CC BY
288
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
^ © Т.Н. Гзогян, Н.Д. Мельникова,
2001__________________
УДК 624.131 4
Т.Н. Гзогян, Н.Д. Мельникова
МИКРОТВЕРДОСТЬ - ОТРАЖЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ МИХАЙЛОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Д
робление и измельчение руды в технологическом переделе занимают преобладающий объем в капитальных и эксплуатационных затратах (60-65 %) и потреблении электроэнергии (70-75 %) [1], определяющими при этом являются прочностные особенности сырья, что приводит к более высоким энергозатратам на переработку руды, повышенному износу оборудования, расходу мелющих шаров и увеличению себестоимости продукции [1, 2, 3], (табл. 1).
Важное значение для регулирования цикла дробление - измельчение имеет знание параТаблица 1
метров, определяющих прочностные свойства рудной массы - дробимость, имель-чаемость. Определение из-мельчаемости возможно различными методами: по коэффициенту сравнительной измельчаемости, по удельному расходу электроэнергии и т.д. [2]. Работа разрушения материала может оцениваться по коэффициентам крепости и сжатия [4]. Были предложения оценивать прочностные характеристики руды через показатели твердости по шкале Мооса и прочности по шкале Прото-дьяконова, но эти зависимости носят сложный экспоненциальный характер [5] , так как на это влияет большое число переменных. В частности, любое природное образование является сложной многокомпонентной системой, и ее поведение в технологическом переделе зависит от суммарного эффекта компонентов, слагающих смесь.
Несомненно на кинетику измельчения руды оказывает влияние каждый компонент смеси и его количество, структурно-текстурные особенности, гранулометрический состав, особенности срастания зерен, влияние слагающих руду минералов [4, 5].
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ШАРОВОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ [1]
Показатели ГОК
Михайловский Стойленский Ингулецкий Северный
Массовая доля железа: - в руде, % 39,4 33,9 32,6 34,8
- в концентрате, % 65,5 67,2 63,6 64,7
Уд. расход эл. энергии на 1 т руды: - при дроблении 1,9 6,0 2,6 1,9
- при обогащении 36,1 39,8 37,8 27,5
Расход руды на 1 т концентрата, т 2,62 2,60 2,36 2,45
Расход шаров, кг/т 6,38 4,37 5,05 4,17
Стоимость передела, руб.* 7,08 7,40 4,56 4,38
Полная себестоимость, руб.* 12,50 12,84 9,87 9,72
Производительность, т/ч 121 312 207 200
Массовая доля класса менее 44 мкм, % 97 91 92 94
Коэффициент использования оборудования 0,918 0,767 0,948 0,89
* В ценах 90-х годов.
Исследованиями, выполненными на Михайловском ГОКе в пределах месторождения выделены различные сорта неокисленных железистых кварцитов по сравнительной измельчаемости, сделана попытка увязать измельчаемость и обо-гатимость.
В качестве коэффициента сравнительной измельчаемости принято отношение удельной производительности мельниц I стадии измельчения по вновь образованному классу минус 50 микрон исследуемой и эталонной проб.
На основании изучения более 500 керновых проб неокисленных железистых кварцитов (НЖК) установлено, что основная масса из них относится к среднеизмельчаемым рудам (59,5 %), трудноиз-мельчаемые также развиты довольно широко (30,1), а легкоизмельчаемые составляют всего 10,4 %. В каждом сорте по измельчаемости роль кварцитов, имеющих различную обогатимость, изменяется, в частности, легкоизмельчаемые представлены легко-и среднеобогатимыми сортами, а в средне- и труд-ноизмельчаемых присутствуют все сорта по обога-тимости, но количественная роль их различна (табл. 2).
Установлено, что от легко- к трудноизмель-чаемым рудам отмечается:
• снижение массовой доли железа общего: 40,56 - 39,89 - 39,50 %;
• увеличение массовой доли железа магнетитового: 21,11 - 22,00 - 22,7 %;
• увеличение массовой доли окиси кремния: 33,99 - 38,34 - 38,71 %.
В целом от ЛИ к ТИ увеличивается количество магнетита в руде на 1,83 %, кварца - на 4,62 % массовая доля железа в концентрате снижается с 67,42 до 65,3 %, выход концентрата увеличивается на 1,86 %, удельная производительность во вновь образованном классе минус 50 мкм для Таблица 2
первой стадии измельчения снижается с 0,409 до
0,245 кг/л. час.
