CC BY
98
УДК 622.02
Павлишина Дарья Николаевна Darya Pavlishina
Терещенко Сергей Васильевич Sergey Terecshenko
ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТОВ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДКОНЦЕНТРАЦИИ АПАТИТ-НЕФЕЛИНОВЫХ РУД ХИБИНСКОГО МАССИВА
IMPACT OF SURFACE LUMINESCENCE ON THE RESULTS OF PRE-CONCENTRATION OF APATITE-NEPHELINE ORE OF THE KHIBINY MASSIF
Существующая регрессивная тенденция, наблюдающаяся в минерально-сырьевом комплексе, характерна и для Хибинских апатит-нефелиновых месторождений. Она обусловлена как интенсивным освоением недр в течение всего ХХ столетия, особенно в до- и послевоенные годы, когда содержание Р2О5 в добытой руде превышало 20 %, так и ухудшением горно-геологических условий их разработки. В сложившихся условиях становится очевидной необходимость изменить подходы, обеспечивающие рациональное недропользование. В основу модернизации существующей системы переработки апатит-нефелиновых руд Хибинского массива предложено использование методов предварительного обогащения — предконцентрации, основанных на взаимодействии различных видов излучений с веществом горных пород. В статье рассмотрена люминесценция минералов, входящих в состав апатит-нефелиновой руды Хибинского массива, под воздействием на них рентгеновского излучения. Показано, что из всей совокупности этих минералов: апатит, нефелин, содалит, титаномагнетит, сфен и канкритинит люминесценцией обладают лишь апатит, содалит и канкритинит. В жёлто-оранжевой области спектра интенсивной люминесценцией обладает только хибинский апатит, люминесценция других минералов в этой области спектра отсутствует. Поэтому изучение возможности реализации процесса сепарации осуществлялось с использованием наиболее
The existing regressive tendency observed in mineral raw complex is typical for the Khibiny apatite-neph-eline deposits as well. It is caused as by intensive subsoil development during the 20th century, in particular, in pre-and-post-war years, when P205 content in mined ore exceeded 30 %, so by deteriorating mining-geological conditions of the development. Under current conditions the necessity is evident to change the methods of providing efficient subsoil use. The updating of the current apatite-nepheline ore processing system is proposed to realize by using preliminary processing methods — preconcentration — based on interaction of different emissions with rock substance.
The article describes a process of luminescence of minerals composing apatite-nepheline ore of the Khibiny rock massif under X-rays influence. It is shown that among all these minerals: apatite, nepheline, sodalite, titaniferous magnetite, shen and cancrinite, only apatite, nepheline, sodalite and cancrinite possess luminescence. In yellow-orange spectral range, only Khibiny apatite possesses intensive luminescence; luminescence of other minerals in this spectrum range is absent. Therefore potential implementation of separation process was studied by using the most effective X-ray-luminescent method for apatite-nepheline ore, i.e., the method of direct determination of apatite. The results of applying X-ray-luminescent separation have shown a possibility to separate not less than 15 % of waste and low-mineralized rocks. The
эффективного для апатит-нефелиновых руд рентге-нолюминесцентного метода — метода прямого определения апатита. Результаты применения рентгено-люминесцентной сепарации показали возможность выделения не менее чем 15 % пустых и слабоминерализованных пород. Изменение вещественного состава — повышение качества рудопотока позволяет не только обеспечить обогатительную фабрику качественным сырьем, а также уменьшить количество тонкоизмельченных хвостов обогащения — снизив тем самым негативное воздействие предприятия на окружающую среду
change of material composition — increase of ore pass quality - allows providing a processing plant with high quality raw material and reducing quantity of finegrained processing tailings, thus, decreasing negative environmental impact of the enterprise
Ключевые слова: люминесценция минералов, рентгенолюминесцентная сепарация, предкон-центрация
Key words: luminescence of minerals, X-ray luminescent separation, pre-concentration
Апатит-нефелиновые руды Хибинского массива продолжают оставаться уникальным по качеству и запасам источником фосфатных удобрений и характеризуются специфическими особенностями геологического строения апатитовых залежей [16]. Современное состояние минерально-сырьевой базы Хибин характеризуется истощением запасов с высоким качеством полезных ископаемых. Динамика изменения бортового и среднего содержания Р2О5 [5-14] на ОАО «Апатит» с момента эксплуатации месторождений по настоящее время (рис. 1) свидетельствует о том, что в начале разработки добытая руда с содержанием пятиокиси фосфора на уровне 12...13 % считалась некондиционной и направлялась в отвал. В настоящее время руда с таким содержанием считается кондиционной и подается для переработки на обогатительную фабрику. Такое снижение качества связано с неизбежным увеличением степени разубоживания полезных ископаемых вмещающими породами. Поэтому в процессы переработки вовлекается на 20.25 % больше горной массы, снижая, тем самым, ее экономические показатели и увеличивая ущерб окружающей среде: повышение объемов переработки повлечет за собой увеличение количества отходов, и соответственно отчуждения новых территорий для их складирования, для хвостохранилищ — повышение высоты пляжа (пылящей поверх-
ности) хвостохранилища повлечет увеличение концентрации загрязнения атмосферы и соответственно увеличение радиуса его воздействия [15-16].
