Загальні відомості та завдання технологічної мінералогії

Мінералогія як фундаментальна наука природознавства відіграє провідну роль.у розробці наукових основ, що сприяють розширенню і раціональному використанню мінерально-сировинних ресурсів. Це зумовило розвиток на стику мінералогії, технології й економіки мінеральної сировини нового наукового напряму - технологічної мінералогії. Вона об'єднує всі мінералогічні дослідження, пов'язані з вивченням та оцінкою технологічних властивостей мінералів і руд, розробкою раціональних схем їхнього збагачення, що забезпечують найповніше виявлення корисних компонентів і комплексне використання мінеральної сировини.

Технологічна мінералогія, як один із розділів прикладної, особливого значення набуває у формуванні ідеології розшукувачів, розвідників, рудникових геологів і технологів. З нею пов'язані не лише інтенсифікація всіх видів геологорозвідувальних і гірничоексплуатаційних робіт з приростом запасів, а й вирішення проблем екології шляхом комплексного і раціонального використання корисних копалин. Головне її завдання полягає в тому, щоб навчити геолога-мінералога отримувати, опрацьовувати й розуміти у взаємозв'язку мінералого-генетичну і технологічну інформації про корисні копалини, спираючись на важливі теоретичні дослідження -онтогенію, кристалохімію, фізику мінералів, сучасні методи аналізу речовин, практичні прийоми мінералогічних методів аналізу, принципи технології мінеральної сировини.

Об'єктами технологічної мінералогії треба вважати як види та їхні сукупності - парагенезиси мінералів, так і індивіди мінералів та їхні сукупності - агрегати, а також продукти їхнього дроблення і збагачення. Переважно збагачують руди і гірські породи з тонко- і дрібнозернистою вкрапленістю цінних мінералів, часто з широким діапазоном природної гранулометрії індивідів та агрегатів. Унаслідок дроблення їхнього ефективного розділення досягають на матеріалі розміром 200-50 мкм і дрібніше, що представлений непорушеними природними індивідами й агрегатами, а також продуктами їхнього подрібнення у вигляді вільних частинок та зростків мінералів. Основою сепарування є відмінності у фізичних і хімічних властивостях подрібнених частинок, здатності до утво-

рення тих чи інших сполук у процесі хіміко-металургійної переробки. Цим забезпечують певний градієнт концентрації частинок з різними властивостями й одержання відповідних продуктів збагачення - концентратів і хвостів з доведенням їх операціями збезводнення.

Технологічні властивості мінералів мають двояку природу. З одного боку, вони залежать від взаємозв'язку генезису, конституції і морфології мінералів, з іншого, - від зміни морфології та конституції (тобто природних властивостей) під час рудопідготовки та збагачення. Методологічні основи технологічної мінералогії визначені залежністю технологічних властивостей мінералів від їхньої конституції і генезису, що зумовлює певний ступінь контрастності властивостей виявлених разом мінералів і можливість їхньої зміни під впливом різної дії.

Технологічна мінералогія дає змогу з єдиних позицій простежити весь хід зміни мінеральної речовини літосфери в загальному кругообігу використання корисних копалин у практичній діяльності людини, починаючи від генетичної передісторії мінералу і видобування мінеральної речовини з літосфери через технологію обробки й переробки до нагромадження в літосфері відходів [59].

Мінералогічна інформація покликана забезпечити розробку технологічної схеми збагачення руд і одержання економічно вигідних продуктів, які визначать доцільність розробки родовища. Вона повинна бути розгалуженою, легкодоступною, оскільки за її допомогою оцінюють якість руд, закономірності зміни їх за латераллю і на глибину рудного тіла, а також геолого-мінералогічні чинники, що визначають збагачуваність руд з урахуванням екологічної безпеки їхньої обробки та збагачення, яке особливо важливе з огляду на нагромадження і тривале збереження відходів збагачення.

Інформація технологічної мінералогії дуже важлива для інженера-технолога. Однак вона має свою специфіку.

