Определение физических свойств пород и руд
Определение объемного веса
В практике разведочных работ и рудничной геологической службы нередко приходится определять физические и горнотехнические свойства руд и горных пород: объемный вес, влажность, пористость, крепость, зольность и калорийность минерального топлива, гранулометрический состав добытых руд, песков, торных пород и пр.
Из всех физических свойств руд средний объемный вес в геологической практике имеет наиболее важное значение. Общеизвестно, что тоннаж руды равен произведению среднего объемного веса на объем, занимаемый рудным телом в целике. Ошибки в определении объемного веса влекут за собой значительные погрешности в подсчете запасов.
Необходимо различать объемный и удельный вес руд. Объемным называется вес 1 м 3 руды в тоннах в естественном залегании, без нарушения свойственных руде пустот и пор. Устанавливается он взвешиванием определенного объема руды и делением полученного веса па тщательно замеренный объем руды в целике. Удельным, или минералогическим удельным, весом называют вес единицы объема в плотном ее состоянии, без пор и пустот. Для раскрытия последних руду тонко измельчают и взвешивают в воздухе и в воде, определяя объем и удельный вес. При подсчете запасов следует пользоваться только объемным весом, который в пористых рудах заметно меньше их удельного веса.
Объемный вес руд существенно изменяется при изменении минерального состава; поэтому его следует определять и периодически проверять эти определения отдельно для каждого естественного типа руд. Даже в пределах одного месторождения объемный вес может значительно колебаться в зависимости от минерального состава, трещиноватости и пористости руд.
Объемный вес можно определить методом выемки монолита из целика или же лабораторными методами,
В вязких глинистых рудах, добываемых баз применения буровзрывных работ, объемный вес можно определить методом выемки монолита правильной формы из забоя. Для этого высекают монолит в форме прямоугольной призмы объемом от 0,01 до 0,05 м 3 . Длинное ребро призмы следует располагать вкрест видимой полоспатости (слоистости) руды. Вынутый монолит тщательно замеряют рулеткой. Затем добытую из этого объема руду взвешивают на торговых весах с точностью до одной десятой килограмма. Делением веса на его объем в кубических дециметрах получают значение объемного веса. Параллельно про изводят о пределен не влажности, а иногда и пористости руд. Для определения объемного веса рудных кернов, полученных при колонковом бурении, удобно пользоваться непосредственным измерением объема керна, имеющего форму правильного цилиндра.
Все лабораторные методы определения объемного веса основаны на известном законе Архимеда: всякое тело, погруженное в воду, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им вода. В банку с отрезанным дном (рис. 83) наливают воду, избыток которой сливается через трубку, При этом уровень воды в банке принимает постоянную высоту. Взвешенный в воздухе образец руды весом 100—200 г на тонкой проволоке погружают в банку с водой. Вытесненная вода, равная объему образца, сливается через трубку в подставленный под банкой градуированный стеклянный цилиндр, по шкале которого и определяют объем образца. Можно также применить технические весы, приспособленные для гидростатического взвешивания (рис. 84).
Для определения объемного веса пористых и трещиноватых руд требуется предварительно закрыть поры парафином или лаком. Образец породы после взвешивания в воздухе погружают на 1 сек в сосуд с расплавленным парафином или лаком. Вес парафинового слоя определяют по разности весов после и до парафинирования. Разделив вес парафинового слоя на удельный вес парафина, получают объем слоя, который следует вычесть из объема покрытого парафином образца.
Среднее значение объемного веса определяют как среднее арифметическое из серии частных определений этой величины для 15—20 образцов руды или породи.
В настоящее время для определения объемного веса горных пород и руд широко применяются геофизические методы (гамма-метод). Разработаны приборы (приставные гамма-гамма-плотномеры, ПГГП), позволяющие в забое без отбора образцов определять объемный вес руд и горных пород. На поверхности забоя устанавливается источник направленного в породу гамма-излучения (цезий 137 или кобальт 60 ) и приемник, защищенный от прямого излучения источника свинцовым экраном. Гамма-лучи рассеиваются в породе и достигают приемника. Интенсивность излучения зависит от плотности породы. Один оператор в течение смены может опробовать до 20 м горной выработки. Вес прибора и пульта с питанием 6 кг. Точность измерения ±(1—2)% определяемой плотности. Применение прибора при выпуске рудной массы из магазинов позволяет контролировать ее качество и снизить разубоживание за счет отделения пустой породы; контроль руды в вагонетках дает возможность своевременно отцепить вагонетки с пустой породой [1].
Определение влажности
Руды, взятые из забоя, всегда содержат некоторое количество влаги. Содержание компонентов по химическому анализу определяют в абсолютно сухой руде. Поэтому при подсчете запасов необходимо учитывать объемный вес с поправкой на влажность. Определение влажности следует производить одновременно с определением объемного веса.