Изменение этих параметров согласуется и со структурно-текстурными особенностями кварцитов: для легкообогатимых и одновременно легко-измельчаемых руд характерны среднетонкополосчатые текстуры с различным чередованием слойков и довольно равномерной вкрапленностью относительно идиоморфного магнетита с более крупными (по сравнению с трудноиз-мельчаемыми рудами) размерами зерен и суби-диоморфными границами срастания. В трудно-обогатимых рудах независимо от степени их из-мельчаемости усложняется текстурный рисунок: присутствует значительное количество (более 45 %) зерен магнетита размером менее 30 микрон, границы срастаний зерен минералов приобретают весьма сложный характер (пойкилитовый, мирмекитоподобный), снижается степень раскрытия фаз даже при весьма тонком помоле (более 98 % класса минус 50 мкм).
Технологические и минералогические особенности кварцитов отражают общую тенденцию: легкообогатимые руды в большинстве своем являются легкоизмельчаемыми, а труднообогати-мые - трудноизмельчаемыми. Выведенное уравнение корреляции между обогатимостью и из-мельчаемостью:
Рлаб = 14,3431 • g-50 + 61,872; г0,95= 0,4 носит нелинейный характер, имеет низкий коэффициент корреляции и поэтому не может быть убедительным аргументом для характеристики технологических особенностей кварцитов.
В качестве прогнозной оценки технологических свойств было предложено использовать информацию о структурном состоянии рудной массы, куда входят данные о параметрах кристалли-
СООТНОШЕНИЕ СОРТОВ ПО ОБОГАТИМОСТИ И ИЗМЕЛЬЧАЕМОСТИ В НЖК В ПРЕДЕЛАХ КАРЬЕРА МИХАЙЛОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Сорт по измельчаемости Массовая доля сорта по измельчаемости Соотношение различных по обогатимости руд в сорте по измельчаемости
ЛО СО ТО
Легкоизмель-чаемый (ЛИ) 10,4 8,9 1,5 -
Среднеизмель-чаемый (СИ) 59,5 37,2 17,5 4,8
Трудноизмель-чаемый (ТИ) 30,1 13,3 9,7 7,1
ческой решетки, плотности дислокаций на границах и внутри блоков, дефекты упаковки и т.д. [ 6]. Выведенные уравнения множественной регрессии с учетом данных о структурном состоянии входящих в состав кварцитов основных минералов также описывают только предполагаемое качество получаемого из руды концентрата, хотя несут дополнительную информацию о прочностных особенностях слагающих руду компонентов, но не позволяют делать однозначные заключения о прочностных характеристиках рудной массы.
Вышеперечисленными работами подчеркнуты сложные зависимости поведения материала в процессе измельчения, которые связаны с физико-химическими особенностями компонентов смеси и их взаимным влиянием.
Таким образом, имеющиеся методы технологических, минералогических, рентгеноструктурных исследований несут информацию об обога-тимости и измельчаемости кварцитов. Данные о прочностных свойствах слагающих кварциты минералов могут быть использованы для оценки параметров раскрытия фаз в процессе рудоподго-товки, для расчета показателей обогащения. Эти сведения являются крайне необходимыми, но не всегда бывают достаточными и однозначными. Поэтому следует искать оптимальные критерии (комплекс признаков), позволяющие оценивать прочностные особенности рудной массы и прогнозировать вероятность ее поведения в процессе дробления и измельчения.
Одним из способов, позволяющих дать сравнительную оценку прочностных свойств, может быть определение микротвердости (МТ) основных железистых кварцитов.
Практическое применение метода определения МТ для оценки как состава смесей, так и прочностных характеристик вещества, неоспоримо [7, 8] . Значения микротвердости минералов отражают условия их образования и зависят от химического состава и структурных особенностей, что позволяет считать микротвердость типоморфным признаком и на основании этого выделять различные генерации минералов. Так, в частности, магнетит из контактово-метасоматических месторождений характеризуется самыми низкими значениями МТ (от 364 до 520), в гидротермальных и метаморфизованных - выше (от 495 до 585 кгс/мм2) [7]. Изменение значений МТ в зависимости от состава используется в физикохимических исследованиях и является одним из
методов диагностики фазового состава [8]. Кроме того, на основании данных о микротвердости можно оценивать дефектность структуры минералов [9]. Количественная оценка трещин вокруг отпечатка, их форма и размеры дают возможность оценивать такое свойство минерала, как хрупкость [7, 8]. Таким образом, микротвердость отдельных минералов железистых кварцитов может быть использована для характеристики генетических разновидностей одного и того же минерала и для оценки технологических свойств руды, т.к. до сих пор нет однозначных и достоверных критериев, позволяющих оценивать рудную массу. Поэтому для представительной оценки особенностей руды следует пользоваться целым рядом признаков [10], в котором МТ является одним из важнейших, т.к. прочностные характеристики микрообъемов обуславливают свойства руды в целом. В связи с тем, что минералогический состав, структурно-текстур-ные признаки, значения микротвердости являются следствием определенных условий, то и технологические свойства (дробимость и измельчаемость, раскрытие зерен и извлечение ценного компонента) находятся в тесной связи с генезисом.
