности уменьшаются, а при тонком измельчении процесс интер-
кристаллитного разрушения практически исчезает.
10.	ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ
10.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Одна из важнейших характеристик горных пород, руд и продуктов
их передела, определяющая их качество и технологические свойства,—
фазовый состав. Он представляет собой соотношение минеральных
форм (в массовых долях), в которых концентрируются химические
элементы, составляющие минеральное сырье.
Задачи фазового анализа:
определение формы проявления полезного компонента в руде, т. е.
образует ли он собственные минералы или входит в состав породообра-
зующих минералов как изоморфная примесь, рассеян в виде эмульсионной
вкрапленности или сорбирован на дефектах поверхности минеральных
частиц, в интерстициях и пр.;
диагностика минерального вида, образуемого полезным компонентом,
или породообразующего минерала-носителя полезного компонента;
качественный фазовый анализ пробы или определение минеральных
фаз, содержащихся в пробе, определение минеральной ассоциации
в руде или технологическом продукте;
количественный фазовый анализ, определяющий состав рудных
и ассоциирующих с ним породообразующих фаз.
Фазовый анализ — основа технологической оценки качества руды
и обоснования технологии ее передела. Для этих целей необходима
прежде всего оценка формы нахождения в руде полезного компонента,
определяемая характером связи рудного элемента с минеральной мат-
рицей, что позволяет оценить пути его возможного извлечения: подзем-
ное выщелачивание при легкорастворимой форме полезного компонента;
выделение собственной минеральной формы уже на стадии обогащения
или необходимость привлечения химико-металлургического воздействия
для разрушения (деструкции) породообразующего минерала для выде-
ления полезного компонента, входящего в его состав как изоморфная
примесь и пр.
Диагностика минеральной формы полезного компонента позволяет
получить информацию о физических свойствах рудного минерала и, сле-
довательно, о его поведении в процессах обогащения. На это поведение
129
несомненное влияние оказывает и общая минеральная ассоциация^
позитивно или негативно воздействуя на процессы обогащения. Так>
присутствие в руде слоистых силикатов или других минералов с со-
вершенной спайностью (графит, тальк) осложняет флотационный про-
цесс. Информация о полном фазовом составе руды необходима не
только для учета взаимного влияния минеральных фаз в процессе
переработки руды, но и важна при решении задач создания безотходных
технологий с полной утилизацией минерального сырья.
Фазовый анализ подразделяется на качественный и коли-
чественный. Качественный фазовый анализ используется для по-
следующего количественного фазового анализа, поскольку сначала
требуется информация о наличии минеральных фаз в руде, а уже затем
определяют их содержания в пробе.
Фазовый анализ горных пород проводится на ранних стадиях
геологоразведочных работ при минералого-технологическом картирова-
нии геологических объектов — потенциальных, разведуемых или дораз-
ведуемых месторождений. Он лежит в основе классификации типов
руд как по минеральному составу, так и по соотношению в них полезных
и вредных минеральных фаз, а при картировании позволяет оконтурить
площади кондиционных руд, установить бортовое содержание и простран-
ственное размещение типов руды.
Фазовый анализ может быть полным, т. е. обеспечивающим выявле-
ние и диагностику всех минеральных фаз, содержащихся в пробе, и час-
тичным, когда оценивается содержание одного-двух рудных минералов
в пробе. Применение того или иного вида, анализа определяется типом
минерального сырья и конкретно решаемой задачей. Так, при типизации
минерального сырья и при разработке схемы обогащения руды необхо-
дима полная информация о ее фазовом составе, а при отработке схемы
обогащения, контроле хода процесса и конечных технологических
продуктов возможен фазовый анализ по отдельным «реперным» фазам,
что обеспечивает в то же время экспрессность контроля процесса.
Для полного фазового анализа минерального сырья применяют
методы оптической микроскопии, рентгеновской дифрактометрии и в опре-
деленной мере инфракрасной спектроскопии, которые позволяют выяв-
лять, диагностировать почти все присутствующие в пробе фазы и оцени-
вать их содержание. Прочие методы фазового анализа решают более
частные задачи, а именно:
химический фазовый анализ оценивает содержание фаз, выявленных
и диагностированных другими методами;
термический анализ применим к выявлению и диагностике термо-
активных фаз;
люминесцентным анализом исследуют люминесцирующие объекты;
магнитометрия применяется к минералам железа;
мессбауэровская спектроскопия — к минералам железа и олова;
нелинейная оптика (квантометрия) — к анализу нецентросимметрич-
ных фаз.
130
10.2.	ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ
Микроскопические исследования наиболее доступны и поэтому их
широко используют для фазового анализа. С этого метода обычно начи-
нают фазовый анализ любого минерального сырья. Метод включает
себя просмотр дробленой пробы, кернового материала, шлихов и про-
точек под бинокулярной лупой, диагностику минеральных фаз на этих
объектах с помощью оптических характеристик фаз (показатели пре-
ломления, отражательная способность и др.), полуколичественный или
количественный фазовый анализ. В совокупности решение этих задач
часто объединяют одним определением — минералогический анализ, хотя
прочие физические методы применяют для анализа минерального
состава руд и горных пород и относят к методам минералогического
анализа в отличие от методов элементного анализа.
Фазовый минералогический анализ проводят на шлихах (концентра-
тах тяжелых минералов) и протолочках (дробленой горной породе),
или на шлифах и аншлифах.
Шлихи и протолочки готовят отмывкой (отмучиванием)
материала от тонкой легкой фракции; этот материал взвешивают,
квартуют для получения представительной пробы и разделяют на фракции
по крупности. Взвешивание производится как всей пробы, так и ее
фракций. Дальнейший анализ проводится «методом подсчета зерен» или
статистическим весовым методом. В первом случае из каждой грануло-
метрической фракции берут 500 или 1000 зерен и под бинокулярной лупой
подсчитывают число зерен каждой минеральной фазы. Во втором вариан-
те в каждой фракции разделяют зерна фаз и взвешивают совокупность
зерен каждой фазы.
Метод очень чувствителен, так как позволяет обнаружить единичные
зерна той или иной фазы в анализируемой пробе. Чувствительность мето-
да повышается путем увеличения объема просматриваемого материала.
Метод достаточно трудоемок и вместе с тем является лишь прибли-
женно полуколичественным, так как его реализация сопряжена с несколь-
кими источниками погрешностей: потери вещества при отмывке шлиха;
визуальная, т. е. достаточно субъективная, диагностика минеральных
фаз; неизометричность выделений различных фаз; нестабильность цвета,
форм выделения одной и той же минеральной фазы; теснейшее взаимное
прорастание достаточно высокодисперсных фаз, исключающее их раз-
деление на уровне крупности, принятой в данном виде анализа.
Более корректные данные по фазовому анализу дает оптико-геомет-
рический метод, осуществляемый с помощью поляризационного микро-
скопа по шлифам или аншлифам. Анализ основан на подсчете площади,
занимаемой в стандартном шлифе или аншлифе каждой минеральной
фазой. Однако шлиф представляет собой срез с куска горной породы
толщиной 0,03 Мм и поэтому надежные данные могут быть обеспечены
измерением и последующей обработкой экспериментально полученных
результатов по сериям в 20—25 шлифов по каждой пробе. Это делает
метод весьма трудоемким и для его реализации привлекаются автома-
131
тические устройства типа МИУ, «Квантимет», «Маджискан», «Эпиквант».
Эти устройства параллельно с количественной характеристикой фазового
состава пробы дают ее морфогеометрический анализ. Однако успех фа-
зового минералогического анализа должен быть обеспечен стабильностью
оптических свойств каждой фазы по всему объему анализируемого
объекта и достаточной оптической контрастностью фаз друг относительно
друга. При удовлетворении этих требований точность количественного
минералогического анализа может быть достаточно высокой.
Поскольку минералогический анализ является оптическим, с его
помощью обнаруживаются и диагностируются фазы, размер кристаллитов
которых более 10 мкм. Более мелкие рассеянные выделения оптически
теряются, а фазы высокодисперсные, являющиеся совокупностью кри-
сталлитов размером 10 мкм и менее, оптически изотропны и могут
быть пропущены при микроскопическом анализе.
10.3.	РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД
Рентгенографический количественный фазовый анализ (РКФА)
обеспечивает диагностику всех раскристаллизованных минеральных фаз,
присутствующих в пробе, и количественную оценку их содержания.
Диагностика фаз основана на индивидуальности дифракционного
спектра каждой минеральной фазы. Дифракционный спектр смеси мине-
ралов (горная порода, руда или продукты ее технологического переде-
ла) — суперпозиция, «сложение» (или наложение) спектров всех присут-
ствующих в пробе фаз, что обеспечивает проведение качественного
фазового анализа. Прямая пропорциональная зависимость интенсивности
дифракционного спектра каждой фазы от ее содержания в анализируемой
пробе обеспечивает проведение рентгенографического количественного
фазового анализа в соответствии с зависимостью
Л = KiCt / ц*,
где Ji— интенсивность аналитического отражения z-й фазы (минерала)
в смеси; Ki — коэффициент пропорциональности, индивидуальный для
каждой минеральной фазы и предварительно определенный по ее моно-
минеральной фракции: Ki = №*Ji (и*—массовый коэффициент погло-
щения монофракции; может быть рассчитан по известному химическому
составу пробы); — содержание z-й фазы (минерала), %; р,* — массо-
вый коэффициент поглощения смеси.
Оптимальные условия проведения рентгенографического фазового
анализа (как качественного, так и количественного) — регистрация
дифракционного спектра с помощью самописца и печатающего устрой-
ства современных рентгеновских дифрактометров, обеспечивающих, с
одной стороны, достаточно хорошее разрешение спектра, необходимое
для надежной диагностики минеральных фаз в их смеси и, с другой
стороны, объективную оценку интенсивности дифракционных эффектов,
необходимую для проведения РКФА.
Для проведения качественного фазового анализа необходима проба
132
массой не менее 30 мг крупностью 5—10 мкм. При подготовке пробы
ь анализу необходимо избегать текстурирования отдельных минеральных
<|>аз, что является следствием механических воздействий и искажает
< ((отношение интенсивности рефлексов — важную характеристику фазы.
Зарегистрированная с помощью самописца рентгенограмма-дифракто-
। рамма интерпретируется исследователем или ЭВМ.
По качественной дифрактограмме выделяют аналитические пики,
используемые далее для качественной оценки содержания каждой z-й ми-
неральной фазы. Интенсивность аналитических пиков оценивается по
дифрактограмме или с помощью печатного устройства, приданного
дифрактометру. Проведению РКФА наиболее надежным методом внутрен-
него стандарта должно предшествовать выделение мономинеральных
фракций проб, составление бинарных смесей с внутренним стандартом
для определения «корундовых чисел», т. е. соотношения интенсивностей
аналитического рефлекса z-й фазы и внутреннего стандарта. В роли
последнего используется, как правило, корунд («международный стан-
дарт») и «корундовые числа». Однако более надежные результаты
РКФА дает по «корундовым числам», определенным для конкретного
минерального сырья. При отсутствии монофракций в отдельных случаях
(например, бокситы, глина) допустима работа «прямым методом», т. е.
оценки содержания по h фаз в предположении равенства суммы всех
выявленных фаз 100%. Однако «прямой метод» метрологически не оценен.
Метод позволяет проводить полный качественный анализ, т. е.
выявлять и диагностировать все кристаллические минеральные компо-
ненты руды, размер кристаллов которых больше 0,01 мкм при содержа-
нии фазы более 0,5%. Выявление и диагностика фаз более низкого
содержания требуют фракционирования анализируемой пробы. Опти-
мальные результаты дает ее расслоение, т. е. разделение пробы по
плотности, что обеспечивает выявление и диагностику практически всех
минеральных компонентов руды. Исключением являются рентгено-
аморфные составляющие, обнаружить и диагностировать которые
позволяет комплексирование рентгеновской дифрактометрии с инфра-
красной спектроскопией (ИКС), объектом анализа которой могут
быть аморфные вещества (твердые, жидкие и газообразные).
Полный качественный анализ дает информацию о типе руд. На
основе этого анализа проводится количественная оценка содержания
всех (или только рудных) компонентов. Анализ всех фаз руд любого
типа проводится методами рентгеновской дифрактометрии, оптимальный
вариант которой — методика внутреннего стандарта. Для частных
случаев часто разрабатывают специальные самостоятельные методики,
отличающиеся приемами подготовки проб к анализу, обработки инфор-
мации (рентгеновского дифракционного спектра) или подходом к оценке
этих данных: например, метод внутреннего стандарта или прямой
метод, в основе которого лежит допущение, что сумма выявленных
фаз равна 100%. Рентгеновский дифрактометрический метод помимо
полноты анализа (обеспечения диагностики и оценки содержания всех
фаз в рудах любого состава) имеет следующие достоинства: автома-
133
тическое снятие экспериментальных данных и обработка их на ЭВМ по
уже разработанным программам. Это повышает производительность
анализа и его эффективность как при геолого-технологическом карти-
ровании, так и при контроле технологического процесса переработки
минерального сырья. Если минеральный (фазовый) состав пробы неиз-
вестен, то качественный и количественный фазовый рентгенодифракто-
метрический анализ обычно требует затрат времени около 2—3 ч, однако
последующие затраты времени на анализы серии проб того же типа
снижаются до 30 мин на одну пробу, а при обработке результатов на
ЭВМ требуют еще меньшего времени.
Эти временные затраты могут быть сокращены при постановке перед
анализом более частных задач: определение содержания какой-либо
одной фазы; определение соотношения двух минеральных фаз (Ci / С2)
и его изменения по площади или разрезу при минералого-технологи-
ческом картировании или при контроле процесса обогащения. Для
последнего случая предварительно проводят оценку зависимости /1 //2
от Ci / С2 на искусственных смесях; строят рабочий график этой зави-
симости, обеспечивающий в последующем экспресс-анализ.
Допустимые относительные средние квадратические отклонения
РКФА составляют 10% во всем интервале определяемых содержаний
(от 1 до 100%) и оцениваются по искусственным смесям и межметоди-
ческим контролем, однако точность повышается в интервале содержа-
ний 5—100% и снижается при более низких содержаниях.
Следует иметь в виду, что при РКФА обнаруживают только раскри-
сталлизованные фазы, размеры кристаллов которых составляют более
0,01 мкм (т. е. на три порядка меньших, чем доступные оптической
микроскопии). Более высокодисперсные фазы рентгеноаморфны, так
как не дают рентгенодифракционного спектра, как основы для диаг-
ностики фаз. Рентгенографическим фазовым анализом обнаруживают
и диагностируют только фазы, содержание которых более 0,5—1%. Это
последнее ограничение может быть снято фракционированием пробы,
обогащением той или иной фракции фазой с низким содержанием
в исходной пробе. Первое ограничение метода требует для полноты
фазового анализа комплексирования рентгенографии с методами
ИК-спектроскопии.
Пример эффективного использования РКФА—изучение «трудных
объектов» (например, бокситов) в силу высокой дисперсности для
оптической микроскопии. Качественный рентгенофазовый анализ фрак-
ционированной по крупности и плотности пробы дает наглядное пред-
ставление о распределении по фракциям минеральных фаз.
10.4.	ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
ИК-спектроскопия (или молекулярная спектроскопия) практически
решает те же задачи и при тех же порогах обнаружения, что и рентге-
нография (диагностика минеральных фаз, качественный и количествен-
ный фазовый анализ). Однако объектами этого исследования могут
134
'и.ггь твердые фазы как раскристаллизованные, так и аморфные, жидкие
и газообразные. Это существенно расширяет круг анализируемых проб,
.1 в целом ряде случаев позволяет решать задачи, недоступные другим
методам: для фазового анализа это прежде всего включение в сферу
поучения числа выявленных и диагностируемых минеральных фаз
в морфных и метамиктизированных; первые из них недоступны ни опти-
ческой микроскопии, ни рентгенографии, рентгенодиагностика вторых
|ребует предварительного их прокаливания.
Диагностика минералов основана на индивидуальности ИК-спектра
каждой минеральной фазы, что позволяет идентифицировать ее с по-
мощью атласов и каталогов.
Качественный анализ горных пород, руд и технологических
продуктов основан на суперпозиционности спектра смеси, являющегося
результатом наложения, суммированием спектров всех содержащихся
в смеси фаз.
Наиболее надежные результаты по содержанию фаз в пробе дает
графический метод определения концентрации фазы, когда предвари-
тельно строят график зависимости оптической плотности от содержания
фазы в пробе на основе анализа искусственных смесей. При этом особого
внимания требуют к себе минералы, используемые для приготовления
таких смесей. Оптимальным является использование монофракций мине-
ралов тех же месторождений, по которым проводится картирование
или на сырье которых отрабатывается технологическая схема.
Допустимые относительные средние квадратические отклонения
количественных фазовых ИКС-аиализов составляют около 10%; чувст-
вительность зависит от структурных особенностей фазы и варьируется
от 1 до 20%.
ИК-спектроскопия особенно эффективна при анализе проб, содержа-
щих аморфные (и рентгеноаморфные) фазы, которые могут находиться
в исходном минеральном сырье, но могут и возникнуть в процессе техно-
логического передела как следствие тех или иных воздействий (нагрев,
перетирание и т. п.). Если при РКФА проб сумма всех выявленных
и оцененных по содержанию минеральных фаз существенно ниже 100%,
то необходимо привлечение ИК-спектроскопии для обнаружения причин
таких расхождений. Одна из наиболее вероятных причин этого — при-
сутствие в исследуемом веществе аморфной фазовой компоненты.
10.5.	ХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД
Химический фазовый анализ минерального сырья предназначен для
количественного определения содержания минеральных фаз, предвари-
тельно установленных и диагностированных каким-либо другим методом.
Метод основан на селективном растворении каждой количественно
определяемой фазы и последующем определении в растворе того или
иного минералообразующего элемента. Далее по содержанию этого
элемента ведется пересчет на содержание минерала на основе его
идеализированной кристаллохимической формулы, например по WO3 —
135
содержание вольфрамита или шеелита, по МоОз — содержание повел^
лита, по МпО— родохрозита и т. д.	|
Селективные растворители подбирают на мономинеральных фракциях
определяемых минеральных фаз, выделенных из анализируемых руд
и горных пород. Применение при отработке методики минералов других
месторождений может привести к погрешности в анализе, так как на
растворимость минерала влияют особенности его состава и строения.
При анализе руд на селективность влияет и их общий минеральный
состав.
Применяемые при химическом фазовом анализе методики НСАМ
гарантируют высокую точность определений элемента в растворе. Однако
эта точность не может быть перенесена на точность химического фазо-
вого анализа, которая значительно ниже точности элементного анализа.
Это является следствием неполной селективности растворения каждой
минеральной фазы, например, при растворении шеелита в раствор час-
тично переходят и продукты его окисления. Более того, на растворимость
влияет общая минеральная ассоциация руды и породы. Поэтому хими-
ческий фазовый анализ представляет собой количественное определение
содержания фаз, установленных в пробе другими методами. К таким
методам обязательного и опережающего качественного фазового анализа
относят оптическую микроскопию (для фаз с крупностью кристаллов
не менее десятков микрометров), рентгенографию (для кристаллических
фаз крупностью кристаллов не менее 0,01 мкм), ИК-спектроскопию (для
рентгеноаморфных и аморфных фаз). Если эти методы не обнаружили
фазы, содержащей полезный компонент, выявленный в пробе тем или
иным методом элементного анализа, то необходимо применять более
высокочувствительную люминесцентную спектроскопию (для люми-
несцирующих минералов) или высокоразрешающую электронную микро-
скопию с микродифракционной диагностикой фазы и микрозондовым
анализом ее элементного состава. На результаты анализа оказывают
влияние также: состав, структурное состояние и степень дисперсности
определяемых фаз, поскольку эти характеристики, с одной стороны,
влияют на их растворимость, а с другой стороны, являются характе-
ристиками, нестабильными даже для одного минерального вида и даже
в ряде случаев для одного месторождения; не только общая минеральная
ассоциация, но и соотношение в руде, концентрате породообразующих
минералов.
В связи с этим методики химического фазового анализа не носят
универсального характера и требуют методических разработок (или
доработок) для каждого нового типа минерального сырья (нового в плане
генетическом или даже региональном). Методика подбора селектив-
ных растворителей отрабатывается обязательно на мономинеральных
фракциях того месторождения, материал которого предполагается
к массовому анализу. При этом учитывается влияние на растворимость
присутствующих в руде фаз и возможные в процессе растворения фазо-
вые преобразования, например частичное окисление тех или иных компо-
нентов, возникновение в процессе фазового анализа новообразованных
136
оксидов и других соединений в зависимости от применяемых раствори-
телей или других воздействий на пробу (нагрев, например).
Однако при всей трудоемкости и применимости лишь к рудам
конкретного типа химический фазовый анализ активно используют
вследствие его высокой чувствительности при определении фаз с низким
содержанием (бедные руды или хвосты), которое недоступно пока ни
одному из физических методов и оптической микроскопии.
При выполнении условий — изучение качественного фазового анализа
руд и технологических продуктов и определение формы нахождения
в них полезного компонента — химический фазовый анализ дает резуль-
таты усредненно с относительной погрешностью 10%.
10.6.	ТЕРМИЧЕСКИЙ МЕТОД
Термический анализ применяют для выявления и диагностики термо-
активных фаз. Используют этот метод и для выполнения качественного
и количественного фазового анализа на содержание термоактивных
фаз и особенно для фазового анализа высокодисперсных руд (бокситы,
гидростаннат-варламовитовые руды и др.), которые сложны для фазового
анализа другими методами. Количественное определение содержания
слоистых силикатов групп каолинита, монтмориллонита, гидрослюд мето-
дами минералогического анализа и РКФА затруднено (обеспечивается
в лучшем случае только полуколичественная оценка содержаний).
Термический анализ по кривым потери массы позволяет провести коли-
чественную оценку содержания фаз с достаточно высокой точностью.
Для обнаружения эффекта потери массы при нагревании анализи-
руемой пробы требуются либо очень чувствительные весы, либо навески
значительной массы. Потеря массы фиксируется с помощью самописца
на «термокривой», по которой рассчитывают содержание той или иной
термоактивной фазы.
Сложные по минеральному составу многофазные пробы целесооб-
разно изучать комплексным термическим анализом, совмещая запись
кривой потери массы с газовой хроматографией, что позволяет выявить,
с чем именно связана потеря массы (Н2О, SO3, СО2 и т. п.). Метод нужда-
ется в комплексировании с принципиально другими видами анализа для
корректной интерпретации термоэффектов.
10.7.	МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Магнитометрический метод основан на измерении удельной намагни-
ченности пробы в сильном магнитном поле (поле «насыщения»), в котором
намагниченность пробы пропорциональна содержанию в ней магнетита.
При этом исходят из того, что результаты измерений в этом случае не
зависят от размеров зерен магнетита, его структурных особенностей,
минерального состава руды, степени окисленности магнетита (как это
имеет место при использовании слабых магнитных полей). Проба,
состоящая только из чистого магнетита, имеет удельную намагниченность
137
насыщения os = 91,6-10 2 А-м2/кг. Содержание магнетита |3М (%)
в любой исследуемой пробе определяют по формуле
рм= 100 о5пр/91,6,
где сг5 пр—измеряемая удельная намагниченность насыщения пробы.
Содержание в пробе железа магнетитового определяют умножением
концентрации магнетита на коэффициент 0,7236, соответствующий доле
общего железа в магнетите стехиометрического состава.
Намагниченность в сильных магнитных полях измеряют либо на
вибрационном магнитометре, либо на магнитных весах. Напряженность
магнитного поля при этом должна быть не менее 600 А/м. Весь
процесс определения, включая взвешивание пробы, измерение намагни-
ченности и расчет, занимает 7—10 мин.
Метод метрологически оценен путем сопоставления его результатов
с данными РКФА и химического фазового анализа, и его относительная
погрешность не превышает 10% при хорошей воспроизводимости резуль-
татов и высокой производительности анализа. Последнее позволяет
использовать его при минералогическом картировании (по содержанию
магнетита) и экспресс-контроле процесса обогащения.
У метода имеются погрешности, связанные с присутствием в пробе
других магнитных минералов, например пирротина и изоморфных при-
месей в магнетите, что требует при массовых определениях избиратель-
ного контроля, контроля фазового состава анализируемой руды и породы
методами оптической микроскопии или рентгенографии.
10.8.	ДРУГИЕ МЕТОДЫ ФАЗОВОГО АНАЛИЗА
МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
К методам фазового анализа минерального сырья относят также
мессбауэровскую спектроскопию; методы ЯМР (ядерного магнитного
резонанса); методы нелинейной квантовой оптики; термохимические
методы.
Мессбауэровская спектроскопия (ЯГРС — ядерная гамма-резонан-
сная спектроскопия) позволяет проводить качественный и количествен-
ный фазовый анализ фаз, содержащих железо. Однако аппаратурная
и экспериментальная сложность (прежде всего обработка результатов
и их интерпретация) метода пока не позволяет использовать ее в ка-
честве высокопроизводительного массового метода анализа. Она исполь-
зуется чаще всего для контроля результатов количественного фазового
анализа, выполненного другими методами.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) успешно применяют при коли-
чественном фазовом анализе отдельных руд, ценные минеральные ком-
поненты которых содержат Н, ОН и Н2О. Метод оказался весьма ценным
как по достоверности результатов, так и по экспрессное.™ при коли-
чественном фазовом анализе цеолитсодержащих пород; он обеспечивает
диагностику цеолита и оценку его содержания в пробе с малой относи-
138
гельной погрешностью (не более 10%) и высокой экспрессностью
(20 мин на пробу).
Нелинейная (квантовая) оптика в фазовом анализе используется
как средство оценки содержания ацентричных (не содержащих в кристал-
лической структуре центра симметрии) минералов. К таким минералам из
числа широко распространенных относят кварц, нефелин и некоторые
другие минеральные виды. Особого внимания заслуживает кварц —
минерал «сквозной», встречаемый в горных породах самого различного
типа, и, следовательно, в различных технологических процессах. Конт-
роль содержания кварца может быть как средством картирования место-
рождений, так и средством контроля технологического процесса. И тот,
и другой вид работ требуют массовых и экспрессных определений. Кван-
товая оптика обеспечивает решение этих задач. Время одного анализа —
2 мин. По метрологическим характеристикам метод сопоставим с РКФА.
Термохимический метод нашел широкое применение при фазовом
анализе цеолитового сырья. Создана малогабаритная, мобильная и авто-
номная полевая цеолитная лаборатория (ПЦЛ), позволяющая по
температурному градиенту оценивать содержание в пробе регидрати-
рующих минералов, одним из которых является цеолит. Метод состоит
в нагреве примерно до 500° С пробы стандартной навески и дегидра-
тации минералов, содержащих воду. Регидратация с возвратом воды
в кристаллическую структуру минерала сопровождается выделением
тепла, количество которого пропорционально содержанию этого минерала
в пробе. Метод создан в связи с потребностью массовых определений
цеолита при минералого-технологическом картировании месторождений
с оценкой качества минерального (цеолитного) сырья. Однако его можно
успешно использовать и при экспресс-контроле технологического про-
цесса обогащения. Термохимический метод позволяет проводить десятки
определений за рабочий день с относительной точностью 20—50% в зави-
симости от абсолютного содержания цеолита в пробе.
Метод является количественным, но требует предварительной ка-
чественной диагностики определяемой фазы, поскольку способностью
к регидратации обладают не только цеолиты. Наиболее нежелательными
при определении данным методом являются часто ассоциирующие с цео-
литом f минералы группы монтмориллонита. Поэтому при массовых
опробованиях при картировании площадей обязателен 10%-й контроль
фазового состава пород месторождения методами РКФА или ЯМР
11.	МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛОВ
11.1.	ТВЕРДОСТЬ
Твердость — характеристика вещества, показывающая его способ-
ность противостоять внешней механической силе. Определение твердости
веществ имеет большое значение при процессах дезинтеграции горных
139
пород и обогащении минерального сырья. Главные факторы, определяю-
щие твердость кристаллического вещества, особенности его структуры
и состава, тип химической связи, тип и плотность кристаллической
упаковки.
Твердость изодесмического бинарного соединения определяют по фор-
муле
Н = akwKwafiy/d2,
где а — коэффициент пропорциональности; k — коэффициент прочности
связи, зависящий от степени ковалентности; wK — валентность катиона;
ша — валентность аниона; |3 — коэффициент ослабления связи, завися-
щий от числа и состояния несвязанных валентных электронов; у —
коэффициент плотности упаковки атомов в структуре; d — межатомное
расстояние.
Твердость определяют методом Виккерса — получение и измерение
отпечатка от вдавливания в поверхность образца или изделия алмазного
индентора (наконечника), имеющего форму правильной четырехгранной
пирамиды с двугранным углом, равным 136°, при вершине. Твердость по
Виккерсу определяется твердомерами. В СССР серийно выпускается
прибор ПМТ-3, который оттарирован по прозрачному кристаллу каменной
соли.
По измеренной диагонали отпечатка твердость Н (МПа) определя-
ется по формуле
Н = 1,8544-9,81 P/d\
где 1,8544 — удвоенный синус половины угла 136° при вершине алмаз-
ной пирамиды; Р — вес груза, Н; d — длина диагонали, м.
Относительная точность определения твердости составляет 5—10%
(в основном, в зависимости от хрупкости — чем больше хрупкость, тем
больше образуется трещин вокруг отпечатка и тем труднее определить
точное положение угла отпечатка).
Для определения твердости изготовляют специальные полированные
шлифы из кусочков руды или из дробленых зерен минералов. Второй
способ предпочтительнее, так как в этом случае наблюдается разная
ориентировка зерен и более точно определяется средняя арифметическая
твердость данного минерала, поскольку метод измерения микротвердости
является статистическим.
Техническая характеристика микротвердомера
Увеличение:
объективов ........................................... 47; 60
окуляра ................................................. 10
Цена деления окуляра-микрометра, мкм ....................... 1
Время вдавливания,	с ..................................... 15
Вес груза, Н .......................................... 0,02—2
При измерении отпечатка квадратной формы (без анизотропии
микротвердости) каждую диагональ измеряют дважды и вычисляют
среднее арифметическое, далее по специальным таблицам определяют
140
твердость—абсолютную (в паскалях) и относительную (приведенную
к шкале Мооса либо Хрущова). Если отпечаток имеет ромбовидную
форму, свидетельствующую об анизотропии, то твердость определяют
отдельно для длинной и короткой диагоналей, а коэффициент анизотро-
пии микротвердости Кн вычисляют по формуле
/^/7 == //ср. макс///ср. мин
Для каждого образца микротвердость определяют по 5—7 отпечат-
кам. При массовых измерениях можно для обработки данных применять
методику определения наиболее вероятного значения либо метод построе-
ния вариационных кривых.
По микротвердости минералы разных классов существенно различа-
ются (табл. 11.1). Самую высокую твердость имеет алмаз, самую низ-
кую— углеродистые аморфные вещества (керит, антраксолит и т. д.).
Диагностическая особенность этих веществ — быстрое восстановление
отпечатка при повороте столика микротвердомера от положения вдавли-
вания в положение измерения (несколько секунд).
Твердость зависит от состава минерала и загрязненности его
микроскопическими примесями (включениями) других минералов. При
изоморфном вхождении элементов в структуру минерала отмечается
уменьшение твердости в тех случаях, когда параметр кристаллической
структуры увеличивается и наоборот. Так, для сфалерита характерно
расширение решетки при замещении цинка железом, кадмием и марган-
цем, соответственно оно сопровождается уменьшением микротвердости.
При вхождении в минерал микроскопических включений, размеры
которых не позволяют их фиксировать в световом микроскопе (менее
Таблица
Твердость основных классов минералов
Класс минералов	Абсолютная твердость, 107 Па	Наиболее характерные минералы
Самородные элементы	0—150	Медь, золото, серебро, висмут, сера, селен, железо
Сульфиды и сульфоарсениды железа, никеля, кобальта и ми- нералы платиновой группы	500—1200	Пирит, арсенопирит, кобальтин, герсдорфит, платина, иридий, осмий, лаурит, невьянскит
Сульфосоли, сульфоантимониды, сульфовисмутиды, селениды	100—200	Эвкайрит, клаусталит, умохоит, колорадоит, антимонит, станнин, аргентит, штромейерит, теннан- тит
Сложные оксиды, оксиды	400—1000	Титано-тантало-ниобаты, вольф- рамит, гематит, магнетит, кас- ситерит
Силикаты, силициды	1000—12 000	Гранат, эвклаз, кварц, муасса- нит
141
1 мкм), твердость вмещающего минерала изменяется. Она повышается,
если включения более твердые, и понижается—если менее твердые.
Очень сильно изменяется микротвердость при увеличении степени рас-
кристаллизации минералов. Так, для оксидов урана с несовершенной
структурой (а0 = 0,5364-0,539 нм) отмечается низкая микротвердость
(740—1400 МПа), при увеличении степени кристалличности микротвер-
дость возрастает и при = 0,5444-0,546 нм составляет 9,6—9,8 Па
(ао— параметр кристаллической решетки). При гидратации и метамик-
тизации твердость снижается.
11.2.	ПЛОТНОСТЬ
Плотность тела р (кг/м3) — одна из основных физических характе-
ристик тела (вещества), численно равная массе единицы объема тела:
p = dm/dV где dm — масса малого элемента тела объемом dV Плот-
ность однородного тела одинакова во всех его точках и равна
отношению массы m тела к его объему V
р — mlV
Плотность неоднородного тела неодинакова в разных его точках;
средняя плотность тела
рср = m/V
Плотность вещества растет с увеличением давления и, как правило,
убывает с ростом температуры. Плотность всех кристаллических ве-
ществ, в том числе и минералов, зависит их химического состава и
особенностей внутреннего строения.
Сведения о плотности минералов позволяют решать следующие
задачи: диагностировать минералы, похожие по другим свойствам;
выделять мономинеральные фракции; изучать однородность мономипе-
ральных проб; определять режимы гравитационного обогащения; оцени-
вать содержание минералов в биминеральной смеси; выяснять концент-
рации дефектов структуры в зернах минералов; расшифровывать
структурные особенности минералов.
Применяемые методы определения плотности минералов могут быть
объединены в две группы — объемно-весовые и основанные на исполь-
зовании физических свойств. Наиболее распространены в практике
технологических и минералогических исследований пикнометрический,
объемометрический (в барометрической трубке) и микропоплавковый
методы. Выбор того или иного способа определения плотности зависит
от задачи исследования, характера пробы (кристалл, отдельные зерна,
зернистая фракция, тонкодисперсный материал, жидкость), ее массы,
необходимой точности.
Для технологических исследований широко используют пикнометри-
ческий метод, позволяющий с высокой точностью определять плотность
любых минералов, но требующий достаточно больших навесок пробы
(100—200 мг). Для определения плотности объемометрическим спосо-
142
бом также необходима достаточная навеска (15—100 мг) Микропоплав-
ковым способом можно измерить плотность одного зерна минерала
размером 30—40 мкм и более, но возможности применения этого способа
ограничены максимальной плотностью жидкой среды (жидкость Клеричи,
4270 кг/м3). Также с помощью специальных микропоплавков, с точно
установленным объемом, измеряют плотность тяжелых жидкостей,
которые применяют для фракционирования проб.
Пикнометрический способ определения плотности минералов —
один из наиболее точных и доступных, не требующий сложного оборудо-
вания, но достаточно трудоемкий. Сущность этого метода состоит в опре-
делении объема точно взвешенной пробы минерала в пикнометре и расче-
те плотности по соответствующей формуле. Преимущество пикнометри-
ческого метода заключается в измерении плотности минералов во всем
диапазоне значений, но для сохранения высокой точности метод требует
навесок массой несколько грамм. Рекомендуемая масса навески 3—5 г,
для меньших целесообразно использовать другие, более простые методы
определения плотности, точность которых соответствует точности пикно-
метрического метода при таких навесках. Обычно используют пикнометры
объемом несколько кубических сантиметров, позволяющие работать
с навесками массой 0,3—5 г с точностью 0,001—0,0005 г/см3
Плотность минералов пикнометрическим методом определяют следу-
ющим образом. Пикнометр после проверки его пригодности и промывки
высушивают в сушильном шкафу или под инфракрасной лампой при
температуре 90—100° С, помещают в эксикатор на 30—40 мин и затем
взвешивают на аналитических или микрохимических весах. Высушива-
ние и взвешивание пикнометра повторяют несколько раз для достижения
постоянной массы (расхождение не более 0,0002 г). Среднюю массу
пикнометра принимают за константу. После промывки и сушки во избе-
жание загрязнения пикнометр берут только пинцетом.
Массу воды в пикнометре определяют как разность между массой
пикнометра с водой (т2) и массой пустого пикнометра (mi). Пикнометр
заполняют прокипяченной, остуженной до комнатной температуры
дистиллированной водой, закрывают капиллярной пробкой, протирают
снаружи и взвешивают. Затем добавляют воду, протирают снаружи
фильтровальной бумагой, не прикасаясь руками непосредственно к пик-
нометру, и на 15—20 мин оставляют около весов для выравнивания
температуры. Пробку вставляют резким движением с поворотом, чтобы
избыток воды сфонтанировал через капилляр, а в верхнем торце
пробки осталась только капля жидкости. Взвешивают пикнометр с водой
в момент исчезновения воды с торца капилляра, но до опускания ме-
ниска ниже этой поверхности. Пикнометр взвешивают 2—3 раза до
полного совпадения результатов, каждый раз проверяя и устанавливая
уровень воды против риски на пробке. Массу пикнометра с водой опре-
деляют при той же температуре, что и массу пустого пикнометра, посколь-
ку величина т2 — константа данного пикнометра.
Массу минерала определяют как разность между массой пикнометра
с минералом (т3) и массой пустого пикнометра (mi). Мономинеральную
14.3
фракцию (желательно максимально однородную по размеру), промытую
в ацетоне или спирте для удаления пылевидных частиц, просушивают
без сильного нагрева, проверяют чистоту материала, насыпают в пикно-
метр (заполняя его на 1/3—1/4) и взвешивают при той же температуре,
что и пустой пикнометр.
Для определения массы воды над минералом пикнометр заполняют
прокипяченной дистиллированной водой, которая должна покрыть
навеску. Для полного удаления воздуха из пор и трещин минерала,
а также из воды пикнометр нагревают несколько раз, погружая в горячую
воду. После нагрева пикнометр охлаждают на воздухе или в сосуде
с водой. Далее определяют массу (т4) пикнометра с минералом и водой,
предварительно установив уровень воды против риски таким же путем,
как и при определении массы пикнометра с водой.
Плотность минерала р (г/см3) вычисляют по формуле
р = т/И
где т — масса минерала, г (m = m3 — mi); V — объем минерала, см3
(V = |(m2 —mi) — (m4 —т3)|/р/; р/ — плотность воды при температуре
взвешивания, г/см3
Если температура, при которой определяли массу воды в пикнометре
без минерала, отличается от температуры определения массы воды
в пикнометре с минералом, то объем минерала определяют по формуле
где pz и pz — плотность жидкостей при соответствующих температурах
взвешивания.
Объемометрический метод, широко применяемый в минералогических
и технологических лабораториях для определения плотности минералов,
а также плотности и объемной массы горных пород и руд, обычно не дает
высокой точности по сравнению с пикнометрическим, но отличается
простотой и большой скоростью определения. Суть метода заключается
в том, что объем минерала измеряют в барометрической трубке (с точно
определенной площадью ее поперечного сечения) по изменению высоты
столба жидкости при погружении в нее минерала, а массу пробы —
взвешиванием. Точность измерения объема вытесненной жидкости при
отсутствии резких колебаний не связана с точностью определения ее
температуры. Точность определения плотности объемометрическим
методом составляет ±0,01 г/см3, она возрастает с увеличением массы
навески и не зависит от плотности применяемой жидкости.
Для пористых и тонкозернистых проб в ряде случаев незаменимы
газовые и жидкостные объемометры разных конструкций.
Измерение плотности минералов только для их диагностики в полевых
условиях проводят с помощью упрощенных объемометров. При лабора-
торных исследованиях (минералогических и технологических) часто
применяют метод микробюреток (метод М. М. Василевского), позволя-
ющий измерять плотность при весьма небольшой массе материала. Для
определения плотности минералов этим методом необходимо иметь
144
несколько барометрических трубок разного диаметра (от 1 до 4 мм),
заранее откалиброванных по оптическому кварцу или флюориту (калиб-
ровать трубки по ртути не рекомендуется, так как это связано с опреде-
ленными трудностями). Трубки укрепляют в держателе на микроскопе;
в качестве жидкости обычно используют спирт. Минерал взвешивают
на аналитических или торзионных весах типа ВТ-20 (на 20 мг) с ценой
деления 0,05 мг. Плотность минерала рассчитывают по формуле
р = СтрШ/п
где Стр — константа трубки (определенная заранее для каждой из исполь-
зуемой трубок); т — масса минерала; п — число делений лимба.
Микропоплавковый метод предназначен для экспрессного опреде-
ления плотности жидкостей и минералов в лабораторных и полевых
условиях. Использование микропоплавков дает возможность определять
плотность жидкости в сосудах объемом 2 мл, плотность жидкости в про-
цессе ее разбавления в различных емкостях, в том числе в центрифужных
пробирках, плотность минералов по одному или нескольким их зернам.
Возможности микропоплавкового метода в настоящее время ограничены
максимальной плотностью жидкой среды. Однако использование более
тяжелых жидкостей или жидкостей с повышенным эквивалентом их
плотности в магнитно-гидродинамических системах может снять суще-
ствующие ограничения и расширить возможности метода.
Применяемый поплавок представляет собой пустотелый или моно-
литный цилиндр с конусными основаниями, масса которого соответственно
равна 480 и 800 мг (при плотности нержавеющей стали 8000 кг/м3),
объем откалиброванного микропоплавка равен 100 мм3 Суммарные массы
каждого из поплавков вместе с подвесками должны быть соответственно
500 и 1000 мг, что обеспечивает соответствие градуировке торзионных
весов и создает определенные удобства в работе. Точность определения
плотности минералов с помощью микропоплавка равна 0,01 г/см3 на тор-
зионных весах ВТ-500; ВТ-1000 и 0,005 г/см3— на аналитических весах.
Плотность жидкостей, используемых для фракционирования проб,
а также для измерения плотности минералов, руд и пород, определяют
по уменьшению массы поплавка с известным объемом при его погружении
в анализируемую жидкость. Плотность жидкости рассчитывают по фор-
муле
р = (mi — m2)/V
где mi, т2— масса поплавка соответственно в воздушной среде и жид-
кости; V — объем поплавка.
Плотность минерала определяют по плотности жидкости, в которой
зерно минерала находится во взвешенном состоянии. Жидкости Туле
и Клеричи, применяемые для этой цели, разбавляют водой, а бромо-
форм — спиртом или бензолом.
При измерении плотности пористых и волокнистых минералов реко-
мендуется обязательное вакуумирование используемых жидкостей
(тяжелой жидкости и разбавителя).
145
Помимо вышеперечисленных в лабораторных условиях используют
другие методы определения плотности минералов: весовые (гидроста-
тическое взвешивание), иммерсионные (уравновешивание в жидкости
термоградиентной трубки), а также механические, основанные на исполь-
зовании физических свойств (по скорости падения зерен в вязкой жид-
кости, по направлению перемещения зерна в жидкостях), радиационные
(плотностный гамма-метод), рефрактометрические, аналитические (рас-
чет плотности минерала по данным химического и рентгеноструктурного
анализов).
11.3.	МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
Магнитные свойства минералов — совокупность физических пара-
метров, характеризующих их поведение в магнитном поле. Они являются
основой для магнитных методов обогащения руд, а также используются
при диагностике минералов, выделении изоморфных примесей и механи-
ческих включений, изучении окислительных процессов и структурных
особенностей минералов. В ряде случаев магнитные измерения приме-
няют при количественных минералогических и аналитических определе-
ниях.
Любые вещества, в том числе и минералы, помещенные в магнитное
поле, приобретают магнитный момент или намагниченность
J = х/7
где J—намагниченность, А/м; х— магнитная восприимчивость; Н —
напряженость магнитного поля, А/м.
На практике для характеристики минералов целесообразно пользо-
ваться удельными магнитными характеристиками
(11.1)
где о — удельная намагниченность, А-м2/кг (<у = //р); % — удельная
магнитная восприимчивость, м3/кг (^ = х/р); р—плотность, кг/м3
При намагничивании во внешнем магнитном поле образца разомкну-
той формы на его краях образуются магнитные полюсы, создающие
внутри образца магнитное поле обратного (по отношению к внешнему
полю) направления. Это размагничивающее поле пропорционально его
намагниченности
/7Р = NJ
где W — размагничивающий фактор.
