Физические свойства железистых кварцитов как основа рациональной схемы их дезинтеграции

УДК 622.271.3

© С.Р. Гзогян, 2013

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ КАК ОСНОВА РАЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ИХ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ

Приведены результаты исследований физических свойств железистых кварцитов Коробковского месторождения.

Ключевые слова: удельная работа разрушения, плотность и пористость пород, магнитные свойства, микротвердость, дробимость и измельчаемость.

Выбор рациональной схемы рудоподготовки должен основываться на детальном изучении исходного минерального сырья, его минералогического состава, физических свойств, физико-механических свойств.

Выбор оптимальной схемы рудоподготовки проектируемых и модернизации действующих предприятий весьма непростой вопрос, требующий детального и тщательного анализа всех особенностей руд. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что экономически и технологически выгоднее рудную шихту готовить к процессу измельчение-обогащение, т.к. 60 % энергетических затрат приходится на измельчение. Развитие работ, направленных на снижение затрат на этот процесс, идет двумя путями: максимального использования дешевых источников энергии и повышения эффективности действия дробильно-измельчительного оборудования. Рациональный путь повышения эффективности этого процесса заключается в переносе части работы по дезинтеграции рудной шихты из цикла измельчения в циклы дробления, где КПД процесса в несколько раз выше. Обеспечивается это за счет снижения крупности рудной шихты, подаваемой в мельницы и связанно с повышением производительности измельчительного оборудования обогатительных фабрик с одновременным снижением энергетических затрат и себестоимости выпускаемой продукции [1]. Снижение крупности конечного продукта - главный вопрос, стоящий перед дробильны-

ми переделами горно-обогатительных предприятий. От крупности материала, поступающего в измельчение, в огромной степени зависят энергетические затраты по этому переделу, наиболее энергоемкому во всей технологии рудоподготовки.

За рубежом первостепенное значение придается подготовке руды к дроблению. Максимальную крупность взорванной горной массы и гранулометрическую характеристику исходной руды ограничивают с помощью управляемого взрыва. Так, например, крупность взорванной массы на ведущих предприятиях, добываемой открытым способом, ограничили 900 мм. Ведущей тенденцией технических решений на стыке горного и обогатительного переделов является применение циклично-поточной технологии с организацией первичного дробления в карьере или шахте. В первой стадии дробления используют конусные дробилки, заменяя щековые.

Следует отметить, схемы рудоподготовки и выбор компоновочных решений фабрик разрабатываются после детальной оценки минерального сырья, под конкретное предприятие и максимально учитывают физико-механические особенности сырья.

Проблема селективного разрушения руд становится все более актуальной, в особенности, для тонковкрапленных железистых кварцитов, переизмельчение полезного компонента в которых приводит к существенному ухудшению показателей обогащения. Для регулирования цикла рудоподготовки имеет значение знание параметров, определяющих прочностные свойства рудной смеси. Любое природное образование является сложной многокомпонентной смесью и ее поведение в технологическом переделе зависит от суммарного эффекта компонентов, слагающих ее. Несомненно, на кинетику разрушения руд оказывает влияние каждый компонент смеси: минеральный состав, структурно-текстурные особенности, особенности границ срастания зерен. В первых стадиях рудоподготовки основную роль играют текстурные особенности руд и макроструктурные характеристики. Коэффициент преимущественной формы кусков (форм-фактор) зависит от текстуры дробимого материала и относительной деформации разрушения, в результате которой эти осколки образовались.

Определение физико-механическими характеристик возможно несколькими методами: по коэффициенту сравнительной из-

мельчаемости, по коэффициентам крепости и сжатия, оценки прочности по шкале Протодьяконова, по удельному расходу электроэнергии и т.д.

Изучение проводилось на малых технологических пробах, отобранных из разведочных скважин месторождения. Ниже приводится обобщенная характеристика физических и физико-механических свойств железистых кварцитов.