Величина влажности для различных руд изменяется в широких пределах. Для плотных кварцевых золотоносных руд, массивных сульфидных или магнетитовых руд она колеблется от 2 до 5%. В бурых железняках, марганцевых, силикатных никелевых рудах влажность может достигать 25—35%.
Влага W является вредным компонентом ископаемых углей. Общая или рабочая влага W р в угле подразделяется на внешнюю, или горную Wr, и внутреннюю, или лабораторную, W л . Внешняя влага представляет собой тонкую пленку, облекающую отдельные частицы угля. Внутренняя влага состоит из гидроскопической и конституционной (химически связанной).
При отборе проб необходимо учитывать, что влажность весьма различна в руде отдельных забоев; особенно в рудной массе, выдаваемой на дневную поверхность. Поэтому определение влажности следует производить немедленно после отбора проб в забоях и вычислять ее как среднее из ряда частных значений.
Влажность руды определяют следующим образом. Взятую пробу Р1 весом около 500 г разбивают на обломки диаметром не более 1—2 см и взвешивают. Затем пробу высушивают до постоянного веса при температуре, не превышающей +110°С. Пусть вес сухой пробы P2 равен, например, 480 г. Тогда вес влаги в пробе составит Р1—P2=500 г — 480 г = 20 г.
Формула для определения влажности в процентах имеет следующий вид:
где W — влажность, %;
Р1 — вес пробы с естественной влажностью, г;
Р2 — вес той же пробы в абсолютно сухом виде, г.
В некоторых руководствах в знаменателе этой формулы указывается P2 (вес абсолютно сухой пробы). Такое вычисление влажности следует признать неправильным. Оно ведет к значительному завышению фактического значения влажности, а следовательно, к неверному определению объемного веса руды и содержания в ней компонента. В 1959 г. КГЗ опубликовала по этому вопросу специальное разъяснение.
Для пересчета содержания компонентов, определенных в сухом весе, на содержание их при естественной влажности пользуются формулой
где Свл — содержание компонента во влажной руде, % или г/т;
Ссух — то же, в абсолютно сухой руде, % или г/т;
W — влажность, при которой определен объемный вес, %.
Наиболее удобным прибором для определения влажности является сушильный шкаф с электрическим обогреванием. За один прием в таком шкафу можно одновременно определить влажность десяти проб и более. Вместо сушильного шкафа иногда применяют эксикатор с крепкой серной кислотой. Навеску руды помещают на тарелочке в эксикатор и закрывают его притертой крышкой. Серная кислота поглощает воду из навески.
Определение пористости
Определение пористости является обязательным при геологоразведочных работах на нефть и газ. При изучении рудных месторождений определение пористости необходимо для окисленных руд, а также для боковых горных пород, подвергшихся рудному метасоматозу или процессам выветривания.
Пористостью называют отношение объема всех пор, имеющихся в образце, к общему объему последнего. Следует различать открытую и закрытую пористость, которые в сумме дают общую пористость. В рыхлых рудах могут быть закрытые поры, объем которых снижается при дроблении образца.
Обычно пользуются термином «коэффициент пористости» Кп. Зная объемный Dо и минеральный Dм веса сухой руды, можно определить коэффициент общей пористости
Опытным путем пористость определяют с помощью воздушного насоса. Образец руды взвешивают к воздухе (пусть этот вес Р1=287 г), а затем на проволоке погружают в чашку с керосином, помещенную под колпак воздушного насоса. При работе насоса воздух выходит из пор руды и замещается керосином. После прекращения выхода пузырьков воздуха образец извлекают из под колпака воздушного насоса и снова взвешивают, предварительно убрав пропускной бумагой избыток керосина с его поверхности. Пусть Р2=307 г. Разность весов Р1—Р2=20 г составляет вес керосина в порах образца. Объем пор определяется делением веса керосина в порах на его удельный вес (d=0,85):
Для определения объема образцов их погружают на проволоке в измерительный цилиндр, наполненный керосином. Пусть отсчеты по цилиндру равны: V1=270 см 3 и V2=400,5 см 3 . Тогда объем образца равен: V2—V1=130,5 см 3 .
Коэффициент пористости определяют по формуле
Воду для этих операций применять нельзя, так как в ней есть растворенный воздух. Для определения пористости имеются специальные установки [4].
Определение коэффициента разрыхления
Добытые на дневную поверхность руды или металлоносные пески занимают больший объем, чем-то же их количество в забое. Коэффициентом разрыхления Кр называют отношение объема отбитой руды или горной породы V2 к объему того же количества руды или породы в целике V1:
Коэффициент разрыхления всегда больше единицы, он колеблется в пределах от 1,2до 1,8. Определение этого параметра имеет большое значение при опробовании россыпой, а также для технических расчетов при эксплуатации (установление емкости вагонетки, скипа, бункеров и пр.).
