Комплексное использование минеральных ресурсов : в 2 кн. Кн. 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

М.Г. Зильбершмидт
В.А. Исаев

Комплексное использование 
минеральных ресурсов

Учебник

Допущено Учебно-методическим объединением вузов 
Российской Федерации по образованию в области горного дела 
в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся 
по направлению подготовки (специальности) «Физические 
процессы горного или нефтегазового производства» 
(специализация «Физические процессы горного производства»)

Москва  2016

УДК 622
 
З-61

Р е ц е н з е н т ы :

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. А.А. Осокин (ИПКОН РАН);

д-р хим. наук, проф. Т.В. Бухаркина (РХТУ им. Д.И. Менделеева)

Зильбершмидт М.Г.

З-61  
Комплексное использование минеральных ресурсов : в 2 кн. : 

учеб. / М.Г. Зильбершмидт, В.А. Исаев. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2016. – Кн. 1. – 346 с.

ISBN 978-5-87623-947-1

В первой книге учебника последовательно изложены геохимические 

и геологические особенности распределения химических элементов в земной литосфере, современное состояние и основные тенденции практического 
осуществления комплексного освоения минеральных ресурсов, основные факторы, определяющие свойства и возможности комплексного использования 
минеральных веществ, физические методы изучения минеральных веществ 
природного и техногенного происхождения, процессы преобразования минерального вещества при действии внешних физических полей. Главы содержат 
библиографический список, источники данных, примеры и упражнения.

Предназначен для подготовки горных инженеров по специальности 

21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» 
в области комплексного использования минерального сырья.

УДК 622

М.Г. Зильбершмидт,

В.А. Исаев, 2016

ISBN 978-5-87623-947-1
НИТУ «МИСиС», 2016

Оглавление

Предисловие ..........................................................................................................6
Благодарности .......................................................................................................9

I. Комплексное освоение минеральных ресурсов как необходимое 
условие развития современного горного производства .................................. 11
1. Геохимические особенности распределения химических элементов 
в литосфере и многообразие их минеральных форм ....................................... 11

1.1. Общие закономерности распределения и формы присутствия 
элементов в земной коре ................................................................................ 11
1.2. Геохимические принципы миграции и концентрации элементов 
при формировании минерального вещества ................................................17
1.3. Комплексный характер месторождений полезных ископаемых. 
Понятие о парагенетических ассоциациях ..................................................27
1.4. Многообразие состава, строения и потребительских свойств 
природного минерального вещества ............................................................33
Библиографический список ...........................................................................42
Источники данных ..........................................................................................42
Примеры  .........................................................................................................43
Упражнения .....................................................................................................49

2. Современное состояние комплексного освоения минеральных ресурсов 
и проблема твердых минеральных отходов горных предприятий ....................51

2.1. Комплексное освоение минерального сырья. 
Основные термины и понятия .......................................................................51
2.2. Характеристика твердых минеральных отходов горных 
предприятий и их ресурсного потенциала ...................................................60
2.3. Процессы гипергенного преобразования минерального 
вещества в техногенных образованиях, как основная причина 
их экологической опасности ..........................................................................73
Библиографический список ...........................................................................79
Источники данных ..........................................................................................79
Упражнения .....................................................................................................79

3. Основные тенденции практического осуществления комплексного 
использования минерального сырья .................................................................81

3.1. Совершенствование технологии добычи 
и обогащения полезных ископаемых ............................................................81
3.2. Установление и использование новых данных о физических 
и технологических свойствах минерального вещества  .............................91
3.3. Использование направленного изменения технологических 
свойств минерального вещества в процессах его подготовки 
к обогащению и переработке....................................................................... 117

3.4. Получение новых товарных продуктов из минерального 
вещества за счет действия физических и вещественных полей ..............122
Библиографический список .........................................................................126
Источники данных ........................................................................................127
Упражнения ...................................................................................................128

4. Особенности состава, строения и свойств природного 
минерального вещества ....................................................................................129

