СПОСОБ ПОИСКА И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
METHOD OF SEARCHING FOR AND EVALUATING QUALITY OF MINERAL RAW MATERIAL

Данное предложение относится к области поиска полезных ископаемых и может быть использовано при геологических и технологических исследованиях.
Известен способ поиска и оценки качества минерального сырья, включающий нахождение в поисковых пробах положительных и отрицательных поисковых индикаторных признаков и характеристик, оценку качества минерального сырья с использованием информации, связанной с минеральными фазами поисковой пробы (патент РФ №2215279, 6 G01N 1/38 «Способ поиска полезных ископаемых и экологических загрязнений», Аполицкий В.Н., Юшко Н.А., 2002 г.).
Наиболее близким по технической сущности к данному предложению является способ поиска и оценки качества минерального сырья, включающий нахождение в поисковых пробах положительных и отрицательных поисковых индикаторных признаков и характеристик с помощью спектрального аналитического метода, в качестве поисковых индикаторных характеристик используют величины, характеризующие обнаружение в поисковой пробе минеральных частиц с рассеянной формой нахождения индикаторных элементов, когда индикаторные элементы находятся в минеральных частицах в небольших количествах, как примесь, и с собственной минеральной формой, когда иникаторные элементы входят в основной состав минеральной частицы (в собственные минералы химических элементов), оценку качества минерального сырья ведут с использованием информации, полученной с помощью интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового спектрального анализа (патент РФ №2272269, 6 G01N 1/28, 2004 г. «Способ поиска и оценки качества минерального сырья», Аполицкий В.Н., Кременецкий А.А.).
Недостатком известных технических решений (аналога и прототипа) является недостаточно высокое качество такого поиска минерального сырья из-за сложности, длительности и невысокой точности процесса выявления минеральных фазовых форм нахождения химических элементов в пробе.
Целью предложения является повышение эффективности поиска и оценки качества минерального сырья за счет повышения надежности и скорости выявления минеральной неоднородности поисковых геологических проб с использованием интегрально-сцинтилляционного спектрального анализа вещества.
Поставленная цель достигается за счет того, что согласно способу поиска и оценки качества минерального сырья, включающему нахождение в поисковых пробах положительных и отрицательных поисковых индикаторных признаков и характеристик с помощью аналитического метода, использование в качестве поисковых индикаторных характеристик величин, характеризующих обнаружение в поисковой пробе минеральных частиц, в которых индикаторные элементы находятся в рассеянной форме, когда элементы находятся в минеральных частицах в небольших количествах, как примесь, и частиц, в которых индикаторные элементы находятся в собственной минеральной форме, когда полезные элементы входят в основной состав минеральной частицы (в формулу минерала), для поиска и оценки качества минерального сырья используют интегрально-сцинтилляционный элементно-фазовый спектральный анализ, при проведении поиска полезных ископаемых в качестве поисковых индикаторных характеристик используют величины, характеризующие элементную и минеральную фазовую неоднородность поисковых проб. Для оценки поэлементной фазовой неоднородности поисковых проб используют отношение содержания отдельного химического элемента, находящегося в пробе в собственной и рассеянной минеральной форме к общему содержанию этого элемента в поисковой пробе, расчет содержаний химических элементов, находящихся в поисковой пробе в различных минеральных формах, производят с использованием интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового анализа вещества, позволяющего обнаруживать фазовые неоднородности в поисковых пробах путем проведения итерационного расчета содержаний химических элементов, находящихся в различных минеральных формах, при котором постепенно исключаются сцинтилляционные аналитические сигналы химических элементов. Оценку качества минерального сырья производят с использованием поисковых индикаторных характеристик, связанных с фазовой неоднородностью поисковых проб. Поиск и оценку качества минерального сырья ведут, предварительно разделяя поисковую пробу на фракции, с целью получения дополнительной информации о поисковых характеристиках, связанных с фазовыми неоднородностями фракций и распределением неоднородностей по фракциям.
