Исследования полезных ископаемых на обогатимость

В. Г. Самойлик






ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ НА ОБОГАТИМОСТЬ


Учебное пособие





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.7.01
ББК 33.4
      С17

   Рекомендованоучёным советом ГОУВПО «Донецкий национальный техническийуниверситет» в качестве учебного пособия для студентов образовательныхучреждений высшего профессионального образования (протокол№ 11 от 22.12.2017 г.)


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительства зданий, подземных сооружений и геомеханики ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» (г. Донецк) С. В. Борщевский;
кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко С. Л. Хилько



     Самойлик, В. Г.
С17 Исследования полезных ископаемых на обогатимость : учебное пособие / В. Г. Самойлик. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -196 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-1271-1

           Приведены сведения об основных задачах и стадиях исследований на обогатимость. Изложены основы опробования, вопросы изучения вещественного состава полезных ископаемых и физических характеристик минералов. Описаны методы и аппараты, используемые для исследования полезных ископаемых на обогатимость. Приведены методики лабораторных исследований обогатительных процессов. Рассмотрены статистические методы планирования экспериментов и обработки результатов лабораторных и промышленных испытаний.
           Для студентов специальности «Горное дело». Может быть полезно научным и инженерно-техническим работникам горной промышленности.

УДК 622.7.01
ББК 33.4











ISBN 978-5-9729-1271-1

      © Самойлик В. Г., 2023
      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ....................................................... 6
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И СТАДИИ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ОБОГАТИМОСТЬ.................................................8
ГЛАВА 2. ОПРОБОВАНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.......................13
    2.1. Общая характеристика видов проб и видов опробования.. 13
    2.2. Опробование при оценке и утверждении запасов месторождения.17
        2.2.1. Классификация месторождений полезных ископаемых.17
        2.2.2. Способыопробования месторождений............... 19
        2.2.3. Основные факторы, определяющие выбор методики опробования, способа отбора проб.......................22
        2.2.4. Технологическое опробование месторождений полезных ископаемых.............................................25
ГЛАВА 3. ПОДГОТОВКА ПРОБ К ИССЛЕДОВАНИЯМ...................... 29
    3.1. Подготовка к исследованию геологических проб..........30
    3.2. Подготовка к исследованию товарных проб...............34
    3.3. Подготовка к исследованию проб на обогатительных фабриках.. 37
ГЛАВА 4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.....................................................38
    4.1. Минералогический состав полезных ископаемых.......... 40
    4.2. Петрографический состав твердых горючих ископаемых... 44
        4.2.1. Определение групп мацералов и минеральных включений..46
        4.2.2. Определение показателя отражения витринита..... 48
    4.3. Гранулометрический состав полезных ископаемых.........50
    4.4. Фракционный анализ полезных ископаемых............... 63
    4.5. Определение физических и технологических характеристик минералов и руд............................................71
        4.5.1. Плотность...................................... 71
        4.5.2. Влажность.......................................73
        4.5.3. Сыпучесть.......................................74
        4.5.4. Магнитная восприимчивость.......................75
        4.5.5. Электрическая проводимость......................79
        4.5.6. Диэлектрическая проницаемость...................82
        4.5.7. Прочность.......................................83
        4.5.8. Абразивность................................... 85
        4.5.9. Удельная минеральная поверхность................87
ГЛАВА 5. ПОИСК АПРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ.................................93
ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБОГАТИМОСТИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ.................................95
    6.1. Исследование обогатимости полезных ископаемых радиометрической сепарацией.....................................96
    6.2. Исследование гравитационных процессов обогащения полезных ископаемых......................................................105