4.1. Состав и строение минерального вещества .......................................131
4.2. Иерархическая дефектная структура минералов и горных пород ...150
4.3. Понятие о структурном состоянии минерального агрегата ..............168
4.4. Физические свойства минералов и параметры, 
их характеризующие ....................................................................................174
4.5. Возможности целенаправленного изменения свойств 
минерального вещества ...............................................................................178
Библиографический список .........................................................................181
Источники данных ........................................................................................182
Пример ...........................................................................................................183
Упражнения ...................................................................................................183

II. Методы исследования минерального вещества и физические 
процессы изменения его свойств .....................................................................185
5. Физические методы анализа состава и строения природного 
и техногенного минерального вещества .........................................................185

5.1. Основные принципы анализа минерального вещества 
с применением рентгеновской дифрактометрии .......................................186

5.1.1. Получение и регистрация рентгеновского излучения ................186
5.1.2. Регистрация и детекторы рентгеновского излучения  ................194
5.1.3. Поглощение рентгеновского излучения веществом ...................197
5.1.4. Физические принципы получения и регистрации 
дифракционной картины .........................................................................201
5.1.5. Идентификация минералов ...........................................................209

5.2. Методы исследования элементного состава минерального 
вещества с использованием рентгеновской флуоресцентной 
спектрометрии ..............................................................................................213
5.3. Принципы получения количественной информации 
о строении полиминеральных агрегатов с использованием 
компьютеризированной оптической микроскопии  ..................................219
5.4. Принципы получения информации о строении минерального 
вещества с использованием рентгеновского электронного 
микроанализатора и растровой электронной микроскопии .....................232
5.5. Термические методы исследования минеральных веществ ..............245

5.5.1. Общие сведения и назначение термического анализа ................245

5.5.2. Дифференциально-термический анализ ......................................246
5.5.3. Термогравиметрический анализ ...................................................248

5.6. Общая схема экспертизы природного и техногенного 
минерального вещества на экологическую чистоту и пригодность 
к переработке ................................................................................................251
Библиографический список .........................................................................266
Источники данных ........................................................................................267
Упражнения ...................................................................................................267

6. Изменения свойств минералов и межзеренных границ 
при действии физических полей .....................................................................269

6.1. Полиморфные превращения минералов .............................................269
6.2. Преобразование дефектной структуры минералов 
и межзеренных границ .................................................................................283
6.3. Закономерности диффузионных процессов в минералах ..................306
6.4. Механизмы изменения свойств минералов .........................................314
Библиографический список .........................................................................337
Источники данных ........................................................................................338
Примеры ........................................................................................................338
Упражнения ...................................................................................................342

Предметно-именной указатель ........................................................................344

Предисловие

I
Проблемы комплексного освоения минеральных ресурсов были 

сформулированы еще в середине XX в., когда заметно обострилась 
экологическая обстановка в окрестностях горных предприятий из-за 
нарастающего объема отходов, а также произошло увеличение доли 
трудноперерабатываемых руд и, как следствие, снижение качества конечных продуктов вследствие отсутствия эффективных технологий 
их переработки. В Законе РФ «О недрах» 1992 г. были сформулированы основные требования по рациональному использованию и охране 
недр (ст. 23), в которых непосредственно предписывается «обеспечение полноты геологического изучения, рационального комплексного 
использования и охраны недр», «обеспечение наиболее полного извлечения из недр запасов основных и совместно с ними залегающих полезных ископаемых и попутных компонентов». Горнодобывающие и 
горноперерабатывающие предприятия с этого момента стали более 
внимательно относиться к проблемам комплексности минерального сырья и многие из них занялись переработкой вскрышных пород, 
хвостов обогащения и других отходов горного производства в целях 
получения дополнительной товарной продукции. В практике высшего 
образования при подготовке горных инженеров в таких дисциплинах, 
как «Обогащение полезных ископаемых», «Экология природопользования» стали появляться сначала специальные разделы, посвященные 
комплексному использованию минерального сырья, а затем и специальные курсы по этому направлению.