Микротвердость магнетита была предметом специальных исследований Ю.Г. Гершойга и его сотрудников [11], результаты работ показали довольно значительный разброс значений МТ магнетита в неокисленных железистых кварцитах (412-689 кгс/мм2) и в участках мартитизации (от 310 до 550 кгс/мм2).
В работах НИИКМА по изучению окисленных железистых кварцитов Михайловского ГОКа приводятся данные по определению МТ магнетита (400-661), мартита (825-1170) и кварца (10951535 кгс/мм2), вычислены средние значения этого показателя для каждого минерала, но не проведена оценка этого показателя в зависимости от ти-посортов руд, минеральных разновидностей кварцитов, генетических особенностей минералов; рассмотрено лишь изменение МТ в связи с различной степенью окисления руд, проявившееся в незначительном снижении МТ магнетита с ростом интенсивности окислительных процессов [12].
Таким образом, генетический аспект изучения микротвердости в совокупности с типоморфными признаками различных минералов, учетом характера первичных условий минералообразования и наложенных процессов позволяет оценить изме-
нение прочностных свойств кварцитов по технологическим типам руд, неравномерно представленным в различных участках карьера и сравнить кварциты Михайловского ГОКа с аналогичными рудами других месторождений.
Целью работы ставилось изучение микротвердости минералов, слагающих железистые кварциты и возможности связи этого свойства с прочностными характеристиками рудной массы в целом с целью прогнозирования измельчаемости. Получены сравнительные данные значений МТ минералов кварцитов из различных участков карьера и различных технологических типов руд, сопоставлены эти результаты со значениями МТ минералов кварцитов из других регионов. Данные по МТ, рассмотренные в таком аспекте, могут дать дополнительную информацию о сравнительной измельчаемости неокисленных железистых кварцитов.
Количественные значения микротвердости, полученные путем вдавливания алмазной пирамидки на приборе ПМТ-3М и выраженные в кгс/мм2, свидетельствуют о прочностных свойствах материала. Данные о микротвердости могут быть условно применены к макрообъемам и использоваться как метод сравнения однотипных объектов (при одинаковом методическом подходе к ним).
Твердость минералов является сложным свойством, зависящим как от кристаллохимических особенностей, так и от физико-химических условий образования. Эти зависимости сохраняются и для микротвердости. Значения микротвердости могут быть использованы в качестве типоморфного признака при выявлении различных генераций одного и того же минерала.
Выделение различных генераций рудных и нерудных минералов по их микротвердости может быть использовано при оценке прочностных свойств руды и планировании технологических показателей измельчения. По значениям МТ можно судить об изменениях в химическом составе минерала, о вхождении примесей в кристаллическую решетку, о более поздних преобразованиях.
Определение микротвердости по методу отпечатков имеет определенные перспективы, кроме вышеперечисленных, в частности, на основании полученных данных о МТ и энергоплотности можно судить о дефектности кристаллической решетки [9], а по характеру, форме и длине воз-
никших вокруг отпечатка трещин - о микрохрупкости минералов [7, 8].
Следовательно, использование значений МТ для решения прикладных задач весьма перспективно.
Методика определения микротвердости
Для получения сопоставимых результатов определение МТ следует проводить в постоянных условиях: при одинаковой нагрузке и времени воздействия нагрузки на минерал, т.е. для снижения ошибки определения следует стандартизировать условия измерения. Учитывая анизотропию твердости, связанную в основном с кристаллографическими особенностями минерала, испытания под нагрузкой следует проводить на определенных гранях.
Определение значений МТ трех основных минералов железистых кварцитов выполнено по общепринятой методике [7]. Отпечатки алмазной пирамиды Виккерса получены при статическом воздействии на индентор гири массой 100 г и выдержки под нагрузкой в течение 15 сек. Величина твердости минерала рассчитывается по длине диагонали отпечатка, которая измеряется окуляр-микрометром. Производится измерение обеих диагоналей, в расчете используется средне значение.
Расчет величины микротвердости производится по формуле 1,854^
Н = ------- кгс/мм2,
d 2
где р - нагрузка, приложенная к алмазному наконечнику, кгс, d - длина диагонали отпечатка, мм.
Стандартизация приемов измерения микротвердости (постоянная нагрузка и время измерения), выбор наиболее крепких зерен, достаточная удаленность отпечатка от края зерна или соседнего отпечатка (не менее двух длин диагоналей) позволяет снизить ошибку определения. Достаточно большое число отпечатков, полученных на исследуемом минерале в каждом образце (не менее 10) и подбор нескольких образцов, представляющих исследуемый объект, позволяет снизить дисперсию значений МТ исследуемых минералов, уменьшить влияние случайных и систематических ошибок на процесс измерения.
