Определение содержания железа в рудах магнитными методами
Содержание железа в магнетитовых рудах в основном определяется содержанием магнетита. Часть железа в составе руд может быть связана с сульфидами (пирит, халькопирит) и силикатами (пироксен, гранат, эпидот). В табл. 52 приведен пример распределения железа в рудах между главнейшими минералами.
Наиболее представительным материалом для определения содержания железа в рудах магнитным методом является измельченная проба руды, например шлам из буровзрывных скважин, Для измерения применяют специальные приборы — каппометры (феррометры). Прибор представляет собой фигурный сердечник, на который намотаны четыре индукционные и измерительные катушки. Магнитное поле, возникающее в датчике без пробы руды, сбалансировано второй парой катушек, расположенных в нижней части сердечника. Без образца магнитной руды сигналы с усилителя и генератора, поступая на фазовращательный детектор, складываются и дают пуль на миллиамперметре.
Измерительный стаканчик с измельченной магнитной рудой устанавливается на датчике прибора. При внесении в поле датчика пробы магнитной руды баланс поля нарушается. С датчика на усилитель поступает сигнал, пропорциональный количеству внесенного магнитного материала, фиксируется отклонение от нуля. Индикатор прибора градуируется по эталонным порошковым пробам, содержание железа в которых определяется химическим анализом с большой точностью. После установки пробы руды на датчике производится отсчет по индикатору. По специальному графику определяется содержание железа в пробе. Для получения истинных содержаний необходимо учитывать поправки на влажность и удельный вес, которые обычно уже внесены в расчетный график.
Опытные работы, проведенные кафедрой рудной геофизики Свердловского горного института, показали хорошую сходимость результатов описанных измерений с химическими анализами тех же проб. Абсолютная ошибка для руд с содержанием магнитного железа от 5 до 30% не превышает 1%.
Метод искусственного подмагничивания (МИП) позволяет определять среднее содержание железа для любого типа магнетитовых руд в объеме RxRxН, где Н — высота уступа в карьере без использования буровзрывных скважин [3]. Применяется намагничивающая рамка размером 40X40 м, изготовленная из провода ПСМ. В рамку подается постоянный ток от четырех последовательно соединенных аккумуляторов 5-НКН-60. В средней части рамки на площади 20х20 м по сети 5x5 м: Z-магнитометром измеряется приращение вертикальной составляющей Hz в момент включения в рамку постоянного тока. Измеряется также нормальное поле рамки Hz до включения тока в рамку. По этим данным определяется коэффициент отображения К:
Содержание железа определяется по корреляционной зависимости между первым содержанием железа в рудах по серии образцов. Коэффициенты корреляции для Сарбайского и Соколовского месторождений оказались равными соответственно +0,92 и +0,905. Содержание железа в забое определяется по уравнениям регрессии:
Ошибка определения составляет около ±1%.
По результатам площадных измерений метод МИП дает возможность строить детальные прогнозные планы содержания железа для отдельных блоков и горизонтов карьера, что способствует рациональной эксплуатации месторождения.
Определение содержания урана и тория методом естественной радиоактивности
На урановых месторождениях широкое применение получили радиометрические методы определения содержания урана в руде или в отбитой рудной массе, основанные на использовании естественной радиоактивности руд. Применение радиометрических методов значительно упростило технологию опробования, исключило трудоемкие операции отбора и обработки проб. Однако радиометрические методы не являются универсальными, они имеют свои недостатки. Поэтому на одних и тех же урановых месторождениях применяют как радиометрические, так и химические методы опробования.
Большое значение при выборе методики опробования имеет вещественный состав руд и степень их радиометрической контрастности. Для однокомпонентных (урановых и ториевых) руд радиометрическое опробование является основным. Для комплексных руд, содержащих, кроме урана, никель, кобальт, серебро, молибден и другие нерадиоактивные металлы, ведущее значение имеет химический метод опробования.
Радиометрическая контрастность урановых руд определяется диапазоном отношения радиоактивности наиболее богатых рудных штуфов к среднему содержанию урана в рудах:
где Кр.к — коэффициент радиометрической контрастности;
Рщ — средняя радиоактивность наиболее богатых рудных штуфов;
Рм — средняя радиоактивность в массиве или в рудной массе.
В табл. 53 приведены категории руд по степени их радиометрической контрастности.
