IV. Изучение технологических свойств песка и гравия

42. Технологические свойства песка и гравия изучаются в лабораторных и полупромышленных условиях. При имеющемся опыте переработки сырья в промышленных условиях допускается использование аналогии, подтвержденной результатами лабораторных исследований.

Кроме полных и сокращенных исследований возможны и специальные виды испытаний, например, гравия в бетоне, который испытывается, как правило, совместно с песком того же месторождения.

Направления, характер и объем технологических исследований устанавливаются программой, разработанной геологоразведочной организацией совместно с организацией, проводящей технологическое изучение сырья. Программа должна предусматривать изучение технологических свойств всех выделенных природных типов и сортов полезного ископаемого для обоснованных выводов о возможных областях их использования. В тех случаях, когда качество сырья в природном виде не удовлетворяет требованиям промышленности, следует предусмотреть исследования по его обогащению. При этом для попутных компонентов необходимо выяснить форму нахождения и составить баланс их распределения в песчаных и гравийно-песчаных породах и в продуктах обогащения, а также оценить экономическую целесообразность извлечения этих компонентов. Должны быть изучены возможности применения гидромеханизированного способа разработки (с учетом наличия источников водоснабжения, характера рельефа, рыхлости пород вскрыши и т. д.), при котором частичное обогащение песков (удаление глинистых фракций, мелких фракций песка) происходит в процессе добычи, а также использования отходов при добыче и обогащении гравийно-песчаных пород.

Отбор проб для технологических исследований на разных стадиях геологоразведочных работ следует выполнять в соответствии со стандартом Российского геологического общества – СТО РосГео 09-001–98 «Твердые полезные ископаемые и горные породы. Технологическое опробование в процессе геологоразведочных работ», утвержденным и введенным в действие Постановлением Президиума Исполнительного комитета Всероссийского геологического общества (от 28 декабря 1998 г. №17/6).

43. Для выделения технологических типов и сортов полезного ископаемого проводится геолого-технологическое картирование, при котором сеть опробования выбирается в зависимости от числа и частоты перемежаемости природных разновидностей песков. При этом рекомендуется руководствоваться стандартом Российского геологического общества – СТО РосГео 09-002–98 «Твердые полезные ископаемые и горные породы. Геолого-технологическое картирование», утвержденным и введенным в действие Постановлением Президиума Исполнительного комитета Всероссийского геологического общества (от 28 декабря 1998 г. №17/6).

Минералого-технологическими и малыми технологическими пробами, отобранными по определенной сети, должны быть охарактеризованы все природные разновидности полезного ископаемого, выявленные на месторождении. По результатам их испытаний проводится геолого-технологическая типизация продуктивных залежей месторождения с выделением промышленных (технологических) типов и сортов сырья, изучается пространственная изменчивость вещественного состава, физико-механических и технологических свойств продуктивных пород в пределах выделенных промышленных (технологических) типов и составляются геолого-технологические карты, планы и разрезы.

Лабораторные или укрупненно-лабораторные испытания промышленных (технологических) типов изучаемого сырья производятся на пробах, составленных из соответствующих природных разновидностей в соотношении, пропорциональном среднему для месторождения (участка). Эти пробы отбираются раздельно по гравийной и песчаной частям отложений. Пробы гравия составляются путем взятия материала каждой фракции в количествах, пропорциональных содержанию этих фракций по массе в песчано-гравийной породе и обеспечивающих получение в сумме пробы требуемой массы.

Для лабораторных технологических испытаний отбираются одна–две, иногда больше проб от каждого промышленного (технологического) типа сырья. Масса технологических проб согласовывается с лабораторией, проводящей исследования.

Полупромышленные технологические пробы служат для проверки технологических схем и уточнения показателей обогащения полезного ископаемого, полученных на лабораторных пробах.

Направления, характер и объем полупромышленных технологических исследований, а также масса проб устанавливаются программой, разработанной организацией, выполняющей технологические исследования, совместно с недропользователем и согласованной с проектной организацией.

Технологические исследования в полупромышленных условиях проводятся при изучении песков для изготовления силикатного кирпича, пылеватых и тонкодисперсных песков для производства песчано-известковых блоков, при оценке стекольных песков с повышенным содержанием железа (с целью установления возможности их обогащения), при оценке новых разведанных месторождений формовочных песков невысокого качества.

Пробы для полупромышленных испытаний отбираются из шурфов или дудок, а при значительной мощности или глубине залегания полезной толщи – из куста (три–пять) скважин валовым способом с учетом горизонтов отработки. Количество проб для полупромышленных испытаний определяется в зависимости от постоянства вещественного состава полезной толщи и размеров месторождения.

