6.1. Методы определения элементного состава полезных ископаемых по спектрометрии вторичных излучений

Наиболее распространенные методы этого класса можно подразделить на две группы. Первая включает гамма методы, основанные на взаимодействии гамма- или рентгеновского излучения с электронными оболочками атомов или ядрами атомов элементов: селективный гамма-гамма, рентгенорадиометрический (рентгенофлуорес-центный), гамма-нейтронный (фотонейтронный), ядерный гамма-ре­зонансный методы. Вторая - нейтронные методы, основанные на вза­имодействии нейтронов с ядрами элементов, входящих в состав гор­ных пород и руд: нейтрон-нейтронный метод и методы, основанные на спектрометрии гамма-излучения, возникающего при различных ядерных реакциях нейтронов с веществом (нейтронно-активацион-ный и нейтронно-радиационный методы).

6.2. Методы, основанные на взаимодействии гамма- или рентгеновского излучения с электронными оболочками атомов или ядрами атомов элементов

Селективный гамма-метод

Основан на измерении рас­сеянного горной породой излучения при облучении ее внешним ис­точником гамма-излучения с энергией от десятков до 200 - 250 кэВ. Измерения в гамма-гамма методе проводятся либо в геометрии про­хождения через породу - гамма-абсорбционный метод, либо в геометрии диффузного отражения от нее – гамма-отражательный метод.

Различие горных пород и руд по эффективному атомному номеру, величина которого определяется их элементным составом, и соот­ветственно по величине интенсивности рассеянного породами и ру­дами гамма-излучения позволяет использовать гамма-гамма метод для их разделения. Основным условием использования гамма-гам­ма метода для количественного определения полезного компонента является наличие тесной корреляции между его содержанием в по­роде и ее эффективным атомным номером. Это условие соблюдает­ся на монометалльных месторождениях и месторождениях, имею­щих простой вещественный состав пород и руд, на полиметалличес­ких месторождениях, где основной полезный компонент - свинец, а содержание остальных металлов мало или находится с ним в тесной корреляционной связи.

Наиболее благоприятны для количественных определений гам­ма-гамма методом являются полезные компоненты месторождений железосодержащих магнетито-гематитовых руд, хромовых, сурьмя­ных, свинцовых руд. Получены положительные результа­ты исследований по предконцентрации указанных выше руд (крупно порционной сортировке и сепарации), которые подтверждены испы­таниями на макетах установок, а в некоторых случаях и внедрены в производство.

Применение селективного гамма-гамма метода на месторожде­ниями комплексных руд (медно-никелевых, апатито-нефелиновых и других), возможно в составе комплекса методов каротажа подзем­ных скважин для литологического расчленения пород и оконтуривания рудных тел или оценки содержания ПК при опробовании на кон­вейерной ленте усредненных в процессе технологического цикла дроб­леных руд.

Рентгенорадиометрический метод

Метод определения вещественного состава горных пород и руд основан на возбуждении первичным иони­зирующим излучением характеристического рентгеновского излучения атомов элементов, входящих в состав исследуемой среды, и ре­гистрации его с помощью спектрометрической аппаратуры. В качестве первичного излучения в основном используется фотонное гамма- или рентгеновское излучение, испускаемое радиоизотопными источниками или рентгеновскими трубками. Фиксированные зна­чения энергий линий характеристического излучения элемента, а также пропорциональность интенсивности его характеристического излучения массовой концентрации данного элемента в исследуемой среде лежат в основе количественного элементного анализа веще­ства.

Рентгенорадиометрический метод возможно использовать для определения содержания почти всех элементов в горных породах и рудах. По физической сущности это самый универсальный метод, однако, возможности количественных определений элементов гор­ных пород и руд ограничиваются разрешающей способностью аппа­ратуры, в первую очередь энергетическим разрешением детекторов.