Магнитное поле внутри образца, помещенного во внешнее магнитное
поле, отличается от внешнего поля и зависит от формы тела
/70 = И - NJ
С учетом размагничивающего фактора магнитная восприимчйвость
образца (тела):
Хт = х/(1 +JVX); Хт = х/(1 +#рх)	(Ц.2)
146
Размагничивающий фактор определяет поведение образца в маг-
нитном поле; он изменяется для тел различной формы от 0 до 1. Размаг-
ничивающий фактор может быть точно рассчитан только для эллипсоидов
вращения, для тел более сложной формы — определяется эксперимен-
тальным путем. Для частиц магнетита, обычно вытянутых в одном
направлении, М = 0,16.
Для сильномагнитных веществ при х^>1 выражение (11.2) упроща-
ется и принимает вид
хт=1/М Хт= 1/(Лф)
Для слабомагнитных — при х<С 1 хт^х;
Выделяют пять основных классов веществ: диамагнитные, парамаг-
нитные, антиферромагнитные, ферримагнитные и ферромагнитные,
которые связаны с основными типами магнитного взаимодействия.
Диамагнетизм можно рассматривать как следствие индукционных
молекулярных токов, наводимых в электронных оболочках внешним
магнитным полем. Индуцированный магнитный момент образуется у всех
атомов (ионов) и направление его всегда противоположно внешнему
магнитному полю, что определяет отрицательный знак диамагнитной
восприимчивости, которая является основной магнитной характеристикой
диамагнитных веществ. Диамагнетизм присущ всем веществам, но его
влияние пренебрежительно мало по сравнению с магнетизмом, обуслов-
ленным наличием спонтанных магнитных моментов в твердом теле.
Парамагнетизм — вид некооперативного магнитного взаимодействия,
возникающий за счет наличия у атомов спонтанных магнитных момен-
тов. В идеальном случае эти моменты локализированы в изотропной
среде, причем удалены друг от друга настолько, чтобы быть независи-
мыми. При отсутствии внешнего магнитного поля суммарный магнитный
момент парамагнитного вещества равен нулю, вследствие хаотического
распределения магнитных моментов отдельных атомов. Магнитное упоря-
дочение является результатом ориентации магнитных моментов, осуще-
ствляемой магнитным полем вопреки тепловому движению. Измеряемая
намагниченность представляет собой сумму средних времени про-
екций магнитных моментов на направление магнитного поля. Идеаль-
ный парамагнетизм характеризуется восприимчивостью, изменяющейся
по закону Кюри:
Х = С/7’	(11.3)
где С.— постоянная Кюри; Т — абсолютная температура.
В реальных телах существуют обменные взаимодействия между
парамагнитными ионами и восприимчивость подчиняется закону Кюри—
Вейса:
Х = С/(Г —0),	(11.4)
где 0 — постоянная Вейса, характеризующая обменные взаимодействия
между атомами (ионами).
Закон Кюри—Вейса учитывает существование некоторого коопе-
147
ративного магнитного взаимодействия, которое может оказаться домини-
рующим, если тепловую энергию достаточно понизить. Положительные
значения 0 соответствуют тенденции к параллельной ориентации маг-
нитных моментов ионов (ферромагнитному взаимодействию), отрица-
тельные— антипараллельной (антиферромагнитному взаимодействию).
В этом случае удельная магнитная восприимчивость связана с концентра-
цией парамагнитных ионов С/ и эффективным магнитным моментом
Р/эф соотношением
V =____—у p^Ci t	(11.5)
Х 3k(T - 0) L mi ’	'	’
где А — число Авогадро; — магнетон Бора (единица измерения
внешнего магнитного момента атома); k— постоянная Больцмана;
rrii — атомная масса парамагнитного иона.
Таким образом, основные статические магнитные характеристики
парамагнитных минералов, используемые при минералогических и техно-
логических исследованиях,— %, С, 0 и
Ферромагнетизм, антиферромагнетизм, ферримагнетизм — явления
кооперативного типа, характеризующиеся наличием дальнего магнитного
порядка в системе спонтанных магнитных моментов. Их отличительная
особенность—существование спонтанной намагниченности, которая
обусловлена силами обменного взаимодействия. В результате этого вза-
имодействия энергетически выгодным является упорядоченное состояние
с параллельной (ферромагнитной) или антипараллельной (антиферро-
магнитной) ориентацией спиновых магнитных моментов соседних ионов в
решетке. В случае антиферромагнитной упорядоченности магнитную
структуру можно рассматривать как сложную, состоящую из двух или
более подрешеток, намагниченных противоположно друг другу. Если
магнитные моменты подрешеток равны, то рассматриваем собственно
антиферромагнитную систему, если нет — то имеем дело с некомпен-
сированным антиферромагнетизмом или ферримагнетизмом. Для боль-
шинства антиферромагнитных минералов температура магнитного упоря-
дочения (точка Нееля — TN) лежит в низкотемпературной области
(7^<С300 К). Учитывая это, в дальнейшем их будем рассматривать в
одной группе с парамагнитными.
Ферро- и ферримагнитные минералы, которые для простоты изложе-
ния далее будут называться ферромагнитные, в термодинамически
равновесном состоянии разбиваются на отдельные области самопроиз-
вольной намагниченности — домены, внутри которых сохраняется парал-
лельная ориентация магнитных моментов. Каждый домен намагничен до
насыщения (4), но распределение векторов 4 таково, что в отсутствие
внешнего магнитного поля результирующая намагниченность равна нулю
или остаточной намагниченности Jr (в зависимости от «магнитной преды-
стории» образца). Наличие упорядоченной магнитной структуры в данной
группе веществ обусловливает их специфические магнитные свойства.
Одно из основных — нелинейная и неоднозначная зависимость магнит-
ной восприимчивости и намагниченности от напряженности внешнего
магнитного поля.
148
Процесс намагничивания ферромагнетика заключается в ориентации
магнитных моментов доменов в направлении приложенного поля. Разли-
чают основную кривую намагничивания, получающуюся при
намагничивании из абсолютно размагниченного состояния, и петли
гистерезиса, образующиеся при циклическом перемагничивании фер-
ромагнитных материалов. Петли гистерезиса, полученные при повышении
напряженности магнитного поля до величины, необходимой для насыще-
ния ферромагнетика, называются предельными, в меньших полях —
частными.
К основным характеристикам ферромагнитных минералов, получа-
емым при полевом изучении их магнитных свойств, относят:
намагниченность насыщения Л — намагниченность в высоких маг-
нитных полях, не зависящую от изменения магнитного поля
остаточную намагниченность насыщения JrSy намагниченность в
нулевом магнитном поле после намагничивания образца др насыщения
О rs,
коэрцитивную силу Яс — напряженность магнитного поля, в котором
ферромагнитный образец, первоначально намагниченный до насыщения,
размагничивается.
Каждый ферромагнитный минерал характеризуется строго опреде-
ленной удельной намагниченностью насыщения о5, которая является его
константой. Уменьшение содержания данного минерала в пробе приво-
дит к пропорциональному уменьшению удельной намагниченности. На
основании этого получена зависимость, позволяющая определить содер-
жание ферромагнитного минерала по величине а5Пр пробы
Сф=100о511р/оЛМ,	(11.6)
где Сф— массовая доля ферромагнитного минерала в пробе, %; asnp —
удельная намагниченность насыщения пробы, А-м2/кг; о5М— удельная
намагниченность насыщения чистой мономинеральной фракции данного
ферромагнитного минерала, присутствующего в пробе.
Одна из важнейших характеристик ферромагнитных минералов —
точка Кюри — температура, при которой энергия обменного взаимо-
действия парамагнитных ионов становится равной энергии теплового
движения в веществе. В результате при повышении температуры разру-
шается магнитное упорядочение и ферромагнетик переходит в пара-
магнитное состояние. Этот фазовый переход относится к переходам
второго рода; его температура является константой ферромагнетика.
Он полностью обратим и наблюдается как при нагревании вещества, так
и при его охлаждении.
Рассмотренные выше характеристики являются основными при изу-
чении состава и свойств ферромагнитных минералов.
Применяется следующая классификация минералов, которая в зна-
чительной степени определяется уровнем развития техники магнитного
обогащения:
сильномагнитные минералы, извлекаемые на магнитном
сепараторе с напряженностью магнитного поля до 120 кА/м. К ним
149
относят ферромагнитные минералы с удельной магнитной восприимчи-
востью выше 4-Ю5 м3/кг;
слабомагнитные минералы, извлекаемые на магнитном
сепараторе с напряженностью магнитного поля 800—1500 кА/м. К ним
относят большую часть парамагнитных минералов, характеризующихся
магнитной восприимчивостью (750—10) • 10“8 м3/кг. По мере совершен-
ствования конструкций магнитных сепараторов нижний предел удель-
ной магнитной восприимчивости минералов, извлекаемых при высоких
полях, понижается;
немагнитные минералы, не извлекаемые на магнитных се-
параторах современных конструкций. К ним относят диамагнитные и
маложелезистые (содержание железа обычно не выше 2—3%) пара-
магнитные минералы.
При изучении магнитных свойств применяют различные методы:
баллистический, магнетометрический, электродинамический, индукцион-
ный, пондеромоторный и др. Наибольшую информацию о составе,
структуре и других особенностях минералов дают исследования маг-
нитных параметров в зависимости от изменения температуры или
внешнего магнитного поля. Выбор аппаратуры, комплекс магнитных
измерений и совокупность изучаемых параметров определяются, в пер-
вую очередь, магнитной структурой минералов и задачами, стоящими
перед исследователями.
К сильномагнитным минералам относят природные ферри-
ты-оксиды: магнетит и образующиеся на его основе изоморфные ряды,
маггемит, гематит, гемо- и пикроильмениты, а также самородное желе-
зо, пирротин и некоторые другие минералы. К основным преимуществам
магнитных методов изучения сильномагнитных минералов перед не-
магнитными следует отнести:
высокую избирательность, позволяющую исследовать включения
магнитных минералов в рудах и продуктах технологической переработки
без выделения фракции;
высокую чувствительность, позволяющую диагностировать сильно-
магнитные минералы при содержании менее 0,1% и при малом размере
зерен (даже в рентгеноаморфном состоянии);
простоту и высокую производительность, что дает возможность
проводить массовые исследования в масштабах, труднодостижимых
при использовании немагнитных методов.
Наиболее универсальная аппаратура для изучения магнитных харак-
теристик сильномагнитных минералов — вибрационные (индукционные)
магнитометры различных конструкций. Принцип их работы основан на
измерении ЭДС индукции, возбуждаемой в измерительных катушках
при вибрации образца в однородном магнитном поле, которое, в зави-
симости от модификации магнитометра, создается постоянным магни-
том, соленоидом или электромагнитом с системой изменения и реги-
страции напряженности магнитного поля. Индуцированный сигнал
усиливается и регистрируется измерительным прибором. Сигнал прот
порционален намагниченности образца. Температурные блоки — крио-
150
стат и съемное нагревательное устройство—позволяют проводить
измерения в диапазоне температур от 77 до 1000 К-
Градуировка прибора производится с помощью эталонных образцов
с известными удельными намагниченностями насыщения. Масса эталона
должна быть соизмерима с массой изучаемых образцов. Обычно в
качестве эталона при измерении удельной намагниченности исполь-
зуется чистый электролитический никель (ох = 54,4 А-м2/кг). При изу-
чении температурной зависимости магнитных свойств для измерения
температуры пользуются стандартными термопарами: хромель—алю-
мель, хромель—копель, медь—константант и др. В случае необходи-
мости градуировка термопары производится с помощью набора эталонов
с известными точками Кюри.
Изучение магнитных свойств начинается с калибровки магнитометра
с помощью эталонных образцов. Для этого на регистрирующем приборе
измеряется сигнал, соответствующий намагниченности насыщения эта-
лона (Пэт). Удельную намагниченность образца о0бр определяют по
формуле
О'обр — Оэт ^эт^обр/ (^эт ^обр),
где тэт, гповр — масса соответственно эталона и образца, кг; /Э1, /ОбР —
показания измерительного прибора, соответствующие намагниченности
эталона и образца.
При неизменном режиме работы магнитометра и постоянном эталоне
(У эт^ эт/Gr == ; О’обр = ^обр/^обр«
При этих условиях процесс определения удельной намагниченности
сводится к измерению сигнала, возбуждаемого в измерительных катуш-
ках, и взвешиванию образца.
Температурную зависимость магнитных свойств изучают при фикси-
рованной напряженности магнитного поля. Предварительно взвешенный
образец упаковывают в контейнер из титана или другого немагнитного
термостойкого материала и помещают в температурный блок, который
укреплен в межполюсном пространстве магнита или соленоида. На
измерительном приборе регистрируют изменение намагниченности при
нагревании или охлаждении образца. Запись термомагнитной кривой
(ТМК) производится по точкам (определяется намагниченность при
каждом фиксированном значении температуры) или в автоматическом
режиме с выводом на двухкоординатный самописец или графопострои-
тель (на один вход подается сигнал с регистрирующего прибора, соот-
ветствующий намагниченности изучаемого образца; на другой — ЭДС
термопары, контролирующей его температуру).
При определении зависимости намагниченности сильномагнитных
минералов от напряженности магнитного поля предварительно взвешен-
ный образец помещают в межполюсное пространство электромагнита
или соленоида, в которых напряженность магнитного поля регулируется
изменением протекающего в них тока. На измерительном приборе ре-
гистрируют изменение намагниченности при повышении или понижении
напряженности магнитного поля. Запись кривых намагничивания
151
производится по точкам или в автоматическом режиме с выводом на
графопостроитель, на один вход которого подается сигнал с измери-
тельного прибора, соответствующий намагниченности образца, а на
другой — с датчика Холла, контролирующего напряженность магнит-
ного поля.
В качестве исследуемого материала могут быть использованы изо-
метричные образцы с линейными размерами 1—4 мм, а также порош-
ковые пробы или мономинеральные фракции массой от 50 до 200 мг.
Подготовка проб зависит от задач, стоящих перед исследователями.
Структурно-чувствительные параметры сильномагнитных минералов
определяют на образцах или монокристаллах, так как дробление мате-
риала приводит к изменению величин or, Нс, х, N При оценке фазового
состава и технологических свойств железных руд, а также при опреде-
лении содержания сильномагнитных минералов обычно используют по-
рошковые пробы; в принципе эти исследования можно проводить на
образцах, но при этом необходимо выполнять условия представитель-
ности пробы, что труднодостижимо.
При минералогических исследованиях, при которых рассчитывают
катионное распределение ферромагнитных минералов по их намагничен-
ности насыщения при температуре 0 К, изучении анизотропии и типо-
морфных особенностей и в некоторых других случаях необходимо от-
бирать мономинеральные фракции или монокристаллы. Выделение моно-
минеральных фракций необходимо, в основном, при определении вели-
чины охм, с учетом которой вычисляется содержание сильномагнитных
минералов в пробах по выражению (11.6).
Порог обнаружения сильномагнитных минералов составляет 0,1%
(для магнетита) и 1—5% (для гидроксидов железа).
Среди обширного круга задач, решаемых данным методом, подробно
рассмотрим те, которые наиболее важны при обогащении руд.
Диагностика сильномагнитных минералов основана на определении
магнитных характеристик в широком диапазоне температур. Основные
диагностические параметры — точка Кюри (Гс) и удельная намагничен-
ность насыщения (для мономинеральных фракций). Кроме этих универ-
а
Рис. 11.1. Термомагнитные кривые:
а — образец, содержащий магнетит и м
тимый переход маггемита в гематит в процессе нагревания происходит при 650 К); б—
образец, содержащий гидрогетит; / — нагревание; 2 — охлаждение
152
Ч-------
20 -
400	600	000 Т, К
ит (Тс магнетита составляет 843 К, необра-

сальных для всех сильномагнитных минералов характеристик при
диагностике могут быть использованы другие (табл. 11.2).
Фазовые переходы отмечаются на ТМК изменением намагничен-
ности (рис. 11.1, а). По температурам этих переходов в соответствии с
табл. 11.2 диагностируют основные сильномагнитные минералы.
Таблица 11.2
Магнитные характеристики наиболее распространенных сильномагнитных
минералов
Минерал, формула	as(A-M2/Kr) при темпе- ратуре, К		Те- К	Температура фазо- вого перехода, К
	77	300		
Магнетит Fe3O4 Магнезиоферрит MgFe2O4	92	97	848	Tv= 1 18
	27	30	633—653	—
Якобсит MnFe2O4	80	108	573	—
Маггемит у-Ге2О3	82	87	948 (теоретиче- ская)	573—723 (магге- мит-гематит)
Гематит a-Fe2O3	0,3	0,05	948'	7,,. =233 4-258
Самородное железо a-Fe Пирротин FeSi +	218	221	1043	—
гексагональный анти- ферромагнитный (0,06<х<0,12)	0,5--1	—	—	490—540 (у-пере- ход)
моноклинный ферримаг- нитный (0,12 <х< 0,14)	15—16	—	593	—
Ильменит Р'еТЮз Пикроильмениты FeTiO3— Fe2O3—-MgTiO3 Гидроксиды железа:	0,5—0,8	6—8	—	7„~68 _
	0,9—20	10-60	110—490	
гётит a-FeOOH	0,20	0,25	—	650—670	(а- FeOOH->Fe3O4)
лепидокрокит y-FeOOH	0,25	0,32	—	490—510 (у- F еООН->F е2 О3)
ферроксигит 6-FeOOH	6—8	9—10	—	550 (6-FeOOH-^ +Fe3O4)
ферригидрит Fe5(O4H3)3	0,4	1,2	—	850—870 (Ге5(О4Нз)з->-
+Fe3O4)
Примечания: 1. Для ильменита, пикроильменитов и гидроксидов железа удельная
намагниченность определена в магнитном поле напряженностью 670 кА/м. 2. Для гидро-
ксидов железа фазовый переход — в условиях ограниченного доступа воздуха. 3. Tv —
температура Вервея, при которой происходит переход кубической структуры магнетита
в орторомбическую. 4. Тт — температура Морина, при которой происходит превращение
гематита из антиферромагнетика в слабый ферримагнетик.
В том случае, если минералы характеризуются близкими точками
Кюри, для более уверенной диагностики следует выделить мономине-
ральную фракцию и определить для нее ох. В некоторых случаях целе-
сообразно провести исследования в низкотемпературной области (77—
300 К).
153
Ряд слабомагнитных минералов, таких, как сидерит, гидроксиды
железа, гексагональный пирротин, в результате нагревания при термо-
магнитном анализе (ТМА) в определенных условиях претерпевают фа-
зовые превращения, приводящие к образованию сильномагнитных фаз.
На ТМК эти фазовые превращения выражаются в резком возрастании
намагниченности (рис. 11.1,6), а их температуры являются диагности-
ческими для рассматриваемых минералов.
Изучение изоморфизма в минералах имеет существенное значение
при минералого-технологических исследованиях. Так, присутствие изо-
морфных примесей в магнетите не только уменьшает общее содержание
в нем железа, тем самым ограничивая возможности получения супер-
концентрата, но и изменяет структурно-чувствительные магнитные па-
раметры, которые в значительной степени определяют поведение магне-
титовых руд в процессе магнитной сепарации.
Вследствие явления изоморфизма возникают ряды минералов с
постепенным изменением всех свойств, в том числе и магнитных. За-
висимость магнитных характеристик от состава минерала — принципи-
альная основа для их использования при исследовании изоморфизма.
Наиболее удобные параметры для оценки вида и доли изоморфных
примесей — те, которые не зависят от концентрации минерала в пробе
и свойств его макрокструктуры, т. е. температуры различных фазовых
переходов (в первую очередь Т с, определяемая при термомагнитном
анализе).
Для некоторых изоморфных рядов минералов установлен характер
зависимости Тс от содержания изоморфных примесей и выведены эм-
пирические формулы и графические зависимости. Например, для опре-
деления содержания наиболее распространенных изоморфных примесей
в магнетите применяются следующие соотношения:
для ряда магнетит — магнезиоферрит
СМв0= (843-Гс)/6,7;
для ряда магнетит — якобсит
СМг1()=(843-7'с)/8,8;
для ряда магнетит — герцинит
СА1г0 = (843-Тс)/6,8,
где См 0, CMn0, CA|20j — массовая доля изоморфной примеси соответ-
ственно MgO, МпО и AI2O3 в магнетите, %.
Изоморфные примеси оказывают влияние и на величину os, но при-
менение этого параметра для оценки их изоморфизма менее рациональ-
но из-за необходимости выделения чистых мономинеральных фракций.
Магнитометрические методы — наиболее дешевые, экспрессные и
точные при определении содержания ферромагнитных минералов в по-
родах, рудах и продуктах технологической переработки. Они сводятся
к определению удельной намагниченности насыщения пробы o.SIip и на
ее основе расчету содержания ферромагнитного минерала по формуле
154
Рис. 11.2. Зависимость удельной на-
магниченности насыщения о5 пробы от
содержания в ней магнетита р:
1 — чистый магнетит; 2—5 — магномагне-
титы с различным содержанием магния
Рис. 11.3. Начальная кривая намагни-
чивания (7), частная (2) и предельная
(3) петли гистерезиса и кривая удель-
ной магнитной восприимчивости (4)
сильномагнитного минерала
(11.6). При этом необходимо учитывать влияние изоморфных примесей
на величину aSM. Например, при изоморфном вхождении магния в струк-
туру магнетита aSM изменяется от 92 А-м2/кг для чистого магнетита до
27 А-м2/кг для магнезиоферрита. В этом случае при определении содер-
жания магнетита в пробе целесообразно пользоваться графическими
зависимостями, аналогичными представленным на рис. 11.2. Если тео-
ретическое значение o.s м неизвестно, то его определяют эксперимен-
тально для мономинеральных фракций сильномагнитного минерала,
выделенного из анализируемых проб.
Следует отметить, что при решении ряда задач необходимы массо-
вые измерения содержания известного ферромагнитного минерала (ча-
ще всего магнетита). С этой целью на различных предприятиях разра-
ботаны и внедрены магнитометры оригинальных конструкций. К ним,
в первую очередь, следует отнести установку «Магнетит-1», приборы
типа ИНИМ, ИНПМ, а также прибор «Satmagan» финской фирмы
«Оутокумпу». При содержании магнетита до 10% на некоторых пред-
приятиях применяют индукционные датчики магнитной восприимчиво-
сти, в том числе модернизированные капометры КТ-3.
Структурно-чувствительные параметры сильномагнитных минералов
определяют при измерении петель гистерезиса и основных кривых
намагничивания: остаточная намагниченность и коэрцитивная сила
Нс, а также магнитная восприимчивость (рис. 11.3). Следует отметить,
что на практике при минералогических исследованиях для характеристи-
ки сильномагнитных минералов обычно используют не параметр оГ5, а
относительную величину ors/oSy так как она характеризует сам минерал
и не зависит от его концентрации в пробе. Эти параметры определя-
155
ются свойствами макроструктуры минерала — размером зерен, порис-
тостью, наличием остаточных напряжений, а также объемными дефекта-
ми в его кристаллической решетке, связанными с изоморфным вхож-
дением примесей, окислением и рядом других факторов. Они в значитель-
ной степени определяют флокулятивную способность руд и должны
учитываться при разработке режимов магнитной сепарации, подмагни-
чивания и размагничивания руд.
К слабомагнитным относят большинство минералов, встречаю-
щихся в породах и рудах: диамагнитные (касситерит, сфалерит, кальцит,
пирохлор, циркон, кварц, полевые шпаты, мусковит, флогопит и др.),
парамагнитные (турмалин, минералы группы колумбита — танталита,
ортит, ставролит, эпидот и др.), а также антиферромагнитные (иль-
менит, хромшпинелиды, гидроксиды железа и др.) (табл. 11.3).
Таблица 11.3
Основные интервалы изменения удельной магнитной восприимчивости х слабо-
магнитных и немагнитных минералов
Минерал	X, Ю к м3/кг
	0 15 15—30 30-45 45 -60 60—75 75—90	500
Авгит Алмаз Амфиболы А мти мпи ит	—
Л П 1 И 1V1 П И 1 Апатит	
Арагонит Арсенопирит Барит Берилл Борнит Браунит Варламовит Вернадит Воджинит Вольфрамит Вюртцит Г агаринит Г адолинит Галенит Г аусманнит Геденбергит Гельвин-даналит Гематит Гентгельвин Гётит Г идростанат Г иперстен Г ипс Глауконит Графит Г ранаты: альмандин андрадит	—
	—
	
	
156
Продолжение табл. 11.3
Минерал			X-	, 10-й м3/кг			
	0—15		30—45	45—60	60—75	75—90	500
гроссуляр пироп уваровит Гюбнерит Дистен Доломит	—						
	—	—					
Известняк Ильменит Иксолит Кальцит							
		—					
Касситерит							
Кварц Колумбит	—						
Корунд Кубанит Лопарит Людвигит	—						—
Магнезит Малахит	—						
Манганит							
Молибденит Нефелин Оливин Ортоклаз Пирит	—						
Пироксен Пиролюзит							
Пирохлор							
Полевые шпаты Роговая обманка	—						
Родонит							
Рутил							
Свинцовый блеск							
Сидерит							
Ставролит							
Станнин Стрюверит Сфалерит Сфен Тальк							
							
Танталит							
Тапиолит Торит							
Турмалин Слюды							
							
Фергусонит							
Франклинит Халькопирит Хлорит Хромшпинелиды							—
Циркон Эгирин	—						
Эпидот		—					
157
При изучении магнитных свойств слабомагнитных минералов обычно
применяют приборы пондеромоторного типа, принцип действия которых
основан на измерении силы тяжести, которая действует на образец,
помещенный в магнитное поле.
В ВИМСе для измерения удельной магнитной восприимчивости %
создана высокочувствительная установка, которая дает возможность
измерять величину % в магнитном поле напряженностью (4,4—11,8) X
ХЮ5 А/м при температуре 80—1000 К. Пределы измерения величины %
составляют от 10“5 до 10"8 м3/кг Установка состоит из следую-
щих основных блоков: электромагнит с системой изменения и ре-
гистрации магнитного поля; специальные магнитные микровесы чув-
ствительностью 2-Ю-4 г; измерительный узел, включающий электро-
магнитную компенсирующую систему, отсчетное устройство ПС-35 и
электронный автоматический потенциометр ЭПД-12; съемное нагрева-
тельное устройство для работы в вакууме при нагревании образца
от 300 до 1000 К и криостат, позволяющий проводить измерения % в
диапазоне температур 80—300 К. В качестве эталонов используют
вещества, у которых магнитная восприимчивость при комнатной тем-
пературе близка к восприимчивости исследуемых минералов, в том
числе: Fe2SO4(NH4)2*6H2O— соль Мора (х = 40,7 10-8 м3/кг);
NiSO4-7H2O (х = 20,7 10“8 м3/кг); CuSO4-5H2O (х = 7,6- 10“8 м3/кг) и
дистиллированная вода (% = — 0,91 • 10" 8 м3/кг).
Методика проведения анализа заключается в следующем. Исследуе-
мый образец известной массы в кварцевом стаканчике помещают в
неоднородное магнитное поле электромагнита, создаваемое при помощи
специальных полюсных наконечников, имеющих форму усеченного ко-
нуса. Сила, действующая на помещенный в неоднородное магнитное
поле образец, измеряется нулевым компенсационным методом. Для это-
го используется взаимодействие постоянного магнитика с полем спе-
циального соленоида, через который пропускается стабилизированный
постоянный ток от выпрямителя ВС-26. Сила тока, при которой весы
возвращаются в нулевое положение, детектируется как мера силы,
действующей на образец со стороны неоднородного магнитного поля.
Таким образом, зная напряженность магнитного поля //, его градиент
d///dx, определенный при измерении эталонных веществ, и измерив
силу [ и массу образца тОбР, можно рассчитать удельную магнитную
восприимчивость х по формуле
________L____
Л mHdH/dx
Диамагнитную восприимчивость обычно рассчитывают относитель-
ным методом по формуле
Хэг^ эт/ обр
х =-----—
обр/эг
Магнитную восприимчивость при комнатной температуре измеряют
в полях различной напряженности (обычно 4,4; 7; 10,4 и 11,8 А/м).
158
При каждой напряженности магнитного поля следует дважды измерять
величину х и при ее вычислении брать среднее значение.
Изучение температурной зависимости магнитной восприимчивости
проводится при фиксированных значениях магнитного поля. Образец в
кварцевой ампуле помещают в температурный блок, укрепленный в
межполюсном пространстве электромагнита. Магнитную восприимчи-
вость определяют по точкам при нагревании или охлаждении образца.
Температуру регистрируют с помощью стандартных термопар.
В качестве исследуемого материала могут быть кристаллы минера-
лов или мономинеральные порошковые пробы массой 5—100 мг; при
обнаружении сильномагнитной фазы — 5 мг.
Время анализа при экспрессной оценке сильномагнитной минераль-
ной фазы—10 мин; при количественном определении парамагнитных
ионов и формы вхождения их в кристаллическую решетку минералов —
30 мин; при магнетохимическом определении разновалентных пара-
магнитных ионов и их соотношений, а также при уточнении характе-
ра магнитного упорядочения парамагнитных ионов в решетке минера-
ла — 4 ч.
К ограничениям метода относят: содержание сильномагнитной
фазы в исследуемом образце не должно превышать 1%; при определе-
нии соотношения парамагнитных ионов переменной валентности содер-
жание данного элемента (Fe, Мп, TR, U и др.) должно быть более 1%;
минимальное содержание изоморфной примеси парамагнитных ионов,
которое можно определить, должно составлять не менее 0,1%.
Определение формы вхождения примеси парамагнитных ионов (же-
леза, марганца и др.) в состав минерала. Современные методы иссле-
дования природы интегральной величины магнитной восприимчивости
слабомагнитных минералов х?ф показали, что нередко основная причина
вариаций ее значений — примеси сильномагнитных минералов, присут-
ствующих в виде субмикроскопических включений (продукты распада
твердого раствора, продукты изменения и др.):
Хэф = Хист + ХФ>	(И.7)
где Хист—магнитная восприимчивость, обусловленная диа- и парамаг-
нитной составляющей, м3/кг; хф магнитная восприимчивость, обу-
словленная примесью сильномагнитного минерала, м3/кг.
Характер магнитной примеси парамагнитных ионов можно опреде-
лить, изучая магнитную восприимчивость мономинеральной фракции в
магнитных полях различной напряженности. По характеру зависи-
мости х от Н судят о форме вхождения примеси (железа, марганца)
в исследуемый образец. Если парамагнитные ионы содержатся в ми-
нерале в виде изоморфной примеси или в качестве главного минерало-
образующего компонента собственно парамагнитного минерала, то ве-
личина х не зависит от напряженности магнитного поля. В том случае,
если часть ионов Fe или Мп присутствует в виде примеси сильномаг-
нитных минералов, то, как было показано выше, наблюдается зависи-
мость х от Н (см. рис. 11.3), и в области магнитного насыщения с
159
Рис. 11.4. Графическое определение
истинной магнитной восприимчивости
Хист парамагнитного (/) и диамагнитных
(2—4) образцов
увеличением напряженности поля
X уменьшается. Следовательно, в
бесконечно больших магнитных
полях (Н-+оо) будет получена
истинная магнитная восприимчи-
вость Хист, которая обусловлена
только вкладом диа- и парамаг-
нитной составляющих. Для реше-
ния этой задачи измеряют магнит-
ную восприимчивость в магнитных
полях напряженностью 4,4; 7;
10,4 и 11,8 • 105 А/м. Для опре-
деления Хист минерала строят за-
висимость % от Н~[ (рис. 11.4)
и истинную магнитную восприим-
чивость устанавливают путем экс-
траполяции прямой x = f(//“*) на
ось х, чт° соответствует Н-+оо
По измеренному значению х*ф
и определенному графически /ист
согласно выражению (11.7) рас-
считывают Хф, соответствующую
примеси ферримагнитного минера-
ла. Это позволяет по величине хф,
зная характер сильномагнитной
примеси (магнетит, гематит, пирротин и др.) и используя выражения
(11.1) и (11.6), определить ее содержание.
Средняя относительная погрешность графического определения х
равна ±10%. Содержание сильномагнитных минералов, присутствую-
щих в виде микровключений в диа- и парамагнитных минералах, опре-
деляется с точностью до 0,001%, что практически недоступно другим
методам фазового анализа.
Следует отметить, что для многих минералов магнитная воспри-
имчивость и, следовательно, поведение в процессе магнитной сепа-
рации, обусловлены не свойствами самого минерала, а видом и содер-
жанием сильномагнитной фазы. Именно этот фактор и определяет во
многих случаях значительные интервалы изменения х Для минералов
(см. табл. 11.3), что необходимо учитывать при разработке и усовер-
шенствовании режимов магнитной сепарации.
Количественное определение концентрации парамагнитных, ионов в
минерале проводят на основании установленной зависимости величины
Хист от содержания ионов Fe2+ Fe3 + Мп2+ и др. Метод позволяет по
рассчитанным уравнениям регрессии оценить суммарное содержание
этих элементов с точностью, близкой к химическому анализу.
Присутствие в минерале только одного парамагппгного иона поз-
воляет проводить количественную оценку содержания в нем FeO и
РегОз или МпО и МП2О3 по магнитной восприимчивости. Решение этой
160
Рис. 11.5. Зависимость х-1 от Т для
веществ с различным магнитным
упорядочением:
/ групповое распределение парамаг-
нитных ионов (антиферромагнитное
упорядочение);	2 — статистическое
распределение парамагнитных ионов;
3 — групповое распределение парамаг-
нитных ионов (ферромагнитное
упорядочение)
задачи возможно лишь при окислении всего закисного железа (мар-
ганца) в минерале и сопоставление двух значений магнитной восприим-
чивости, измеренных в исходной пробе (xi) и после ее окисления
(Хг). Один из способов полного окисления железа (марганца) — от-
жиг минерала в окислительной атмосфере. Оптимальный режим обра-
ботки подбирают индивидуально для каждого минерала, а полноту
окисления контролируют другими методами (например, ядерным гамма-
резонансом для железосодержащих минералов).
Данный метод применяют для минералов, у которых постоянная
Вейса (0) близка к нулю, поскольку в данном случае нет необходи-
мости вводить для каждого образца на нее поправку. Он хорошо себя
зарекомендовал при определении состава силикатов. Например, по ве-
личине х> измеренной до и после обжига, концентрацию FeO и Fe2O3
рассчитывают по формулам
CFCO=108(X2-X1)/(1,860-1,533);
Сре2оз= Ю8Х2/1.860- 1О8Х1-
Для железисто-марганцевых минералов обычно используют графи-
ческий метод определения концентрации FeO и Мп О, который, в соот-
ветствии с выражением (11.5), учитывает вклад этих элементов в пара-
магнетизм.
Следует отметить, что использование х эффективно для оценки не-
большого содержания парамагнитных примесей, а также благодаря
возможности отделить изоморфную примесь от механической. Преиму-
щество магнитостатического метода по сравнению с химическим ана-
лизом — его экспрессивность и небольшая -масса требуемого материала.
Характер распределения парамагнитных ионов в кристаллической
решетке минерала выясняют при температурных исследованиях магнит-
ной восприимчивости. Минералы, магнитная восприимчивость которых
161
подчиняется закону Кюри [см. выражение (11.3)], считают идеаль-
ными парамагнетиками. В них парамагнитные ионы находятся в
состоянии магнитного разбавления и практически не взаимодействуют
друг с другом. Основные их характеристики — магнитная восприимчи-
вость х и константа Кюри С, которая определяется по углу наклона
зависимости х“1 =/(7) (рис. 11.5). Если между парамагнитными иона-
ми возникает обменное взаимодействие, то магнитная восприимчивость
минерала подчиняется закону Кюри — Вейса [см. формулу (11.4)]
Постоянная Вейса 0, учитывающая это взаимодействие, определяется
путем экстраполяции прямой	на ось Т (см. рис. 11.5).
По постоянной Вейса слабомагнитные минералы подразделяют на
три группы:
близкие к идеальным парамагнетикам (0=0+10 К). К ним относят
минералы, в которых диамагнитные ионы изоморфно замещены пара-
магнитными, причем концентрация последних не достигает предела,
при котором появляются обменные взаимодействия (турмалин, кальцит,
пироп, гроссуляр, флогопит и др.);
нормальные парамагнетики с 0=±6О К. К ним относят минералы
с групповым распределением парамагнитных ионов, которое ведет к
упорядочению в области низких температур (минералы группы тантало-
ниобатов, вольфрамита и др.);
антиферромагнетики, у которых 0 достигает -300-4-400 К (хром-
шпинелиды, ильмениты, гидроксиды железа и др.).
11.4.	ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Оптические свойства характеризуют отношение вещества к падаю-
щему на него световому потоку. Определение этих свойств необходимо
для диагностики минералов, характеристики фазового состава руд, а в
ряде случаев для экспресс-анализа состава и оценки условий образо-
вания минералов.
Сущность метода состоит в измерении спектров зеркального и
диффузного отражения относительным методом по эталонам при помо-
щи микроскопа-спектрофот.ометра. По измеренным спектрам могут быть
рассчитаны цветовые характеристики.
При падении света на поверхность кристаллического вещества в
общем случае наблюдаются преломление, отражение и поглощение,
определяющиеся по законам световой оптики. Отраженные лучи состоят
из двух компонент — зеркальной, подчиняющейся законам геометри-
ческой оптики, и диффузной, имеющей искаженное (рассеянное) рас-
пределение. Соответственно этому имеются методики определения спек-
тров как зеркального, так и диффузного отражения.
Для измерения спектров отражения отечественной промышлен-
ностью (ЛОМО) выпускаются микроскопы-спектрофотометры [послед-
няя модель—ультрафиолетовый микроскоп-спектрофотометр МСФУ
Л-312, в состав которого входят рабочие осветители для проходящего,
зеркально отраженного (опак-иллюминатор) и диффузно отраженного
162
(наклонный осветитель) света; комплект эталонов для всех видов фо-
тометрии] .
Техническая характеристика МСФУ Л-312
Увеличение:
рабочих сухих объективов ..................................... 4,7—40
окуляра ........................................................ 10
Диаметр измеряемого участка,	мкм ............................ 2—150
Цена деления встроенного дифракционного портативного монохро-
матора, нм ........................................................ 1
Спектральная область, нм ..................................... 250—1200
Для измерения спектральных характеристик в приборе установлены
сменные фотоумножители. При измерениях мешающая компонента по-
давляется подбором и соблюдением условий освещения и измерения.
Спектры зеркального отражения измеряют на полирован-
ных шлифах, монтированных брикетах и других препаратах; обяза-
тельное условие — высокие качество полировки, близкое к зеркальной
поверхности. Спектры диффузного отражения измеряют на от-
ситованных порошковых пробах крупностью 0,2—0,25 мм, помещенных
в специальную кювету. В обоих случаях соблюдается условие пер-
пендикулярности измеряемой плоскости к оптической оси микроскопа-
спектрофотометра. Относительная точность измерения интенсивности
отражения в средней части спектра составляет 1,5%. Регистрация
спектров автоматическая путем записи на потенциометре ЛП-5, репер-
ные точки могут отстоять на любое заданное расстояние от 5 до
50 нм.
Спектры зеркального отражения измеряют при освещении образца
зондовым способом (апертурная и полевая диафрагмы включены) пер-
пендикулярно падающим светом при объективе с увеличением 21 и на
участках малых размеров (от 5 мкм). Эталоны — кварц, оптические
стекла и кремний.
Спектры диффузного отражения измеряют при освещении образца
светом, падающим под углом 45° при объективе минимального увели-
чения 4,7 при выключенных полевой и апертурной диафрагмах на
участке максимального размера (до 150 мкм). Эталон—напыленный
оксид магния. Характер спектров зеркального и диффузного отражения
для одного и того же вещества противоположный.
Спектры зеркального отражения — основа диагностики минералов,
особенно в тех случаях, когда минералы наблюдаются в виде тонко-
дисперсных включений и извлечь их для анализа невозможно, а также
в некоторых случаях для оценки состава, природы окраски и расшиф-
ровки условий 'образования.
Диагностика минералов по интенсивности и характеру спектров зер-
кального отражения основывается на прямой связи оптических свойств
с особенностями электронной структуры, главным образом на непосред-
ственной связи с шириной запрещенной зоны. Если ширина запрещен-
ной зоны больше 4 эВ, то электроны в веществе под действием элек-
тромагнитных световых волн не возбуждаются, свет не поглощается и
163
поэтому интенсивность отражения низкая — несколько процентов. Это
характерно для прозрачных породообразующих минералов (кварца, по-
левого шпата, карбонатов, фосфатов, боратов и др.). По мере умень-
шения ширины запрещенной зоны поглощение света веществом уси-
ливается, интенсивность отражения возрастает — у оксидов и простых
сульфидов она достигает 25%, для сульфосолей составляет примерно
40%. Изменяется и характер спектров отражения — от малоселектив-
ных спектров породообразующих минералов наблюдается переход к
аномальным, когда интенсивность отражения возрастает в длинновол-
новой области. При ширине запрещенной зоны десятые и сотые доли
электронвольт наблюдается сильное взаимодействие электронов вещества
с падающей световой волной и высокое отражение вследствие возвра-
щения и перевозбуждения электронов. Наибольшей интенсивностью
отражения при резко аномальном характере спектра характеризуются
самородные металлы (медь, висмут, золото), а максимальное отраже-
ние (96—98%) отмечается у чистого серебра, что связано с его самой
высокой электропроводностью. В каждом конкретном минерале ширина
запрещенной зоны не является строго постоянной, она уменьшается
при замещении одного из элементов другими с большей подвижностью
электронов и увеличивается при гидратации. Соответственно изменя-
ется и интенсивность отражения.
Спектры диффузного отражения по характеру и положению полос
поглощения аналогичны спектрам плоского альбедо, регистрируемым
дистанционными методами для земной поверхности, и поэтому являются
единственным средством расшифровки данных дистанционных методов,
т. е. определения по ним вещественного состава пород земной поверх-
ности. Кроме того, спектры диффузного отражения могут быть положе-
ны в основу оценки фазового состава порошковых проб, поскольку
каждый минерал обладает характерным для него спектром.
Интенсивность и положение полос поглощения (отражения) в
спектрах диффузного отражения в видимой области спектра определя-
ется присутствующими в пробе элементами переменной валентности
(главным образом, железа).
Для оценки возможности определения содержания гематита в окрашенном
песчанике была подготовлена модель — набор смесей кварца и гематита с разным
содержанием компонентов. Для этой модели установлена прямая связь яркости
с содержанием гематита при пороге обнаружения в 2%. На коллекции хими-
чески охарактеризованных образцов сфалерита также установлена прямая связь
интенсивности отражения от содержания железа.
Таким образом, методы измерения спектров зеркального и диффузного от-
ражения находят довольно широкое применение.
11.5.	ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Оптическая спектроскопия — метод исследования минералов, осно-
ванный на изучении поглощения ими электромагнитного излучения
оптического (светового) диапазона спектра (180—2500 нм).
Оптико-спектроскопические исследования позволяют выявлять и
164
идентифицировать оптически активные центры в минералах и на основа-
нии этих данных выяснять природу окраски минералов, получать инфор-
мацию об их элементном и молекулярном составах, изоморфных заме-
щениях элементов, их валентности, характере химической связи, локаль-
ной симметрии структурных позиций. Некоторые особенности опти-
ческих спектров, отражающие конституционные свойства минерала, мо-
гут служить геохимическими или генетическими индикаторами. В от-
дельных случаях, например, для гранатов, такую роль может выполнять
окраска минерала, количественно оцениваемая колориметрическими
параметрами. Сравнение оптических спектров и измерение различий в
определяемых ими характеристиках (цвете, отражательной способ-
ности, прозрачности) — основа фотометрической сортировки минераль-
ного сырья.
Физическая сущность оптической спектрометрии состоит в
том, что при поглощении электромагнитных излучений происходит
взаимодействие оптического излучения с электронной системой кристал-
лической структуры минерала. В результате этого на графической зави-
симости относительного ослабления интенсивности светового потока,
проходящего через минерал, от длины волны монохроматического
излучения появляются полосы и линии, совокупность которых формиру-
ет характерный оптический спектр поглощения минерала.
Важнейшие оптически активные центры (центры окраски) в минера-
лах, селективно поглощающие свет и определяющие наличие харак-
терных полос и линий в оптических спектрах:—
примесные и видообразующие ионы с незаполненными d и f-оболоч-
ками (например, Fe2+ Fe34 Сг3+ Ti34 V3+ Mn2 + Mn3+ и др.,
ионы редких земель и актиноидов), образующие в кристаллической
структуре минерала различные координационные комплексы;
электронно-дырочные центры, молекулярные ионы, свободные неор-
ганические радикалы (например, дырочные центры О в кислородсодер-
жащих соединениях, центры SOF S3" в лазурите, F-центры во флю-
орите, щелочногалоидных кристаллах и т. д.);
структурные комбинации ионов d и f-элементов (пары Fe2+ — Fe3 +
Ti3+—Ti4+ и др.), электронных и дырочных комплексных и агрегат-
ных центров.
