Минеральный состав железистых кварцитов Лебединского месторождения и его взаимосвязь с процессами разрушения пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© В.В. Моссйкин, С.Х. Абсатаров, 2008

УДК 622:550.8

В.В. Мосейкин, С.Х. Абсатаров

МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ ЛЕБЕДИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ И ЕГО ВЗАИМОСВЯЗЬ С ПРОЦЕССАМИ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД

Семинар № 1

Главными задачами изучения минерального состава железистых кварцитов месторождения являются:

• Изучение вещественного (химического и минерального) состава и структурно-текстурных особенностей кварцитов как руд и сырья для производства щебня;

• Определение геологических факторов и физико-механических параметров, определяющих их поведение при различных способах разрушения (взрыв, дробление, измельчение и др.);

• Расчет оптимальных показателей дробления кварцитов;

• Обоснование технологической схемы дробления железистых кварцитов и других вмещающих пород на щебень.

Вещественный состав и свойства железистых кварцитов в пределах Ёе-бединского карьера разнообразны и обусловлены условиями их формирования.

Химический состав железистых кварцитов характеризуется высоким содержанием кремнекислоты, входящей в состав кварца, в меньшей степени силикатов. Окислы железа связаны с магнетитом, меньшая часть с гематитом и силикатами. В качестве второстепенных примесей присутст-

вуют А1203,Са0, МдО, Ыа20, К20. Фосфор, сера, титан присутствуют в незначительных количествах.

Главные породообразующие минералы кварцитов представлены магнетитом, кварцем, куммингтонитом, в зонах ощелачивания - щелочным амфиболом и эгирином; второстепенные - биотитом, гематитом, карбонатами, тальком, актинолитом, калиевым полевым шпатом и др.; акцессорные - апатитом, турмалином, сфеном.

Горные породы Лебединского месторождения в пределах карьерного поля представлены тремя группами метаморфических пород (в порядке уменьшения распространенности): железистыми кварцитами, кварц-слюдис-тыми сланцами, кварцитопесчаниками и маломощными телами диоритовых порфиритов и гранитов.

По составу породообразующих и рудных минералов, генетическим, технологическим, текстурно-структурным особенностям и с учетом статистического распределения главных форм железа среди кварцитов выделяют ряд природных типов, краткая характеристика которых приведена ниже.

Железистые кварциты - мелко- и тонкозернистые породы полосчатых текстур, представленных чередованием кварцевых, силикатных и рудных

слойков различной ширины от 1-3 мм до 1,5 см и более. Основными мине-ралого-петрографическими типами железистых кварцитов являются: маг-нетитовые, гематит-магнетитовые и силикатно-магнетитовые (преимущественно куммингтонит-магнетитовые, реже биотит-магнетитовые).

Магнетитовые кварциты сложены в основном магнетитом и кварцем. В них практически всегда присутствует примесь щелочного амфибола, с увеличением которой до 6-8 % и более они переходят в щелочно-амфибол-магнетитовые разности. Из-за тесного переслаивания магнетитовых и ще-лочно-амфибол-магнетитовых кварцитов, а также близости их физикомеханических и технологических характеристик, их относят к магнетитовому типу.

Гематит-магнетитовые кварциты -тонкополосчатых текстур. Рудные слои сложены магнетитом или гема-тит-магнетитовым агрегатом, нерудные - преимущественно кварцем. Эти кварциты встречаются, как правило, среди магнетитовых кварцитов.

Силикатно-магнетитовые кварциты в нерудных прослоях представлены преимущественно куммингтонитом, либо биотитом.

Слаборудные кварциты сложены слойками сливного и гранулированного кварца, в меньшей степени силикатно-кварцевого агрегата. Рудные слойки в них встречаются редко.

Распространенность кварцитов на Лебединском месторождении: магнетитовые кварциты - 50 %, куммингто-нит-магнетитовые - 30 %, гематит-магнетитовые - 14 %, биотит-магне-титовые - 5 %, слаборудные - 1 %. Последние образуют небольшой мощности до10 м пачки пород в основании и кровле двух рудных под-свит коробковской свиты.

