Обоснование технологии получения дополнительной товарной продукции из вскрышных пород Костомукшского ГОКа

Повышение качества продукции и улучшения экономических показателей деятельности горных предприятий за счет рационального использования минеральных ресурсов в настоящее время становиться все более перспективным средством эффективного освоения недр.

Практически все минеральные компоненты, присутствующие на месторождении обладают той или иной ценностью с перспективой использования в различных отраслях промышленного производства. Однако стоимость получения из них определенного товарного продукта полностью определяет целесообразность реализации каждого существующего технологического или инновационного решения. Именно этот экономический показатель является основным критерием принятия оптимального решения.

Несмотря на интенсификацию процессов добычи минерального сырья, чуть более 30% составляют используемые компоненты, а остальное представляет собой так называемые техногенные месторождения, которые являются потенциальным источником сырья для строительных материалов [1].

Из отвалов вскрышных пород, пригодных для производства строительных материалов, наибольший удельный вес занимает сырье для производства щебня (30%), цемента (24%),керамических (16%) и силикатных (10%) облицовочных материалов. Доля годового объема отходов обогащения, признанного в настоящее время пригодным в качестве сырья для производства строительных материалов, составляет более 50 %, в том числе около 40% составляют хвосты мокрой магнитной сепарации горно-обогатительных комбинатов.

Комплексное использование минеральных ресурсов входит в программу мероприятий по охране недр, в которой поставлена задача более полного извлечения сопутствующих компонентов при добыче доминирующего полезного ископаемого. Ликвидация системы валовой выемки, совершенствование технологии переработки руд, их сортировка во время добычи позволяют сохранить ценные компоненты сырья, что может дать дополнительный экономический эффект.

Проблема комплексного использования минерального сырья существует и на Костомукшском ГОКе. Кроме добычи магнетитовых кварцитов, являющихся основным полезным ископаемым месторождения, из недр извлекается в два-три раза больше различных вскрышных горных пород, которые почти полностью направляются в отвалы.

Институтом геологии Карельского научного центра РАН, лабораторией комплексного использования Костомукшского железорудного месторождения и многими другими организациями и предприятиями было установлено, что значительная часть пород отвалов может найти применение в качестве строительных материалов и технологического сырья различного значения. Наибольшую ценность из пород, отнесенных к вскрышным, представляют геллефлинты (плотные или мелкозернистые горные породы, состоящие главным образом из кварца и полевого шпата, иногда с примесью роговой обманки, хлорита, магнетита и проч.) и плагиопорфиры. Объем ежегодной вскрыши достигает 45-50 млн.т. Технологическими исследованиями установлена пригодность этих пород для производства строительных материалов и в качестве технологического сырья различного назначения.

Карелия является известной в мире полевошпатовой провинцией. Здесь известны десятки месторождений и проявлений этого вида полезных ископаемых. Товарная стоимость объектов оценивается в 3,1 млрд. долларов США [3].

Геллефлинты натриевые и плагиопорфиры представляют собой лейкократовые породы массивного сложения или слабосланцевого с раковистым изломом, крайне плотные кислые вулканогенные породы, состоящие из трудно распознаваемых под микроскопом сросшихся зерен кварца и альбита с незначительной примесью серицита, мусковита, биотита, рудных минералов (магнетита, гематита, пирита), а также роговой обманки, хлорита, эпидона, карбоната, акцессориев (турмалина, апатита, циркона). От близких по составу лептидов отличаются роговиковым обликом, раковистым изломом, фальзитовым микростроением. По генезису это субвулканические и, частично, гипабиссальные породы.

Объемный вес породы – 2,61 – 2,65 г/см3. Значение объемного и удельного веса несколько увеличиваются при обогащении пород магнетитом, амфиболом и другими железосодержащими минералами [4].

Водопоглощение геллефлинт низкое и составляет в среднем 0,1%, увеличиваясь в 2-3 раза в породах, затронутых процессами выветривания.

Магнитная восприимчивость пород вполне коррелирует с общим содержанием железа. Этот показатель варьирует в геллефлинтах и плагиопорфирах в пределах (2-10)10-6 СГСМ. При увеличении количества железосодержащих минералов (биотита, магнетита и др.) величина магнитной восприимчивости возрастает в 5-10 раз.

Предел прочности геллефлинт и плагиопорфиров при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии, по данным многочисленных (около 250) определений, в 95% проб выше 1200 кг/см2, а по отдельным образцам достигает 2500-3000 кг/см2. Характерно, что все пробы выдержали 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания без существенной потери прочности.