По-перше, дослідження проводять на рудах і продуктах їхньої переробки у широкому діапазоні гранулометрії - від шматків (шліфи, полі­ровки, штуфи) до тонких фракцій (природний та технологічний спектри), у яких завдяки подвійній природі мінерали часто втрачають низку своїх первинних властивостей (морфології, фізичних властивостей, структури) і набувають нових техногенних характеристик.

По-друге, потрібні глибокі знання й розуміння фізичних та фізико-хімічних властивостей мінералів, сучасних методів їхньої діагностики (мож­ливостей і точності), що допоможе застосувати під час дослідження найбільш раціональний їхній комплекс, а також знання спеціальних

І технологічних властивостей мінералів (гравітаційних, сорбційних, магнітних, І іонообмінних та ін.).

По-третє, застосування онтогенічного підходу до оцінки технологічних І властивостей мінералів і руд на рівні індивід-асоціація (руда)-мінеральний І комплекс (родовище) з виявленням динаміки зміни морфології, анатомії, І конституції та інших властивостей мінералів у процесі рудопідготовки і І різного ступеня збагачення руд.

По-четверте, проведення мінералого-структурного (стереологічного) аналізу руд і продуктів збагачення з метою виявлення особливостей гетерогенності основних рудних та нерудних мінералів, визначення кристалографічних площин розколу мінералів, характеру їхнього зростання й ефективності розкриття у процесі дроблення. Важливими є кількісні зміни текстурних елементів і розмірів зерен мінералів, що визначають характер і ступінь подрібнення руд.

По-п'яте, використання спеціальних мінералогічних підходів для дослідження досить тонких частинок і фракцій часто з попереднім розділенням (гравітація, магнітна сепарація, флотація, вибіркове розчинення тощо) та концентрацією мінералів на підставі контрастності їхніх властивостей з подальшим застосуванням високоінформативних методів аналізу (спектрометрія, рентгенометрія, електронна мікроскопія тощо).

По-шосте, виконання у взаємозв'язку комплексу мінералогічних і технологічних досліджень під час геолого-технологічного картування родовища, визначення геолого-мінералогічних чинників збагачення, організації системи усереднення руд та мінералогічного контролю на збагачувальній фабриці.

По-сьоме, дослідження закономірностей поведінки мінералів у техно­логічній схемі, особливостей зміни їхніх природних властивостей і можливостей спрямованої зміни з метою підвищення контрастності властивостей частинок мінералів, що роз'єднуються.

По-восьме, визначення балансу компонентів корисних копалин у гірничо-технологічному циклі з урахуванням охорони довкілля (повний видобуток мінеральних компонентів і безвідходні технології).

У 1984 р. на науково-технічному симпозіумі, проведеному в рамках 27-го Міжнародного геологічного конгресу, А.І. Гінзбург визначив такі головні завдання технологічної мінералогії:

мінералого-технологічне картування з метою виділення типів і сортів руд, уточнення їхнього просторового розподілу;

визначення головних і супровідних компонентів для комплексного використання сировини та створення безвідходної технології;

з'ясування форми входження корисного компонента та складання балансу його розміщення по мінералах з метою вибору схем переробки сировини і визначення теоретично можливого вилучення у процесі збагачення;

мінералогічні дослідження під час радіометричного сортування руд;

спрямована зміна технологічних властивостей мінералів;

вивчення розкриття зерен корисних мінералів під час дроблення;

мінералогічні дослідження під час розробки схем збагачення;

мінералогічні дослідження під час розробки і вдосконалення гідрометалургійних схем переробки сировини;

мінералогічне вивчення відходів виробництва для розробки безвідходної технології та створення нових матеріалів.

Сучасний розвиток досліджень з технологічної мінералогії пов'язаний з іменем В.І. Ревнивцева, який вважає технологічну мінералогію розділом прикладної мінералогії, що застосовує мінералогічні знання в технології мінеральної сировини на всіх стадіях розвідки, гірничих робіт, рудо-підготовки, збагачення, хіміко-металургійної та інших видів переробки, нагромадження техногенних відходів.