Из прочностных характеристик определена удельная работа разрушения и коэффициент крепости по шкале Протодья-конова. В табл. 1 приведены результаты определения физико-механических свойств различных минеральных разновидностей из разных участков месторождения, откуда видно, что наиболее низким коэффициентом крепости характеризуются кварциты железнослюдко-магнетитового типа, среднее значение которого составляет 7,26. Более высокое среднее значение коэффициента крепости у магнетитового типа - 10,73 и распределяется оно по минералогическим разновидностям следующим образом: магне-титовые с железной слюдкой - 8,54; магнетитовые со щелочными амфиболами - 9,65; магнетитовые с тремолитом - 8,89; магнетитовые с куммингтонитом - 11,72. Наиболее крепкими являются куммингтонито-магнетитовые кварциты силикато-магнетитового типа со средним значением коэффициента крепости - 13,01. Коэффициент крепости полуокисленных кварцитов составляет 11,25.

Повышение значения коэффициента крепости от железнос-людко-магнетитовых до куммингтонито-магнетитовых кварцитов находится в прямой зависимости от наличия силикатных минералов.

По прочностным свойствам железистые кварциты железнос-людко-магнетитового типа относятся к породам низкой крепости со средним значением удельной работы разрушения - 6,62 кгм/см3. Железистые кварциты магнетитового типа относятся, в основном, к породам средней крепости со средним значением удельной работы разрушения - 11,58 кгм/см3. Однако магнетито-вые с железной слюдкой, магнетитовые со щелочными амфиболами и магнетитовые с тремолитом разновидности являются породами низкой крепости со средними значениями удельной работы разрушения соответственно: 8,35; 9,98 и 8,79 кгм/см3.

Таблица 1

Результаты определения физико-механических свойств геолого-технологических типов и минералогических разновидностей железистых кварцитов

Геолого-технологический тип Минералогические разновидности РА Истинная/ кажущаяся плотность, кг/м3 Р/ц

Железнос- Железнослюд- 7,26/6,62 3556/3477 2,22/0,854

людко- ко-магнетито-

магнетитовыи вые

Магнетито- Магнетитовые 8,54/8,35 3580/3540 1,34/0,688

вый с железной слюдкой

Магнетитовые со щелочными амфиболами 8,59/8,42 10,58/11,37 9,84/10,25 8,54/8,35

Среднее 9,65/9,98 3505/3443 1,78/0,723

Магнетитовые с тремолитом 9,56/9,83 8,72/8,52 9,37/9,55

Среднее 8,89/8,79 3540/3449 1,81/0,785

Магнетитовые с куммингто-нитом 10,58/11,37 12,68/14,5 10,76/11,63 9,93/10,38 13,12/15,17 13,54/15,8 11,13/12,18 11,98/13,46 10,74/11,6 9,12/9,17 12,52/14,27 12,37/14,05

среднее 11,72/13,07 3430/3412 1,51/0,569

Среднее по типу 10,73/11,58 3510/3450 1,71/0,635

Силикато-магнетитовый Куммингтони-то-магнетито-вые 12,3/13,94 13,73/16,09 10,54/11,3 11,86/13,28 13,67/15,95 12,61/14,41 12,76/14,6

Среднее по типу 13,01/14,89 3460/3394 1,88/0,50

Полуокисленный Полуокисленные 11,25/12,38 3452/3378 2,14/0,578

Примечание: £ - коэффициент крепости по Протодьяконову; А - удельная работа разрушения, кгм/см3, Р - пористость,% ; q - удельная производительность лабораторной мельницы при 65% класса минус 0,071 мм, кг/л.час.

Магнетитовые с куммингтонитом кварциты относятся, в целом, к породам средней крепости со средним значением удельной работы разрушения - 13,07 кгм/см3.

Кварциты, входящие в состав магнетитовой с куммингтони-том разновидности, характеризуются высокой прочностью со следующими значениями удельной работы разрушения: 15,17 кгм/см3 и 15,80 кгм/см3.

Силикато-магнетитовые кварциты, в общем, относятся к породам средней крепости. Удельная работа разрушения по данному типу составляет в среднем 14,89 кгм/см3, но в их состав входят разновидности, которые характеризуются высокой крепостью: 16,09 кгм/см3 и 15,95 кгм/см3.

Полуокисленные кварциты являются породами средней крепости с удельной работой разрушения 12,38 кгм/см3, которая объясняется наличием сидерита.

По своим физико-механическим свойствам кварциты отнесены к кварцитам низкой и средней прочности:

— железистые кварциты железнослюдко-магнетитового типа являются породами низкой крепости с коэффициентом крепости 7,26;

— магнетитовые, силикато-магнетитовые и полуокисленные относятся к породам средней крепости с коэффициентом крепости соответственно 10,73; 13,01 и 11,25. Отдельные пробы, входящие в состав данных типов, характеризуются различной крепостью: от низкой до высокой.