Оптические спектры поглощения характеризуются сле-
дующими основными параметрами:
T = J/h- £> = lgjo//; K = D/d,
где Т — пропускание, %; /0, / — интенсивность потока света, соответ-
ственно входящего в кристалл и выходящего из него; D — оптическая
плотность; К — линейный коэффициент экстинкции, см’"1* d — толщина
образца, см.
Оптические спектры характеризуются также длиной волны X (нм)
или частотой v (см-1) монохроматического излучения, соответствующих
спектральному положению максимумов линий или полос поглощения.
Образцы для исследований спектров поглощения могут представлять
165
собой плоскопараллельные (полированные) пластинки, петрографиче-
ские шлифы или необработанные кристаллы (зерна), если они достаточ-
но совершенны и прозрачны.
Измерение оптических спектров поглощения минералов часто за-
труднено вследствие их слабой прозрачности, дефектности и т. д.
Поэтому при оптико-спектральных исследованиях нередко производят
съемку спектров диффузного отражения, т. е. оптических спектров
отражения от поверхностей порошков, мелкозернистых насыпных проб,
матированных (неполированных) поверхностей минералов или полими-
неральных агрегатов.
Для съемки оптических спектров используют двухлучевые автома-
тические спектрофотометры СФ-20 (СССР), «Спекорд М40» (ГДР) и
целый ряд моделей американской фирмы «Бэкман», английской фирмы
«Перкин-Элмер», западногерманской фирмы «Оптон», японской фирмы
«Хитачи» и др. Современные модели спектрофотометров позволяют
измерять оптические спектры поглощения и отражения в широком
спектральном диапазоне. Они снабжены поляризаторами, криостатами,
а также микрокомпьютерами для управления измерениями и обработки
результатов. В СССР выпускают также микроскопы-спектрофотометры
МСФ-10, МСФУ Л-311 и другие для съемки оптических спектров объек-
тов размером до нескольких микрометров. С помощью спектрофотомет-
ров непосредственно определяют величины Т (X) или D (X) для исследу-
емого образца. Съемка спектров отражения от поверхности образцов
осуществляется относительно эталонов сравнения (например, порошка
оксида магния).
Для выявления возможности фотометрической сепарации конкрет-
ного вида минерального сырья следует иметь данные оптико-спектраль-
ных исследований его основных минеральных составляющих, различаю-
щихся содержанием полезного компонента. Сравнение оптических спек-
тров (чаще всего спектров отражения) различных фракций подлежа-
щего сепарации минерального сырья позволяет провести количествен-
ную оценку этого признака разделения и подобрать оптимальные пара-
метры для настройки фотометрического сепаратора. Различия в проз-
рачности или отражательной способности разделяемых фракций неко-
торых типов неметаллических полезных ископаемых позволяют, напри-
мер, разделять кварцевое сырье различной чистоты, отделять кварц от
полевых шпатов, флюорит от кальцита и т. д. Аналогично по разли-
чиям в спектрах отражения полезных компонентов и подлежащих уда-
лению удается проводить сепарацию руд металлов, например, отделять
золотосодержащие руды кварцевой формации от более темных, как
правило, сопутствующих горных пород, или отделять окисные марганце-
вые минералы от карбонатов марганца в смешанных рудах.
11.6.	ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
Люминесценция — свойство минералов светиться под действием
ультрафиолетового (фотолюминесценция ФЛ), рентгеновского (рентге-
166
Рис. 11.6. Типичные спектры рентгенолюминесценции минералов, используемые
для выбора разделительных признаков при обогащении руд:
/ — флюорит; 2 датолит; 3 данбурит; 4 плагиоклаз; 5 — микроклин; б шеелит;
7 кварц; 8 — апатит; 9 — сподумен; Ю кальцит, доломит; 11 - барит, целестин;
12 спектр люминесценции, возбуждаемый УФ лазером в касситерите. Буквенные обо-
значения показывают, какими элементами-лю.миногенами обусловлены полосы в спектрах
(£0* суперпозиция излучения кислородных центров различного типа)
нолюминесценция РЛ), катодного (катодолюминесценция КЛ) и других
видов излучений. ФЛ и КЛ минералов применяют для диагностики
и оценки их распространенности в горных породах и рудах. РЛ приме-
няют в основном как признак разделения при радиометрическом обога-
щении руд, содержащих алмазы, шеелит, флюорит, сподумен, в перспек-
тиве также руд, содержащих апатит, датолит, данбурит, барит, целес-
тин, микроклин и другие полезные минералы (рис. 11.6) ФЛ, возбужда-
емую лазером (ЛВЛ), применяют для минералого-технологического
картирования, а в перспективе — для сепарации касситеритовых руд.
Люминесценция характеризуется следующими параметрами:
длиной волны X в диапазоне от 200 до 1100 нм, включающем видимую
область и примыкающие к ней участки ближнего ультрафиолетового
(УФ) и инфракрасного излучений; интенсивностью /, измеряемой в
относительных единицах с «привязкой» к /э эталонного люминофора;
постоянной времени разгорания и затухания т (с) соответственно при
167
включении и выключении возбуждения, изменяющейся в широких пре-
делах (10~ 10<т< 1).
Основная характеристика минерала — спектр ФЛ, РЛ, КЛ, ЛВЛ.
Градуировку по X осуществляют с помощью ртутно-кварцевых ламп
(ДРК-120 и др.), имеющих узкие линии излучения: 265,3; 313; 365;
405; 436; 491,7; 546; 579 нм. Зависимость /Э(М на данной установке
(аппаратурная функция) корректируют с помощью эталонных люмино-
форов, например рентгенолюминофоров Р-350, Р-420, Р-450, Р-535,
сцинтилляторов NaJ — Tl, CsJ — Т1, фотолюминофоров Л-29, ЛЦ-6200
с известным истинным спектром /э (X) в данном диапазоне.
Аппаратура для исследования люминесцентных свойств минера-
лов состоит из источников возбуждения, монохроматоров для анализа
спектров люминесценции, приемных устройств с записью спектров.
Наиболее распространенным источником возбуждения ФЛ служит осве-
титель люминесцентный ОИ-18. Для исследования ЛВД используют
лазеры ЛГИ-21, ЛГ-505 с Х==337 нм; перспективны лазеры с перестраи-
ваемой частотой и эксимерные. Для возбуждения РЛ используют рент-
геновские установки различного назначения, например типа УРС-1.
Для исследования КЛ используют электронные микроскопы, рентге-
носпектральные микроанализаторы со специальными приставками для
этой цели.
Спектры люминесценции определяют с помощью монохроматоров
МДР-2, МДР-12, МДР-23, ИСП-51 и др. Датчиками сигнала служат
фотоэлектронные умножители (например, ФЭУ-106 на область спектра
200—800 нм, ФЭУ-62 на область 600—1100 нм) Лучше всего исполь-
зовать установку типа КСВУ (комплекс спектральный, вычислитель-
ный, управляемый). Для получения сопоставимых по интенсивности
признаков разделения минералов из данной пробы руды требуется со-
блюдение одинаковых условий эксперимента: во-первых, пробоподго-
товки, во-вторых, «геометрии опыта». Так, для определения спектров
РЛ используют мономинеральные навески массой от 10 до 100 мг
крупностью до 0,2 мм. Навеску наносят тонким слоем на бериллиевую
подложку, представляющую собой окно диаметром 10 мм с бортиком
(обычно используют бериллиевое окно от отработанной рентгеновской
трубки). В серии опытов соблюдают равную площадь и толщину
слоя. Для равномерного нанесения в навеску вносят две-три капли
ацетона или спирта. После высыхания слой удерживается за счет
адгезии в вертикальном положении. Окно с навеской фиксируют в месте
выхода рентгеновского пучка из трубки. Оно должно находиться на
оптической оси установки, с плоскостью окна вертикально под углом
примерно 45° к оси. Пятно свечения навески фокусируют с помощью
кварцевого конденсора на входной щели монохроматора. Сигнал лю-
минесценции, разложенный в спектр, поступает через выходную щель
монохроматора на ФЭУ и после усиления — на самопишущий потен-
циометр. Для автоматической записи спектра устанавливают поворот-
ную диспергирующую систему монохроматора в начальное поло-
жение (например, на длину волны 250 нм) в комплексе КСВУ-23 с
168
помощью барабана с делениями, после чего включают двигатель пово-
ротной системы и одновременно движение ленты самописца. Время
записи спектра в диапазоне от 250 до 750 нм должно составлять при-
мерно 12—15 мин, при этом длина пробега ленты самописца составляет
30—50 см, что обеспечивает оптимальную детализацию и компактность
спектра.
В принципе так же регистрируют спектры ФЛ и ЛВЛ. Различие
состоит в подготовке пробы и способе ее фиксации. Измельчение
необязательно. Форма и размер образца произвольны (порошок,
отдельные зерна, куски размером до 20 мм). Образец фиксируют в
кварцевой пробирке или держателе с зажимом, который помещают на
оптической оси установки. Пучок возбуждающего излучения направ-
ляют под углом около 45° к этой оси.
Важнейшие люминесцирующие минералы: гомоатомные минералы —
алмаз, муассанит (последний как синтетический абразив, создающий
помехи в желтой области спектра); галогениды — флюорит, криолит,
галит, сильвин и др.; оксиды и гидроксиды — кварц, корунд, шпинель,
касситерит, бадделеит, фенакит; оксосоли — полевые шпаты, сподумен,
петалит, эвкриптит, датолит, данбурит, циркон, апатит, кальцит, ангид-
рит, барит, целестин, церуссит, шеелит; отдельно рассматривают груп-
пу минералов уранила. Не люминесцируют металлы и интерметалли-
ческие соединения, узкощелевые полупроводники (с шириной запре-
щенной зоны ЕАг 1 —1,5 эВ), диэлектрики, содержащие более 1% ионов
железа, меди. Люминесценция диэлектриков связана с наличием эле-
ментов-люминогенов, образующих в кристаллической решетке центры
свечения. «Сквозным» люминогеном является кислород в оксидах, гид-
роксидах и оксосолях. Его излучение наблюдается в виде широких
полос в диапазоне от УФ до голубой части спектра (см. рис. 11.6 — О *).
Кислород возбуждается в процессе электронно-дырочной рекомбинации
при РЛ, КЛ и не возбуждается оптическими фотонами из области
невакуумного ультрафиолета при ФЛ. Он может играть роль как
признака разделения, так и помехи в процессе РЛ-сепарации минера-
лов (кварца, полевых шпатов, сподумена, петалита, данбурита, дато-
лита, целестина, барита и др.).
При ФЛ проявляются главным образом изоморфно-примесные
катионы, представленные металлами с недостроенными электронными
оболочками: Mn2+, Fe3+, Сг3+, Ti3+, Ti4 + , Tl + , Pb+, TR2+ (Eu, Yb,
Sm), TR3+ (Се, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy) при атомной массе от 10-3 до
1%. Они же проявляются и в спектрах РЛ, КЛ, но с другими относи-
тельными интенсивностями до линий. Некоторые из минералов обнаружи-
вают ФЛ только после охлаждения, например, жидким азотом (кино-
варь, криолит, данбурит, датолит, родонит, вульфенит, силикаты и гид-
роксиды уранила). Цвет и спектры люминесценции, в особенности
ФЛ минералов, сильно зависят от различной геологической обстановки
минералообразования, выполняя роль не только диагностических, но
и типоморфных признаков минералов. Например, в рудах из слюдонос-
ных пегматитов микроклин белого цвета (остродефицитное керамиче-
169
ское сырье) обладает фиолетовой ФЛ, по которой легко отличим от
плагиоклазов, обладающих фиолетово-синей ФЛ (Еи2+). В пегмати-
тах других формационных типов микроклин и плагиоклаз обычно не
люминесцируют.
Люминесцентный метод — один из важнейших радиометрических
методов обогащения минерального сырья.
При РЛ-сепарации, например датолитовых и данбуритовых руд,
датолит и данбурит выделяют по наличию полос в УФ-части спектра
(см. рис. 11.6) Основные сопутствующие минералы либо не люминес-
цируют (железосодержащие гранаты, амфиболы), либо люминесцируют
в данном диапазоне значительно слабее извлекаемых (кварц, кальцит,
доломит, волластонит) РЛ-сепарация боросиликатных руд позволяет
получить кондиционные концентраты и одновременно промпродукты
для последующего флотационного обогащения, выделить в начале
процесса отвальные хвосты (30—40% от исходной руды), резко сни-
зить содержание вредной примеси железа в концентратах и пром-
продуктах.
11.7.	ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Инфракрасная спектроскопия (ИКС) — метод изучения вещества
(жидкого, твердого, газообразного} по его спектру излучения, отраже-
ния или поглощения в инфракрасном диапазоне излучения, т. е. с дли-
ной волны Х = 700ч- Юб нм, или с волновым числом v = 107/Х нм. В зависи-
мости от того, какой излучается спектр (излучения, после прохождения
через вещество или после отражения от него) выделяют ИКС излу-
чения, пропускания (поглощения) и отражения (зеркального, диффуз-
ного, внутреннего) (табл. 11.4 и рис. 11.7) Область использования
всех видов ИКС весьма широка: диагностика веществ, количественный
и качественный фазовые анализы, изучение кристаллохимических
особенностей как объема вещества, так и поверхностного слоя его
частиц толщиной от долей до целых микрометров.
В настоящее время ИКС развивается в двух направлениях: аппа-
ратурном и методически-теоретическом. В результате появились новые
разделы ИКС: диффузного и внутреннего отражения, излучения и
фотоакустическая. Предпочтение отдается способам, при которых ве-
щество не подвергается дополнительным воздействиям при препариро-
вании или изучается дистанционно.
Сущность метода ИКС заключается в получении индивидуаль-
ного спектра вещества при действии на него инфракрасного излучения,
в результате чего в нем возникают колебания атомов внутри молеку-
лы, атомов кристаллической решетки и др. При этом число колебаний
молекулы, содержащей W атомов, или сложного иона равно ЗМ — 3, а
для кристалла, в элементарной ячейке которого р-атомов, Зр — 3 оптиче-
ских мод и 3 — акустических. В соответствии с этим каждое вещество
(жидкое, газообразное, аморфное, кристаллическое) с любыми размера-
ми частиц, блоков имеет свой индивидуальный спектр.
170
Таблица 11.4 Основные сведения о методах ИКС исследования минералов
Способ ис- следования	Особенности препарирования	Диапазон ИК-излучения	Наиболее рациональное использование	Изучаемое технологическое свойство минерала
Погл ощение	Плоскопараллельная поли-	Весь, в котором есть	Дихроизм, дефекты структуры,	Теоретические основы фло-
кристаллов	рованная пластинка 1—200 мм 2	полосы поглощения	газово-жидкие включения, мик- ропримеси	тационных и гравитацион- ных свойств
Поглощение порошков	Суспензии в вазелиновом масле, прессованные таблет- ки с щелочными галоидами. Диаметр частиц порошка < 1 мкм	То же	Диагностика, качественный и количественный фазовый ана- лиз, кристаллохимические осо- бенности	Физические (гравитацион- ное, магнитное и др.), физи- ко-химические (адсорбцион- ное, флотационное, раство- римость)
Зеркальное отражение	Полированная пластинка 0,5—200 мм2	Где есть полосы от- ражения	Все оптические колебания, все оптические константы, ориен- тировка граней	Флотируемость
Внутреннее	Порошок (100—0,1 мкм),	Область собственных	Поверхностные пленки и со-	В основном флотируемость
отражение	специальная пластинка-эле- мент МНПВО (> 500 мм2)	колебаний вещества	стояния, оптические константы, качественный и количественный анализ порошков (при отсутст- вии рассеяния излучения)	(адсорбция, адгезия)
Диффузное	Порошок (250—1 мкм),	Вне области собст-	Диагностика и строение зерен,	Физические, физико-хими-
отражение	гранулы, поверхность Зем- ли, планет и др.	венных колебаний ве- щества Область собственных колебаний	адсорбированных веществ, ана- лиз концентрации примесей и ми- кроколичеств веществ, дистанци- онные измерения Характер расположения меха- нических примесей	ческие, химические
Отража-	Тонкие пленки на хорошо	Область отсутствия	Адсорбированные тонкие (до	Коррозионные слои на элек-
тельно- ад-	отражающих пластинках (100 мм 2)	собственных полос	моно-) слои, глинистые мине-	тродах и металлических
сорбционный		пластинки и погло- щения пленок	ралы	деталях
Излучение	Тонкие слои жидкости или	Вся область излуче-	Слабопоглощающие тонкие	Изменения вещества при на-
нагретого вещества	твердого вещества в спе- циальных кюветах	ния	пленки	гревании; определение тем- пературы вещества
Фотоакусти- чески й эф- фект	Поверхность твердых об- разцов	Весь, в котором по- глощает вещество	Поверхностные соединения, адсорбированные газы и кисло- ты	Флотационное, коррозионное
Для получения спектров поглощения или отражения, а также из-
лучения в инфракрасном диапазоне излучения используют инфра-
красный спектрофотометр, который обычно состоит из четы-
рех частей: источника излучения, системы, разлагающей излучение
в спектр, приемника излучения и устройства для записи результатов.
В качестве источника ИК-излучения применяют тела накаливания
с температурой 1200—1400° С: глобар-стержень из карбида кремния,
нихромовую полоску, штифт Нернста из оксидов церия и циркония,
ртутную лампу высокого давления и лампы, наполненные различными
веществами, лазер, в том числе с изменяющейся волной излучения.
Приемником излучения служат термопара, болометр, пироэлек-
трики, а для скоростного сканирования — многоканальный приемник-
диссектор, мозаичная матрица.-
Наиболее распространены монохроматорные (дисперсионные)
ИК-спектрофотометры, в которых излучение разлагается в спектр по-
средством дифракционных решеток и реже призмами из щел оч ног алой д-
ных кристаллов. В таком спектрофотометре спектр вещества фикси-
руется последовательно по длинам волн, что снижает чувствительность
и ухудшает соотношение сигнал/шум. Эти недостатки преодолеваются
увеличением мощности источника излучения (лазер), применением
новых дифракционных решеток на вогнутых сферических поверхно-
стях, а также путем встройки в оптическую и электронную схему
ЭВМ.
Современные дисперсионные ИК-спектрофотометры
представляют собой спектрофотометры двухлучевого типа с регистра-
цией соотношений интенсивностей излучения, со встроенной в схему
ЭВМ, позволяющей автоматизировать процесс получения и обработки
спектра, обычно в диапазоне 4000—200 см-1 Это позволяет автома-
тизировать количественный фазовый анализ, накапливать банк данных
и проводить библиотечный поиск. Связь с пультом управления может
осуществляться в диалоговом режиме.
Необходимость увеличения чувствительности и быстродействия при-
бора привели к созданию Фурье-спектрофотометров, в кото-
рых с помощью интерферометра спектр записывается одновременно
во всем диапазоне излучения в виде интерферограммы, а для полу-
чения спектра в цифровом виде или в виде кривых, производится
математическая обработка с помощью встроенных ЭВМ. ИК-Фурье
спектрофотометры для производственной и исследовательской работы
выпускаются фирмами «Брукер», «Бекман» с диапазоном исследова-
ния 4800—400 см-1 (реже 25000—20 см-1).
В приборах скоростного сканирования на основе дисперсионных
и Фурье-спектрофотометров используют многоканальные приемники
(мозаичные матрицы) с накоплением импульсов, импульсные источни-
ки излучения и лазеры.
В настоящее время для получения ИКС вещества применяют
также приборы с оптико-акустическим детектированием излучения, осно-
ванные на возникновении акустических волн под действием прерыви-
172
стого светового потока, спектральный состав которого перекрывает
спектр поглощения исследуемого вещества. Источник излучения — ла-
зер, приемник — фотоакустическая ячейка с регулируемой температу-
рой и составом среды, со встроенным микрофоном и предусилителем.
ИКС пропускания (поглощения) вещества производится путем из-
мерения коэффициента поглощения вещества в зависимости от длины
волн, который определяется собственными колебаниями, возникающи-
ми под воздействием излучения. Для получения ИКС поглощения
монокристалла препаратом служит плоскополированный срез или пла-
стинка толщиной от микрометров до нескольких миллиметров (в за-
висимости от поставленной задачи) с площадью от 1 мм2 до несколь-
ких квадратных сантиметров (в зависимости от типа прибора).
При падении на кристалл электромагнитного излучения в нем
возникают продольные и поперечные упругие волны. При продольных
волнах происходит смещение атомов одной кристаллографической пло-
скости вдоль направления распространения электромагнитной волны,
при поперечных — в перпендикулярных направлениях. Если принять,
что упругая сила пропорциональна смещению атомов и важны взаи-
модействия только ближайших соседних атомов, то частоту колебания
v (см-1) для кубической решетки определяют по формуле
v = 0,5 sin Kdn~ 1 yjk/М
К — волновой вектор, определяемый соотношением cKjn=2яп/1ш;
с — скорость света; п — показатель преломления кристалла; Хвак — дли-
на волны излучения в вакууме; d — расстояние между кристаллогра-
фическими плоскостями; k — силовая постоянная связи между сосед-
ними атомами; М — масса атома.
Величина d для заданной решетки изменяется в зависимости от
направления К. Разность фаз колебаний атомов не более чем
Экспериментально определяя v, формулу (11.8) или аналогичные
используют для определения коэффициента поглощения и силовых по-
стоянных сложных ионов и решетки. По ИКС монокристаллов выяв-
ляют их дефекты, газово-жидкие и твердые микровключения, точечные
дефекты, в том числе радиационные. В этом случае возникают локаль-
ные колебания дефектных центров, частоты которых лежат за
пределами частот кристалла и по ним определяют наличие и тип де-
фекта (табл. 11.5).
Кроме того, обычно около таких примесных или вакантных цен-
тров группируются молекулы воды или водородные и гидроксильные
ионы (см. табл. 11.5). По ИКС монокристаллов определяют их плеохро-
изм: анизотропию коэффициента поглощения [см. формулу (11.8)]
Поскольку минералы являются кристаллическими веществами,
размеры которых малы, это вызывает необходимость одновременного
использования в препарате нескольких зерен. На практике наиболее
широко применяется ИКС поглощения порошковых веществ.
Препаратом при получении ИКС поглощения служит порошок с
размерами частиц менее 1 мкм, нанесенный на подложку из галоидов
173
Таблица 11.5
ИК-спектроскопическое проявление дефектов структуры минерала
Характер дефекта	Минерал	ИК-спектроскопические особенно- сти (полосы поглощения в см-1)
Дефекты роста: Точечные:	Кварц Al + Н	3222; 3240; 3305; 3311; 3371; 3800
вызванные изомор-	Кварц Al -j-Na	3382; 3453; 3513; 3534; 3556
физмом вакансионные	Кварц Al +К Кварц	3414; 3460; 3538; 3550; 3567; 3576 3450 (широкая)
Объемные: вызванные несовершен-	Кварц	Относительно узкая полоса
ством структуры механическим разруше-	Кварц	3600—3700 Очень широкая полоса 3000—
нием Электронные и дырочные	Кремний	4000 Отрицательный сигнал при
центры проводимости Дефекты, возникающие под влиянием воздей- ствий: ионизационные	Кремний Берилл (исходный)	электронной проводимости на 2350; 3000; 3350 Положительный сигнал при ды- рочной проводимости на 2350; 3000; 3350 Нет полос
диффузионные	Берилл, облученный у = Ю8 рад Берилл, облученный у = 2 • 108 рад Кварц (исходный)	4890, 4820, 4650, 4600, 4500, 4400, 4220 4650; 4500; 4420; 4220; 4200 3282; 3453; 3513; 3534; 3556
	Кварц, облученный у = 2-109 рад Берилл (исходный) Берилл, облученный у = 2 • 109 рад	3350 (широкая полоса) 3705 (сильная); 3600 (слабая) 3705 (слабая); 3600 (сильная)
щелочных или щелочноземельных кристаллов из взвеси в органи-
ческом веществе или в виде эмульсии в вазелиновом масле. Из порошка
массой от долей до нескольких миллиграммов совместно с щелочно-
галоидными кристаллами (0,1 — 1 г) прессуют таблетки. Препарат мо-
жет быть помещен в высокотемпературную (до 1000° С), низкотемпе-
ратурную (до температуры жидкого гелия) кюветы, алмазную кювету,
позволяющую подвергать вещество давлению до 10 ГПа. Порошок
может быть запрессован в таблетку с бромистым калием или в пленку
с полиэтиленом. Существуют электролизные кюветы. Выделенные при
высоких температурах из твердого вещества отдельные газообразные
частицы замораживают при температурах до 4 К в матрицах из твердых
аргона, азота, углекислоты, СО, С2Н4, CF4 и др. Таким методом матрич-
ной изоляции исследуются высокотемпературные выделения из малоле-
тучих веществ, нестабильные и высокореакционные частицы, молекуляр-
ные комплексы, радикалы и другие, что важно при изучении процесса
переработки руд и моделировании роста кристалла из газовой фазы.
174
Часть таких исследований
выполняется на аппаратуре
скоростного сканирования
(время записи одного спек-
тра 10—200 мкс)
ИКС поглощения порош-
ков используют для диаг-
ностики качественного и
количественного фазовых
анализов, выявления кри-
сталлохимических особен-
ностей вещества (определе-
ния координационного числа
и иногда валентности иона
в структуре, степени крис-
талличности, совершенства и
упорядоченности располо-
жения ионов в структуре,
изоморфизма, полиморфиз-
ма, политипии и смешанно-
слойности) Метод особенно
перспективен для перечис-
ленного кристаллохимичес-
кого изучения аморфных
(рис. 11.7) и рентгеноаморф-
Рис. 11. 7. ИКС аморфного вещества (плав-
леного кварца):
А — поглощение; R = 20; 60° — диффузное отра-
жение под углом соответственно 20 и 60°;
0 = 45° — многократное (в данном случае 14)
нарушенное полное внутреннее отражение
(МНПВО)
ных веществ, т. е. тонкодисперсных с размерами частиц менее 0,02 мкм.
А так как кристаллохимические особенности минералов определяют
их технологические свойства (механические, тепловые, электрические,
магнитные, химические и др.), то по ИКС поглощения порошков кос-
венно определяют их поведение в технологическом процессе.
Диагностика минерала осуществляется путем сравнения ИК-спектра
изучаемого вещества с эталонным ИК-спектром минерала, приве-
денным в атласах. Если исследуемый образец является смесью не-
скольких фаз, то операция идентификации каждой фазы проводится
по ее характеристическим, т. е. не перекрывающимся с другими фа-
зами, полосам поглощения. Имеются и каталоги (атласы), включающие
эталоны различных минеральных смесей (например, минералов глин).
Если нужно идентифицировать неизвестную многокомпонентную смесь,
то проводят операции предварительного разделения такой смеси на
фазы, различающиеся по плотности, цвету, выделяют их предвари-
тельным селективным растворением в различных реагентах. После та-
кого разделения анализ каждой фазы смеси становится значительно
проще. По характеру ИК-спектра поглощения (характеристическим
областям поглощения) можно предварительно определить класс соеди-
нений (силикат, оксид, арсенат и т. д.), что ускорит последующее
нахождение соответствующего соединения в атласах.
175
Количественный ИК-спектрофотометрический анализ основан на
законе Ламберта — Бугера — Бера:
D = \gh/J=kCd,	(11.9)
где D — оптическая плотность или экстинкция; /0 — интенсивность па-
дающего излучения на определенной длине волны; J — интенсивность
излучения, прошедшего через образец; k — коэффициент поглощения
(экстинкции); С — концентрация компонента; d — толщина слоя иссле-
дуемого вещества.
При изучении жидкостей (растворов, фракций нефтей, экстрактов
угля и др.) препарат помещается в кювету определенной толщины
(d); коэффициент экстинкции (k) определяется для монофракции в
расчете на единицу толщины. Отражение от стенок кюветы при опре-
делении J и /о компенсируется помещением идентичной кюветы, в том
числе с тем же препаратом с меньшей толщиной, в луч сравнения спек-
трофотометра. Аналогично проводится определение для срезов, пласти-
нок твердых веществ (кристаллов).
Если исследуется порошок руды, породы, то изменение прошед-
шего через образец излучения J в характеристической области погло-
щения каждого минерала зависит не только от структурных особенно-
стей вещества (что учитывается коэффициентом k), но и от способов
приготовления препарата к исследованию, в том числе от размеров и
формы частиц порошка и особенностей матрицы, в которую помещен
этот порошок. При этом порошок помещается в матрицу из бромистого
калия путем прессования таблеток, или приготавливается эмульсия
порошка вещества, например, в вазелиновом масле, или порошок осаж-
дается из взвеси в изобутиловом спирте, бензоле, гексане и др. Рассеян-
ное и отраженное излучение учитывается коэффициентом k' и формула
(11.9) принимает вид
D =k(v)Cd-\-k'(yCd).
Величину/) в этом случае измеряют методом, базисной линии, иногда
компенсационным методом или дифференциальным, что позволяет учесть
коэффициент k' В проведении базисной линии существуют по крайней
мере два варианта. В одном случае базисная линия проводится через
максимумы пропускания на краях характеристических полос опреде-
ляемой фазы, в другом случае при этом учитывается поглощение и
рассеяние излучения от соседних полос. Коэффициент поглоще-
ния k, относимый к единичной толщине монофазы, может определять-
ся двумя способами: в максимуме поглощения или интегрально по
площади между осью абсцисс и кривой поглощения до границ полосы
поглощения.
Для определения толщины пленок применяют прямые методы:
интерференционный, ультрамикроскопический, определение поглощения
р-лучей. Косвенные методы включают:
определение поглощения на определенной длине волны излучения,
если коэффициенты поглощения всех компонентов смеси в этой обла-
сти одинаковы;
176
введение стандарта в определенной пропорции к анализируемой
смеси.
Необходимые требования к стандарту: небольшое число полос по-
ложения, отсутствие поглощения на характеристических полосах
исследуемого вещества, негигроскопичность, доступность, неизменен-
ность при истирании с исследуемой смесью. Наиболее подходящими
стандартами могут быть вазелиновое масло и роданистый калий.
Для определения концентрации фаз (в случае выполнения за-
кона) применяется расчетный способ по формуле (11.9). Отклонение
от закона Ламберта — Бера вызывается неоднородностью нанесения
образца и зависимостью рассеяния излучения от размеров частиц пре-
парата, а также отражением и поглощением в окошках подложки или
матрицы и рассеянием излучения в приборе. Поэтому чаще приме-
няется графический метод определения концентрации исследуемой фазы
(т. е. определение по графику, построенному по заранее составленным
эталонным смесям).
Самые большие трудности при этом вызывает выбор эталона ми-
нерала, так как в зависимости от условий образования спектроско-
пические характеристики минералов изменчивы. Например, от условий
образования для характеристических гидроксильных полос гиббсита
коэффициент поглощения изменяется в 3—5 раз, бемита — в 2,5 раза,
каолинита — в 3 раза и т. д. Следовательно, при составлении эталонных
смесей и использовании графиков определения концентрации нужно
учитывать структурные особенности конкретного минерала и использо-
вать по возможности такие его характеристические полосы, которые
менее других подвержены изменениям в зависимости от генезиса ми-
нерала.
Чувствительность определения различных фаз ИК-спектро-
фотометрическим методом зависит от характера исследуемой фазы и
типа смеси (породы, руды). Например, чувствительность определения
гематита в смеси с каолинитом составляет 20—30%; различных фрак-
ций глин—10%; кварца в углях — 1 %; Na, H в пластинке кварца —
0,01—0,001%. Точность определения концентрации в благоприятных
случаях на стандартных полузаводского типа приборах при навеске
исследуемого образца массой 1—5 мг и времени определения 20—60 мин
составляет 1—2%.
На современном этапе количественный анализ ИК-спектрофотомет-
рическим способом осуществляется с использованием компьютеров. При
этом используют спектрофотометры со встроенным в оптическую схему
компьютером, что позволяет посредством математической обработки
спектров исключить фон (методом отношений), а также осуществлять
и вычитание спектров исследуемой смеси и эталона (или одной из фаз
смеси). ЭВМ используют и для обработки результатов, полученных
предварительно на стандартных спектрофотометрах (без встроенного
компьютера).
В настоящее время проводится качественный и количественный
анализ следов соединений. Например, содержание а-кварца
177
(или асбеста) в воздухе определяют непосредственно на мембранных
фильтрах (из поливинилхлорида на металлических сетках). ИК-спектр
вещества массой 10~6 г записывается при введении фильтра в луч
спектрофотометра. Тенденции развития методов анализа следов соеди-
нений при использовании ЭВМ следующие: совершенствование техники
приготовления образца и расширение программного обеспечения.ЭВМ с
целью охвата все более сложных процедур. Ограничение при этом:
наличие примесей, которые захватываются при приготовлении препа-
рата (остатки растворителя, отпечатки пальцев, пары атмосферы,
масло насосов).
Кристаллохимические особенности минералов определяют пользуясь
предварительно построенными графиками или таблицами, где по экспе-
риментальным данным на основании изучения большого статистиче-
ского материала установлена взаимозависимость положения полос
поглощения и конкретной особенности структуры. Так, определяют, что
в веществе кремний находится в координации 4 (SiO4) по поглощению
в области 1050—800 см-1 (изолированный тетраэдр); а по полосам
1200—1100 см-1 — конденсированный тетраэдр; по поглощению
950—900 см-1 — октаэдр.
Если известно координационное число катиона в структуре соеди-
нения, то можно определить его валентность, что важно для таких
элементов переменной валентности, как Мп, Fe.
Например, Мп7+ соответствует частота колебаний 930—900 см"1,
Мп5+ — 830—750 см"1- Мп3+ — 600—550 см"1, Мп2+ — 450 см"1
По аналогичным таблицам определяют все особенности структуры
вещества. В частности, деформации координационных полиэдров в струк-
туре гиббсита определяют методом ИКС-поглощения порошковых об-
разцов и подтверждают рентгеноструктурным и химическим анализами.
Условно I тип гиббсита характеризуется октаэдрами, в которых
расстояние А1 — О (Н) наибольшее, а водородная связь между слоя-
ми— наименьшая [см. формулу (11.8)] Такой гиббсит имеет харак-
теристические полосы ПК-поглощения порошков 3470—3490, 500 см-1
и отношение /От» интенсивности полосы 3470—3490 см-1 к интенсивно-
сти полосы 3535 см-1 0,4—0,8. Для таких образцов гиббсита характер-
ны узкие интенсивные рентгеновские отражения и высокая (от 4 до
25) прямо пропорциональная J0Тн, т. е. отношению интенсивности ба-
зальных рефлексов /002 к интенсивностям небазальных /110 + /200 [/о™
=/002/ (J । ю + /200) ]
II тип гиббсита характеризуется условно октаэдрами, в которых
расстояние А1—О(Н) наименьшее, а водородная связь между слоями
наибольшая, имеет характеристические полосы ИК-поглощения порошков
3465—3450 см“ 1 и 510—580 см~1 и /отн = 1,1 4- 1,6. Такие образцы гиббси-
та рентгенографически характеризуются Jo™ = 1,5 — 4 при довольно широ-
ких отражениях (полуширина 20 от 0,14 до 0,24°).
Установлено, что растворение в соляной кислоте и щелочи одина-
ковых по размеру частиц гиббсита разного структурного типа раз-
178
лично: гиббсит II типа растворяется в NaOH примерно в 1,5—2 раза
больше, чем гиббсит I типа (83—87 вместо 41—60%). Аналогичные
изменения наблюдаются в ИК-спектре поглощения гематита, гётита,
касситерита, рутила, бёмита.
ТакИе структурные деформации обычно типоморфны, что и исполь-
зуется при технологических исследованиях, так как они изменяют
свойства минералов, в частности растворимость, термопревращения.
Наиболее значительны и интересны для технологических целей
деформации структуры, которые возникают под влиянием физических
воздействий (повышение давления и температуры, истирание, действие
ультразвука и электронов и др.) (табл. 11.6).
Таблица 11.6
Деформации структуры минералов
Вид деформаций	Минералы	Вид обработки	Полосы поглощения, см “1
Деформации структуры в	Касситерит	Низкотемператур-	750; 670; 325;
процессе образования ми-		ная	260—245
нералов	Бёмит	Высокотемпера- турная	660; 480; 290; 245
	первичный	—	3290; 3100; 1080; 630; 570; 390; 370
	вторичный	—	3300; 3100; 1080; 645; 475; 360
Деформации под воздей- ствием физических фак- торов:	Кальцит (ис- ходный)	—	873; 847; 713
упругие	Кальцит	Давление 20 КПа	1087; 882; 865; 835; 715; 690
пластические	Кальцит	Истирание: мокрое (5 мин) сухое (5 мин) сухое (10 мин)	1440—1435; 880— 877 1470; 1440; 1410; 880 . 1500; 1410; 875
радиационные	Кальцит	7 = 700° С, у=Ю8 рад	1420; 875
		7 = 700° С, у = 2-109 рад	1400; 875
Аналогично по соответствующим таблицам, построенным на осно-
вании обобщения теоретических и экспериментальных данных, опреде-
ляют степень кристалличности или совершенства структуры. Предпо-
сылками такого определения является следующее.
Так как ИК-спектр кристалла можно представить состоящим из
суммы колебаний многоатомной группы (ближний порядок) и колеба-
ний кристаллографических плоскостей (дальний порядок), то, следо-
вательно, в идеальном кристалле присутствуют все колебания, при-
сущие конкретному кристаллу (внутренние, решеточные, либрацион-
ные). В несовершенном кристалле дополнительно появляются колеба-
179
ния дефектов, а диапазон колебаний дальнего порядка расширен.
В кристалле с упорядоченным расположением атомов расщеплены все
колебания и ближнего и дальнего порядка за счет изменения пози-
ционной симметрии сложного иона или симметрии кристалла в целом.
При аморфизации исчезают колебания дальнего порядка, а колебания
ближнего порядка смещаются и расширяется их диапазон (табл. 11.7).
Если исследуется неориентированный препарат, то размер кристаллов
не имеет значения для его ИК-спектра (если, конечно, не учитывать
возможного изменения строения граничного слоя).
Таблица 11.7
Кристалличность, совершенство, упорядоченность расположения ионов в струк-
туре минерала
Структура	Минерал	Частота колебаний в ИК-спектре минерала (v, см' ')		
		Многоатомные группы (сложные ионы)	Кристалли- ческая решетка	Дефекты
Идеальная	Кварц	(1200); (1170); (1150); 800; 785; 522; 479; (460)	697; 390; 360; 357; 128	—
	Полевой шпат (санидин)	ИЗО; (1090); 1030; 770; 728; (436); 425	639; 584; 546; 380; 325	—
Несовершен- ная	Кварц	(1170); 1090; 800; 785; 522; 479	697; 390; 360; 257; 128	3000—3500
	Полевой шпат	ИЗО; 1030; 770; 728; 425	639; 584; (546); 380; (325)	3000-3500
Упорядочен- ная	Полевой шпат (микроклин)	1140; 1190; 1055; 1018; 828; 804; 773; 730; 465; 430	668; 650; 606; 585; 545; 380; 370; 330	—
Некристал- лическая (аморфная)	Плавленый кварц	1100; 790; 475	—	Широкая полоса адсорбированной на дефектах воды
	Плавленый по- левой шпат	1030; 780; 460	—	—
ИКС зеркального отражения—измерение коэффициентов отраже-
ния вещества при различной длине волны излучения. Образцом слу-
жат полированные пластинки, грани и сколы кристаллов, комбиниро-
ванные шлифы. Их используют для определения ориентирования гра-
ней, оптических констант (коэффициентов отражения и поглощения,
показателя преломления) и оптических колебаний. Эти данные затем
180
применяют для диагностики вещества и изучения его технологических
свойств. Их получают так же, как при изучении ИКС поглощения
веществ.
Сущность метода заключается в следующем. На границе
кристалла происходит отражение (7?), которое при нормальном падении
определяется в вакууме как R=[(n — 1 )2 —|-Ze2]/| (7г Ц-1)2 + ^2|, а в среде
с коэффициентом поглощения k и с показателем преломления п, углом
падения О
cos 0 —f(sin20 —zi2i)1/2
р ___ ________2___________	•
х cos 0 + Z(sin20—п21)1/2
Zl21 COS0—z(sin20 — П2|)1/2
П2\ COS 0 + Z(sin20 — П21)1/2
где 7?± и 7?п— отражение соответственно перпендикулярно и парал-
лельно поляризованному излучению; ft2i — показатель преломления
среды 2 по отношению к среде 1; I— комплексное число.
Изучение отражения от кристалла, в том числе под разными угла-
ми, является самостоятельным .разделом ИК-спектроскопии. Полный
анализ данных по инфракрасному отражению позволяет определить все
оптические параметры твердого тела (7?, п, k) и идентифицировать
как поперечные (ТО), так и продольные (LO) оптические моды.
ИКС диффузного отражения минерала — изменение спектра отра-
жения от гранул, порошка минерала. Физическая сущность
заключается в следующем. На границе кристаллов происходит рас-
сеяние излучения, которое может быть использовано в диффузном
отражении вещества для оценки формы и размеров частиц. Это ос-
новано на том, что для частиц, малых по сравнению с длиной волны,
рассеяние излучения обратно пропорционально X4 и пропорционально
кубу размера частиц. Резкий максимум рассеяния характерен для
частиц, размеры которых соответствуют d&3hm/(4n). Здесь п — по-
казатель преломления, а ш — произвольное целое число.
Так как рэлеевское рассеяние излучения на частицах обратно про-
порционально длине волны в четвертой степени (X4), то ИКС диффуз-
ного отражения порошков изучается в видимой или ближней инфра-
красной области (обычно до 2—2,5 мкм). В этой области обычно нет
собственных колебаний (полос поглощения) вещества, а есть только
малоинтенсивные обертоны и комбинационные колебания и электронные
переходы. Поэтому метод диффузного отражения стал методом изуче-
ния слабо поглощающего в данном диапазоне излучения зернистого,
гранулированного вещества. В соответствии с этим диффузноотража-
тельная спектроскопия используется для диагностики зернистых ве-
ществ, адсорбированных на них веществ и при анализе соединений
в малой концентрации.
Обычно учитывается только рассеяние и поглощение излучения на
частицах препарата. Если вещество сильно поглощающее или если его
изучение проводится в области собственных колебаний, то основную
181
Рис. 11.8. ИК-спектры отражения
кварца:
/ срез кристалла параллельно оси С;
// — срез кристалла перпендикулярно
к о.си С; /// — кварц синтетический с
пленкой кальцита; IV — чистые зерна
кварца; V — зерна кварца, очищенные
ультразвуком от пленки; VI — зерна
кварца с пленкой глин. Цифры —
уточненные значения волнового числа v
роль играют другие параметры веще-
ства (зеркальное отражение и рассея-
ние на частицах). Рассеяние излуче-
ния обычно не очень велико, так как
длина волны излучения в диапазоне
собственного поглощения (и отраже-
ния) вещества достаточно большая
(часто> 10 мкм)
Таким образом, полученный ИКС
зернистого (1—250 мкм) препарата
можно разделить на две части: об-
ласть слабого поглощения, где основ-
ную роль играет рассеяние и погло-
щение частиц препарата (область
1), и более длинноволновую область,
где основную роль играет зеркальное
отражение на частицах (область 2)
Область 1 сейчас довольно широко
используется, область 2 — не исполь-
зуется. Изменение искажения ИКС
отражения зернистого препарата по
сравнению со спектром зеркального
отражения пластинки кристалла по-
казано на рис. 11.8, где приведен
спектр полированных срезов перпен-
дикулярно и параллельно оси кварца
и зерен 50—100 мкм того же кварца.
В области до 1300 см-1 зернистого
препарата преобладает зеркальное
отражение от граней зерен, на гра-
нице зеркального отражения рассея-
ние равно нулю, далее неизбиратель-
ный фон возрастает прямо пропорцио-
нально волновому числу v4 (или 1/v4)
излучения; на этом фоне появляются
полосы обертонов и комбинационных
колебаний вещества.
По изменению положений полос,
характеризующих вид поверхност-
ной воды, валентность и структурное состояние железа, наличие при-
месей менее 1—5% на поверхности зерен определяют их флотируемость
(табл. 11.8).
По эффективному радиусу шероховатости (углублений и выступов)
и площади этой шероховатости на кристалле (сколе, грани) можно
определить поврежденную поверхность граней кристаллов после ульт-
развуковой, механической обработки.
