Изучение минерального состава руд и выявление всех полезных компонентов. Проблема комплексного использования минерального сырья

 

Одной из важнейших задач является выявление всех возможных полезных компонентов в рудах с целью постановки задачи комплексного использования сырья, на что неоднократно обращали внимание А. М. Быбочкин (1973 г.) и И. В. Шманенков (1976 г). Необходимо помнить, что в подавляющем большинстве месторождения комплексные, и часто разведка и оценка многих из них затягивается на долгие годы из-за того, что в ходе проведения разведочных работ непрерывно открываются новые компоненты и каждый раз приходится переопробовать одни и те же рудные тела. Поэтому с самого начала предварительной разведки нельзя экономить средства на анализы: необходимо самым тщательным образом изучать как основные рудные минералы, элементы-примеси в них, так и нерудные минералы. Следует учитывать, что конъюнктура на сырье часто меняется, и то, что в данный момент не представляет никакого интереса, может через короткое время стать ценнейшим сырьем. Минералоги должны выявить и изучать все возможные ценные компоненты.

В ходе технологических исследований и экономических расчетов может быть установлено, что извлечение тех или иных из них при современном уровне развития техники экономически нерентабельно или что на эти компоненты отсутствует реальный спрос. В дальнейшем, при утверждении кондиций, надо будет решить, необходимо ли ставить все эти компоненты на баланс или часть из них следует относить к забалансовым и какой комплекс сырья рационально добывать на том или ином месторождении, но в любом случае учтены должны быть все без исключения компоненты, чтобы при появлении на них спроса можно было бы организовать их попутное извлечение.

К сожалению, на комплексное использование сырья в значительной степени из-за узковедомственного подхода в течение длительного времени не обращалось должного внимания, и некоторые месторождения были полностью выработаны только на один компонент, а остальные, нередко значительно более ценные, безвозвратно потеряны либо же сохранились в различных отвальных продуктах.

Говоря о комплексности месторождений полезных ископаемых, следует выделить несколько типов ее проявления.

1. Рудный минерал содержит несколько полезных компонентов. Последние могут входить в его состав как основные составляющие его части, находиться в виде изоморфных примесей или же в виде микровключений других минералов, наблюдаемых только в микроскопе при весьма больших увеличениях или же в электронном микроскопе. Примерами могут служить: лопарит (Nа, Се, Са) (Тi, NЬ, Та)О₃, содержащий одновременно в своем составе редкие земли, титан, ниобий и тантал, которые все из него извлекаются при технологической переработке концентратов; сфалерит, постоянно содержащий изоморфные примеси кадмия, индия, иногда также германия, ртути и галлия, которые могут быть извлечены попутно с цинком; касситерит пегматитовых и грейзеновых месторождений, содержащий мельчайшие включения минералов группы колумбита — танталита. При выплавке из таких концентратов олова весь тантал переходит в шлаки, откуда он и может быть в дальнейшем извлечен.

Решающую роль при использовании такого комплексного сырья играет разработка эффективных химико-технологических схем переработки концентратов с полным улавливанием из них всех полезных компонентов.

Необходимо учитывать, что содержание ценных элементов-примесей в рудных минералах на одних и тех же месторождениях не является величиной постоянной, а может меняться, иногда даже в широких пределах в зависимости от ряда факторов, из которых главнейшими являются:

а) появление разновозрастных генераций одного и того же рудного минерала. В этом случае одни элементы-примеси накапливаются обычно в наиболее поздних генерациях, а другие — в наиболее ранних. Так, например, в сульфидных месторождениях в сфалерите содержание индия обычно падает от ранних генераций к поздним, а кадмия и германия—увеличивается. В поздних генерациях галенита увеличивается количество таллия, так же как в поздних генерациях молибденита, рения, селена и т. д.;

б) на многих месторождениях существует тенденция к накоплению в направлении апикальных участков рудных тел одних элементов-примесей и сокращению—других. Как правило, к апикальным участкам накапливаются те элементы, у которых наибольшее сродство к летучим компонентам, например фтору. Так, в месторождениях, представленных редкометальными гранитами, в минералах группы колумбита-танталита содержание тантала резко повышается к кровле куполов этих гранитов, и соотношение в них Та₂О₅ / Nb₂О₅ меняется от 1,5/1—1/1 в апикальных участках до 1/1,5—1/2 на глубине, т. е. качество танталовых руд с глубиной ухудшается. Также в литиевых слюдах этих же месторождений резко падает с глубиной содержание лития;

в) в отдельных случаях количество элементов-примесей в рудных минералах зависит от состава вмещающих пород. Если, например, полиметаллическое месторождение залегает частично среди алюмосиликатных, а частично среди карбонатных пород, то уровень содержания в сульфидах ряда рассеянных элементов (галлия, таллия, германия и др.) в этих участках будет разным. Наиболее обогащены ими будут сфалериты и галениты, встречающиеся в известняках, что связано с различной способностью породообразующих минералов вмещающих пород изоморфно захватывать элементы-примеси.