Сократить количество вмещающих пород в технологическом потоке можно применяя операцию предконцентрации рудной массы путем удаления пустых пород перед процессами обогащения с использованием радиометрических методов, основанных на взаимодействии различных видов излучения с горными породами.
Исследование основных рудных минералов апатитовых руд Хибин таких, как апатит, нефелин, содалит, титаномагнетит, сфен и канкритинит показали, что из всей совокупности этих минералов люминесценцией обладают лишь апатит, содалит и кан-критинит [17]. Причем интенсивность ее проявления зависит от энергии излучения, возбуждающего люминесценцию минералов. Установлено, что с увеличением энергии от 5 до 10 и 25 кэВ интегральная интенсивность люминесценции с поверхности апатита растет и одновременно с этим изменяется вклад в общий световой поток излучения разных спектральных участков (рис. 2, а). Это свидетельствует о том, что по мере увеличения энергии возбуждающего люминесценцию излучения растет интенсивность свечения, обусловленная присутствием в решетке апатита ионов Мп2+ (спектральная область 500...700 нм),
а интенсивность люминесценции, обусловленная ионами редких земель (спектральная область 300...450 нм), заметно снижается. При этом интенсивность люминесценции содалита тоже снижается (рис. 2, б), а свечение канкринита исче-
зает полностью (рис. 2, в). Поэтому, облучая поверхность минералов рентгеновским излучением с энергией не менее 25 кэВ, можно создать условия, при которых интенсивное свечение возникает только у минералов апатита.
Рис. 1. Изменение уровня содержаний Р2О5 в добываемых рудах Хибинского массива
а)
б)
в)
Рис. 2. Спектры люминесценции минералов апатита (а), канкринита (б) и содалита (в) при фотовозбуждении (кривая 1) и рентгеновском возбуждении различной
энергии (кривые 2 и 3) [18]
Это обстоятельство позволило использовать для возбуждения люминесценции апатита рентгеновское излучение и применить в качестве признака разделения добытой рудной массы крупностью до 200 мм на руду и пустую породу амплитудно-интегральный признак [18]. Кроме того, изучение изменения люминесценции на исследуемых кусках показало, что оптимальное соответствие интенсивности люминесценции содержанию полезного компонента Р2О5 в них (0,91 усл. ед.) достигается при реализации алгоритма возбуждения и регистрации светового потока люминесценции с двух противоположных сторон. Уве-
личение количества анализируемых сторон поверхности кусков увеличивает такое соответствие не более чем на 3 % (0,93 усл. ед.).
Результаты лабораторных испытаний [17] с использованием этого признака при предконцентрации апатит-нефелиновых руд месторождений Ньоркпахк, Коашва, Кукисвумчорр, Партамчорр и Эвеслогчорр Хибинского массива доказали целесообразность включения рентгенолюминесцентной сепарации в технологическую схему переработки руд непосредственно после их добычи (табл. 1).
Таблица 1
Эффект применения рентгенолюминесцентной сепарации на апатит-нефелиновых
месторождениях Хибинского массива
Месторождения Результаты рентгенолюминесцентной сепарации
Содержание Р2О5 в исходной руде Порог разделения 2 % Р2О5 Порог разделения 3 % Р2О5
Содержание Р2О5 в обогащенной руде Выход крупнокусковых хвостов Содержание Р2О5 в обога- щ2ен5ной руде Выход крупнокусковых хвостов
Коашва 16,61 20,18 18,59 21,22 23,09
8,55 13,89 40,8 — —
Ньоркпахк 10,17 12,97 23,04 13,52 27,27
9,53 18,76 51,5 — —
Кукисвумчорр 12,02 14,65 18,96 15,49 24,10
Партамчорр 5,54 9,21 49,7 10,57 57,0
Эвеслогчорр 8,99 12,28 30,9 - —
Проведенными исследованиями показана возможность выделения не менее 15 % пустых пород, присутствующих как в контурах рудных тел, в соответствии с утвержденными кондициями, так и добавляемые при добыче за счет прихвата подстилающих и покрывающих пород. В
Литература-
1. Иванов Т.Н. Апатитовые месторождения Хибинских тундр. М.: Госгеологтехиздат 1963. 187с.
