Оценка влияния водонасыщения на высокоглинистые пески благородных металлов для последующей их дезинтеграции

Постановка проблемы и анализ последних исследований

В результате многолетней отработки россыпных месторождений на территории Дальневосточного региона возникла необходимость вовлечения в эксплуатацию погребенных и других сложноструктурных месторождений с высоким содержанием глины – в отдельных случаях до 90–99 % – мелким, тонким и пластинчатым золотом [1]. Многие старательские артели не могут в настоящее время решить проблему потерь пластинчатого тонкого золота, которое находится в россыпях в большом количестве. Применение традиционных способов отработки высокоглинистых песков позволяет отрабатывать месторождения с содержанием глины до 30–40 %, при этом потери золота с окатышами составляют величину до 54 % [2, 3].

В процессе переработки высокоглинистые пески дезинтегрируют в среднем не более 10 % при дражном способе разработки и максимум до 25 % при использовании промывочных установок типа ПГШ и ГПСС в комплексе с гидровашгердом [2, 4]. Поэтому большое внимание уделяется исследованиям процессов дезинтеграции, которые во многом зависят от изменения структурных особенностей и физико-механических характеристик глинистых песков при водонасыщении [4]. Особую роль для снижения потерь металла при дезинтеграции играет необходимость разрушить структурные связи глинистых частиц, которые зачастую бывают очень прочными из-за повышенного содержания оксидов железа и кремния [2]. В зависимости от состава и структуры глинистой породы между частицами могут существовать такие виды взаимодействий, как гравитационные, магнитные, молекулярные, электростатические, ионно-электростатические, силы поверхностного натяжения и силы, обусловленные химическими связями. Характер индивидуальных контактов, а также их количество служат важными показателями структуры породы, от которых зависят ее прочностные и деформационные свойства [5]. В зависимости от характера проявления молекулярных и молекулярно-ионно-электростатических сил в глинистых песках происходит различная агрегация частиц, образуются различные структуры глинистых пород. Отмечаются также связи магнитного характера и связи, появляющиеся вследствие контактной разности потенциалов. Наряду с первичным сцеплением в глинистых породах со временем развиваются прочные цементационные связи. Определенную роль играют и силы внутреннего трения между частицами, зависящие от плотности, влажности и напряженного состояния породы [6]. Весьма прочные водостойкие связи не позволяют известными методами и средствами эффективно дезинтегрировать глинистую составляющую песков. В ряде ранее выполненных работ [7-8] была показана зависимость физико-механических свойств песков россыпей от степени их водонасыщения. В статье [9] представлены технологические схемы разработки россыпных месторождений с глинистыми песками, предусматривающие подготовку песков к дезинтеграции методами управляемого водонасыщения с последующей их вторичной добычей и обогащением. Рассмотрены вопросы дезинтеграции посредством физико-механического воздействия на высокоглинистые пески [10-11].

Постановка и решение задачи

Выполненные ранее исследования не позволяют в достаточной степени охарактеризовать процесс дезинтеграции мелкодисперсных глинистых частиц золотоносных россыпей на стадии предварительной оценки. Недостаточно изучены физико-механические – прочностные, акустические, упругореологические, деформационные, динамические, теплофизические; физико-химические - сорбционная активность, ионообменная способность, набухание, тик-сотропность, коагуляционная способность, дилатансия, а также структурно-механические свойства - геометрические, в том числе дисперсность; морфометрические - фазовые соотношения, размеры, форма, характер поверхности структурных элементов и их количественное соотношение; энергетические - коагуляционные, кристаллизационные, конденсационные структурные связи, их общая энергия и другие свойства глинистых песков россыпных месторождений благородных металлов в Дальневосточном регионе. Недостаточно изучены упругие характеристики и характер изменения физико-механических свойств глинистых песков при водонасыщении.

Цель исследований состояла в изучении структурно-механических свойств, а также в получении данных, определяющих изменения упругих характеристик золотоносных глинистых песков месторождения «Болотистый» Хабаровского края при влиянии различной степени во-донасыщения для предварительной оценки дезинтегрируемости.

Методика исследований

Исследования проводили на оборудовании и приборах Центра коллективного пользования ИГД ДВО РАН, Института материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН и Испытательного центра ДВГУПС. Рентгенофазовый анализ проб исследуемого месторождения осуществляли с помощью дифрактометра ДРОН-7. Напряжение трубки 40 кВ, ток накала 20 μА. Шаг сканирования по углу 2Theta 0.05 град. Для идентификации линий рентгеновских спектров использовался программный пакет PDWin (НПП «Буревестник»). С помощью рентгенофлюоресцентного спектрометра Mobilab X-50 выполнен спектрометрический анализ. После определения гранулометрии образцов посредством лазерного дифракционного микроанализатора – Laser Particle Sizer «Analysette 22», работающего на основе сходящегося лазерного луча, исследовалась дисперсность фракции размером менее 0,5 мм. Для определения плотности образцов и естественной начальной влажности применялись стандартные методики. Скорость ультразвука в продольном направлении в образцах размером 0,24х0,22х0,16м, отобранных на месторождении, определялась для аналитических расчетов упругих характеристик песков.

Результаты исследований

Рентгенофазовым анализом в пробах исследуемого месторождения установлены минералы: каолинит, монтмориллонит, сидерит. Наиболее трудноразрушаемыми являются каолиновые глины, за ними следуют гидрослюды и монтмориллониты . Спектроскопия показала преобладание по массе соединений Fe (63,728 кг/т,) K, Ca, Ti, Mn, Ba, Zr, Cr, Sr. Выявленное преобладание в пробах соединений железа Fe может свидетельствовать о прочных водостойких связях. На рис. 1 представлена спектрограмма образца В-1-1 исследуемого месторождения. Ситовым анализом определен гранулометрический состав проб (рис. 2).

