CC BY
13
A
Научная статья УДК 553.086
Морфометрические параметры сульфидных руд как основа селективной рудоподготовки сырья
А.М.ДУРЯГИНАН, И.В.ТАЛОВИНА1, Х.ЛИБЕРВИРТ2, Р.К.ИЛАЛОВА1
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
2 Фрайбергская горная академия, Фрайберг, Германия
Как цитировать эту статью: Дурягина А.М., Таловина И.В., Либервирт Х., Илалова Р.К. Морфометрические параметры сульфидных руд как основа селективной рудоподготовки сырья // Записки Горного института. 2022. Т. 256. С. 527-538. DOI: 10.31897/PMI.2022.76
Аннотация. Для оценки возможности селективной дезинтеграции и снижения степени переизмельчения труд-нообогатимых руд были проведены оптико-микроскопические и рентген-микротомографические исследования, идентифицированы количественные характеристики морфологических параметров образцов вкрапленных и богатых медистых руд норильского типа Октябрьского месторождения. Среди количественных морфологических параметров наиболее информативными оказались площадь зерен, периметр, неровность края, сферичность, вытянутость и среднее расстояние между зернами для вкрапленных медно-никелевых руд; площадь зерен, периметр, неровность края и вытянутость для богатых медистых руд. Изученные параметры характеризуются увеличением значений и дисперсности в рудных зонах, что особенно важно для тонкозернистых руд, с трудом диагностируемых оптическими методами. Методом компьютерной рентгеновской микротомографии проведено трехмерное моделирование внутреннего строения образцов с сульфидной минерализацией, благодаря которому можно наблюдать количественные параметры зерен, агрегатов, распределение в общем объеме породы и взаимоотношения друг с другом. Оценка порового пространства породы методом компьютерной микротомографии дала возможность сопоставить полученные результаты с прочностными характеристиками горных пород и руд, в том числе на различных типах дробилок. Полученные количественные характеристики структурно-текстурных параметров, анализ гранулометрического состава зерен рудных минералов позволяют оценить возможность применения селективного измельчения на различных этапах подготовки руды.
Ключевые слова: сульфидные медно-никелевые руды; технологическая минералогия; количественные структурно-текстурные параметры; Thixomet PRO; компьютерная рентгеновская микротомография; селективное измельчение
Благодарность. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-55-12002). Поступила: 12.05.2022 Принята: 06.09.2022 Онлайн: 03.11.2022 Опубликована: 03.11.2022
Введение. В современном мире доля тонковкрапленного труднообогатимого сырья все возрастает, что, очевидно, требует разработки новых подходов и технологий обогащения в процессе переработки руд [1, 2]. Процессы дезинтеграции, применяемые на начальной стадии обогащения, позволяют экономичнее и экологичнее извлекать ценные компоненты и тем самым увеличивать рентабельность руд и месторождений [3-5]. Сложность переработки тонковкрапленного сульфидного минерального сырья обусловлена трудностью раскрытия сростков ценных компонентов при дезинтеграции для извлечения их в товарные продукты кондиционного качества [6, 7]. Как известно, основная задача дезинтеграции труднообогатимых руд состоит в том, чтобы разрушить объект по границам раздела фаз без переизмельчения при минимизации энергозатрат [8]. Известные на данный момент методы не обеспечивают достаточного раскрытия зерен ценных компонентов, разрушение материала происходит валово [9, 10], что приводит к потерям ценных компонентов и снижает технологические показатели дальнейшего обогащения и переработки руд [11, 12].
Для реализации селективной дезинтеграции необходимо углубленное изучение взаимосвязи структурно-фазового и вещественного состава с физическими, физико-химическими и технологическими свойствами минералов [13, 14]. Обычно геологи дают описание структуры и текстуры
горных пород и руд с помощью анализа шлифов или аншлифов [15-17]. Для получения морфомет-рических структурно-текстурных характеристик горных пород и руд оптический метод имеет ограничения, так как является двумерным и может дать только качественное описание. Для получения более детальной, в том числе количественной, информации о минеральном сырье необходимо найти зависимости между соответствующими параметрами разрушения, характеристиками продукта и присущими им технолого-минералогическими и структурно-текстурными особенностями, что является актуальной задачей при исследовании процессов селективной дезинтеграции и разработки аппаратов для их реализации [18, 19].
В настоящее время активно разрабатываются новые средства трехмерного моделирования и измерения морфометрических характеристик горных пород и руд [20, 21]. В связи с этим, основной целью данной работы было исследование возможностей применения современных средств измерения и анализа оптико-микроскопических данных, программного обеспечения Thixomet Pro (Россия) [22] и программ обработки данных компьютерной рентгеновской микротомографии [23, 24] для изучения структурно-текстурных характеристик на примере сульфидных медно-никелевых руд Норильского рудного района.
Геологическое строение Норильского рудного района. В качестве объектов исследования были выбраны типичные месторождения сульфидных медно-никелевых руд Норильского рудного района [25, 26]. Геологическое положение Норильских месторождений хорошо изучено и описано в многочисленных работах [27, 28].
Норильский рудный район расположен в Северной Сибири на стыке Сибирской платформы с Тунгусской синклиналью и Енисей-Хатангским прогибом (рис.1). В континентальные терриген-ные и угленосные отложения тунгусской серии возраста С2-Р2, согласно залегающим на них трап-
повым базальтовым свитам возраста Р2-Т1, были внедрены силлоподобные интрузии габ-бро-долеритов, лейкогаббро и габбро-диоритов, несущих платиноидно-медно-никелевое оруденение [29, 30]. Размещение интрузивных комплексов контролируется Норильско-Хараелахским разломом: Хараелахский и Тал-нахский интрузивы расположены в южной части Хараелахского прогиба и приурочены к поперечному сочленению Норильско-Хараелахского разлома с Пясинским куполовидным поднятием, в то время как Норильский интрузив располагается в северной части Норильского прогиба.