2. Калинкин М.М. Новые данные о глубинном строении продуктивного комплекса ийолит-уртитов в Хибинском массиве // Геология рудных месторождений 1976. Т. 18. № 5. С. 15-25.
3. Каменев Е.А. Геология и структура Ко-ашвинского апатитового месторождения. Л.: Недра, 1975. 128 с.
4. Онохин Ф.М. Особенности структуры Хибинского массива и апатит-нефелиновых месторождений. Л.: Наука, 1975. 106 с.
5. Новые Хибинские апатитовые месторождения / Под ред. Е.А. Каменева, Д.А. Минеева. М.: Недра, 1982. 182 с.
6. Каменев Е.А. Поиски, разведка и геолого-промышленная оценка апатитовых месторождений Хибинского типа. Л.: Недра, 1987. 188 с.
7. Звонарь А.Ю. Основные пути по улучшению использования недр при разработке рудных месторождений / Горнодобывающая промышленность Баренцева Евро-Арктического региона: взгляд в будущее // Сборник докладов по итогам II Междунар. конф. горнопромышленного комплекса «Горнодобывающая промышленность Баренцева Евро-Арктического региона: взгляд в будущее» — «Государство и горная промышленность. региональная практика и новые тенденции», Кировск. Мурманск: Северная ТПП, 2013. С. 36-42.
8. Коробов Б.Л., Томчук Н.П. Минерально-сырьевая база ОАО «Апатит» // Горный журнал. 1999. № 9. С. 19-22.
9. Брыляков Ю.Е., Гершенкоп А.Ш., Лыгач В.Н. Прошлое, настоящее и основные направления развития технологии обогащения апатит-нефелиновых руд Хибин // Горный журнал. 2009. № 9. С. 32-36.
10. Белоусов В.В. Оптимальные показатели извлечения запасов апатит-нефелиновых руд — Основа рационального недропользования в ОАО «Апатит» // Горный журнал. 2009. № 9. С. 58-61.
11. Ломоносов Г.Г. Формирование качества руды при открытой добыче. М.: Недра, 1975. 224с.
результате происходит формирование ру-допотока, поступающего на обогатительную фабрику повышенного и стабильного качества. Обогащение такой руды позволило добиться снижения до 30 % количества тонкоизмельченных хвостов, уменьшая при этом негативную экологическую нагрузку.
_References
1. Ivanov T.N. Apatitovye mestorozhdeniya Hib-inskih tundr [Apatite deposits of Khibiny tundra]. Moscow: Gosgeologtehizdat, 1963. 187 p.
2. Kalinkin M.M. Geologiya rudnyh mestorozh-deniy (Geology of ore deposits), 1976, vol. 18, no. 5, pp. 15-25.
3. Kamenev E.A. Geologiya i struktura Koash-vinskogo apatitovogo mestorozhdeniya [Geology and structure of Koashvinsky apatite deposit]. Leningrad: Nedra, 1975. 128 p.
4. Onohin F.M. Osobennosti struktury Hibin-skogo massiva i apatit-nefelinovyh mestorozhdenyj [Features of the Khibiny massif structure and apatite-nepheline deposits]. Leningrad: Science, 1975. 106 p.
5. Novye Hibinskie apatitovye mestorozhdenya [New Khibiny apatite deposits]. Moscow: Nedra, 1982. 182 p.
6. Kamenev E.A. Poiski, razvedka i geologo-promyshlennaya otsenka apatitovyh mestorozhdeniy Hibinskogo tipa [Prospecting, exploration and geological-commercial evaluation of the Khibiny apatite deposits type]. Leningrad: Nedra, 1987. 188 p.
7. Zvonar A.Yu. Gornodobyvayushhyja pro-myshlennost Barentseva Evro-Arkticheskogo regiona: vzglyad v budushhee (Mining industry of the Barents Euro-Arctic Region: Glance into the future): Collection of reports on the results of the II International. conf. mining complex «The mining industry in the Barents Euro-Arctic Region: A glance into the future» — «State and mining. Regional practice and new trends», Kirov. Murmansk: North Chamber of Commerce, 2013. Pp. 36-42.