Сущность предлагаемого способа.
При поиске полезных ископаемых важным является выбор поисковых индикаторных признаков и характеристик, по которым определяется направление геологического поиска. Поиск становится более надежным, если число эффективных поисковых индикаторных признаков и характеристик возрастает и возможно их четкое разделение на положительные (когда с ростом величин, характеризующих признак, от пробы к пробе указывает на правильное выбранное направление геологического поиска) и на отрицательные (когда этот рост указывает на неправильное направление поиска).
Геологическая порода это относительно однородная среда, состоящая из породообразующих минералов, в которой находятся инородные собственные минералы, отличающиеся по химическому составу от породообразующих минералов. Обычно с приближением к месторождению в породе среди породообразующих минералов появляются все большее и большее число фазовых минеральных неоднородностей, связанных с появлением и возрастанием среди породообразующих минералов собственных рудных минералов химических элементов. Для проведения успешного поиска необходимо заметить возрастание или убывание фазовой неоднородности в поисковых пробах. Важно при поиске полезных ископаемых обнаружить в поисковых пробах две характерные минеральные формы нахождения химических элементов, когда химические элементы находятся в частицах собственных минералов химических элементов с содержанием более 1-10% и когда они входят в состав других минералов (рассеянная минеральная форма нахождения химических элементов) в виде примесных элементов с содержанием менее единиц процентов в них. В прототипе для обнаружения в поисковых пробах минеральных частиц с рассеянной формой и собственной минеральной формой нахождения полезных элементов ведут исследования с использованием интегрально-сцинтилляционного спектрального метода анализа; при котором судят о наличии этих форм в поисковых пробах по амплитуде и характеру появления аналитического сигнала от частиц поисковой пробы. Величина аналитических сигналов сильно зависит от состава пробы, крупности ее частиц и равномерности подачи частиц пробы в плазму источника возбуждения спектров, что осложняет исследования аналитических сигналов и получение полезной информации. Поэтому в прототипе перед исследованием аналитических сигналов производят разделение навески пробы на четыре фракции. Предлагаемый способ не требует выполнения разделения пробы на фракции.
В предлагаемом способе поиска и оценки качества минерального сырья осуществляется одновременно с расчетом элементного состава поисковых проб расчет поисковых индикаторных характеристик, характеризующих элементно-фазовую неоднородность поисковых проб. В первую очередь к ним относятся «поэлементная неоднородность пробы» - величина, характеризующая относительное соотношение содержания индикаторного элемента, находящегося в собственной или рассеянной минеральной форме, к общему содержанию этого элемента в пробе.
эл.неод
эл,соб
эл,расс
Для выявления и оценки содержаний минеральных фазовых неоднородностей (собственных минеральных фаз) в поисковых пробах предлагается использовать прямой, быстрый и простой метод атомного интегрально-сцинтилляционного спектрального анализа вещества (патент РФ №2272277 «Способ интегрально-сцинтилляционного спектрального анализа вещества», G01N 21/67, Аполицкий В.Н. 2004 г.), позволяющий определять как элементный, так и фазовый состав поисковых проб. Последнее оказалось возможным за счет виртуального разделения исследуемой навески пробы на малые части (микронавески) путем использования периодической прерывистой кратковременной синхронной регистрации спектральных сигналов в процессе пространственно-временного исследования навески пробы и последующего расчета относительного содержания полезных отдельных химических элементов в малых частях (микронавесках) поисковой пробы. Обычно в большинстве микронавесок исследуемой поисковой пробы находятся лишь химические элементы породообразующих минералов, а фазовые неоднородности, собственные минералы химических элементов наблюдаются только в отдельных микронавесках пробы. Новый способ позволяет быстро обнаружить непородообразующие минералы в микронавесках, определить минеральную форму нахождения химических элементов, рассчитать содержания химических элементов в микронавесках без знания их масс (см. журнал «Заводская лаборатория» т.76, №2, 2010 г, ст.3-9, авт. Аполицкий В.Н.). Знание содержаний химических элементов в большом количестве частей (микронавесок) анализируемой пробы позволяет оценить важную поисковую индикаторную характеристику пробы: поэлементный среднеквадратический разброс δ результатов определения элементов в микронавесках, а также определить содержания химических элементов в пробе, находящихся в собственной С и рассеянной С минеральной форме, которые, если сравнить их с общим содержанием элемента в пробе, могут служить поисковыми индикаторными характеристиками. При этом для выявления фазовых форм нахождения элементов используют итерационный процесс расчета содержания индикаторного элемента, находящегося в отдельных микронавесках исследуемой пробы, с постепенным исключением из расчета аналитических сцинтилляционных сигналов элементов, связанных с инородными фазовыми частицами, находящимися в собственной минеральной форме.