Вопрос о выборе нагрузки для получения отпечатка оптимальных размеров (15-25 мкм) был решен, исходя из проведенных экспериментов. На серии проб получены отпечатки с использованием нагрузки 100 и 200 г. Для магнетита и гематита значения микротвердости, полученные при воздействии различной нагрузки, имеют близкие значения, хотя измерение длин диагоналей на более крупных отпечатках, полученных при нагрузке 200 г, способствует снижению ошибки при определении МТ. Зато при использовании нагрузки 200 г на индентор для получения отпечатка большего размера на зернах кварца, не удалось достичь желаемых результатов, отпечатки получались некачественными, минерал растрескивался под нагрузкой. Лебедева С.И. [7], для хрупких минералов предлагает в связи с этим снижение нагрузки.
Математическая обработка результатов проводилась с подсчетом среднеарифметического значения по 10 замерам для каждого минерала в образце для снижения ошибки определения, т.к. измерения ведутся не на монокристалле, а на поликристаллическом агрегате. Дисперсия значений МТ в пределах одного аншлифа различна для каждого минерала (минимальна у магнетита, максимальна у кварца) и изменяется в пределах 2-5 %.
Для повышения точности определения микротвердости и снижения случайных и систематических ошибок строго выполнялись методические рекомендации по работе на ПМТ-3М: прибор постоянно центрировался, время опускания, выдержки под нагрузкой, подъема индентора выдерживалось постоянным, измерение диагоналей отпечатка также проводилось всегда по одной и той же схеме. При измерении длин диагоналей ошибка составляет не более одного деления окуляр-микрометра, что в пересчете на относительную ошибку при определении микротвердости составит не более 3 %. Работа выполнялась при увеличении 500*.
Объекты исследования
Для сравнения были выполнены определения МТ основных минералов неокисленных железистых кварцитов (магнетита, гематита, кварца) в образцах, отобранных на различных месторождениях: Костомукшском, Оленегор-
ском, Лебединском, Криворожском, Михайлов-
Таблица 3
ИЗМЕНЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ (КГС/ММ2) МИНЕРАЛОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ
Минерал и его особенности Число исслед
Магнетит в целом по месторождению 9
Магнетит 1 генерации 64
Магнетит 3 генерации 2'
Г ематит в целом по месторождению 5'
Гематит 1 генерации 2(
Г ематит 2 генерации 1(
Г ематит 3 генерации 3
Кварц в целом по месторождению 79
Кварц первично-осадочного происхождения 49
Кварц в зонах метасоматоза 7
Кварц в секущих жилках 12
Кварц в рудных прослоях 14
Кварц в безрудных прослоях 1'
* В каждом образце производилось по 10 определений микр
ском, а также в магнетитах Соколовско-Сарбайского и Ковдорского месторождений (табл. 3).
В кварцитах Михайловского месторождения, разделенных на сорта по обогатимости и измель-чаемости, исследованы значения МТ минералов с целью выявления различий по прочностным свойствам.
Как рудные, так и нерудные минералы кварцитов характеризуются несколькими генерациями, наиболее представительными в неокислен-ных железистых кварцитах МГОКа являются первая и третья генерации магнетита и гематита [13], выделить разновидности кварца в аншлифах не представляется возможным, хотя в прозрачных шлифах отмечено 6 генераций [14].
Результаты изучения микротвердости
В соответствии с рекомендациями [7], была определена оптимальная нагрузка на индентор, позволяющая получить на минерале отпечаток размером в пределах 0,01-0,03 мм. Для кварца из-за его хрупкости размер отпечатка может быть снижен. В результате экспериментального подбора стандартными условиями измерения, подходящими одновременно для всех трех минералов, выбрана нагрузка массой 100 г и время выдержки под нагрузкой в течение 15 секунд. Выбор таких единых и оптимальных нагрузок позволил сопоставить полученные результаты, а также
сравнить эти значения МТ с данными других исследователей, выполненными в аналогичных условиях на подобных объектах.
Исследование микротвердости имело целью выяснить:
• изменение МТ в различных генерациях одного и того же минерала;
• изменение МТ в зависимости от сорта кварцитов по обогатимости;
• изменение МТ в зависимости от сорта по измельчаемости;
• поведение МТ основных минералов на различных участках месторождения;
• сравнить МТ магнетита, гематита и кварца Михайловского месторождения с аналогичными минералами других регионов;
• сопоставить полученные данные с результатами других исследователей.
Изменение МТ минералов различных генераций
В пределах Михайловского месторождения выделяются 4 генерации магнетита, 3 - гематита и от 4 до 6 генераций кварца [13, 14]. В связи с невозможностью выделения генераций нерудных минералов в полированных аншлифах и определением МТ в прозрачных шлифах (из-за малой толщины препарата), определение МТ кварца выполнено не по генерациям, а в целом по минералу, и только в секущих прожилках видно его более позднее, наложенное происхождение.