Для поисково-разведочных работ широко применяют разнообразную радиометрическую аппаратуру. Рассмотрим универсальный гамма-радиометр УР-4М (рис. 80). Прибор состоит из пульта управления, измерительной гильзы (гамма-датчика) и телефона. Общий вес 4,6 кг. Гамма-датчик представляет собой алюминиевую гильзу диаметром 30 мм и длиной 1,1 м. В поворотной головке гильзы заключен счетчик. Раздвижная телескопическая конструкция гильзы позволяет увеличивать ее длину до 1,8 м.
Высокое напряжение на счетчике обеспечивается ламповым генератором и выпрямителем. Генератор высокого напряжения и усилительная часть схемы расположены в гильзе радиометра, а измерительная часть и блок питания — в пульте.
За единицу измерения радиометрами принята единица интенсивности гамма-излучения, равная мощности дозы гамма-лучей в одну миллионную долю рентгена в час (мкр/ч). Один рентген отвечает гамма-излучению, обеспечивающему образование в 1 см3 воздуха количества ионов каждого знака общим зарядом в одну электростатическую единицу.
Содоржапие урана в породе и руде С при измерении пробуренного шпура с помощью описанного выше радиометра определяется по формуле [5]
где С — содержание урана, %;
γ — величина гамма-радиации, мкр/ч;
К — коэффициент, равный 140 мкр/ч на 0,01 % урана в равновесии.
При поисках с помощью бурения необходимо проводить гамма-каро-таж, т. е. измерения по гамма-лучам естественной радиоактивности горных пород по оси скважины. Аппаратура галша-каротажных станций состоит из глубинного прибора (радиометра), лебедки с кабелем и пульта управления с регистрирующим устройством. Б результате гамма-каротажа по оси скважины автоматически вычерчивается график-диаграмма. При интерпретации диаграмм гамма-каротажа содержание урана на мощность h ураноносного интервала по оси скважины вычисляется по формуле
где S —площадь контура, ограниченная аномальным участком каротажной диаграммы;
h — мощность урапоносного интервала но оси скважины, см;
К — коэффициент перевода гамма-радиации в содержании урана, равный 100—120 мкр/ч на 0,01% содержания урана.
Установленное содержание урана в ряде случаев контролируется химическим анализом,
Гамма-гамма-метод
Определение содержания металла в рудах при опробовании гамма-гамма-методом основано на эффекте фотопоглощения гамма-квантов низких энергий («мягких» гамма-лучей) атомами элементов с высокими атомными номерами.
Гамма-гамма-метод успешно применяется для определения сурьмы [7] (атомный номер 51), которая поглощает гамма-кванты пропорционально ее содержанию в руде. Источниками «мягкого» излучения являются радиоактивные изотопы: ртуть203, селен75, цезий137. Для практических целей наиболее удобен цезий 137 с периодом полураспада 33 года. Мощность источника в 3—5 мкр обеспечивает безопасность проведения работ и позволяет получить средний фон рассеянного излучения на порядок выше уровня естественной активности.
Измерительной аппаратурой служат полевые радиометры УР-4М с разрядным вольфрамовым счетчиком и СРП-2 «Кристалл» со сцинтилляционным счетчиком. При опробовании руд в массиве в шпур или в буровую скважину вводится радиоактивный зонд. Снаряд с эксцентричным расположением источника имеет стальную прижимную пружину, обеспечивающую хороший контакт с массивом руды. При опробовании отбитой рудной массы применяется специальная приставка «утюг».
Для опробования подготовительных горных выработок проводят каротаж пяти шпуров. Шпуры, подлежащие каротажу, предварительно делят на рудные и безрудные путем прослушивания интенсивности импульсов в наушниках прибора. В безрудных шпурах проводят контрольные замеры через 0,5 м. В рудных шпурах замеры производят в семи точках через 0,2 м. На опробование одного забоя при длине шпуров 1,5 м затрачивается 20—30 мин.
Надежное определение содержания сурьмы гамма-гамма-методом возможно начиная с 0,5—0,7% без разделения на окисленные и сульфидные руды. Последнее обстоятельство вызывает необходимость частичного применения химических анализов.
Наибольшее влияние на качество гамма-гамма-опробования оказывает наличие в рудах сопутствующих тяжелых элементов: бария, свинца, ртути и др. Описанная аппаратура и методика не позволяют производить раздельное определение их содержаний.
