Изучение физико-механических свойств горных пород месторождений малосульфидных руд Кольского полуострова

УДК 552.08

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД МЕСТОРОЖДЕНИЙ МАЛОСУЛЬФИДНЫХ РУД КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА

В.В. Марчевская, Т.Н. Мухина

Г орный институт КНЦ РАН

Аннотация

Представлены результаты исследований физико-механических свойств горных пород двух месторождений малосульфидных платинометалльных руд Кольского полуострова - нового для региона вида полезных ископаемых - расположенных в его центральной части.

Ключевые слова:

малосульфидные платинометалльные руды, предел прочности на одноосное сжатие, крепость, абразивность, дробимость, измельчаемость.

Изучение физико-механических свойств горных пород имеет важное значение для расчетов технологических процессов и проектирования конструктивных параметров машин во всех отраслях производства горной промышленности - от разведки месторождений полезных ископаемых до их обогащения.

В настоящей работе представлены результаты исследований физико-механических свойств горных пород двух

месторождений малосульфидных платинометалльных руд -

нового для региона вида полезных ископаемых,

расположенных в центральной части Кольского п-ова.

Верхние горизонты расслоенного массива первого месторождения сложены крупнозернистыми габбро, постепенно сменяющимися вниз по разрезу габбро-норитами, норитами и такситовые габброноритами в лежачем боку массива. В массиве выделено четыре типа сульфидного оруденения: вкрапленное, гнездово-вкрапленное, прожилково-вкрапленное, сплошных сульфидных руд. Вкрапленное оруденение имеет преимущественное распространение по всему разрезу массива. Как правило, на всех уровнях платинометалльная минерализация приурочена к сульфидной [1].

Рудная зона массива, к которому приурочено второе месторождение, сложена

переслаивающимися метагабброноритами и метаплагиоклазитами, которые залегают под покровом базальтов и подстилаются метаморфизованными такситовыми габброноритами. Вкрапленное сульфидное оруденение образует группу разобщенных в вертикальном разрезе пластообразных и линзовидных тел. Оруденение представлено преимущественно бедным вкрапленным типом. Минералы благородных металлов в рудном слое ассоциируют с сульфидной вкрапленностью [2].

Классификация горных пород по коэффициенту крепости /, разработанная проф.

М.М. Протодьяконовым по результатам многолетней горной практики, долгое время оставалась основой для количественного представления свойств горных пород в инженерных расчетах технологических процессов и проектировании конструктивных параметров горных машин и систем разработки месторождений [3].

Поскольку по конструктивным соображениям в современной практике дезинтеграции основным разрушающим воздействием является раздавливание, для характеристики и общего сравнения прочностных свойств горных пород правильнее в качестве базового использовать показатель предела прочности на одноосное сжатие, который, как показано в работе [4], находится в достаточно тесных корреляционных связях со многими другими механическими свойствами горных пород.

Прочностные свойства и абразивность горных пород месторождений малосульфидных руд изучены на образцах пород, отобранных из кернового материала без видимой трещиноватости, которая значительно понижает предел прочности.

Определения предела прочности на сжатие выполнены на образцах размерами 25*25*25 мм по общепринятым методикам [5] на прессе, имеющем предел нагружения не менее 50 т. Образцы испытывали сжатием вплоть до разрушения плавно нарастающей нагрузкой со скоростью от 3 до 5 кгс/см2 в секунду. Величина предела прочности вычислена по формуле:

5 P 2 anr = 0.981-105 —, н/м2,

pr S

где P - разрушающая нагрузка, кгс; S - площадь поперечного сечения образца, см2.

Согласно статистической теории прочности твердых тел и из практики испытаний горных пород известна зависимость прочности от линейных размеров образцов пород, так называемый масштабный фактор. На практике принято прочностные свойства горных пород определять на образцах цилиндрической формы или прямоугольного сечения с линейными размерами 30-50 мм при соотношении диаметра и высоты 1:1. Так как размер испытываемых образцов незначительно отличался от минимально рекомендуемого и в связи с установленной при многочисленных испытаниях высокой степенью изменчивости экспериментальных показателей для образцов одних и тех же пород, нами принято решение масштабный фактор не учитывать. Значения коэффициента крепости пород по Протодьяконову вычислены по формуле, предложенной Л.И. Бароном [3]:

f = ^ pr ^ I ^ pr

300 V 30

где СрГ - предел прочности на сжатие, кг/см2.

Плотность (объемная масса) кусков пород определялась известным способом гидростатического взвешивания, основанным на определении массы образцов и вычислении их объема по результатам взвешивания в воздухе и воде.