Для магнетита преобладающими генерациями в неокисленных железистых кварцитах являются магнетит-1 - осадочно-метаморфического генезиса, составляет 50-55 % от всей массы магнетита, встречается в виде идиоморфных и ксеноморф-ных зерен размером 0,03-0,1 мм; часто образует агрегаты, подвержен интенсивному тектоническому воздействию, что проявляется в развитии трещин, деформации зерен и отражается на форме отпечатков при определении МТ; магнетит-3 -рекристаллизационный, составляет 25-35 %, образуется за счет преобразования первичного магнетита, характеризуется значительно меньшими размерами зерен (меньше 0,03 мм), ксеноморф-ным обликом, зазубренными, сложными границами срастания зерен и агрегатов магнетита с другими минералами.
Вторая (мартит) и четвертая (связанная с трансформационными преобразованиями) генерации магнетита не имеют существенного рас-
пространения. Сравнение значений микротвердости различных генераций магнетита не выявило существенных различий в зависимости от генезиса, значение МТ изменяется в пределах 471-742 кгс/мм2 (табл. 3). Все магнетиты Михайловского месторождения нестехиометричны, нет минерала с содержанием железа 72,36 %, все они имеют дефекты решетки и состава [15], поэтому изучение МТ конкретного минерала в зависимости от физико-химических условий образования представляет значительный интерес и должно проводиться одновременно с выполнением микрозон-дового анализа вещества, в тех же зернах, где измерено значение микротвердости.
В целом по месторождению на основании приведенного в табл. 3 количества образцов (в каждом образце по 10 измерений) значение МТ магнетита составляет 587 кгс/мм2 .
Гематит является довольно распространенным минералом, количественная роль его различна в зависимости от минералогических разновидностей кварцитов, на месторождении выделены три разновидности: развиты первая и третья, вторая встречается локально.
Гематит-1 составляет от 5 до 40 % от всей массы гематита, представлен тонко и мелкочешуйчатой разновидностью, преобладает в слойках, не затронутых метасоматозом. Гематит-3 -цементационный, составляет от 5 до 50 % от всей массы этого минерала, наблюдается в виде крупно- и среднечешуйчатых, реже - пластинчатых образований, сплошных агрегатов, цементирует магнетитовые зерна и возникает в результате ме-тасоматических преобразований. Гематит второй генерации (мартит) развит локально, составляет от 5 до 10 %, наблюдается в участках щелочного метасоматоза, в зонах микро-складчатости, тектонической и гидротермальной проработки, т.е. там, где хотя бы кратковременно было возможно протекание окислительных процессов. Для гематита 1 и 3 генераций нет существенных различий в значениях МТ, зато мартит (псевдоморфозы гематита по магнетиту) обнаруживает некоторое снижение МТ по сравнению с гематитом-1 и гематитом-3. Следовательно, особенности строения и условия минералообразования нашли отражение в значении МТ (табл. 3). В целом значение МТ для гематита составляет 1194 кгс/мм2 .
Кварц внутри безрудных слойков, в рудных слойках, в участках интенсивного метасоматоза и в секущих жилках ведет себя по-разному: дает
отчетливые изометричные отпечатки с незначительным количеством трещин или отпечатки с раковистыми сколами по краям и трещинами хрупкости от углов отпечатка, что также может нести информацию о микротвердости и хрупкости материала.
Значение микротвердости кварца в безрудных слойках изменяется в пределах от 1090 до 2318, составляя в среднем 1576 кгс/мм2, в рудных: от 987 до 2060, в среднем 1405 кгс/мм2 . В жильном кварце значения МТ изменяются от 1132 до 2015, составляя в среднем 1546 кгс/мм2 . Просмотр прозрачных шлифов позволил установить, что жильный кварц преимущественно является более зернистым, иногда с выраженной ориентировкой, чаще - беспорядочным расположением индивидуумов и более крупными размерами зерен по сравнению с кварцем осадочно-метаморфического генезиса. Значения МТ первичного кварца несколько выше, чем жильного и изменяется от 1090 до 2318, составляя в среднем 1569 кгс/мм2. Наименьшие значения МТ характерны для кварца из зон наложенного метасоматоза. Жильный кварц более хрупок, чем другие разновидности, хороших отпечатков почти не получается. Это свидетельствует о том, что мелко- и тонкозернистые образцы менее хрупки, чем крупнозернистые, объяснение этому может быть такое, что в мелкозернистом образце испытуемое зерно находится в условиях равномерного всестороннего сжатия, чем в крупнозернистом и способно выдерживать более высокие нагрузки без растрескивания. Изучению типоморфных особенностей различных генераций кварца с количественной оценкой микрохрупкости по числу трещин вокруг отпечатка на твердомере, по их форме и размерам следует посвятить отдельную работу.