з

        6.2.1. Обогащение в тяжелых суспензиях.............. 106
        6.2.2. Обогащение отсадкой.......................... 108
        6.2.3. Обогащение на контцентрационных столах....... 112
        6.2.4. Обогащение на винтовых сепараторах........... 114
    6.3. Исследование обогатимости полезных ископаемых методом магнитной сепарации..................................... 116
        6.3.1. Магнитный анализ полезных ископаемых..........116
        6.3.2. Исследование обогатимости магнитной сепарацией... 120
    6.4. Исследование обогатимости полезных ископаемых электрической сепарацией.............................................. 123
    6.5. Флотируемость полезных ископаемых.................. 126
        6.5.1. Исследование обогатимости полезных ископаемых пенной флотацией........................................... 127
        6.5.2. Исследование обогатимости полезных ископаемых пенной сепарацией.......................................... 136
        6.5.3. Исследование обогатимости полезных ископаемых колонной флотацией...................................138
    6.6. Исследование обогатимости полезных ископаемых селективной флокуляцией............................................. 140
    6.7. Исследование обогатимости полезных ископаемых в процессе выщелачивания............................................142
ГЛАВА 7. ТЕХНИКА ПОСТАНОВКИ АКТИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ОБОГАТИМОСТИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.................................................. 148
    7.1. Классический и статистический методы планирования экспериментов........................................... 148
    7.2. Техника постановки активного эксперимента.......... 151
    7.3. Определение критерия эффективности процесса обогащения.152
    7.4. Определение независимых факторов....................153
    7.5. Выбор структуры модели и плана эксперимента........ 155
ГЛАВА 8. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПРИ
ИССЛЕДОВАНИИ ОБОГАТИМОСТИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ...................159
    8.1. Факторное планирование экспериментов............... 159
        8.1.1. Полный факторный эксперимент................. 159
        8.1.2. Дробный факторный эксперимент................ 163
    8.2. Метод крутого восхождения...........................165
    8.3. Симплексный метод планирования экспериментов....... 166
    8.4. Ротатабельное центрально-композиционное планирование экспериментов........................................... 168
ГЛАВА 9. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ...............................172
    9.1. Стадииисследований................................. 172
    9.2. Подготовительные процессы...........................173
        9.2.1. Дробление и грохочение....................... 173

4

       9.2.2. Измельчение и классификация................. 174
       9.2.3. Промывка.................................... 176
9.3. Обогатительные процессы.......................... 176
       9.3.1. Гравитационные процессы..................... 176
       9.3.2. Магнитнаясепарация.......................... 181
       9.3.3. Электрическая сепарация......................183
       9.3.4. Флотация.....................................184
       9.3.5. Радиометрическая сепарация.................. 186
ГЛАВА 10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ........................187
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ.......................................... 192

5

ВВЕДЕНИЕ


    Настоящее учебное пособие предназначено для более глубокого изучения студентами дисциплины «Исследования полезных ископаемых на обогатимость». Данная дисциплина направлена на создание у студентов системы знаний и представлений, лежащих в основе:
    -  физико-химических свойств минералов;
    -  способов их переработки;
    -      технологических особенностей обогащения полезных ископаемых различной природы;
    -      разработки технологических схем обогащения рудных и нерудных полезных ископаемых.
    Эта дисциплина является неотъемлемой частью комплекса дисциплин по подготовке специалистов по направлению «Горное дело».
    Цель изучения дисциплины - ознакомить студента с теоретическими основами исследования полезных ископаемых на обогатимость. Научить студента самостоятельно выбирать схему переработки руд в зависимости от свойств полезных компонентов. Все эти знания должны сформировать у студента основные элементы профессионального сознания. Это позволит будущему инженеру более профессионально решать производственные задачи для эффективного управления технологическим процессом переработки полезных ископаемых.
    В результате изучения дисциплины студент должен знать:
    процессы обогащения как объекты исследования; взаимосвязь технологических факторов; статистические методы планирования экспериментов и оценки экспериментальных данных.
    В результате изучения дисциплины студент должен уметь:
    исследовать свойства минералов, разрабатывать принципиальные схемы с учетом специфических особенностей сырья и выполнять их расчёт.
    Перечисленные результаты обучения являются основой для формирования следующих компетенций:
    -      способность к обобщению и анализу информации, постановке целей и выбору путей их достижения;
    -      стремление к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства;
    -      осознание социальной значимости своей будущей профессии, наличие высокой мотивации к выполнению профессиональной деятельности;
    -      готовность использовать научные законы и методы при геологопромышленной оценке месторождений твёрдых полезных ископаемых;
    -      владение методами анализа, знание закономерностей поведения и управления свойствами горных пород и состоянием массива в процессах переработки твёрдых полезных ископаемых;
    -      владение методами рационального и комплексного освоения георесурс-ного потенциала недр;