В настоящее время 96 % производимых на Норильском горно-металлургическом комбинате металлов извлекается из руд Талнах-ского интрузивного комплекса и лишь 4 % -из бедных руд Норильского интрузивного комплекса. На территории Норильского рудного района выделяются четыре типа рудоносных интрузий: норильский, зубовский, круглогорский и нижнеталнахский [32]. Интрузивные комплексы норильского типа полностью дифференцированных интрузий обеспечивают все промышленные месторождения меди и никеля в Норильском районе, а зубовский, круглогорский и нижнеталнахский типы сопровождают норильский, обладая меньшей степенью дифференциации и рудо-носности, но большей распространенностью.
Р2-Т1 Пермь-триасовые вулканические породы С2-Р2 Угленосные терригенные породы I'/ Палеозойские карбонатно-терригенные породы " I Мезо-кайнозойские осадочные породы • Расположение основных месторождений И Разрывные нарушения ^ I Водоемы
Рис.1. Геологическое строение Норильского рудного района [31, с изменениями], на вклейке показано положение Норильского рудного района на территории России
Интрузии норильского типа дифференцированы от габбро-долеритов нормального ряда до такси-товых и пикритовых габбродолеритов с рудной вкрапленностью в нижней части интрузии и до лейкогаббро и габбродиоритов в верхней части. К нижней части дифференцированных интрузий норильского типа приурочены пластовые тела сплошных медно-никелевых сульфидных руд, располагающихся во вмещающих роговиках и в теле интрузива в виде линз и пластовых залежей. Также выделяются тела сложной морфологии, представленные сплошными, брекчиевидными и густовкрапленными так называемыми медистыми рудами [28, 30]. Главными сульфидными минералами рудных тел являются халькопирит, пирротин, пентландит, пирит [33, 34]. Из второстепенных минералов стоит отметить галенит, валлериит, миллерит, а также макинавит, аргентопент-ландит, борнит. Руды данного состава сложны и разнообразны при изучении морфометрических параметров в целях селективного извлечения, что особенно усложняется наличием в составе руд тонких зерен платиновых минералов.
В рамках настоящего исследования были проанализированы типичные образцы вкрапленных медно-никелевых и богатых медистых руд норильского типа Октябрьского месторождения Норильского рудного района (центральные и западные фланги Хараелахского интрузива соответственно).
Вкрапленные медно-никелевые руды центральных флангов Хараелахского интрузива (21 образец, 63 шлифа) дифференцированы, в основном, от пойкилоофитовых до такситовых и пикри-товых габбро-долеритов со сплошной рудной вкрапленностью в нижней части интрузии. В верхних частях интрузивов наблюдается интерстициальная сульфидная вкрапленность в лейкогаббро; ниже - каплевидная, реже сидеронитовая вкрапленность в габбро-долеритах и пикритовых доле-ритах; в средней нижней части интрузивов - гнездовидная вкрапленность неправильной формы в такситовых габбро-долеритах; в придонных частях интрузивов - сплошная пентландит-талнахи-товая руда на контакте с брекчированными роговиками.
Богатые медистые руды западных флангов Хараелахского интрузива (23 образца, 69 шлифов) дифференцированы в меньшей мере по сравнению центральными частями Хараелахского интрузива. С приближением к сплошной сульфидной руде рудные минералы образуют крупные алло-триоморфнозернистые выделения, принимающие форму интерстиций между кристаллами пироксена и лейстами плагиоклаза, отдельные выделения рудных минералов имеют каплевидную форму, начинают скапливаться и образуют гнезда. В краевых частях интрузива в описанном разрезе отсутствуют лейкократовые разности, а такситовые разности преобладают.
Методология. Образцы вкрапленных медно-никелевых и богатых медистых руд изучались с использованием оптико-микроскопических методов исследования с последующей обработкой изображений в программном обеспечении Thixomet Pro, а также методами компьютерной рентгеновской микротомографии.
Оптико-микроскопические исследования проводились с использованием оптического поляризационного микроскопа исследовательского класса Axio Imager A2m (Zeiss). Полученные изображения обрабатывались и анализировались затем с помощью программного обеспечения для анализа изображений Thixomet Pro, которое прошло метрологическое освидетельствование и аттестовано как средство измерения [35]. Для проведения исследований изготавливались ориентированные петрографические шлифы по взаимно перпендикулярным срезам по методике [13].
Далее создавались панорамы шлифов, производился автоматический захват зерен рудных минералов. Затем осуществлялся автоматизированный расчет в программе Thixomet Pro морфометрических параметров зерен, количественно отражающих структурно-текстурные особенности руд. Главные из этих параметров: площадь А, мкм2; периметр Р, мкм; диаметр (минимальный, максимальный, средний), мкм; длина L и ширина В, мкм (вычисляются при Р = 2(L + B), A = LB); фактор формы, д.ед. (4пА/Р2); сплошность, д.ед. (отношение реальной и выпуклой площади); вытяну-тость, д.ед. (L/B); неровность края/шероховатость, д.ед. (Р/Рс, где Рс - выпуклый периметр); среднее расстояние между центрами зерен, мкм (реальная площадь/количество зерен).
Рентген-томографические исследования и визуализация внутренней трехмерной структуры ориентированных образцов проводились с использованием микротомографа SkyScan-1173 фирмы Bruker (Бельгия), оснащенного сертифицированными программами NRecon, DataViewer, CTAn
и CTVox. Для проведения съемки выпиливались цилиндры диаметром 2 см. Параметры съемки: ускоряющее напряжение 130 кВ, сила тока 60 мА, разрешение 17 мкм, фильтр стеклянный 0,25 мм, шаг поворота 0,3 град.