Фациальная изменчивость толщи кварцитов по мощности и латерали, осложненная дисгармонической складчатостью создала сложную картину пространственного размещения минерально-петрографических типов железистых кварцитов в массиве, вскрытом действующим карьером.

Сланцы кварц-слюдистые слагают нижнюю и верхнюю сланцевые под-свиты коробковской свиты, образуя в пределах карьерного поля полосы и клинья шириной 30-100 м в крыльях складок и до 200-300 м в их замковых частях. Слюды представлены серицитом и биотитом. Структура гра-нолепидобластовая, текстура сланцевая, иногда встречаются гранат-амфибол-биотитовые сланцы.

Кварцитопесчаники распространены в ядрах антиклинальных складок III порядка на юге и юго-востоке карьерного поля. Это почти мономи-неральные кварцевые породы, иногда содержащие до 20-30 % слюд (серицита, биотита, фуксита), с примесью полевого шпата и карбоната. Структура - мозаично-гранобластовая, текстура - массивная, в слюдистых разностях - нечетко выраженная сланцевая.

Процессы разрушения твердого тела многостадийны [2, 3, 4] и определяются: возникновением дефектов в кристаллической решетке; образованием зародышевых трещин; развитием и объединением микротрещин с образованием макротрещин; разрушением тела.

Дробимость и измельчаемость железистых кварцитов Лебединского месторождения изменяется в широких пределах даже в разновидностях близкого минерального состава. На измельчаемость железистых кварцитов основное влияние оказывают: минеральный состав, структурные особенности и кристалличность кварца.

Таблица 1

Данные статистической обработки и корреляционного анализа измельчаемости (ц) железистых кварцитов (по малым технологическим пробам)

Тип квapцитoв Измелыте-inocrb (q) oт - äo среднее Среднекввд-pa^4. oi^o-нение (<) Koэфф. ßa-pиauии (Д) Koэфф. мис-жеств. дорреля- иии с FCoárn и Fвмaг

Гематит- магнетитовые G,33G - G,73G G,48G 0,13 26,0 0,226

Магнетитовые G,159 - G,88 G,422 0,15 34,12 0,117

Щелочно-силикатно- магнетитовые G,3G6 - G,959 G,511 0,19 37,27 -0,615

Силикатно (кумминг-тонит и биотит) - G,18 8 - G,537 0,087 24,47 0,163

магнетитовые

Магнетит-силикатные G,198 - G,533 G,32G 0,095 28,73 0,552

В целом для железистых кварцитов G,1 59- G,96G G,425 0,15 34,51 0,216

Например, средние значения измель-чаемости (табл. 1) снижаются от маг-нетитовых и гематит-магнетитовых к силикатно-магнетитовым кварцитам.

Статистической обработкой 161 малой технологической пробы установлена слабая, незначимая парная и множественная корреляция измельчаемости с содержанием железа общего и магнетитового и их соотношением. Это означает, что минеральный состав железистых кварцитов определяет только качественное состояние измельченности. Для количественного выражения необходимо глубокое изучение минералов.

Исследованиями [1, 3, 5, 6, 7] установлено, что главным фактором влияния на измельчаемость является кристаллическое состояние наиболее твердого и прочного минерала железистых кварцитов - кварца, составляющего от 30 % до 60 % объема породы. Для понимания закономерностей дробимости и измельчаемости были проведены минералого-петро-графические исследования кварца и

находящихся с ним в срастаниях ассоциирующих минералов.

С применением классических и комплекса современных методов на основе онтогении минералов исследованы изменения в морфологии, анатомии, типах срастаний и физических свойствах кварца и магнетита. Установлено, что они носят типоморфный характер и определяют технологические свойства железистых кварцитов. Характер срастаний кварца с магнетитом, гематитом и другими минералами определяется последовательностью и этапностью процессов минералообра-зования. В результате формируются различные генерации и типы минералов, с присущими им кристалло-мор-фологическими признаками (табл. 2).

В наиболее дефектном кварце, имеющем волнистое, блоковое, рассеянное угасание и низкую кристалличность, выявленную методами ИКС, термовысвечивания, микротвердости и др., образование трещин значительно облегчается.

