О взаимосвязи структурного состояния железистых кварцитов Михайловского ГОКа с технологическими свойствами

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98»

МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98 СЕМИНАР 6 «ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА»

М.Г. Зильбершмидт, профессор, д.т.н.

В.Е. Беденко

Московский государственный горный универстет Т.Н. Гзогян Михайловский ГОК

О ВЗАИМОСВЯЗИ СТРУКТУРНОГО состояния ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ МИХАЙЛОВСКОГО ГОКа С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Анализ динамики изменения качества добываемых железистых кварцитов показывает, что в переработку вовлекаются все более труд-нообогатимые руды. Это проявляется как в уменьшении размеров рудообразующих минералов, усложнении типов их срастаний с нерудными минералами, так и в увеличении изменчивости технологических свойств руды, поступающей на обогащение. Михайловское месторождение КМА, как и большинство разрабатываемых месторождений обладает неравномерным минеральным составом и текстурноструктурными свойствами руды, поэтому применяемое; массовые методы добычи приводят к смешиванию технологически несовместимых типов руд и увеличению неоднородности обогащаемого сырья, что приводит к увеличению потерь железа вследствие проведения операций обогащения в неоптимальных режимах.

В таких условиях значительно возрастает роль технологического прогноза качества железорудного сырья и получаемого из него концентрата. Однако, осуществляемый в настоящее время прогноз зачастую не позволяет получать достоверные результаты. Это происходит в силу ряда причин, в первую очередь связанных с тем, что при проведении прогноза учитывают не все факторы, существенно влияющие на технологические свойства железистых кварцитов. Кроме того, определенное отрицательное влияние на результаты прогноза оказывает и несовершенство методов анализа учитываемых параметров.

Традиционно к основным факторам, предопределяющим технологические свойства железистых кварцитов (дробимость и измель-

чаемость, раскрываемость рудных и нерудных минералов, эффективность разделения измельченных продуктов), относят геологоминералогические и, в первую очередь: химический и фазовый состав руд и их текстурноструктурные признаки [1].

Несмотря на детальное изучение взаимосвязей между геолого-минералогическими факторами и технологическими свойствами железистых кварцитов, зачастую в процессе их обогащения не удается добиться ожидаемого качества концентрата. Это вызывает сомнения по поводу достаточности учета только отмеченных выше факторов при оценке их технологических свойств. Кроме того, использование указанных характеристик для прогнозной оценки технологических свойств руд неэффективно вследствие сложности количественного выражения выделенных параметров, а также учета их взаимодействия и совокупного влияния на показатели обогащения. В целом это не позволяет оперативно решать вопросы управления технологическим процессом.

Помимо традиционных факторов, используемых при прогнозе технологических показателей обогащения кварцитов, существует ряд важных параметров, позволяющих учесть возможные вариации состояния кристаллической решетки породообразующих минералов, которые влияют на физико-механические свойства руды, на раскрытие минерального агрегата, на контрастность свойств разделяемых частиц. Эти параметры, которые можно объединить понятием структурное состояние, практически не используются в настоящее время. Под струк-

турным состоянием руды понимают дефектность и напряженное состояние ее структурных элементов и всей системы в целом. Именно такая информация позволяет описывать структурные изменения в железистых кварцитах от мик-ро- до макроуровня [2].

В исходном структурном состоянии кварциты характеризуются вполне определенной иерархической системой напряжений. Состоянию этой системы вполне однозначно соответствует определенная иерархическая система дефектности, в которой одному структурному уровню может принадлежать несколько типов дефектов.

В процессах рудоподготовки остаточные напряжения оказывают влияние на распределение значений напряжений в зернах минералов. Их влияние на прочность можно выразить следующим образом [3]:

[о] = ЫКРо6р,

где К - постоянный коэффициент, характеризующий структурно чувствительность породы, Робр - вероятность разрушения представительного объема.

Влияние остаточных напряжений на раскрытие минерального агрегата руды проявляется в том, что они обуславливают различие величин средних структурных напряжений в минералах, от которых зависят сдвиговые напряжения, действующие вдоль границы контакта зерен и предопределяющие вероятность появления межзернового дефекта.