Для определения коэффициента разрыхления следует подготовить несколько мерных ящиков с точно установленным их объемом. Можно, например, подготовить мерные ящики емкостью 0,05 м 3 (1/20 часть кубометра) с размерами 0,5х0,5х0,2 м. Породу или руду бросают лопатами в такой ящик и затем после встряхивания уравнивают ее доской под плоскость верхнего основания ящика. Емкость неполного ящика определяют в процентах его заполнения.
Пусть объем руды в целике V1 равен 0,535 м 3 , а объем того же количества руды, замеренной ящиками, V2 равен 0,725 м 3 . Тогда коэффициент разрыхления
На Высокогорском железном руднике (Урал) коэффициент разрыхления магнетитовых руд составляет 1,65—1,75, полумартитовых — 1,55—1,65, глинистых и порошковатых магнетитовых — 1,40—1,50. Для мерзлых пород коэффициент разрыхления значительно выше, чем для талых. Это важно при разведке в условиях многолетней мерзлоты.
Коэффициент разрыхления удобно определять одновременно с проведением механического анализа добытых руд или песков.
При взрывных горных работах в забое коэффициент разрыхления несколько уменьшается по сравнению с его величиной в свободном пространстве. Например, при многорядном короткозамедленном взрывании уступов на карьерах коэффициент разрыхления составляет 1,15—1,18, тогда как в удаленных от массива заходках по той же руде он достигает величины 1,30—1,50 [3].
Определение кусковатости руд и пород
Добытая на дневную поверхность руда или порода представляет собой механическую смесь обломков разной крупности (от больших глыб до мельчайших частиц). Соотношение разных классов по крупности добытой руды в весовых процентах устанавливают гранулометрическим (механическим) анализом. Такой анализ до крупности обломков или частиц имеет важное значение при проектировании горных работ и обогатительных фабрик, а также при эксплуатации месторождений.
Для проведения гранулометрического анализа отбирают пробу типичной руды достаточного объема (2—3 м 3 ) и на отдельной площадке подвергают ее грохочению с взвешиванием каждого класса и всей пробы в целом. Для анализа используют от трех до шести грохотов с отверстиями примерно 75; 50; 25; 12; 6 и 3 мм.
В качестве примера в табл. 65 приведены результаты механического анализа медноколчеданной руды из двух шахт с определением содержания меди в каждом классе.
Несмотря на близкие по значению данные механического анализа, опробование руд по классам крупности дает существенно отличающиеся показатели. Руда шахты А содержит медь преимущественно крупных классов, в руде шахты Б более богата медью рудная мелочь. Это обстоятельство имеет важное значение пе только для опробования, но и для эксплуатации. В тахте Б необходимо принимать особые меры для тщательного сбора рудной мелочи в забое: настилать на почву забоя перед взрыванием шпуров стальные листы и пр.
Определение зольности и калорийности ископаемого топлива
Ископаемые угли, горючие сланцы, нефть и торф содержат в основном две части: горючую и негорючую. Техническим анализом определяются компоненты горючей части (выход летучих веществ и выход кокса) и негорючей (влага и зола), содержание общей серы Sоб (сульфатной, сульфидной и органической), а также тепло производительна я способность (калорийность) ископаемого топлива.
Зола А представляет собой остаток от сгорания органической части угля и разложения минерального вещества. Содержание минеральных примесей в угле пе эквивалентно содержанию золы. При сжигании углей карбонаты разлагаются, образуя углекислоту и окись кальция, магния или железа; пирит дает сернистый газ и окись железа. Окиси металлов могут поглощать сернистый газ и переходить в сульфаты и пр.
Зола А а определяется в аналитической пробе на абсолютное сухое А с и рабочее топливо А р . Содержание золы определяют в процентах
Пересчет содержания золы на абсолютно сухой уголь А а , и на рабочее топливо А р производят по формулам
Полученная зола исследуется спектральным и химическим анализами. В золе углей могут содержаться некоторые рассеянные элементы. Химический анализ золы может дать материалы для выяснения возможности промышленного их извлечения.
При нагревании углей из них выделяются летучие вещества V. В первый период нагревания выделяются только пары воды, содержание которой учитывается при подсчете выхода летучих. Затем выделяется конституционная вода, угольный ангидрид СО2 и метан СН4. При повышении температуры более 500°С выделяются сложные углеводороды и кислородные соединения. Сера частично выделяется в виде сероводорода.
Выход летучих веществ V а определяется в аналитической пробе на рабочее топливо V р , абсолютно сухое топливо V с и горючую массу V г . Вычисление ведут по следующим формулам:
Источник