Из сказанного следует, что если даже все попутные компоненты заключены только в одном рудном минерале, то нельзя ограничиваться одним или несколькими его анализами, как это часто делается, а необходимо выявить пределы колебаний его состава, в частности, как изменяются содержания полезных компонентов с глубиной, на флангах, в участках различного геологического строения (сложенных разными вмещающими породами), а при многостадийном образовании месторождений— в различных генерациях.

2. В пределах месторождения встречается несколько рудных минералов, каждый из которых может содержать свой набор полезных элементов-примесей.Это характерно для руд полиметаллических, медно-молибденовых, медно-никелевых, оловянно-вольфрамовых, золото-мышьяковых месторождений, для редкометальных пегматитов, карбонатитов, апатит-нефелиновых пород и многих других. Комплексность и полнота использования полиминерального сырья обеспечиваются разработкой оптимальных схем обогащения, направленных на получение селективных или коллективных концентратов, а в последнем случае также схем химико-металлургического передела, предусматривающих разделение и очистку полезных компонентов в металлургическом процессе при минимальных потерях. Поэтому на ранних стадиях изучения таких месторождений крайне важно как можно более точно установить минеральный состав руд и изучить его пространственную изменчивость. При этом следует учитывать следующие обстоятельства:

а) каждый из рудных минералов может содержать свои полезные примеси, которые могут в каких-то пределах изменяться;

б) важно определить, какой компонент на месторождении является основным, а какие — попутными. От этого в значительной степени зависит оценка месторождения. Вопрос этот не всегда бывает очевидным и решается не только по содержанию металлов и соотношению цен на попутные концентраты, но и с учетом народнохозяйственного значения полезного компонента для данного района. Важно также, чтобы содержание ведущего полезного компонента было близко хотя бы к минимально промышленному и чтобы существовало ведомство, заинтересованное в его получении в данном регионе. На это следует обратить особое внимание, поскольку часто встречаются комплексные полиминеральные месторождения, в которых насчитывается много полезных компонентов, но ни один из них не достигает промышленных содержаний. В совокупности по ценности всех компонентов такие месторождения оказываются высокорентабельными, но ни одно ведомство не берется их осваивать, поскольку в них отсутствует основной ведущий промышленный компонент.

Например, известен случай, когда месторождение изучалось и разведывалось много лет первоначально как железорудное (сидеритовое), затем как флюоритовое, далее как баритовое, редкоземельное (бастнезитовое), стронциевое (целестиновое). По каждому отдельному компоненту оно крупное, но по содержанию полезного компонента непромышленное, хотя по стоимости всех компонентов оно явно рентабельное. Но поскольку отсутствует основной потребитель, заинтересованный в этом месторождении, оно не осваивается;

в) необходимо выявить не только ценные компоненты и примеси, но и вредные, которые мешают технологическому процессу. Последние могут быть заключены в самом полезном минерале (например, мышьяк в сульфидных рудах, железо в калиевых полевых шпатах и т. п.), а могут находиться и в виде самостоятельных минералов (сульфиды в железных рудах, вольфрамит среди тантало-ниобиевых руд и др.). Знание форм нахождения вредных примесей также важно и необходимо, как и полезных компонентов;

г) наиболее целесообразно разработку кондиций, оконтуривание месторождения (в случае отсутствия четких геологических границ) и подсчет запасов проводить в условном компоненте, переводя в него по соотношению цен все попутные компоненты, на которые существуют реальные потребители. Например, для некоторых типов месторождений поделочных камней или некоторых видов нерудного сырья роль попутных компонентов могут играть различные по качеству и ценности сорта этих видов сырья. Для них необходимо решить все те же вопросы, что и для попутных компонентов. По соотношению цен они также могут быть условно переведены в один ведущий сорт.