8. Korobov B.L., Tomchuk N.P. Gorny zhurnal (Mining Journal), 1999, no. 9, pp. 19-22.
9. Brylyakov Yu.E., Gershenkop A.S., Lygach V.N. Gorny zhurnal (Mining Journal), 2009, no. 9, pp. 32-36.
10. Belousov V.V. Gorny zhurnal (Mining Journal), 2009, no. 9, pp. 58-61.
11. Lomonosov G.G. Formirovanie kachestva rudy pri otkrytoy dobyche [Formation of ore quality at open pit]. Moscow: Nedra, 1975. 224 p.
12. Голованов Г.А. Флотация Кольских апатит содержащих руд. М.: Химия, 1976. 216 с.
13. Голованов Г.А., Шифрин С.М., Мырза-хметов М.М., Кайтмазов В.А. Бессточная технология обогащения фосфатного сырья. М.: Химия, 1984. 134 с.
14. Обогащение апатито-нефелиновых руд Хибинского массива / Под ред. Г.А. Голованова. Мурманск: Мурманское кн. изд-во, 1967. 155с.
15. Амосов П., Бакланов А., Ригина О. Численное моделирование процессов пыления хвос-тохранилищ. Германия: LAP LAMBERT, 2014. 116 с.
16. Маслобоев В.А., Бакланов А.А., Мазухина С.И., Ригина О.Ю., Амосов П.В. Численное моделирование процессов пыления хвостохранилища АНОФ-2 // Вестник Мурманского государственного технического университета. 2014. Т. 17. № 2. С. 376-384.
17. Терещенко С.В. Основные положения теории люминесцентной сепарации минерального сырья. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 145 с.
18. Терещенко С.В., Денисов Г.А., Марчевс-кая В.В. Радиометрические методы опробования и сепарации минерального сырья. СПб.: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), 2005. 264 с.
12. Golovanov G.A. Flotatsiya Kolskih apatit soderzhashhih rud [Flotation of Kola apatite-containing ores]. Moscow: Chemistry, 1976. 216 p.
13. Golovanov G.A., Shifrin S.M., Myrzahme-tov M.M., Kaitmazov V.A. Besstochnaya tehnologiya obogashheniya fosfatnogo syriya [Drainless enrichment technology of phosphate raw materials]. Moscow: Chemistry, 1984. 134 p.
14. Obogashhenie apatito-nefelinovyh rud Hib-inskogo massiva [The enrichment of apatite-nepheline ore of Khibiny massif]. Murmansk: Murmansk book. Publishing House, 1967. 155 p.
15. Amoz P., Baklanov A., Rigina O. Chislennoe modelirovanie protsessov pyleniya hvostohranilishh [Numerical simulation of dusting tailings]. Germany: LAP LAMBERT, 2014. 116 p.
16. Masloboev V.A., Baklanov A.A., Mazukhina S.I., Rigina O.Yu., Amosov P.V. Vestnik Murmansk-ogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta (Bulletin of Murmansk State Technical University), 2014, vol. 17, no. 2, pp. 376-384.
17. Tereshchenko S. Osnovnye polozheniya teorii lyuminestsentnoy separatsii mineralnogo syriya [The main provisions of the separation theory of fluorescent minerals]. Apatity: KSC RAS, 2002. 145 p.
18. Tereshchenko S. Denisov G.A., Marchevs-kaya V.V. Radiometricheskie metody oprobovaniya i separatsii mineralnogo syriya [Radiometric methods of sampling and separation of minerals]. St.-Peters-burg: International Academy of Ecology, Man and Nature (MANEB), 2005. 264 p.
Коротко об авторах_
Павлишина Д.Н., инженер, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Россия Shibaeva_goi@mail. ги
Научные интересы: люминесценция минералов, рентгенолюминесцентная сепарация
_Briefly about the authors
D. Pavlishinа, engineer, Mining Institute, Kola Scientific Center, Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia
Scientific interests: luminescence of minerals, X-ray-luminescent separation
Терещенко С.В., д-р техн. наук, зав. лабораторией, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, декан горного факультета, Кольский филиал Петрозаводского государственного университета, г. Апатиты, Россия tereshchenko@goi. kolasc. net. ru
Научные интересы: люминесценция минералов, рентгенолюминесцентная сепарация
S. Tereshchenko, doctor of technical sciences, head of the laboratory, Mining Institute, Kola Scientific Center, Russian Academy of Sciences, dean of the Mining faculty, Kola Branch of Petrozavodsk State University, Apatity, Russia
Scientific interests: luminescence of minerals, X-ray-luminescent separation