С целью компенсации влияния мешающих факторов (непостоянства геометрических условий измерений, вещественного состава и плот­ности вмещающих пород, текстурно-структурных особенностей оруденения, влажности среды) наиболее широкое применение при опро­бовании и разделении руд нашли способ спектральной разности и способ спектральных отношений.

В способе спектральных отношений измеряется соотношение по­токов вторичного характеристического рентгеновского излучения, определяемого элемента и рассеянного средой первичного излуче­ния. При исследовании гомогенных сред параметр разделения опре­деляется по формуле

. (6.2.1)

где - величина спектрального отношения;- зарегистрированная скорость счета (имп/с), характеризующая интенсивность флуорес­центного рентгеновского излучения определяемого элемента;-зарегистрированная скорость счета (имп/с), характеризующая интен­сивность рассеянного средой первичного (- или рентгеновского) из­лучения.

Интенсивность флуоресцентного рентгеновского излучения опре­деляемого элемента регистрируется в канале спектрометра, на­строенном на его энергетическую линию, а интенсивность рассеян­ного средой первичного излученияв другом канале, в области максимума интенсивности рассеянного от анализируемой среды пер­вичного излучения источника. Величина спектрального отношенияобычно тем больше, чем выше в анализируемой среде содержание определяемого элемента.

Таким образом, основным методическими принципами рентгенорадиометрического разделения руд явления руд являются:

• способ спектральной разности при регистрации вторичного из­лучения от рудных агрегатов;

• в качестве разделительного признака использовать не макси­мальную амплитуду откликов, а их площадь, занимаемую ими на по­верхности рудных агрегатов;

• разделение исходной горной массы на технологические продукты проводить не по содержанию полезного компонента в разделяе­мом материале, а по его поверхностному запасу.

Уменьшения влияния переменных геометрических условий изме­рений при опробовании и крупнопорционной сортировке руд возможно достичь также благодаря применению зондовых устройств специальной конструкции, большеобъемных детекторов рентгеновского излучения, площадных радиоизотопных источников.

Рентгенорадиометрический метод широко применяется при ка­ротаже скважин и опробовании подземных горных выработок на ме­сторождениях полиметаллов (свинец, цинк, медь, барий), сурьмы, вольфрама и молибден, а также олова. На месторождениях ртути рентгенорадио­метрический метод в комплексе с нейтронным гаммаметодом вне­дрен для опробования поисково-разведочных скважин. Получе­ны положительные результаты исследований по использованию рентгенорадиометрического опробования в естественном залегании на некоторых месторождениях руд черных металлов: марганцевых руд Никопольского бассейна и хромитовых руд месторождений Южно-Кемпирсайской группы. Оловорудные месторождения являются примером наиболее эффективного использования рентгенорадиомет-рического метода практически на всех стадиях горнотехнологического процесса. На оловорудных месторождениях, отрабатываемых Хрустальнинским ГОКом, начиная с 1971 г. началось его применение для опробования и крупнопорционной сортировки руд в вагонетках и автосамосвалах. В настоящее время радиометрическая сортировка внедрена на всех этапах транспортирования рудной массы: в ваго­нетках, автосамосвалах, на конвейерах всех рудников и на входах обогатительных фабрик, а также на складах минерального сырья, формирующихся на основании данных рентгенорадиометрического опробования руд. Аналогичные автоматизированные рудосортировочные станции с использованием в измерительном датчике полупроводникового детектора внедрены и на других ГОКах, отра­батывающих оловорудные месторождения. Крупнопорцион­ная рентгенорадиометрическая сортировка с датчиками на основе пропорциональных счетчиков применяется на месторождениях по­лиметаллических свинцово-цинковых руд и вольфрамовых месторож­дениях. Показана возможность рентгенорадиометричес­кого опробования и крупнопорционной сортировки серебряных руд в автосамосвалах.

