Вещественный состав и направления использования твердых полезных ископаемых. Учебное пособие

сительной выдержанностью. Фосфоритоносная толща часто включает несколько фосфоритных слоев, разделенных прослоями песка, глины, мергеля, мела.

Суммарная мощность фосфоритных слоев чаще всего составляет 1–5 м, мощность отдельных слоев обычно не превышает нескольких десятков сантиметров, изредка достигает 1–2 метров.

Фосфоритовые месторождения делятся на хемогенные, биохемогенные и переотложенные.

Характер фосфатов, их структурные соотношения с другими минералами в месторождениях различных типов неодинаковы, что предопределяет различные способы переработки фосфоритовых руд для производства минеральных удобрений.

Микрозернистые фосфориты состоят из мелких едва различимых простым глазом зерен фосфорита (0,5–0,7, реже 1,0– 1,2 мм) или оолитов, сцементированных фосфатно-карбонат- ным или фосфатно-кремнистым цементом. Зерна фосфорита имеют темно-коричневый цвет различных оттенков. При слабой цементации порода представляет собой фосфоритный песок. Среднее содержание Р2О5 в них составляет 22–24 %. Эти руды необходимо подвергать химической или термической переработке.

Зернистые фосфоритовые руды характеризуются невысоким (10–15 %) содержанием Р2О5, но легкой обогатимостью, в связи с чем могут представлять практический интерес.

Желваковые фосфоритовые руды представляют собой конкреционные стяжения (желваки) фосфоритов в песчано-гли- нистых породах. Желваки имеют неправильную форму, неровную бугристую поверхность темно-серого или бурого цвета, их размер колеблется от 0,5 до 35,0 см (чаще 5–10 см); они состоят из различных нефосфатных минералов (кварц, глинистые минералы, глауконит и др.), сцементированных фосфатным веществом в плотную конкрецию. Содержание P2O5 в желваках варьирует от 12–14 % до 35 % и более.

В большинстве месторождений этого типа основное количество Р2О5 связано с фракциями руды крупностью более 0,5 мм. Обычно 30–40 % фосфатного вещества находится в легкорастворимой форме, что обусловливает его хорошую усвояемость растениями.

91

Ракушечные фосфориты представляют собой слои песчаноалевритовых пород, вмещающих фосфатизированные ракушки. Раковины встречаются преимущественно в виде обломков размером от 0,1 до 1,0 мм. Размер целых раковин обычно не превышает 10 мм в поперечнике. Мощность продуктивных слоев составляет 0,5–4,0 м.

5.2.3. Сернокислотное сырье

Этот вид полезного ископаемого включает самородную серу и серный колчедан FeS2, применяемые для производства серной кислоты H2SO4 – важнейшего реагента для химической промышленности.

Сера – элемент VI группы периодической системы, порядковый номер – 16, атомная масса – 32,06, плотность – 2,07 г/см3, температура плавления – 112,8 °С, цвет желтый.

Самородная сера – минерал, образующий плотные, землистые агрегаты, желваки, налеты, реже кристаллы. Цвет от со- ломенно-желтого до коричневого и черного, блеск смолистый до жирного, твердость – 1–2.

Основной потребитель серы – химическая промышленность, сырье для производства серной кислоты. Кроме того, она применяется при производстве искусственного волокна (вискозы), ультрамарина, синьки, сернистых красителей, синтетического каучука и т.д. Широко используется сера в целлюлозно-бумажной, резиновой, химико-фармацевтиче- ской промышленности. Одним из ее потребителей является сельское хозяйство (средства борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур, микроудобрения и т.д.). В животноводстве сера используется как дезинфицирующее средство для окуривания животных, входит в состав различных мазей.

В настоящее время источниками получения серы являются самородная сера, а также сера, содержащаяся в виде сероводорода в горючих газах, и сера, содержащаяся в нефти и сульфидных рудах.

Наряду с самородной серой из указанных выше видов сырья наиболее важной является сера, содержащаяся в горючих газах, обеспечивающая получение высококачественного продукта чистотой до 99,9 %. Выявлен ряд газовых месторожде-

92

ний, запасы серы в которых сопоставимы с запасами в месторождениях самородной серы.

В промышленных масштабах сера извлекается при очистке добываемых сернистых нефтей, при улавливании сернистых газов из металлургических печей при переработке медных и цинковых концентратов, а также из полупродуктов и отходов коксохимического производства. В указанных видах сырья сера является сопутствующим компонентом и извлекается как попутный продукт.