182
Таблица 11.8
Положение полос в ИКС диффузного отражения и флотируемость минералов
Минералы	Извлечение в концентрат олеиновой кислотой, %	Положение полос (см ') адсорбированной воды и электронного перехода Fe2 + -+Fe3b		
		Исходны1* п роду К''	Концентрат	
Ильменит:				
исходный	2,5	3400	3350; 7600	3400; 8000
содержащий Fe3 +	12	3460	3000; 4100	3450; 4200
ильменит после ультразву-				
кового воздействия в тече-				
ние 16 мин				
исходный	62	3560	3500; 6400	3500; 7800
содержащий Fe3+	56	3500	3000; 4100;	3500; 4200
			4200	
То же (81 мин):				
исходный	38	3550	3450; 5800	3550; 7100
содержащий Fe34-	90	3600	3400; 4100	3500; 4200
Циркон:				
исходный	49	3449	3440	3410
после ультразвукового	72	3500	3450	—
воздействия в течение				
16 мин				
Кварц:				
исходный	0	3450		—
после ультразвукового	70	3550	3490	3550
воздействия в течение				
16 мин				
Микроклин:				
исходный	0	3440	—	—
после ультразвукового воз-	40	3520	3400	3500
действия в течение 16 мин				
Олигоклаз:				
исходный	0	3420	—	—
после ультразвукового	50	3500	3390	3500
воздействия в течение				
16 мин				
В качестве примера можно привести определение повреждения при уль-
тразвуковой обработке кварца. В ИКС отражения исходного кварца соотноше-
ние интенсивностей полос отражения на двух волновых числах vi и V2 примерно
равно (и, следовательно, показатель преломления одинаков): JV]=JV>2. После об-
работки ультразвуком соотношение интенсивностей этих полос становится равным
половине исходного. Следовательно, /V( =0,5Л2, т. е. 2/V|//v2=Svf/v2 или
S =V2/v,/(vf/V2). Объясняется это тем, что поврежденная шероховатая поверх-
ность часть излучения рассеивает.
Оценка размеров рассеивающих частиц необходима в технологических целях
для определения наличия повреждения сколов зернистого (до 250 мкм) материа-
ла и для изучения изменений в распределении частиц по размерам в разных про-
бах зернистого материала одного и того же класса крупности (например, в
классе 63—100 мкм или, что особенно важно, в классе—63 мкм). Размеры рас-
сеивающих частиц оценивают следующим образом. За пределами коротковолно-
183
вой области зеркального отражения и вне области поглощения примесей и
обертонов вещества определяют зависимость рассеяния от длины' волны излуче-
ния. Если зависимость обратно пропорциональна X4, то размер частиц меньше
длины волны, если обратно пропорциональна X2, то больше.
Преимущественная ориентация скола минерала относительно кристалллогра-
фических осей определяется по положению и соотношению полос зеркального
отражения минерала. Примером может служить раскалывание кварца преиму-
щественно перпендикулярно к оси С (см. рис. 11.8). Это видно из сравнения
ИКС зеркального отражения соответствующих граней или срезов кристаллов
и зернистого препарата.
Диагностика поглощающих примесных частиц на поверхности зерен изу-
чаемого минерала осуществляется следующим образом. Выявляют фон на
границе зеркального отражения частиц. На границе полосы собственного погло-
щения вещества л = 1, и, следовательно, рассеяние равно нулю. Поэтому все
излучение в этой области может быть отнесено за счет рассеяния или отражения
примесных частиц. Конечно, должен быть учтен аппаратурный фон рассеяния
излучения, который в Вашем случае близок к нулю.
ИКС внутреннего отражения — спектр поверхностного слоя вещест-
ва, полученный путем проникновения в вещество излучения, претерпев-
шего полное внутреннее отражение. Используется в основном для изу-
чения особенностей поверхностного слоя, а также для диагностики ка-
чественного и количественного фазового состава смеси, руды.
Сущность ИКС внутреннего отражения минералов состоит в сле-
дующем. Если излучение падает на вещество с показателем преломле-
ния п2 из среды с большим показателем преломления (ni>n2), то для
некоторого критического угла будет осуществляться полное внутреннее
отражение (sin 0кРит = Я2/Я|) Излучение, вошедшее в пластинку из та-
кого вещества, уже не выйдет из него, претерпевая многократные пол-
ные внутренние отражения. При этом на тех поверхностях, где проис-
ходит полное внутреннее отражение, излучение незначительно прони-
кает в среду с более низким показателем преломления, и если эта среда
поглощающая, то интенсивность излучения уменьшается, и это умень-
шение пропорционально коэффициенту поглощения среды.
На этом же явлении основан новый раздел изучения вещества —
спектроскопия внутреннего (нарушенного) полного отражения, которая
имеет существенные преимущества при исследовании поверхностных
явлений и сильно поглощающих веществ.
Приспособление для получения спектров нарушенного полного
внутреннего отражения (НПВО) состоит из элемента НПВО-пластинки
высокопреломляющего вещества, например, KRS-5 (п=2,4) или герма-
ния (п=4). Если такую пластинку расположить под углом 45; 55° к
падающему излучению, то оно, войдя через торцовую поверхность в
пластинку, будет испытывать многократные полные внутренние отраже-
ния до тех пор, пока через вторую торцовую поверхность не выйдет из
пластинки, после чего излучение может быть направлено с помощью
зеркал в спектрофотометр. Исследуемую пробу располагают на поверх-
ностях пластинки, где испытывается полное внутреннее отражение.
Тогда ослабление излучения после полного внутреннего отражения за-
висит от коэффициента k поглощения исследуемой пробы:
/ = /оехр ( —4ji/zd/X),
184
где J — интенсивность при установленной пробе; /() — интенсивность
внутреннего поглощения в случае отсутствия на элементе НПВО ис-
следуемой пробы; d — эффективная толщина слоя (определяется глуби-
ной проникновения излучения в пробу и зависит от X и поляризации
излучения, угла отражения, показателей преломления элемента НПВО
и пробы, а также от коэффициента поглощения); X — длина волны.
Таким образом, ИКС МНПВО вещества сходен с его ИКС поглоще-
ния.
По ИКС МНПВО, так же как щ по ИКС поглощения вещества,
определяют фазовый состав минеральных пленок на зернах конкретного
минерала, а также контролируют полноту удаления таких пленок.
Методом МНПВО определяют показатели преломления и поглоще-
ния сред, используя специальные таблицы.
Используя элемент МНПВО с разными углами отражения, изме-
няют глубину проникновения излучения в вещество и получают ИК-
спектры только поверхностного слоя разной толщины (в отдельных
случаях от 0,1 до 5 мкм).
Кристаллохимическое состояние поверхностного слоя минерала
обычно отличается от структурного состояния объема минерала. В част-
ности, в поверхностном слое может присутствовать аморфная фаза или
другое фазовое состояние, деформации структуры вещества. Эта же
область наиболее богата дефектами: атомарными (в частности, вакан-
сии атомов и гидролитические) и вызванными пространственным заря-
дом (дырки или вакансии, занятые электронами). Известно, что на
границе раздела монокристалл — вакуум образуется двойной электри-
ческий слой.
ИК-спектроскопическое проявление всех перечисленных выше осо-
бенностей поверхностного слоя минералов имеет характеристические
признаки (табл. 11.9) и может быть использовано для их определения.
ИКС излучения получают для тонких слоев жидкости или твердого
вещества в специальных кюветах с целью исследования строения сла-
бопоглощающих тонких пленок, которое проводят так же, как по ИКС
поглощения вещества.
Отражательно-абсорбционные ИКС получают на тонких (до моно-
слойных) пленках, напыленных на поверхности хорошо отражающих
веществ, чаще металлических или покрытых слоем металла. Используют
их для диагностики, изучения фазового состава и кристаллохимических
особенностей этих пленок или осажденных глинистых минералов. Иссле-
дование проводят так же, как при изучении вещества по ИКС погло-
щения.
Метод фотоакустической ИКС с преобразованием Фурье — новый
высокочувствительный метод анализа слабопоглощающих веществ, в
том числе углей. Этим способом, пользуясь теми же приемами, что и
для ИКС поглощения вещества, изучают адсорбированные газы и жид-
кости на поверхности зерен оксидов, а также газы, загрязняющие
атмосферу.
Методы ИКС используют также для определения флотируемости,
185
Таблица 11.9
МНПВО ИК-спектроскопические особенности разных состояний поверхностного
слоя минерала
Особенности поверхностного слоя	Примеры ИК-спектроскопического проявления
Изменение формы и размеров зерен (спайность, окатанность)	Изменение ИК-спектра МНПВО (смещение и изменение интенсивности полос в ИК-спектре МНПВО)
Поверхностные соединения в виде механических пленок на минерале: адгезия без деформации структуры адгезия с деформацией строе- ния образование различных структурных модификаций на разных веществах, гранях	Неизмененные полосы пленки (каолинита, каль- цита, мусковита на зернах циркона) и минерала Смещение полос пленки или минерала (пленки на структурно-деформированной поверхности циркона, кварца) Различные полосы разных структурных моди- фикаций. Органические вещества на минералах: образование а- или у-модификаций капрона соответственно на кристаллах кварца или гер- мания
Поверхностные соединения в виде продуктов: реакции со ере; разложения или преобразова- ния	Появление полос новых продуктов образования (Ge 4- HF 4- HNO3->GeOH 4- GeO + GeH2 4- GeO2) Появление полос новых продуктов
Адсорбированные молекулы: физическая сорбция химическая сорбция	Несмещенные полосы адсорбента и адсорбата (сорбция флотоагентов — кислот на минералах) Изменение полос тех структурных групп адсор- бента и адсорбата, которые взаимодействуют между собой (образование «солей» жирных кис- лот на флюорите, берилле, германии и др.)
Структурное изменение поверх- ностного слоя: аморфизация фазовое преобразование или деформация	Появление полос аморфного соединения того же состава (пленка 5Ю2-аморфного на кварце) Появление новых или изменение некоторых по- лос минерала (деформация структуры поверх- ностного слоя гиббсита при измельчении)
Дефекты поверхностного слоя:	
атомарные, гидролитические дефекты области простран- ственного заряда	Появление полос дефектов (гидролитические дефекты плавленого кварца) Появление полос свободных дырок или электро- нов (область пространственного заряда крем- ния)
186
электрических свойств, гидрофобности поверхности, для изучения ха-
рактера распределения примеси в минерале (самостоятельная фаза,
поверхностная пленка, микровключения в кристалл и др.). Эти свойства
минерала наиболее информативны для изучения технологических про-
цессов.
В качестве примера ниже приведен ход исследования флотируемости
ильменита из россыпи.
Методом ИК-спектроскопии поглощения порошка, растертого до крупности
менее 1 мкм, обнаруживают, что исследуемое вещество—ильменит, предполо-
жительно содержащий изоморфные примеси: вместо полос 600 и 650 см-1 —
одна широкая полоса 550—600 см"1 Эталонный ИКС взят из атласа X. Моенке.
Методом ИК-диффузного отражения частиц крупностью 63—100 мкм обнару-
живают присутствие в образце трехвалентного железа (полоса 4100 см-1).
Методом ИК-внутреннего отражения фиксируют изменение строения поверх-
ностного слоя (полоса 420 см-1 вместо примерно 550 см-1 у эталонного образца).
Методами ИК-диффузного отражения и внутреннего отражения обнаружи-
вают, что на поверхности зерен 63—100 мкм примесь Fe-мусковита (полосы
1030; 3600 см-1) и сорбированная Н2О (широкая с максимумом 3000—
3400 см-1). После обработки флотацией на зернах ильменита олеиновая кисло-
та координирует (закрепляется) ион Fe3+ (смещение полосы 4100 см-1 до
4200—4250 см-1). Извлечение ильменита в концентрат при флотации олеиновой
кислотой (расход 200 мг/л) для покрытых примесями зерен крупностью 63—
100 мкм (по данным К. €. Акоповой) составляет 25%, а после очистки от
пленок — 80%.
Таким образом, при сопоставлении строения поверхностного слоя минералов
и их флотационной активности устанавливают их взаимозависимость. В даль-
нейшем, после ИК-спектроскопического изучения минерала можно предсказать
его поведение во флотационном процессе и причину его недоизвлечения в кон-
центрат, которая будет связана или с наличием минеральной примеси на зернах
минерала, или со структурными особенностями его поверхностного слоя, в том
числе изоморфными замещениями в структуре.
11.8.	РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Рентгенографический метод исследования вещества основан на явле-
нии дифракции рентгеновских лучей от кристаллической структуры.
Взаимодействие рентгеновских лучей с кристаллом условно рассматри-
вается как их отражение атомными плоскостями с интерференцией
отраженных волн и описывается уравнением Вульфа — Брегга
2dsin 0 = п%,
где d — расстояние между отражающими атомными плоскостями; 0 —
угол отражения (падения) рентгеновского излучения; п — порядок отра-
жения (целое число); % — длина волны используемого рентгеновского
излучения.
Уравнение Вульфа — Брегга позволяет по известной длине волны
излучения и измеренным углам отражения рассчитать межплоскостные
расстояния. Набор межплоскостных расстояний и относительных интен-
сивностей отражений рентгеновских лучей от атомных плоскостей инди-
видуален для каждой кристаллической структуры (анализируемой
фазы) и является основным экспериментальным материалом для реше-
ния многих задач.
187
Рентгенографический анализ в технологической минералогии позво-
ляет решать следующие задачи:
1.	При подготовке технологических проб к исследованию:
установить форму нахождения полезного компонента в руде (обра-
зование собственной минеральной формы или изоморфное рассеяние
элемента в матрице-носителе);
определить вещественный состав руды с количественной оценкой
содержания всех или отдельных минеральных форм;
выявить высокодисперсные фазы для кристаллитов размером более
4-10-11 м (размер указан для варламовитов), не диагностируемых
вследствие их изотропности обычными оптическими методами.
2.	При изучении физических и технологических свойств минералов:
по рассчитанным метрическим характеристикам элементарной ячей-
ки определить химический состав и косвенно физические свойства мине-
ралов (плотность, показатели преломления и др.) на основе существо-
вания зависимости параметры -> состав -> свойства;
определить особенности их кристаллического строения (дефектность,
кристалличность, упорядоченность расположения ионов).
3.	На стадии обогащения полезных ископаемых:
оценить распределение минеральных форм по продуктам гравита-
ционной, магнитной, электромагнитной и других видов сепарации;
охарактеризовать состав черновых и товарных концентратов.
4.	На стадии химико-металлургической переработки концентратов:
выявить характер фазовых превращений рудных минералов при их
вскрытии путем обжига и воздействия химических реагентов;
провести контроль за ходом технологического процесса для опреде-
ления оптимальных условий переработки.
Объекты рентгенографического исследования монокристаллы или
поликристаллические минеральные образования. Наиболее распростра-
ненным методом исследования является метод Дебая — Шеррера, ко-
торый используется для получения дифракционной картины от поли-
кристаллических веществ в виде порошка или массивного образца с
плоской поверхностью (шлифа). Регистрация порошковой дифракцион-
ной картины осуществляется фотометодом в специальных рентгеновских
камерах (РКД, РКУ) и современными порошковыми дифрактометрами.
Фотографический метод регистрации удобен тем, что на рентгенограмме
получается вся дифракционная картина и анализ возможен даже очень
малой навески массой около 1 мг.
Современные дифрактометры сокращают продолжительность иссле-
дования, повышают чувствительность и точность измерёний. В настоя-
щее время в СССР выпускают и успешно эксплуатируют дифракто-
метры серии ДРОН разных модификаций (дифрактометр рентгеновский
общего назначения) и АДП (автоматический дифрактометр порошко-
вый) в комплексе с управляющей ЭВМ. Набор программ, используемых
при работе дифрактометров, часто определяет их возможности и выпол-
няет важную роль при эксплуатации прибора. Для дифрактометри-
ческого анализа используют навески массой 10—20 кг для диагностики
188
вещества и до 300 мг — для количественных определений.
Диагностика минерала осуществляется путем сравнения эксперимен-
тально полученных межплоскостных расстояний и относительных интен-
сивностей отражений с эталонными. Наиболее полный и постоянно
обновляемый определитель фаз — рентгенографическая картотека
JCPDS. Если в анализируемом образце присутствует несколько фаз,
то рентгенограмма является результатом наложения дифракционных
картин от всех фаз и операция идентификации каждой фазы прово-
дится по ее характеристическим не перекрывающимся отражениям.
В этих случаях определение химического состава образца существенно
облегчает задачу идентификации. Чувствительность определения хорошо
раскристаллизованных фаз составляет 0,5—1%. Для обнаружения и
диагностики фаз более низкой концентрации необходимо фракциониро-
вание руды по плотности или сепарация по другим (например, электро-
магнитным) свойствам. Длительность анализа зависит от сложности
проб и составляет 6 чч для качественного фазового анализа многоком-
понентных проб неизвестного состава, 2 ч — для однотипных проб
известного состава.
Определение кристаллохимических особенностей минералов вклю-
чает в себя изучение изоморфизма, определение дисперсности минера-
лов, выявление степени упорядоченности структуры и ее дефектности.
Для выявления характера изоморфных замещений могут быть ис-
пользованы параметры элементарной ячейки или интенсивности отраже-
ний. Для расчета параметров необходимы межплоскостные расстояния
dL, символы отражающих плоскостей hkl, определяющие пространствен-
ное положение каждой атомной плоскости, и тип сингонии элементарной
ячейки. Высокая точность вычисления d, при дифрактометрии обеспе-
чивает определение размеров элементарной ячейки минерала с погреш-
ностью 10“14 м, что позволяет выявить даже небольшие содержания
структурных примесей (сотые доли процента). Концентрационные зави-
симости параметров ячейки от состава, полученные экспериментально
по серии проб с переменным составом, могут использоваться для
определения содержания изоморфной примеси в минерале.
На дифракционной картине отражается и характер распределения
ионов по кристаллографическим позициям — упорядоченное, т. е. строго
периодичное расположение взаимозамещающих ионов, или неупоря-
доченное, статистическое. Степень упорядоченности кристаллической
структуры устанавливается по наличию на рентгенограммах дополни-
тельных рефлексов, соотношению интенсивности отражений, изменению
симметрии и параметров решетки.
Дифрактометрия эффективна для определения размеров кристалли-
тов минералов, т. е. их дисперсности. Параметр, чувствительный к изме-
нению размера кристаллов,— ширина р дифракционного рефлекса на
половине его высоты. Уширение дифракционных максимумов, обуслов-
ленное эффектом дисперсности, связано с углом отражения следующим
соотношением:
p = /a/(AcosO),
189
где А— постоянная, зависящая от формы кристаллита; X — длина
волны используемого рентгеновского излучения; L — линейный размер
кристаллита; 0 — угол Вульфа — Брегга.
Расширение отражений заметно, если размер кристаллитов меньше
0,15 мкм. Помимо размеров кристаллитов, дифракционное расширение
отражений может быть вызвано и микронапряжениями, обусловленными
неоднородной упругой деформацией кристаллической решетки. Разде-
лить эти два эффекта позволяет угловая зависимость р: если p^cosO,
то уширение вызвано дисперсностью: если |3^tgO, то причина ушире-
ния — микронапряжения.
Рентгеновский количественный фазовый анализ (РКФА) основан на
зависимости интенсивности дифракционных отражений каждой фазы
от ее содержания в пробе. В зависимости от конкретной задачи и
сложности проб используют разные методы количественного фазового
анализа: дифракционно-абсорбционный, методы внешнего, внутреннего
стандарта и др. Метод РКФА применим для оценки всех хорошо
раскристаллизованных фаз. Содержание рентгеноморфных фаз вычис-
ляется по разнице между общим содержанием и суммой всех определен-
ных фаз или с использованием специально разработанных методических
приемов. Относительная точность результатов количественного фазового
анализа составляет 10%. Порог обнаружения фазы — 0,5%. На экс-
пресс-анализ с определением в пробе 5--6 минералов затрачивается в
среднем 1,5 ч.
П.9. ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Термический анализ представляет собой метод исследования физи-
ко-химических и химических превращений, происходящих в веществе
при программированном изменении температуры. С помощью этого
метода обнаруживают наличие, тепловую природу, эндо- или экзотерми-
ческий характер и температурный интервал превращения. Одновременно
с проведением термического анализа часто измеряют и регистрируют
другие параметры образца в зависимости от температуры (например,
массу, размеры, магнитные, электрические и другие характеристики),
что составляет суть методов термогравиметрии, термодилатометрии,
термомагнитометрии и т. п. Использование термического анализа сов-
местно с другими методами при изучении одного образца принято
называть к о м п л е к с н ы м термическим анализом.
Термический анализ в области технологии минерального сырья
применяют при оценке качества руд и определении технологических
свойств отдельных минералов; для контроля технологических процессов
переработки и получения концентратов и промпродуктов; при разра-
ботке и совершенствовании схем обогащения- и вскрытия, основанных
на обжиге руд и концентратов в смеси с различными химическими
реагентами и минерализаторами, а также при изучении процессов, про-
исходящих при направленном изменении технологических свойств неко-
торых минералов и т. п.
190
В настоящее время при термоаналитических исследованиях полу-
чило наибольшее распространение комплексирование дифференциаль-
ного термического анализа (ДТА) и термогравиметрии (ТГ).
Метод ДТА основан на регистрации разности температур А 7' между
образцом То и эталонным материалом Тэ в зависимости от температуры
или времени при изменении температуры среды по заданной программе
То — Т3 = &Т=[ (Т, t). Результат анализа представляет собой кривую ДТА.
При ее графическом изображении величину АТ откладывают по оси
ординат, а время t и температуру Т по оси абсцисс слева направо. Если
превращения в образце отсутствуют (А7’ = 0), то кривая ДТА должна
иметь вид прямой, совпадающей с нулевой линией, которая параллельна
оси абсцисс. На практике кривая ДТА обычно отклоняется в ту или
другую сторону от нулевой линии, так как теплофизические свойства
образца и эталона при нагревании изменяются различным образом.
Такой участок кривой называют базисной линией.
Температура образца может измениться в результате физических
переходов и химических реакций, связанных с изменением энтальпии.
К таким процессам относят плавление, кипение, испарение, сублимацию,
перестройку или разрушение кристаллической структуры, переход из
аморфного состояния в кристаллическое, реакции диссоциации, дегидра-
тации, разложения, окисления, восстановления и др. Эти процессы
сопровождаются выделением или поглощением тепла и вызывают соот-
ветственно экзотермические или эндотермические эффекты на кри-
вой ДТА.
Обработка результатов ДТА предусматривает определение характе-
ристик термического эффекта, т. е. температур его начала, окончания и
пика, высоты, площади, индекса формы и температурного интервала,
а также отклонения кривой ДТА от нулевой линии в области терми-
ческого эффекта. Совокупность характеристик одного или нескольких
термических эффектов на кривой ДТА позволяет идентифицировать
исследуемое вещество и оценить его содержание в пробе, установить
индивидуальные особенности поведения анализируемого минерала при
нагревании, определить кинетические параметры термических реакций.
Термогравиметрия—метод, позволяющий регистрировать массу
пробы в зависимости от температуры или времени при нагревании
пробы в заданной среде с регулируемой скоростью m=f (Т Г). Результат
измерений, представленный в графической форме, называют термо-
гравиметрической кривой. По оси ординат откладывают изме-
нение массы сверху вниз, а по оси абсцисс время или температуру
слева направо. Термогравиметрия дает информацию о процессах, кото-
рые в ходе нагревания приводят к изменению массы образца. На прак-
тике этот метод используют главным образом для количественного
определения фазового состава исследуемой пробы. По термогравиметри-
ческой кривой определяют начальную, конечную температуры и темпе-
ратурный интервал реакции, а также изменение массы образца.
Интерпретация результатов термогравиметрии при качественном и
количественном фазовых анализах многокомпонентных природных сме-
191
сей осложняется тем, что в ряде случаев бывает трудно определить
изменение массы отдельных компонентов из-за наложения температур-
ных интервалов их термических реакций. Регистрируя тем или иным
способом первую производную изменения массы образца по времени
в зависимости от времени или температуры, т. е.	(Т /), полу-
чают кривую дифференциальной термогравиметрии (ДТГ), на которой
фиксируются даже незначительные изменения скорости реакции. Прое-
цируя пики кривой ДТГ на термогравиметрическую кривую, можно
более точно определить характеристические точки перегибов и, следо-
вательно, разделить частично перекрывающиеся интервалы термических
реакций отдельных компонентов исследуемой смеси. Для разрешения
в значительной степени перекрывающихся термических эффектов поло-
жительный результат дает также изменение условий эксперимента (ско-
рости нагревания, держателя образца, атмосферы, применение квази-
изотермических и квазиизобарических режимов и др.).
В настоящее время базовый прибор для термического анализа —
термоанализатор «Дериватограф» (моделей 1500 D и Q-1500 О) фирмы
«МОМ» (ВНР). Прибор позволяет проводить комплексный термический
анализ в интервале температур 20—1500° С. При исследовании одного
образца возможна регистрация четырех параметров: температуры (Г),
разности температур между образцом и эталоном (ДТА), изменение
массы и скорости изменения массы образца (ТГ и ДТГ). Диапазон
взвешивания 0—10 г. Основная чувствительность весов составляет
±0,2 мг; скорость нагревания — 0,6—20 град/мип. Температура изме-
ряется платиново-платинородиевой термопарой. Анализ можно прово-
дить на воздухе и в контролируемой атмосфере. Дериватограф Q-1500 D
позволяет выполнить эксперимент в квазиизотермических и квазиизо-
барических условиях. В комплект прибора входит приставка для про-
ведения дилатометрических измерений. Для анализа газообразных про-
дуктов, образующихся при нагревании образца, фирма «МОМ» вы-
пускает термогазтитриметрическое устройство, позволяющее анализи-
ровать оксид углерода (IV), оксиды серы (IV и VI), воду, аммиак и
другие газы.
Для проведения термического анализа на дериватографе исследуе-
мую пробу массой обычно 200—500 мг в платиновом или керамическом
тигле помещают в печь и нагревают со скоростью 10—20 град/мин до
заданной температуры. Эксперимент полностью автоматизирован. Ре-
зультаты анализа в графической форме воспроизводятся на фотобумаге
(если используется гальванометрический регистратор) или на ленте
самописца. Один опыт продолжается 50—100 мин.
На рис. 11.9 представлены кривые термического анализа, выполнен-
ного на дериватографе. Исследовался процесс спекания фосфата церия,
карбоната натрия и фтористого кальция, взятых в соотношении 1:0,7:0,2.
Видно, что присутствие фтористого кальция в смеси существенным
образом изменяет процесс спекания компонентов. Кривая. ТГ указывает
на уменьшение массы образца, вызванное выделением диоксида угле-
рода при взаимодействии компонентов, при температуре ~400° С. При
192
1гмпературе 550° С . на кривой
1.ТГ фиксируется перегиб, свиде-
। ельствующий об увеличении ско-
рости реакции, которая достигает
максимального значения при тем-
пературе 660° С (пик на кривой
ЦТГ). Изменение массы образца
и, следовательно, процесс взаимо-
действия компонентов заканчива-
ется при температуре 840° С. По-
теря массы по кривой ~ТГ состав-
ляет 12,8%. На кривой ДТА иссле-
дуемого образца наблюдаются
эндотермические эффекты с мак-
симумами 610, 660 и 780° С,
последний из которых воспроиз-
водится как экзоэффект при
охлаждении образца.
Данные термического анализа
в данном случае можно интерпре-
тировать следующим образом:
компоненты смеси начинают реа-
гировать при температуре более
400° С. При температуре 550° С
скорость реакции увеличивается
в результате образования жидкой
фазы при плавлении эвтектиче-
ской смеси Na2CO3 — CaF2. Одна-
ко увеличение скорости незначи-
тельно, так как образовавшиеся
Рис. 11.9. Совмещенные кривые тер-
мического анализа смеси синтезиро-
ванного фосфата церия с карбонатом
натрия (в соотношении 1 : 0,7):
/-ДТГ;	<? - - ДТА()ХЛ; 4-
ДТА1|)1|>; 5 — Г,,..,,,; 6- ТГ
к этому времени продукты реакции затрудняют диффузионные про-
цессы. Дальнейшее нарастание скорости взаимодействия компонентов
пробы начинается при температуре около 640° С, достигая максимума
при 660° С. В связи с тем, что рентгенографическим анализом в про-
дуктах спекания установлены СеО2, NaF, NaCaPO4 и Na3PO4, можно
утверждать, что причина увеличения скорости реакции в температур-
ном диапазоне 640—680° С — образование эвтектики в системе
Na2CO3 —NaF. Жидкая фаза, возникающая на контакте реагирующих
зерен, способствует быстрому завершению реакции. Таким образом,
реакцию взаимодействия компонентов можно записать следующим
образом:
2СеР О4 + 3N а2СОз + СaF2 + 1 /2 О2-+
-^2CeO2 + 2NaF +NaCaPO4 + Na3PO4 + 3CO2 f.
Рассчитанное по этой реакции оптимальное соотношение компонентов,
необходимое для вскрытия фосфата церия, равно 1:0,68:0,17. Темпера-
тура вскрытия по данным термического анализа должна быть равна
740+10° С.
193
При изучении минеральных объектов в комплексе с ДТА нередко
используют термодилатометрию, термомагнитометрию, термоволюмет-
рию, метод измерения электропроводности пробы в зависимости от тем-
пературы, методы анализа выделяющегося из образца газа, эманацион-
ный анализ и др.
Метод термодилатометрии позволяет определять изменение длины
образца в зависимости от температуры. Термодилатометрию широко
используют при изучении глинистых минералов и керамического сырья.
Термомагнитометрия дает возможность изучать магнитные свойства
вещества в зависимости от температуры. Метод можно использовать
при изучении ферромагнитных минералов и их термических реакций.
Термоволюметрия— метод, определяющий объем выделяющегося из
образца газа в зависимости от температуры. В некоторых случаях,
например при изучении карбонатных пород, этот метод дает более пол-
ную информацию о составе свойствах отдельных минералов, чем
методы ДТА и ТГ
Для получения дополнительных сведений о составе исследуемого
образца и природе происходящих в нем термических превращений в
комплексе с термическими методами проводят анализ выделяющегося
газа. Наиболее часто для этой цели используют масс-спектрометрию,
газовую хроматографию и термогазтитриметрию.
При изучении процессов спекания полезен эманационный термиче-
ский анализ, который имеет некоторое преимущество перед ДТА и ТГ,
так как позволяет изучать превращения в веществе при нагревании,
которые не сопровождаются тепловыми эффектами и изменением массы
образца. Например, анализируя характер выделения из образца радио-
активной эманации, можно установить температуру, выше которой на
взаимодействие компонентов в твердой фазе будут в значительной мерс
влиять диффузионные процессы.
Комплексирование методов термического анализа с другими физи-
ческими и физико-химическими методами существенно повышает досто-
верность интерпретации термоаналитических результатов.
11.10.	ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ
Электронная микроскопия (ЭМ) метод изучения твердого веще-
ства, в основе которого лежат явления, возникающие при взаимодействии
твердого тела с электронами различной энергии (от 1 кэВ до 3 мэВ). Метод
характеризуется высокой локальностью (0,02 нм3) и пространственной
разрешающей способностью (0,15—0,2 нм).
Область использования всех видов и направлений ЭМ весьма
широка: выявление форм нахождения полезного дисперсного или рассеян-
ного компонента в породах, рудах, минералах и продуктах их перера-
ботки; установление характера взаимосвязи полезного компонента с вме-
щающим или содержащим его веществом; контроль за процессом обога-
щения и извлечения полезного компонента и др.
В зависимости от того, какие эффекты от взаимодействия электронов
194
твердым телом используют в процессе получения информации, реализу-
ют различные направления и методы ЭМ. К настоящему времени в ЭМ
« формировалось два основных направления: просвечивающая электрон-
ная микроскопия (ПЭМ) и растровая электронная микроскопия (РЭМ).
Их, в свою очередь, подразделяют на высоковалентную просг чивающую
электронную микроскопию (ВПЭМ) и просвечивающую растровую элект-
ронную микроскопию.
В настоящее время выпускают электронные микроскопы просвечи-
вающего типа ЭМ-125; ПЭМ-100; ЭМ-100У и растровые РЭМ-100У,
РЭМ-200У
Просвечивающая электронная микроскопия. В ней изображение
объекта формируется с помощью электронов:
дифрагированных или прошедших через объект (метод дифракцион-
ного и амплитудного контраста);
потерявших энергию при прохождении через объект (ХПЭЭ);
прошедших через объект по строго заданным кристаллографическим
направлениям (эффект каналирования электронов)
Помимо этого, фазы й степень совершенства индивидов определяют-
ся ПЭМ с помощью дифракции электронов с агрегата тонкодисперсных
частиц или микродифракции электронов (МД) с выбранных участков
(до :отых долей мкм2) В ПЭМ также используется приставка для
анализа микрообъектов.
Растровая электронная микроскопия основана на облучении иссле-
дуемой области или анализируемого микрообъема сфокусированным
(1 2 мкм2) неподвижным или разворачиваемым в растр по поверхности
образца электронным пучком. При взаимодействии электронного пучка
с поверхностью образца возникают следующие сигналы: вторичные
электроны, отраженные электроны, оже-электроны, характеристическое
рентгеновское излучение и фотоны различных энергий. Эти -юлы
исходят из специфических эмиссионных областей внутри образца. Их
используют для изучения элементного состава, топографии поверхности,
кристаллографической ориентации минералов и т. д.
В РЭМ наибольший интерес представляют сигналы, создаваемые
вторичными отраженными электронами, поскольку они меняются при
изменении топографии поверхности по мере того, как электронный луч
сканирует по образцу. Вторичная электронная эмиссия возникает в
объеме вблизи области падения пучка, что позволяет получать изобра-
жения с относительно высоким разрешением. Объемность изображения
возникает за счет большой глубины фокуса РЭМ, а также эффекта
оттенения рельефа контраста во вторичных электронах. Возможны и
другие сигналы, которые оказываются также полезными во многих
случаях.
Характеристическое рентгеновское излучение, возникающее под дей-
ствием электронной бомбардировки вещества, может как качест-
венную, так и количественную информацию об областях образца диа-
метром в несколько микрометров, а также получить изображение объек-
та в характеристических рентгеновских лучах, содержащихся в объекте
195
элементов. Последнее существенно для идентификации изображения
в РЭМ.
Приготовление препаратов — определяющий фактор при реализации
технических возможностей ЭМ. Это связано с тем, что проникающая
способность электронов невелика, слой воздуха в 1 см полностью погло-
щает электронный пучок с энергией 100 кэВ. Поэтому вся система
формирования электронного пучка, исследуемый объект и система фор-
мирования изображения помещается в глубокий вакуум (10~2 —
10-3 Па). Помимо этого, электронный пучок при взаимодействии с пре-
паратом нагревает его, радиационно повреждает. В связи с этим инфор-
мацию в ЭМ получают на препаратах, приготовленных непосредственно
из исследуемого вещества, и на косвенных (реплики).
Методы прямого приготовления препаратов можно разделить на
пять основных групп: нанесение на подложку тонких пленок из распла-
ва, раствора, пара, уменьшение толщины массивных образцов с по-
мощью ионного пучка или растворителей (органических кислот, щело-
чей), ультрамикротомирования с помощью алмазных ножей или ультра-
звука.
Метод реплик с поверхности образцов наиболее широко использу-
ется в ЭМ исследованиях, поскольку этот метод может применяться
либо без предварительной обработки, либо эта обработка сводится к
травлению и обработке образца ультразвуком. Кроме того, образец
помещается в ЭМ, а оттенение тяжелыми металлами усиливает поверх-
ностный рельеф. Разработка способов приготовления реплик позволяет
исследовать практически все виды образцов: жидкие, компактные,
ристые, рыхлые, сыпучие и т. д. Имеется два ограничения:
нельзя исследовать микроструктуру внутри образца и не реализуется
высокое разрешение.
11.11.	ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ
Электронография — метод исследования строения вещества, осно-
ванный на получении и регистрации дифракционных картин, возникаю-
щих при рассеянии электронного пучка веществом. По назначению
метод подобен рентгенографии, но имеет ряд отличительных особен-
ностей, связанных с характером взаимодействия электронного пучка
(с различной энергией: от 5 до 400 кэВ) исследуемым веществом.
Подразделяют в зависимости от энергии пучка электронов на высоко-
вольтную (с ускоряющим напряжением более 100 кВ) и низковольтную
(свыше 5 кВ) электронографию.
Понятие электронографии охватывает совокупность методов диф-
ракции. Разделяют следующие формы использования дифракции:
электронография, где луч падает на объект, а его дифрактированныс
лучи непосредственно после объекта регистрируются на фотопленку или
электрометрический измеритель тока. Такая электронография характе-
ризуется большими размерами дифрагирующей области препарата (2--
5 мм), возможностью просто и легко изменять ориентировку препарата,
196
осуществлять съемку препаратов разного типа — мозаичных моно-
кристаллов, ориентированных осадков (текстур), поликристаллов и по-
лучать электронограммы на прохождение (под разными углами к па-
ающему лучу) и отражение (под скользящим углом падения первично-
го луча);
малоугловая электронография, где в формировании дифракционной
картины участвуют малоугловые линзы, расположенные в электроно-
графе после препарата. В этих электронографах ограничен наклон пре-
парата, но можно исследовать объекты с большой периодичностью (до
1000 нм), а также препараты разного типа (как и в предыдущем
случае), природные органические соединения, флотореагенты и др.
дифракция в электронном микроскопе с участием в образовании
дифракционной картины линз, расположенных после препарата в на-
правлении хода первичного пучка. Размер дифрагирующего участка
'оставляет 1—2 мкм. Известны электронные микроскопы, позволяющие
получать электронные лучи сечением в единицы нанометров или меньше.
Такие тонкие лучи могут образовать дифракционные картины от еще
меньших участков, подобную дифракцию называют микро-микродиф-
ракцией или нанодифракцией (за рубежом — микродифракцией).
Микродифракцию и нанодифракцию можно рассматривать как со-
ставную часть электронной микроскопии. Оба метода действительно
занимают промежуточное положение, более близкое тому или другому
методу в зависимости от характера ее применения, как средства струк-
турного анализа (электронография) или вспомогательного дополнения
в электронно-микроскопическом исследовании.
Препаратами для электронографических исследований служат выде-
ляемые из суспензий тончайшие осадки дисперсного вещества на пленки
подложки. В таких препаратах неизометричные частицы располагаются
наиболее развитой гранью параллельно подложке, а у игольчатых час-
тиц параллельна подложке ось удлинения. Изометричные частицы могут
быть ориентированы произвольно. Все это определяет тип дифракцион-
ной картины. В электронографе в сечение падающего электронного
пучка попадает большое число кристалликов (~1 мкм), которые обра-
зуют поликристалл. Его обратная решетка, выполняющая роль вспомо-
гательного промежуточного звена, связывающего дифрагирующий объ-
ект и дифракционную картину, является результатом вращения обрат-
ной решетки одного отдельного монокристаллика вокруг неподвижной
точки— нулевого узла (начала координат).
Поэтому решетка представлена концентрическими сферами. В связи
такой длиной волны электронов электронограмма может рассматри-
ваться как проходящее через нулевой узел плоское сечение обратной
решетки, перпендикулярное к первичному лучу. Она состоит из концент-
рических колец радиусами r = Ji/dhki (J— расстояние от препарата до
экрана; X—.длина волны; dhkt— межплоскостные расстояния для узло-
вых плоскостей кристаллической решетки, результатом отражения от
которых являются рефлексы на дифракционных картинах). Аналити-
ческие характеристики дифракционных картин — радиусы г или d =
197
= J\/r и интенсивности рефлексов J В этом отношении они подобны
порошковым рентгенограммам и отличаются только более простой
связью радиусов кольцевых рефлексов и межплоскостных расстояний d.
Учитывая, что длина волны электронов в десятки раз меньше, чем у
рентгеновских У1учей, можно получить дифракционные кольца для более
дисперсных веществ с меньшей структурной упорядоченностью, тогда
как по данным рентгеновской дифракции они представляются аморф-
ными (т. е. рентгеноаморфными).
При наличии предпочтительной ориентировки частиц в препарате
обратная решетка такого препарата представляет собой тело вращения
обратной решетки монокристалла вокруг прямой, перпендикулярной к
подложке, удерживающей ориентированный препарат. При этом узло-
вые прямые, параллельные оси вращения, описывают круговые ци-
линдры, а узлы вдоль этих прямых превращаются в кольца, лежащие
на цилиндрах. Изображения плоского сечения обратной решетки элект-
ронограммы от текстур в общем случае представляют собой совокуп-
ность эллипсов, по которым группируются рефлексы. В предельном слу-
чае когда препарат перпендикулярен к пучку, эллипсы вырождаются
в концентрические кольца.
Электронографию чаще всего применяют при исследованиях тонко-
дисперсных минералов и слоистых силикатов.
Кольцевые микродифракционные картины идентичны рентгсно- и
электронограммам. Точечные микродифракционные картины (МДК),
изображающие координатные плоскости обратной решетки, представля-
ют собой непосредственную характеристику кристаллических решеток.
Их можно использовать в качестве источника тех или иных структурных
данных как вспомогательное средство, облегчающее расшифровку и
расчет дифракционных картин другого типа — электронограмм от тек-
стур или порошковых рентгенограмм, содержащих более полные наборы
рефлексов благодаря возможности учитывать ориентировочные значе-
ния и соотношения по крайней мере двух параметров решетки.
Таким образом, электронография позволяет получить структурную
характеристику тонкой фракции вещества, если вещество не неоднород-
но по размерам частиц.
Эта характеристика отражает особенности обратных решеток и,
соответственно, прямых по всем трем измерениям. Микродифракция
выявляет локальную (чаще всего двумерную) структурную характерис-
тику, которая частично имеет тот же смысл, что и интегральная, особен-
но если обе формы дифракции электронов используются совместно,
дополняя друг друга, но наиболее существенно использование микро-
дифракции для установления однородности (неоднородности) минера-
лов. В избранных локальных участках могут проявляться тонкие струк-
турные особенности, фиксироваться более высокая степень упорядочен-
ности, в частности, обнаруживаться черты кристаллического состояния,
когда вещество в целом аморфное.
198
11.12.	РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ЗОНДОВЫЙ МЕТОД
Рентгеноспектральный электронно-зондовый метод (РЭЗМ) — метод
исследования элементного состава и микростроения твердых веществ в
микрообъеме, основанный на возбуждении смешанного рентгеновского
спектра остро сфокусированным электронным пучком и измерении
спектра с помощью рентгеновских спектрометров. РЭЗМ — основной
метод изучения особенностей химического состава и микростроения ми-
нералов в микрообъемах без выделения их из вмещающей породы-
матрицы. Метод широко используют в технологической минералогии для:
количественного и качественного определения химического состава
минералов в микрообъемах на элементы от бора (г = 5) до урана
(г = 92);
установления минеральных форм нахождения элементов в рудах и
продуктах их технологической переработки;
выявления морфологических особенностей выделений минералов, их
пространственных и временных взаимосвязей, микростроения (однород-
ности—неоднородности), характера и закономерностей распределения
отдельных компонентов в минералах.
Основные аналитические характеристики метода:
абсолютный предел обнаружения, т. е. минимальная
масса вещества, которую можно обнаружить в матрице вещества друго-
го элементного состава— (10 9—10“15 г);
относительный предел обнаружения массовой доли
элемента в минерале в зависимости от определяемого элемента, анали-
зируемого минерала и условий анализа — (п • 10“1 — 10“ 3%);
относительная воспроизводимость определений при
скорости счета, исключающей значимую статистическую погрешность,—
1-2%;
правильность определения зависит от конкретной мето-
дики анализа, анализируемого объекта; при оптимальных методических
условиях суммарная погрешность укладывается в допуск по III катего-
рии точности классификации НСАМ.
Для локальных методов анализа важный параметр — простран-
ственное разрешение (локальность). В РЭЗМ этот параметр
используется в двух аспектах: применительно к растровым изображе-
ниям анализируемого минерала во вторичных (поглощенных) обратно-
рассеянных электронах при количественном анализе. Для растровых
изображений разрешение определяется‘как минимальный размер зерна
или включения, которое на изображении проявляется как самостоятель-
ная фаза. Пространственное разрешение изображений существенно
зависит от исследуемого объекта. Практически для минералов этот
параметр составляет от 0,1 до нескольких мкм, хотя на искусственных,
специально изготовленных образцах (золотые частицы в органической
пленке) может достигать 15—25 нм. При количественном анализе ло-
кальность характеризуется минимальным размером включения, доста-
199
точным для получения заданной аналитической точности. Для образцов
сложного состава он составляет 5—10 мкм.