3. В пределах промышленного контура месторождения, выделенного по условному полезному компоненту, встречаются породообразующие нерудные минералы, которые могут быть извлечены попутно и утилизированы. Например, при отработке карбонатитов наряду с пирохлоровым и апатитовым концентратами получается громадное количество кальцита (он составляет около 95% всей руды), который может быть использован для получения извести (если в районе имеется спрос на нее) или для иных целей. При подсчете запасов количество этого кальцита вряд ли необходимо утверждать в ГКЗ и стоимость его вводить в кондиции, но его необходимо учитывать, и предприятие может иметь дополнительную прибыль, если сможет реализовать этот продукт. Также, например, при добыче берилла и изумрудов из апогипербазитовых грейзенов—флогопитовых слюдитов — получается громадное количество флогопитового флотационного концентрата, содержащего небольшое количество лития, рубидия, цезия. Если удастся найти потребителя на такой флогопитовый концентрат, то предприятие станет более рентабельным.

На многих разрабатывающихся месторождениях редкометальных пегматитов, гранитов, полевошпатовых метасоматитов возникает проблема утилизации основной массы породы—полевых шпатов (часто сильно альбитизированных с низким соотношением К₂О/Nа₂О), а также кварца, иногда флотационного слюдяного концентрата. Запасы по этим породообразующим минералам, как правило, не утверждаются, и стоимость их не заключается в кондиции, но если появляется на них спрос и их удается облагораживать, очищать и реализовывать для нужд керамической, стекольной, лакокрасочной, электротехнической и других видов промышленности или для изготовления местных строительных материалов, то прибыльность горнорудного предприятия сразу возрастает.

В использовании нерудных породообразующих минералов, входящих в состав руды, лежит большой резерв для повышения эффективности работы ГОКов, и можно привести примеры многих горно-обогатительных комбинатов, ведущих борьбу за полное комплексное использование сырья, находящих различные области применения этим продуктам и добивающихся значительных успехов.

4. На месторождении могут быть использованы вмещающие породы, попадающие во вскрышу, а также все отвальные продукты обогатительных фабрик и химико-металлургических предприятий.Согласно современным требованиям ГКЗ при разведке месторождений и подсчете запасов необходимо давать оценку пригодности вмещающих пород, попадающих во вскрышу, с целью их использования как рудного сырья, строительных материалов, гравия, щебенки, наполнителей бетона, камнелитейного сырья и для других целей. Эта проблема особенно актуальна для месторождении, располагающихся в Белорусии, Украине, центральных районах России, где проводятся большие строительные работы и куда приходится завозить строительные материалы. Необходимо учитывать, что вмещающие породы, особенно в месторождениях штокверковых, вкрапленных и метасоматических руд, всегда содержат рудную минерализацию, поскольку для них рудные тела не имеют геологических контуров и выделяются по принимаемому бортовому содержанию, которое со временем меняется, обычно понижается. Поэтому в этом случае вмещающие породы необходимо складировать, так как с течением времени они могут становиться рудами.

Известны также случаи, когда рудные тела, например редкометальные пегматиты, залегают среди вмещающих пород (амфиболиты, биотитовые сланцы), которые в зонах экзоконтакта с пегматитами на расстоянии в несколько метров обогащены редкими щелочами, входящими в состав биотита, циннвальдита, мусковита, гольмквистита, из которых они могут быть достаточно легко извлечены. В некоторых же районах вмещающие породы бывают значительно больше обогащены цезием, нежели сами пегматиты, которые специально изучались на этот металл. Эти примеры наглядно показывают необходимость самого детального минералогического и минералого-геохимического изучения вмещающих пород.

Комплексность и полное использование минерального сырья предполагает также максимальную утилизацию отходов производства — пустых отвалов, отвальных хвостов обогатительных фабрик, шлаков, огарков и кеков металлургических или химических заводов, зол углей ТЭЦ. Эта проблема особенно важна в связи с необходимостью охраны окружающей среды. При разработке полезных ископаемых должны быть приняты все меры к предотвращению вредного влияния отвалов вскрышных и вмещающих пород на окружающую природную среду.

Необходимо стремиться к разработке замкнутой безотвальной технологии, изыскивая различные области практического использования всех отвальных продуктов. Некоторые из них могут стать важнейшим вторичным источником сырья. Так, например, шлаки от выплавки чернового олова из касситеритовых концентратов, получаемых из россыпей (образовавшихся при разрушении пегматитов, редкометальных гранитов, грейзенов и кварцевых жил) Заира, Таиланда, Малайзии, обогащены танталом и представляют ценнейшее танталовое сырье. Примерно 55 % всего мирового производства тантала в настоящее время получается за счет переработки танталсодержащих шлаков, оставшихся после выплавки олова. Все мировое производство галлия осуществляется за счет переработки красных шламов, остающихся при электролитическом получении глинозема из бокситов. Кеки, получаемые при гидрометаллургическом переделе некоторых редкометальных концентратов, состоят в основ­ном из флюорита и могут быть использованы для получения плавиковой кислоты. Подобных примеров можно привести множество.