Дефекты структуры кварцитов также в значительной мере определяют их технологические свойства. Так, изменение плотности дис-

локаций оказывает значительное влияние на электрические и магнитные свойства магнетита. Известна взаимосвязь изменения коэрцитивной силы ДН и линейной плотности дислокаций Др:

АН=к^ ,

где к - постоянный коэффициент.

В процессе рудоподготовки под действием механических нагрузок в структурных элементах железистых кварцитов происходит изменение дефектной структуры. Изменение иерархической системы дефектов в зернах минерала происходит тогда, когда действующие в них напряжения превысят критические значения т(1). В качестве критерия образования трещины за счет скопления дислокаций на границе зерна размером (1 можно использовать условие

[3]:

= оа2 аГ /

где сга - напряжение одной дислокации; Оа -упругий параметр.

При исследовании структурного состояния железистых кварцитов Михайловского месторождения КМА было изучено 100 аншлифов, выпиленных из керновых проб, отобранных с различных участков и глубин месторождения и представляющих все разновидности кварцитов данного месторождения.

Параметры структурного состояния кварцитов были получены с использованием их рентгено-структурного анализа. При их расчете использовались дифракционные максимумы от атомных плоскостей, представленных в табл. 1.

Таблица 1

Минерал ¿2, А Ьі кХ Ц 1ь кг І2

Магнетит 1.277 1.091 533 731:553

Г ематит 2.199 1.101 102 204

Кварц 1.975 1.226 201 220

В качестве параметров структурного состояния использовались величины, представленные в таблице 2. Механические свойства железистых кварцитов можно прогнозировать на базе анализа напряженного состояния и дефектности основных породообразующих мине-

ралов. Так, сравнение параметров структурного состояния магнетита, гематита и кварца показывает, что наименее прочным минералом является магнетит, наиболее прочным - гематит (см. табл. 2).

Таблица 2

Средние значения параметров структурного состояния основных породообразующих минералов _______________________________железистых кварцитов МГОКа_________________________________

Параметр Магнетит Г ематит Кварц

Размер ребра элементарной ячейки магнетита <1 м і А 8,395

Средний размер блока мозаики О, А 855 347 560

Плотность дислокаций на границе блока ро х 10'12, см "* 0,0046 0,013 0,0106

Плотность дислокаций внутри блока ре х 10'12, см"2 0,024 1,74 0,625

Истинная плотность дислокаций р„ст х 10 12, см '2 0,011 0,149 0,077

Сумма дефектов упаковки £СД.У. 2,11 0,73 0,27

Относительная деформация кристаллич. решетки є 0,021 -0,319 -0,317

Напряжение на границе блока мозаики сто, ГПа 232 10164 „ 1940

Фактор раскрытия трещины Ф 1,1 17,0 9,5

Таким образом, в процессах рудоподго-товки в первую очередь повреждается магнетит, что вызывает его переизмельчение и потери железа в шламах.

Изменение напряженного состояния и дефектности минералов приводит к соответствующему изменению механических свойств железистых кварцитов.

Так, для магнетита характерно снижение прочности с увеличением глубины залегания. Об этом свидетельствует уменьшение таких параметров, как плотности дислокаций на границе (ро) и внутри (ре) блока мозаики, относительной деформации кристаллической решетки (е) и напряжения на границе блока мозаики (а0). Снижение прочности магнетита должно также наблюдаться и в северном направлении, что обусловлено аналогичными тенденциями изменения параметров его структурного состояния.

Для гематита можно прогнозировать упрочнение его зерен с увеличением глубины. Это происходит в силу того, что хотя плотность дислокаций снижается, но их количество в блоке мозаики остается неизменным, а напряжения на границе блока увеличиваются. В северном направлении возможно незначительное снижение прочности гематита.

Увеличение плотностей дислокаций (р0) и (ре), остаточной деформации и напряжения на границе блоков мозаики с увеличением глубины залегания должно привести к упрочнению кварца. В северном направлении, в силу

уменьшения напряжения на границе блока мозаики и постоянства количества дислокаций в нем, должно отмечаться снижение прочности кварцевых зерен.

Сравнение значений плотности дислокаций на границе ро и внутри блока мозаики ре показывает, что для магнетита, кварца и гематита наиболее вероятным является зарождение трещины в объеме зерна (рс < рЕ)- Однако, значения фактора раскрытия трещины свидетельствуют о том, что вероятность внутризеренного разрушения гематита и кварца гораздо выше, чем у магнетита.