Технологические пробы должны быть представительными, т. е. отвечать по химическому, зерновому составу, физическим и другим свойствам среднему составу гравийно-песчаного и песчаного сырья данного технологического типа.

Некондиционные прослои, а также прослои других пород и различные включения, которые не могут быть выделены при разработке, должны входить в состав технологических проб.

При отборе проб необходимо учитывать изменчивость качества сырья по простиранию и на глубину, с тем чтобы обеспечить полноту характеристики технологических свойств полезного ископаемого на всей площади его распространения с учетом такой изменчивости.

44. Вещественный состав и технологические свойства песчано-гравийного сырья должны быть изучены с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, достаточных для проектирования технологической схемы переработки с наиболее полным и рациональным использованием полезного ископаемого.

Помимо изучения возможности применения сырья по основному назначению, необходимо проводить соответствующий комплекс анализов и испытаний и для других назначений, включая утилизацию отходов при добыче полезного ископаемого.

45. Выбор технологической схемы переработки песков зависит от зернового состава материала, степени его загрязнения пылеватыми и глинистыми частицами, наличия других посторонних примесей и включений, от требований к качеству и ассортименту выпускаемой продукции, режима работы карьера и сезона года. Процесс переработки песка может быть сухим и мокрым. Сухая переработка применяется для сравнительно чистых песков, с содержанием глинистых и илистых частиц не более 2–3 %. Пески с содержанием глинистой составляющей 10 % и более подвергаются двух- или трехкратной промывке, для чего используются виброгрохоты, разного рода корытные лотки и гидравлические классификаторы.

46.Качество товарной продукции должно в каждом конкретном случае регламентироваться договором между поставщиком (рудником) и потребителем или должно соответствовать существующим стандартам и техническим условиям. Для сведения в приложении приведен перечень основных стандартов и технических условий на материалы и изделия из песка и гравия.

Стекольная промышленность является одним из основных потребителей кварцевого песка. К качеству кварцевого песка для стекольной промышленности предъявляются определенные требования (ГОСТ 22551–77), согласно которым минимальное содержание SiO₂ допускается в пределах от 95,0 % для низких марок и до 99,8 % для высоких марок; Fe₂O₃ – 0,01–0,25 %; А1₂О₃ – 0,1–4,0 %; тяжелой фракции для высоких марок – 0,05 %, для низких марок содержание тяжелой фракции не нормируется. Ограничивается также зерновой состав песка. Кроме того, лимитируется содержание CaO, MgO, Сr₂О₃, TiO₂, K₂O и Na₂O, пылеватых и глинистых частиц, равномерность зернового состава. В наиболее чистых природных кварцевых песках содержание SiO₂ достигает 99,8 %, однако такие разности в природе встречаются сравнительно редко, и в большинстве случаев сырье для стекольной промышленности получают путем обогащения песков. Для этой цели чаще всего применяются флотооттирка, иногда оттирка с промывкой, реже – эти методы в сочетании с электромагнитной сепарацией.

При изготовлении бетонов песок, гравий и песчано-гравийная смесь используются как заполнители. Качество заполнителя определяет прочность бетона и расход цемента. Основные требования к песку для бетонов предъявляются ГОСТ 8736–93 и ГОСТ 26633–91 по зерновому составу и чистоте (лимитируется содержание в песке пылевидных, илистых и глинистых частиц, а также органических примесей, чешуек слюды, сернистых и сернокислых соединений). Пригодность для тяжелого бетона природного и дробленого песка содержащего вредные примеси (рудные минералы, реакционноспособные разновидности кремнезема, слюды, сернистые и сернокислые соединения), определяется специальными исследованиями с учетом условий эксплуатации сооружений. Природные пески по зерновому составу и содержанию примесей, как правило, не отвечают требованиям стандартов для бетонов и нуждаются в промывке и классификации (фракционировании). Технические требования к мытым и классифицированным пескам для бетонов содержатся в вышеназванных стандартах.

Гравий, в качестве заполнителя для бетонов должен содержать как крупные, так и мелкие зерна в соотношениях, обеспечивающих минимальный расход цемента. Для гравия регламентируются также содержания зерен игловатой и пластинчатой (лещадной) форм и зерен слабых пород. Механическая прочность при оценке качества гравия как заполнителя бетона определяется дробимостью при сжатии (раздавливании) в цилиндре. Методы испытания гравия установлены ГОСТ 8269.0-97 и ГОСТ 8269.1-97.

К гравию и песку для гидротехнического бетона предъявляются более высокие требования. Для окончательного заключения о пригодности гравия как заполнителя в гидротехнический бетон необходимы его испытания в бетоне, которыми определяются морозостойкость бетона, предел прочности бетона на сжатие (марка гидротехнического бетона), степень опасного взаимодействия реакционноспособных заполнителей (опала) со щелочами цемента.