Проблема комплексного использования сырья и освоения месторождений полезных ископаемых усложняется рядом факторов, на которые необходимо обратить особое внимание.

Во-первых, вышеприведенная типизация видов комплексности месторождений является в значительной мере идеализированной. Фактически в природной обстановке в пределах одного месторождения встречается несколько (если не все) типов. Так, например, при переработке апатит-нефелиновых руд могут быть получены апатитовый и нефелиновый концентраты. Из первого при производстве суперфосфата попутно можно извлекать фтор, редкие земли и стронций, а из второго при производстве глинозема получать соду, цемент, а также извлекать галлий и редкие щелочи.

Во-вторых, комплексность месторождений большей частью осложняется тем, что ведущий полезный компонент оказывается распределен между несколькими рудными, а иногда и жильными или породообразующими минералами, технологические свойства которых могут быть резко различными. Так, например, олово может присутствовать в гидротермальных месторождениях не только в форме легко извлекаемого гравитацией касситерита, но и в форме трудно извлекаемого станнина и других сульфосолей, а также многочисленных гидростаннатов, образующихся большей частью по станнину и растворимых в кислотах. Кроме того, ряд силикатов (в частности, турмалин) бывают обогащены оловом. В скарновых месторождениях, помимо легко извлекаемого касситерита, значительные содержания олова отмечаются в гранатах, в сфенах, кроме того, в них недавно открыт новый минерал олова — малаяит. В железорудных месторождениях обычно встречаются совместно магнетит, гематит и гидроокислы железа, которые резко различаются по своим магнитным свойствам. В целом ряде грейзеновых месторождений, развивающихся по карбонатным породам, бериллий заключен в везувиане, хризоберилле, фенаките, эвклазе, берилле, иногда также в бертрандите, лейкофане и других минералах. В танталоносных гранитах тантал входит в состав колумбита, танталита, микролита, иногда стрюверита.

Особенно показателен пример комплексных руд гидротермальных месторождений редких земель, где последние бывают распределены между фторкарбонатами (иттросинхизит, бастнезит), фторидами (флюорит, иттрофлюорит), фосфатами (монацит, ксенотим) и силикатами (малакон, ферриторит), причем если все эти минералы и попадают при обогащении в один концентрат, то они ведут себя различно в процессе дальнейшей химико-технологической переработки. В зависимости от состава получаемых концентратов приходится в этом случае каждый раз несколько изменять технологический режим их переработки. Подобных примеров можно привести десятки. Они свидетельствуют о том, что высокие содержания полезных компонентов на месторождениях еще далеко не являются залогом эффективного их использования.

В таких случаях необходимо установить возможно более точно поминеральный баланс распределения полезных компонентов в рудах и его изменчивость по площади и на глубину, равно как и детально изучить поведение всех рудных минералов в обогатительных и химико-технологических процессах и выяснить возможности их извлечения. Судьба многих месторождений находится в руках минералогов и технологов, от их совместной плодотворной работы зависит вовлечение в промышленное освоение многих уже выявленных, но законсервированных месторождений.

В-третьих, большинство месторождений полезных ископаемых характеризуются наличием пространственной зональности — горизонтальной и (или) вертикальной. Эта зональность проявляется в закономерном изменении в плане и на глубину (по падению рудных тел и от верхних тел к нижним) минерального состава руд и количественного соотношения минералов. Иногда исчезают одни рудные минералы и вместо них появляются другие, подчас с резко отличными технологическими свойствами. В то же время меняется и состав остающихся рудных минералов, содержание в них элементов-примесей, что приводит к изменению их физических, а следовательно, и технологических свойств. Эти явления могут приводит к необходимости изменения технологических схем на уже построенных и работающих предприятиях. Поэтому в борьбе за комплексность и полноту использования минерального сырья изучение и учет минералогической и геохимической зональности рудных месторождений играет первостепенную роль.

При изучении комплексности отдельных месторождений следует также учитывать, что месторождения различных полезных ископаемых могут быть и часто бывают сосредоточены в пределах ограниченной территории — единого рудного поля и рудного узла — «руду надо искать возле руды». Это старое правило рудознатцев всегда необходимо помнить, и перед геологами уже на этапе проведения поисково-оценочных работ возникает задача более детального изучения рудных районов и полей, выявления зональности распределения оруденения в их пределах с целью комплексной оценки ряда близко расположенных месторождений различных полезных ископаемых, имея в виду создание на их основе в дальнейшем территориально-производственных комплексов.