На центральном участке Костомукшского железорудного месторождения геллефлинты представлены преимущественно светлосерыми, розовато-серыми массивными или слабо рассланцованными породами с раковистым изломом. В них наблюдаются небольшие жилы сложной морфологии и гнезда светло-розовых пород, в которых визуально фиксируются обособления кварца, микроклинперрита, розетки мелкопластинчатого зеленоватого или серебристого мусковита, чешуйки хлоротизированного биотита. Содержание породообразующих минералов варьируется в относительно узких пределах. В основной массе устанавливается 55 - 65% плагиоклаза и 20 - 40% кварца. Содержание слюд в массивных разновидностях обычно составляет 5 - 10% и редко превышает 20%. В рассланцованных разновидностях содержание серицита и мусковита быстро возрастает до 30 - 35%, соответственно сокращается содержание полевого шпата.

При этом натриевые геллефлинты (с преобладанием содержания двуокиси натрия относительно содержания двуокиси калия) являются преобладающими среди вскрышных пород данного месторождения. Геллефлинты натриевые - массивные, афанитовые, имеют фальзитовые, участками микролитовые либо реликтовые микросферолитовые структуры с зернами 0,001-0,015 мм. Микролиты альбита удлиненной формы, нередко с полисинтетическими двойниками, имеют, как правило, субпараллельную ориентировку либо располагаются радиально, образуя сферолитовые агрегаты. Геллефлинта является уникальным по своему составу и свойствам материалом (обнаружены в Карелии только на Костомукшском железорудном месторождении). В частности, уровень радиации породы ниже природного фонового уровня радиации, в то время как кварцевый песок, полученный при разрушении некоторых пород гранита и некоторых других минералов, имеет уровень радиации выше фонового.

Пористость песка геллефлинты на 15% больше, чем у кварцевого песка. Определение удельной поверхности зерен геллефлинты фракции

0,61 - 1,12 мм методом адсорбции азота, показало величину удельной поверхности 4,1 м2/г при удельной поверхности кварцевого песка той же фракции 2,7 м2/г. [2].

Коэффициент прочности геллефлинт и плагиопорфиров, определенный по методу М.М.Протодьяконову (метод толчения), составляет обычно 12-18 единиц. Геллефлинты натриевые устойчивы к истиранию, проявляют высокую прочность на удар (обычно 10-15 ударов на копре Пэджа). Все показатели, естественно, резко меняются в породах, измененных процессами выветривания, однако такие породы составляют незначительную часть от общего объема геллефлинт месторождения.

Калиевые геллефлинты по основным физико-механическим свойствам мало отличаются от геллефлинт натриевых и плагиопорфиров, но для них характерен большой размах колебаний отдельных показателей по образцам и пробам возможно из-за значительного количества макро дефектов - мелких трещинок, «залеченных» кварц-карбонатными и кварц-микроклиновыми жилами, неравномерной перекристаллизацией калиевых геллефлинт, а также содержанием в них гнездовых скоплений кварца в ассоциации с карбонатом, биотитом, магнетитом и другими минералами (табл. 1).

Таблица 1.

Физические и физико-механические свойства геллефлинт и плагиопорфиров.

Показатели	Геллефлинты натриевые и плагиопорфиры	Геллефлинты калиевые
Объемный вес, г/см3	2.61-2.65	2.56-2.74
Удельный вес, г/см3	2.66-2.72	2.59-2.78
Водопоглощение, %	0.05-0.2	0.1-0.3
Предел прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии, кг/см2	1200-3100	950-3200
Коэффициент крепости (по Протодьяконову), кгм/см3	12-18	12-18
Потеря в весе при истирании на круге ЛКИ, г/см2	0.02-0.6	Не опр.
Прочность на удар на копре Пэджа, кол-во ударов	7-27	7-27
Морозостойкость, цикл	100	100
Магнитная восприимчивость, ед. СГСМ	(2-10)10-6	(40-70)10-6

Геллефлинты натриевые и плагиопорфиры по химическому составу мало отличаются друг от друга. Институтом геологии Карельского научного центра РАН были проведены многочисленные химические анализы, результаты которых представлены в табл. 2.

Согласно общероссийскому классификатору полезных ископаемых и подземных вод (ОКПИиПВ) входящему в состав Единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации (ЕСКК) в Российской Федерации геллефлинт определен в разделе «прочие полезные ископаемые» как камень для строительства (код классификатора 141124). Но, как показывают исследования проведенные институтом геологии КарНЦ и многими другими организациями и предприятиями, геллефлинта без обогащения может быть использована во многих направлениях промышленных производств, а не только для производства щебня и опытного производства эмалей. [6].