Низкие показатели удельной работы разрушения обусловлены, по всей вероятности, слабыми межзерновыми связями в самих кварцитах, наличием в рудных прослоях удлиненных агрегатов магнетита, пересеченных

расположенными перпендикулярно полосчатости микротрещинами, которые разделяют их на блоки. Кроме того, на отдельных участках кварцевых прослоев имеются межзерновые микротрещины. Наличие же силикатных минералов, которые слагают силикатные прослои и имеют структуры прорастания, способствуют повышению прочностных характеристик.

По пределу прочности на сопротивление сжатию породы представляют собой весьма крепкие породы, осж колеблется от 342 до 2973 кг/см2, в зонах интенсивной трещиноватости составляет 500—700 кг/см2, в среднем - 1258 кг/см2.

Как показано в [13] теоретические и экспериментальные исследования доказывают адекватность удельной работы разрушения пределу прочности горных пород. Накопленная в горной породе потенциальная энергия в несколько раз превышает величину энергии, определенную по диаграмме сжатия или рассчитанную по теории упругости. При этом удельная энергия при разрушении образца в условиях сжатия, равная удельной энергоемкости разрушения, т.е. она адекватна пределу прочности образца. Следовательно, осж представляет собой удельную работу разрушения в условиях сжатия. Анализ результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных по удельной энергоемкости разрушения показывает, что предел прочности горной породы при сжатии адекватен удельной энергоемкости разрушения. Относительное отклонение теоретических расчетов и опытных данных не превышает 3,5 %.

Определены истинная и кажущаяся плотность кварцитов, пористость, результаты определений приведены в таблице 1. Плотность железистых кварцитов находится в прямой зависимости от массовой доли железа в них и изменяется от 3330 до 3596 кг/м3, пористость от 1,34 до 2,22 %. Наибольшей пористостью характеризуются железнослюдко-магнетитовые (2,22 %) и полуокисленные (2,14 %), несколько ниже пористость в силикато-магнетитовый и магнетитовых с куммингтонитом и самая низкая -в магнетитовых с железной слюдкой (табл. 1).

Объемный вес железистых кварцитов с вычетом естественной влажности (0,05 %) составил для: неокисленных - 3,4 т/м 3; полуоксиленных - 3,33 т/м 3; удельный вес колеблется от 2,7 до 4,07 т/м3, средний - 3,55 т/м 3.

Кроме физико-механических свойств изучены параметры естественной радиоактивности. Радиометрический замер показал, что естественная радиоактивность находится на уровне 2,0 (маг-нетитовые) мкр/час и находится на уровне фона пород осадочного чехла.

Для оценки технологических, в особенности прочностных свойств использованы значения микротвердости (МТ) основных минералов, входящих в состав кварцитов. Из анализа приведенных данных табл. 2 видно, что МТ магнетита Коробковского месторождения выше значений МТ магнетита других месторождений КМА.

Таблица 2

Параметры микротвердости минералов минералогических разновидностей железистых кварцитов

Минеральная разновидность Микротвердость (среднее), кгс/мм2

Магнетитовая с железной

слюдкой:

магнетит 623,47

гематит 883,7

кварц 1404,21

Железнослюдково-

магнетитовая:

магнетит 591,0

гематит 899,97

кварц 1297,95

Магнетитовые со щелочны-

ми амфиболами:

магнетит 613,51

кварц 1642,95

Силикато -магнетитовые:

магнетит 639,54

кварц 1652,14

Изучение магнитных свойств выполнялось по методу Гуи. Определялись коэрцитивная сила, удельная магнитная восприимчивость и остаточная намагниченность (табл. 3). Величина коэрцитивной силы кварцитов колеблется от 0,74 до 1,09 кА/м, остаточная намагниченность — от 1,4 до 3,1 гс, т.е. железистые кварциты по магнитным свойствам относятся к средним по магнитной жесткости, наиболее магнито-мягкими являются магнетитовые кварциты месторождения.