Методика компьютерных рентген-томографических исследований детально описана в работах [36, 37]. Суть рентгеновского метода заключается в понижении мощности рентгеновского излучения при его прохождении сквозь конкретный объем образца за счет фотоэлектрического поглощения рентгеновских лучей. Поглощение фиксируется детектором с созданием теневых проекций - графических файлов, в которых каждый пиксель содержит информацию о величине поглощения в конкретной точке. Результатом такого сканирования является серия снимков в рентгеновском свете, которые затем преобразуются в трехмерные изображения для дальнейших визуальных исследований и морфометрического анализа [7, 32]. Значительная разность в плотности плагиоклаза (~ 2,7 г/см3), клинопироксена (3,1-3,5 г/см3), рудных минералов (халькопирит ~4,2 г/см3, пирротин 4,6-4,7 г/см3, ильменит 4,8 г/см3, магнетит до 5,2 г/см3, марказит 4,85-4,9 г/см3, титаномаг-нетит 4,8-5,3 г/см3) и минералов платиновой группы (18-21 г/см3) позволила получить реальную картину распределения наиболее плотных фаз в масштабе от нескольких сантиметров, вплоть до разрешения 15-20 мкм [16, 25].
Морфометрические параметры зерен, рассчитываемые методом компьютерной рентгеновской микротомографии: площадь объекта, мкм2; периметр объекта, мкм; длина L, мкм (диаметр круга эквивалентной площади/максимальное расстояние между двумя точками объекта); ширина В, мкм (минимальное расстояние между двумя точками объекта); сферичность, д.ед. (отношение поверхности шара эквивалентного объема к поверхности); удельная поверхность (шероховатость), мм2/мм3 (отношение общей поверхности к объему); вытянутость, д.ед. (L/B); неровность края/шероховатость, д.ед. (Р/Рс); закрытая пористость, % (доля области полностью замкнутого пространства); эффективная пористость, % (доля области не полностью замкнутого пространства); общая пористость, д.ед. (сумма закрытой и эффективной пористости).
Химический состав руд определен методом энергодисперсионного рентгенфлуоресцентного анализа, содержания ЭПГ (элементов платиновой группы: платины и палладия) оценивались масс-спектрометрическим методом с индуктивно связанной плазмой с помощью масс-спектрометра «ELAN DRC» фирмы «Perkin Elmer» в центральной химической лаборатории «ГМК «Норильский никель». Лабораторные испытания проводились на обогатительных установках Санкт-Петербургского горного университета и Фрайбергской горной академии, методика подробно описана в работе [38]. Все полученные данные обрабатывались в программе Statistica (STATISTICA 10.0, StatSoft, Tulsa, OK, USA).
Результаты и обсуждение. Морфометрические параметры рудных минералов в рудах норильского типа Талнахского интрузивного комплекса, рассчитанные с помощью обработки оптико-микроскопических изображений в программе Thixomet Pro и анализа данных компьютерной рентгеновской микротомографии, представлены в табл. 1.
Из сравнительного анализа морфометрических данных табл.1 следует, что наиболее близко различными методами исследования определяются такие параметры как вытянутость, неровность края, в то время как результаты определения площади и периметра рудных минералов диагностированы неоднозначно. Так, для интерпретации данных в программе Thixomet Pro одним из главных ограничений является корректный захват данных, а именно сложность автоматизированного выделения отдельных зерен в составе полифазных сульфидных агрегатов, программа может выделить агрегаты и сростки зерен как единое зерно и рассчитать его общие морфометрические параметры. Аналогичная проблема может возникнуть и при обработке и интерпретации микротомографических данных, томограф максимально эффективно отличает рудные минералы с высокой рентгеновской плотностью (самородные элементы, сульфиды и оксиды металлов) от силикатной (оливины, пироксены, амфиболы, полевые шпаты, кварц и т.д.) или карбонатной матрицы, но плохо различает зерна минералов с близкой рентгеновской плотностью, например, сульфиды между собой, целиком выделяя агрегаты сульфидных зерен. Тем не менее, при сравнении результатов, полученных различными методами, можно отметить высокую сходимость и взаимодополняемость.
Таблица 1
Сравнение морфометрических параметров рудных минералов
Параметр Оптико-микроскопический метод Thixomet Pro Компьютерная рентгеновская микротомография
1 2 1 2
Образцы/Измерения 21/6305 23/11100 21/21 23/23
Площадь, мм2 0,18±0,08 0,06±0,03 0,28±0,23 0,10±0,06
Периметр, мм 3,93±0,06 0,25±0,10 7,05±0,15 0,48±0,04
Фактор формы / Сферичность, д.ед. 0,19±0,07 0,18±0,05 0,23±0,10 0,25±0,05
Сплошность, д.ед. 0,58±0,11 0,59±0,10 н.о. н.о.
Вытянутость, д.ед. 33,2±5,7 33,7±8,1 28,2 32,1
Неровность края / Шероховатость, д.ед. 1,96±0,25 2,1±0,51 3,61±0,58 2,3±0,08
Среднее расстояние между центрами зерен, мкм 460,87 157,4 н.о. н.о.
Закрытая пористость, % н.о. н.о. 0,61 0,82
Эффективная пористость, % н.о. н.о. 0,28 1,18
Общая пористость, % н.о. н.о. 0,89 2,0
Сферичность пор, д.ед. н.о. н.о. 0,82 0,70
Примечания. Приведены средние значения ± доверительный интервал при 95 % вероятности; 1 - вкрапленные медно-никелевые руды центральных флангов Хараелахского интрузива; 2 - богатые медистые руды западных флангов Хараелахского интрузива.