Абразивность характеризует способность горных пород изнашивать металлические рабочие органы в процессе переработки при трении. Ее величину определяют по износу металла, контактирующего с горной породой.

Предложено много различных методов для определения абразивности горных пород применительно к процессам разведки, добычи и переработки руд. В настоящей работе оценка абразивности изучаемых пород выполнена по упрощенной методике, разработанной в ИГД им. А.А. Скочинского [6]. Сущность методики заключается в истирании о необработанную (нешлифованную) поверхность образца горной породы торца вращающегося стержня из незакаленной стали-серебрянки и последующем определении износа по массе стержня за период опыта. При этом за критерий абразивности принимается суммарная потеря в массе стержня за стандартное время опыта 10 мин.

Определения абразивности выполнены на образцах пород месторождения 1 размерами 25*25*70 мм на установке, оборудованной на базе обычного настольного сверлильного станка. Использовались эталонные стержни из инструментальной калиброванной прутковой стали-серебрянки диаметром 8 мм и длиной 70 мм, с высверленным с одного из торцов каждого стержня центральным глухим отверстием диаметром 4 мм и глубиной 10-12 мм. Истирание стержня производилось при осевой нагрузке 15 кг и скорости вращения 400 об/мин. двумя концами по 10 мин каждым. Перед испытанием и по окончании парного опыта производилось взвешивание стержня (с предварительной его очисткой и промывкой) на аналитических весах с точностью до 0.1 мг. Показатель абразивности образцов вычислялся на основании результатов опытов по формуле:

пт

5>

1

а =

2пт

где а - показатель абразивности горной породы, мг; gi - потеря в массе эталонного стержня за каждый парный опыт (при истирании последовательно обоих торцов стержня), мг; пт - число парных опытов.

Результаты определения физико-механических свойств пород приведены в таблице.

Из таблицы следует, что прочность всех разновидностей пород варьирует в широких пределах, что, вероятно, обусловлено разнообразием структур пород. В среднем наиболее прочными (крепкими) являются безрудные породы месторождения 2, наиболее низкой прочностью обладают сильно измененные породы ультраосновного состава месторождения 1. Коэффициент вариации предела прочности на сжатие у всех исследованных разновидностей руд и пород находится в пределах от 26 до 42%, коэффициента крепости - в пределах 18-30%. Коэффициент крепости всех пород, определенный по формуле (2), изменяется от 6.4 до 23.5, а его среднее значение - от 8 до 19. Согласно классификации пород по М.М. Протодьяконову [7], в целом породы месторождения 1 могут быть отнесены к довольно крепким, крепким и очень крепким породам, а месторождения 2 - к

крепким, очень крепким и в высшей степени крепким породам. Плотность пород различного состава (за исключением массивных руд) отличается несущественно, о чем свидетельствуют как ее средние значения, так и очень низкий коэффициент вариации. Наибольшей абразивностью обладают породы ультраосновного состава, а из них - пироксениты, что согласуется со справочными данными [6].

Таблица

Физико-механические свойства горных пород месторождений малосульфидных благороднометалльных руд Кольского п-ова

Статистические величины Плотность р, г/см3 Прочностные свойства Показатель абразивности а, мг

Предел прочности на сжатие арг, МПа Крепость f

Образцы пород месторождения 1

Породы основного состава

Пределы 2.90-3.16 101.3-216.4 9.3-15.9 37.9-45.9

Среднее 3.00 141.5 11.7 41.4

0х £ ^ м 2.18 28.8 20.1 5.6

По роды ультраосновного состава

Пределы 2.83-3.23 57.4-220.9 6.4-16.2 39.9-56.9

Среднее 3.05 122.9 10.5 48.7

0х £ ^ м 3.35 42.4 29.8 12.9

Породы из зон сульфидного оруденения

Пределы 2.94-3.14 96.9-224.7 9.0-16.4 38.5-48.7

Среднее 3.04 147.0 12.0 43.6

0х £ ^ м 2.07 28.5 20.2 7.0

Массивные сульфидные руды

Пределы 4.22-4.42 65.9-95.6 7.0-8.9 21.6-36.7

Среднее 4.31 80.7 8.0 25.5

0х & ^ м 3.27 26.0 17.6 7.2

Образцы пород месторождения 2

Породы безрудные

Пределы 2.92-2.98 149.9-365.2 12.2-23.5 -

Среднее 2.94 280.5 19.2 -

0х £ ^ м 2.03 29.1 22.8 -

Породы из зон сульфидного оруденения

Пределы 2.90-3.08 102.9-320.2 9.4-21.3 -

Среднее 3.00 235.0 16.7 -

0х £ ^ м 2.13 39.0 30.1 -

Дробимость и измельчаемость горных пород, наряду с их прочностными свойствами и абразивностью, являются наиболее важными характеристиками для процессов рудоподготовки [3, 7, 8]. Дробимость является обобщающим параметром многих механических свойств горных пород и выражает энергоемкость процесса дробления породы. Показатели дробимости горных пород по методам их определений делят на две группы. К первой относят показатели, определяемые на единичных образцах на установках, имитирующих различные виды напряжений, ко второй -показатели, определяемые при массовом дроблении непосредственно в дробилках.