Геллефлитны хорошо обогащаются, обеспечивая выпуск кварц-полевошпатовых концентратов высокой чистоты. Обезжелезивание осуществляется методом флотации в условиях замкнутого цикла с использованием оборотной воды. Кварц-полевошпатовые концентраты из плагиопорфиров, десятки тонн которых испытаны на промышленных предприятиях, являются новым высокоэффективным сырьем для производства фарфоровой посуды. Это сырье может в значительной мере заменить остродефицитные концентраты из микроклиновых пегматитов и при этом сократить энергетические расходы за счет снижения температуры и времени обжига изделий. Концентраты из геллефлинта могут быть использованы для эмалирования металлоизделий, производства фарфоровых санитарно-технических изделий, облицовочных фасадных плиток на конвейерно-поточных линиях. Они могут применяться в качестве компонентов для производства листового стекла, изделий из цветного стекла, декоративных облицовочных материалов, стеклокристаллических материалов, может быть использовано для изготовления отделочных строительных плит, изготовления абразивных изделий и т.д. [5].

Таблица 2.

Химический состав геллефлинт и плагиопорфиров Костомукши (% массы).

Компоненты	Геллефлинта натриевая и плагиопорфир			Геллефлинта калиевая
	от	до	Ср.50 ан.	от	до	Ср.14 ан.
SiO 2	67.89	71.89	69.98	66.10	69.49	67.96
TiO 2	0.03	0.14	0.08	0.03	0.13	0.05
Al 2 O 3	15.30	18.91	17.28	12.68	17.52	15.13
Fe 2 O 3	0.02	1.92	0.44	0.25	1.86	0.94
FeO	0.11	2.70	0.80	0.52	1.75	1.21
MnO	0.01	0.17	0.02	0.018	0.02	0.01
MgO	0.28	1.30	0.70	0.23	1.00	0.57
CaO	0.74	2.70	1.84	0.40	2.54	1.40
Na 2 O	4.25	6.87	5.64	0.55	5.17	1.75
K 2 O	0.37	3.06	1.35	6.30	12.84	9.94
H 2 O	0.02	0.79	0.37	0.03	0.23	0.11
ппп	0.35	2.79	1.25	0.21	2.48	1.06
Сумма			99.75			100.13

Геллефлинты могут применяться так же для производства минеральной ваты, а геллефлинтовый песок - это новый экологически чистый природный материал для очистки воды. Как сорбционно-фильтрующий материал для очистки питьевой воды или сточных вод на засыпных фильтрах, который оказывает уменьшенное фильтрационное сопротивление потоку, улучшенные сорбционно-фильтрационные свойства, улучшенные качества итоговых жидких сред. Его особенностью является высокая технологическая эффективность, экономичность при использовании и снижение содержания нитратов в воде [2].

Без обогащения натриевые геллефлинты и плагиопорфиры пригодны для выпуска строительного высокопрочного щебня, светлого термо-кислотостойкого каменного литья, кислотоупорных порошков, химически стойкой стройкерамики и многих других производств.

В настоящее время из геллефлинт производится только щебень различных фракций, применяемый в качестве заполнителя для тяжелого бетона, а также для дорожных и других видов строительных работ (ГОСТ8267-93) в объеме около 500 тыс. тонн в год, практически полностью используемый для внутренних потребностей комбината. Продажа его для строительных объектов города составляет 30 тыс. тонн (6% от производства). За пределы города Костомукша щебень в товарных количествах не продается.

С целью исследования перспектив использования геллефлинт Костомукшского месторождения для других целей б ыли проведены исследования минерального состава и содержания минеральных компонентов в образцах вскрышных пород методом рентгенодифракционного анализа (качественного и полуколичественного). Усредненные результаты качественного анализа представлены в табл. 3.

Технологическими исследованиями установлена пригодность этих пород для производства строительных материалов и в качестве технологического сырья различного назначения. Данные о минеральном и химическом составе геллефлинт, полученные в результате обзора литературы, свидетельствуют о возможности их применения для производства декоративного строительного материала, в частности стеклокремнезита.

Это – декоративно-облицовочный материал на основе кварцевого песка и отходов стекла. Данный материал синтезирован из стеклогранулята (фракция 1-50 мм) с использованием первичных сырьевых материалов (кварцевый песок и другие добавки).

Лицевая поверхность стеклокремнезита имеет различные цветовые оттенки и рисунки в зависимости от химического состава стеклогранулянта, служащего верхним декоративным слоем. Тыльная сторона обладает развитой шероховатой поверхностью, что улучшает ее сцепление с цементным раствором при монтаже плит.

Для проведения экспериментальных исследований были взяты пробы, взятые с Центрального участка Костомукшского месторождения. Образец для оптической микроскопии тщательно отшлифовали, затем отполировали, так как от качества полировки зависит результаты эксперимента. Исходная поверхность образцов геллефлинта для исследований показана на рис. 1.