В цементном производствепески используются в качестве инертной и корректирующей добавок для различных видов портландцемента, а также при изготовлении песчанистого цемента. Требования к качеству песков регламентируются техническими условиями потребителей. В качестве инертной добавки к портландцементному клинкеру при его помоле применяются кварцевые пески с содержанием SiO₂ не менее 70 % (обычно 80–95 %). Кварцевые пески используются в качестве корректирующей добав­ки в цементную шихту для повышения значения силикатного модуля и снижения значения глиноземного модуля. Оценка пригодности кварцевых песков для этой цели производится опытным путем.

Основные требования к качеству песка для строительных работ (для изготовления строительных растворов) предъявляются ГОСТ 8736–93, техническими условиями его определяется требуемый зерновой состав. Кроме того, регламентируется содержание пылеватых, илистых и глинистых частиц, посторонних и органических засоряющих примесей.

Встроительстве автомобильных дорог пески, гравий и их смеси применяют для устройства различных слоев дорожной одежды (подстилающего, морозозащитного или дренирующего основания, покрытия) в необработанном или обработанном вяжущими материалами (органическими или неорганическими) виде.

К качеству песка, гравия и их смесям, используемым в конструктивных слоях дорожной одежды, предъявляются требования в зависимости от назначения материалов и климатических условий.

Перечень требований и методов оценки определен ГОСТ 8736–93, 9128–97, 23558–94, а также соответствующей нормативно-технической документацией (СН, ТУ). Для всех видов автодорожных строительных работ регламентируются зерновой состав, степень загрязненности (пылевато-глинистые частицы, в том числе глина в комках), содержание зерен потенциально реакционных пород, способных взаимодействовать со щелочами цемента. Для гравия и гравийной составляющей песчано-гравийных смесей нормируются прочность по дробимости и износостойкости в полочном барабане, морозостойкость, содержания зерен слабых и выветрелых пород, а при назначении в асфальтобетонные смеси – зерен кремнистых пород.

Дляустройства балластного слоя железнодорожных путей применяются природная смесь гравия и песка, а также щебень из гравия и валунов. При оценке качества гравия и природной смеси гравия и песка для указанного назначения (согласно ГОСТ 7394–85) нормируется содержание (по массе) в смеси зерен разных размеров, а также зерен слабых пород, пылеватых и глинистых частиц. При оценке пригодности щебня из гравия и валунов для балластного слоя железнодорожных путей регламентируются его зерновой состав, прочность к истираемости в полочном барабане, морозостойкость, содержание дробленых и слабых зерен, а также частиц размером менее 0,16 мм.

В литейном производстве пески используются как формовочные, в качестве основного компонента смесей, применяемых для литейных форм и стержней. Обычно это кварцевые пески, чистые или с примесью глинистого материала. Требования к качеству песков регламентируются ГОСТ 2138–91.

Формовочные пески должны обладать достаточной огнеупорностью, высокой газопроницаемостью и не содержать вредных примесей (сульфидная сера, растительные остатки, торф, уголь и пр.). Огнеупорность определяется в основном содержанием кремнезема, оксидов железа, щелочных и щелочноземельных металлов и степенью глинистости. Газопроницаемость песка тем выше, чем окатаннее и однороднее по размеру его зерна.

Для стального и чугунного литья используются главным образом кварцевые крупно- и среднезернистые пески с содержанием SiO₂ не менее 93 %, оксидов железа не более 1,0 %, оксидов щелочных и щелочноземельных металлов не более 2 % и глинистой составляющей не более 2 %. Содержание сульфидной серы в кварцевых формовочных песках не должно превышать 0,05 %. При изготовлении форм для медного, алюминиевого, магниевого литья могут применяться мелкозернистые пески с содержанием глинистой составляющей более 2 %. Для тонкого цветного литья требуются глинистые тонкозернистые пески.

Формовочные смеси должны иметь достаточную механическую прочность на сжатие; для повышения прочности кварцевых песков при приготовлении формовочных смесей в них добавляют глину, бентонит, жидкое стекло и др. Глинистые пески такой добавки обычно не требуют. Поэтому для полужирных и жирных песков обязательно определение их прочности в естественном состоянии.

Впроизводстве силикатных строительных материалов (силикатного кирпича, изделий из армированного и неармированного силикатного бетона, плотного и ячеистого) применяются относительно чистые кварцевые пески (с содержаниемSiO₂ в песках для силикатного кирпича не менее 50 %, для ячеистого бетона – не менее 70 % и в качестве компонента вяжущего – не менее 50 %); ограничивается содержание сернистых и сернокислых соединений, щелочей, слюды, зерен пластинчатой формы, пылевидных, илистых и глинистых частиц, органических примесей. Требования к зерновому составу песков предъявляются при их использовании для приготовления плотного бетона и силикатного кирпича. Зерновой состав для остальных назначений не нормируется. Оценка пригодности сырья осуществляется в основном по результатам испытаний готовой продукции.