6

    -      владение основными принципами технологий эксплуатационной переработки твёрдых полезных ископаемых;
    -      готовность оперативно устранять нарушения производственных процессов, вести первичный учет выполняемых работ, анализировать оперативные и текущие показатели производства, обосновывать предложения по совершенствованию организации производства;
    -      готовность выполнять экспериментальные и лабораторные исследования, интерпретировать полученные результаты, составлять и защищать отчеты;
    -      готовность использовать технические средства опытно-промыш-ленных испытаний оборудования и технологий при переработке твёрдых полезных ископаемых, объектов;
    -      способность анализировать горно-геологическую информацию о свойствах и характеристиках минерального сырья и вмещающих пород;
    -      способность выбирать технологию производства работ по обогащению полезных ископаемых, составлять необходимую документацию в соответствии с действующими нормативами;
    -      способность выбирать и рассчитывать основные технологические параметры эффективного и экологически безопасного производства работ по переработке и обогащению минерального сырья на основе знаний принципов проектирования технологических схем обогатительного производства и выбора основного и вспомогательного обогатительного оборудования;
    -      способность анализировать и оптимизировать структуру, взаимосвязи, функциональное назначение комплексов по добыче, переработке и обогащению полезных ископаемых и соответствующих производственных объектов при строительстве и реконструкции.
    Дисциплина «Исследования полезных ископаемых на обогатимость» относится к профессиональному циклу базовой части учебного плана и изучается студентами на 5 курсе. Базируется на знаниях и умениях, которые студент приобрел при освоении предшествующих дисциплин: «Физика», «Физическая химия», «Органическая химия», «Высшая математика», «Геология», «Опробование и контроль технологических процессов обогащения», «Основы переработки минерального сырья», «Гравитационные методы обогащения», «Магнитные и электрические методы обогащения», «Специальные и комбинированные методы обогащения», «Флотационные методы обогащения», «Теория разделения минеральных ресурсов», «Моделирование обогатительных процессов», «Горнопромышленная экология» и др. Кроме этого студенты должны обладать базовыми знаниями основ математики, информатики и статистики.
    Изложенные в настоящем учебном пособии материалы дадут возможность студентам систематизировать полученные ранее знания по обогащению полезных ископаемых, проследить весь путь исследований по обогатимости полезных ископаемых от отбора проб до подготовки исходных данных для разработки новых технологических схем и процессов переработки минерального сырья, проектирования новых обогатительных фабрик.

7

Глава 1


ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И СТАДИИ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ОБОГАТИМОСТЬ

    Под обогатимостью понимают предельно возможную точность разделения полезного ископаемого на соответствующие продукты, которая не зависит от эффективности работы обогатительной установки. Обогатимость является технологической оценкой возможной степени извлечения и концентрации минеральных компонентов при обогащении полезных ископаемых. Обогатимость полезного ископаемого - обязательная характеристика месторождения, которая зависит от его минерального состава, текстуры и структуры.
    Исследование полезных ископаемых на обогатимость выполняют для:
    -  оценки и утверждения запасов месторождения;
    -      определения физических основ и закономерностей обогатительных процессов;
    -  разработки технологии и схем обогащения;
    -  оптимизации параметров процессов разделения;
    -  при испытании новых машин и реагентов;
    -      получения необходимых данных для проектирования новых обогатительных фабрик и усовершенствования технологии обогащения на действующих фабриках.
    Исследования полезных ископаемых на обогатимость представляют собой комплекс различных испытаний: исследование вещественного состава полезного ископаемого, крупности и характера вкрапления полезных минералов, разработку технологии обогащения выбранными методами и определение технологических показателей с учетом комплексного использования сырья и охраны окружающей среды.
    Разнообразные задачи, решаемые при исследовании обогатимости полезных ископаемых, не дают возможности четко регламентировать последовательность проведения отдельных операций, но в обще виде схема исследований может быть следующей:
    1. Отбор представительной пробы.
    2. Подготовка проб к исследованиям.
    3.     Проведение предварительных исследований (изучение вещественного состава, физических свойств сырья и др.).
    4. Сбор априорной информации о сырье, поиск аналогов.
    5.     Поиск возможных методов обогащения и разработка технологической схемы (по данным выполненных анализов и априорной информации).
    6. Выбор критериев эффективности принятых процессов обогащения.
    7. Разработка плана экспериментальных работ.
    8.     Выполнение экспериментов, обработка полученных данных и получение моделей процессов.
    9. Разработка рациональных технологических режимов процессов.