Рис. 1. Исходная поверхность геллефлита.

Анализ полученных результатов оптической микроскопии показал наличие полевых шпатов, кварца, биотита и вкраплений пирита: кварц – 25-30 %; полевые шпаты (альбит-олигоклаз) – 60-75 %; биотит – 2-10 %; мусковит – 2-8 %; а также серицит, реже амфибол, хлорит, карбонаты, пирротин и пирит.

Образцы для рентгеновского дифракционного анализа были приготовлены в виде мелкозернистого порошка с величиной частиц от 1 до 10 мкм с помощью электрической мельницы КМ-1.

Результаты рентгеновского дифракционного анализа образцов показали наличие основных двух групп: с преобладанием кварца (SiO2 с условной концентрацией 64,2%) и альбита (Na[AlSi3O8] с условной концентрацией 35,8%], а во втором кварца, анортита и мусковита. Характерные дифрактограммы с кристаллическими фазами в образах показаны на рис. 2.

Таблица 3.

Результаты качественного анализа проб.

Название	Эталон	Химическая формула	Условная концентрация
кварц	9-457	SiO 2	64,2 %
альбит	5-490	Na[AlSi 3 O 8 ]	35,8 %

Рис. 2. Примеры дифрактограмм и спектральной плотности распределения элементов в исходных образцах.

Во второй группе распределение минерального состава ( в условных концентрациях) было следующим: кварца – 66,8 %, анортита (Ca[AlSi 3 O 8 ]) -29,3% и мусковита (KAl 2 [Si 3 Al]O 10 ) -3,8%.

Для подтверждения о возможности применения вскрышной породы Костомукшского ГОКа для производства стеклокремнезита были проведены исследования ИК-воздействия на различные смеси. Для проведения ИК-воздействия использовали камерную лабораторную электропечь SNOL 6,7/1300 с диапазоном автоматического регулирования температуры от 50 до 1300˚С. Программируя электропечь на различную температуру, выбирали наиболее оптимальный режим воздействия. Схема экспериментальных исследований показана на рис. 3.

(ХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ

Исследование минерального состава п структурных особенное зеЛ

ИК-аотэейсПпае

Исследование состава И структуры полученного материала

Выбор оптимального режима и услолий ooiaeiicnita

Исходный обратен

Пошизовка обратна к нсспедоаамшо

РЕНТГЕНОВСК1ГЙ ДИФРАМШОННЫЛ АНАЛИЗ

ЭЛЕКТРОПЕЧЬ КАМЕРН.-ХЯ SNOL6JH300

Диапазон автоматического рсгу тироваиня температуры от 50 jo 1300 *С '

Рис.3 Схема экспериментальных исследований.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил выявить оптимальный режим и условия воздействия на образцы с образованием гомогенной стеклофазы при значительно низких температурах воздействия (например, известна шихта для получения стеклокристаллического материала, содержащая натриевую геллефлинту. При этом варку стекла осуществляют при 1450-1500оС в течение 3,5 ч. [5]). Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 4.

Тонкозернистое строение геллефлинта при очень плотном равномерном срастании мельчайших зерен кварца с альбитом в соотношении, близком эвтектическому, способствует образованию гомогенной стеклофазы при относительно низкой температуре обжига, равной 1000˚С.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ

ОПШМАЛЬНЫЛ РЕЖИМ ВОЗДЕЙСТВИЯ

РЕАКЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ МУЛЛИТА ИЗ КАОЛИНИТА

А1 jSjACOHb (400 — 600<Т А1 jSyO, + 2НХ> каолинит —► метакаолиннт

2(А1зО! 2Si2O)~ 925cCAl1OJ 3SiOJ f SiOi метакаолнппт —* кремниевая шпинель

2А 1:Ог 3810^ 2(ALOr25143)+ 810; кремниевая шпинель — псевдомутлит

3(А1 ;О, 2Si:O) (1100 — 1400)°С ЗА1A 28i:O+ SiO, пеевдоиулшп — мухпп кристобалит

ВИДЫ ОБРАЗУЮЩИХСЯ СТРУКТУР ПРИ РАЗЛИЧНОМ СОСТАВЕ И ВОЗДЕЙСТВИИ

•ММ

Образец 1            Образец 2            Образец 3             Образец 4              Образен 5

Рис. 4 Результаты экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования подтвердили возможность применения геллефлинта для производства стеклокремнезита. При этом в качестве исходного материала получения компонент для производства стеклокремнезита предлагается использовать отсев щебеночного производства (15% от общего производства щебенки) крупностью +0-5мм.