Цель настоящего учебника состоит в том, чтобы дать студентам 

системные знания по схеме: генезис минерального сырья → классификации → природа возникновения отходов переработки полезных 
ископаемых → основные тенденции в практике комплексного использования минерального сырья → анализ факторов, способствующих направленному изменению свойств минеральных веществ → 
процессы, вызывающие изменение свойств минеральных веществ → 
технологии формирования потребительских свойств минеральных 
веществ. По мнению авторов, именно такая схема изучения природных минеральных систем позволяет будущим инженерам научно обосновать технологии подготовки и переработки минеральных веществ 
природного и техногенного происхождения, удовлетворяющих требованиям комплексного освоения минеральных ресурсов. 

6

Концептуальной основой всего учебника является представление о 

минеральных веществах как о сложных гетерогенных системах, отличающихся неоднородностью строения, анизотропией свойств и многоуровневой иерархией дефектности. Такой методологический подход 
еще в 1990-е годы предложил первый из авторов настоящего учебника в своей докторской диссертации. Поэтому в учебнике особое 
внимание уделяется таким позициям, как полиморфизм минералов, 
дислокационные механизмы в кристаллах, диффузионные процессы 
в поликомпонентных системах. Изучение закономерностей изменения свойств твердых минеральных веществ в результате воздействия 
внешних физических и вещественных полей дает возможность оптимизировать процессы подготовки и переработки минерального сырья, 
а также разрабатывать научные основы новых технологических решений с учетом специфики конкретных объектов.

II
Первая книга учебника содержит две части. В первой части (гла
вы 1–4) дается классическое представление о геохимических принципах миграции химических элементов при формировании минерального вещества, комплексном характере месторождений полезных 
ископаемых, парагенезисе минералов, приведены различные класификации минеральных веществ по физическим и потребительским свойствам. С самого начала преследуется цель акцентировать внимание 
студентов на термодинамических принципах описания закономерностей поведения минералов и пород как в природных условиях, так и 
при целенаправленном воздействии внешними физическими полями. 

Вторая часть (главы 5–6) посвящена введению в инструменталь
ные методы исследования минеральных веществ для изучения их 
строения, структуры и состава. Среди множества таких методов авторы отдали предпочтение широко распространенным в практике 
аналитических исследовательских и производственных лабораторий 
методам оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурного и рентгенофлуоресцентного анализа, комплексному термическому анализу. С помощью этих методов в значительной мере решаются 
вопросы экспертизы минеральных веществ природного и техногенного происхождения на их экологическую чистоту и пригодность для 
дальнейшей переработки с возможностью получения дополнительной товарной продукции. В главе 6 рассмотрены также основные про

цессы, вызывающие изменение свойств минералов и межзеренных 
границ при внешних воздействиях.

III
Учебник предназначен для односеместрового курса по дисципли
не «Комплексное использование минеральных ресурсов» для студентов, обучающихся по направлению «Горное дело» специальности 
«Физические процессы горного или нефтегазового производства». 
Отдельные главы учебника, по усмотрению преподавателей, могут 
быть полезны студентам специальностей «Обогащение полезных ископаемых» и «Горно-промышленная экология». 

Глава 5 предназначена для более глубокого изучения тем, связан
ных с выполнением лабораторно-практических занятий по методам 
исследования состава и свойств минеральных веществ.

Примеры с решениями и упражнения, приведенные в конце некото
рых глав, подобраны для иллюстрации конкретных закономерностей 
поведения минеральных веществ в различных термодинамических условиях и при воздействии на них физических и вещественных полей.

При изложении материала отдельные его элементы, предполагаю
щие более глубокое представление у студентов специальных терминов, закономерностей, классификаций и пр., представлены в качестве 
дополнительной информации, которая следует сразу вслед за ее упоминанием и выделена более мелким кеглем.