8

    10. Экспериментальная проверка и корректировка разработанной схемы.
    11.      Разработка исходных данных для экономического анализа переработки исследуемого сырья.
    При оптимизации параметров процессов разделения, изучении физических основ и закономерностей обогатительных процессов, при испытании новых машин и реагентов часть выше перечисленных операций может быть вовсе не использована, или порядок их может быть существенно изменён. Выбор последовательности проведения экспериментов определяется целью исследований, объёмом имеющейся априорной информации, опытом исследователей.
    При исследованиях полезных ископаемых на обогатимость для оценки и утверждения запасов месторождения преимущественно пользуются стандартной схемой, отдельные операции которой могут видоизменяться в зависимости от вида полезного ископаемого и особенностей его залегания [1-4].
    На первой стадии производится выбор методов (геологических, геофизических) и способов опробования, исходя из конкретных геологических особенностей месторождения, физических свойств полезного ископаемого и вмещающих пород, применяемых технических средств разведки.
    Обработка проб производится по схемам, разработанным для каждого месторождения, или принятым по аналогии с однотипными месторождениями. Основные и контрольные пробы обрабатываются по одной схеме.
    На стадии предварительных исследований проводятся изучения химического состава руд. Целью этих исследований является выявление всех основных, попутных полезных компонентов, вредных примесей и шлакообразующих компонентов. Содержания их в руде определяются анализами проб химическими, спектральными, физическими, геофизическими и другими методами. Минеральный состав руд, их структурно-текстурные особенности и физические свойства должны быть изучены с применением минералого-петрографических, химических, физических и других видов анализов. При этом, наряду с описанием отдельных минералов производится количественная оценка их распространённости.
    В результате проведенных предварительных исследований руд устанавливаются их природные разновидности и предварительно намечаются промышленные (технологические) типы, требующие селективной добычи и раздельной переработки. Окончательное выделение промышленных (технологических) типов и сортов руд производится по результатам технологического изучения выявленных на месторождении природных разновидностей.
    Технологические свойства полезного ископаемого - совокупность признаков, характеризующих дробимость, измельчаемость полезного ископаемого, раскрываемость минеральных ассоциаций, эффективность разделения минеральных комплексов и отдельных минералов на черновые и товарные концентраты, промпродукты для специальных видов переработки и отвальные хвосты различными методами механического, физико-химического, химико-металлургического, биологического обогащения. На стадии изучения технологических свойств полезных ископаемых при имеющемся опыте промышленной перера-9

ботки легкообогатимых руд допускается использование аналогии, подтвержденной результатами лабораторных исследований. Для труднообогатимых или новых типов руд, опыт переработки которых отсутствует, технологические исследования руд и, в случае необходимости, продуктов их обогащения, проводятся по специальным программам.
    По результатам изучения технологических свойств полезных ископаемых проводится геолого-технологическая типизация руд месторождения с выделением промышленных (технологических) типов и сортов руд, составляются геолого-технологические карты и разрезы. Производится оценка и утверждение запасов месторождения.
    При проведении исследований на обогатимость с целью получения необходимых данных для проектирования новых обогатительных фабрик схема исследований существенно расширяется. Основные требования к этапам исследований и перечень необходимых данных, которые должны быть получены в процессе выполнения этих этапов, определяются отраслевыми руководящими документами по проектированию [5, 6].
    Наряду с заданием на проектирование основным документом для разработки проекта обогатительной фабрики является технологический регламент, который составляется по результатам исследований на обогатимость.
    Для обогатительных фабрик, перерабатывающих руды цветных металлов, технологический регламент должен содержать следующие данные:
    -      минералогический, химический состав, промышленные технологические типы и технологические сорта руд;
    -      физико-механические свойства промышленных технологических типов и технологических сортов руд;
    -      данные по дробимости, измельчаемости и промываемости исходной руды, склонность минералов к переизмельчению и ошламованию, объёмная плотность продуктов дробления по переделам, их подвижность, слеживаемость, угол естественного откоса;
    -      физико-химические свойства шламов и пылей, рекомендации по их переработке;
    -      допустимые колебания показателей качества руды между суточными, сменными и внутрисменными партиями. Влияние колебаний качества руды на показатели технологического процесса, возможные колебания выхода и качества концентратов и промежуточных продуктовых хвостов. Целесообразность валовой или раздельной переработки выделенных сортов руд, необходимость валового или сортового усреднения руд, величина партий, в которых требуется усреднение, допустимые колебания в этих партиях (глубина и степень усреднения);
    -      характеристика вкрапленности минералов, крупность измельчения для раскрытия минералов. Оптимальная крупность измельчения;
    -      возможность и целесообразность предварительного обогащения кусковой руды;