100

Таблица 2

Генерации и типы кварца железистых кварцитов Лебединского месторождения

Генерации и гснсзис.

Типы

Кристалло-морфологические признаки

Приуроченность

Относительная

распространенность

Диагенетиче-ский (кварц-1)

Метамор-

фический

(кварц-11)

Щелочно-

метасома-

тический

(кварц-111)

Контактово-

метамор-

фический

(кварцТУ)

Рогови-

ковый

Торцовый

Ксено-

морфный

Послойно-

вытянутый

округлые ксеноморфные зерна с четко выраженной зональностью: в ядрах запыленность рудным минералом, краевые части лишены ее. Размер 0.02-0.03 мм

мелкие полигональные, мутноватые зерна с характерной пойкилитовой вкрапленностью рудных минералов. Размер 0.02-0.04 мм

изометричные, полигональные, прозрачные зерна с уплощенными гранями. Характерно прямое, реже слабоволнистое угасание. Размер 0.03-0.07 мм границы сложные, извилистые, угасание волнистое, иногда блоковое, реже прямое, высокая прозрачность, отсутствие пойкилитовых включений. Размер 0.05-0.15 мм

границы несложные, слегка округлые, реже прямые и волнистые, ориентировка зерен послойная. Характерна высокая прозрачность, отсутствие включений. Угасание слабо волнистое или прямое. Размер 0.040.2 мм

в виде изометричных полиэдров, образующих мозаичную структуру кварцевых слойков. Характерна высокая прозрачность, прямое угасание. Размер

0.05-0.25 мм

крупные и очень крупные кристаллы с волнистым, блоковым, рассеянным, реже прямым угасанием, извилистыми, волнистыми и зазубренными границами. Характерна высокая прозрачность, отмечаются пой-килитовые включения, в том числе реликтового кварца. Размер 0.05-0.5 мм

Наименее

деформированные

участки

Крылья складок

Ядра, замки складок

Реликты

около 70 %

Сводовые части складок и зоны растяжения

Щелочно-силикатно-магнетитовые кварциты

Экзоконтакт с Стой-ло-Николаевской интрузией

около 15-20 %

около 10 %

Таблица 3

Корреляция измельчаемости (ц), среднего размера зерен кварца (х ) и процента класса зерен менее 0,03 мм (у)

Минеральные типы Коэффициент парной корреляции Коэффициент множественной корреляции Уравнение множественной регрессии

q от X q от у q от X и у

Гематит- магнетитовые 0,953 0,957 0,950 Я =0,44+6,20 х -0,007 у

Магнетитовые 0,873 0,918 0,930 q =0,45+5,11 X -0,006 у

Кумминтонит- магнетитовые 0,938 0,971 0,979 Я =0,43+7,68 х -0,008 у

Щелочносиликат- магнетитовые 0,963 0,836 0,964 Я =0,007+9,07 х -0,001 у

К таковому относится линейновытянутый, ксеноморфный, контактово-метаморфический кварц и кварц из щелочноамфибол-магне-титовых кварцитов первой группы.

Торцовый, роговиковый и мозаичный кварц из эгирин-магнетито-вых кварцитов менее дефектен и объединен во вторую группу. Из сказанного можно предположить, что на первой стадии разрушения зарождение микротрещин в кварце первой группы будет происходить легче, чем в - торцовом, мозаичном и роговиковом.

Во вторую стадию при формировании микротрещин основную роль играют факторы, препятствующие развитию микротрещин, а именно, включения, границы зерен и др. Множество микровключений в рого-виковом кварце и малые размеры его зерен создают множество «ступеней дислокаций», гасящих развитие микротрещин. Поэтому на его разрушение необходимо затрачивать наибольшее количество энергии.

В торцовом кварце из-за его большей, по сравнению с роговиковым, крупности и чистоты развитие микротрещин более благоприятно. Разрушение крупнозернистого линейновытянутого, ксеноморфного и кон-

тактово-метаморфического кварца происходит с наименьшими затратами энергии.

В щелочносиликатно-магнетитовых кварцитах кварц из эгирин-магнети-товых и щелочноамфибол-магнети-товых разновидностей близок по размеру, но поскольку у кварца из ще-лочноамфибол-магнетитовых кварцитов дефектность значительно выше, то и разрушение его легче.