Рудные минералы вкрапленных медно-никелевых руд образуют отдельные довольно крупные гнездовидные скопления в биотитсодержащих метасоматически измененных габбро-долеритах (рис.2). Все зерна в них вытянуты в горизонтальной плоскости, имеют неправильную форму, извилистые контуры зерен границы и большое расстояние между зернами и агрегатами зерен. В мелкозернистых базальтах рудные минералы образуют вкрапленность с минимальным размером рудных зерен и максимальной вытянутостью. Зерна имеют неровные извилистые границы и расположены далеко друг от друга (табл.1).
Рудные минералы богатых медистых руд центральных флангов Хараелахского интрузива образуют тонкозернистую каплевидную сульфидную вкрапленность во вмещающих породах (рис.3). Количественные характеристики рудных минералов варьируют в меньшей мере в трех плоскостях по площади и периметру зерен (табл. 1). При сравнении с вкрапленными рудами в первую очередь обращают на себя внимание гранулометрические различия рудных минералов: все зерна существенно меньше по размеру, имеют более извилистые границы, меньшее расстояние между зернами (агрегатами) и неправильную форму.
При оценке распределения морфологических параметров по типу пород было выявлено, что максимальными размерами рудных минералов в центральной части интрузива характеризуются такситовые габбро-долериты, а в краевых частях интрузива - оливиновое порфировидное такси-товое габбро. Наиболее продуктивными (с повышенными содержаниями ЭП1 ) в центральной
Рис.2. Вкрапленные медно-никелевые руды в габбро-долерите. Фотографии шлифа в проходящем свете, без анализатора (слева), пример автоматического захвата изображений рудных минералов в программе Thixomet Pro (справа)
цт 400 800 1200 1600 цт 400 800 1200 1600
Рис.3. Богатые медистые руды в габбро-долерите. Фотографии шлифа в проходящем свете, без анализатора (слева), пример автоматического захвата изображений рудных минералов в программе Thixomet Pro (справа)
и в краевой частях интрузива являются такситовые габбро-долериты. В них отмечается повышение среднего расстояния между зернами оливина в краевых частях интрузива.
В центральной части Хараелахского интрузива на протяжении всего разреза рудные минералы вкрапленного типа руд имеют довольно изометричные формы во всех трех плоскостях, и только в одном интервале наблюдается резкий разброс параметров (площади, периметра, неровности края зерен, вытянутости) в трех плоскостях, а также увеличение площади и периметра зерен, причем преимущественно в горизонтальной плоскости (шлиф 3). Параметр сферичности в данном интервале, наоборот, уменьшается. Среди пород в данном интервале преобладают такситовые и пикритовые габбро-долериты с частыми автолитами лейкогаббро, не оруденелыми [32]. По данным проведенных химических анализов именно в этом интервале увеличиваются содержания платины и особенно палладия (рис.4).
Содержание, г/т Площадь, мкм2 Периметр, мкм Неровность края, Вытянутость, Фактор формы, Среднее расстояние
д.ед. д.ед. д.ед. между зернами, мкм
ООО ООО ОО __ГГ, ^ о о о о
ООО ООГ-1 о о оо . " оооо
О Г-1 СЛ О Г-1 О 00 О Г-1 ел -io-ioo^^oooooor-i-i^oo
1590 ■ ■ ♦1 ■ * ♦ * ■ • V
■ • ■ ♦ ♦ ■
1610 ■ Ф ■ ■ • ♦ « ■ ■
# • \ • * • Л
1630 * ■ ♦ \ . \
• ■ 4 ■В .г г
• ■ ♦ ■ . ♦ • . « ■ а • ■ . • " ♦
1650 • ■ • ♦ ■ • • ■ ♦ ■
• ■ • * • ■ ♦ • * а • <
1670 1690 • ■ • ■ • ■ • ■ » • ■ ■ ♦ • ■ » ■1 ■ ♦ 1 ■ ■ ■ • ♦ ♦ ■ ♦ ■ •. *__ ■ 4 ♦ • ■.« д я ■ ■ • ■ ♦ • ■ V % ■ ♦ . ■ ♦ • . ♦ ■ •и я
1710 - Pt • Pd * г I f А * • г 1« ♦ 1 •
♦ Шлиф 1 ■ Шлиф 2 Шлиф 3
Рис.4. Распределение количественных параметров рудных минералов в трех плоскостях по глубине скважины в центральной части Хараелахского интрузива. Вкрапленные медно-никелевые руды. Цветом выделена зона с повышенными содержаниями ЭПГ
Содержание, г/т Площадь, мкм2 Периметр, мкм Неровность края, Вытянутость, Фактор формы, Среднее расстояние
д.ед. д.ед. д.ед. между зернами, мкм
о -- 3 0 15000С 30000С 0 3000 7000 10000 О С-1 ^ о о о о а\ ^ —1 Г-" гл ^Т о о" о" о" с о о о о О О О I^-J о — 1-
383,7 ■ • • ■ ♦ • % я» «« ♦ ■ а
■ • ■ ♦ • ■ ♦ ■ • ♦ • ■ • а ♦
397,8 ■ • ф • ♦ ■ ♦ а • •
■ • ■ ф Я ■ ♦ а
400,5 ■ • I ♦ ■ • * ■* ♦ ♦ • ■ «Г.
406,8 412,6 ■ ■ ■ ■ ■ • • • • • ■ ♦ $ и т о Щ» 4 в ■ ♦ а» • ■ * ■ « в» ■ • 1 »«¡¡¡И т т » и • ♦ ♦ • ■ Я*Ш • ♦ ■ • ■ ♦ а •т
427,2 432,1 • » • » • 9 я ♦ аа а* я* » я » * я я • ■ ♦ ■ • «а ♦ ■ в» •в ♦ ■
451,5 458,7 463,5 473,7 ■ • ■ ■ ■ ■ • • ■ • • • • | • * • ■ • ■ • ■ Я ф *" * ш • ■ ♦ • ■ ♦ ♦ • ■ я я > 1 ♦ № ♦ ■ • • ■ ■ • • ■ » я ♦ а • а # в а а • « • а» •а» я ♦ «а • я ♦
479 • ♦ в • ■ ♦ в • а «»а ♦ я
"Pt - Pd В» Я» » *а • в
♦ Шлиф 1 ■ Шлиф Шлиф 3
Рис.5. Распределение количественных параметров рудных минералов в трех плоскостях по глубине скважины в западных флангах Хараелахского интрузива. Богатые медистые руды.