Для более детального изучения поисковых проб, повышения эффективности поиска, оценки качества обнаруживаемого минерального сырья поисковые пробы рационально разделять на 4 фракции по крупности и плотности частиц (см. прототип) и оценивать поэлементную неоднородность химических элементов по фракциям с помощью предлагаемого способа. Учитывая то, что собственные минералы полезных элементов обычно сосредотачиваются в тяжелой фракции, а рассеянные полезные элементы в хвостах и шламе, возникает возможность для более точной оценки качества обнаруживаемого минерального сырья.
Примеры конкретной реализации предлагаемого способа.
Пример 1. Необходимо при поиске кварцевого сырья найти новые поисковые индикаторные характеристики в геологической поисковой пробе, связанные с ее неоднородностью, и оценить по найденным характеристикам пробы качество обнаруживаемого минерального сырья.
эл,расс
эл,соб
Для осуществления предлагаемого способа поиска и оценки качества минерального сырья используют обычные условия отбора поисковых проб. Крупность частиц пробы должна быть меньше 100 мкм. В качестве аналитического метода исследования применяют прямой интегрально-сцинтилляционный атомный эмиссионный элементно-фазовый спектральный анализ, подобно тому, как это изложено в прототипе. Для проведения анализа поисковой пробы берут аналитическую навеску 50-100 мг, при необходимости просушивается при температуре более 105°С и в виде дорожки располагают на ленте транспортера установки для «просыпки-вдувания» порошковых проб в плазму 3-полюсной дуги. Далее включают транспортер, зажигают дугу и интегрально-сцинтилляционную регистрацию аналитических сигналов, при которой ведется покадровое накопление аналитических спектральных сигналов, с временем кадра 70 мс. При движении транспортера порошковая проба относительно равномерно вводится в плазму источника возбуждения спектров, во время подачи пробы регистрируется обычно более 200 кадров. Каждый кадр содержит информацию об излучении аналитических линий атомов более 50 химических элементов. На фиг.1 показаны покадровые аналитические сигналы излучения атомов исследуемого химического элемента («временная покадравая развертка») - зависимость амплитуды сигнала (I) от временного номера кадра (№). Положение треугольника (экспериментальная точка) характеризует величину накопленного спектрального сигнала за время одного кадра. Ширина основания треугольника соответствует длительности времени одного кадра - 70 мс. Выбор этого времени позволяет наблюдать сцинтилляционные аналитические сигналы отдельных частиц пробы в пределах одного кадра (основания треугольника), что важно для успешного осуществления интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового анализа. Аналитические сигналы химических элементов, входящих в состав породообразующих минералов (матрицы, основы) пробы, наблюдаются во всех зарегистрированных кадрах и амплитуда их мало меняется от кадра к кадру (см. Al, Na, Fe, Ca, Mg.). Одновременно с этим на временной развертке наблюдаются отдельные сигналы (сцинтилляционные импульсы), принадлежащие химическим элементам, входящим в состав отдельных частиц, инородных фаз пробы (собственных минералов элементов), существенно отличающихся от частиц породообразующих минералов по элементному составу (Ni, Cr, Pb и др., которые на фиг.1 не показаны). Возможны и другие случаи, когда наблюдаются как относительно одинаковые аналитические сигналы, присутствующие во всех