Поскольку дробление является процессом массового разрушения, где действуют не только усилия раздавливания, но и взаимное влияние кусков дробимого материала в условиях динамических нагрузок, испытания на единичных образцах пород не позволяют достоверно оценить энергозатраты и гранулометрический состав дробленого продукта. Наиболее надежные показатели дробимости пород получают методами подобия при дроблении руд в дробилках малых размеров по методикам, разработанным в Механобре и Уралмеханобре [8, 9].

Для исследования дробимости пород месторождений малосульфидных руд выбрана наиболее предпочтительная методика, разработанная в институте Механобр, в которой, в отличие от второй из

упомянутых, показатели дробимости исследуемой руды в промышленных условиях оценивают без привязки к определенному типу дробильного оборудования.

Согласно этой методике [9], дробимость характеризуется двумя параметрами: индексом чистой работы дробления Wi и типовой характеристикой разгрузки стандартных дробилок.

По результатам испытаний в Механобре и в промышленных условиях установлено, что величина Wi является постоянной для каждого типа руды независимо от принятой схемы дробления, типоразмера оборудования и условий работы дробилок в режиме заполненного дробящего пространства. Для получения более исчерпывающей характеристики дробимости руды величина Wi дополняется типовой характеристикой продуктов дробления, в которой крупность классов выражается в долях номинальной крупности. В такой графической интерпретации типовые характеристики разгрузки щековых дробилок, конусных дробилок крупного, среднего и мелкого дробления объединяются для каждой конкретной руды в одну кривую, не зависящую от профиля дробящего пространства. Данная методика используется в практике работы института Механобр для расчета схем дробления и выбора дробильного оборудования при проектировании отечественных и зарубежных предприятий. Величина индекса чистой работы дробления Wi определяется из соотношения между энергией, затраченной на дробление, и результатами сокращения крупности руды [9]:

N - N 10Ж-

(

Р«

Л

-1

о 1Л .

где N - мощность, потребляемая на дробление при работе дробилки под нагрузкой, кВт; N0 -мощность холостого хода дробилки, кВт; 0 - производительность дробилки, т/час; Wi - индекс чистой работы дробления, (кВт-ч/т)-мкм0,5; ^80, Р80 - размеры квадратных отверстий сит, через которые соответственно проходит 80% питания и разгрузки дробилки, мкм.

Требуемые для расчетов показатели определялись по результатам дробления в лабораторной щековой дробилке ДЛЩ 80*150 в условиях заполненного рабочего пространства при одновременной записи потребляемой энергии. В дробилку подавался предварительно

раздробленный материал руды широкого диапазона крупности массой более 100 кг, из которого были удалены классы меньше ширины выходной щели 5 мм. Питание дробилки и ее разгрузка подвергались ситовому анализу на ситах с квадратными отверстиями, по результатам которого

графическим способом оценивались параметры ^80, Р80 и номинальная крупность продукта дробления Р95. По результатам вычислений установлено, что, несмотря на то, что горные породы месторождения 2 являются более крепкими, значение индекса чистой работы дробления пород месторождения 1 (32.4

(кВт-ч/т)мкм0,5) выше соответствующей величины для пород месторождения 2 (30.9 (кВт-ч/т)мкм0,5). Приведенные на рисунке типовые характеристики разгрузки дробилки соответствуют характеристикам дробления прочных руд [8, 9].

Измельчаемость - свойство, характеризующее сопротивление разрушению горных пород в мельницах. Ее величина определяется по удельной производительности мельницы по вновь

^5 1 ♦ 1*2

у/ /

/'в

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Относительая крупность в долях номинальной, дол.ед.

Рис. Типовые характеристики разгрузки дробилки при оценке дробимости руд месторождения 1

образованному расчетному классу крупности. К наиболее распространенным методикам определения измельчаемости относят методики институтов Механобр и Механобрчермет, Ф. Бонда [8].