Цветом выделены зоны с повышенными содержаниями ЭПГ
Рудные минералы богатых медистых руд западных флангов Хараелахского интрузива характеризуются в целом меньшим разбросом морфометрических параметров, меньшими размерами рудных зерен и меньшим расстоянием между ними (рис.5). Однако в рудных интервалах очевиден резкий разброс практически всех параметров, за исключением среднего расстояния между центрами рудных зерен с повышенным параметром сферичности, что, вероятно, связано с наличием крупных агрегатов безрудного пирита.
По данным компьютерной рентгеновской томографии и оптико-микроскопического изучения (Thixomet Pro) сферичность рудных минералов находится в обратной зависимости от их площади, что полностью соответствует результатам химических анализов и оптико-микроскопического изучения, которые показывают, что наиболее крупные агрегаты и сростки рудных минералов принадлежат ксеноморфным сложноветвящимся скелетным кристаллам пирита, не несущего, как правило, платиноидно-медно-никелевого оруденения (рис.6). Также стоит отметить, что крупные рудные зерна (или «слипшиеся» агрегаты более мелких зерен) согласно рис.6 имеют более сложную морфологию в отличие от мелких, более идиоморфных, индивидов.
В результате микротомографических исследований также были получены 3D изображения образцов, благодаря которым можно наблюдать не только размеры зерен и их агрегатов, но и распределение в общем объеме породы и взаимоотношения друг с другом, что особенно важно для изучения раскрытия сростков при дроблении и измельчении в процессе рудоподготовки (рис.7). Программное обеспечение позволяет моделировать общий объем породы, разделять силикатную матрицу от сульфидной и сульфидную от зерен благородных металлов. Так как при выделении
0,40 0,30
я 0,20 &
о й
0,10
1 2
» ♦
0,20 0,22 0,24 0,26
Сферичность, д.ед.
0,28
Рис.6. Зависимость сферичности рудных минералов от их площади по данным компьютерной рентгеновской микротомографии 1 - вкрапленные руды; 2 - богатые медистые руды
0
« <V> , J »
A J
tk .
fSf: > J л V)
g? Ц \ ? Î
- I tWf t
• » •«.Vt.
• X- -V
Рис.7. 3D-визуализация рентген-томографического изображения вкрапленных медно-никелевых руд (слева), распределения сульфидов в объеме породы (центр) и зерен минералов платиновой группы (справа)
5 мм
рентгеноконтрастных фаз поры легко отличимы от минералов, методом рентгеновской компьютерной томографии также была определена и пористость руд, показывающая прочностные характеристики породы и влияющая на поведение пород при дезинтеграции, поскольку разрушение происходит по наиболее слабым зонам - трещинам, границам срастания отдельных минеральных фаз и т.д. [39, 40]. При анализе характеристик порового пространства образцов было выявлена достаточно низкая пористость, что свидетельствует о высокой прочности самих руд [41, 42].
Полученные результаты сопоставлялись с данными собственных лабораторных исследований физико-механических свойств руд и данными, полученными Т.Н.Александровой с соавторами [38] (табл.2, 3), которые показывают, что медно-никелевые руды относятся к типу твердых руд (как по параметру низкоэнергетического разрушения, так и по комплексному параметру высокоэнергетического разрушения Ab), но при этом являются мягким с точки зрения сопротивления разрушению при ударном дроблении и умеренно абразивными. Необходимо отметить, что богатые медистые руды обладают большей эффективной пористостью (см. табл.1) и при этом являются менее прочными на сжатие и разрыв как в сухих образцах, так и в водонасыщенных (табл. 2), что связано, очевидно, с особенностями внутреннего строения как самих руд (размером, неровностью границ, распределением в пространстве породы), так и структурно-текстурными особенностями вмещающих пород (распространением такситовых текстур и т.д.).
Таблица 2
Физико-механические свойства исследованных вкрапленных и богатых руд
Параметр 1 2
Объемный вес, г/см3 2,93-3,26 2,5-2,96
Прочность на сжатие, кг/см2 990±89 450±58
Прочность на сжатие при водонасыщении, кг/см2 750±76 215±35
Прочность на разрыв, кг/см2 70±9 26±7
Модуль деформации по графиками статических испытаний, кг/см3 500403 430-103
Скорость продольных волн, м/с 6200 4600
Коэффициент Пуассона 0,27 0,23
Коэффициент анизотропии, ед. 1,0 0,9-1,1
Динамический модуль Юнга
Для воздушно-сухих образцов, кг/см3 н.о. 26±7
Для водонасыщенных образцов, кг/см3 н.о. 26±7
Примечания. Модуль Юнга определен на основании измеренных значений скоростей и объемного веса; 1, 2 - см. примечания к табл. 1.