По содержанию серы руды обычно подразделяются на весьма богатые (выше 25 %), богатые (18–25 %), средние (12– 18 %) и бедные (5–12 %); по выплавляемости – на легковыплавляемые (выше 60 %), средневыплавляемые (40–60 %) и трудновыплавляемые (ниже 40 %).

Добыча серных руд в зависимости от глубины их залегания

игеологических условий осуществляется открытыми горными работами или методом подземной выплавки (ПВС). Получаемая при подземной выплавке сера отличается высокой (99,9 %) чистотой. Минимальное содержание серы в руде составляет 9–10 %.

Помимо серы в сернокислотном производстве может быть

использован пирит (серный колчедан) FeS2, являющийся самым распространенным сульфидом в земной коре. Этот минерал в больших количествах встречается в медноколчеданных

иполиметаллических рудах и при их обогащении выводится

вотдельный концентрат. Далее концентрат сжигается. Сера переходит в SO2, который доокисляется до SO3 и соединяется

сводой, образуя H2SO4. В виде отходов получаются так называемые огарки (окислы железа), которые в связи с высокими концентрациями серы не используются в металлургии.

5.2.4. Фтористое сырье

Важнейшим минералом для получения фтора и производства его соединений является флюорит.

Флюорит (плавиковый шпат) CaF2 – минерал, содержащий 51,2 % кальция и 48,8 % фтора. В виде изоморфной примеси иногда содержит хлор, другими примесями являются Fe2O3, уран и редкоземельные элементы.

93

Флюорит кристаллизуется в кубической сингонии. Он образует кубические, реже октаэдрические и додекаэдрические кристаллы. Обычно флюорит наблюдается в виде грубо- и тонкозернистых масс. Он бывает плотным, землистым, реже столбчатым или в виде сферических агрегатов. Чистый флюорит бесцветен и водяно-прозрачен, но встречается редко. Обычно минерал окрашен в фиолетовый, зеленый, розовато-желтый

имолочно-белый цвет различных оттенков и интенсивности. Твердость флюорита по шкале Мооса – 4, плотность – 3,2 г/см3 (у иттристого плавикового шпата – 3,3–3,6 г/см3), блеск стеклянный.

Флюорит диамагнитен и не проводит электрический ток. При нагревании некоторые разновидности имеют неприятный запах, обусловленный наличием в них примеси органических веществ. В воде флюорит практически не растворяется, полностью разлагается лишь в крепкой серной кислоте, азотная и серная кислоты действуют на него слабее. Является основным сырьем для получения фтора.

Главным потребителем фтора является химическая промышленность, в первую очередь производство фтористоводородной кислоты, на основе которой вырабатываются различные фторсодержащие продукты. На втором месте стоит металлургическая промышленность, использующая флюорит

вкачестве флюса. Он применяется также как флюс в цементном производстве и при изготовлении непрозрачных матовых стекол и эмалей. Чистые прозрачные кристаллы используются в качестве оптического сырья.

Всоответствии с основными областями применения флюорита ему присваивают следующие товарные названия: кислотный (химический), металлургический (флюсовый), эмалевый (керамический) и оптический.

По содержанию CaF флюоритовые руды делятся на очень богатые (более 85 %), богатые (60–85 %), средние (40–60 %)

ибедные (30–40 %). Более бедные руды могут использоваться только при особо благоприятных условиях (очень большие запасы, легкая обогатимость и т.п.).

Еще одним сырьем для химической промышленности являются бариевые минералы (барит и витерит), используемые для получения бария и его соединений.

94

Барит ВаSO4 представляет собой сульфат бария, витерит ВаСО3 – углекислую соль бария. В природе они встречаются совместно, причем в РФ известны только баритовые месторождения, в рудах которых витерит присутствует в виде попутного минерала – от 1–2 % до 10 %. Очень редко содержание витерита достигает 30–40 %.

Химический состав и свойства этих минералов резко различаются. Химически чистый барит содержит ВаО 65,7 %; SO4 – 34,3 %. Он практически нерастворим в воде, слабых минеральных кислотах и органических растворителях. Цвет барита белый, серый, голубой, желтый, розовый, бурый, красный, коричневый в зависимости от состава и количества примесей, встречаются также прозрачные, бесцветные разновидности.