Изменение МТ минералов кварцитов в зависимости от сорта по обогатимости
Основываясь на массовой доле железа в лабораторном концентрате и размерам зерен магнетита, неокисленные железистые кварциты Михайловского ГОКа разделяются на три сорта: легко-обогатимые (ЛО), среднеобогатимые (СО) и труднообогатимые (ТО) (табл. 4):
Для легкообогатимого сорта характерны среднеслоистые текстуры, чередование рудных и нерудных слойков, преобладание гематит-магнетитовых и магнетит-гематитовых разно-
видностей, идиоморфный или полиэдрический облик зерен размером 0,05-0,1 мм. Магнетит образует тесные срастания с другими минералами, границы срастания извилистые, слабо изрезанные.
В труднообогатимом сорте характерен более тонкий текстурный рисунок, сложный вещественный состав, ксеноморфные очертания зерен, пойкилитовые срастания магнетита с другими минералами, возрастание массовой доли зерен размером менее 30 микрон.
Исследование МТ магнетита, гематита и кварца в различных по обогатимости рудах позволило выявить незначительное увеличение этого показателя от легкообогатимого сорта к труд-нообогатимому (табл. 5).
Разделение неокисленных железистых кварцитов на три сорта по измельчаемости основано на удельной производительности мельниц для первой стадии измельчения по вновь образованному классу минус 50 микрон [10].
В выборке из 48 проб, представляющих легко- и трудноизмельчаемые сорта руд, по средним значениям микротвердости установлены более высокие значения этого параметра в трудноизмельчаемых рудах, что свойственно всем трем минералам. Однако по отдельным аншлифам не наблюдается корреляции между микротвердостью слагающих руду компонентов и ее измельчаемостью. Это вполне допустимо, т.к. руды МГОКа крайне неоднородны даже в микрообъемах и анализируемый ан-шлиф может не отражать структурнотекстурных, вещественных и прочностных характеристик пробы, по которой получены параметры измельчаемости. Особенно это характерно для кварца, коэффициент вариации значений МТ которого наиболее высок и составляет для изученного количества проб 20 % (табл. 6).
Следовательно, для выяснения корреляционных зависимостей между микротвердостью и из-мельчаемостью следует подойти более целенаправленно, отбирая от пробы наиболее представительные образцы для определения микротвердости.
Значения МТ минералов средних сортов по обогатимости и измельчаемости не включены в таблицу, т.к. они имеют промежуточное значение между двумя вышерассмотренными и иногда перекрываются с ними.
Таблица 4
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕОКИСЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ МГОКА ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ И МИНЕРАЛОГИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ [10].
Сорт по обогатимости Массовая доля железа общего в лаб. концентрате, % (данные хим/ан.) Массовая доля зерен магнетита размером менее 30 микрон, % (данные мин/ан)
Легкообогатимый (ЛО) Более 66 Менее 30
Среднеобогатимый (СО) От 66 до 64 От 30 до 45
Труднообогатимый (ТО) Менее 64 Более 45
Таблица 5
ЗНАЧЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ (КГС/ММ2 ) МИНЕРАЛОВ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОРТНОСТИ ПО ОБОГАТИМОСТИ И ИЗМЕЛЬЧАЕМОСТИ
^рта Минералы
Магнетит Г ематит Кварц
пределы среднее пределы среднее пределы среднее
Легкообогатимый (ЛО) 501-592 551 1000-1426 1174 987-1584 1352
Труднообогатимый (ТО) 501-742 637 976-1685 1330 1030-2397 1612
Легкоизмельчаемый ЛИ) 513-639 544 987-1159 1066 1236-1545 1392
Трудноизмельчаемый (ТИ) 515-639 568 1080-1236 1145 1236-2318 1700
Таблица 6
ЗНАЧЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ (КГС/ММ2 ) МАГНЕТИТА, ГЕМАТИТА И КВАРЦА В МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД
Месторождения
Магнетит
пределы
среднее
Минералы
Г ематит
пределы
среднее
Кварц
пределы
среднее
Ковдорское
539-613
576
Оленегорское
431-579
505
972-1426
1112
856-1236
1041
Костомукша
475-562
523
1158-1626
1378
Криворожское
471-598
530
843-927
885
1159-1545
1377
Соколово-Сарбайское
431-475
453
Лебединское
475-579
520
1035-1188
1159
977-1426
1212
Михайловское
421-742
587
976-1770
1194
1090-2318
1569
Коэф. вариации значений
МТ (%) для минералов 11,5
Михайловского месторождения
Оценено изменение значений МТ в рудах, отличающихся по минеральному составу. Весьма крепкими являются тонкополосчатые (и зачастую одновременно тонкозернистые) магнетитовые кварциты; крепкими и средней крепости - магне-титовые и гематит-магнетитовые кварциты и низкой крепости - карбонат-магнетитовые кварциты. Щелочный силикатный метасоматоз, приводящий к образованию эгирина, рибекита, мета-соматической зеленой слюды, и карбонатный ме-
15,7
20,0
тасоматоз, в результате которого появляется значительное количество железистых карбонатов, вызывают снижение крепости железистых кварцитов и обуславливает их хорошую измельчае-мость. Отражается метасоматоз и в снижении МТ кварца в этих зонах.