В тех случаях, когда в тексте используется информация справочно
го или энциклопедического характера, ссылка по тексту дается прописными буквами латинского алфавита в квадратных скобках (обозначенная в конце глав как источники данных).

IV
Проблема комплексного освоения минеральных ресурсов, если 

«не стара, как мир», то во всяком случае без сомнения уже несколько 
десятилетий находится в центре внимания многих горнодобывающих 
и горноперерабатывающих предприятий. На наш взгляд, наступает 
время, когда необходимо обобщение опыта решения частных задач 
отдельных предприятий и разработки системного подхода к решению 
проблемы в целом. Настоящий учебник может рассматриваться как 
одна из первых попыток в этом направлении.

Благодарности

На обложке этого учебника значатся два автора, однако объектив
ности ради необходимо отметить, что в различной степени в его подготовке к написанию и изданию принимали участие многие сотрудники учебно-научной лаборатории кафедры физики горных пород и 
процессов. На протяжении многих лет ее коллектив решал актуальные задачи по исследованию строения, структуры и состава железных и редкометальных руд, руд цветных металлов, углей различных 
месторождений. В последние годы все бóльшую значимость в этих 
исследованиях стали приобретать разработки технологических решений при утилизации отходов горных предприятий: вскрышных 
пород, хвостов обогащения, шламов, углеотходов. Результатом этих 
разработок стала поддержка исследований различными зарубежными и отечественными научными фондами: Copernicus, ISSEP, РФФИ, 
а также включение в Программы научных разработок отраслевого и 
федерального уровня. 

Идейным вдохновителем написания этого учебника безусловно 

является Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, профессор 
А.П. Дмитриев, который посвятил организации работ в учебно-научной лаборатории значительную часть своей научно-педагогической 
деятельности. Мы выражаем А.П. Дмитриеву глубокую благодарность за конкретную помощь в организации исследований, ценные 
консультации по актуальным проблемам ресурсосберегающих технологий, внимание и поддержку на всех этапах работы над учебником. 

Авторы выражают свою признательность нашим в недалеком про
шлом коллегам М.А. Перфиловой, И.В. Велесевич за предоставленную 
ими возможность использовать в книге некоторые результаты изучения 
особенностей генетического структурного состояния и процессов, протекающих в минеральном веществе при действии различных полей, 
полученные с помощью оптической микроскопии, а также канд. техн. 
наук Т.К. Заворыкиной и канд. геол.-минер. наук О.Г. Карпову за участие в проведении исследований и методических разработках по использованию для этой цели методов рентгеновской дифрактометрии. 

Мы благодарны доц., канд. техн. наук И.М. Шведову за его участие 

в исследовательском процессе по обоснованию природоохранных мероприятий, ценные советы и помощь в проведении экспериментов по 
изучению строения и состава углей.

Написание этой книги вряд ли было бы возможно, если бы авторы 

не нашли поддержки и творческой помощи коллег целого ряда организаций, среди которых они считают необходимым отметить ИПКОН 
РАН (г. Москва), ФГУП Институт горючих ископаемых (г. Москва), 
ФГУП ВИМС им. Н.М. Федоровского (г. Москва), ВИОГЕМ (г. Белгород), ОАО «Михайловский ГОК» (г. Железногорск), ОАО «Тулауголь» 
(г. Тула).

I. Комплексное освоение минеральных 

ресурсов как необходимое условие 

развития современного горного 

производства

1. Геохимические особенности распределения 

химических элементов в литосфере 

и многообразие их минеральных форм

1.1. Общие закономерности распределения 

и формы присутствия элементов в земной коре

Минеральные ресурсы при современном уровне развития науки и 

техники являются одними из основных источников энергии и сырья 
для производства различных материалов и товарных продуктов, необходимых для создания комфортных условий жизнедеятельности 
человека.

Увеличение численности населения и постоянно растущие запро
сы общества в производственной и бытовой сферах приводят к необходимости ежегодного роста суммарных объемов потребления минерального сырья, а также изменению «спектра» извлекаемых полезных 
ископаемых, вызванного повышением или понижением потребностей 
человека в тех или иных разновидностях минерального сырья. 