С данными представлениями хорошо согласуется выявленная прямая зависимость удельной производительности мельницы по вновь образованному классу от микротрещин кварца, отражающей влияние дефектности его кристаллической решетки на из-мельчаемость.

Величина измельчаемости, в пределах каждой минеральной разновидности, находится в прямой зависимости от среднего размера зерен кварца и в обратной - от содержания класса менее 0,03 мм, при высоких значениях коэффициентов парной и множественной корреляции (табл. 3).

Учитывая, установленную связь прочностных характеристик железистых кварцитов с типом слагающего кварца становится очевидным отнесение к среднеизмельченным наиболее мелкозернистых разновидностей с

Рис. 1. Гистограммы гранулометрии кварца в наиболее распространенных минеральных разновидностях железистых кварцитов различной измельчаемости

Рис. 2. Вариационная кривая измельчаемости (удельной производительности мельницы по вновь образованному классу)

роговиковой структурой кварцевых слойков, к легкоизмельчаемым - с торцовой и мозаичной структурой. Весьма легкоизмельчаемые разновидности, как правило, самые крупнозернистые (рис. 1) и сложены ксеноморфным, линейновытянутым и контактово-метаморфическим кварцем. Границы между средне- (I), легко- (II) и весьма легкоизмель-чаемыми (III) рудами в пределах Ёебе-дино-Стойленс-кого рудного поля отбиваются из вариационной кривой из-мельчаемости железистых кварцитов (рис. 2). Эти признаки являются типо-морфными и могут быть положены в основу минералого-технологической классификации железистых кварцитов. Тесная генетическая связь генераций и типов кварца с этапами кри-сталлогенеза позволили [1, 6, 8] установить основные закономерности залегания средне-, легко- и весьма лег-коизмельчаемых руд:

- среднеизмельчаемые руды следует ожидать в моноклинально падающих

1. Пирогов Б.И., Пирогова В. В. Минералогическое исследование железных и марганцевых руд. - М.: Недра, 1973, 216 с.

2. Нотт Дж. Основы механики разрушения. - М.: Металлургия, 1978, 256 с.

3. Ревнивцев В.И., Хопунов Э.А., Костин И. М. и др. Селективное разрушение минералов. - М.: Недра, 1988.

4. Ревнивцев В.И. Роль технологической минералогии в обогащении полезных ископаемых. - ЗВМО, 1982,ч. Ш, вып.4. - С. 443-449.

5. Булгакова АП., Ряполов О.Г., Щекин Ю. С. и др. Об изменчивости петрофизических

рудных телах и крыльях структур, сформированных во вторую фазу Курской складчатости;

- легкоизмельчаемые руды - в ядрах, в меньшей степени в замках структур второй фазы складчатости, а также в участках развития эгирин-магнетитовых кварцитов;

- весьма легкоизмельчаемые - в зонах, активизированных в третью фазу складчатости; термального воздействия Стойло-Николаевского интрузива; развитие щелочноамфибол-магнетитовых кварцитов; частично - в шарнирах структур второй фазы складчатости.

Таким образом, структурно-морфологические типы, гранулометрия и кристалличность кварца количественно определяют процессы разрушения кварцитов, а именно, дробимость и из-мельчаемость.

Установленные закономерности рекомендуется использовать при геологотехнологическом картирования рудного поля.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

и технологических свойств железистых кварцитов. - Горный журнал, 1989, №4. - C. 8-11.

6. Романщак A.A., Белых В.И. Петрохи-мические критерии минералого-технологи-ческой классификации железистых кварцитов. - В кн. Железные руды для качественной металлургии, М., 1986. - С. 62-72.

7. Жабин А.Г. Онтогения минералов. -М., Наука, 1979, 275 с.

8. Пирогов Б. И. Геолого-минерало-гические факторы, определяющие обогати-мость железистых кварцитов. - М., Недра, 1969, 239 с. ЕЕЕ

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------------

Мосейкин В.В. - Московский государственный горный университет,

Абсатаров С.Х. - Дорстройщебень, г. Губкин.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 1 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. А.М. Гальперин.