10

    -      возможность и целесообразность использования бесшарового измельчения;
    -      рекомендуемая технологическая схема с учетом комплексного использования сырья и отходов (на схеме должны быть указаны технологические показатели, режимные параметры). Технологические показатели (качество концентратов, извлечение металлов по периодам отработки месторождения);
    -      показатели извлечения металлов, ценных минералов и серы в готовую продукцию и их распределение по продуктам обогащения. Рекомендуемые показатели комплексности использования сырья, включая хвосты обогащения. Удельные нормы расхода технологических материалов, топливно-энергетических ресурсов;
    -      рекомендуемые мероприятия по использованию отходов переработки полезных ископаемых, требования к их размещению, складированию и сохранению;
    -      реагентный режим с приведением перечня и расхода реагентов и указанием точек подачи. Время флотации по операциям;
    -      рекомендации по выбору оборудования, коэффициенты и удельные нагрузки на оборудование по всем операциям;
    -      абразивность перерабатываемого сырья, щелочность или кислотность пульпы, рекомендации по защите оборудования и технологических коммуникаций;
    -      данные по обесшламливанию, сгущаемости и фильтруемости промежуточных продуктов, концентратов, хвостов;
    -      данные по балансу водопотребления и водоотведения по водношламовой схеме, требования к качеству оборотной воды и технологии ее кондиционирования, уровня водооборота;
    -      химический, минералогический и гранулометрический состав продукции и отвальных хвостов с указанием соответствия готовой продукции действующим ГОСТ, ОСТ и ТУ;
    -     технология очистки сбросных вод (схема и качество очистки).
    Для получения вышеперечисленных данных необходимо проводить большой объём экспериментальных исследований и расчётов технологических показателей с привлечением методов математического моделирования, планирования экспериментов и статистических методов обработки полученных результатов.
    Таким образом, выбор схемы проведения исследований на обогатимость зависит от многих факторов. Нельзя чётко регламентировать их порядок, объём экспериментов. Даже в тех случаях, когда схема проведения исследований определена в отраслевых документах, перечень исследований, возможные варианты использования методов и схем обогащения будут существенно отличаться для полезных ископаемых различной природы.
    Поэтому, при исследованиях полезных ископаемых на обогатимость, существенно возрастает роль непосредственного исполнителя - инженера-исследователя. От его компетенции, уровня подготовки будут зависеть пра-11

вильность принятой схемы исследований, достоверность полученных результатов. Знание основных стадий исследований на обогатимость, излагаемых в этом учебном пособии, поможет читателю ориентироваться в выборе рациональных решений по технологии переработки полезных ископаемых, использованию новых реагентов, схем и оборудования.
    Знакомство с основными стадиями мы начнём с отбора представительной пробы.

12

Глава 2


ОПРОБОВАНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

2.1. Общая характеристика видов проб и видов опробования

    В зависимости от целей, объектов исследований на обогатимость сами виды проб и способы их отбора могут существенно отличаться [7-9].
    Познакомимся с основными видами проб и видами опробования.
    По способу получения, пробы подразделяются на точечные (рядовые) и объединённые (групповые).
    Точечная (рядовая) проба - это масса материала, отобранная из одного места однократным движением устройства для отбора проб.
    Объединенная (групповая) проба - это проба, состоящая из требуемого числа точечных (рядовых) проб одного и того же природного типа, отобранных в смежных точках. Она характеризуют усреднённое качество опробуемого материала. Количество групповых проб в несколько раз меньше количества рядовых проб, что позволяет, с одной стороны, определить содержание широкого круга компонентов в составе исследуемого материал, с другой - существенно сократить объём аналитических работ.
    По назначению пробы подразделяют на химические, минералогические, минералого-технологическая, технологические, пластовые, эксплуатационные, товарные, контрольные, и др.
    Химические пробы предназначены для определения химического состава руд. Они могут быть как рядовыми, так и групповыми. Рядовые пробы предназначены для определения содержания главных компонентов. Групповые пробы предназначены для определения содержания главных и второстепенных компонентов.
    Минералогические пробы предназначены для определения минералогического состава полезных ископаемых. В качестве минералогических проб используются полированные штуфы, шлифы, аншлифы (полированные шлифы), шлихи (концентраты тяжёлых минералов, получаемые при промывке шлиховых проб на россыпях), протолочки (концентраты тяжёлых минералов, получаемые при промывке измельченных скальных руд и вмещающих пород) и брикеты (искусственные шлифы и аншлифы, изготавливаемые из рыхлых полезных ископаемых и концентратов обогащения на специальном цементе).
    Минералого-технологические пробы предназначены для изучения вещества пробы и форм нахождения в ней полезных компонентов, для изучения технологических свойств и технологической типизации руды, а также для разработки технологической схемы обогащения.
    Технологические пробы предназначены для изучения технологических свойств полезных ископаемых, разработки и испытания технологической схемы их обогащения. Технологические пробы также отбирают на действующих обогатительных фабриках для осуществления контроля за технологическим

13