Таким образом, в процессах рудоподго-товки магнетит нижележащих горизонтов будет повреждаться сильнее, чем магнетит вышележащих горизонтов. Поэтому склонность магнетита к переизмельчению с увеличением глубины возрастает, обуславливая его потери в шламах. Гематит и кварц, упрочняясь с глубиной обуславливают упрочнение руды в целом. Это подтверждается данными ЦЗЛ МГОКа, по которым для кварцитов ниже лежащих горизонтов среднее значение сгСж =178 МПа, а для выше лежащих - аСж = 150 МПа. Увеличение прочностных характеристик руды отрицательно сказывается на эффективности процессов рудо-подготовки.

Сравнение параметров структурного состояния минералов различных технологических сортов руды свидетельствует о тенденции упрочнения зерен магнетита, гематита и кварца по мере ухудшения ее обогатимости (рис.1).

Рис. 1. Тенденции изменения параметров структурного состояния основных породообразующих минералов железистых кварцитов Михайловского месторождения в связи с ухудшением их обогати-мости. 1-Средний размер блока мозаики 1), А; 2— Плотность дислокаций на границе блока ро 10 ~'2, см’2; 3-Плотность дислокаций внутри блока ре -10' 12\ см'2; 4-Истинная плотность дислокаций рист 10' 12, см'2; 5-Относительная деформация кристаллической решетки є  10 2; б-Напряжение на границе блока оь, Гпа; 7-Сумма дефектов упаковки ЕСд у.

Упрочнение магнетита более труднообо-гатимых руд связано также и с уменьшением размера его зерен.

Различия в обогатимости руды обусловлены не только различием прочности образую-

щих минералов. Одним из важнейших факторов влияющих на обогатимость железистых кварцитов являются магнитные свойства содержащегося в них магнетита. В процессе измельчения магнетита нарушается его первичная доменная структура, что прежде всего обусловливает рост коэрцитивной силы частиц.

Произведенный рентгено-структурный анализ магнетитов преобладающих 1 и 3 генераций показал, что они обладают равными параметрами решетки (8,395 Ä) и различной плотностью дислокаций (0,007 х 10'12 см'2 и 0,01* х 10'12 см'2 соответственно). Кроме этого (по определению) магнетит 3 обладает меньшей крупностью зерен. Все это свидетельствует о том, что коэрцитивная сила у магнетита 3 больше, чем у магнетита 1. Здесь также следует отметить тот факт, что с магнетитом 3, который преимущественно развит в магнетитовых кварцитах, генетически связан тонкозернистый кварц, характеризующийся повышенной хрупкостью. Это приводит к его значительному переизмель-чению и попаданию в магнитные флокулы.

Анализируя данные по изменению параметра решетки магнетита (d) и истинной плотности содержащихся в нем дислокаций (Рист) можно установить тенденцию изменения коэрцитивной силы магнетита на Михайловском месторождении. Параметр решетки магнетита уменьшается от легко- к средне- и, далее, к труднообогатимым кварцитам (8,397 Ä,

8,395 А и 8,392 А, соответственно). Истинная плотность дислокаций в магнетите имеет тенденцию к увеличению от легко-

к средне- (0,011 х 10'12 см'2) и, далее, к труднообогатимым кварцитам (0,013x10"12 см'2).

Итак, уменьшение d в сочетании с увеличением рист магнетита от легко- к труднообогатимым кварцитам свидетельствует об увеличении его коэрцитивной силы. Увеличение d и уменьшение рист магнетитов в целом по месторождению с увеличением глубины залегания и в северном направлении предполагает снижение их коэрцитивной силы (рис. 2, 3).

север ^ номер

разведочной

линии

юг

^ абс. глубина,

а)"

Ж

Рис.2. Изменение параметра решетки магнетита.

истиная плотность дислокаций

0.11 0^9 :

| а. о.а5 о.о3 оР1

север номер

разведочной линии

а)

Рис.З. Изменение истинной плотности дислокаций (рист

Следует отметить тот факт, что на месторождении практически нет стехиометрических магнетитов с содержанием железа 72,38%. Нестехиометрия магнетита предопределяет повышенное значение его коэрцитивной силы на месторождении, а также непосредственно объясняет более низкое по сравнению с прогнозируемым содержание железа в концентрате за счет элементарного дефицита магнетитового железа. Об изменении стехиометрии магнетита свидетельствует изменение параметра элементарной ячейки. Так, уменьшение его размера объясняется присутствием в кристаллической решетке различных элементов, служащих изо-

х 10 ~п, см ~2) в зернах магнетита

морфными примесями, и степенью окисления двухвалентного железа в трехвалентное.