Таблица 3
Физико-механические свойства сульфидных медно-никелевых руд по данным [38]
Параметр Сульфидные медно-никелевые руды
Испытания падающим грузом JK DropWeight
Параметр А 99,90±4,95
Параметр b 0,30±0,0015
Ab 30,00±0,64
Абразивный параметр ta 0,30±0,06
Параметр SCSE, кВтч/т 11,90±0,21
Определение индекса Бонда
Рабочий индекс измельчения в шаровой мельнице, кВтч/т 11,96±0,54
Рабочий индекс дробления, кВтч/т 21,82±1,09
Тест на абразивный износ Allis Chalmers
Индекс абразивности Al, г 0,1653±0,008
Насыпная плотность (с утрамбовкой), т/м3 2,01±0,09
Полученные данные согласуются и с результатами лабораторных испытаний [38, 43]. Так, при дроблении указанных руд в различных типах дробилок (щековых, валковых и роторных) было выявлено, что основные рудные компоненты (преимущественно медь и никель) концентрируются и в мелких классах сит с одновременным увеличением содержания кремнезема и кальция в крупных ситах (табл.4). Все эти исследования позволяют обосновать возможность селективной дезинтеграции для медно-никелевых руд различных типов как с точки зрения минералогических и технических характеристик, так и с точки зрения экспериментальных исследований с использованием различных типов дробильных установок.
Таблица 4
Распределение меди, никеля, кремния и кальция в классах крупности в различных типах дробилок [38]
Класс крупности, мм Щековая дробилка Валковая дробилка Роторная дробилка Щековая дробилка Валковая дробилка Роторная дробилка
Медь, % Никель, %
-4+3,2 43,42 25,28 31,64 59,47 24,91 34,49
-3,2+1,6 13,69 24,98 14,05 11,06 27,70 13,34
-1,6+0,8 10,57 11,75 13,11 9,62 12,06 16,02
-0,8+0,4 8,77 9,11 9,63 5,13 10,01 10,35
-0,4+0,2 6,50 8,50 11,55 4,43 7,28 9,62
-0,2+0,1 7,06 7,08 11,32 3,49 6,06 9,43
-0,1+0 8,99 13,28 8,70 6,80 11,98 6,75
Кремний, % Кальций, %
-4+3,2 71,86 37,53 61,54 71,06 34,94 67,70
-3,2+1,6 11,66 33,29 13,01 12,03 35,71 10,98
-1,6+0,8 6,90 13,10 9,13 7,20 13,91 8,00
-0,8+0,4 3,35 6,09 5,36 3,33 6,30 4,34
-0,4+0,2 2,48 4,19 4,68 2,56 4,19 3,96
-0,2+0,1 1,66 3,08 3,83 1,70 3,12 3,10
-0,1+0 2,09 2,72 2,45 2,12 1,83 1,92
Выводы. В результате проведенных оптико-микроскопических и рентген-микротомографических исследований были идентифицированы количественные характеристики морфологических параметров типичных образцов вкрапленных и богатых медистых руд норильского типа в пределах Октябрьского месторождения Норильского рудного района. Среди количественных параметров, измеренных с помощью программного обеспечения Thixomet Pro, наиболее информативными для вкрапленных руд оказались площадь зерен, периметр, неровность края, сферичность, вытянутость и среднее расстояние между зернами, а для богатых медистых руд площадь зерен, периметр, неровность края и вытянутость зерен.
В результате проведенных исследований было выявлено, что интрузии норильского типа характеризуются увеличением собственно значений и дисперсности в рудных зонах таких параметров, как площадь и периметр зерен, а также среднее расстояние между ними. Данная закономерность прослеживается как для вкрапленных, так и для богатых медистых руд. Таким образом, по совокупности максимумов и сильной изменчивости морфологических параметров в трех плоскостях можно прогнозировать рудные интервалы. Однако при выделении рудных зон необходимо обращать особое внимание на появление в интервалах лейкогаббро, так как эти породы имеют крупные сульфидные обособления (преимущественно пирита), оказываются зачастую нерудоносными и могут нарушать выявленные закономерности.
Отмечено, что в рудных зонах площадь рудных минералов возрастает минимум в 2-3 раза, что особенно важно для краевых флангов Хараелахского интрузива, где рудные минералы имеют размеры на порядок меньше аналогичных дифференциатов в центральной части и диагностируются оптическими методами с трудом.
Количественный анализ рудных минералов в программе Thixomet PRO и с помощью компьютерного рентгеновского томографа осуществляется довольно быстро, в связи с чем их легко можно применять в качестве предварительных экспресс-методов изучения вещества. Также методом компьютерной рентгеновской микротомографии проведена 3D-визуализация внутреннего строения образцов с сульфидной минерализацией, благодаря которому можно наблюдать не только количественные параметры зерен и их агрегатов, но и их распределение в общем объеме породы и взаимоотношения друг с другом. Стоит отметить и несомненное преимущество метода компьютерной томографии, заключающееся в возможности получения не только количественных характеристик минеральных фаз, но и порового пространства породы, влияющего на прочностные характеристики горных пород и руд.
В заключение стоит отметить, что возможность получения статистических параметров разброса значений различных морфометрических характеристик, их пространственного распределения является несомненным преимуществом обоих использованных методов, так как на основе большого объема полученных данных с помощью математико-статистического моделирования (корреляционный, факторный анализы и т.д.) возможно в дальнейшем прогнозировать зависимости между полученными морфометрическими параметрами руд и свойствами продуктов обогащения или характеристиками системы, такими как износ или потребление энергии, что позволит вплотную подойти к решению вопросов селективной дезинтеграции норильских руд.
ЛИТЕРАТУРА
1. Litvinenko V.S. Digital Economy as a Factor in the Technological Development of the Mineral Sector // Natural Resources Research. 2020. Vol. 29. P. 1521-1541. DOI: 10.1007/s11053-019-09568-4
2. Matveeva V.A., Alekseenko A. V., Karthe D., Puzanov A. V. Manganese Pollution in Mining-Influenced Rivers and Lakes: Current State and Forecast under Climate Change in the Russian Arctic // Water. 2022. Vol. 14. Iss. 7. № 1091. DOI: 10.3390/w14071091
3. Пронин Е.М., ВасильевВ.Е., Цветков В.Ю. Факторы, определяющие устойчивое развитие предприятий минерально-сырьевого комплекса и их влияние на оценку результатов деятельности предприятий // Записки Горного института. 2011. Т. 191.С. 176-182.