Многочисленными исследованиями доказана возможность при­менения рентгенорадиометрической крупнокусковой сепарации для предварительного обогащения оловосодержащих, свинцово-цинковых, медно-цинковых, медно-никелевых, молибденовых, вольфрамсодержащих, редкометалльных-полиметаллических, барит-полиметаллических, вольфрамо-молибденовых, апатит-магнетитовых месторож­дений и руд ряда других полиметаллических месторождений. Для руд большинства перечисленных месторождений проведе­ны укрупненные и полупромышленные испытания, показаны преиму­щества комбинированной технологии обогащения по схеме с предва­рительной концентрацией руды. Научно-исследовательскими и опытно-методическими работами установлена возможность использования рентгенорадиометрического метода для опробования медно-никелевых руд в естественном залегании - скважинах под­земного бурения и подземных горных выработках.

Исследована возможность использования рентгенорадиометри­ческого метода на Хибинских апатито-нефелиновых месторождени­ях при опробовании подземных горных выработок и каротаже сква­жин подземного бурения, а также при покусковой сепарации добытой рудной массы.

Количественное рентгенорадиометрическое определение основ­ного полезного компонента – Р₂О₅ основано на корреляционной связи фосфора с редкоземельными элементами, изоморфно замещающи­ми в апатите кальций. Чаще всего это церий и лантан, на долю кото­рых приходится до 70% от суммы редких земель.

Гамма-нейтронный (фотонейтронный) метод

Метод определения элементов в горных породах и рудах основан на использовании фотоядерной реакции, характеризующейся поглощением -квантов ядра­ми определяемого элемента с последующим испусканием нейтрона. Среди стабильных ядер наименьший порог фотоядерной реакции имеет бериллий-9 (1,67 МэВ). Ядра других элементов, кроме дейте­рия (2,23 МэВ), имеют порог более 4 МэВ, поэтому для их определе­ния нельзя использовать радиоизотопные источники-квантов.

Высокой селективности и чувствительности метода к содержа­нию бериллия в горных породах и рудах способствует использование источника -квантов на основе изотопа сурьма-124, вызывающего фотоядерную реакцию только на ядрах бериллия, а также независи­мость от минералогического состава бериллийсодержащих руд. Ис­пользование в качестве источника первичного излучения ускорите­лей электронов значительно расширяет область применения фото нейтронного метода обогащения минерального сырья, т.к. значитель­ное количество элементов, имеющих порог фотоядерной реакции бо­лее 4 МэВ, обладает высоким сечением реакции. В этом случае для повышения селективности процесса разделения полезных ископае­мых, для исключения протекания реакции на ядрах породообразую­щих элементов, максимальная энергия тормозного излучения элект­ронов должна быть ограничена 8-12 МэВ.

Фотонейтронный метод широко используется для опробования и сортировки бериллиевых руд на всех стадиях горно-технологического цикла: в естественном залегании при каротаже скважин и опробо­вании горных выработок, транспортно-рудничном опробовании и круп­нопорционной сортировке рудной массы в вагонетках и автосамос­валах, а также при геохимических поисковых исследованиях.

Ядерный гамма-резонансный метод (эффект Мессбауэра)

Метод ос­нован на явлении резонансного испускания и поглощения -квантов ядрами элементов без потери энергии на отдачу ядер. В обычных условиях это явление не наблюдается вследствие получения ядром импульса отдачи при испускании им-квантов, что нарушает усло­вие резонанса.

Наиболее значительный эффект Мессбауэра наблюдается при нормальных условиях на изотопах олова-119, входящих в кристалли­ческую решетку касситерита, и железа-57, входящих в кристаллическую решетку магнетита, гематита и некоторых других минера­лов железа. Метод ядерного резонансного рассеяния -квантов ис­пользуется для определения окисного олова (касситерита) в есте­ственном залегании при опробовании стенок горных выработок. Ин­дивидуальные особенности резонансных спектров различных мине­ралов позволяют определять минеральные формы железа в железо­содержащих рудах и в рудах других металлов.