Участки с развитием процессов окисления встречаются в неокисленных кварцитах локально, в них отмечается некоторое снижение МТ для магнетита (в зависимости от интенсивности про-
цессов окисления: 570 кгс/мм2 в слабоокислен-ных до 545 кгс/мм2 в цельноокисленных). Мартит (вторая генерация гематита) также характеризуется более низкими значениями МТ по сравнению с гематитом первично-осадочного и метасо-матического происхождения.
Наложенное гидротермальное окварцевание влияет на прочностные свойства рудной массы неоднозначно, сказывается количественная роль и структурные особенности кварца. Исследованы зоны снятия, тектонического дробления и залечивания этих участков гидротермальными растворами. В таких зонах значения МТ всех минералов бывают ниже, чем в неизмененных породах. В зонах дробления и пликативной тектоники магнетит и гематит часто имеют искаженные формы отпечатков, а на хрупком кварце получаются плохие отпечатки с многочисленными сколами. Там, где окварцевание проявлено весьма интенсивно и образуется сливной тонкозернистый кварц ксеноморфного облика с весьма зазубренными границами срастания, происходит увеличение прочностных характеристик в силу особенностей как самого кварца, так и его доминирующей роли в окварцованных породах.
Отмечая пространственную изменчивость значений МТ, следует подчеркнуть, что в центральной и северной частях карьера, где преобладают легкообогатимые руды, микротвердость основных минералов ниже по сравнению с южной и юго-западной частью карьера, где развиты труднообогатимые, тонкозернистые, тонконеяснополосчатые магнетитовые кварциты с ксено-морфным рекристаллизованным магнетитом и субмикрозернистыми пойкилитовыми сраста-Таблица 7
ниями минералов.
Выполнен сравнительный анализ микротвердости магнетита, гематита и кварца в месторождениях железных руд различного генезиса. По каждому месторождению отобрано несколько образцов, отражающих наиболее представительны структурно-текстурные и минералогические особенности. Наибольшее внимание уделено железистым кварцитам (Оленегорс-кое, Костомукшское, Криворожское, Лебединское месторождения). Сделаны определения МТ магнетита в Ковдор-ском магматогенном и Соколовско-Сарбайском скарновом месторождениях (табл. 6). Полученные данные показали, что минералы Михайловского месторождения отличаются повышенными значениями микротвердости по сравнению с аналогичными образованиями других регионов.
Данные по МТ минералов Михайловского месторождения сопоставлены с результатами других исследователей по этим же минералам, но без указания генезиса (табл. 7), и в этом случае минералы железистых кварцитов МГОКа отличаются более высокими значениями микротвердости.
Одной из причин отличительных значений микротвердости минералов Михайловского месторождения могут быть особые условия осадкообразования, приведение к накоплению в докембрии мощной толщи железисто-кремнистых осадков. Характер и интенсивность метаморфических процессов изменили и упрочнили эту толщу. Низкие ступени метаморфизма привели к созданию микро-тонкозер-нистых, высококремнистых кварцитов с тонкой интенсивной вкрапленностью рудного вещества и сложными границами срастания зерен. Более высокая ступень ме-
СРАВНЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ МИКРОТВЕРДОСТИ МИНЕРАЛОВ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ МИХАЙЛОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ДРУГИХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ ПО ЭТИМ ЖЕ МИНЕРАЛАМ
Исследователи Магнетит Г ематит Кварц Ссылка
пределы среднее пределы среднее пределы среднее
Михайловское месторождение 421-742 587 976-1770 1194 1090-2318 1569
С. Бови, К. Тейлор 530-599 560 920-1062 1009 1097-1168 1135 [16]
С.И. Лебедева (нагрузка 100 г) 484-543 520 920-1062 953 1023-1236 1135 [7]
Г. Тубо (нагрузка 200 г) 980-1003 - 403-1130 - - - [17]
Ю.Г. Гершойг (нагрузка 100 г) 412-689 509 820-1287 1020 812-1701 1253 [11]
таморфизма способствовала лучшей дифференциации железистого и кремнистого материала, уменьшению количества тонкодисперсного гематита и магнетита в кварце, обособлению и укрупнению зерен рудных компонентов, идиоморфизму кристаллографических форм.