Исследование минералов проводится непосредственно в полирован-
ных аншлифах или комбинированных шлифах без выделения зерен ми-
нералов из вмещающей матрицы (породы) или же на отдельных обособ-
ленных частицах порошковой пробы. Предварительный выбор для иссле-
дования выделения минерала, его участка или включения проводится
с помощью оптического микроскопа с увеличением 300—400. Он позво-
ляет наблюдать зону анализа на поверхности минерала в процессе изме-
рения аналитического сигнала и тем самым визуально^контролировать
положение зонда в пространстве и поведение минерала при бомбарди-
ровке его электронами пучка.
РЭЗМ основан на возбуждении в исследуемом образце рентгенов-
ского спектра с помощью тонко сфокусированного электронного зонда с
ускоряющим напряжением от 5 до 50 кВ. Спектр состоит из тормозной
и характеристической составляющих. Тормозная составляющая не несет
полезного аналитического сигнала, являясь основным источником фона.
Характеристические линии спектра несут информацию об элементном
составе образца, так как длина волны линии (ее энергия) линейно
зависят от порядкового номера элемента, а интенсивность—от содер-
жания элемента в образце. Для разложения рентгеновского спектра по
длинам волн и измерения интенсивности квантов используют рентге-
новские спектрометры. В кристалл-дифракционных спектро-
метрах разложение осуществляется на основе закона Вульфа — Брегга.
По углу падения (отражения) рентгеновского излучения к отра-
жающей плоскости кристалла однозначно определяют длину волны,
а значит, и элемент.
В энергетических спектрометрах полупроводниковым
детектором идентификация элемента осуществляется с помощью много-
канального амплитудного анализатора, так как амплитуда импульса
пропорциональна энергии характеристической линии. Содержание эле-
мента оценивается по отношению интенсивностей характеристической
линии в исследуемом образце и образце сравнения известного состава:
Соб = ДобСст/Лс.т,
где С об содержание определяемого элемента в образце; Д’°, Д’
интенсивность аналитической линии соответственно в анализируемом
образце и образце сравнения; Сст — содержание элемента в образце
сравнения.
Электронный зонд формируется и фокусируется в электронно-опти-
ческой системе микроанализатора, состоящей из нити накала, иммити-
рующей при температуре около 2600° С поток электронов, фокусирую-
щего электрода, конденсорных и объективной электронных линз, систе-
мы диафрагм, оптического микроскопа центрального типа. Система фо-
кусирует электронный пучок на поверхности образца, возбуждая в нем
рентгеновский спектр. Положение электронного зонда в пространстве
контролируется с помощью оптического микроскопа по флюоресцирую-
200
щему минералу. С помощью микрометрических устройств образец может
перемещаться в трех направлениях (по осям *х, у и z), что позволяет
подставлять под электронный зонд интересующее для анализа выделе-
ние минерала.
В рентгеновских спектрометрах энергия рентгеновских квантов с по-
мощью детектора преобразуется в электрические импульсы тока, кото-
рые усиливаются и считываются усилительными и счетными электрон-
ными устройствами.
Получение растровых изображений исследуемого объекта. Взаимо-
действие электронного зонда с атомами вещества сопровождается упру-
гим и неупругим рассеянием электронов первичного зонда. Упругое
рассеяние, возникающее в результате взаимодействия электронов
с ядрами атомов, приводит к изменению направления движения электро-
нов вплоть до их выхода из образца без потери или с частичной потерей
энергии. Эти электроны называются обратнорассеянными (отраженны-
ми). Количественно явление обратного рассеяния оценивается коэф-
фициентом обратного рассеяния т), показывающим, какая
доля первичных электронов покидает образец без потери энергии на
возбуждение рентгеновского излучения. Коэффициент обратного рассея-
ния зависит от порядкового номера элемента, т. е. от состава образца.
На этом основано получение изображений в обратнорассеянных и погло-
щенных электронах.
Неупругое рассеяние электронов, связанное в основном
взаимодействием электронов пучка с электронами атомов вещества,
сопровождается потерей энергии. Один из процессов неупругого рас-
сеяния — ионизация внутренних оболочек атома, сопровождающаяся
в определенной степени возбуждением рентгеновских квантов характе-
ристического излучения. Электроны зонда, претерпевающие неупругое
рассеяние, называются поглощенными. Их число определяется выра-
жением
7Vn = (l — n)7V3,
где Wn— число поглощенных электронов; N3— число первичных элект-
ронов зонда.
Число поглощенных электронов, определяемое через коэффициент
рассеяния, зависит от состава образца. Другим процессом неупругого
рассеяния является высвобождение части слабосвязанных электронов
зоны проводимости и выход их из образца. Эти электроны называются
вторичными, большинство из них имеют энергию от 0 до 50 эВ.
Для получения растровых изображений электронный зонд скани-
руется построчно и по кадрам по некоторой площади на поверхности
образца. Синхронно с ним сканирует электронный луч катодной трубки,
на модулирующий электрод которой подается сигнал с детекторов вто-
ричных или обратнорассеянных электронов, или с амплитудного анали-
затора, в результате чего на экране катодно-лучевой трубки возникает
соответствующее изображение исследуемого образца.
Количественный элементный анализ. Интенсивность характеристи-
201
ческой линии зависит не только от содержания элемента, но и от общего
состава образца. Поэтому при количественном определении содержаний
элементов по выражению (11.10) вводят поправки, учитывающие раз-
личие условий возбуждения и поглощения рентгеновского излучения в
анализируемом образце и на образце сравнения. Для этой цели наибо-
лее широко используется метод /ЛТ'-коррекции, когда общая поправ-
ка представляет произведение трех поправок: на атомный номер (Z),
поглощение (А) и флюоресценцию (F). Поправки рассчитывают мето-
дом последовательных приближений (итераций). На первом шаге итера-
ций используют значения содержаний, найденных по выражению (11.10)
и нормированные до 100%. Итерационный процесс продолжается до
получения сходимости результатов, когда содержание каждого элемента
на п-м шаге итераций отличается от содержания на (п + 1) шаге на
заданную величину. В связи с относительно большим объемом вычисли-
тельных работ для расчета используют ЭВМ. Метод /ЛЛ-коррекции
требует измерения содержаний всех элементов образца за исключением
кислорода или использования данных о содержании отдельных элемен-
тов из других источников.
Современные рентгеновские микроанализаторы зарубежных фирм
типа Camebax, Super probe 733 и другие комплектуются собственными
микрокомпьютерами, с помощью которых производится расчет содержа-
ний элементов и автоматизация процесса измерения.
Порядок проведения исследований на рентгеновском микроанализа-
торе определяется конкретной методикой и зависит от задачи и объекта
исследования, степени автоматизации используемого прибора. Ниже
описаны основные процедуры подготовки материала и исследования
особенностей состава, микростроения минералов в исходных рудах. Ка-
менный материал для анализа готовится в виде полированных брикетов
(аншлифов) или комбинированных шлифов. Для этой цели зерна мине-
ралов размером более п-0,01 мкм запрессовывают в связующий матери-
ал (здесь п — целое число). Поверхность анализируемых зерен после
полировки не должна иметь царапин, раковин, краевых завалов. Шлифы
и аншлифы детально просматривают в оптическим микроскопе в отра-
женном или проходящем свете с целью выбора для анализа зерен
минералов, оценки качества полировки, однородности. Иногда возни-
кает необходимость выбранные зерна (например, мелкие.) маркировать
с помощью микротвердометра по оптическим свойствам близких к вме-
щающей их матрице. В соответствии с перечнем определяемых элемен-
тов подбирают и готовят образцы сравнения (стандарты). Поверхность
анализируемых образцов и стандартов должна быть чистой, что контро-
лируется с помощью оптического микроскопа. Затем на анализируемую
поверхность образцов и стандартов напыляют слой вещества с хорошей
электропроводностью. Для этого используют графит, золото, медь и дру-
гие металлы. Напыление проводится в вакуумных установках (напри-
мер, ВУП-2К). Толщина напыляемой пленки обычно составляет 20—
40 нм. При напылении графитом толщину пленки контролируют опыт-
ным путем. Если для напыления используют металлы, а испарение
202
проводится в танталовой или вольфрамовой лодочке, то для напыления
берут около 4 мг порошка, а образец устанавливают на расстоянии
20 см от лодочки.
После напыления между образцом и держателем с помощью элект-
ропроводящей серебряной краски создается электрический контакт.
Желательно большие площади связующей пластмассы (в которую за-
прессовывают мелкие зерна) также покрывать проводящей краской.
Отсутствие электрической проводимости между анализируемой зоной и
корпусом держателя образца делает электронный зонд неустойчивым
по времени и в пространстве за счет его взаимодействия с образующим-
ся на поверхности образца электрическим зарядом. Операция покрытия
части образца краской проводится под бинокулярной лупой или микро-
скопом.
Затем держатель с образцами и стандартами помещается под элект-
ронный пучок микроанализатора. С помощью оптического микроскопа
микроанализатора или же по изображению образца во вторичных
электронах определяют анализируемые выделения или их участки и
координаты на микрометрических винтах.
По изображению анализируемого зерна во вторичных или поглощен-
ных электронах оценивается однородность строения, зерна и уточняется
участок для количественного определения состава.
Дальнейшие операции — настройка спектрометров на аналитические
линии элементов по стандартным образцам, измерение интенсивности
линий на стандартных и анализируемых образцах, измерение интенсив-
ное! и фона для каждого элемента, расчет содержания элементов — в
автоматизированных на основе компьютера приборах проводятся авто-
матически по программе. При этом все необходимые данные для измере-
ния и расчета содержания элементов вводятся в систему оператором
по запросу ЭВМ.
Определение полного химического состава минералов. Количествен-
ное определение состава минерала на элементы от кислорода до урана
проводится на аншлифах или комбинированных шлифах с относительно
высоким качеством полировки (поверхность образцов в зоне анализа не
должна иметь раковин, микротрещин, царапин, завалов на границе
зерен). Минимальный размер анализируемых зерен или включений при
их однородном строении составляет (5X5) —(10Х Ю) мкм2 в зависимости
от числа определяемых элементов. Минерал должен быть устойчивым к
температурному воздействию зонда, т. е. не претерпевать изменения
состава при бомбардировке его электронным пучком. Наименее устойчи-
вы минералы, содержащие воду, метамиктные минералы, большинство
минералов серебра, карбонаты, фториды. Количественный анализ не-
устойчивых минералов проводится при расфокусированном (диаметром
20 -40 мкм) зонде или при зонде диаметром 5—10 мкм и перемещении
образца в процессе измерения интенсивности рентгеновского излучения.
В этих случаях необходимый минимальный размер анализируемых зерен
увеличивается до 50—100 мкм.
По результатам анализа состава достоверно определяют группу,
203
к которой относится исследуемый минерал (сульфиды, арсениды, сили-
каты, оксиды и др.). Более точную диагностику исследуемого минерала
можно дать путем пересчета данных состава на кристаллохимическую
формулу.
Определение форм нахождения элементов в рудах и продуктах их
переработки. В практике микрозондовых исследований эта задача реша-
ется в основном применительно к двум случаям: 1) интересующие эле-
менты образуют собственные минералы и, следовательно, содержание их
достаточно велико; 2) элементы входят в состав минерала в виде
изоморфной примеси или же образуемые ими минералы находятся в
виде дисперсных механических включений, рассеянных по другим мине-
ралам.
В первом случае задача определения форм нахождения элементов
решается на основе качественного и количественного анализа химиче-
ского состава, получения растровых изображений во вторичных или
поглощенных электронах и в рентгеновском характеристическом излуче-
нии. В качестве примера на рис. 11.10 приведены растровые изображе-
ния участка «королька» из продуктов металлургической переработки
шлаков. Анализируя фотографии в поглощенных электронах и характер
распределения элементов в рентгеновском излучении, в исследуемом об-
разце можно выделить следующие самостоятельные фазы: Си -- S;
Zn—S; Fe — Си — S; Al—Si. Кобальт в исследуемом корольке не
образует собственных соединений; он относительно равномерно рассеян
по всем фазам. Растровые изображения дают также представление о
размерах отдельных выделений минералов и их пространственных взаи-
моотношениях. Эти данные представляют непосредственный интерес при
технологических исследованиях.
Для установления форм нахождения примесных элементов необхо-
димо провести исследования зависимости распределения отдельных ком-
понентов в исследуемом выделении, что может быть получено путем
одновременного измерения массовой доли двух или более элементов в
различных точках. В этом случае измеряется один из основных элемен-
тов (реперный) и примесные. Если примесный элемент входит в состав
минерала и изоморфно замещает реперный, то в их распределении отме-
чается обратная зависимость. Если примесный элемент входит в :остав
минерала, но изоморфно замещает элемент, находящийся в другой
группе кристаллохимической формулы по отношению к реперному, то в
распределении реперного и примесного элементов наблюдается прямая
зависимость. Обратная зависимость в распределении свидетельствует,
что примесный элемент образует механические включения собственных
минералов. В качестве реперного элемента целесообразно иногда выби-
рать основной элемент предполагаемого примесного минерала. Обычно
такие трудности возникают при изучении минералов зоны окисления,
метамиктных, радиоактивных минералов. Если минеральная форма на-
хождения примесных элементов устанавливается не всегда однозначно,
то достоверно выявляется приуроченность примесных элементов к тем
или иным минералам. Например, при исследовании окисленных вольфра-
204
Рис. 11.10. Растровые изображения участка поверхности королька в поглощенных электронах (а) и характеристическом
излучении меди (б), серы (в), кремния (г), цинка (б), железа (г), алюминия (ж) и кобальта (з) (увеличение 300)
Рис. 11.11. Характер распределения титана и кальция по линии сканирования на
поверхности зерна браннерита:
/(« линия характеристического рентгеновского
мовых руд выявить форму нахождения вольфрама (содержание кото-
рого составляет несколько процентов) в гидроксидах железа и марганца
не удается, однако приуроченность вольфрама к указанным минералам
устанавливается совершенно достоверно.
Для выявления зависимости распределения элементов используется
запись интенсивности на ленте самописца. На рис. 11.11 показано
распределение титана и кальция в браннерите. Характер распределе-
ния титана показывает, что он равномерно распределен по зерну мине-
рала, тогда как кальций распределяется неравномерно и не зависит от
титана, хотя его распределение сопряжено с включением браннерита.
Из продуктов технологической переработки исследуют главны*, об-
разом осадки (кеки). Их особенность, как объекта анализа, порошко-
образное строение, низкое содержание интересующего компонента. По-
этому образцы осадков предварительно освобождают от легкой фрак-
ции. Это увеличивает вероятность «встречи» зерна минерала интере-
сующего компонента под зондом, существенно сокращая время исследо-
вания. Зерна фракции более 0,1 мм прессуют в связующий материал и
206
полируют. Для фракции меньшей крупности этот способ закрепления
зерен для полировки вызывает трудности. Химический состав неполиро-
ванных зерен и частиц определяют качественным или полуколичествен-
пым анализом.
11.13.	РЕНТГЕНОЭЛЕКТРОННАЯ И ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ
СПЕКТРОСКОПИЯ
Методы фотоэлектронной спектроскопии, названные электронной
спектроскопией для химического анализа (ЭСХА), основаны на ана-
лизе спектров электронов, эмиттируемых свободными атомами или ато-
мами, находящимися в молекулах или твердых телах, при облучении
моноэнергетическими пучками рентгеновского или ультрафиолетового
излучения. Это явление известно с начала нашего столетия под назва-
нием фотоэлектронной эмиссии или внешнего фотоэлектронного эффек-
та. При энергии бомбардирующего фотона Av, большей энергии связи
электрона, па некоторой электронной оболочке атома гх происходит
процесс ионизации, т. е. эмиссия атомов фотоэлектрона с данной элек-
тронной оболочки. Кинетическая энергия фотоэлектрона равна
U7(|> = Av —еА —
где h — постоянная Планка; v — частота колебаний; ср — работа выхода
электрона из исследуемого материала.
Анализ спектрального положения фотоэлектронных линий позволяет
определять энергию связи электронов для каждого состояния атомной
системы. Образовавшаяся в результате фотоионизации вакансия во
внутренней электронной оболочке атома в течение 10“16 с заполня-
ется электронами с более внешних электронных оболочек, и атом воз-
вращается в основное состояние, испуская характеристическое рент-
геновское излучение или совершая безызлучательный переход.
Рентгеноэлектронная спектроскопия (РЭС). Многоэлементный
неразрушающий метод (РЭС) позволяет в современном аппаратурном
оформлении проводить непрерывный анализ вещества в статическом
процессе и при изменении внешних условий. Высокая разрешающая
способность (0,5—2 эВ) позволяет считать метод РЭС эксперимен-
тальной основой аналитической химии. Высокая чувствительность'
(необходимая для получения РЭ-спектров масса вещества составляет
менее 10-8 г) раскрывает широкие перспективы использования метода
РЭС во многих отраслях науки и, в частности, в технологической мине-
ралогии.
Зная энергию фотонов падающего рентгеновского излучения, ко-
торая определяет серию спектра фотоэлектронов (т. е. электронную
оболочку с максимальной энергией связи электрона в атоме), легко
вычислить энергии атомных уровней связи электрона в атоме, энер-
гии атомных уровней, действующих в процессе фотоионизации.
При сопоставлении энергий электронов, соответствующих различ-
ным линиям спектра, с таблицей энергий внутренних электронных уров-
207
ней атомов различных элементов можно определить элемент и элект-
ронные уровни атома данного элемента, которые ответственны за появ-
ление данной линии спектра.
В качестве источника моноэнергетического рентгеновского излуче-
ния обычно используют Аа-линию характеристического рентгеновского
излучения. Сопутствующие линии рентгеновского излучения ослабляются
комбинацией фильтров.
В реальных экспериментах, за исключением исследования внут-
ренних электронных оболочек атомов тяжелых элементов, стараются
использовать источники длинноволнового рентгеновского излучения
/<а: Na, Al, Mg. Этот выбор определяется требованиями повышения
чувствительности и разрешающей способности метода РЭС, поскольку
собственная ширина электронных уровней легких атомов меньшая, чем
у атомов тяжелых элементов и, следовательно, меньше ширины линии
РЭ-спектра. При использовании длинноволнового рентгеновского излу-
чения энергии фотоэлектронов относительно малы. Поэтому абсолют-
ное энергетическое разрешение получается высоким для фотонов с
меньшей энергией, сечение фотоионизации большое хотя интервал
энергии фотоэлектронов, выбитых из атома, меньше, в целом получа-
ется выигрыш в интенсивности РЭ-линий. При использовании длинно-
волнового рентгеновского излучения интенсивность узких РЭ-линий
значительно превышает интенсивность фона (т. е. интенсивность
прерывного электронного распределения).
Глубина выхода фотоэлектронов из приповерхностной области
вещества больше, чем глубина выхода оже-электронов в методе ЭОС
и может быть охарактеризована средней свободной длиной пробега
фотоэлектронов в объеме материала до неупругого соударения. При-
чинами увеличения глубины выхода фотоэлектронов относительно
оже-электронов могут быть: во-первых, сравнительно высокая энергия
линий фотоэлектронов в методе РЭС; во-вторых, слабое поглощение
рентгеновского падающего излучения по сравнению с электронными
пучками близких энергий; в-третьих, отсутствие в методе РЭС обрат-
ного рассеяния падающего электронного пучка. Естественно, что глу-
бина выхода фотоэлектронов зависит от угла падения возбуждаю-
щего излучения к исследуемой поверхности твердого тела, и при умень-
шении угла глубина резко уменьшается (так, при углах регистрации
10—20° глубина выхода составляет 2-Ю'10 м). Следует отметить,
что интенсивность линии фотоэлектронного спектра при этом изменя-
ется. Для некоторых практических целей, особенно при изучении про-
цессов адсорбции, анализ интенсивности линии спектра в зависимо-
сти от угла регистрации позволяет увеличить аналитические возмож-
ности метода ЭОС для поверхностных исследований. Характеризуя
в целом возможности использования метода РЭС для количественного
химического анализа приповерхностной области веществ по сравнению
методом ЭОС, можно отметить некоторые его преимущества и недо-
статки. Преимущества: простота РЭ-спектра и легкость его иден-
тификации, а также относительно высокая чувствительность метода
208
РЭС к анализу тяжелых элементов. Недостатки: низкая интенсив-
ность РЭ-линий и большая глубина выхода фотоэлектронов, что ухуд-
шает разрешение метода РЭС по глубине материала, тем самым не
только уменьшая точность количественного анализа, но и ограничивая
возможности метода РЭС. Положительным фактором для метода РЭС
является слабый фон вторичных электронов, что значительно увеличи-
вает соотношение полезный сигнал фон.
Одна из главных особенностей метода РЭС заключается в воз-
можности определения с большим разрешением энергий связи элек-
тронов от самых глубоких до внешних валентных электронных оболо-
чек атомов элементов периодической системы.
Фотоэлектронная спектроскопия. Основное отличие метода фото-
электронной спектроскопии с возбуждением ультрафиолетовым излу-
чением (УФЭС) от метода РЭС заключается в энергии фотонов воз-
буждающего излучения, которая для ультрафиолетового спектра пре-
вышает 40 эВ. Поскольку в методе УФЭС энергия фотонов недоста-
точна для ионизации глубоких электронных оболочек атома, то его
используют для изучения валентных электронов. Основные преимуще-
ства метода УФЭС по сравнению с методом РЭС — высокие разрешаю-
щая способность интенсивность линии спектра. Высокая разрешаю-
щая способность метода УФЭС, в первую очередь, объясняется узко-
стью линий ультрафиолетового излучения, которое обычно составляет
несколько миллиэлектрон-вольт. Высокая интенсивность УФЭ-спектра
связана с большими сечениями фотоионизации валентных электро-
нов атома ультрафиолетовым излучением.
Для аналитических целей изучения химического состава вещества
метод УФЭС не может быть использован, поскольку нет прямой и
однозначной идентификации атомов химического элемента по УФЭ-
спектрам. Однако при исследованиях состояния валентных электро-
нов свободных атомов, находящихся в сложных молекулах, или струк-
туры валентных зон твердых тел, метод УФЭС занимает одно из веду-
щих мест.
11.14.	ВТОРИЧНО-ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Методы вторичной электронной спектроскопии, применяемые для
изучения явлений, протекающих на поверхности вещества, основаны
на взаимодействии с веществом пучков электронов с энергией W
Определяющие факторы использования этих методов—ма-
лая глубина выхода и проникновения электронов с энергией 3,2-10“16 Дж
в объем материала. Эта глубина составляет всего лишь несколько
атомных слоев. Поэтому информация, получаемая при анализе, всецело
относится к поверхности исследуемого материала.
Сущность метода заключается в том, что, когда пучок электронов
с энергией W бомбардирует исследуемую поверхность твердого тела,
возникает спектр вторичных электронов. Источники их генерации и про-
цессы, ответственные за их эмиссию, определяют энергии вторичных
209
электронов и могут быть идентифицированы с помощью анализа кри-
вой распределения по энергиям эмиттируемых с поверхности вторичных
электронов. Часть падающих электронов может упруго рассеиваться
на атомах поверхности исследуемого материала. Если атомы распо-
лагаются упорядоченно, то формируются дифрагированные лучи. На
этом явлении основан метод дифракции электронов низкой энергии
(ДЭНЭ), широко используемый для изучения атомной структуры и
фазового состава поверхности кристаллов. Если энергия бомбарди-
рующего электрона равна или больше энергии связи электрона на не-
которой электронной оболочке атома ех, то электрон атома в резуль-
тате соударения может покинуть атом, т. е. происходит процесс иони-
зации атома. Падающий электрон, выбивая электрон из электронной
оболочки атома, неупруго отражается уже с меньшей кинетической
энергией. Если кинетическая энергия неупругорассеянного электрона
достаточна для преодоления поверхностного потенциального барьера
данного вещества, то электрон эмиттируется с поверхности. Кинетиче-
ская энергия неупругоотраженного электрона
U7H=r-ex-(p,
где ф — работа выхода электрона из исследуемого материала.
Таким образом, возникает спектр вторичных электронов, потеряв-
ших дискретные значения энергии на ионизацию атомов мишени. По-
скольку энергия связи электронов на электронных оболочках различна
для всех атомов периодической системы элементов, дискретные потери
энергии при ионизации атомов также будут специфичны для каждого
элемента. Это является физической основой метода ионизационной
электронной спектроскопии (ИЭС).
Из возбужденного (ионизованного) состояния атомная система
спонтанно переходит в более энергетически выгодное состояние за счет
заполнения вакансий во внутренней электронной оболочке атома (ех)
переходом электрона из внешней электронной оболочки (с энергией свя-
зи электрона &у). Если в результате самопроизвольного перехода избы-
точная энергия = — 8У передается другому электрону из более
внешней электронной оболочки данного атома (причем, если передавае-
мая энергия выше энергии связи электрона на внешней оболочке атома
8Р), то электрон покидает атом. Этот эмиттируемый из атома в резуль-
тате безызлучательного процесса электрон называется оже-электроном.
Кинетическая энергия оже-электрона в первом приближении
W оже = &х &у £р ф«
Таким образом, используя это соотношение и известные (табули-
рованные) значения энергии связи электронов на электронных оболоч-
ках атомов любого элемента периодической системы, участвующего в
оже-процессе, можно определить энергию оже-электронов конкретного
оже-перехода данного атома. На этом принципе основан метод элек-
тронной оже-спектроскопии (ЭОС), используемый как аналитический
метод химического анализа поверхности материалов.
210
На анализе потерь энергии неупругоотраженных от поверхности
вещества электронов основаны методы спектроскопии характеристиче-
ских потерь энергии электронами (СХПЭЭ); истинно-вторично-электрон-
пой спектроскопии (ИВЭС).
Использование методов низкоэнергетической и вторично-электрон-
ной спектроскопии требует особых условий, которые определяются
спецификой методов. К наиболее важным требованиям, гаранти-
рующим успешное проведение испытаний, относят:
проведение экспериментов в условиях сверхвысокого вакуума, так
как только в этих условиях можно получить необходимые достовер-
ность и надежность результатов анализа поверхности материала тол-
щиной в несколько ангстрем;
учет влияния облучения поверхности исследуемого материала
электронными пучками, которое вызывает увеличение температуры
исследуемби поверхности материала (что может существенно менять
состояние поверхности вещества), электронно-стимулированную десорб-
цию, диффузию, диссоциацию, адсорбцию, расчленение вещества.
В настоящее время наиболее широко используют при минералого-
технологических исследованиях дифракцию электронов низкой энергии
(ДЭНЭ), оже-электронную спектроскопию (ЭОС), спектроскопию ха-
рактеристических потерь энергии электронами (СХПЭЭ), истинно-
вторичную электронную спектроскопию (ИВЭС).
Дифракция электронов низкой энергии — прямой метод исследова-
ния атомной структуры поверхности многокристаллических и поликри-
сталлических твердых тел, структурных фазовых переходов и превра-
щений в процессах адсорбции и десорбции, разложения и эпитакси-
ального роста, плавления и затвердевания вещества.
При использовании электронов с энергиями 1,6-10“19 — 3,2• 10“17 Дж
длина волны сравнима с межатомным расстоянием для поверхностных
атомов кристаллов. Пространственное расположение дифракционных
электронных пучков непосредственно позволяет определить размеры и
ориентацию элементарной ячейки атомной поверхностной структуры,
а исходя из результатов анализа интенсивности дифракционного элек-
тронного пучка в зависимости от энергии можно судить о положении
атомов в элементарной ячейке. Метод ДЭНЭ в настоящее время исполь-
зуется только для определения периодичности поверхностных структур.
Причина: сложность теоретической оценки интенсивности дифракци-
онных электронных пучков низкой энергии, рассеянных приповерхно-
стной областью монокристалла. Однако даже при таком использовании
метода ДЭНЭ было открыто несколько новых поверхностных явлений.
Обнаружено, что расположение поверхностных атомов на чистых по-
верхностях монокристаллов существенно отличается от расположения
атомов в соответствующих кристаллографических плоскостях объема.
Установлено, что поверхности кристаллов могут претерпевать значи-
тельные изменения в структуре и химическом составе, в то время
как соответствующих изменений в объеме кристалла не происходит.
Помимо самостоятельного значения развития ДЭНЭ как метода
211
структурного анализа поверхности сложных систем, определение зави-
симости интенсивности дифракционных пучков электронов от темпера-
туры кристаллов позволяет установить динамику поверхностных атомов..
Зависимость интенсивности и ширины дифрагированных электронных
пучков абсорбированных фаз на исследуемой поверхности от концен-
трации несет информацию о взаимодействиях адсорбат — поверхность
и степени упорядоченности атомной структуры адсорбционной фазы,
а- зависимость интенсивности и ширины дифракционных пучков элек-
тронов от температуры позволяет понять причины и сущность фазовых
переходов и превращений и образования структурных дефектов в при-
поверхностной области кристалла.
Электронная оже-спектроскопия. Практически все элементы перио-
дической системы, за исключением Н и Не, могут быть обнаружены
методом ЭОС. Достоинства метода ЭОС: многоэлементность одно-
временного анализа; универсальность как в отношении определения
практически любого элемента периодической системы, так и в отноше-
нии подготовки анализируемой пробы, не требующей специальных
предварительных приемов; возможность непрерывного анализа в про-
цессе контролируемых изменений внешних воздействий и локального
анализа на больших площадях поверхности материала с высокой раз-
решающей способностью.
В принципе неразрушающий метод исследования поверхности
(при использовании послойного снятия с поверхности вещества с по-
мощью ионного травления или раскалывания) позволяет исследовать
профиль распределения элементов в объеме материала или вдоль вы-
бранного сечения. Предел обнаружения (чувствительность) большинст-
ва элементов методом ЭОС составляет 1012 атом/см2
Для электронных оболочек с малой энергией связи ширина линии
оже-электронов составляет несколько электронвольт. При переходе от
атома к твердому телу энергетические уровни внешних электронов рас-
ширяются в энергетические зоны с определенным распределением
электронов по энергиям внутри каждой зоны. Более глубокие энерге-
тические уровни не расширяются, но их энергии смещаются на не-
сколько электронвольт. Этот энергетический сдвиг определяется типом
химической связи, в которой находится данный атом. Для внешних
валентных электронных оболочек сдвиг по энергиям может существенно
различаться из-за особенностей химической связи.
Энергии оже-электронов для всех элементов лежат в широком энер-
гетическом интервале. Для атомов легких элементов (где метод ЭОС
наиболее эффективен) оже-спектры относительно просты и лежат в
низкоэнергетической области. С переходом к более тяжелым элемен-
там простейшая группа линий, соответствующая KLL оже-переходам,
смещается к высоким значениям энергии, и появляются добавочные
серии и группы линий, соответствующие KLM, КММ, LMM и т. д.
оже-переходам. Сложность расшифровки этих мпоголинейных спектров
усугубляется присутствием дополнительных линий, обусловленных про-
цессами неупругого рассеяния. Разработаны основные принципы
212
расшифровки ЭОС: энергия оже-электронов не зависит от энергии
падающего электронного пучка; энергия падающего пучка определяет
самую глубокую серию оже-линий; оже-спектры элементов одного пе-
риода сходны; относительная интенсивность оже-линий в основном
определяется вероятностью ионизации соответствующего уровня, плот-
ностью электронного заселения данного уровня и глубиной выхода оже-
электронов; экспериментальные и расчетные энергии линии оже-элек-
тронов должны различаться не более чем на 10 эВ; химическая связь
атома влияет на электронные оболочки, участвующие в оже-процессе.
Метод ЭОС широко используют при исследовании явлений, про-
текающих на поверхности твердых тел (очистка поверхности матери-
ала, контроль различных процессов технологической обработки, изуче-
ние адсорбционно-десорбционных процессов и начальных стадий эпи-
таксиального роста, диффузия, поверхностная миграция, выделение,
разложение многокомпонентных материалов).
Спектроскопия характеристических потерь энергии электронами.
Явление неупругого рассеяния электронов, бомбардирующих поверхность
исследуемого материала, которое, в частности, ограничивает глубину
выхода оже-электронов и электронов метода ИЭС, можно также ис-
пользовать для получения информации о химическом состоянии и элек-
тронной структуре поверхности твердого тела. Процессы неупругого
рассеяния электронов в приповерхностной области материала можно
разделить на две группы: одноэлектронные и коллективные возбуж-
дения. Рассмотрим коллективные возбуждения.
Валентные электроны атомов твердого тела можно представить мо-
делью свободного электронного газа, который осциллирует с опреде-
ленной частотой. Помимо осцилляции объемной плотности электронов,
на поверхности твердого тела существуют колебания поверхностной
электронной плотности, частота которых ниже, чем частота колебания
объемной электронной плотности. Кванты колебаний электронной плот-
ности называют соответственно объемными и поверхностными
плазмонами. Электроны, движущиеся в приповерхностной области
материала, могут возбуждать эти колебания, теряя при этом часть
кинетической энергии. Неупругорассеянные электроны, потерявшие дис-
кретные значения энергии, обнаруживаются при анализе спектра ха-
рактеристических потерь энергии электронами (ХПЭЭ), отраженными
от поверхности твердого тела. Обычно спектр ХПЭЭ регистрируют по
кривой энергетического распределения вторичных электронов от иссле-
дуемой поверхности вблизи максимума упругорассеянных электронов.
Помимо ХПЭЭ на возбуждение плазмонных осцилляций в твердом
теле, возможны дискретные потери энергии электронами на возбуж-
дение электронных переходов у поверхностных атомов. Это позволяет
получить спектр ХПЭЭ (СХПЭЭ) Изучение методом СХПЭЭ энер-
гетической зонной структуры приповерхностной области твердого тела
является одним из направлений, развиваемых в настоящее время.
Преимущество метода СХПЭЭ над другими методами, используе-
мыми для этих целей, заключается в возможности изучения электрон-
213
них переходов из глубоких валентных уровней атомов в различные
пустые поверхностные энергетические состояния, что проясняет детали
энергетической зонной модели поверхностных состояний, позволяет
исследовать влияние адсорбции и десорбции атомов иного элемента
или соединения на энергетическую зонную структуру приповерхностной
области твердого тела и определять элементы, образующие на поверхно-
сти химически связанные между собой комплексы.
Истинно-вторичная электронная спектроскопия основана на анализе
низкоэнергетического участка распределения вторичных электронов
по энергии. Это один из интереснейших участков спектра вторичных
электронов, поскольку он включает, например, линии электронов оже-
переходов во внешних валентных электронных зонах, линии прямых
межзонных переходов и примесных уровней. Однако исследования этой
области спектра значительно усложняются из-за наличия большо-
го числа неупругорассеянных электронов, потерявших почти всю
свою кинетическую энергию вследствие, каскадных процессов рассея-
ния. Распределение этих истинно вторичных электронов по энергии
чувствительно к состоянию поверхности исследуемого материала.
В то же время сложность получения прямой информации о поверх-
ностных явлениях, некоторые трудности анализа ИВЭ-спектров пре-
пятствуют использованию метода ИВЭС для поверхностных исследова-
ний. Для широкого применения метода требуются дополнительные тео-
ретические и экспериментальные разработки.
11.15.	ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) основан на свойстве
отдельных электронов, входящих в состав атомов, молекул или кри-
сталлов, поглощать энергию радиоизлучения сверхвысокой частоты
(с. в. ч.). Длина волны специально сформированного электромагнитно-
го излучения, возмущающего электрон, в ЭПР спектроскопии состав-
ляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Эффект
взаимодействия электронов вещества и с. в. ч. наблюдается в условиях
резонанса: особого рода движения электронов (прецессии их спина)
с частотой с. в. ч. поля. Резонанс наступает при выполнении условия
hvo = g^Ho,
где h — постоянная Планка; v0 — частота с. в. ч. поля, Гц; g — фак-
тор-экспериментальная спектроскопическая величина, определяющая
положение линии спектра в поле с напряженностью //0; Р — магнетон
Бора; Но — напряженность постоянного магнитного поля спектромет-
ра, в котором находится исследуемое вещество.
Спектр ЭПР представляет собой последовательное поглощение
энергии с. в. ч. различными группами неспаренных электронов веще-
ства при сканировании магнитного поля Но и постоянстве v0. Различие
в группах электронов в данном случае задается локальными магнит-
214
ними полями вещества, созданными окружающими резонирующий
электрон другими электронами и ядрами.
Измерения проводят следующим образом. Пробирку с навеской ис-
следуемого вещества (массой 30—200 мг) помещают в резонатор спект-
рометра. Исследуемое вещество может быть монокристаллом, порош-
ком или жидкостью. При этом информация, получаемая от спектра
монокристалла, существенно обширнее по сравнению с поликристал-
лическими или жидкими образцами. В зависимости от исследуемого ве-
щества и решаемой задачи выбирают мощность сверхвысокой часто-
ты, уровень модуляции и интервал развертки магнитного поля. Затем
проводят запись спектра ЭПР. Положение линии спектра на шкале
магнитного поля и ее форма позволяют судить о типе парамагнитного
поля или каком-либо дефекте структуры минерала. Амплитуда сигнала
свидетельствует о концентрации.
Дополнительную информацию о строении резонирующей частицы
и ее концентрации дает съемка спектра при низких температурах, тер-
мическая обработка образца и его облучение ионизирующей радиа-
цией.
Мешающие факторы — присутствующие в пробе ферромагнитные
примеси и значительная доля (несколько процентов) изоморфных
или содержащихся в матрице вещества парамагнитных ионов.
Применение ЭПР обусловлено высокой чувствительностью метода,
его экспрессностыо, точностью и часто уникальностью данных о вещест-
ве. Вследствие физической специфики метод оперирует только с отдель-
ными изоморфными атомами или молекулами. Известно, что большин-
ство аналитических методов дают общее содержание того или иного
элемента в технологическом продукте. В связи с этим ЭПР исполь-
зуется при определении пределов извлечения или очистки сырья.
Примером такой оценки может служить анализ с помощью ЭПР
кварцевого сырья на содержание в нем изоморфных Al, Ge, Ti, и Fe,
находящихся как в виде тонкодисперсных полевых шпатов, оксидов
и гидроксидов железа и титана и других минералов, так и присут-
ствующих изоморфно в структуре SiC>2. В изоморфном состоянии эти
элементы находятся в кремнекислородном тетраэдре. Они замещают
в нем кремний, присоединяя щелочной ион-компенсатор или Н + , и
существенно изменяют технические характеристики изделий из кварца.
Аналитическое применение ЭПР в технике основано на измерении
концентраций элементов группы железа (Ti3+; V2+; V3+; V4+; Сг + ;
Сг2+; Сг3+; Mn2+; Fe2+; Fe3+; Со+; Со2 + ; Ni + ; Ni2+; Ni3+); меди
(Cu2+; Cu3+); редкоземельных ионов; актинидов; гетеровалентных
изоморфных примесных ионов (элементов и молекул); точечных де-
фектов кристаллической решетки. Гетеровалентные ионы и дефекты
объединяют общим названием электронно-дырочные центры. Область
измеряемых с помощью ЭПР концентраций лежит в пределах 10“5—
Ю—*%, погрешность — несколько процентов. Измерения для ряда пере-^
численных объектов требуют применения низких температур от 77
до 3 К.
215
С помощью ЭПР проводят также прямое определение валентности
элементов (например, при контроле ее в катализаторах), имеющих в
своем составе Сг; Ni; Pt и другие элементы с переменной валентно-
стью.
ЭПР применяют при изучении процесса флотации и, в частности,
при выявлении роли дефектов кристаллической структуры минералов
при взаимодействии реагентов-собирателей с их поверхностью, так как
известно, что электронные центры (особые дефекты твердого тела),
детектируемые ЭПР-спектроскопией, в сульфатах и карбонатах способ-
ствуют гидрофобизации катионными реагентами, а дырочные центры —
анионными собирателями и регуляторами. При этом в отдельных слу-
чаях удается установить структуру сорбционного слоя.
Применение спин-меченых аналогов флотационных реагентов (ксан-
тогенатов, дитиокарбаматов, тиокарбаматов и др.) позволяет изучить
процесс флотации на электронно-ядерном уровне исследования веще-
ства и проследить за радиационной активацией флотореагентов.
11.16.	МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Мессбауэровская спектроскопия ядерный гамма-резонанс
(ЯГР) — физический метод, основанный на эффекте резонансного ис-
пускания или поглощения у-квантов ядрами изотопов практически без
расхода энергии на отдачу ядра. Это явление открыто немецким физи-
ком Р Мессбауэром в 1958 г и названо эффектом Мессбауэра.
Физическая сущность метода заключается в том, что у-кванты,
излучаемые источником при переходе ядер изотопов из возбужденного
состояния в основное, могут поглощаться аналогичными ядрами в ис-
следуемой пробе, если энергия у-квантов будет равна энергии ядерпого
перехода Ер = !ту (где h — постоянная Планка, v — частота ядерного
перехода). Поскольку в кристаллических веществах вследствие элек-
трических и магнитных электронно-ядерных взаимодействий энергети-
ческие уровни ядер могут смещаться и расщепляться, то равенство
энергий не выполняется, и для создания условий резонанса необходи-
мо модулировать энергию у-квантов. Это достигается за счет эффекта
Доплера при перемещении источника (поглотителя) относительно
поглотителя (источника). Если за поглотителем разместить регистри-
рующую аппаратуру, способную измерять интенсивность прошедшего
излучения при различных скоростях движения источника (поглотителя),
то простейшая схема для наблюдения эффекта Мессбауэра будет
включать следующие элементы (рис. 11.12).
Установлено, что для охвата всего диапазона изменения энергий
ядерных уровней 57Fe достаточна скорость перемещения источника от
О до +8 мм/с. Полученная зависимость интенсивности у-излучения,
прошедшего через поглотитель, от скорости движения источника или
поглотителя будет представлять собой мессбауэровский спектр.
Эффект Мессбауэра наблюдался на 103 нуклидах 42 элементов.
Однако наиболее широкое применение получили эксперименты с изото-
216
Рис. 11.12. Упрощенная блок-схема мес-
сбауэровского спектрометра:
1 — вибровозбудитель; 2 источник излу-
чения; 3* поглотитель; 4 — детектор; 5
усилитель; 6 дискриминатор; 7 — нако-
питель электрических импульсов (и — ско-
рость движения источника)
пом 57Fe благодаря значительному эффекту резонансного поглощения
при комнатной температуре и малой ширине резонансной линии. Кроме
того, железо является одним из самых распространенных элементов,
который присутствует в минералах как конституционный компонент или
как изоморфная примесь. Широкое использование изотопа 5/Fe в месс-
бауэровской спектроскопии обусловлено также тем, что материнское
ядро 57Со имеет достаточно большой период полураспада (270 сут).
Содержание 57Fe в природном железе составляет 2,21%. Вторым по
значимости в мессбауэровской спектроскопии является изотоп ll9Sn,
содержание которого в природном олове составляет 8,58%. Однако
большая в 3,5 раза ширина резонансной линии по сравнению с 57Fe и,
как следствие, худшая разрешающая способность резонансных линий
существенно уменьшают объем получаемой информации. Для экспери-
ментов по эффекту Мессбауэра используют также изотопы 121Sb,
l55Gd, 181Та, 182W и др., но широкое применение многих изотопов за-
труднено в связи с малым периодом полураспада соответствующих
источников, большой шириной резонансных линий и необходимостью
низких температур для наблюдения эффекта.
К основным параметрам мессбауэровских спектров, на основе ко-
торых можно получить качественную и количественную информацию
о поведении резонансного изотопа в минералах, относят: число ком-
понент в ЯГР-спектре (дуплеты, секстиплеты) и относительный их
вклад в общий спектр (в процентах), изомерный сдвиг (мм/с), квадру-
польное расщепление' (мм/с), напряженность магнитного поля на
ядрах (А/м), ширину резонансной линии (мм/с).
Индивидуальная структура, состав и свойства минералов обуслов-
ливают различие в электрических и магнитных электронно-ядерных
взаимодействиях, что проявляется в вариации мессбауэровских пара-
метров, на основе чего можно получить информацию о характеристике
резонансного элемента, его окружении и представление о самом мине-
рале. При анализе железосодержащих минералов, руд, пород и техно-
логических продуктов это позволяет:
определять валентные состояния ионов железа, их соотношения в
минералах и характер их химической связи;
устанавливать особенности структуры минералов (число занимаемых
позиций в структуре, координационное число, характер искажения ко-
ординационных полиэдров, характер распределения элементов в струк-
туре), фиксировать изменения структуры минералов под влиянием внеш-
них воздействий;
217
устанавливать особенности состава минералов (заселенность пози-
ции ионами железа, наличие изоморфных замещений и в ряде случаев
дефектов);
анализировать магнитную структуру минералов и фазовые магнит-
ные переходы;
проводить фазовый анализ руд и горных пород, содержащих мине-
ралы железа.