Определение показателей дробимости осуществлялось по методике, представленной в [15], критерием оценки дробимости является величина удельного расхода энергии, отнесенной к единице вновь образованной поверхности. Результаты определений показали, что по условной прочности на разрыв кварциты укладываются в широком диапазоне от 16,0 до 7,54 МПа. Самыми прочными оказались силикат-магнетитовые, дайки и сланцы, менее прочными — железнослюдково-магнетитовые, остальные разновидности почти равномерно распределились в этом диапазоне.

Таблица 3

Результаты определения магнитных характеристик при Н=80 кА/м

Минеральная разновидность Удельная магнитная восприимчивость, см3/г-103 Коэрцитивная сила, кА/м Остаточная намагниченность, гс

Магнетитовая 41,4-42,8 0,81- 0,87 2,5-3,1

Силикато-магнетитовая: 25,3-30,2 0,74-1,09 1,8-2,2

Таблица 4

Параметры дробимости железистых кварцитов

Минеральная разновидность Удельный расход энергии

кВт-час/т кВт-час/м2

Магнетитовая 0,247 1,81

Железнослюдково-магнетитовая 0,205 1,5

Магнетитовая со щелочными ам- 0,247 1,9

фиболами

Магнетитовая с силикатами 0,316 2,25

Талько-магнетитовая 0,217 1,43

Силикато -магнетитовая 0,382 2,98

Мало-,безрудная, сланцы, дайки 0,436 2,7

С ростом прочности кварцитов растет и удельный расход энергии и его величина на единицу вновь образованной поверхности (табл. 4). Увеличение доли силикатов ведет к росту прочности и показателей дробимости, с другой стороны - увеличение доли щелочных амфиболов и талька приводит к снижению прочностных характеристик.

Измельчаемость железистых кварцитов месторождения определялась по методике профессора М.К. Широкинского и оценивалась величиной удельной производительности лабораторной мельницы по вновь образованному классу минус 0,071 мм. Насыпной вес, время измельчения и значения удельной производительности при крупности измельчения 65 % класса минус 0,071 мм (что соответствует I стадии промышленного измельчения). В таблице 1 приведены средние значения удельной производительности по геологическим типам и минералогическим разновидностям. Лучшей удельной производительностью характеризуются кварциты железнос-людко-магнетитового типа, среднее значение удельной производительности составляет 0,854 кг/л.час, худшей - кварциты силикато-магнетитового типа, для них среднее значение удельной производительности равно 0,50 кг/л.час. Для кварцитов магнетитового типа

среднее значение удельной производительности равно 0,635 кг/л.час. Следует отметить, что среди минералогических разновидностей магнетитового типа лучшей измельчаемостью характеризуются магнетитовые с тремолитом (0,785 кг/л.час) и магнетитовые с щелочными амфиболами (0,723 кг/л.час) кварциты.

Различия в значениях удельной производительности обусловлены, по-видимому, текстурно-структурными особенностями самих проб, трещиноватостью, степенью окисления и другими факторами. В целом среднее значение удельной производительности Коробковского месторождения составит - 0,597 кг/л.час.

По измельчаемости на месторождении выделено три сорта: легко-, средне- и трудноизмельчаемые с удельной производительностью лабораторной мельницы по классу минус 0,071 мм -0,666; 0,456 и 0,380 кг/л.час соответственно.

Железистые кварциты Коробковского месторождения относятся к высоко абразивным, абразивность варьирует от 1180 до 1920 г/т, индекс дробления по Бонду - 18-22 кВт ч/т.

Таким образом, железистые кварциты имеют различия в физико-механических свойствах, которые объясняются их текстурно-структурными особенностями. При разработке схем рудопод-готовки необходимо принимать во внимание особенности физико-механических свойств и ярко выраженную слоистость, оказывающую влияние на образование преимущественной формы кусков (форм-фактор).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы. Под ред. Богданова О.С, 2-е изд., М., Недра, 1982 г.

2. Гзогян С.Р. Использование информации о генетическом структурном состоянии железистых кварцитов для прогнозирования их технологических свойств//Горный информационно-аналитический бюллетень, №1, 2010.

3. Линч А.Дж. Циклы дробления и измельчения. М., Недра:1981.

4. Шехурдин В.К. Удельная энергоемкость разрушения горных пород адекватна пределу прочности //Горная промышленность, №6, 1999.

5. Мелентьев В.Н. Показатели прочности и относительная энергоемкость дробления железистых кварцитов// Автореф. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук, Л., 1988.