Ft* ibcrJ-y i^>™ -wu

1>лсЛ£

№r^M ЯЭ07-3=р-ЭО12

KI I e Kh

CALB-flJl

1554Л i-a J пел иел

Рис. 1. Спектрограмма образца В-1-1 месторождения «Болотистый»

Рис. 2. Гистограмма содержания массовой доли материала по фракциям (слева направо): – 0,5 мм; -1+0,5 мм; 2+1 мм; +2 мм

Рис. 3. Гистограмма и интегральная кривая распределения дисперсности частиц по размерам, образец 4 месторождения «Болотистый»

Содержание фракций размером менее 0,5 мм в пробах исследуемых глинистых песков до 99,8 %. На рис. 3 представлена гистограмма и интегральная кривая распределения дисперсности частиц по размерам одного из образцов месторождения «Болотистый». Содержание частиц диаметром менее 5 мкм – 99,67 %.

Исследование свойств высокоглинистых песков при водонасыщении во многом предопределяет выбор способа разработки песков и обосновывает необходимость совершенствования процессов дезинтеграции. Эспериментальным и аналитическим путем определены: параметры изменения эффективной сжимаемости; скорости продольной ультразвуковой волны V при равновесной эквивалентной плотности; модуль сдвига д (вторая компонента Лямэ); модуль продольного растяжения Е (модуль Юнга) и коэффициент поперечного сжатия v (коэффициент Пуассона) при изменении водонасыщения до 30 % исследуемого месторождения «Болотистый».

На рис. 4 показаны зависимости модуля Юнга и модуля сдвига μ от равновесного значения волнового сопротивления Z=Р 'Vпесков при изменении влажности от 20 до 30 %. Модуль сдвига μ и первая компонента Лямэ λ для песков с естественной влажностью и влагонасыщенных до 30 % определялись

Ц = р • Vi2

по формулам [12]

Хр (V V1 ), где р - равновесная эквивалентная плотность песков с естественной влажностью, определенная экспериментальным путем, или влагонасыщенных песков, полученная расчетным путем, кг/м3; V1 - расчетная скорость поперечных волн в зависимости от водосодержания; V - измеренная экспериментальным путем скорость продольных волн в образце с естественной влажностью или скорость продольных волн в водонасыщенных песках, полученная расчетным путем, м/с.

Модуль продольного растяжения Е определен по формуле [12]:

Е _ р (3X + 2р)

X + р *

3,4 ζ ∙10 ^-6 , кг/м ² ∙с

2,5

Рис. 4. Зависимости модуля упругости Е (1, 2) и модуля сдвига д (3, 4) от равновесного значения волнового сопротивления ζ песков месторождения «Болотистый» при водонасыщении от 20 до 30 %: * – при начальной влажности песков; ** – при 30 % содержании воды в песках

При изменении влажности глинистых песков исследуемого месторождения от 20 до 30 % волновое сопротивление песков меняется от 3,3-10^-6 до 2,7^10^-6 кг/м²^с, модуль продольного растяжения Е изменяется от 4,3-10 9 до 3,4-10 9 МПа, модуль сдвига ц или вторая компонента Лямэ изменяется от 1,74^10 9 до 1,4-10 9 МПа. Таким образом, при увеличении влажности на 10 % модуль продольного растяжения Е снижается в среднем на 15 %, а модуль сдвига μ – на 13,8 %.

Характер воздействия применяемых систем дезинтеграции глинистых песков на объектах золотоносных россыпей в настоящее время основан на реализации физического принципа, работающего на создание механических напряжений сжатия и сдвига. Прочность на растяжение дисперсных горных пород ниже их прочности на сжатие, а модуль сдвига исследуемых песков по сравнению с модулем продольного растяжения ниже в 2,5 раза, следовательно, необходимо создавать системы, работающие в большей степени на сдвиг. Особое значение приобретает необходимость волнового воздействия на глинистую составляющую при дезинтеграции песков для извлечения пластинчатого тонкого золота.

Для решения проблемы эффективного разупрочнения золотосодержащих песков россыпей с повышенной глинистой составляющей могут быть использованы кавитаторы [13], а также технологии с инициированием импульсного и волнового воздействия посредством преобразования электрофизических и других видов энергии в механические и гидродинамические [14, 16].

Выводы

Наличие глинистых минералов каолинита и монтмориллонита в исследуемых образцах песков исследуемого месторождения, а также выявленное преобладание в пробах соединений железа Fe, которое может свидетельствовать о прочных водостойких связях, позволяет отнести пески к трудноразрушаемым.

Установленное гранулометрическим анализом содержание фракций размером менее 0,5 мм в пробах исследуемых глинистых песков равное 99,8 % и - содержание частиц диаметром менее 5 мкм равное 99,67 %, также подтверждает весьма сложный характер исследуемых песков для последующей дезинтеграции.

Углы наклона кривых Е( £ ) и ц ( Z) отображают влияние водонасыщения, которое более эффективно выражено для модуля Юнга Е, чем модуля сдвига ц.

При одних и тех же значениях волнового сопротивления исследуемых песков модуль сдвига ц ниже модуля упругости в 2,5 раза, следовательно, необходимо создавать системы дезинтеграции высокоглинистых песков россыпей, работающие в большей степени на сдвиг.