При анализе оловосодержащих объектов метод в отдельных случаях
позволяет диагностировать минералы олова (касситерит, станнин, ма-
лайяит), определять валентность олова и давать соотношение его
окисных и сульфидных форм.
Наиболее широко используемый мессбауэровский спектрометр —
ЯГРС-4М, который позволяет проводить измерения в режимах постоян-
ных скоростей и ускорений. Для калибровки ЯГР-спектров используют
стандартные образцы железосодержащих гамма-резонансных поглоти-
телей: нитропруссид натрия, a = Fe и а = Ре20з. Изомерный химический
сдвиг обычно рассчитывают относительно нитропруссида натрия. Для
анализа используют порошковые пробы, измельченные в агатовой
ступке до 0,06—0,07 мм (масса навески 200—300 мг). Подготовленную
пробу равномерно размещают в кювете между двумя бериллиевыми
пластинами, прозрачными для у-квантов.
Мессбауэровские спектры можно обрабатывать графически и с
помощью ЭВМ по специальной программе. При этом по определенным
в результате разложения площадям составляющих общего спектра
оценивается соотношение разновалентных резонансных элементов, за-
селенность кристаллографических позиций при исследовании мономине-
ральных фракций, распределение железа по фазам при анализе железо-
содержащих руд, пород и технологических продуктов. По виду спектра
(дублет, секстиплет) и измерениям образца при низких температурах
и внешних магнитных полях устанавливается характер магнитного упо-
рядочения в структуре. По числу дублетов и секстиплетов с оценкой
их площадей устанавливается степень упорядочения ионов железа в
структуре минерала. По изомерному сдвигу диагностируют двух- и
трехвалентное железо и степень ионности-ковалентности его связи.
По квадрупольному расщеплению устанавливается степень искажения
координационных полиэдров, а совместно с изомерным сдвигом — ко-
ординация. По числу секстиплетов в ЯГР-спектре, магнитным полям
на ядрах 57Fe и площадям секстиплетов от неэквивалентных • ионов
железа можно определить модификацию пирротина и его состав в виде
IFe'r’OxtFe^^’D^Fe^’D^ ... Fe^'D>□ т]S, +х,
где □ —вакансии катионов; у и х — формульные коэффициенты соот-
ветственно железа и вакансии, причем у\4-(/2 + г/з+ •••+!//= 1, ^1+^2 +
4~ х3 -р... 4~ Xi = х.
Чувствительность метода в зависимости от исследуемого минерала
и вида его спектра составляет 0,5—2% железа. Воспроизводимость
218
метода при определении коэффициента окисления железа Ре3+/Ееобщ
составляет в среднем 5%, при проведении фазового анализа — 5—10%
(в зависимости от интервала содержания железа в пробе). При этом
содержание железа, связанного с различными фазами, определяется в
процентах от общего содержания железа, однако при известном содер-
жании железа общего или магнетита (данные магнитометрии) относи-
тельное содержание железа в фазах пересчитывается на массовую
долю. Относительное распределение железа по структурным позициям
при анализе мономинеральных фракций определяется так же. Время
измерения ЯГР-спектров зависит от содержания железа в пробе, актив-
ности источника излучения и разрешающей способности аппаратуры.
При активности источника 57Со 109 Бк и содержании железа в пробе
свыше 10% время измерения составляет 1,5—2 ч; при содержаниях
менее 10% — 3—5 ч. Чувствительность метода при анализе оловосодер-
жащих проб составляет 1—2% олова.
Изложенные возможности метода мессбауэровской спектроскопии
могут быть использованы и при решении задач, непосредственно свя-
занных с генетической, поисковой и технологической минералогией. Это
вопросы типоморфизма, оценки качества руд и рудных минералов,
технологических продуктов, направленного изменения их свойств, пути
совершенствования технологических схем и т. д.
Перспективы развития мессбауэровской спектроскопии: создание
мощных источников излучения, позволяющих существенно уменьшить
продолжительность анализа и повысить чувствительность; увеличение
числа резонансных изотопов для практического использования; широкое
внедрение средств автоматизации и вычислительной техники при про-
ведении экспериментов.
11.17	. РЕНТГЕНОВСКАЯ МИКРОСКОПИЯ
Рентгеновская микроскопия — совокупность методов исследования
микроскопического строения объектов с помощью рентгеновского излу-
чения. Благодаря высокой проникающей способности рентгеновских
лучей можно обнаруживать в непрозрачном для видимого света шлифе
текстурно-структурные особенности и детали внутреннего строения ми-
нералов. Вследствие того, что рентгеновские лучи поглощаются каждым
элементом по-своему, можно оценивать содержание отдельных элемен-
тов в минералах.
Известны следующие методы рентгеновской микроскопии, основан-
ные на абсорбции лучей и различающиеся по принципу получения
теневого рентгеновского изображения,— контактной микрорентгеногра-
фии, проекционной рентгеновской микроскопии и отражательной микро-
рентгенографии.
В абсорбционных методах рентгеновские лучи, проходя через обра-
зец, создают его теневое изображение на фотопластинке или фотопленке
либо в натуральную величину, либо с увеличением.
Применение рентгеновских лучей в абсорбционных методах рент-
219
геновской микроскопии основано на законах поглощения этих лучей
веществом. При прохождении пучка рентгеновских лучей через вещест-
во происходит его ослабление в результате рассеяния и поглощения.
Ослабление пучка рентгеновских лучей вследствие поглощения или аб-
сорбции обусловлено тем, что часть энергии этих лучей испытывает
истинное поглощение в веществе.
Степень поглощения рентгеновских лучей веществом характеризу-
ется массовым коэффициентом поглощения.
Массовый коэффициент поглощения минерала является суммой мас-
совых коэффициентов поглощения элементов, входящих в состав мине-
рала, умноженных на процентное содержание данного элемента в мине-
рале, деленное на 100. Степень поглощения рентгеновских лучей мине-
ралом зависит от его химического состава и длины волны рентгенов-
ского излучения.
Контактная микрорентгенография — наиболее простой способ получе-
ния рентгеновского теневого изображения объекта. Рентгеновские лучи
проходят через образец, находящийся в непосредственном контакте с
фотопластинкой, на которой получается изображение объекта в нату-
ральную величину. Затем это изображение увеличивается с помощью
увеличителя, оптического микроскопа или электронного пучка в элек-
тронном микроскопе.
Качество изображения, полученного на фотопластинке, зависит от
степени совершенства контакта образца и фотопластинки, условий
съемки, толщины образца и длины волны излучения. Источником рент-
геновских лучей может служить любая рентгеновская установка. При-
менение специальных рентгеновских трубок не требуется. Могут исполь-
зоваться острофокусные трубки для сокращения времени экспозиции.
Образец и фотопластинку помещают в камеру для съемки таким
образом, чтобы обеспечить их тесный контакт. Камеру с помощью спе-
циального штатива устанавливают на определенном расстоянии от окна
рентгеновской трубки.
Разрешающая способность метода определяется наименьшей одного
из двух процессов: получения микрорентгенограммы в рентгеновских
лучах и увеличения ее с помощью оптической системы. Практически
разрешающие способности, получаемые на хороших фотопластинках, не
превышают 1 мкм, а увеличение— 100.
Подбор излучения, имеющий решающее значение в методе, осущест-
вляется различными способами в зависимости от задач исследования.
Проекционная рентгеновская микроскопия. Сущность метода заклю-
чается в том, что образец располагается вблизи источника, а не в
контакте с фотопластинкой, и увеличенное теневое изображение образца
получается непосредственно при съемке.
Увеличение пропорционально отношению расстояния от источника
до изображения к расстоянию от источника рентгеновских лучей до
объекта.
Для метода необходим «точечный» источник рентгеновского излу-
чения, дающий расходящийся пучок лучей. Оптимальные условия для
220
получения контрастного изображения те же, что и для контактного
метода.
Для проведения исследований минералов этим методом можно ис-
пользовать портативный рентгеновский микроскоп МИР-2. Источник
рентгеновского вольфрамового излучения — микрофокусная рентгенов-
ская трубка, дающая расходящийся пучок рентгеновских лучей.
МИР-2 позволяет получать на фотопленке снимки с увеличением до
100, с разрешающей способностью 1 мкм участков объекта диаметром
0,6—1 мм.
Основные недостатки при работе на микроскопе МИР-2
следующие: невозможен подбор излучения, имеющий большое значение
в методах микрорентгенографии, поскольку микроскоп снабжен только
рентгеновской трубкой с излучением вольфрама, относительно большие
экспозиции при исследовании некоторых рудных минералов вследствие
небольшого энергетического диапазона рентгеновского излучения
(3—10 кВ).
Эти недостатки устранены в новом рентгеновском микроскопе-ана-
лизаторе МИР-3. Прибор может работать в двух режимах: проекцион-
ного рентгеновского микроскопа и рентгеновского абсорбционного ана-
лизатора; отличается практически бесконечной глубиной резкости и поз-
воляет изучать объекты в 10 раз толще, чем на микроскопе МИР-2;
обладает большим энергетическим диапазоном используемого рентгенов-
ского излучения и в 30 раз большей мощностью источника излучения,
что позволяет расширить область применения микроскопа и сократить
время исследования одного образца; кроме трубки с излучением воль-
фрама снабжен рентгеновской трубкой с излучением меди, особенно
подходящим для исследования минералогических объектов, что делает
возможным подбор излучения в зависимости от состава исследуемых
минералов.
Отражательную микрорентгенографию на практике используют
реже. Для методов рентгеновской микроскопии важно правильно при-
готовить образец и, в частности, выбрать его толщину, от которой в
значительной степени зависит поглощение. Образец приготавливают
аналогично прозрачно-полированным (комбинированным) шлифам, но с
соблюдением следующих дополнительных условий; толщина шлифа дол-
жна точно соответствовать выбранному оптимальному значению и быть
одинаковой по всей площади; подложка должна быть тонкой.
Оптимальная толщина образца зависит от нескольких факторов:
состава исследуемых минералов, размера зерен минералов в руде, задач
исследования. Фактически оптимальную толщину образца для конкрет-
ных руд подбирают экспериментально.
Удобны для исследования прозрачно-полированные шлифы на по-
кровном стекле, которое поглощает нехарактеристические рентгеновские
лучи и поэтому выполняет также роль фильтра. Толщина шлифов
0,03—0,15 мм. Этот же. шлиф изучается в отраженном видимом свете.
Основные области применения методов рентгеновской микроскопии
в минералогии. Методы применяют для исследования таких минералов
221
и руд, изучение которых методами световой микроскопии затруднено
или невозможно. Основные из них следующие:
диагностика минералов, близких по отражению. Методы позволяют в
шлифах различать по поглощению минералы изоморфных рядов (гюб-
нерит — ферберит, танталит — колумбит, теннантит — тетраэдрит) и
приблизительно оценивать содержание в них основных компонентов;
изучение внутреннего строения минералов и зональных кристаллов.
Методы позволяют обнаруживать зональность и неоднородность в тех
кристаллах, которые кажутся однородными в отраженном свете. В ми-
нералах изоморфных рядов (например, колумбит — танталит) можно
приблизительно оценивать соотношение основных компонентов в зонах.
Методом контактной микрорентгенографии изучались зональные: пиро-
хлоры, колумбиты и танталиты, теннантиты, вольфрамиты, магнетиты;
особенности внутреннего строения почек настурана и минералов суль-
фосолей;
изучение текстурных и структурных особенностей руд. Методы
рентгеновской микроскопии позволяют обнаруживать детали строения
минералов и руд не только на поверхности шлифа, но и по всему его
объему, что нельзя сделать для рудных минералов в отраженном свете.
Так, методом контактной микрорентгенографии изучались железные
руды с невысоким содержанием железа, урановые, магнетитовые, не-
которые полиметаллические руды. Метод проекционной рентгеновской
микроскопии успешно применен для изучения тонкодисперсных ура-
новых руд;
определение содержания основных компонентов в минералах изо-
морфных рядов можно проводить методом контактной микрорентгено-
графии. Таким образом определяется содержание тантала и ниобия в
зернах колумбитов и танталитов, оценивается содержание основных
компонентов в минералах изоморфных рядов колумбит — танталит,
ферберит — гюбнерит, теннантит — тетраэдрит.
Метод контактной микрорентгенографии позволяет проводить диаг-
ностику минералов, близких по оптическим и физическим свойствам в
шлифе; при этом отпадает необходимость отбора мономинеральных
проб. При определении основного состава минералов изоморфных
рядов контактная микрорентгенография уступает химическому и элек-
тронно-зондовому анализам и применяется в тех случаях, когда надо
получить либо качественную, либо приблизительную количественную
оценку содержания основных компонентов в минералах.
11.18	. ИММЕРСИОННЫЕ МЕТОДЫ «ТЕМНОГО ПОЛЯ»
И «ФАЗОВОГО КОНТРАСТА»
С помощью иммерсионных методов «темного поля» и «фазового
контраста» определяют такую важную константу, как показатель пре-
ломления для частиц крупностью 0,0005—0,001 мм (точность ±0,001).
Применяя эти методы микроскопии, можно повысить контрастность
изображения и при относительно близких показателях преломления
222
объекта и жидкости получить цветной эффект, дающий возможность
определить их показатели преломления.
Для микроскопического исследования тонкодисперсных минералов и
их смесей (естественных и искусственных) наиболее эффективен (почти
универсален) метод «темного поля», который получил достаточно широ-
кое применение при изучении минералов в иммерсии. Он основан на
наблюдении оптического эффекта, возникающего при экранировании лу-
чей, прошедших через объект без преломления. В образовании изобра-
жения объекта участвуют лишь лучи, отклоненные краевыми частями
зерен минералов, которые выглядят ярко освещенными на темном фоне
поля зрения. С помощью метода «темного поля» наблюдают диспер-
сионное окрашивание вокруг зерен минерала, когда кривые дисперсии
показателя преломления минерала и данной иммерсионной жидкости
пересекаются, т. е. показатели преломления двух сред — твердой (ми-
нерала) и жидкой (иммерсионной жидкости) — совпадают. Наблюдае-
мая окраска зависит от того, в какой части спектра произошло пере-
сечение кривых дисперсий двух сред, и является дополнительной к
той длине волны, для которой уравниваются показатели преломления
двух сред.
В выпускаемых фирмой «ЛОМО» микроскопах серии «ПОЛАМ»
(рабочая и лабораторная модели) для реализации цветного иммерсион-
ного метода предусмотрены специальный конденсор, набор кольце-
вых диафрагм с разной шириной кольца и микрообъективы с увели-
чением 10 и 25 с ирисовой диафрагмой.
Метод «фазового контраста» основан на искусственном вмешатель-
стве в процесс образования изображения прозрачных объектов в микро-
скопе. В объектив микроскопа помещается специально рассчитанная
фазовая пластинка, а в фокальной плоскости конденсора устанавли-
вается соответствующая диафрагма. При работе в белом свете при
близких показателях преломления объекта и жидкости возникает
цветной эффект. Для работы по методу «фазового контраста»
отечественной промышленностью выпускаются специальный конденсор с
набором кольцевых диафрагм и специальные фазовые объективы с
максимальным увеличением 90. Необходимые устройства введены в
комплект лабораторного микроскопа серии «ПОЛАМ». Используя раз-
личные варианты цветного иммерсионного метода, окраску исследуе-
мого объекта наблюдают при неподвижном тубусе микроскопа по всему
полю зрения одновременно, что обеспечивает удобство в работе. С по-
мощью цветного иммерсионного метода весьма эффективно визуально
разделяют тонкодисперсные минералы с близкими показателями прелом-
ления, контролируют однородность исследуемого объекта (мономине-
ральность), устанавливают изменение химического состава в разных
участках одного кристалла.
Для иммерсионных исследований препараты, например бокситы,
готовят следующим образом: измельченную и расклассифицированную
исходную руду изучают под бинокуляром до класса 0,1 мм, а более
мелкий материал (в том числе и продукты обогащения) — в иммерсион-
223
пых препаратах. В связи с мелкокристаллическим сложением бокситов
их предварительно дробят до крупности 0,1 мм. Растертый материал,
отмытый от глинистой части (<0,01 мм), подвергается центрифуж-
ному разделению по фракциям, отличающимся по плотности на 100
кг/м3 Густоокрашенные бокситы перед разделением предварительно
обрабатывали соляной кислотой для удаления оксидов железа, что
рекомендуется для диаспоровых и бемитовых бокситов без опасности
перевести в раствор значительную долю глинозема.
При исследовании фракций боксита в иммерсионной жидкости
с показателем преломления 1,580 вокруг выделений гиббсита наблюда-
ется малиновая каемка, а вокруг чешуек каолинита — синяя. В жид-
кости с показателем преломления 1,650 каемки голубого цвета наблюда-
ются вокруг шамозита, малиновые и оранжевые вокруг бемита.
Все это дает возможность контролировать процесс обогащения и
применять цветной иммерсионный метод для количественно-минера-
логического анализа. Использование цветного иммерсионного метода
(например, метода «темного поля») облегчает изучение вещественного
состава бокситов. Его применение не требует использования сложной и
дорогостоящей аппаратуры, он может быть внедрен в любой стаци-
онарной партии или экспедиции.
12.	ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ
12.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Изменение физических свойств (механических, гравитационных,
тепловых, магнитных, электрических и оптических) минералов посредст-
вом энергетического воздействия (физической, химической, физико-хи-
мической обработки) с целью изменения их поведения в технологиче-
ском процессе называется энергетическим или направленным измене-
нием физических свойств минералов. -Для этого применяют ультразву-
ковое, механическое, радиационное, тепловое воздействие, сжатие при
определенном температурном режиме.
Сущность направленного изменения физических свойств минералов
заключается в том, что при различных воздействиях на вещество
изменяются его кристаллохимические особенности и увеличиваются
механические дефекты, что вызывает изменение его поведения в техно-
логическом процессе. При этом существенно, что степень изменения
конкретных физических свойств разных минералов при одном и том же
воздействии различна, и это определяется их исходными структурными
особенностями. Поэтому после соответствующего воздействия степень
разделения, или контрастность, минералов с первоначальными близ-
кими свойствами повышается, и такое разделение становится более
экономичным.
224
Способ воздействия для направленного изменения конкретного свой-
ства чаще выбирают эмпирическим путем: при сравнении результатов
извлечения полезного компонента из руды до и после различного воз-
действия. Условия (время, энергозатраты, аппаратура) для воздействия
также выбирают эмпирически. Возможен и другой подход, в частно-
сти использование таблиц, построенных на основании известных к
настоящему времени зависимостей (табл. 12.1 —12.3). Таблицы можно
использовать для прогнозирования технологических свойств минералов,
структурные особенности которых предварительно определены, а также
для выбора способов и условий воздействия для изменения конкрет-
ного технологического свойства. Это делают следующим образом.
1.	Определяют по табл. 12.1 те особенности строения минерала,
которые оказывают наиболее существенное влияние на изучаемое техно-
логическое свойство. Так, при изучейии флотационных свойств выбирают
поверхностные свойства минерала.
2.	Определяют по табл. 12.1 методы изучения минералов,, которые
необходимы для исследования выбранных в п. 1 особенностей строения.
Например, для изучения поверхностных свойств выбирают ИКС внут-
реннего и диффузного отражения вещества.
3.	По табл. 12.1 оценивают, как повлияют на свойства минерала в
технологическом процессе выявленные особенности строения. Если на
поверхности зерен обнаружены, например, механические примеси кар-
бонатов, то такие зерна не будут извлекаться в концентрат при фло-
тации.
4.	По табл. 12.1 намечают возможный вариант интенсификации
технологического процесса. Для рассмотренного случая это удаление
поверхностных примесей карбоната с поверхности зерен минерала путем
их обработки в соляной кислоте.
5.	По табл. 12.2 определяют наиболее благоприятные условия об-
работки вещества. Такими условиями может быть увеличение времени
кислотной 'обработки или концентрации кислоты для полноты очистки
поверхностного слоя.
12.2.	НАПРАВЛЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ
ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛОВ И РУД
Направленное изменение тепловых свойств минералов — изменение
их теплового расширения, теплопроводности и термостойкости (фазового
равновесия) посредством различных видов дробления — измельчения
и нагревания с целью интенсификации процессов обогащения и пере-
работки руд в период подготовки руды. В природных условиях тепловые
свойства влияют на фазовые ассоциации (фазовый состав руды) и
прочность материала (руды в целом и каждого минерала), что одно-
временно будет определять механические свойства (измельчаемость)
минерала. Сущность направленного изменения тепловых свойств
заключается в том, что эти свойства зависят от кристаллохимических
особенностей вещества (ионного расстояния, заряда ионов, типа ре-
225
S Таблица 12.1
o\
Зависимость физических и химических свойств минералов от особенностей их строения и основные способы их направленного
изменения
Технологические свойства	Особенности строения веществ, определяющие их свойства в технологиче- ском процессе (в порядке уменьшения влияния)	Методы изучения особен- ностей строения вещества	Изменение поведения вещества в технологиче- ском процессе	Возможные пути интенси- фикации технологического процесса
Гравитационные (плот- ность, спайность, от- дельность)	Изоморфные примеси и характер их распределе- ния	ИКС поглощения, рент- геноструктурный анализ	Изменение плотности (со- держания и вида изоморф- ных примесей)	Нагревание
	Распределение механиче- ских примесей и пор в зер- не минерала	ИКС зеркального отра- жения зернистого препа- рата	Изменение эффективной плотности	Нагревание, раскалыва- ние
Механические (твер- дость, предел упруго- сти, пластические де- формации и др.)	Химический состав, сте- пень совершенства и де- фекты структуры	ИКС поглощения, рент- геноструктурный анализ, ЯГРС	Содержание и вид плас- тических деформаций	Тепловое, механическое ультразвуковое воздейст- вие в разных средах
	«Механические» дефекты	Минералогический анализ	Число, формы, размеры трещин, пор, границ зерен	Давление, нагревание
	Примеси фаз с отличаю- щимися теплопроводно- стью и тепловым расши- рением	ИКС поглощения, рент- геноструктурный, мине- ралогический анализы	То же	»
Магнитная восприим- чивость	Изоморфные примеси и характер их распределе- ния	ИКС поглощения, рент- геноструктурный анализ	Изменяется в зависимо- сти от содержания, ха- рактера и степени упоря- доченности расположения изоморфных ионов, а так- же формы и размера зе- рен	Нагревание
	Химический состав мине- ральных примесей в объ- еме и на поверхности зе- рен	ИКС диффузного отра- жения и ИКС поглощения, минералогический и рент- геноструктурный анализы
Термостойкость (фа- зовое равновесие), те- пловое расширение, теплопроводность	Дефекты структуры ми- нерала (деформации по- лиэдров, несовершенство структуры) Присутствие дополнитель- ных механических фаз в зерне и вне его	ИКС поглощения, рент- геноструктурный анализ ИКС поглощения и ИКС диффузного отражения, рентгеноструктурный ана- лиз, минералогический анализ
Электропроводность	Дефекты: структурные и «механические» (поры, трещины и др.)	ИКС поглощения и диф- фузного отражения
Оптические (цвет, лю- минесценция, вторая гармоника)	Изменение цвета, люми- несценции и др.	Световая спектроскопия
Флотируемость	Структура поверхностно- го слоя зерна минерала	ИКС внутреннего отра- жения
	Характер, содержание за- крепленного флотореа-	ИКС диффузного отра- жения, химический ана-
Изменяется в зависимо- сти от характера объем- ных примесей	Нагревание до фазовых превращений примесей
Изменяется в зависимо- сти от содержания и ха- рактера поверхностных примесей	Кислотная или щелочная обработка для раствори- мых примесей, ультразву- ковая — для плохо раст- воримых
Температура превраще- ний снижается при уве- личении несовершества структуры и деформаций координационных полиэ- дров Температура существен- но снижается при нали- чии фаз, особенно если они вступают с веществом в твердофазную реакцию	Сухое измельчение, осо- бенно с добавками твер- дых минеральных фаз с примерно такими же раз- мерами частиц, но с боль- шей твердостью Сухое измельчение, до- бавление вещества
Содержание и вид струк- турных дефектов: иониза- ционных, примесных, де- формационных, «механи- ческих»	Радиация, спекание с при- месями, давление, измель- чение, нагревание — ох- лаждение
Радиационные дефекты	Облучение, нагревание
Ухудшается при структур- ном совершенстве	Ультразвуковые воздейст- вия менее 5 мин
Ухудшается при молеку- лярном закреплении	То же
Продолжение табл. 12.1
Технологические свойства	Особенности строения веществ, определяющие их свойства в технологиче- ском процессе (в порядке уменьшения влияния)	Методы изучения особен- ностей строения вещества	Изменение поведения вещества в технологиче- ском процессе	Возможные пути интенси- фикации технологического процесса
	гейта (сорбционный ме- ханизм закрепления)	лиз остаточной концент- рации флотореагента в растворе		
	Наличие и характер рас- пределения минеральных примесей на поверхности зерен	ИКС диффузного отра- жения, минералогический анализ	Ухудшается при наличии примеси, целиком покры- вающей зерно полезных минералов, и активизиру- ется при наличии пленок железа и марганца на по- родообразующих мине- ралах	Кислотная или щелочная обработка растворимых примесей. Ультразвуковое воздействие — для плохо растворимых
Растворимость (хими- ческая устойчивость)	Структура минерала (со- вершенство, дефекты), особенно для растворения мономинеральных зерен	ИКС диффузного отра- жения, ИКС поглощения, иногда рентгеноструктур- ный анализ	Уменьшается при увели- чении совершенства струк- туры или поверхностного слоя	Нагревание, измельчение, химическая обработка
	Присутствие дополнитель- ных фаз в зерне и вне его	ИКС поглощения, рент- геноструктурный и мине- ралогический анализы	Изменяется от химичес- кого состава и содержа- ния растворяющихся в данных условиях фаз	Добавление растворяю- щихся в данных условиях фаз определенного хими- ческого состава
	Размер, химический сос- тав и структура поверх- ностного слоя	ИКС МНПВО, диффуз- ного отражения, грану- лометрический анализ	Преобладающее увеличе- ние структурного преоб- разования поверхностно- го слоя	Измельчение, добавление веществ
Таблица 12.2 Влияние вида и параметров направленного воздействия на строение и свойства, минералов
Вид воздействия	Основная цель воз- действия на минерал	Исходные свой- ства минерала, определяющие его поведение при воздействии	Параметры воздействия			
			Время	Температура (дав- ление)	Среда	Добавки твердой фазы (фазовый со- став руды)
Механический	Изменить раство-	Механические	Увеличение	Изменение меха-	При сухом измель-	Твердые добавки
(измельчение,	римость, термо-	(твердость,	пластических	нических свойств	чении преобладает	обеспечивают уве-
«оттирка»)	стойкость или вид продуктов термо- реакции, отделить адгезионные плен- ки, сростки	предел упруго- сти и др.)	деформаций, структурных и фазовых прев- ращений. Сна- чала уменьше- ние, затем уве- личение разме- ров частиц		прирост пласти- ческих деформа- ций над уменьше- нием размера час- тиц, при мок- ром — противопо- ложная зависи- мость	личение пласти- ческих деформа- ций и измельчае- мость
Ультразвуковой	Изменить флоти-	Механические,	Сначала изме-	При увеличении	Изменение соотношения между сте-	
(очистка по-	руемость (грави-	адгезионные	нение поверх-	давления диспер-	пенью диспергации	и поверхностными
верхности, дис- перг-ация)	тационное разде- ление)		ностного слоя, затем диспер- гация частиц	гация преоблада- ет над изменением поверхности	изменениями частиц	
Тепловой (плав-	Снизить темпера-	Термостойкость,	Полнота струк-	Сначала структур-	Снижение температуры фазового пре-	
ка, спекание,	туру разложения,	фазовое равно-	турных и фазо-	ные изменения,	вращения или изменение вида, содер-	
разложение, структурное преобразова- ние)	изменить фазовый состав, изменить все или некоторые свойства	весие	вых превраще- ний	затем	фазовые превращения	жания и температуры образования спеков	
Химический	Изменить фазовый	Растворимость,	Полнота фазо-	Изменение кине-	Изменение вида продуктов реакции и	
(обработка в кислотах, щело- чах и др.)	состав смеси или свойства (флоти- руемость, адсорб- цию и др.)	сорбция, адге- зия	вого превраще- ния	тики растворения	силы адгезии частиц	
Электрохимиче-	Изменить флоти-	Растворимость,	Полнота изме-	Изменение кине-	Изменение типа реакции на поверхно-	
ский	руемость или хи- мический состав поверхностного слоя	сорбция, адге- зия	нений	тики растворения минерала или ад- гезии примесей	стном слое в зависимости от положе- ния частиц относительно электродов и друг друга	
^Таблица 12.3
о
Основные способы направленного изменения химического состава и кристаллохимических особенностей минералов
Задача направленного изменения минерала	Способ воздействия на минералы	Изменяемые пара- метры воздействия	Характер изменения минерала	Основная причина изменения	Пример
Распределение элемен- тов руды в разные ве- щества	Ликвационная плавка	Изменение хил Температура, дав- ление, среда, флю- сы	шческого состава Полное изменение фазового состава руды	Выделение разных элементов в раз- ные вещества	Получение феррониобия из танталониобиевых кон- центратов
Синтез веществ с по- лезными элементами, по свойствам отлича- ющихся от других фаз	\	Спекание с карбо- натами, сульфата- ми, оксидами и др.	Температура, дав- ление, среда, со- держание и способ подготовки карбо- натов, флюсы	Образование но- вых фаз	Твердофазная ре- акция	
			Образование но- вой фазы	Выход в раствор отдельных элемен- тов	Синтез электропроводя- щих касситеритов, раст- воримых в щелочи каль- циевых танталониобатов, силикатов
Удаление или замена одного или нескольких элементов	Селективное раст- ворение, ионный обмен, нагревание	Размеры и форма частиц минерала и примесей, темпера- тура, давление, среда-	Частичные измене- ния химического состава	Замена катионов в той же структуре	Селективное растворение шамозита, различные по свойствам катионные фор- мы клиноптиломита
Изменение магнитных свойств		—	Частичное разло- жение минерала	Изменение валент- ности ионов	Окисление или восстанов- ление железа при различ- ном нагревании тантало- ниобатов
Изменение флотируе- мости	Электрохимичес- кое, химическое	Вид аппарата, сре- да, энергозатраты	Изменение химиче- ского состава по- верхностного слоя	Селективный вы- ход в раствор эле- ментов поверхност- ного слоя	Выход в пенный концент- рат берилла при обработ- ке Na ОН
Продолжение табл. 12.3
Задача направленного изменения минерала	Способ воздействия на минералы	Изменяемые пара- метры воздействия	Характер изменения минерала	Основная причина изменения	Пример
Изменение содержа- ния и вида сорбиро- ванных веществ	Нагревание, ваку- умирование, из- мельчение	Температура, дав- ление	Изменение энерге- тического состоя- ния поверхностно- го слоя каналов и полости кристал- лической решетки	Пластические де- формации поверх- ности	Адсорбция паров воды на кварце, адсорбция воды на цеолитах
Изменение всех физи- ческих и химических свойств	Нагревание, дав- ление, растворе- ние-перекристал- лизация	Изменень Температура, дав- ление, реагенты	te структуры Полное фазовое преобразование	Образование но- вой структуры	Различные структурные модификации SiO2
Изменение свойств ча- сти минерала (и зерна в целом)	Нагревание, дав- ление, растворе- ние, измельчение	То же	Переход части ве- щества в другую структуру	Переход части ве- щества в новую структуру	Образование смеси каль- цита и арагонита при из- мельчении кальцита
Изменение химических или физических свойств	Нагревание, ульт- развуковое, хими- ческое, механичес- кое воздействие	См. табл. 12.1, 12.2		Степень совершен- ства, дефекты структуры, струк- турное расположе- ние ионов	См. табл. 12.1, 12.2
шетки), которые изменяются под влиянием различных воздействий
(см. табл. 12.1, 12.2) При этом чем выше теплопроводность (а она
зависит от степени совершенства структуры), тем более устойчиво ве-
щество к растрескиванию при колебаниях температуры. Разницу в тепло
вом расширении разных зерен минерала (например, мономинеральных
и с включениями примесей) используют для изменения механических,
свойств, дробления минералов. Последовательно нагревая и охлаждая
руду, можно раздробить одни зерна или минералы и не изменить другие.
Например, используя изменение теплового расширения от температу-
ры, можно раздробить цеолиты: после многократного нагревания до
550° С они рассыпаются в порошок, хотя их структура и не изменяется.
Можно также выделить мономинеральную фракцию, если пропустить
через сульфидную руду электрический (особенно импульсный) ток.
Тогда полупроводниковые минералы (сульфиды) нагреваются намного
сильнее, чем диэлектрики, объем их увеличивается, появляются тре-
щины. После охлаждения руда разделится на зерна минералов с разной
теплопроводностью.
Направленное изменение гравитационных свойств минералов —
изменение плотности (и формы) зерен минерала посредством нагре-
вания, измельчения, химической обработки с целью интенсификации
гравитационного разделения минералов. Сущность изменения гра-
витационных свойств минералов при различной обработке заключается
в том, что плотность вещества и сила адгезии его частиц зависят от
кристаллохимических особенностей, состояния поверхностного слоя и
механических дефектов зерен, а они изменяются при различном воздей-
ствии на вещество (см. табл. 12.1). Из этого следует, что изменить
гравитационные свойства вещества можно путем влияния на состояние
поверхностного слоя зерен, что достигается их химической обработкой.
Так, при обработке соляной кислотой гранатового продукта извлечение
Та2О5 в концентрат увеличилось на 3,4% и олова на 1,1%, а содер-
жание этих элементов возросло соответственно на 2,3 и 10%. Это
происходит за счет изменения силы адгезии между частицами, обра:
вания пленки на определенных гранях кристалла и соответствующего
изменения структурного состояния поверхностного слоя.
Характер гравитационного разделения изменяют, если увеличивают
число дефектов в зернах или степень совершенства структуры путем
нагревания, механического дробления, ультразвукового воздействия
(см. табл. 12.2).
Направленное изменение магнитных свойств минералов — изменение
их магнитной восприимчивости и ее зависимости от напряженности
магнитного поля, вызываемое воздействием на минералы (руду)
нагревания (обжига в различной среде), иногда ультразвуковой, кислот-
ной и щелочной обработки. Цель направленного изменения магнитных
'.войств — соответствующее изменение поведения минералов при магнит-
ной сепарации. Сущность изменения магнитной восприимчивости
при различной обработке заключается в том, что магнитные свойства
вещества определяются их кристаллохимическими особенностями, кото-
232
рые изменяются при изменении структурного состояния и химического
состава зерна (см. табл. 12.1). Для выбора условий воздействия (вре-
мени, мощности, среды) можно избрать эмпирический путь или восполь-
зоваться данными табл. 12.1 и 12.2. Эмпирический путь заключается
в том, что проводят нагревание или какое-либо другое воздействие на
интересующие минералы или руду и устанавливают изменение при
этом магнитной восприимчивости и ее зависимости от напряженности
магнитного поля.
Химический состав и содержание микропримесей сильно изменяют
магнитные свойства минерала. Например, менее 1% примеси оксидов
железа в берилле превращают исследованный минерал из диамагнитного
в ферромагнитный. Пользуясь табл. 12.1, можно выбрать способ и усло-
вия воздействия, чтобы изменить магнитные свойства минерала. Эконо-
мичнее и проще варьировать содержание и химический состав примесей
в зерне минерала и на его поверхности. Это можно сделать и химическим
способом. Например, магнитные примеси железистых минералов удаляют
из пирохлора обработкой в НС1, при этом магнитная восприимчивость
снижается, и они выделяются в немагнитную фракцию вместе с цир-
коном. При обработке ультразвуком с зерен пирохлора удаляются
только частично поверхностные примеси, и они выделяются в магнитную
фракцию (см. табл. 12.2). Различным по характеру электрохимическим
воздействием можно удалить или нанести на поверхность примесь.
Например, при обработке касситерита около анода на его поверхности
образуется пленка железа и зерна касситерита из диамагнитных ста-
новятся ферромагнитными. Можно создать примесь другого химического
состава посредством частичного разложения за счет окисления или
восстановления ионов переменной валентности либо удалить ультразву-
ковой обработкой поверхностные примеси ферромагнитных оксидов же-
леза с поверхности зерен кварца, ильменита, рутила из россыпей,
существенно изменяя их выделение в магнитную фракцию. Для перевода
в магнитную фракцию минералов глин используют их межслоевую
сорбцию, вводя в них железоорганические соединения.
Направленное изменение электрических свойств — изменение
электропроводности минералов посредством воздействия на них радиа-
ции, давления, нагревания, в том числе с добавками различных веществ,
с целью изменения поведения минералов при электросепарации. Сущ-
ность направленного изменения заключается в том, что электрические
свойства минерала зависят от структуры вещества, числа и вида дефек-
тов в нем. Из табл. 12.1 следует, что электропроводность можно изме-
нить наведением дефектов структуры (ионизационных при действии
радиации, деформационных при дроблении, давлении, примесных
при нагревании).
Например, при повышении электропроводности воздействием на мине-
ралы у-радиации в веществе образуются точечные ионизационные дефекты.
В этом случае при малых дозах облучения электросопротивление монацита
уменьшается на 10%, а при больших дозах образуются группы точечных де-
фектов, которые увеличивают электросопротивление в 2 раза. Образование
233
шетки), которые изменяются под влиянием различных воздействий
(см. табл. 12.1, 12.2). При этом чем выше теплопроводность (а она
зависит от степени совершенства структуры), тем более устойчиво ве-
щество к растрескиванию при колебаниях температуры. Разницу в тепло-
вом расширении разных зерен минерала (например, мономинеральных
и с включениями примесей) используют для изменения механических/
свойств, дробления минералов. Последовательно нагревая и охлаждая
руду, можно раздробить одни зерна или минералы и не изменить другие.
Например, используя изменение теплового расширения от температу-
ры, можно раздробить цеолиты: после многократного нагревания до
550° С они рассыпаются в порошок, хотя их структура и не изменяется.
Можно также выделить мономинеральную фракцию, если пропустить
через сульфидную руду электрический (особенно импульсный) ток.
Тогда полупроводниковые минералы (сульфиды) нагреваются намного
сильнее, чем диэлектрики, объем их увеличивается, появляются тре-
щины. После охлаждения руда разделится на зерна минералов с разной
теплопроводностью.
Направленное изменение гравитационных свойств минералов
изменение плотности (и формы) зерен минерала посредством нагре-
вания, измельчения, химической обработки с целью интенсификации
гравитационного разделения минералов. Сущность изменения гра-
витационных свойств минералов при различной обработке заключается
в том, что плотность вещества и сила адгезии его частиц зависят
кристаллохимических особенностей, состояния поверхностного и
механических дефектов зерен, а они изменяются при различном воздей-
ствии на вещество (см. табл. 12.1). Из этого следует, что изменить
гравитационные свойства вещества можно путем влияния на состояние
поверхностного слоя зерен, что достигается их химической обработкой.
Так, при обработке соляной кислотой гранатового продукта извлечение
Та2О5 в концентрат увеличилось на 3,4% и олова на 1,1%, а содер-
жание этих элементов возросло соответственно на 2,3 и 10%. Это
происходит за счет изменения силы адгезии между частицами, обра:
вания пленки на определенных гранях кристалла и соответствующего
изменения структурного состояния поверхностного слоя.
Характер гравитационного разделения изменяют, если увеличивают
число дефектов в зернах или степень совершенства структуры путем
нагревания, механического дробления, ультразвукового воздействия
(см. табл. 12.2).
Направленное изменение магнитных свойств минералов — изменение
их магнитной восприимчивости и ее зависимости от напряженности
магнитного поля, вызываемое воздействием на минералы (руду)
нагревания (обжига в различной среде), иногда ультразвуковой, кислот-
ной и щелочной обработки. Цель направленного изменения магнитных
свойств — соответствующее изменение поведения минералов при магнит-
ной сепарации. Сущность изменения магнитной восприимчивости
при различной обработке заключается в том, что магнитные свойства
вещества определяются их кристаллохимическими особенностями, кото-
232
рые изменяются при изменении структурного состояния и химического
состава зерна (см. табл. 12.1). Для выбора условий воздействия (вре-
мени, мощности, среды) можно избрать эмпирический путь или восполь-
зоваться данными табл. 12.1 и 12.2. Эмпирический путь заключается
в том, что проводят нагревание или какое-либо другое воздействие на
интересующие минералы или руду и устанавливают изменение при
этом магнитной восприимчивости и ее зависимости от напряженности
магнитного поля.
Химический состав и содержание микропримесей сильно изменяют
магнитные свойства минерала. Например, менее 1% примеси оксидов
железа в берилле превращают исследованный минерал из диамагнитного
в ферромагнитный. Пользуясь табл. 12.1, можно выбрать способ и усло-
вия воздействия, чтобы изменить магнитные свойства минерала. Эконо-
мичнее и проще варьировать содержание и химический состав примесей
в зерне минерала и на его поверхности. Это можно сделать и химическим
способом. Например, магнитные примеси железистых минералов удаляют
из пирохлора обработкой в НС1, при этом магнитная восприимчивость
снижается, и они выделяются в немагнитную фракцию вместе с цир-
коном. При обработке ультразвуком с зерен пирохлора удаляются
только частично поверхностные примеси, и они выделяются в магнитную
фракцию (см. табл. 12.2). Различным по характеру электрохимическим
воздействием можно удалить или нанести на поверхность примесь.
Например, при обработке касситерита около анода на его поверхности
образуется пленка железа и зерна касситерита из диамагнитных ста-
новятся ферромагнитными. Можно создать примесь другого химического
состава посредством частичного разложения за счет окисления или
восстановления ионов переменной валентности либо удалить ультразву-
ковой обработкой поверхностные примеси ферромагнитных оксидов же-
леза с поверхности зерен кварца, ильменита, рутила из россыпей,
существенно изменяя их выделение в магнитную фракцию. Для перевода
в магнитную фракцию минералов глин используют их межслоевую
сорбцию, вводя в них железоорганические соединения.
Направленное изменение электрических свойств — изменение
электропроводности минералов посредством воздействия на них радиа-
ции, давления, нагревания, в том числе с добавками различных веществ,
с целью изменения поведения минералов при электросепарации. Сущ-
ность направленного изменения заключается в том, что электрические
свойства минерала зависят от структуры вещества, числа и вида дефек-
тов в нем. Из табл. 12.1 следует, что электропроводность можно изме-
нить наведением дефектов структуры (ионизационных при действии
радиации, деформационных при дроблении, давлении, примесных
при нагревании).
Например, при повышении электропроводности воздействием на мине-
ралы у-радиации в веществе образуются точечные ионизационные дефекты.
В этом случае при малых дозах облучения электросопротивление монацита
уменьшается на 10%, а при больших дозах образуются группы точечных де-
фектов, которые увеличивают электросопротивление в 2 раза. Образование
233
примесных дефектов при спекании синтетического касситерита с содержанием
ТазОб или Nb2O5 1—5% снижает сопротивление на 6—7 порядков. Механи-
ческие дефекты (трещины, границы зерен), которые образуются после нагре-
вания — охлаждения ильменитов, уменьшают его электропроводность. Электро-
проводность зависит от температуры вещества, и эта зависимость разная для
разных типов проводимости. Повышением температуры до 400° С можно уве-
личить электропроводность полупроводников (ильменита и касситерита) на
2—3 порядка.
При направленном изменении оптических свойств варьируют цвет,
люминесценцию и квантово-оптические свойства минерала. Из табл. 12.1
следует, что цвет минералов можно изменить у- и нейтронным облуче-
нием; при этом бесцветный кварц становится дымчатым или желтым,
голубой берилл — желтым (разных оттенков), бесцветный топаз —
дымчатым и т. д. По сохранению бесцветности кварца при у-облучении
отбирают бездефектные оптические кристаллы. Для обесцвечивания ми-
нералов применяют тепловую обработку (иногда под давлением). Так
обесцвечивают желтые и розовые кристаллы кальцита. Рентгенолюми-
несценцию -и квантово-оптические свойства минералов используют для
извлечения и сортировки алмазов, обогащения комплексной редкометал-
льной руды и др.
Направленное изменение механических свойств минералов — изме-
нение прочности, вязкости, предела упругости, вида и числа пласти-
ческих деформаций минерала (вещества), что достигается посредством
давления, нагревания, ультразвуковой и механической агрегации и
дезинтеграции с целью интенсификации процессов переработки руд или
получения свойств, необходимых для использования кристаллов в техни-
ке. Практически на механические свойства минералов воздействуют
с целью изменения их прочности или измельчаемости. Сущность
изменений механических свойств минералов при различном воздействии
на них состоит в изменении кристаллохимических свойств минералов.