Тенденции изменения стехиометрии магнетита на месторождении можно определить анализируя вариацию значений параметра решетки и точки Кюри магнетита, для которых характерно увеличение с ростом глубины и в северном направлении. Таким образом, магне-титы нижележащих горизонтов и залегающие в северной части месторождения являются более стехиометричными.

Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод о том, что основными причинами, определяющими ухудшение обогатимости квар-

цитов на Михайловском месторождении являются:

•возрастание нестехиометрии магнетита; •рост коэрцитивной силы магнетита; •разупрочнение магнетита, приводящее к его переизмельчению и потерям в шламах;

•разупрочнение кварца, приводящее к его переизмельчению и вовлечению в магнитные флокулы;

•ухудшение структурных признаков срастающихся рудных и нерудных минералов.

Следует отметить, что с увеличением глубины залегания будет происходить снижение качества концентрата, связанное главным образом с разупрочнением магнетита и ухудшением раскрываемости зерен рудных и нерудных минералов. В южном направлении качество концентрата снижается по причине ухудшения стехиометрии магнетита, увеличения его коэрцитивной силы и разупрочнения зерен кварца.

Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований показала, что невозможно получить уравнение регрессии качества концентрата Д как функцию только одного из параметров состава, строения или структурного состояния (максимальные коэффициенты корреляции и детерминации подобных уравнений в нашем случае не превышают

0,315 и 0,099, соответственно).

Для расчета уравнения множественной регрессии в настоящей работе использовался современный программный продукт STATISTIC А. Зависимость между содержанием железа в концентрате Р и комплексом параметров, нрсущих информацию о составе, строении и структурном состоянии железистых кварцитов, предполагалась линейной.

Вычисления производились методом пошаговой регрессии включения. При использовании этого метода в регрессионное уравнение последовательно включаются независимые переменные, пока уравнение не станет удовлетворительно описывать исходные данные.

Таким образом, была получена следующая зависимость:

р = 230,97 d + 0,86 -Т + 57 -б - 65,05 рист • 10 '12 - 2,88 -ХСду. - 0,04 -Мода - 2368,58 ,

где: (I- параметр решетки магнетита, Лоточка Кюри магнетита, °С;е - относительная деформация магнетита; рист - истинная плотность дислокаций в зернах магнетита, х1012 см ' 2; ЕСЛ у - сумма дефектов упаковки магнетита; Мот - содержание зерен магнетита размером менее 0,03 мм.

Коэффициент множественной корреляции Я данного уравнения составляет 0,86, а коэффициент детерминации И равен 0,74. Таким образом, построенная регрессия объясняет 74 % разброса значений относительно среднего, что является приемлемым результатом для такого сложного полиминерального образования 1как железистые кварциты МГОКа.

В настоящей статье представлены лишь обобщенные тенденции распределения параметров структурного состояния основных породообразующих минералов на Михайловском месторождении. Для детального технологического прогноза качества железистых кварцитов необходимо проводить комплексные исследования их состава, строения и структурного состояния на каждом конкретном участке месторождения.

Итак, учет параметров структурного состояния железистых кварцитов наряду с их гео-лого-минералогическими факторами позволяет осуществлять более точный прогноз качественных показателей обогащения при существующей технологии переработки. Достоверный прогноз способствует оптимизации процессов ру-доподготовки, что в конечном итоге приводит к улучшению технологических показателей обогащения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пирогов Б.И., Поротов Г.С., Холошин И.В., Тарасенко В.Н. Технологическая минералогия железных руд. -Л.: Наука, 1988.-304 с.

2. Зильбершмидт М. Г., Заворыкина Т. К. Методы анализа структурного состояния горных пород. Ч.1.-М.:МГИ, 1989, 88 с.

3. Дмитриев А. П., Зильбершмидт М. Г., Беденко В. Е. Влияние остаточных напряжений на процессы дезинтеграции руд // В сб. Совершенствование технологии обогащения комплексных полезных ископаемых. -М.: МГТУ, 1996, 140 с.