Метою технологічної мінералогії є створення ефективних ресурсо-збережних технологій переробки мінеральної сировини, що будуть забезпечувати її комплексне використання та інтенсифікацію геолого­розвідувальних робіт задля приросту сировинних запасів [59].

Чим вищий рівень мінералогічного вивчення руд родовищ корисних копалин щодо їхнього збагачення, тим досконаліша й ближча технологічна схема до безвідходної технології. Дослідження з технологічної мінералогії руд поряд з вирішенням загальних мінералого-генетичних питань мають низку специфічних завдань, зокрема перенесення мінералогічної інформації на технологію й одержання зворотної інформації для глибшого розуміння природних процесів рудоутворення -- можливих механізмів та етапності нагромадження різних компонентів, уявлень про зміну параметрів середовища мінералоутворення.

Сучасний підхід до розробки технологічних схем збагачення повинен враховувати, що "життя" мінералів, розпочате в природі, триває і в технологічних апаратах, тому важливо в технології максимально зберігати аналогію з природними процесами мінералоутворення. Механізм технологічних процесів потрібно будувати за моделями з максимальною енергоємністю, високою швидкістю і селективністю. З огляду на це треба визначати напрям, зміст та обсяги досліджень з технологічної мінералогії руд того чи іншого генетичного типу.

5.2. Технологічні властивості мінералів як функція їхньої конституції та генезису

Під час розробки технологічних схем важливе значення мають фізичні, фізико-хімічні та хімічні властивості мінералів, на яких ґрунтуються технологічні процеси і які прийнято називати технологічними властивостями. Здебільшого вони навіть у межах одного родовища неоднакові. Це пов'язано з тим, що у технології працюють не з чисто відібраними мінералами, а з агрегатами зерен різного розміру, які містять включення, домішки, часто покриті плівками і зазнають певних змін під час дроблення. В одних і тих же рудах нерідко трапляються декілька генерацій і відмін одних і тих же мінералів, які відрізняються особливостями складу, структурного стану й морфології.

У гірничорудній практиці найчастіше використовують такі технологічні властивості:

гравітаційні (густина);

магнітні (магнітне сприйняття, коерцитивна сила для феромагнітних мінералів, залишковий магнетизм тощо);

електричні (електропровідність, діелектрична проникність, контактна електризація - трибоелектризація, напівпровідникові властивості);

механічні (твердість, крихкість, пружність і пластичність);

оптичні (забарвлення, прозорість, пропускання та відбивання світла);

люмінесцентні (фотолюмінесцентні, рентгенолюмінесцентні, термо­люмінесцентні);

поверхневі (змочуваність, флотаційність, взаємодія з флотореагентами - збирачами, активаторами, депресорами);

сорбційні (адсорбційні, іонообмінні);

термічні (теплові характеристики, поведінка в процесі нагрівання);

хімічні (розчинність у певних реагентах, реакційна здатність);

радіаційні (природна і наведена радіоактивність);

бактеріальні (взаємодія з бактеріями).

Межі зміни цих властивостей для багатьох мінералів можуть бути досить значними, що дає змогу використовувати їх як індикаторні під час геолого-технологічної оцінки руд. У працях Л.А. Барського та Л.М. Даниль­ченка [3, 4], М.П. Джонса [20] наведено таблиці й діаграми зміни таких властивостей, що дає змогу попередньо судити про ступінь контрастності властивостей мінералів під час оцінки збагачення руд і про можливості використання їх у разі відбору методів розділення в процесі розробки технологічної схеми.

Поняття конституція мінералів, що визначене взаємозв'язком хімічного складу і структури, з погляду технологічних властивостей повинно мати чіткий фізичний зміст. Це дає змогу виразити особливості неоднорідності хімічного складу і кристалічної структури мінералів в анатомії реальних кристалів (зональність, секторіальність та мозаїчність), у деталях конституції другого та третього порядків (полісинтетична і доменна будови, епітаксійні прошарки), атомного і молекулярного масштабу (точкові дефекти кристалічної структури), в ізотопному складі елементів, у ядерній, електронній і магнітній структурах. Важливо враховувати різні за вмістом включення, пори, тріщини, покриття індивідів адсорбційним шаром та інші властивості.