В табл. 12.4 и 12.5 показано влияние этих свойств на измельчаемость
различных минералов.
Помимо кристаллических особенностей, механические свойства мине-
ралов очень существенно зависят от «механических» дефектов кристал-
лов (трещин, границ зерен, пор), инородных включений и характера
примесей на границах зерен.
Если необходимо изменить без диспергации частиц структуру
поверхностного слоя для регулирования сорбционных и адгезионных
свойств, то это достигается электрохимическим, ультразвуковым или
химическим воздействием, так как при этом очищаются или закрыва-.
ются примесями определенные грани кристалла (см. табл. 12.2).
Направленно изменить механические свойства можно изменением
температуры минералов (см. табл. 12.1) После погружения в жидкий
азот смолы, каучук, алмаз изменяют свои механические свойства, ста-
новятся хрупкими и легко измельчаются. Если при колебаниях темпе-
ратур происходит фазовое преобразование, то после охлаждения такие
минералы приобретают механические дефекты и легко дробятся (кварц
234
после нагревания до 570° С, танталониобаты после перехода в неупоря-
доченное состояние).
Таблица 12.4
Относительная измельчаемость твердых тел
Материал	Твердость по Моосу	dS/dE, см2/(кг- см)	Относитель- ная измель- чаемость
Топаз	8	5,00	0,88
Кварц	7	5,69	1
Лабрадорит	6	3,98	1,05
Стекло	3—6	6,04	1,06
Апатит	5	7,66	1,35
Цинковая обманка	3,5—4	9,57	1,69
Плавиковый шпат	4	15,5	2,72
Кальцит	3	10,67	1,88
Примечание. Здесь S — площадь поверхности измельчаемых тел; Е—энергия,
затраченная на разрушение.
Таблица 12.5
Зависимость констант скорости измельчения от механических свойств материалов
Материал	Коэффициент скорости с, 10-2ч '	Амплитуда тепловых колебаний, 10” 10 м	Модуль сдвига, 10"6 Па	Микро- твердость, 10-6 Па
Титан	0,96	0,149	3870	105—157
Никель	1,20	0,113	7500	80—160
Карбид ниобия	1,94	0,076	11946	2000—2570
Оксид циркония	2,23	—	7700—9000	950—1200
Карбид:				
кремния	2,77	—	12 000	3300
циркония	3,01	0,074	12 360	2950
Корунд	3,45	0,065	15 300	2500
При направленной обработке в кварце, флюорите, слюдах, исландс-
ком шпате устраняются дефекты их монокристаллов (свежие незаг-
рязненные трещины, сращивание кристаллов).
12.3.	НАПРАВЛЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ
ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛОВ И РУД
Направленное изменение химических свойств— изменение раствори-
мости и устойчивости к реагентам, характера адсорбции и адгезии
с целью интенсификации или изменения процессов растворения и фло-
тации.
Сущность направленного изменения химических свойств заклю-
чается в том, что после различного воздействия на минералы изме-
няются их кристаллохимические особенности, размер, химический состав
и структурные особенности поверхностного слоя. Зависимость хими-
235
ческих свойств минералов, веществ от особенностей строения их зерен
приведена в табл. 12.1. Если в минералы входят оксиды щелочных
металлов и (или) щелочноземельных элементов, то они подвержены
действию кислот или жидкостей, содержащих кремний. Минералы, со-
держащие ZrO2, SiO2, А120з, Сг20з, ThO2, HfO2, TiO2, SnO2, обладают
большей устойчивостью к действию кислот или кремнийсодержащих
жидкостей и меньшей — к действию оснований и основных шлаков.
Минералы несовершенной структуры или с разупорядоченным располо-
жением ионов растворяются лучше, чем те же минералы совершенной
структуры. При этом растворимость зависит от температуры.
Обычно направленное изменение химических свойств изучают путем
сравнения коэффициента растворимости или флотируемости с исходными;
на основании этого выбирают наиболее подходящие условия предвари-
тельной обработки вещества, которые переносят из лабораторных
условий в промышленные.
Чтобы увеличить растворимость минерала, необходимо увеличить
степень несовершенства его структуры и площадь поверхности, что
достигается измельчением минерала (см. табл. 12.2). Так как наибольшее
влияние на растворимость оказывает несовершенство структуры мине-
рала, то измельчение проводят в сухой воздушной среде. Растворимость
вещества изменяют, варьируя температуру растворения. Изменяя при
нагревании степень упорядоченности расположения ионов в структуре,
можно уменьшать или увеличивать растворимость минералов: чем больше
степень структурного упорядочения-; тем меньше растворимость минерала.
Растворимость минералов уменьшается, если имеются компоненты,
покрывающие их поверхность или осаждающиеся во время реакции на
поверхности минерала и поэтому тормозящие их растворение.
Для улучшения флотируемости минерала необходимо из-
менить:
структурное состояние поверхностного слоя (см. табл. 12.2), что
достигается ультразвуковым воздействием (или, например, радиационной
метамиктизацией циркона);
химический состав и структуру поверхностного слоя минерала
посредством его химической обработки (например, берилла щелочью),
характер сорбции флотореагента на минерале путем варьирования
pH среды;
адгезию между частицами одного или разных минералов, добавляя
в пульпу различные вещества, в том числе мелкодисперсные;
характер дробления, добиваясь селективного вскрытия минералов.
12.4.	НАПРАВЛЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
И КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ МИНЕРАЛОВ
Полное или частичное направленное изменение химического состава
(или структуры) минералов проводят с помощью теплового, механи-
ческого, химического, ультразвукового воздействия с целью извлечения
236
элементов, повышения контрастности или изменения свойств минералов
в процессе переработки руды.
За полное изменение химического состава (или структуры) при-
нимается преобразование всей массы вещества, за частичное—изме-
нение состава (или структуры) поверхностного слоя или только части
массы исходного вещества. Сущность изменений заключается в фа-
зовых переходах и равновесиях, изменениях валентности ионов в зави-
симости от температуры, давления и др. Пользуясь табл. 12.3, можно
в зависимости от цели обогащения руды выбрать способ направленного
воздействия и наметить пути вариации условий такой обработки. Полное
изменение структуры минералов обычно достигается повышением тем-
пературы и давления и является промежуточной стадией между обогаще-
нием и металлургией. Полное изменение химического состава проводят
для синтеза новых минералов с разделением химических элементов
руды. Ликвация расплавов — наиболее эффективный способ се-
парирования и избирательного концентрирования рудных компонентов;
при этом полнота извлечения регулируется средой (окислительные или
восстановительные условия) и флюсом.
Например, ликвационную плавку используют для получения феррониобия
из расплава танталониобиевых концентратов. В Бразилии при переработке
пирохлорового концентрата добавляют в шихту в качестве восстановителя алю-
миний, в качестве флюса известь и флюорит. Для получения феррониобия
добавляют железо в виде гематита. Иногда ликвационную плавку проводят в два
этапа: в Японии для производства феррониобия используют в качестве исходного
материала чугун, полученный из восстановительной плавки железной руды и
содержащий до 10% ниобия. При переработке сильно ожелезненных бокситов,
состоящих из тонкодисперсных гематита, гиббсита, бемита, каолинита, приме-
няют плавку в восстановительных условиях, добавляя древесный уголь, в ка-
честве флюсов — известь, разделяя железо и алюминий в разные продукты:
чугун, кальциевые силикаты и алюминаты. Из синтетических кальциевых
минералов извлекается алюминий.
Вещества, содержащие выделяемый из руды элемент, получают
путем спекания минерала с карбонатами, оксидами и др. Так, путем
спекания с известью получают растворимые в щелочи кальциевые
тапталониобаты или кальциевые силикаты. Температура и выход про-
дуктов синтеза сильно зависят от предварительной подготовки руды:
характера измельчения и фазового состава смеси. Поэтому состав
продуктов реакции и температуру синтеза фаз изменяют, используя
табл. 12.3 и выбирая мокрое или сухое измельчение, определенные
добавки и т. д. Для изменения химического состава минерала с целью
изменения его свойств или извлечения из него полезного компонента
используют селективное растворение и ионный обмен. Так, при обра-
ботке ионообменных силикатов растворами кислот переводят в раствор
алюминий, цирконий и другие анионообразующие элементы образо-
ванием высококремнистого остатка.
Например, путем кислотной обработки последовательно удаляют
из мусковита межслоевые катионы, затем А1 из октаэдрического и тет-
раэдрического слоев. Образовавшаяся матрица SiO2 после растворения
237
в кислоте ионообменных силикатов отличается от силикагеля по тепло-
и электропроводности, пористости и обладает высокой реакционной
способностью. Последнее используется для направленного изменения
химических реакций. Ионный обмен — замена ионов в цеолитах —
изменяет их сорбционные свойства, и это используется затем в техно-
логии извлечения полезных компонентов из раствора.
Вместо вскрытия танталониобатов может быть применено кислотное
декатионирование с переводом редких земель и других катионов группы А
в раствор. Декатионированную матрицу используют непосредственно
в качестве сырья для получения феррониобия.
Химический состав минерала можно изменить путем изменения
вида и массы сорбированного вещества, что достигается нагреванием
(в том числе в вакууме) или измельчением вещества. Это подтверждают
табл. 12.6 и 12.7, в которых приведены результаты сорбции воды на
поверхности кварца и цеолита. При этом различное содержание аморфной
фазы кварца (см. табл. 12.6) может быть достигнуто его измельчением.
Химический состав поверхностного слоя минерала изменяется при его
химической (электрохимической)' обработке, и это изменяет флотацион-
ные свойства минерала (например, берилла, обработанного щелочью).
Таблица 12.6
Адсорбционные и структурные характеристики кварцевых порошков
Обра- зец	Удельная поверх- ность, 103 м2/г	Содержание аморфной фазы, %	Т олщина аморфного слоя, 1О-10 м	Необратимая адсорбция, мкмол ь/м2	Температура прокаливания, К	Степень гидратации поверхности, мкмол ь/м2
1	50,8	50	45	0,7	473 573	5,8 5,3
2	53	45	39	0,9	473 573	6,7 5,4
3	31,7	28	40	1,7	473 573	9,9 7,4
4	2,4	10	190	—	473 573	12,4 8,2
Таблица 12.7
Содержание цеолитной воды в различных катионных формах клиноптилолита
Катионная форма	Ионный радиус катиона, 10" lrt м	Плотность цеолита, кг/м3	Массовая доля воды, %	Объемная доля воды, %
Li	0,60	2130	15,7	32,4
Na	0,95	2150	13,4	28,4
К	1,33	2190	12,0	26,2
Rb	1,48	2370	10,2	24,2
. Cs	1,69	2500	9,0	22,5
Са	0,99	2200	14,0	30,8
Sr	0,13	2240	13,5	30,2
Ba	1,35	2300	12,6	’ 29,0
238
Для изменения всех или некоторых свойств минерала используют
нагревание, давление, химическое воздействие, которые изменяют струк-
турные особенности минерала. При нагревании при разном давлении
кварц переходит в |3-кварц, стишовит, тридимит; при измельчении каль-
цит переходит в арагонит, а пирротин разлагается с выделением эле-
ментной серы.
13.	МЕТОДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА МИНЕРАЛЬНОЕ СЫРЬЕ
13.1.	УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
Ультразвуковое воздействие (ультразвуком различной частоты)
применяют для повышения контрастности подлежащего переработке
или разделению минерального сырья. Его применяют для изменения
флотационных, гравитационных, магнитных и электрических свойств
поверхности минералов, интенсификации выщелачивания рудных пульп,
получения эмульсий флотореагентов и других процессов.
Звуковые колебания подразделяют следующим образом:
Звуковые колебания Инфразвуки Слышимые звуки Ультразвуки
Частота, Гц	<15	16—20	>20
Ультразвук в зависимости от способа получения и применения
в процессах обогащения и гидрометаллургии может быть различной
частоты: низкой (20—100 кГц), высокой (0,1 — 10МГц) и сверхвысокой
(гиперзвуки) (10—1000 МГц).
Для энергетического воздействия на минеральное сырье применяют
ультразвуки практически всех частот.
Основными источниками ультразвука низких частот служат магни-
тострикционные преобразователи электрической энергии в энергию упру-
гих колебаний, принцип работы которых основан на изменении под
действием переменного магнитного поля геометрических размеров
магнитостриктора — трансформатора и: ферромагнитного материала
(никель, кобальт и др.). Для получения колебаний в большом объеме
жидкости трансформатор преобразователя оканчивается мембраной
(преобразователи типа ПМС-38, ПМС-58А с равномерным полем излу-
чения). Для питания преобразователей служат ультразвуковые генера-
торы на тиристорах УЗГ2-4. Высокую интенсивность ультразвука можно
получить с помощью кольцевых магнитострикционных преобразова-
телей типа ЦМС-18. На обогатительных предприятиях применяют
также роторно-импульсные установки, представляющие собой пару
дисков с профрезерованными зубьями (один диск вращается, а другой
неподвижен). Такие устройства устанавливают в корпусах насосов
типа ЯНЗ, ЗКМ, НКУ и др.
Ультразвуковую обработку минерального сырья применяют чаще
всего перед электрической и магнитной сепарацией. Так, обработка
239
пульпы улучшает условия электрической сепарации титано-циркониевых
песков. Под влиянием ультразвука изменяются магнитные свойства
минералов, содержащих примеси сильномагнитных продуктов (циркон,
роговая обманка, ильменит и др.), что позволяет регулировать процесс
магнитной сепарации.
При ультразвуковой обработке вместе с изменением поверхности
обрабатываемых частиц наблюдается некоторая их дезинтеграция и
увеличение удельной магнитной восприимчивости. Так, при обработке
циркона и ильменита в течение 16 мин доля фракции минус 0,038 мм
для различных месторождений увеличилась на 1—2%, а удельная маг-
нитная восприимчивость возросла в 1,5—2 раза. Вместе с этим увели-
чивается и электросопротивление. При этом максимальный его прирост
наблюдается при температуре 150—200° С.
Изменение поверхности разделяемого материала позволяет заметно
улучшить результаты гравитационного разделения. Это особенно за-
метно при гравитационном обогащении гранатового продукта, содер-
жащего танталониобаты (табл. 13.1).
Эффект ультразвукового воздействия на гидрометаллургические
процессы происходит при наличии кавитации и интенсивности ультра-
звука 4—5 Вт/см2.
В опытах по растворению меди в аммиачные растворы под влиянием
ультразвука достигнуто ускорение в 3—4 раза. Значительное ускорение
гидрометаллургических процессов получено в ваннах с преобразователем
ПМС-15А-18 при повышенном статическом давлении. Для интенсифи-
кации автоклавно-содового выщелачивания разработана акустическая
установка, которая позволила вдвое уменьшить расход соды и сократить
продолжительность выщелачивания шеелитовых концентратов. Примене-
ние ультразвука в опытах по выщелачиванию природного криолита
в растворе едкого натра (25,8 г/л) при Т:Ж=1:24 в течение 30 мин
повышает растворимость криолита на 5%.
Для работы на высоких частотах (свыше 400 кГц) отечественная
промышленность выпускает следующие ультразвуковые генераторы:
УЗГ-В10 с пьезокерамическими преобразователями (частота 440 кГц,
Таблица 13.1
Результаты гравитационного обогащения гранатового продукта, %
Продукт	Выход	Та2О5		Sn	
		Содержание	Извлечение	Содержание	Извлечение
Концентрат	9,9/11,1	8,09/7,97	83,4/92,2	32,12/32,59	91,1/95,7
Промпродукт	37,1/37,9	0,34/0,09	13,2/3,5	0,73/0,25	7,8/2,5
Хвосты:					
I	34/40,8	0,06/0,06	2,1/2,6	0,076/0,12	0,7/1,3
II	19/10,2	0,06/0,06	1,3/0,7	0,077/0,2	0,4/0,5
Исходный	100/100	0,96/0,96	100/100	3,49/3,78	100/100
Примечание. В числителе приведены данные без обработки, в знаменателе — после
ультразвуковой обработки.
240
выходная мощность 10 кВт); УЛГ-2 с частотами от 150 до 2880 кГц;
УП2-2 с частотой 400 кГц.
Для лабораторных исследований ультразвуковой генератор с диа-
пазоном частоты 0,5—3 МГц и мощностью 100—400 Вт несложно изго-
товить по схеме, предложенной В. Краснюком. С целью повышения
мощности генератора по схеме В. Краснюка радиолампы бПЗс следует
заменить, например, на радиолампы ГУ-80, заменив также силовой
трансформатор на более мощный. Для работы с такими генераторами
используют пьезоэлектрические излучатели различной формы, в основ-
ном плоские пластины круглой формы из кварца, титаната бария,
титаната-цирконата свинца (ЦТС). Обычно плоскую пьезоэлектрическую
пластину крепят в кварцедержателе и подключают к ультразвуковому
генератору.
Для использования ультразвука в агрессивных средах наибо-
лее пригодны преобразователи из пьезокерамического материала типа
ЦТС, изготовленные по следующему методу: к обеим поверхностям
пьезокерамической пластинки по краям припаивают тонкие медные
проводки, которые затем объединяют в виде двух подводящих изолиро-
ванных проводников для подключения к генератору. Далее пьезокера-
мический излучатель помещают в стаканчик из изоляционного мате-
риала и покрывают эпоксидной смолой; при этом верхняя, излучающая
сторона пластины покрывается слоем эпоксидной смолы толщиной
не более 0,5 мм. Изготовленный преобразователь помещают в сосуд
водой и включают ультразвук: о наличии колебаний судят по фон-
танчику жидкости в сосуде. Такой преобразователь надежно работает
до полного износа эпоксидного защитного слоя, который легко восста-
навливается.
Ультразвуки высоких частот находят широкое применение при фло-
тационном обогащении. Даже полученная с помощью ультразвука
низкой частоты флотоэмульсия приобретает флотоактивность после об-
работки ультразвуком высокой частоты. Еще больший эффект получен
при обработке пульпы ультразвуком мегагерцевого диапазона во фло-
токамере. С этой целью ультразвуковой пьезокерамический преобразо-
ватель помещают во флотокамеру и с помощью подводящих проводов
от генератора поддерживают в подвешенном состоянии. В случае заили-
вания излучающей поверхности преобразователь крепится на подвесе и
получает дополнительные колебания частотой 1—2 Гц от электродвига-
теля. Пульпу обрабатывают ультразвуком во флотокамере как во время
контактирования с реагентами, так и во время флотации.
Установлено, что при флотационном обогащении полезных ископае-
мых с помощью ультразвука высокой частоты при обработке пульпы во
флотокамере, опробированном на различных видах труднообогатимого
редкометалльного сырья (например, бериллийсодержащей руды), ка-
чество концентрата повышается на 35—40%, а извлечение на 40—
50%. На обогатительной фабрике несколько пьезокерамических преоб-
разователей устанавливают в резервуаре питателя для обработки фло-
тореагентов либо пульпу обрабатывают в контактном чане. Ультразвуки
241
Рис. 13.1. Зависимость намагниченности
о образцов от напряженности Н магнит-
ного поля:
1, 2; Г, 2' образцы лимонита и гема-
тита соответственно до и после электро-
магнитной обработки
Рис. 13.2. Зависимость извлечения е
мушкетовита (/) и магнетита различ-
ных месторождений (2, 3) от продолжи-
тельности / электрохимической обра-
ботки при магнитной сепарации
высоких частот позволяют интенсифицировать процесс флотации в
колонной флотомашине. Благодаря акустическому успокоителю в виде
цилиндрического пьезокерамического преобразователя внутри колонны
на пути прохождения воздушных пузыриков от аэратора исключается
образование воздушных пробок и значительно снижается турбулизация
потока, что повышает качественные показатели процесса флотации.
13.2.	КАТОДНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Метод катодной поляризации основан на кратковременном заряже-
нии поверхности минералов в потоке пульпы, регулировании окисли-
тельно-восстановительного потенциала и ионного состава жидкой фазы.
В условиях бездиафрагменной катодной поляризации при контакте по-
верхности минералов с отрицательным электродом и взаимодействии с
электролитическим водородом протекают электрохимические реакции,
приводящие к растворению поверхностной пленки гидроксидов железа
и переводу трехвалентного железа в двухвалентное состояние (при
электродном потенциале <р=— 0,33 В) с последующим восстановлением
его до металла (<р= 1,18 В)
Кроме того, при электрохимической обработке пульпы имеется
вероятность протекания реакции взаимодействия гидроксида и гидроза-
киси железа с образованием магнетита. Образование суспензии частиц
магнетита (Fe3O4) может способствовать созданию дополнительных
магнитных центров флокуляции железных минералов из шламов, что
позволит увеличить их выход в концентрат при магнитной сепарации.
242
Рис. 13.3. Принципиальная схема лабо-
раторной установки для катодной об-
работки пульпы:
1 — трансформатор; 2 — выпрямительный
диодный мост; 3 — мешалка; 4 — сетка;
5 — стакан
Изучение изменений удельной намагниченности минералов, прово-
димое на различных минералах (магнетит, мушкетовит, гематит, ли-
монит) баллистическим методом, показало, что в условиях катодной
поляризации намагниченность увеличивается на 10—50%.
Электрохимическая обработка способствует нарастанию намагни-
ченности как у лимонита, так и гематита при всех напряженностях
магнитного поля (рис. 13.1).
Как следствие роста намагниченности железных минералов при
поляризации улучшаются технологические показатели их магнитной
сепарации. При мокрой магнитной сепарации мушкетовита в поле с
напряженностью //=160 кА/м после электрохимической обработки в
течение 10 мин, £/=10 В, извлечение минерала возрастает на 8%
(рис. 13.2) Катодная поляризация магнетита также способствует уве-
личению извлечения при магнитной сепарации (// = 60 кА/м).
В лабораторных условиях электрохимическая обработка пульпы
осуществляется в стаканах из нержавеющей стали объемом 70, 400 и
1000 мл при Т:Ж=1:1, 1:3 и 1:8 (рис. 13.3).
К корпусу стакана подводится отрицательный полюс источника тока
(катодная обработка), а положительным электродом служит сетка из
нержавеющей стали.
После электрохимического кондиционирования при различных изме-
нениях времени и напряжения пульпа подвергается мокрой магнитной
сепарации в слабом и высокоинтенсивном поле.
Исследования, проведенные на магнетито-гематитовой руде, содержащей
35,3% железа, показали, что при обогащении ее на лабораторном анализаторе с
напряженностью магнитного поля 160 кА/м возможно выделить концентрат, со-
держащий 50,2% Fe при извлечении 31,1%. Введение катодной поляризации
при обработке в течение 10—15 мин и напряжении 5—10 В позволяет интенси-
фицировать магнитную сепарацию, повысить качество концентрата до 52,7 Fe и
увеличить извлечение более чем на 2%.
Установлено положительное влияние электрохимической обработки пульпы на
результаты мокрой магнитной сепарации для окисленной руды, содержащей
42,7% Fe06ui и 9,2% FeMani- Из данной руды при наложении магнитного поля напря-
женностью 716 кА/м выделено 46,3% концентрата при извлечении железа
89,4%. Увеличение напряженности магнитного поля до 955—114 кА/м способству-
ет повышению извлечения до 90—92,8%. Введение катодной поляризации дает
прирост извлечения, который! для оптимального времени обработки 3 мин соста-
вляет 2,5—4,8% при различной магнитной индукции сепаратора.
Результаты лабораторных исследований подтверждены полупро-
мышленными испытаниями на установке производительностью 85 кг/ч,
а также промышленными испытаниями.
Для этого на секции обогатительной фабрики был установлен кон-
диционер ЭКП-2 вместимостью 2 м3 После кондиционирования продукт
поступал на сепаратор с магнитным полем около 0,73 Т. Время обра-
243
ботки составляло 1—3 мин, объемная плотность тока zl/=15 —25 А/м3,
U= 10-25 В.
Опытно-промышленные испытания показали возможность при пере-
работке окисленных руд повысить извлечение железа в концентрат с
71,4 до 74% при том же качестве концентрата 52,2% (аЕе = 36,4%).
13.3.	ХИМИКО-ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД
Если в рудах помимо гематита, мартита и гидроксидов железа со-
держатся его карбонаты (сидерит, сидероплезит и др.), то одной эле-
ктрохимической обработкой не удается получить необходимого магне-
тизирующего эффекта.
Для этих целей наиболее эффективен комбинированный химико-
электрохимический метод, представляющий собой совмещение выщела-
чивания сидерита едким натром с катодной поляризацией пульпы, а
окисления — с анодной поляризацией. Метод позволяет в 10—20 раз
уменьшить расход едкого натра, снизить продолжительность обработки
до 20—25 мин (вместо 4 ч), а также исключить окислители и подогрев
пульпы.
Минералы обрабатывают при Т:Ж=1:3 в аппарате бездиафрагмен-
ного типа с электродами из стали при соотношении рабочего к вспомо-
гательному 5:1 Расход едкого натра составляет 50% от стехиометри-
чески расчетного объема по отношению к сидериту. Катодную и анод-
ную поляризацию пульпы проводят последовательно (10 и 15 мин соот-
ветственно), что достигается изменением полярности электродов. При
проведении химической обработки аппарат используется как мешалка;
окисление осуществляется барботированием суспензии воздухом при
расходе 0,04 м3/ч. В процессе электрохимической обработки едкий
натр не используется.
При разработке режима магнетизирующей обработки сидерита
оптимизация стадии выщелачивания достигается катодной поляриза-
цией при расходе электроэнергии 0,5 кВт-ч/т, когда его магнитная
восприимчивость после увеличения в 5 раз по сравнению с исходной в
дальнейшем практически остается постоянной. Последующая стадия
окисления — определяющая в модификации магнитных свойств сидери-
та химико-электрохимическим методом.
Максимальное извлечение (82%) сидерита наблюдается после его
обработки выщелачиванием в вышеуказанном режиме и окислении
анодной поляризацией при расходе электроэнергии 0,5 кВт-ч/т.
Удельная магнитная восприимчивость сидерита после обработки в
оптимальных режимах выщелачивания и окисления повышается с
1,5-10-6 до 28 • 10~6 м3/кг
Учитывая, что в железорудном сырье помимо сидерита, как правило,
присутствует магнетит, гематит, мартит и гетит, исследуют влияние
химико-электрохимической обработки на изменение их магнитных
свойств и фазового состава.
Для мартита характерно примерно одинаковое приращение на-
244
Таблица 13.2
Изменение фазового состава и магнитных свойств минералов после химико-электрохимической обработки
Минеральная фракция	Фазовый состав, %		Н= 159 кА/м		// = 677 кА/м		Выход маг- нитной фрак- ции, %
	До обработки	После обработки	о, А-м2/кг	х, 10 6 м3/кг	о, А•м2/кг	х, Ю 6 м3/кг	
Сидерит	Сидерит 100	Сидерит 90, магнетит 6,5—8, гетит4- 4- гидрогетит	0,23/4,4	1,4/28	0,88/6,12	1,3/9	2,2/79
Магнетит	Магнетит 97, гематит 3	Магнетит 35, гематит 60, гетит 5	66,48/19,8	410/130	75,4/25,5	110/38	100/95
Мартит	Мартит 99,5, магнетит 0,5	Мартит 97, магнетит 3	0,65/2,4	4,1/15	1/2,97	1,5/4,4	29,8/35
Гематит	Гематит 100	Гематит 100	0,64/0,6	4/3,8	0,99/0,95	1,5/1,3	18/20
Гетит	Гетит 85, гематит 15	Гетит 10, гематит 85, тонкодисперсная фаза гидроксидов 5	0,04/0,13	0,25/0,83	0,14/0,28	0,21/0,41	0/1,9
Примечания: 1. Выход магнитной фракции определяли для магнетита при напряженности 56 кА/м, для остальных минералов —
при 80 кА/м. 2. В числителе приведены намагниченность и удельная магнитная восприимчивость до обработки, в знаменателе — после
обработки.
магниченности, которая после обработки повышается в 2,4 раза при
159 кА/м. Невысокая природная намагниченность гетита после химико-
электрохимической обработки изменяется незначительно. Намагничен-
ность гематита в изученных режимах обработки практически не
изменяется.
Фазовый состав и магнитные свойства исследуемых минералов после
химико-электрохимической обработки пульпы изменяются (табл. 13.2).
После измельчения сидеритизированных железистых кварцитов
до 98% класса 0,05—0 мм рудную пульпу подвергали химико-электро-
химической обработке в щелочной среде при Т:Ж=1:3 в аппарате с
соотношением рабочего и вспомогательного электродов 5:1 при после-
довательном проведении катодной(iv = 5• 10-4 А/м3, /=15 мин) и
анодной (iv = 10”3 А/м3, /= 15 мин) поляризации.
Оптимальный расход едкого натра — 250 кг/т. С увеличением расхо-
да снижается не только коэффициент его использования, но и качество
концентрата. При использовании в процессе обработки отработанного
раствора едкого натра его расход сокращается.
Особенности изменения магнитных свойств минералов положены в
основу схемы магнитного обогащения железных руд, которая включает
мокрую магнитную сепарацию при 0,1 Тл (ММС) с выделением кон-
центрата, преимущественно содержащего магнетит. Немагнитную фрак-
цию подвергают магнетизирующей обработке и направляют на полигра-
диентную магнитную сепарацию при 0,5 Тл (ПМС-1) с получением от-
вальных хвостов и магнитной фракции, поступающей на перечистку
при 0,3 Тл (ПМС-П) Немагнитную фракцию последней возвращают в
операцию обработки. Магнитные фракции ММС и ПМС-П объединяют
в суммарный концентрат.
При обогащении сидеритизированных железистых кварцитов при
различных режимах наиболее эффективно комбинирование химического
метода с электрохимическим (табл. 13.3).
Таблица 13.3
Результаты магнитного обогащения сидеритизированных кварцитов Южно-
Лебединского месторождения после обработки в различных режимах, %
Режим	Выход	Содержание		Извлечение	
		I" Собщ	СО2	F Соб in	со2
Без обработки Обработка:	47,8	52,02/60,03	8,6	72,2	66,5
электрохимиче- ская	42,8	55,8/64,72	8,69	66,5	59,5
химическая	45,5	51,6/59,63	8,73	66	66
комбинирован- ная химико- электрохимиче- ская	51,6	54,6/63,72	9,18	78,7	78
Примечания: 1. В числителе приведено содержание РеОбЩ без учета потерь при
прокаливании, в знаменателе — с учетом потерь. 2. Содержание общего железа в
исходной руде составляло 35,62%; СО2 6,21%.
246
13.4.	ГИДРОФОБИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ МИНЕРАЛОВ ЭЛЕМЕНТНОЙ
СЕРОЙ
Гидрофобизация поверхности минералов элементной серой — техно-
логический процесс (метод), предназначенный для повышения извлече-
ния полезных минералов путем создания условий максимального по-
крытия минеральной поверхности элементной серой при минимальном
расходе органических реагентов.
Сущность метода гидрофобизации элементной серой заключается
в окислении сульфид-ионов кристаллической решетки минерала, суль-
фид- или гидросульфид-ионов, сорбированных на минеральной поверх-
ности из жидкой фазы флотационной пульпы, и образовании в резуль-
тате электрохимического процесса элементной серы. Элементная сера
обладает естественной флотоактивностью и при закреплении на мине-
ральной поверхности создает на ней гидрофобный слой, способствующий
повышению флотоактивности минерала как в присутствии собирателя,
так и без него.
Путем регулируемого окисления сульфид- или гидросульфид-ионов
на минеральной поверхности в определенных условиях создается макси-
мальное покрытие элементной серой. При этом условия образования
максимального покрытия для различных минералов не одинаковы, что
дает возможность их селективного флотационного разделения.
Основной параметр, определяющий интенсивность реакций
окисления сульфид-ионов,— электрохимический потенциал минеральной
поверхности (ЭХП), который определяет содержание и устойчивость
образованной элементной серы. Поскольку ЭХП для различных мине-
ралов неодинаков, содержание и устойчивость элементной серы на их
поверхности также отличаются, что приводит, в свою очередь, к раз-
личной флотоактивности минералов.
Различие флотационной активности минералов усиливается тем,
что наряду с образованием элементной серы на их поверхности обра-
зуются специфичные для каждого минерала кислотосодержащие соеди-
нения серы.
При окислении минеральной поверхности до элементной серы пре-
имущественно протекают химические реакции, стандартный потенциал
которых близок к электрохимическому потенциалу свежеобнаженной
или свежеобразованной сульфидной поверхности.
Например, по убывающему значению стандартных потенциалов соот-
ветствующих реакций образования элементной серы некоторые минералы рас-
полагаются в ряд (пирит, галенит, халькопирит, сфалерит), соответствующий
их флотационной активности и каталитическому влиянию на скорость окис-
ления сернистого натрия. Отсюда вытекает принципиальная возможность пря-
мой последовательной флотации указанных минералов из руд, реализация
которой имеет смысл, если размеры сростков минералов друг с другом и пустой
породой примерно одинаковы.
Различие в флотационной активности минералов усиливается в
присутствии сернистого и гидросернистого натрия (источников суль-
247
Рис. 13.4. Области максимальной фло-
тируемости сульфидных минералов в
присутствии сернистого натрия и бути-
лового ксантогената при pH 9:
1 — галенит; 2 — пирит; 3 — сфалерит, ак-
тивированный медным купоросом; 4
халькопирит
Рис. 13.5. Зависимость расхода Na2S
в мельницу Q от концентрации С сер-
нистого натрия в сливе мельницы:
1—4 свинцово-медно-цинково-пиритныс ру-
ды различных месторождений; 5 медно-
молибденово-пиритная руда
фид- и гидросульфид-ионов) особенно при определенном соотношении
равновесной остаточной концентрации сернистого натрия Ср с исход-
ной остаточной концентрацией собирателя С (рис. 13.4).
Возможность поддержания требуемой остаточной концентрации
сернистого натрия в процессе флотации зависит главным образом
от поглотительной способности его. рудной пульпой. В лабораторных
условиях оптимальный расход сернистого натрия определяется по на-
хождению точки перегиба кривой зависимости его остаточной концент-
рации в сливе мельницы от массы исходной загрузки реагента в мель-
ницу (рис. 13.5). Остаточную концентрацию сульфид-ионов в сливе
мельницы или в любой другой точке флотационного процесса опреде-
ляют с помощью потенциометрического метода, в котором используют
стандартный потенциометр, сульфид-серебряный (аргентитовый) элек-
трод в паре с каломельным или хлор-серебряным электродами.
Остаточную концентрацию сульфид-ионов определяют с помощью
градуировочных кривых, построенных в координатах: потенциал арген-
титового электрода — концентрация сульфид-ионов. Градуировочные
кривые строят по результатам измерений приготовленных растворов
сернистого натрия с известными концентрациями сульфид-ионов.
После определения необходимого расхода сернистого натрия в мель-
ницу при оптимальной степени измельчения подбирается рёагентный
режим флотации, зависящий от минерального состава руды, с использо-
ванием метода математического планирования эксперимента.
248
Руда
Регулирование подачи Nc^S-
Измельчение
Ост. конц. S2 -20S0 w/a
Классификация
FeSO4
Контроль
ОВП^ЭХП
Перемешивание
КХ, масло
Свинцовая флотация
pH 0-/0
H2SO4 или соль
слабого основа-
ния и сильной
кислоты
। у.
Перемешивание
Свинцовый,
концентрат
КХ, масло
~~~~~~
Медная флотация
известь, КХ
” г
Цинковая флотация
Медный Цинковый	va
концен-	концен-	^Хвосты
трат	трат
Рис. 13.6. Схема и режим прямой селективной флотации свинцово-медно-цин-
ковых руд
Для руд, содержащих свинцовые, медные и цинковые минералы,
по предлагаемой методике проводится прямая последовательная фло-
тация свинцовых, медных и цинковых минералов непосредственно из
руды после ее измельчения в присутствии сернистого натрия, дозируе-
мого исходя из оптимальной остаточной концентрации его в сливе
мельницы. В контактирование перед свинцовой флотацией подается
железный купорос по оптимальному значению pH свинцовой флотации,
которое находится в пределах 9,5—10,5.
При постоянном расходе железного купороса (выбирается оптимальный рас-
ход по результатам анализа первой серии опытов) подбирается оптимальный
249
расход цианистого калия, затем при оптимальном расходе последнего уточня-
ются расход ксантогената и продолжительность флотации.
После уточнения реагентного режима свинцовой флотации в оптимальных
условиях на хвостах свинцового цикла проводится флотация медных мине-
ралов. В цикле медной флотации уточняют следующее:
расходы кислоты или соли, образованной сильными кислотами и слабыми
основаниями (серная кислота, цинковый купорос, сульфат аммония, сульфат на-
трия и др.) при контакте пульпы с указанными реагентами в течение 3 мин, имея
в виду, что оптимальное значение pH медной флотации находится на уровне
7,8—8,5. При выборе регулятора для снижения pH в цикле медной флотации
расход бутилового ксантогената поддерживается 10 г/т и диметилфталата 20—
30 г/т в зависимости от качества ценообразования;
расход бутилового ксантогената;
продолжительность медной флотации.
При оптимальных режимах свинцового и медного циклов хвосты медной
флотации направляют на цинковую флотацию. Режим цинковой флотации
стандартный; подбирается расход извести и медного купороса, а также ксанто-
гената и дитиофосфата.
Схема и режим прямой последовательной флотации свинцовых, медных
и цинковых минералов представлены на рис. 13.6.
При исследовании пиритно-медно-молибденовых руд в цикле пи-
ритной флотации уточняется оптимальная остаточная концентрация
сернистого натрия в сливе мельницы, расход бутилового ксантоге-
ната, диметилфталата и продолжительность пиритной флотации. В цик-
ле медной флотации уточняют расходы бутилового ксантогената и ди-
метилфталата и продолжительность флотации. Молибденит флотируют с
добавлением керосина и диметилфталата. Для улучшения показателей
селективной флотации полезен подогрев пульпы до 80° С, электрохими-
ческая обработка для регулирования интенсивности образования
элементной серы на минеральной поверхности.
В ряде случаев может быть эффективна коллективная флотация
всех сульфидов из полиметаллических руд, особенно при наличии
более тонкого прорастания сульфидных минералов между собой, чем
их прорастания с пустой породой. В этих случаях коллективный кон-
центрат доизмельчают в среде сернистого натрия, дозируемого по его
остаточной концентрации в сливе мельницы. При этом остаточная
концентрация сульфид-ионов в сливе мельницы должна быть примерно
в 10 раз выше, чем при дозировании сернистого натрия в рудные мель-
ницы по технологии прямой последовательной флотации. Схема и
реагентный режим последовательной флотации минералов из коллектив-
ного концентрата аналогичны прямой последовательной флотации
минералов непосредственно из руды.
Для обогащения полиметаллических руд всех типов весьма эффек-
тивен метод ведения и контроля флотации сульфидных минералов по
оптимальным окислительно-восстановительному и электрохимическому
потенциалам.
Оптимальные электрохимический потенциал минеральной поверхно-
сти и окислительно-восстановительный потенциал жидкой фазы флота-
ционной пульпы, при которых на минералах образуется элементная
сера, зависят в основном от вещественного состава рудного сырья,
250
Рис. 13.7. Область термодинамически
устойчивого (/) и метастабильного (//)
состояния элементной серы на мине-
ральной поверхности в координатах
Eh—pH
Eh,В
применяемых флотационных реагентов и состава воды. Каждый узел
технологического процесса флотации характеризуется определенным
потенциалом.
Электрохимический потенциал минеральной поверхности определя-
ется сульфид-серебряным или аргентитовым электродом. Окисли-
тельно-восстановительный потенциал жидкой флотационной пульпы
определяется платиновым электродом в паре с каломельным или
хлор-серебряным электродом.
Для измерений в лабораторных условиях, которые желательно
проводить непосредственно в камере флотомашины, помимо электро-
дов, требуются лишь обычный стандартный потенциометр и иономер,
выпускаемые отечественной промышленностью.
Для укрепления электродов во флотокамере из пластмассы сле-
дует изготовить специальные ячейки, в которые помещают каломель-
ный (хлор-серебряный), платиновый, аргентитовый (сульфид-серебря-
ный), стеклянный электроды с целью одновременного и непрерывного
измерения электрохимического, окислительно-восстановительного по-
тенциалов и pH.
Значения электрохимического потенциала, при котором на мине-
ральной поверхности образуется элементная сера, в координатах
«Eh — pH» приведены на рис. 13.7
Для регулирования потенциалов, обеспечивающих максимальное
извлечение минералов в процессе флотации, предложены реагенты
(например, гидросульфид и сульфид натрия, тиосульфат и пиросуль-
фат натрия и их сочетания и др.)
С целью приведения окислительно-восстановительного и электрохи-
мического потенциалов в соответствие с рис. 13.7, помимо применения
сернистого натрия и других регуляторов-восстановителей, разработан
ряд мероприятий, внедрение которых может быть полезным как при
проведении исследований, так и при работе обогатительных фабрик.
К ним относят:
загрубление измельчения в рудном цикле с последующим стадиаль-
ным измельчением и флотацией;
251
выделение сульфидных минералов из промежуточных продуктов с
целью снижения продолжительности их циркуляции при обогащении;
выбор флотомашин с регулируемой подачей воздуха, обеспечи-
вающих минимальное окисление сульфидных минералов;
выбор схемы и режима измельчения руд, обеспечивающих умень-
шение циркулирующих нагрузок и окисления сульфидных минералов;
электрохимическое воздействие на поверхность сульфидных мине-
ралов постоянным током в катодном или анодном режиме, обеспечи-
вающем образование элементной серы;
применение реагентов, связывающих растворимые соли для ликви-
дации последствий избыточного окисления сульфидных минералов.
13.5.	МЕХАНИЧЕСКОЕ АКТИВИРОВАНИЕ
Механическое активирование как метод интенсификации техно-
логических процессов переработки минерального сырья основано на
изменении энергетического состояния и повышении реакционной спо-
собности минералов путем создания дефектов в кристаллической струк-
туре. Наиболее широко для этих целей используется активирование
измельчением.
Основным нарушением структурной упорядоченности и аккумули-
рования энергии является пластическое деформирование решетки мине-
ралов при механических воздействиях, в результате чего уменьшаются
размеры кристаллов и нарастают микроискажения, возникают ва-
кансии и межузельные атомы, дислокации, разорванные связи, ради-
калы и другие дефекты.
Механические воздействия приводят также к изменению химиче-
ского состава и фазовым переходам в минералах, в результате чего
изменяются такие физические и химические характеристики, как
смачиваемость, сорбционная способность, температура диссоциации,
спекания и многие другие.
Сущность энергетического состояния минералов с дефектной
структурой может быть объяснена исходя из следующих представ-
лений. Механически инициированные структурные несовершенства
создают избыток энергии на величину AG, которую принято считать
активностью системы или энергией Гиббса:
А б = Абк — Абн,
где Абк—свободная энергия вещества в конечном, активированном
состоянии; Абн — свободная энергия исходного вещества.
В общем случае
kG=bG нов + Абдеф,
где AG™» — поверхностная энергия системы; Абдеф—избыточная
энергия образованных дефектов.
Вклад поверхностной энергии в увеличение общего энергетического
252
состояния веществ по сравнению с кумулятивной энергией дефектов
имеет подчиненное значение.
Из термодинамического анализа двух крайних ситуаций соотно-
шения названных критериев следует, что в первом уровень энергети-
ческих воздействий относительно небольшой и наблюдается сравни-
тельно высокая степень сохранности структуры. При этом изменение
энтропийного фактора AS незначительно, и им можно пренебречь.
Поэтому избыточная энергия Гиббса будет состоять в основном из
прироста энтальпии А//. Она может оцениваться калориметричёски на
основе термического анализа. Для веществ с сильно развитой де-
фектностью энтропийный фактор нередко много выше энергии Гиббса.
Для механического активирования' применяют измельчители по-
вышенной энергонапряженности (вибрационные, планетарные и струй-
ные мельницы, дезинтеграторы), уровень энергетических воздействий в
которых превышает необходимый для обычного измельчения. На основе
повышенных давлений в областях контакта измельчаемых веществ возни-
кают зоны остаточных напряжений с увеличенной дефектностью
структуры.
Основной фактор вибрационных мельниц, определяющий переход
вещества в активированное состояние,— амплитуда колебаний, кото-
рая в экспериментальных машинах достигает 7—8 мм, в то время
как частота вибраций оказывает существенно меньшее влияние.
В промышленных мельницах амплитуда колебаний составляет 3—4 мм,
активирование проводится как в воздушной, так и в водной среде.
Планетарные мельницы получили широкое распростране-
ние при исследовании механохимических процессов. Они наиболее
эффективны из описываемых активаторов и позволяют получать ве-
щества с высокой степенью дисперсности и аморфизации. Наибольшее
влияние на повышение реакционной способности минералов оказывает
так называемый центробежный фактор, представляющий собой отно-
шение центробежного ускорения к ускорению свободного падения.