Витерит содержит ВаО 77,7 %, СО2 – 22,3 %, легко разлагается под воздействием даже слабых кислот и относительно хорошо растворим в воде. Цвет витерита изменяется от белого до желтого. Плотность чистых барита и витерита колеблется в пределах от 4,3 до 4,6 г/см3, твердость – от 2,5 до 3,5, причем витерит характеризуется большей твердостью. Оба минерала обычно встречаются вместе с кварцем, кальцитом, сульфидами, флюоритом и другими минералами, содержание которых

вбаритовой руде достигает иногда нескольких процентов.

Вхимической промышленности при производстве барие- во-цинковых белил, различных солей и препаратов бария используется как барит, так и витерит.

Применяется барит и в других отраслях промышленности. Нефтяная промышленность является крупнейшим потребителем барита, где он используется в качестве утяжелителя глинистых растворов, применяемых при бурении нефтяных

игазовых скважин. Витерит в качестве утяжелителя не применяется. В резиновой и бумажной промышленности барит используется при изготовлении специальных сортов жесткой резины, бумаги, картона, в строительной промышленности – для штукатурных работ при облицовке стен кабинетов с рентгеновскими установками, а также тяжелых бетонов.

По минеральным ассоциациям баритовые руды делятся на мономинеральные и комплексные. Комплексные руды подразделяются на барито-сульфидные, барито-кальцитовые (содержат до 75 % кальцита), железо-баритовые (содержат магнетит,

95

гематит, а также гётит и гидрогётит) и барито-флюоритовые (кроме барита и флюорита обычно содержат кварц и кальцит).

С практической точки зрения наибольший интерес представляют гидротермальные жильные мономинеральные, ба- рито-сульфидные и барито-флюоритовые месторождения.

Как правило, многие баритовые руды содержат в промышленных концентрациях другие полезные ископаемые (флюорит, галенит, сфалерит, медь, золото), поэтому используются комплексно.

Довольно важным химическим сырьем является один из самых распространенных минералов мышьяка – арсенопирит FeAsS, который используется для прямого извлечения мышьяка и производства его соединений различного состава и назначения.

К агрономическому сырью, т.е. минеральным субстанциям, используемым в агротехнике, следует отнести породы карбонатного состава (известняк, доломит, мел), применяемы для раскисления почв. К этому виду сырья следует отнести также фосфоритовую муку и сильвинит – природные минеральные удобрения, а также органические сапропели, используемые для кольматации почв и (в виде гранул) для улучшения их структуры.

5.3. Природные строительные материалы и сырье для их производства

Согласно приведенной выше промышленной классификации (см. табл. 3) этот класс неметаллических полезных ископаемых разделяется на ряд видов и объединяет в основном горные породы (реже отдельные минералы), которые либо сами являются природными строительными материалами (стеновой камень, бутовый камень, облицовочные материалы), либо применяются для производства вяжущих материалов (цемент, известь, алебастр), а также стекла и керамических изделий.

5.3.1.Природные строительные камни

Всовременных условиях несмотря на широкое распространение композитных искусственных материалов не снижается промышленное значение природного камня. Виды горных пород и камней, применяемых в строительстве, приведены в табл. 7.

96

Таблица 7

Различные виды горных пород и камней, применяемых в строительстве

97

Продукция камнедобывающих предприятий в зависимости от способов добычи и дальнейшего применения делится на следующие две группы.

1.Штучный камень, добываемый в виде блоков, используемых либо непосредственно, либо после соответствующей обработки. Различают:

а) облицовочные (декоративные) камни; б) бутовые камни;

в) камни специального назначения (кислотно-щелочеупор- ные, жаростойкие и т.д.);

г) дорожные камни (брусчатка, бортовые и т.д.); д) стеновые пильные камни.

2.Камень массового производства, имеющий произвольную форму:

а) рваный камень; б) дробленый камень (щебень, крошка, искусственный пе-

сок).

Возможность применения горных пород в строительстве в первую очередь определяется комплексом их физико-механи- ческих свойств.

Из физико-механических свойств главнейшим является прочность камня на сжатие, сопротивление удару, истираемость и т.д., которые зависят от пористости, зернистости, минерального состава, формы зерен минералов и их расположения, трещиноватости, а в некоторых осадочных породах – от состава естественного цемента, скрепляющего зерна в породе.