У разі розшифрування анатомії індивідів треба пам'ятати, що вона відображає особливості росту, неодноразову зміну габітусу, трансформацію скелетного росту в монокристальний і навпаки. Вона може бути цілком перетворена в процесі зміни і руйнування мінералів під впливом зовнішніх дій. Услід за Д.П. Григор'євим генезис мінералів доцільно розглядати як сукупність явищ, що охоплюють власне утворення (зародження, ріст і зміну аж до знищення), спосіб утворення (фізико-хімічний механізм генезису) і геологічний процес мінералоутворення (магматичний, гідротермальний тощо). Генезис руд відображений у мінерагенетичних ознаках (конституції, морфології і властивостях мінеральних індивідів та агрегатів), тому розшифровувати його можна шляхом пізнання цих ознак.

Технологічні властивості мінералів, які є фізичною основою процесів розділення під час збагачення, тісно пов'язані з генезисом руд, проте ця залежність може бути прямою або вираженою через конституцію (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема взаємозв'язку технологічних властивостей мінералів з їхньою кристалохімією, що зафіксовано певними умовами утворення.

Такий взаємозв'язок простежується на всіх стадіях збагачення руд. Текстури і структури мінеральних зростків, характер зростання рудних та І нерудних мінералів (взаємне проникнення, морфологія і форма зростання, розміри меж зчеплення) визначають ефективність дроблення руд, а такі процеси, як флотація, явно залежать від морфології, розподілу хімічних домішок, включень, дислокацій, деформацій, електрофізичних властивостей індивідів. Тому важливо виявити залежність технологічних властивостей мінералів від варіації їхнього складу та структурних характеристик як відображення динаміки умов утворення. З'ясування таких зв'язків є надійною основою для розробки технологічних схем переробки руд, концентратів та технологічного прогнозу. Наприклад, досить чітко простежується взаємозв'язок конституції магнетиту з технологічними показниками збагачення для залізних руд різних генетичних типів (табл. 5.1, рис. 5.2).

Якість магнітних концентратів залежить від характеру неоднорідності магнетиту. Детальне його вивчення засвідчило, що найважливішою типо-морфною ознакою мінералу є гетерогенність складу і будови, які відобража­ють еволюцію процесів мінералоутворення. Ізоморфізм певних елементів і механічні домішки як продукти розпаду твердих розчинів визначають зміну

Рис. 5.2. Еволюція і типоморфізм хімізму й неоднорідності (Кн) магнетиту (середні дані)

залізних руд основних генетичних типів, наведених у табл. 5.1.

Родовища: / - Качканарське; 2 - Ковдорське; 3 — Коршунівське; 4 - Соколовське і Сарбайське; 5 - Дашкесанське; 6 - Кривий Ріг, Курська магнітна аномалія.

абсолютного вмісту заліза в магнетиті (Ре). За даними мономінеральних фракцій з'ясовано середні характеристики магнетитових руд різних генетичних типів з обчисленням коефіцієнта неоднорідності:

К_н = РеаО₃: РеО+Ре₂О₃.

За цим коефіцієнтом можна кількісно оцінити мінливість хімічного складу мінералу і пов'язати ці дані з якістю магнетитового концентрату. На рис. 5.2 показано середні значення, які дають змогу порівняти магнетит різних генетичних типів руд. Найближчий до стехіометричного складу магнетит залізистих кварцитів, найбільш відмінний від нього магнетит власне магматичного походження. Контактно-метасоматичні процеси мінералоутворення сприяють підвищенню вмісту Ре в мінералі, наближаючи його до магнетиту метаморфізованих родовищ. Водночас із розвитком процесів карбонатного метасоматозу збільшується коефіцієнт неоднорідності магнетиту насамперед унаслідок зростання їхнього окиснення (магемітизація, мартитизація, окиснення ульвошпінелі до ільменіту і гематиту). Зрозуміло, що середні дані відображають тільки принципову динаміку у зміні хімізму магнетиту. Проте на кожному конкретному родовищі можна досить чітко простежити взаємозв'язок хімізму і неоднорідності мінералу з якістю одержуваних концентратів. Аналіз даних табл. 5.1 і рис. 5.2 дає змогу виділити такі особливості складу магнетиту:

магнетит усіх генетичних типів руд гетерогенний. Навіть оптично гомогенні ділянки на мікрорівні (у процесі електронно-мікроскопічного вивчення) мають мікроблокову будову з проявом зерен та глобул;

хімічний склад мінералу передусім відображає валовий вміст компонентів, і без використання комплексу спеціальних сучасних методів аналізу (електронна мікроскопія, ІЧС, месбауерівська спектроскопія, мікрозондовий аналіз та ін.) не можна з упевненістю виявити їхню природу (ізоморфні домішки, продукти розпаду твердих розчинів тощо) для з'ясування кристалохімічної формули магнетиту. Це особливо важливо для побудови діаграм склад-властивості і, насамперед, властивості технологічні;

магнетит руд різних генетичних типів має певний набір елементів-домініок, певний рівень розкиданості абсолютного вмісту, типоморфізм індикаторних відношень низки елементів. Рівень розкиданості абсолютного вмісту Ре та інших компонентів значно ширший у магнетиту залізних руд магматичного генезису (типи 1-3), що пояснюється високим ступенем їхньої неоднорідності, складною природою онтогенії мінеральних індивідів і агрегатів. Чистіший за вмістом елементів-домішок магнетит зі скарнів (типи 4 та 5) і, особливо, осадово-метаморфічного генезису (залізисті кварцити докембрію, тип 6). У цьому ж напрямі простежується типоморфізм індикаторних відношень Мі/Со і М^О/АЬОз. Найбільші значення цього відношення характерні для магнетиту з карбонатитів;

чітко виявляється еволюція і типоморфізм хімізму магнетиту в разі переходу від власне магматичних до скарнових і осадово-метаморфічних руд за середніми значеннями найважливіших хімічних компонентів та коефіцієнта неоднорідності мінералу. Складнішою є зміна коефіцієнта неоднорідності, який несе інформацію одночасно про ізоморфні, а також інші види домішок у мінералі. У магнетиті стехіометричного складу К_н -0,690. Значення більше, ніж це, відображає суттєву роль окиснювальних процесів, які супроводжують фазові переходи у мінеральному індивіді (поява магеміту, мартиту, окиснення ільменіту до гематиту та ін.).

Як свідчать дослідження, головним параметром магнітного збагачення, що визначає якість концентрату, є оцінка категорій неоднорідності магнетиту К_н. Визначення лише абсолютного вмісту Ре недостатньо, тому що мінерал може містити різні за природою домішки (ізоморфні й механічні), що й визначає динаміку і стабільність у зміні якості концентрату. Це підтверджують дані зміни вмісту заліза у магнетиті різних категорій неоднорідності і концентратах руд на прикладі Ковдорського родовища (рис. 5.3). Очевидно, що саме внутрішня будова індивідів магнетиту (тонко- і грубопойкілітовий тип зростань, що утворюється

продуктами розпаду твердих розчинів) визначає в кінцевому підсумку якість магнетиту із залізорудних концентратів. Зокрема, магнетит високотемпе­ратурних апатит-форстерит-магнети-тових руд Ковдорського родовища, пов'язаних з карбонатитами, за даними електронно-мікроскопічних, мікрозондових і термомагнітних досліджень, є гетерогенними (багато­фазовими) утвореннями. Здебільшого це тверді розчини магномагнетит -магнезіоферит, значно рідше магномагнетит-магнетит з тонкими включеннями продуктів розпаду - ульвошпінелі, шпінелі, ільменіту.