Эффект активирования в струйных мельницах вызывается не-
обратимыми деформациями при соударении частиц с повышенными
скоростями (100 м/с и выше) и в наибольшей мере проявляется в
хрупкопластических минералах (например, сульфидах).
Дезинтеграторы относят к механизмам, позволяющим полу-
чать реакционно-активные слои в веществах при сравнительно невы-
сокой их дисперсности (0,05—0,1 мм), что определяется спецификой
соударения частиц о билы при больших скоростях (200—300 м/с).
Преимущество дезинтеграторов: сравнительно высокая производитель-
ность— при измельчении до 40 мкм она достигает 6 т/ч, а при более
крупном измельчении (80—100 мкм) в несколько раз выше.
Необратимость структурных изменений в тонкодиспергированных
веществах следует рассматривать как микропластичность, которой
обладает большинство минералов, независимо от того, хрупкими или
пластичными свойствами они обладают в макрообъеме. Переход ми-
неральных образований в активированное состояние определяется дис-
253
Рис. 13.8. Зависимость растворимости
Р (/) и удельной поверхности S механи-
чески активированного касситерита до
дезинтеграции (2) и после дезинтегра-
ции (2') от времени измельчения /:
Сплошные линии — мокрое измельчение;
штриховые линии — сухое измельчение
персностью частиц и толщиной дефектного слоя, увеличение которых
определяется интенсивностью и скоростью механического нагружения.
После активирования в планетарной мельнице содержание аморфи-
зованной фазы (например, в кварце и пирротине) многократно пре-
вышает этот показатель в продуктах, подвергнутых вибрационной
обработке. Минимальная толщина аморфизованного слоя получается в
продуктах виброизмельчения, а максимальная — в продуктах планетар-
ной мельницы. Уже при крупности 10 мкм степень аморфизации пир-
ротина достигает 13%, а кварца 6,2%, но полное превращение ми-
нералов в рентгеноаморфное состояние возможно только при крупности
доли микрометра.
В реальных условиях активирования тонкодиспергированные ча-
стицы находятся не в свободном состоянии, а подвержены агрегации.
Это явление в большинстве случаев имеет место в продуктах сухого
измельчения, но может проявляться и после механических воздействий
в водной среде, особенно в минералах с ионной связью. Агрегирование
происходит на базе нескомпенсированных поверхностных сил и часто
приобретает такую плотность, при которой находящиеся внутри ча-
стицы становятся недоступными для проникновения инертных газов,
используемых при оценке удельной поверхности методом БЭТ Образо-
ванные агрегаты могут сравнительно легко быть разрушены кратковре-
менным доизмельчением в водной среде, но полнота этого процесса
зависит от уровня механических воздействий при образовании агре-
гатов. Так, механический распад агрегатов, образованных при действии
центробежных сил в планетарной мельнице, не приводит к полной
дезагрегации частиц.
Сухое активирование, как правило, вызывает более высокую хими-
ческую активность веществ по сравнению с продуктами водного про-
254
Таблица 13.4
Стадии механического активирования минералов
Стадии и удельная поверхность (S)	Степень аморфизации X	Процессы, в которых могут использоваться эффекты активации	Примеры минералов и руд, применительно к которым было установ- лено влияние механиче- ского активирования
I стадия: S до 10—15 м2/г	До 30-40%	Химическое и термо- химическое обогаще- ние. Бактериальное и автоклавное выщела- чивание. Выделение металлов цементацией	Сульфатные, сульфид- ные, редкоземельные, шеелитовые,	воль- фрамитовые, хромито- вые руды. Бокситы и каолинитовое сырье
II стадия: S — переменная вели- чина ввиду агре- гации зерен	Переход основ- ной массы ве- щества в рент- геноаморфное состояние	Вскрытие минераль- ных веществ перед гидрометаллургиче- скими процессами	Танталониобаты, спо- думен,	лепидолит, касситерит
цесса, несмотря на большую удельную поверхность в последнем случае.
Данные по извлечению олова из механически активированного кас-
ситерита подтверждают, что изменение физико-химических свойств
определяется не дисперсностью, а дефектами структуры минералов
(рис. 13.8) Мёханическое активирование широко применяют в хи-
мико-металлургических процессах переработки минеральных веществ
(табл. 13.4).
Активирование на I стадии проводится в непрерывном режиме, и
часто технологические и экономические преимущества метода прояв-
ляются уже при сравнительно небольшой степени аморфизации ве-
ществ— до 10—15%. Перспективно совмещение активирования с про-
цессами выщелачивания, для чего барабаны мельницы изготавливают
из стойких к агрессивным средам материалов. Однако нередко при-
менение механических воздействий ограничено трудной фильтруемостью
тонкодисперсных веществ. В подобных ситуациях подбирают режимы
активирования, приводящие к меньшей дисперсности.
Таблица 13.5
Извлечение мышьяка (%) из касситеритового концентрата, подвергнутого
механическому активированию
Продукт выщелачивая	Удельная поверхность, м2/г	Химическое выщелачива- ние в тече- ние 4 сут	Бактериальное выщела- чивание, сут	
			1	4
Исходный концентрат Проба:	0,82	3,6	9,2	14,1
сухого активирования	1,93	42,0	60,5	78,5
водного активирования	5,93	43,0	46,2	44,2
То же	8,63	48,9	74,8	74,0
255
Рис. 13.9. Зависимость извлечения серы (а), меди (б) и никеля (в) от удельного
расхода электроэнергии Ууд и производительности мельницы Q:
о—исходный концентрат; /—4 — пробы после активирования при производительности
мельницы соответственно 50; 100; 170; и 650 кг/ч
Вторая стадия характеризуется сравнительно большой продолжи-
тельностью периода механических воздействий (более десятков минут)
и осуществляется в периодическом режиме работы мельницы. При
этом представляется возможным перевести в растворимую форму
многие минералы, которые без активирования отличаются инертностью
к агрессивным средам.
Технологические возможности механического активирования хорошо
иллюстрируются примерами влияния механического активирования
перед механическим, автоклавным и бактериальным выщелачиванием
касситеритового (табл. 13.5) и пирротинового (рис. 13.9) концентра-
тов. Близкие результаты были получены и после активирования руды
в центробежной мельнице ПМК-2, работающей в непрерывном режиме.
13.6.	ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Электрохимическая обработка — способ воздействия на системы
электрическим током, позволяющий направленно регулировать физико-
химические и физические свойства поверхности минералов, химическое
состояние реагентов, а также ионный состав технических вод.
Сущность электрохимической обработки пульпы заключается в
изменении физико-химических и флотационных свойств минералов
вследствие изменения заряда их поверхности в результате непосред-
ственного контакта частиц с поверхностью электрода, а также сме-
щения окислительно-восстановительного потенциала (Eh) водной фазы
в отрицательную или положительную сторону. Регулирование Eh до-
стигается протеканием катодных процессов, в которых происходит
передача электронов от катода ионам или молекулам жидкой фазы,
либо анодных процессов, сопровождающихся отнятием электронов от
компонентов жидкой фазы. Интенсивность процесса и выход продук-
тов реакции определяются потенциалом ср (напряжением) на электро-
дах, плотностью I и временем протекания электрического тока. В слу-
чае превышения потенциала разложения воды в приэлектродном слое
256
происходит подщелачивание или подкисление пульпы соответственно
на катоде и аноде:
2H2O + 2l-+H2f +2ОН-
OH~-^72O2f +Н +
Максимальный эффект от электрохимической обработки флотацион-
ных пульп получается для минералов, обладающих заметной удельной
электропроводностью (1 — 10“ 4 См/м), так как в этом случае имеет
место электронный механизм взаимодействия частиц с поверхностью
электрода. При соприкосновении такой частицы с электродом не воз-
никает запорного слоя, в связи с чем происходит изменение устано-
вившегося электрохимического равновесия и свободной энергии поверх-
ностных реакций на некоторую величину A/7 =AF0 + Здесь AFo—
равновесная свободная энергия поверхностных реакций в отсутствие
контакта с электродом, ДЛр — дополнительная свободная энергия,
связанная с потенциалом электрода.
При отводе частицы от поверхности электрода устанавливается
новый минимум свободной энергии системы, который, однако, не сов-
падает с первоначальным вследствие того, что за промежуток времени
контакта частицы с электродом в ней происходят существенные электро-
химические изменения, преобразующие состояние поверхности.
Сущность процесса изменения состояния минеральной поверхности
под действием постоянного электрического тока изучена на сульфидах.
Катодная поляризация сульфида приводит к его восстановлению до
металла
MeS + 2ё+ Н2О^>Ме + HS + ОН~
и выделению водорода
2H2O + 2e-^2OH +H2f
Анодная поляризация вызывает образование на поверхности суль-
фидного минерала элементарной серы
MeS+2OH -2e^Me(OH)2 + S°
и далее растворение минерала
MeS + lOOH" -8?ч±Ме(ОН)2 + 5ОГ+4Н2О.
При циклической поляризации образующийся металл окисляется:
Ме + 2ОН" -2ё^Ме(ОН)2,
а сера восстанавливается:
S°+H2O + 2l-+HS- + OH-
Таким образом, если на поверхности сульфидных минералов в ре-
зультате их окисления образуется слой гидрофобной серы, то флота-
ция становится активнее. В случае глубокого окисления сульфидов
сера уходит с поверхности в виде растворимых сульфооксидных ионов,
и остается гидрофильный слой оксидов металлов, что подавляет фло-
тацию.
257
Установлена возможность улучшения показателей флотации суль-
фидной руды при использовании электрохимического воздействия:
Показатели электрохимического кондиционирования пульпы в цикле коллектив-
ной флотации
Содержание класса — 74 мкм в питании, % ...................... 56,6/53,48
Содержание в'руде, %:
Си ............................................................. 1,73/1,4
Zn .......................................................2,1/1,73
S ........................................................ 19,35/16,8
Содержание в одноименном концентрате, %:
Си .............................................................5,35/4,92
Zn .......................................................4,85/4,27
S ........................................................ 37,34/37,85
Извлечение в одноименный концентрат, %:
Си ............................................................. 65,67/71
Zn ....................................................... 47,23/51,9
S ........................................................ 42,41/48,18
Примечание. В числителе приведены данные без электрохимического кондициониро-
вания, в знаменателе—с электрохимическим кондиционированием.
Особенно эффективна электрохимическая обработка пульпы при се-
лективном разделении минералов-полупроводников и минералов-ди-
электриков.
На поверхностные свойства минералов-диэлектриков можно воз-
действовать посредством изменения окислительно-восстановительных
свойств жидкой фазы пульпы. Кроме того, если на поверхности мине-
ралов-диэлектриков имеются проводящие пленки и примазки (напри-
мер, железистые), то они также участвуют в электрохимическом про-
цессе, что влечет за собой изменение поверхностных свойств минералов.
Электрохимическая обработка может быть использована и при маг-
нитной сепарации, позволяющей разделять минералы по их магнит-
ной восприимчивости. Электрохимический метод повышения магнитных
свойств применяется для минералов железа и других, в составе которых
имеются включения железа более 10% (минералы редких металлов).
Электрохимическая обработка пульпы осуществляется различными
способами: бездиафрагменной обработкой с использованием рабочего
электрода с высокоразвитой поверхностью, обработкой пульпы в ап-
парате диафрагменного типа и бесконтактной обработкой в электри-
ческом поле (рис. 13.10). При обработке материала в аппарате с
диафрагмой расстояние между электродами не должно превышать
5—6 см; увеличение расстояния влечет за собой необоснованные за-
траты электроэнергии.
Для экспериментального изучения процесса электрохимической
обработки пульпы используют установку, состоящую из электрохими-
ческой ячейки, магнитной или механической мешалки, регулируемого
источника постоянного тока и регистрирующих приборов — амперметра
и вольтметра. Для измерения pH и Eh жидкой фазы пульпы исполь-
зуют потенциометр типа pH-121 (или pH-340). Изменение ионного
состава жидкой фазы- определяют химическим анализом. Эффектив-
258
Рис. 13.10. Виды электрохимической обработки:
а — бездиафрагменная; б — диафрагменная; в — бесконтактная; 1 — емкость из
непроводящего материала; 2 — обрабатываемая суспензия; 3 — рабочий элект-
род; 4 — вспомогательный электрод; 5 — электролит; 6 — диафрагма
ность электрохимической обработки оценивают технологическими
опытами.
Выбор режима электрохимической обработки зависит от назначе-
ния исследований и ведется на основе изучения кинетики процесса.
Для этого отбирают несколько проб минерала или руды и проводят
опыты по изучению влияния на технологические результаты времени
обработки (5; 10; 15 ... 30; 60 мин) при постоянном напряжении на
электродах и по влиянию подаваемого на электроды напряжения (3; 5;
6; 8; 10; 12 В) при постоянном времени обработки.
Электрохимическая обработка осуществляется следующим образом:
пробу минерала помещают в электрохимическую ячейку (рис. 13.11,
13 12), заливают дистиллированной, водопроводной или технической
водой (в зависимости от назначения исследований) в соотношении
Т:Ж= 1:3ч-1:4, включают перемешивающее устройство и подают на-
пряжение на электроды. По окончании обработки измеряют pH и Eh
жидкой фазы. В том случае, когда необходимо изучить изменения
поверхностных свойств минерала, жидкую фазу декантируют и ана-
лизируют, а минерал промывают дистиллированной водой и исполь-
зуют в технологических опытах или для исследования поверхности
методами ИК-спектроскопии, растровой микроскопии, мессбауэровской
спектроскопии и т. п. Если изучается влияние поверхностных свойств
минералов, то жидкую фазу не декантируют, а суспензию переносят
во флотационную камеру и флотируют в принятом технологическом
режиме.
Контрольные опыты проводят в тех же условиях, но без наложения
напряжения на электроды. По результатам технологических опытов
определяют оптимальные режимы (время обработки, напряжение,
плотность тока) электрохимической обработки данного минерального
сырья.
259
Рис. 13.11. Аппарат для бездиафрагменной
обработки минеральной суспензии:
1 — механическая мешалка; 2 — съемная
крышка из непроводящего материала с отвер-
стиями для механической мешалки; 3 — анод
цилиндрической формы (сетка из нержавею-
щей стали); 4 — стакан из непроводящего
материала; 5 — катод цилиндрической формы
(сетка из нержавеющей стали); 6 - минераль-
ная суспензия
Рис. 13.12. Аппарат для диа-
фрагменной обработки мине-
ральной суспензии:
1—	ванна из непроводящего мате-
риала; 2 — анод из нержавеющей
стали; 3— диафрагма; ^--мешал-
ка; 5 — катод из нержавеющей
стали
13.7.	ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА
Обработка минерального сырья переменным электромагнитным
полем относится к электрофизическим способам воздействия на ми-
неральное сырье. Целью ее является получение эффектов, которые
улучшают дальнейшую дезинтеграцию и переработку руды в горнотех-
нологическом или металлургическом процессе: ослабление прочности
и разрушение руды, улучшение раскрытия минеральных сростков,
изменение физико-химических свойств минералов, удаление (возгонка)
примесей, разложение и диссоциация минералов, сушка руд и концент-
ратов.
Воздействие на руду переменным электромагнитным полем может
осуществляться в магнитном поле индуктора, в электрическом конден-
саторе, в полях диполя и плоской электромагнитной волны, а также
в инфракрасном и оптическом диапазонах волн с помощью источников
инфракрасного излучения и лазеров.
Во всех случаях применение электрофизических способов воздейст-
вия обусловлено способностью минерального сырья поглощать энергию
переменного электромагнитного поля. В полиминеральных рудах погло-
260
щение энергии электромагнитного поля носит избирательный характер,
т. е. энергия поля различными минералами поглощается в разной
степени. Одни минералы активно взаимодействуют с высокочастотным
полем, другие являются пассивными. В зависимости от параметров поля
и способа обработки осуществляется избирательное воздействие на те
или иные минеральные разновидности.
Сущность метода высокочастотной обработки состоит в том,
что поглощаемая минеральным сырьем энергия переменного электро-
магнитного поля преобразуется в тепловую и химическую энергию,
что приводит к необратимым изменениям свойств руды и слагающих
ее минералов.
Выбор способа обработки определяется технологическими зада-
чами, преобладающим характером потерь энергии поля в сырье, свойст-
вами минеральной составляющей, на которую нацелено воздействие.
Энергетические процессы взаимодействия гармонического электро-
магнитного поля с минеральной средой определяются ее свойствами:
электропроводностью (у), комплексной диэлектрической (е = Е|—/е2) и
магнитной = —/ц2) проницаемостью (/ — символ комплексного
числа) и параметрами поля: частотой со, электрической Е и магнитной Н
составляющими напряженности поля и описываются теоремой Пойтин-
га:
di v|£/7| = уЕ2 + (1)8()82Е2 + (ороЦг//2 + йороЦг//2 — г^ъЕ2,	(13.1)
где Е — вектор электрической составляющей поля; Н — сопряженный
комплекс магнитной составляющей поля; ео и go — диэлектрическая и
магнитная постоянные; 81, 82 и ц2— действительная и мнимая
составляющие комплексной диэлектрической и магнитной проницаемо-
сти соответственно.
В уравнении (13 1) сумма первых трех слагаемых равна средней
за период рассеиваемой мощности, отнесенной к единице объема, т. е.
удельной мощности потерь энергии поля. Оставшееся в правой части
слагаемое представляет собой реактивную мощность, отнесенную к
единице объема V
В общем виде активные потери в реальной среде составляют
W = \{уЕ2 + о)8о82£2 + (оцоН2Я2) d V	(13.2)
В зависимости от свойств среды (у, 8, ц) и параметров поля (£, Н,
со) при высокочастотной обработке имеются как суммарные потери энер-
гии поля в руде, так и потери за счет одного или двух слагаемых.
Поскольку при поглощении энергия электромагнитного поля перехо-
дит в основном в тепло, из уравнения (13.2) следует, что скорость
нагревания активных минералов можно регулировать потоком мощности
поля:
dr/d/=U//(q>l/),
где Т — температура обрабатываемой руды; t—время обработки;
с — удельная теплоемкость среды; р — плотность среды.
261
Уравнение (13.2) —основа для деления руд по преобладающему
характеру потерь и выбора способа электрофизического воздействия на
породу применительно к задачам разрушения, обогащения и подготовки
руды к переработке.
Руды, содержащие минералы с электропроводностью более 1 См/м
(самородные металлы, большинство сульфидов и арсенидов, ряд анти-
монидов и некоторые оксиды), эффективно обрабатываются в электри-
ческом поле конденсатора и магнитном поле индуктора. Потери энергии
поля в таких рудах обусловлены токами проводимости =	и
могут достигать более 100 Вт/см3, а скорость нагревания проводящих
минералов составляет 500—1000 К/с.
Руды, содержащие сильномагнитные минералы (магнетитовые,
титаномагнетитовые и пирротинсодержащие руды), эффективно взаимо-
действуют с магнитным полем индуктора. При этом в мелкозернистых
разновидностях поглощение энергии поля обусловлено преимущественно
потерями на перемагничивание W= pojcop2//2d V, и руды ведут себя в
электромагнитном поле как магнитодиэлектрики.
В крупнозернистых и массивных рудах дополнительный вклад в
поглощение энергии поля дают потери на токи проводимости и суммар-
ные потери составляют
Г=$(?£2 + <о|лП|л2//2)(1У
Эти руды относят к типу магнитопроводящих.
Потери энергии электромагнитного поля в породах-диэлектриках
определяют по формуле, являющейся одним из слагаемых в формуле
(13.2):
Г = ео$<о82£2дГ
Из свойств породы на потери влияет только мнимая часть е2 комп-
лексной диэлектрической проницаемости, которую называют коэффи-
циентом диэлектрических потерь.
Для большинства пород-диэлектриков е2^5. Для рудных минералов
и богатых руд е2^>5. Следовательно, при одних и тех же параметрах
поля диэлектрические потери во вмещающих породах будут значительно
меньше, чем в рудной фазе. Поэтому с практической точки зрения
горные породы-диэлектрики подразделяют на две группы: с малым
(е2<5) и большим коэффициентом потерь (е2>5).
Классификация горных пород и минералов по их электрофизическим
свойствам, характеру потерь энергии электромагнитного поля, а следо-
вательно, и способу обработки представлена в табл. 13.6.
Зависимость удельной мощности потерь энергии от крупности обра-
батываемого материала накладывает ограничения на минимальный раз-
мер кусков руды, при котором потери достаточны для разрушения руды
по границам срастания минералов за счет эффективного индукцион-
ного нагрева активных минералов. При удельной мощности около
10 Вт/см3 еще можно обеспечить высококачественный нагрев, при
262
Таблица 13.6
Классификация руд по характеру потерь энергии электромагнитного поля
Руды	Разновидность и типичный представитель	Электромаг- нитные свой- ства	Структура	Па	раметры пс	)ЛЯ	Потери энергии поля
				(о, Гц	Е, В/м	И, А/м	
Электропрово- дящие	Проводящие: руды саморуд- ных металлов, сульфидные медно-никелевые руды	Т>105	Крупнозернистые (d > 0,3 см)	<108	> ю5	>103	На токи проводи- мости
			Мелкозернистые (g^0,3 см)	>107	> 104	>103	
	Полупроводящие: сульфидные полиметалличе- ские руды	I <у< 105 '	Крупнозернистые Мелкозернистые	' Ю 00 О О ЛЛ\	О О АЛ	СО со о о лл\	
Магнитопрово- дящие	Сильномагнитные: магнетитовые, титаномагне- титовые руды	СО А А	Крупнозернистые	>105	—	> ю2	На токи проводи- мости и перемагни- чивание
Магнитодиэлек- трики	Сильномагнитные: магнети- товые, титаномагнетитовые руды	СО . .О VA	Мелкозернистые	> 105	—	> 103	На перемагничива- ние
	Слабомагнитные: гематито- вые руды	т > 1 Л~102	Крупно- и мелко- зернистые	> ю7	—	> ю4	
Диэлектрики	С большим коэффициентом 82 диэлектрических потерь: рутиловые и оловянные руды	е2 > 5	Крупно- и мелко- зернистые	> ю5	>104	—	Диэлектрические
	С малым коэффициентом е2: вмещающие породы	82^5		> 107	>105	—	
котором возникающие термонапряжения достаточны для нарушения
связей между минеральными зернами. Минимальный размер кусков
^min (м) обрабатываемой руды при условии сквозного индукционного
нагрева для данных параметров поля можно определить по формуле
Dmin = 2- 104/(Шц„//^).
Технологические параметры поля, т. е. рабочую частоту высоко-
частотного генератора и эффективную напряженность магнитного поля
в индукторе, при которых обеспечивается для данной руды необходимая
удельная мощность, определяют по формуле
№ = 250Клщ)//)2^2,5- Ю3/^//2,
где / = (о/(2л).
Выбирая в качестве независимого параметра удельную мощность
потерь энергии, с помощью рис. 13.13 легко определить необходимые f
и Н для данного типа генератора или другого источника переменного
электромагнитного поля.
Источники переменного электромагнитного поля — ламповые и тран-
зисторные генераторы (до частот 109 Гц), клистроны, магнетроны и
генераторы обратной волны (в диапазоне 109--1011 Гц) и источники
инфракрасного и оптического излучения (в диапазоне 1012.—1016 Гц).
Для работы высокочастотных установок промышленного и научного наз-
начения в диапазоне радиоволн (18 кГц — 22,125 ГГц) выделены опре-
деленные фиксированные частоты.
Для высокочастотной обработки руд наиболее рационально исполь-
зовать генераторы колебательной мощностью 30—200 кВт и более при
рабочей частоте в диапазоне 0,88—40,68 МГц. При выбранных парамет-
рах поля (со, И, Е) максимальная масса находящейся в рабочем органе
генератора обрабатываемой руды (кг) определяется колебательной
мощностью установки Wv (Вт) и потерями удельной энергии поля в
руде W (Вт/кг) и составляет q=Wr/W. Производительность высоко-
частотной установки Q (кг/ч) по обрабатываемому материалу опреде-
Рис. 13.13. Зависимость удельной мощ-
ности потерь энергии W от частоты
f при различной индукции магнитного
поля:
Цифры у кривых — индукция поля,
10~2 Тл
264
ляется необходимой продолжительностью обработки руды т (с) и рас-
считывается по формуле
Q = 3600 Гг/(Гт).
Для высокочастотной установки индукционного нагрева с колебательной
мощностью 200 кВт, рабочей частотой 13,56 МГц и напряженностью магнитного
поля в индукторе 2000 А/м необходимое время эффективной обработки руд
применительно к задачам разрушения составляет 1—5 с при расчетной произво-
дительности установки Q=15 —75 т/ч. Так, высокочастотная обработка весьма
прочных железистых кварцитов Лебединского месторождения в магнитном поле
индуктора частотой 500 кГц и напряженностью 2000 А/м приводит к развитию
интенсивной трещиноватости и разрушению кусков руды за 5 с; при этом проч-
ность обработанной руды уменьшается на 30%.
Высокочастотную обработку руд можно использовать для интенсифика-
ции или подавления флотации полиметаллических сульфидных руд. Так,
обработка полиметаллической руды в электрическом поле конденсатора частотой
40,68 МГц и напряженностью 105 В/м приводит к повышению извлечения меди в
медный концентрат на 9% и интенсифицирует флотацию пентландита, пирротина
и кубанита. Высокочастотная обработка этих минералов в магнитном поле на-
пряженностью 400 А/с подавляет их флотацию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Барский Л А. Основы минералургии. М. Наука, 1984.
2.	Варга В. В. Рентгеновская микроскопия.— В сб.: Методы минералогиче-
ских исследований. М., 1985, с. 234—251.
3.	Гершгал Д. А., Фридман В. М. Ультразвуковая технологическая аппа-
ратура. М., Энергия, 1976.
4.	Гинзбург А. И., Кузьмин В. И., Сидоренко Г А. Минералогические иссле-
дования в практике геологоразведочных работ. М., Недра, 1981.
5.	Глазунов Л. А. Регулируемое окисление сульфидной серы на минеральной
поверхности — средство повышения показателей обогащения полиметаллических
руд.— Цветные металлы, 1983, № 11, с. 86.
6.	Глазунов Л. А. О повышении эффективности флотации минералов путем
образования на их поверхности элементной серы.— Цветные металлы, 1986, № 6,
с. 86.
7	Горобец Б. С. Спектры рентгенолюминесценции минералов для выбора
признаков разделения в процессе обогащения руд.— В кн.: Минералогический
сборник. Львов, 1988, № 42, вып. 1, с. 74—80.
8.	Гусев С. С., Головачев В. И. Таблицы для определения показателей
преломления и поглощения конденсированных сред по коэффициентам нарушен-
ного внутреннего отражения. Минск, Наука и техника, 1981.
9.	Иванов О. П. Минералого-технологическое картирование оловорудных
месторождений в процессе разведки.— В сб.: Геологические методы поисков и
разведки месторождений металлических полезных ископаемых. М., 1984, с. 25—28.
10.	Ильинский Г А. Определение плотности минералов. Л. Недра, 1975.
11.	Изучение магнитных свойств железных минералов в условиях электро-
химического кондиционирования пулыты/Г М. Дмитриева, В. И. Богачев,
А. Г Звегинцев и др.— В кн.: Методы повышения эффективности переработки
минерального сырья. М., 1986, с. 11.
12.	Исаенко М. П. Определитель текстур и структур руд. М., Недра, 1983.
13.	Ковалев В. В., Банд М. И. Изучение процессов электрохимической
очистки горячих сточных вод и фазово-дисперсных превращений осадков. В кн.
Методы анализа и очистки природных и сточных вод. Кишинев, 1985, с. 3.
14.	Конев В. А. Флотация сульфидов. М., Недра, 1985.
15.	Коц Г А. Чернопятов С. Ф. Шманенков И. В. Техн логическое опро-
бование и картирование месторождений. М. Недра, 1980.
16.	Лебедева С. И. Микротвердость минералов. М., Наука, 1977
17	Магнетизм и минералогия природных ферромагнетиков/Г П. Кудрявце-
ва, В. К. Гаранин, В. А. Жиляева, В. И. Трухин. М., МГУ, 1982.
18.	Марфунин А. С. Введение в физику минералов. М., Наука, 1977
19.	Методические основы исследования химического состава горных пород,
руд и минералов/Под ред. Г В. Остроумова, М., Недра, 1979.
20.	Методические рекомендации по проведению технологического опробования
на золоторудных месторождениях при геологоразведочных работах. М.
ЦНИГРИ, 1985.
21.	Методическое руководство по разведке россыпей золота и олова/
А. Г Агейкин, Н. Ю. Байрон, А. Г Беккер и др.— Магадан, Магаданское
книжное издание, 1982.
22.	Методы минералогических исследований. Справочник/Под ред. А. И. Гинз-
бурга. М., Недра, 1985.
23.	Минералогическая энциклопедия/Под ред. К. Фрея. Л., Недра, 1985.
24.	Минералогический справочник технолога-обогатителя/Б. Ф. Куликов,
В. В. Зуев, И. А. Вайншенкер, Г А. Митенков. Л., Недра, 1985.
25.	Мокроусов В. А. Лилеев В. А. Радиометрическое обогащение нерадио-
активных руд. М., Недра, 1979.
266
26.	Молчанов В. И. Юсупов Т С. Физические и химические свойства
тонкодиспергированных минералов. М., Недра, 1981.
27	Остапенко П. Е. Теория и практика обогащения железных руд. М.,
Недра, 1985.
28.	Платонов А. Н. Природа окраски минералов. Киев, Наукова думка,
1976.
29.	Применение ультразвука высоких частот для интенсификации флотацион-
ного обогащения и гидрометаллургии руд редких металлов при разведке место-
рождений. Методические рекомендации № 23. М. ВИМС, 1984.
30.	Проблемы направленного изменения технологических и технических
свойств минералов/Под ред. В. И. Ревнивцева. Л., Механобр, 1985.
31.	Рид. С. Электронно-зондовый микроанализ. М., Мир, 1979.
32.	Рудничная г.еология/В. Ф. Мягков, А. М. Быбочкин, И. Н. Бугаев и др.
М., Недра, 1986.
33.	Сборник руководящих материалов по геолого-экономической оценке
месторождений полезных ископаемых, т. 1, М., ГКЗ СССР, 1985.
34.	Сидоренко Г А., Горобец Б. С. Дубинчук В. Т Современные методы
минералогического анализа урановых руд. М., Недра, 1986.
35.	Смит А. Прикладная спектроскопия. М., Мир, 1982.
36.	Соложенкин П. М. Электронный парамагнитный резонанс в анализе
вещества. Душанбе, Дониш, 1986.
37	Спектры люминесценции минералов. Методические рекомендации. М.,
ВИМС, 1981.
38.	Справочник по обогащению руд. Специальные и вспомогательные
процессы. М., Недра, 1983.
39.	Теоретические основы и практическое использование электрохимического
кондиционирования пульпы при обогащении окисленных железистых кварци-
тов/В. А. Чантурия, Н. Я. Самахарадзе, Г М. Дмитриева, В. И. Богачев.—
В кн.: Переработка окисленных руд. М. 1985, с'. 100.
40.	Технологическое опробование месторождений цветных металлов в про-
цессе разведки. Временное методическое руководство. М., ВИМС, 1982.
41.	Хайнике Г Трибохимия. М., Мир, 1987
42.	Чантурия В. А., Лунин В. Д. Электрохимические методы интенсификации
процесса флотации. М., Наука, 1983.
43.	Шолпо Л. Е. Использование магнетизма горных пород для решения
геологических задач. Л., Недра, 1977.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аллотриоморфные зерна 112
Антиферромагнетизм 148
Аппарат для обработки минеральной суспензии
— — — — — бездиафрагменный 260
— — — — — диафрагменный 260 х
Бластез 113
Бластокристаллы 113
Бороздовый способ 24
Бурение
—	колонковое 30
—	ударно-канатное 30, 46
Валовое опробование 30
Визуально-макроскопический метод 124
Вкрапленность 127
Временные кондиции 8
Вскрываемость 127
Геологическое опробование 17
Геолого-технологические карты 75
Геолого-технологическое картирование 65, 69
-	-- -- минералогическое 61
—	— расчетное 61
— экспериментальное 61
Геометризация технологических типов и сортов
руд 74
Горстевой способ опробования 57
Гравитационно-оптический метод 125
Граница срастания
—	- гетерофазная 116
—	— гомофазная 1 16
Дезинтегратор 253
Детальная разведка 6, 21
Деформации
— пластические 179
— радиационные 179
— упругие 179
Диамагнетизм 147
Дисперсионный ИК-спектрофотометр 172
Дифракция электронов низкой энергии 211
Диффузионное отражение 163
Доразведка 7, 33
-	- месторождений 7
разрабатываемых месторождений 7
— ранее детально разведанного месторождения 7
—	эксплуатируемого месторождения 33
Дробное фракционирование 73
Задачи опробования 41
Задирковый способ отбора проб 24
Запасы
—	категории А10
---В11
---Gill
—	- СД2
—	твердых полезных ископаемых 13
—	— — — балансовые 13
-	- — — — забалансовые 13
Зеркальное отражение 163
Идеальные парамагнетики 162
Идиоморфные зерна 112
Изоморфизм 154
ИКС внутреннего отражения 184
ИКС диффузионного отражения 181
ИКС зеркального отражения 184
ИКС отражения 185
ИКС пропускания вещества 173
Инфракрасный спектрофотометр 172
Ионизационная электронная спектроскопия 210
Ионный обмен 238
Истинно-вторичная электронная спектроско-
пия 214
Каркасные структуры 89
268
Квантовая оптика 139
Количественный ИК-спектрофотометрический
анализ 176
Количественный элементный анализ 201
Комплексный термический анализ 190
Контактная микрорентгенография 220
Координационное соединение 89
Коэффициент
—	вскрываемости 128
—	диэлектрических потерь 262
—	парной линейной корреляции 85
— поглощения 176
Кристаллохимические особенности минера-
лов 178
Ксеноморфные зерна 112
Лабораторные пробы 24
Ликвация расплавов 237
Магнитная сепарация-105
Магнитогидр-остатическая сепарация 105
Массовая технологическая оценка проб 73
Массовый коэффициент поглощения 220
Мессбауэровская спектроскопия 138
Метод дифференнионного термического ана-
лиза 191
«темного поля» 223
-	• термического анализа 191
-	«фазового контраста» 223
Методика
—	Криворожского горнорудного института 80
—	отбора проб 36
-	- фотодокументации 53
-	ЦНИИОлова 75
Микроскопический (оптический) метод 124
Минералогическое опробование 17
Минералого-технологические пробы 15
Минеральные агрегаты 107
Нелинейная оптика 139
Немагнитные минералы 150
Неполный полуколичественный минералоги-
ческий анализ 99
Объемометрический способ 142
Опережающая эксплуатационная разведка 36
Оптико-геоМетрический анализ 98
Опти ко-минер алогический количественный
анализ 98
Оптические спектры поглощения 165
Опытно-промышленные пробы 22
Островные структуры 89
Отражательная микрорептгенография 221
Отражательно-абсорбционные ИКС 185
Оценка россыпных месторождений 29
Парамагнетизм 147
Пикнометрический метод 142
Плазмоны 213
Планетарная мельница 253
Поисково-оценочные работы 5
Полный количественный минералогический
анализ 98
Полный полуколичественный минералогический
анализ 99
Полупромышленные испытания 39
Постоянные кондиции 8
Предварительная разведка 5
Представительность пробы 51
Приближен но-количественный минералогический
анализ 97
Прогнозные ресурсы 10
— — категории Р| 12
-------р213
-------Рз13
Проекционная рентгеновская микроскопия 220
Промышленные испытания 39
Просвечивающая электронная микроскопия 195
Протолочки 131
Проходка
—	траншей 30
—	шурфов 30
Разведка россыпных месторождений 29
Разделительно-аналитический метод 126
Разделка
—	лабораторных проб 54
— технологических проб 55
— укрупненно-лабораторных проб 54
Растровая электронная микроскопия 195
Рентгеновские спектрометры 200
Рудные текстуры
—	— коллоидно-дисперсные 107
—	— макро 107
—	— микро 107
Сильномагнитные минералы 149
Слабомагнитные минералы 150
Сопровождающая эксплуатационная разведка 36
Сортовые технологические пробы 38
Составление геолого-технологических карт 75
Спектроскопия характеристических потерь
энергии 213
Способ вычерпывания 57
Средства отбора проб 36
Сростки
— бедные 102
— богатые 102
—,примазки и включения 102
- рядовые 102
Стадия
—	поисково-оценочных работ 19
—	детальной разведки 93
—	предварительной разведки 20
Степень
—	вскрытия 126
—	раскрытия 126
Структура руд 112
Твердость 140
— абсолютная 141
— относительная 141
Текстура руд 106
Термоволюметрия 194
Термогравиметрия 191
Термодилатометрия 194
Термомагнитометрия 194
Термохимический метод 139
Техническая характеристика
-- — микроскопа-спектрофотометра 163
— — микротвердомера 140
Техническое опробование 17
Технологические пробы 23
Технологическое картирование 47
Типовые технологические пробы 38
Типы руд
—	— высокосульфидные 79
—	— низкосульфидные 79
— — умеренно-сульфидные 79
Точка Кюри 149
Укрупненно-лабораторные испытания 39
Укрупненно-лабораторные технологические про-
бы 15
Фазовый анализ
— — качественный 130
— — количественный 130
Ферримагнетизм 148
Ферромагнетизм 148
Фурье-спектрофотометр 172
Цветной эффект 223
Чувствительность определения 177
Шлихи 131
Эксплуатационная разведка 7
—	— опережающая 36
—	— сопровождающая 33
Электронная оже-спектроскопия 212
Электрический сепаратор 106
Энергетические спектрометры 200
Ядерный магнитный резонанс 138
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................ 3
Раздел первый. ОПРОБОВАНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ............................... 5
1.	Разведка и геолого-промышленная оценка месторождений ............... 5
1.1.	Стадии геологоразведочных работ ................................... 5
1.2.	Кондиции на минеральное сырье ..................................... 8
1.3.	Запасы и прогнозные ресурсы минерального сырья ................ '	10
1.4.	Классификация месторождений ...................................... 14
2.	Технологическое опробование коренных разведуемых месторождений ....	15
2.1.	Назначение технологического опробования .......................... 15
2.2.	Геологоразведочные работы ........................................ 17
2.3.	Задачи технологического опробования на разных стадиях геологораз-
ведочных работ ........................................................ 19
3.	Технологическое опробование россыпных разведуемых месторождений.	26
3.1.	Назначение технологического опробования .......................... 26
3.2.	Геологоразведочные работы ........................................ 29
3.3.	Задачи технологического опробования на разных стадиях геолого-
разведочных работ ..................................................... 32
4.	Технологическое опробование коренных месторождений при эксплу-
атации ................................................................ 33
4.1.	Опробование при доразведке	месторождений ......................... 33
4.2.	Опробование при эксплуатационной	разведке ........................ 35
5.	Отбор проб для исследования обогатимости минерального сырья ....... 38
5.1.	Общие положения .................................................. 38
5.2.	Отбор проб при геолого-технологическом картировании .............. 39
5.3.	Отбор технологических проб в горных выработках ................... 41
5.4.	Отбор технологических проб на кернах буровых скважин ............. 44
5.5.	Отбор проб из россыпных месторождений ............................ 46
5.6.	Требования, предъявляемые к качеству технологических проб ........ 50
5.7.	Геологическая документация при технологическом опробовании ....... 52
5.8.	Предварительная подготовка технологических проб .................. 54
5.9.	Контрольное опробование материала технологических проб ........... 56
5.10.	Транспортирование технологических проб .......................... 59
6.	Геолого-технологическое картирование .............................. 60
6.1.	Состав и назначение геолого-технологического картирования ..х..	60
6.2.	Методология геолого-технологического картирования ................ 61
6.3.	Методика малообъемного технологического опробования и картирова-
ния месторождений при разведке ........................................ 65
6.4.	Методики геолого-технологического картирования ................... 75
6.5.	Математическая обработка результатов геолого-технологического кар-
тирования ...........................................................   82
Раздел второй. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ	МИНЕРАЛОГИЯ ..................... 88
7.	Химический состав минералов ....................................... 88
7.1.	Систематизация минералов ......................................... 88
7.2.	Химический состав минералов ...................................... 90
7.3.	Кристаллохимические особенности минералов ........................ 91
270
8.	Минералогические исследования технологических проб ............... 92
8.1.	Задачи и содержание исследований ................................ 92
8.2.	Систематический минералогический анализ технологических проб .... 94
8.3.	Определение минералогической характеристики проб и продуктов обо-
гащения .............................................................. 96
8.4.	Гранулометрический и кристалломорфологический анализ полезных
минералов ..................................?........................ 102
8.5.	Выявление форм нахождения элементов в минералах .............. ' 103
8.6.	Выделение мономинеральных фракций .............................. 105
9.	Текстурно-структурная характеристика минерального сырья ......... 106
9.1.	Общие сведения ................................................. 106
9.2.	Физическая природа срастания зерен минералов ................... 113
9.3.	Методы изучения текстурно-структурных характеристик ............ 120
9.4.	Определение степени вскрытия минералов ......................... 123
9.5.	Характеристика вкрапленности минералов ......................... 127
10.	Фазовый анализ .................................................  129
10.1.	Общие сведения ................................................ 129
10.2.	Оптическая микроскопия ........................................ 131
10.3.	Рентгенографический метод ..................................... 132
10.4.	Инфракрасная спектроскопия .................................... 134
10.5.	Химический метод .............................................. 135
10.6.	Термический метод ............................................. 137
10.7.	Магнитометрический метод ...................................... 137
10.8.	Другие методы фазового анализа минерального сырья ............. 138
11.	Методы определения физических свойств минералов ................. 139
11.1.	Твердость ..................................................... 139
11.2.	Плотность ..................................................... 142
11.3.	Магнитные свойства ............................................ 146
11.4.	Оптические свойства ........................................... 162
11.5.	Оптическая спектроскопия ...................................... 164
11.6.	Люминесценция ............................................... .	166
11.7.	Инфракрасная спектроскопия .................................... 170
11.8.	Рентгенографический анализ .................................. ' 187
11.9.	Термический анализ ........................................... 190,
11.10.	Электронная микроскопия .....................................  194
11.11.	Электронография .............................................. 196
11.12.	Рентгеноспектральный электронно-зондовый метод ............... 199
11.13.	Рентгеноэлектронная и фотоэлектронная	спектроскопия ........ 207
11.14.	Вторично-электронная эмиссия ................................. 209
11.15.	Электронный парамагнитный резонанс ........................... 214
11.16.	Мессбауэровская спектроскопия ................................ 216
11.17.	Рентгеновская микроскопия .................................... 219
11.18.	Иммерсионные методы «темного поля» и	«фазового контраста» .... 222
12.	Энергетическое воздействие на физико-химические свойства минералов 224
12.1.	Общие сведения ................................................ 224
12.2.	Направленное изменение физических свойств минералов и руд....	225
12.3.	Направленное изменение химических свойств минералов и руд....	235
12.4.	Направленное изменение химического состава и кристаллохимиче-
ских особенностей минералов ......................................... 236
271
13.	Методы энергетического воздействия на	минеральное сырье	239
13.1.	Ультразвуковое воздействие	239
13.2.	Катодная поляризация	242
13.3.	Химико-электрохимический метод	244
13.4.	Гидрофобизация поверхности минералов	элементной серой	247
13.5.	Механическое активирование	252
13.6.	Электрохимическая обработка	256
13.7	Высокочастотная электромагнитная	обработка	260
Список литературы	266
Предметный указатель	268
справочное Издание
Авдонин Алексей Сергеевич
Белов Борис Григорьевич
Богачев Вадим Иванович и др.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
ОПРОБОВАНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ
Заведующий редакцией И. О. Паркана
Редактор издательства Л. М. Неваева
Технический редактор Л Г Лаврентьева
Корректор И. Н. Таранева
ИБ 7117
Сдано в набор 21.06.89. Подписано в печать 05.12.89. Т-18421. Формат 60Х88'/1б.
Бумага офсетная № 2. Гарнитура Литературная. Печать офсетная. Усл. печ.
л. 16,66. Усл. кр.-отт. 16,9. Уч.-изд. л. 19,72. Тираж 2900 экз. Заказ 2521/1533—9.
Цена 1 р. 30 к.
Ордена «Знак Почета» издательство «Недра», 125047, Москва, пл. Белорусского
вокзала, 3.
Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени МПО
«Первая Образцовая типография» Государственного комитета СССР по печати.
113054, Москва, Валовая 28.