Значительное влияние на стойкость и прочность горной породы наряду с минеральным составом оказывают структура и текстура породы.

Существенное влияние на пригодность камня имеет степень его свежести – невыветрелости. Чем значительнее порода затронута процессами выветривания, тем менее она пригодна

вкачестве облицовочного материала.

Пригодность горных пород в качестве облицовочного материала определяется также их декоративными и физико-меха- ническими свойствами. К декоративным свойствам относятся цвет камня и его рисунок (текстура). Цвет камня зависит главным образом от цвета слагающих его минералов, а рисунок – от особенностей структуры и текстуры горной породы. Большое

98

значение имеет также стойкость окраски. Окраска некоторых осадочных и метаморфических горных пород на открытом воздухе часто быстро исчезает. Включения сульфидов (пирит и др.), быстро окисляющихся на воздухе и дающих на поверхности камня бурые пятна, отрицательно влияют на стойкость окраски. Пригодность породы в качестве облицовочного материала определяется также его блочностью, т.е. размерами нетрещиноватых блоков камня, которые могут быть добыты из массива горной породы, а также его морозоустойчивостью.

Внастоящее время для каждого вида каменного материала, применяемого в промышленности, существуют соответствующие технические условия и ГОСТы, которыми следует руководствоваться при поисках и разведке строительного камня.

5.3.2.Наполнители бетонов

Встроительной отрасли производится очень большое количество железобетонных изделий, одним из важнейших компонентов которых являются так называемые наполнители бетонов – песок, гравий, щебень и тому подобные рыхлые осадочные породы.

Гравий и песок представляют собой рыхлые несцементированные осадочные породы, состоящие из окатанных в разной степени обломков горных пород и минералов различного состава, размера и формы. Единой общепринятой классификации песков и гравия по гранулометрическому составу нет. В петрографии осадочных пород к песку обычно относятся породы, состоящие из частиц размером от 0,1 до 1,0 мм, к гравию – от 1 до 10 мм, более крупные частицы относятся к галькам (10–100 мм) и валунам (более 100 мм).

По минеральному составу различают пески кварцевые, кварц-полевошпатовые, кварц-глауконитовые и т.д. Наиболее широко распространены пески смешанного состава с примесью глины, слюды, карбонатных, рудных и других минералов.

Гравий обычно состоит из обломков наиболее крепких минералов и горных пород: кварца, кремня, гранита, гнейса, кварцита, диабаза и т.д. Реже среди крупных фракций гравия присутствуют известняки, доломиты, песчаники, сланцы. По степени окатанности различают окатанные и полуокатанные частицы.

99

Встройиндустрии пески используются как наполнители бетонов, для производства силикатного кирпича и крупных силикатных блоков, как добавка к портландцементу, для штукатурных и кладочных растворов и т.д. Песок и гравий применяются не только как наполнители бетона, но и для устройства балластного слоя железнодорожного пути, а также оснований

ипокрытий автомобильных дорог и т.д. Требования к качеству песков и гравия определяются соответствующими ГОСТами, техническими условиями или кондициями.

Взависимости от условий образования различают следующие типы месторождений песка и гравия: морские и озерные, аллювиальные, флювиогляциальные, элювиальные, делювиальные и пролювиальные. Широко распространены также пески эолового происхождения.

Месторождения чистого гравия в природе почти не встречаются. Чаще всего гравий входит в состав обломочных пород совместно с валунами, песками и глинистым материалом, образуя гравийно-песчаную породу, так называемые песчаногравийные смеси (ПГС).

Месторождения песчано-гравийных смесей являются источниками комплексного сырья, из которого путем простейших приемов обогащения (грохочение и отмывка) получаются отдельные продукты – валуны, галька, гравий, пески различной крупности и глинистый материал. В песках, используемых в качестве наполнителей бетонов, должно быть сведено к минимуму содержание глинистого материала.

Природные пески по зерновому составу и содержанию примесей, как правило, не отвечают требованиям стандартов, особенно для бетонов, поэтому они подвергаются промывке и фракционированию.

5.3.3. Сырье для производства вяжущих материалов

В стройиндустрии для производства композитных строительных материалов используются цементы, извести, алебастры и т.д.

Цементное сырье. В промышленности стройматериалов при производстве цементов широко применяются карбонатные (известняки, доломиты, мергели и мел) и глинистые по-

100