Процессы щелочного метасоматоза и гидротермальной проработки, наложившиеся на породы после регионального метаморфизма, привели к ухудшению обогатимости железистых кварцитов и, в зависимости от особенности наложенных процессов, к ухудшению или улучшению прочностных характеристик.
Следовательно, прочностные особенности железистых кварцитов зависят от индивидуальных свойств доминирующих минералов и предопределены первичными генетическими условиями, и наложенными процессами.
Выводы
1. Микротвердость является отражением условий минералообразования и именно отличием генетических особенностей может быть объяснено непохожее поведение одних и тех же минералов из разных месторождений или из рудных участков одного месторождения в процессе переработки.
2. Значения микротвердости подтверждают принадлежность кварцитов к различным сортам по
обогатимости и измельчаемости, приуроченность к различным участкам месторождения, позволяют выделять генерации одного и того же минерала.
3. Железистые кварциты Михайловского ГОКа в сопоставлении с аналогичными образованиями других регионов обнаруживают более высокие значения МТ по основным минералам, что позволяет отнести их к весьма крепким рудам.
4. Доминирующим минералом железистых кварцитов является кварц, самый прочный в рассматриваемой минеральной ассоциации. Кварц играет роль матрицы, и его особенности сказываются на прочностных характеристиках рудной массы в целом.
5. Знания микротвердости минералов могут быть использованы для решения практических задач рудоподготовки и усреднения шихты по прочностным характеристикам.
6. Использование данных о микротвердости слагающих рудную массу компонентов в сочетании с другими характеристиками позволит решить главную стратегическую задачу - снизить энергоемкость разрушения руды на всех стадиях: в карьере, дробильном комплексе, обогатительной фабрике и тем самым улучшить техникоэкономические показатели работы предприятия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Железорудная база России. Под. Ред. В.П. Орлова. - М.: Гео-информ» 1998.
2. Определение прочностных
и абразивных свойств железистых кварцитов Михайловского месторождения с целью установления оптимального расхода норм материалов и определения сроков службы дробильно-
измельчительного оборудования. - Отчет ИПКОН, 1981.
3. Баранов В.Ф., Сентемо-ва В.А., Ядрышников А.О. Пути снижения расхода электроэнергии на железорудных обогатительных фабриках//Обогащение руд. - 2000. - № 2.
4. Биленко Л.Ф. Закономерности измельчения в барабанных мельницах.- М.: Недра, 1984.
5. Шинкоренко С.Ф. Технология измельчения руд черных металлов .- М.: Недра, 1982.
6. Новик Г.Я., Зильбершмидт М.Г. Управление свойствами пород в процессах горного производства. - М.: Недра, 1994.
7. Лебедева С.И. Определение микротвердости минералов. -М.: Из-во АН СССР, 1963.
8. Глазов В.М., Вигдорович
В.Н. Микротвердость металлов. -М.: Госуд. науч.-техн. изд-во,
1962.
9. Зуев В.В., Лазарев С.Ю. Оценка дефектности минералов и других твердых тел по критериям плотности и энергоемкости //Обогаще-ние руд. - 1999. № 5.
10. Гзогян Т.Н. Выбор оптимальных параметров шихты при
подготовке ее к обогащению. - (в печати).
11. Гершойг Ю.Г. Вещественный состав и оценка обога-тимости бедных железных руд. -М.: Недра, 19б8.
12. Геолого-минералоги-ческое изучение попутно добываемых окисленных железистых кварцитов Михайловского ГОКа. Отчет НИИКМА, 1973.
13. Илларионов А.А. Петрография и минералогия железистых кварцитов Михайловского месторождения Курской магнитной аномалии. - М.: Наука, 19б5.
14. Гусельников В.Н. Генетические проблемы железорудных формаций КМА. - М. : Недра, 1972.
15. Зильбершмидт М.Г. Беденко В.Е., Гзогян Т.Н. Влияние структурного состояния железистых кварцитов Михайловского ГОКа на их технологические свойства. //Горный информ.-
аналит. бюллетень. - М.: Изд. МГГУ, 1998.
16. Бови С.Х.У., Тейлор К. Определитель рудных минералов. Междунар. конфер. по мирному использованию атомной
энергии. Вып.2. т.8. - М.: Атом-издат, 1959.
17. Тубо Г. Изучение непрозрачных минералов в ближайшем инфракрасном свете. В сб. «Физика минералов». - М.: Мир, 1964.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
/---------------------------------------------------------------------------7
Гзогян Татьяна Николаевна - кандидат технических наук, начальник ЦЗЛ, ОАО Михайловский ГОК», г. Железногорск Курская область.
Мельникова Надежда Дмитриевна - кандидат геолого-минералогических наук, инженер ЦЗЛ, ОАО «Михайловский ГОК», г. Железногорск Курская область.
х ______________________________;___________________________________________х