кадрах, так и импульсные сигналы, превышающие эти сигналы в отдельных кадрах. Необходимо заметить, что величина аналитических сигналов существенно зависит от равномерности подачи частиц порошковой пробы в плазму источника возбуждения спектров, которую очень сложно осуществить реально. Поэтому упрощенный способ оценки наличия различных фазовых форм нахождения химических элементов, рекомендуемый в прототипе, только по амплитуде аналитического сигнала во многих случаях малоэффективен. В предлагаемом способе для учета неравномерности подачи проб в плазму используется расчет «соотношений условных содержаний» (см. журнал «Заводская лаборатория» т.76, №2, 2010 г., с.3-9, авт. Аполицкий В.Н.) химических элементов в микронавесках пробы, попадающих в плазму за время регистрации каждого кадра (см. Фиг.2а), которые не зависят от масс исследуемых микронавесок. Это позволяет более четко выявлять сцинтилляционные импульсные аналитические сигналы, принадлежащие частицам минералов, находящихся в собственной минеральной форме. Что дает возможность применить итерационный расчет содержаний химических элементов в поисковой пробе, находящихся в рассеянной форме (в породообразующих минералах) (см. Фиг.2б), а также содержаний элементов инородных фаз, находящихся в собственной минеральной форме (см. Фиг.2в). Итерационный расчет позволяет постепенно исключать из расчета аналитические сигналы, принадлежащие сцинтилляционным сигналам (фазовым неоднородностям), и производить количественную оценку содержаний индикаторных химических элементов С, находящихся в рассеянной минеральной форме, равномерно распределенных по объему матрицы пробы, и содержания индикаторных элементов С, находящихся в инородных фазах (в отдельных частицах собственных минералов).
эл,
В качестве поисковых индикаторных характеристик предлагается использовать величины, отражающие относительную неоднородность поисковой пробы Н:
эл,соб
процентные поэлементные отношения содержаний индикаторных элементов, находящихся в собственной С минеральной форме, к общему содержанию
эл,общ
эл,соб
эл,соб
эл,общ
С элемента в пробе - Н=С/С;
эл,расс
эл,расс
эл,общ
процентные отношения содержаний индикаторных химического элемента, находящегося в рассеянной минеральной форме, к общему содержанию этого элемента в пробе Н=С/С:
эл,неод
возможно использовать и другие более сложные в расчетах характеристики неоднородности по объему пробы (например, величину среднеквадратического разброса результатов определения содержаний индикаторных элементов в микронавесках пробы δ).
Таблица 1
Элемент
Поисковые индикаторные характеристики
С<sub>общ.сод</sub>
Н<sub>эл,расс</sub>
Н<sub>эл.соб</sub>
Al
0.0028
68
32
Na
0.00042
79
21
Fe
0.0076
74
25
Ti
0.000022
5
95
Mg
0.000011
77
23
Ca
0.00023
72
28
Cu
0.000091
58
41
Zr
0.000000
0
0
Cr
0.00079
25
75
Ni
0.00044
40
60
Mn
0.000052
2
98
Pb
0.000058
4
96
Sn
0.000001
76
24
Zn
0.000004
25
75
SiO<sub>2</sub>
99.98738
100
0
общ.сод
эл,соб
эл,расс
Рассчитанные общие содержания химических элементов С в самой поисковой пробе и поисковые индикаторные характеристики неоднородности Н, Н пробы представлены в Табл.1.
Из Табл.1 можно сделать следующие выводы.
2
1. Основным (матричным) элементом в изучаемой поисковой геологической пробе является кремний (SiO - 99,987%). Содержания примесных элементов составляют величину меньшую 0,02%. Это дает основание считать, что породообразующим минералом исследуемого обнаруживаемого минерального сырья является кварц.