По точности и чувствительности количественных определений метод ядерного гамма-резонанса не превосходит рентгенорадиометрический, а по производительности значительно уступает ему, вслед­ствие чего он имеет весьма ограниченное применение при радио­метрическом опробовании и разделении руд в горно-технологическом цикле.

Нейтрон-нейтронный метод

Метод основан на ослаблении первич­ного потока нейтронов в результате их взаимодействия с ядрами эле­ментов исследуемой среды и регистрации вторичного потока нейт­ронов. Величина вторичного потока нейтронов зависит от способно­сти горной породы замедлять, рассеивать и поглощать нейтроны и от энергии последних.

Основное назначение нейтрон-нейтронного метода по отношению к замедлению нейтронов - определение содержания в породах водо­рода (объемной влажности, пористости). При отработке рудных ме­сторождений этот метод совместно с плотностным гамма-гамма методом может применяться при опробовании в массиве и отбитой рудной массе для отделения руд из зон дробления и тектонических нарушений, сильно окисленных руд, характеризующихся повышен­ной пористостью и пониженной плотностью.

Способность горной породы поглощать первичный поток нейтро­нов определяется концентрациями в ней элементов с аномально вы­сокими сечениями поглощения или рассеяния медленных нейтронов. Это положение составляет основу нейтронно-абсорбционного ме­тода, являющегося разновидностью нейтрон-нейтронного метода.

Нейтронопоглощающие элементы подразделяются на две груп­пы: с высокими сечениями поглощения тепловых нейтронов (В, Li, Cd, Hg, Sm, Eu, Gd, Dy) и с высокими сечениями поглощения резо­нансных нейтронов (Ag, Au, In, Re, Та, W и др.). Наиболее высокое сечение рассеяния тепловых нейтронов, кроме водорода, имеют хлор и железо. Наличие большого числа отчетливо выраженных резонансов поглощения в области резонансных энергий нейтронов (единицы-десятки электронвольт) характерно для тяжелых ядер.

Нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам применяет­ся для выделения рудных тел на месторождениях марганцевых, хромитовых руд, на медно-никелевых месторождениях Норильского рай­она, а совместно с -методом - на месторождениях бокситов для выделения бокситов многогидратного и смешанного типов. Для количественных определений полезных компонентов и предваритель­ного обогащения нейтрон-нейтронный метод применяется на место­рождениях борных, литиевых, кадмиевых, ртутных, сурьмяных, цезийсодержащих, серебряно-полиметаллических руд и руд, содержа­щих редкоземельные элементы. При раздельной регистрации пото­ков резонансных и тепловых нейтронов возможно оценить содержа­ние ртути и сурьмы на месторождениях сурьмяно-ртутных руд. Метод по резонансному поглощению нейтронов используется для выделения и оценки качества цезийсодержащих, серебряно-по­лиметаллических руд и руд, содержащих редкоземельные элементы.

Нейтрон-нейтронный метод может применяться также для опро­бования и крупнопорционной сортировки рудной массы месторожде­ний борных, литиевых, редкометальных руд. В настоящее время метод используется для опробования отбитой рудной массы борных руд в навале. Получены положительные результаты исследова­ний по возможности применения метода по тепловым нейтронам для опробования и крупнопорционной сортировки ртутных руд.

Нейтронно-абсорбционный метод может быть применен для покусковой сепарации борных, литиевых, содержащих кадмий и редко­земельные элементы руд. Показана высокая селективность сепара­ции по отношению к бору, не зависящая от его минеральной формы и, как правило, от состава вмещающих пород. Результаты промыш­ленных испытаний технологии предварительного нейтронно-абсорбционного обогащения бедных датолитовых руд подтвердили стабиль­ное улучшение вещественного состава обогащенной руды, в том числе и труднообогатимых руд, характеризующихся высокой концентрациией железа, за счет удаления с хвостами большей части наиболее вредных для последующей флотации минералов (кальцита, гизингерита), что является основным фактором ее селективности и, как след­ствие, повышения качества концентрата и извлечения датолита.