Обобщение данных по химическому составу различных горных 

пород, слагающих земную кору, с учетом их распространения до глубин 16 км впервые было сделано американским ученым Ф.У. Кларком (1889). Полученные им числа процентного содержания химических элементов в составе земной коры, впоследствии несколько 
уточненные А.Е. Ферсманом, по предложению последнего были названы числами Кларка, или кларками. Эти данные, а также результаты 
других, более поздних исследователей (В.И. Вернадский, В.М. Гольдшмидт, А.Е. Ферсман, А.П. Виноградов, С.Р. Тейлор, К.Г. Ведеполь 
и др.) позволили получить сведения о химическом составе земной 
коры, представленные в табл. 1.1. При этом было установлено, что в 
ней преобладают элементы малых порядковых номеров: 15 наиболее 
распространенных элементов, кларки которых выше 100 г/т, обладают порядковыми номерами до 26 (Fe) (рис. 1.1).

Таблица 1.1

Кларки элементов в земной коре, % масс. 

(элементы расположены в порядке убывания их распространенности)

Химический элемент
Кларк, % масс.
Химический элемент
Кларк, % масс.

Кислород O
49,5000
Фтор F
0,0280

Кремний Si
25,8000
Барий Ba
0,0260

Алюминий Al
7,5700
Цирконий Zr
0,0210

Железо Fe
4,7000
Хром Cr
0,0190

Кальций Ca
3,3800
Никель Ni
0,0150

Натрий Na
2,6300
Стронций Sr 
0,0140

Калий K
2,4100
Ванадий V
0,0140

Магний Mg
1,9500
Цинк Zn
0,0120

Водород H
0,8800
Медь Cu
0,0100

Титан Ti
0,4100
Вольфрам W
0,0064

Хлор Cl
0,1900
Литий Li
0,0060

Фосфор P
0,0900
Церий Ce
0,0043

Углерод C
0,0870
Кобальт Co
0,0037

Марганец Mn
0,0850
Олово Sn
0,0035

Сера S
0,0480
Иттрий Y 
0,0026

Азот N
0,0300
Ниодим Nd
0,0022

Рубидий Rb
0,0290
Ниобий Nb
0,0019

Свинец Pb
0,0018

Итого
99,98 % масс.

Примечание. Остальные элементы (в сумме) – 0,02 % масс.

Франк Уиглсуорт Кларк (1847–1931)

Рис. 1.1. Относительное содержание химических элементов 

в земной коре

Приведенные данные свидетельствуют о том, что главными эле
ментами-строителями земной коры являются О, Si, Al, Fe, Са, Na, 
K, Mg, составляющие более 98 % ее веса. Ведущее место среди них 
принадлежит кислороду, на долю которого приходится почти половина массы земной коры и около 92 % ее объема. Распространенность 
химических элементов связана с их положением в периодической системе. Как отмечал еще Д.И. Менделеев, наиболее распространенные 
элементы земной коры располагаются в начале периодической системы. С увеличением порядкового номера распространенность элементов неравномерно убывает.

Таким образом, в земной коре явно преобладают легкие элементы, 

что отличает ее от других внутренних геосфер, более бедных этими 
элементами и обогащенных тяжелыми металлами. Взаимосвязь между 
кларками химических элементов и их положением в периодической 
системе позволяет предположить, что одной из основных причин различной распространенности химических элементов в земной коре являются строение и энергетическая устойчивость ядер их атомов.

Следует отметить, что наши представления о распространенности 

химических элементов не всегда согласуются с истинными значениями их кларков. Например, такие обычные элементы, как медь, цинк, 
свинец, имеют кларки во много раз меньшие, чем считающиеся редкими цирконий, ванадий. Причиной такого несоответствия является 
различная способность химических элементов к образованию значительных концентраций в земной коре – месторождений. Эта способность определяется их химическими свойствами, зависящими от