4. Makhovikov A.B., Katuntsov E.V., Kosarev O.V., Tsvetkov P.S. Digital transformation in oil and gas extraction: Challenges and prospects. In Innovation-based development of the mineral resources sector. London: CRC Press, 2019. 614 p.
5. Alekseenko V.A., Shvydkaya N. V., Alekseenko A. V. et al. Element Accumulation Patterns of Native Plant Species under the Natural Geochemical Stress // Plants. 2021. Vol. 10. Iss. 1. № 33. DOI: 10.3390/plants10010033
6. Воронцова Н.И., Таловина И.В., Лазаренков В.Г. и др. Изотопное соотношение 87Sr / 86Sr в породах и рудах Сахарин-ского и Уфалейского гипергенных никелевых месторождений, Урал // Записки Горного института. 2013. Т. 200. С. 179-185.
7. Ilalova R.K., Gulbin Y.L. Thermometry of Nickel Bearing Chlorites from the Kolskii Massif (Northern Urals) // Geology Ore Deposits. 2019. Vol. 61. P. 736-746. DOI: 10.1134/S107570151908004X
8. Hesse M., Popov O., Lieberwirth H. Increasing efficiency by selective comminution // Minerals Engineering. 2017. Vol. 103-104. P. 112-126. DOI: 10.1016/j.mineng.2016.09.003
9. Арсентьев В.А., Герасимов А.М., Дмитриев С.В., Самуков А.Д. Исследование изменения физико-механических свойств каменного угля в процессе термического модифицирования // Обогащение руд. 2016. № 3. С. 3-8. DOI: 10.17580/or.2016.03.01
10. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е. Изменение структуры горных пород при цикличном замораживании и оттаивании // Обогащение руд. 2015. № 2. С. 28-31. DOI: 10.17580/or.2015.02.06
11. Мельникова Т.Н., Ятлукова Н.Г., Литвинова Н.М. К вопросу оптимизации процесса измельчения руд // Обогащение руд. 2006. № 4. С. 5-7.
12. Benndorf J., Buxton M. A Special Issue on Geomathematics for Real-Time Mining // Mathematical Geoscience. 2019. Vol. 51. P. 845-847. DOI: 10.1007/s11004-019-09828-2
13. Popov O., Lieberwirth H., Folgner T. Quantitative Charakterisierung der Festgesteine zur Prognostizierung des Gesteinseinflusses auf relevante Produkteigenschaften und Systemkenngrößen. Teil 1: Anwendung der quantitativen Gefügeanalyse // AT Mineral Processing. 2014. Vol. 55. P. 76-88.
14. Popov O., Lieberwirth H., Folgner T. Quantitative Charakterisierung der Festgesteine zur Prognostizierung des Gesteinseinflusses auf relevante Produkteigenschaften und Systemkenngrößen. Teil 2: Ausgewählte Beispiele // AT Mineral Processing. 2014. Vol. 55. P. 54-63.
15. ИзоиткоВ.М. Технологическая минералогия и оценка руд. СПб: Наука, 1997. 532 c.
16. Raaz V. Charakterisierung der Gesteinsfestigkeit mit Hilfe eines modifizierten Punktlastversuches // Zeitschrift für Geologische Wissenschaften. 2002. Vol. 30. № 3. P. 213-226.
17. Melnik A.E., Skublov S.G., Rubatto D. et al. Garnet and zircon geochronology of the Paleoproterozoic Kuru-Vaara eclogites, northern Belomorian Province, Fennoscandian Shield // Precambrian Research. 2021. Vol. 353. № 106014. DOI: 10.1016/j.prec amre s.2020.106014
18. Klichowicz M., Frühwirt T., Lieberwirth H. New experimental setup for the validation of DEM simulation of brittle crack propagation at grain size level // Minerals Engineering. 2018. Vol. 128. P. 312-323. DOI: 10.1016/j.mineng.2018.08.033
19. Александрова Т.Н., Николаева Н.В., Львов В.В., Ромашев А.О. Повышение эффективности переработки руд благородных металлов на основе моделирования технологических процессов // Обогащение руд. 2019. № 2. С. 8-13. DOI: 10.17580/or.2019.02.02
20. ВайсбергЛ.А., КаменеваЕ.Е., ПименовЮ.Г., СоколовД.И. Исследование структуры порового пространства гранито-гнейса методом рентгеновской томографии // Обогащение руд. 2013. № 3. С. 37-40.
21. Popov O., Talovina I., Lieberwirth H., Duryagina A. Quantitative microstructural analysis and x-ray computed tomography of ores and rocks - Comparison of results // Minerals. 2020. Vol. 10. Iss. 2. № 129. DOI: 10.3390/min10020129
22. Duryagina A., Heide G., Talovina I., Bravo A. Mineralogical and morphometric aspects of the rock analysis as the basis for choosing a scheme for ore preparation // VIII International Scientific Conference «Problems of Complex Development of Georesources», 8-10 September 2020, Khabarovsk, Russian Federation. E3S Web of Conferences, 2020. Vol. 192. № 02023. DOI: 10.1051/e3 sconf/202019202023
23. Duryagina A.M., Talovina I., Shtyrlyaeva A., Popov O. Application of Computer X-Ray Microtomography for Study of Technological Properties of Rocks // Key Engineering Materials. 2018. Vol. 769. P. 220-226. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.769.220
24. Штырляева А.А., Журавлев А.В., Герасимова А.И. Перспективы и проблемы использования компьютерной микротомографии для изучения образцов керна // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2016. Т. 11. № 1. 12 c. DOI: 10.17353/2070-5379/8_2016
25. Генкин А.Д., Дистлер В.В., Гладышев Г.Д. Сульфидные медно-никелевые руды Норильских месторождений. М.: Наука, 1981. 234 с.