В настоящей работе измельчаемость оценена для малосульфидных руд месторождения 1, породы которого обладают более низкой дробимостью, с использованием методики Ф. Бонда. Методика основана на определении измельчаемости материалов по «индексу чистой работы» Wi, равному расходу электроэнергии на измельчение 907 кг исследуемого материала (бесконечной крупности) в шаровой мельнице сливного типа диаметром 2440 мм до крупности 80% класса минус 0.100 мм и определяемому по результатам сухого измельчения в лабораторных мельницах.

Испытания по определению измельчаемости выполнялись в мельнице периодического действия = 305*205 мм с гладкой футеровкой, работающей с частотой вращения барабана 70 мин-1. Полная шаровая загрузка состояла из 27 шаров диаметром 38 мм, 57 шаров диаметром 25 мм и 201 шара диаметром 19 мм. Объем исходной навески пробы руды крупностью минус 5 мм составлял

0.7 дм3. Измельчение велось при имитации замкнутого цикла при циркулирующей нагрузке 250%. Опыты проводились в течение достаточного количества циклов до стабилизации процесса измельчения, характеризуемой постоянством циркулирующей нагрузки. В соответствии с методикой Ф. Бонда, во время измельчения контролировалось постоянство величины мощности, потребляемой мельницей.

«Индекс чистой работы» рассчитывался по эмпирической формуле [8]:

где Wi - «индекс чистой работы», кВт-ч/кор.т; й - размер ячейки сита, на котором проводилось выделение готового продукта, мкм; q - количество вновь образованного продукта «минус й» за один оборот барабана, г/об; ^ и Р - 80 % крупность исходного и готового продуктов, мкм.

По результатам экспериментальных исследований установлено, что индекс чистой работы Wi равен 28.4 кВт-ч/кор., т.е. малосульфидные руды месторождения 1 относятся к трудно измельчаемым.

• по результатам исследований определены основные физико-механические свойства горных пород месторождений малосульфидных платинометалльных руд, нетрадиционного вида минерального сырья Кольского п-ова: показатель предела прочности на одноосное сжатие, коэффициент крепости, абразивность, плотность, дробимость и измельчаемость;

• показано, что согласно классификации пород по М.М. Протодьяконову, в целом горные породы месторождений относятся к довольно крепким, крепким, очень крепким и в высшей степени крепким.

1. Додин Д.А. Федорово-Панское рудопроявление (Россия, Кольский полуостров) / Д.А. Додин, Н.М. Чернышов, Д.В. Полферов, Л.Л. Тарновецкий // Платинометалльные месторождения мира. Т. 1. Кн. 1: Платинометалльные малосульфидные месторождения в ритмично расслоенных комплексах. М.: Геоинформмарк, 1994. С. 90-103. 2. Гооховская Т.Л. Платинометалльная минерализация в габброноритах массива Вуручуайвенч, Мончегорский Плутон (Кольский полуостров, Россия) / Т.Л. Гроховская, Г.В. Бакаев, Е.П. Шелепина и др. // Геология рудных месторождений, 2000. Т. 42, № 2. С. 147-161. 3. Барон Л.И. Горнотехнологическое породоведение. Предмет и способы исследования. М.: Наука, 1977. 4. Танайно А.С. О классификации горных пород по буримости. Каноническое представление показателей свойств горных пород в классификации сопротивляемости их разрушению // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2008. № 6. С. 86-104. 5. Турчанинов И.А. Комплексное исследование физических свойств горных пород / И.А. Турчанинов, Р.В. Медведев. Л.: Наука, 1973. 6. Барон Л.И. Абразивность горных пород при добывании / Л.И. Барон, А.В. Кузнецов. М.: Изд-во АН СССР, 1961. 7. Ржевский В.В. Физико-технические параметры горных пород/ В.В. Ржевский. - М.: Наука, 1975. 8. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы / под ред. О.С. Богданова, В.А. Олевского. М.: Недра, 1982. 366 с.9. Аккерман Ю.Э. К вопросу определения дробимости руд / Ю.Э. Аккерман, И.М. Костин // Исследования по рудоподготовке, обогащению и комплексному использованию руд цветных и редких металлов: сб. науч. тр. / ВНИПИ Механобр. Л., 1978. С. 9-14.

Сведения об авторах

Марчевская Валентина Викторовна - к.т.н., старший научный сотрудник; e-mail: vvm@goi.kolasc.net.ru Мухина Татьяна Николаевна - к.т.н., зав. сектором; e-mail: muhina@goi.kolasc.net.ru

Выводы

ЛИТЕРАТУРА