На сурьмяных рудниках гамма-гамм а-метод дает возможность оперативно решать широкий круг вопросов рудничного опробования и в значительной мере сокращай трудоемкие процессы отбора и обработки проб [7]. Гамма-гамма-метод успешно применяется на свинцовых рудниках Советского Союза.
Фотонейтронные методы опробования бериллиевых руд
Фотонейтронный метод исследования основан на реакции отщепления нейтронов от ядер атомов гамма-квантами — фотонейтронном эффекте. Эта реакция у ядер бериллия протекает при значительно меньших энергиях гамма-квантов, чем у ядер других элементов. Поэтому гамма-лучи радиоактивных изотопов могут вызывать фотонейтронный эффект только у бериллия.
Фотопейтронное опробование бериллиевых руд заключается в обучении исследуемых руд в горных выработках или в буровых скважинах гамма-лучами радиоактивной сурьмы и в регистрации генерируемых в них нейтронов, количество которых зависит от содержаний бериллия [4].
Для фотонейтронного каротажа буровых скважин, пройденных на месторождении бериллиевых руд, может быть использована каротажная станция со специальными фотонейтронными буровыми снарядами. Первичный каротаж скважин с целью выделения интервалов с бериллиевым оруденением ведется со скоростью 100—120 м/ч. Аномальные интервалы подвергаются повторному количественному каротажу со скоростью 20 м/ч.
Сравнение результатов каротажа, геологической документации и анализов керновых проб на бериллий показывает достаточную чувствительность и эффективность этого метода для поисков и разведки месторождений бериллия. Применение специального фотонейтронного зонда вместе с поисковым радиометром для опробования горных выработок позволяет выделить участки с бериллиевым оруденением и определить в них содержание бериллия с удовлетворительной для практики точностью [4].
На рис. 81 показана схема лаборатории для экспресс-анализа бериллиевых руд в вагонетках. Скорость движения состава при этом равна 2—4 км в час. Разводка вагонеток по бункерам и отвалам может быть осуществлена исполнительным механизмом, которым управляет запоминающее устройство [8].
Определение содержания меди и других элементов методом искусствен ной радиоактивности
Вопросом использования метода искусственной радиоактивности (МИР) при опробовании руд занимается Свердловский горный институт. Этот метод позволяет определить содержание меди с относительной погрешностью в 10%.
Для определения содержания меди в руде, вскрытой буровой скважиной, используется «долгоживущий» изотоп Cu64. Количественное распределение Na, Al, Fe и S, связанной с последним, определяется с помощью искусственных радиоактивных продуктов Na24, Al28, Mn56. Измерения проводятся каротажной станцией, приспособленной для регистрации электрических и радиоактивных полей.
Положение рудного тела по отношению к оси скважины определяется по кривой естественного электрического поля (ПС) с помощью свободной жилы кабеля, несущего глубинный снаряд. В каждой из точек, подлежащих активации, определяется натуральный фон при двух положениях снаряда. С точкой активации совмещается центр счетчика с экраном, затем центр счетчика без экрана. Расстояние между счетчиками 0,4 м. Затем глубинный снаряд поднимается на поверхность и к нему крепится приставка с источником нейтронов активностью около 6 кюри на расстояние 2,6 м от центра ближайшего счетчика, Снаряд с приставкой снова опускается в скважину на ту же глубину для активации продолжительностью 1,5—2 ч. Далее истопник нейтронов вместе со снарядом опускается для активации следующей топки на 3 м глубже. Таким образом центр наэлектризованного счетчика совмещается с центром облученного интервала (снятие с облучения).
Через 40—50 мин после снятия с облучения все «короткоживущие» изотопы распадаются. После их распада в массиве руды остается наведенный эффект, связанный с изотопами МпБ6 и Си64, а во вкрапленных рудах также и с Na24. Суммарные эффекты этих продуктов измерялись через 1—1,5 ч после снятия с облучения. Графики содержания меди по данным химических анализов керновых проб и по описываемому методу отчетливо совпадают; относительная погрешность в определении содержания меди этим методом составляет 13,6%. Характер распределения Na, Al, Fe и S, связанной с последним, указывает на сульфидное оруденение, сплошное или вкрапленное [2].