26. Дистлер В.В. Платиновая минерализация Норильских месторождений // Геология и генезис месторождений платиновых металлов. М.: Наука, 1994. С. 7-35.
27. Eckstrand O.R., Hulbert L.J. Magmatic Nickel-copper-platinum Group Elements Deposits // Mineral deposits of canada: a synthesis of major deposit types, district metallogeny, the evolution of geological provinces, and exploration methods: geological association of Canada, mineral deposits division, Special Publication. Ottawa, Ontario: Geological Survey of Canada, 2007. Vol. 5. P. 205-222.
28. NaldrettA.J. Magmatic Sulfide Deposits: Geology, Geochemistry and Exploration. Berlin/Heidelberg: Springer Science & Business Media, 2013. 728 р. DOI: 10.1007/978-3-662-08444-1
29. Sittner J., Brovchenko V., Siddique A. et al. Three-Dimensional Distribution of Platinum Group Minerals in Natural MSS-ISS Ores From the Norilsk One Deposit, Russia // Frontiers in Earth Science. 2022. Vol. 10. № 860751. DOI: 10.3389/feart.2022.860751
30. Tolstykh N., Krivolutskaya N., Safonova I. et al. Unique Cu-rich sulphide ores of the Southern-2 orebody in the Talnakh Intrusion, Noril'sk area (Russia): Geochemistry, mineralogy and conditions of crystallization // Ore Geology Reviews. 2020. Vol. 122. № 103525. DOI: 10.1016/j.oregeorev.2020.103525
31. Chayka I., Zhitova L., Antsiferova T. et al. In-Situ Crystallization and Continuous Modification of Chromian Spinel in the «Sulfide-Poor Platinum-Group Metal Ores» of the Norilsk-1 Intrusion (Northern Siberia, Russia) // Minerals. 2020. Vol. 10. № 498. DOI: 10.3390/min10060498
32. Радько В.А. Фации интрузивного и эффузивного магматизма Норильского района. СПб: Картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 2016. 226 с.
33. Barnes S.J., Le VaillantM., GodelB., Lesher C.M. Droplets and Bubbles: Solidification of Sulphide-rich Vapour-saturated Orthocumulates in the Norilsk-Talnakh Ni-Cu-PGE Ore-bearing Intrusions // Journal of Petrology. 2019. Vol. 60. Iss. 2. P. 269-300. DOI: 10.1093/petrology/egy114
34. Barnes S.J., Mungall J.E., Le VaillantM. et al. Sulfide-silicate textures in magmatic Ni-Cu-PGE sulfide ore deposits: Disseminated and net-textured ores // American Mineralogist. 2017. Vol. 102. № 3. P. 473-506. DOI: 10.2138/am-2017-5754
35. Kazakov A.A., Kiselev D. Industrial Application of Thixomet Image Analyzer for Quantitative Description of Steel and Alloys // Metallography, Microstructure, and Analisis. 2016. Vol. 5. Iss. 4. P. 294-301. DOI: 10.1007/s13632-016-0289-6
36. Evans C.L. Quantifying mineral grain size distributions for process modelling using X-ray micro-tomography // Minerals Engineering. 2015. Vol. 82. P. 78-83. DOI: 10.1016/j.mineng.2015.03.026
37. Willson C. W., Lu N., Likos W.J. Quantification of grain, pore and fluid microstructure of unsaturated sand from X-Ray CT images // Geotechnical Testing Journal. 2012. Vol. 35. № 6. № PA 19428-2959. DOI: 10.1520/GTJ20120075
38. Aleksandrova T., Nikolaeva N., Afanasova A. et al. Selective disintegration justification based on the mineralogical and technological features of the polymetallic ores // Minerals. 2021. Vol. 11. Iss. 8. № 851. DOI: 10.3390/min11080851
39. Александрова Т.Н., O 'Коннор С. Переработка платинометалльных руд в России и Южной Африке: состояние и перспективы // Записки Горного института. 2020. Т. 244. С. 462-473. DOI: 10.31897/PMI.2020.4.9
40. Gupta A., Yan D.S. Mineral Processing Design and Operations: An Introduction. Amsterdam: Elsevier, 2016. 882 p. DOI: 10.1016/C2014-0-01236-1
41. Золотухина Л.В., Носова О.В., Нарбекова Т.Н. Поведение благородных металлов при обогащении норильских руд // Научный вестник Норильского индустриального института. 2014. Т. 14. С. 42-52.
42. Литвинова Н.М., Мельникова Т.Н., Ятлукова Н.Г., Данилов Е.И. Интенсификация процесса измельчения труднообо-гатимой золотосодержащей руды Албазинского месторождения // Горный журнал. 2006. № 11. С. 63-64.
43. Александрова Т.Н., Кузнецов В.В., Иванов Е.А Исследование влияния ионов жесткости воды на флотируемость медно-нике-левых руд // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022. № 6-1. С. 263278. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_0_263
Авторы: А.М.Дурягина, канд. геол.-минерал. наук, доцент, duryagina_am@pers.spmi.ru, https://orcid.org/0000-0002-9417-7549 (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия), И.В.Таловина, д-р геол.-минерал. наук, заведующий кафедрой, https://orcid.org/0000-0003-4132-7010 (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия), Х.Либервирт, д-р наук, директор Института обогащения, https://orcid.org/0000-0002-5207-4138 (Фрайбергская горная академия, Фрайберг, Германия), Р.К.Илалова, канд. геол.-минерал. наук, доцент, https://orcid.org/0000-0003-2241-3239 (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия).
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