2. Химические элементы Al, Na, Fe, Ca, Mg находятся в рассеянной и собственной фазовой формах. Есть основания полагать, что рассеянная форма нахождения этих элементов связана с частицами матрицы (с кварцем) как примесь, поэтому эти элементы совместно присутствуют во всех кадрах. Известно, что эти элементы являются обычно изоморфными примесями кварца.
3. Химические элементы Ti, Cr, Pb, Ni, Mn, Cu присутствуют в пробе в виде отдельных частиц собственных минералов, так как раздельно наблюдаются в отдельных кадрах.
4. Полученные данные позволяют констатировать обнаружение кварцевого сырья с относительно небольшим количеством примесей других элементов. Используя поисковые индикаторные характеристики неоднородности поисковых проб можно вести нацеленный поиск более чистого кондиционного минерального сырья.
эл.соб
Fe.соб.
5. Качество обнаруженного сырья можно оценить по возможности проведения наиболее дешевой очистки его от примесей. Наиболее дешевым способом очистки является применение способов механического отделения примесных элементов от минерального сырья (гравитационные, магнитные и т.п. способы), которые могут отделить вскрытые частицы собственных минералов химических элементов, находящихся в минеральном сырье. Зная (см. Таблица 1) поэлементное относительное содержание примесных химических элементов, находящихся в исследованной поисковой пробе, по отношению к общему содержанию этого элемента в пробе, Н, можно оценить максимально возможную очистку кварцевого минерального сырья. Наиболее существенной примесью в пробе обнаруживаемого месторождения кварца является железо (0,0076%). Есть основания предполагать, что железо входит как изоморфная примесь в основной породообразующий минерал кварц, так и находится в отдельных фазовых частицах собственных минералов железа (см. Табл.1 - H=25%). Содержание железа в обнаруживаемом сырье можно уменьшить на 0,0076%×0,25=0,0019%, такие расчеты можно провести для всех примесных элементов, находящихся в минеральном сырье, и оценить гипотетическую очистку минерального сырья. Считая обнаруженное сырье полезным можно продолжить детальный геологический поиск, используя в качестве индикаторных характеристик предложенные поэлементные индикаторные характеристики.
Таким образом, предлагаемый способ поиска и оценки качества минерального сырья за счет использования в качестве поисковых индикаторных характеристик величины, характеризующие минеральные фазовые неоднородности поисковой пробы, такие как величина отношения содержания индикаторного химического элемента, находящегося в пробе в собственной минеральной форме, к общему содержанию этого элемента в поисковой пробе, величина отношения содержания индикаторного элемента, находящегося в рассеянной минеральной форме, к общему содержанию химических элементов, которые получают с использованием интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового анализа вещества, при котором обнаруживают фазовые неоднородности в поисковых пробах путем проведения итерационного расчета содержаний химических элементов, находящихся в различных минеральных формах, в малых навесках (микронавесках) поисковой пробы, удается получить новые более надежные поисковые индикаторные характеристики неоднородности поисковых проб, которые не зависят от условий подачи порошковой поисковой пробы, исключить субъективные факторы при оценке поисковых характеристик, которые присутствуют в прототипе, сделать поиск и оценку качества обнаруживаемого минерального сырья более надежной и быстрой за счет расчета содержаний индикаторных элементов в пробе, находящихся в собственной и рассеянной минеральной форме, вместо оценки амплитуд аналитических сигналов элементов при анализе проб, полученных после разделения поисковой пробы на 4 фракции по плотности и крупности частиц пробы.
Использование новых поисковых индикаторных характеристик позволяет более надежно и быстро проводить поиск полезных ископаемых и одновременно оценивать их качество без специального разделения проб на фракции. Сделать это с помощью прототипа невозможно.
Дополнительные характеристики поисковых проб можно получить, используя разделение ее на 4 фракции и исследуя их с помощью предлагаемого способа.