За вмістом Ре і К_н магнетит родовища поділяють на три категорії неоднорідності. Визначення термо-ЕРС і відбивної здатності мінералу дало змогу виявити високі кореляційні зв'язки їх зі вмістом Ре у мінералі (рис. 5.4). Коефіцієнт парної кореляції 0,95. Зіставлення таких значень з даними про магнетит залізистих кварцитів осадово-метаморфічного походження свідчить про високоінформативну і надійну типоморфну ознаку, яка

допомагає кількісно оцінити ступінь неоднорідності магнетиту і якість одержуваних з нього концентратів - чим вищий ступінь неоднорід-ності мінералу, тим більші значення термо-ЕРС і нижча якість концентрату (відповідно і вміст Ре у магнетиті). Навіть тонке подрібнення руд (< 44 мкм) не дає змоги виділити більшої частини тонких включень шпінелі та ільменіту.

+ -7; *-2

Гістограми розподілу Ре_м, Ре_к-ту і характер кумулятивних кривих свідчать, що без знання категорії неоднорідності магнетиту лише за абсолютним вмістом Ре неможливо правильно оцінити динаміку зміни його вмісту в мінералі і концентраті, а головне - достатньо об'єктивно їх про­гнозувати. Характер кумулятивних кривих якості концентрату та їхнє зсунення в бік нижчих значень, ніж вміст Ре у мономінеральних фракціях, свідчить, що в концентрат втягуються зростки магнетиту з нерудними мінералами і частина включень шпінелі, яка міститься в мінералі і яку не вдається відокремити. Детальне мінералогічне та геолого-технологічне картування дало змогу простежити на родовищі закономірності у зміні складу магнетиту, передусім з урахуванням неоднорідності (рис. 5.5).

Цікавий той факт, що всі особливості конституції мінералу і його властивості підпорядковані загальній мінералогічній зональності родовища - зонально-кільцевим змінам для південної ділянки та лінійним для північної. Однак зазначимо, що виявлені просторово-еволюційні закономірності у конс-титуції магнетиту (еволюція структур розпаду твердих розчинів у мінералі) чітко відображають усі зміни мінера-лого-геохімічних параметрів середовища мінералоутворення на родовищі.

Зокрема, зафіксовано чіткий зворотний кореляційний зв'язок між розподілом на родовищі кількості та гранулометрії шпінелі у магнетиті (рис. 5.6) і вмістом у мінералі пар компонентів ТіОІ—МпО, А^Оз—М§О (рис. 5.7).

Принципове значення має не саме виявлення таких взаємозв язкш ^що можливе і в разі застосування парного кореляційного аналізу), а характер їхньої зміни в межах конкретних ділянок. Якщо зіставити плани просторового розподілу на родовищі основних елементів-домішок, що містяться в магнетиті (див. рис. 5.7), то можна виявити ізкий антагонізм у

лепідокрокіту кварцитів та багатих залізних руд зі ступенем ковалентності зв'язку в їхніх структурах (рис. 5.8), причому флотаційні властивості магнетиту проміжні між гематитом і гідроксидами заліза, а розкиданість даних зумовлена відмінностями онтогенії мінералів, які змінюють характер та розмір питомої поверхні. Навіть незначна мартитизація магнетиту сильно змінює його флотаційні властивості.

Рис, 5.8. Залежність флотування гематиту (/), мартиту (2), магнетиту (3), гетиту (4), суміші гетиту і лепідокрокіту (5), гетитизованого мартиту (б) від ступеня ковалентності зв'язку у разі втрати збирача на одиницю поверхні (втрата 0,25 кг/м²- 10~⁶).

ПГ — променистий гідроксид, СГ — суцільний гідроксид, Пд — Південний ГЗК, Ц -Центральний ГЗК, Кр - шахта ім. Кірова, Л - шахта ім. Леніна, С - Саксаганський кар'єр (Кривий Ріг); М - Михайлівський ГЗК (КМА); О - Оленегорський ГЗК (Оленегорськ); П -Полтавський ГЗК (Кременчук); ЛГ— 533 — розмір питомої поверхні, м²/кг.

Все вище викладене свідчить про те, що дослідження особливостей конституції основних мінералів у динаміці генезису дають змогу досить конкретно оцінювати їхні технологічні властивості.