Впроизводстве стеновых блоков на известково-песчаном вяжущем, используемых для малоэтажного строительства, применяются пески, существенно не отличающиеся по качеству от песков, пригодных для производства силикатного кирпича. Единых требований к пескам для производства силикатных стеновых блоков нет. Оценка их пригодности осуществляется в каждом конкретном случае по результатам испытаний готовой продукции. Как показывает опыт, для изготовления стеновых блоков могут быть использованы разнозернистые пески, состоящие более чем на 50 % из зерен размером 0,6–2,0 мм. Использование мелкозернистых песков (состоящих более чем на 50 % из зерен размером 0,15–0,6 мм) возможно при условии дополнительного введения крупнозернистых заполнителей (щебня, гравия, шлака и т. п.). Крупно- и среднезернистые пески, применяемые в качестве заполнителя, не должны содержать более 10 % глинистых, илистых и пылеватых частиц. Пески с содержанием указанных частиц от 10 до 15 % могут быть использованы только при изготовлении стеновых блоков методом пропаривания.

Дляизготовления сварочных материалов(согласно ГОСТ 4417–75) пригоден кварцевый песок с содержанием SiO₂ не менее 97 %, Р не более 0,015 % и S – следы. Допускается наличие прочих примесей до 3 %.

Дляпесочниц локомотивов наиболее пригоден однородный чистый кварцевый песок с размером частиц 0,1–2,0 мм. Песок для указанного назначения должен содержать SiO₂ не менее 75 % и глинистой составляющей (частиц размером менее 0,022 мм) не более 3 %. Основным показателем качества песка для данного назначения является его зерновой и минеральный состав. Лимитируются потери при прокаливании, содержания Al₂O₃, CaO, MgO, K₂O + Na₂O, Fe₂O₃ и SiO₂, который находится в связанном состоянии в примесях.

Песок, применяющийся в качестве отощающей добавки к жирным глинам при производстве строительного кирпича и прочих формованных изделий, как правило, должен быть достаточно крупнозернистым, преимущественно кварцевым, без включений карбонатных пород, гипса, а также зерен гравия. Наибольший интерес пред­ставляют фракции от 0,15 до 1,5 мм. Общесоюзных стандартов и технических условий к качеству песка для указанного назначения нет. Пригодность его определяется по результатам испытаний готовой продукции.

Вфарфоро-фаянсовом производстве кварцевый песок используется в качестве отощающей добавки, которая вносится в фарфоро-фаянсовые массы для уменьшения усадки керамических изделий. Основное требование, предъявляемое керамической промышленностью к песку, – чистота его химического состава. Вредными примесями являются красящие оксиды (железа и титана), лимитируются также содержания CaO, каолина и потери при прокаливании.

Требования к качеству песка для тонкой керамики регламентирует ГОСТ 7031–75, который для разных марок песка допускает содержание SiO₂ не менее 93–95 %, оксидов железа и титана не более 0,2–0,3 %, СаО – не более 1–2 %, каолина – не более 1–2 %, п.п.п. – не более 1–2 %. Для этого назначения используется также кварц-полевошпатовый песок в природном виде или после разделения на составляющие.

Для окончательной оценки качества песка необходимо проведение соответствующих технологических испытаний.

Какабразивный материал пески применяются для шлифовки стекла, в пескоструйных аппаратах для очистки поверхности металла и облицовочного камня в строительной и литейной промышленности, для производства искусственного абразивного материала – карбида кремния (карборунда). Требования к качеству песков для этих назначений установлены ГОСТ 3647–80.

Для абразивных целей используются кварцевые пески с остроугольными зернами более или менее изометрической формы. Присутствие зерен игловатой и пластинча­той форм не допускается. Крупность песка зависит от его назначения. Для производства карбида кремния пригоден кварцевый песок с содержанием SiO₂ не ниже 98,5 %, примесей не более: Fe₂O₃ – 0,3, А1₂Оз – 0,5 и CaO – 0,3 %.

Впроизводстве огнеупоров песок применяется в небольшом количестве при изготовлении динаса как добавка в шихту для повышения огнеупорности и облегчения формовки сырца, а также при изготовлении набивных масс для футеровки сталеразливочных ковшей. Для этих целей наиболее пригодны пески с крупными (0,5–1 мм) остроугольными зернами. Вредными примесями снижающими температуру плавления являются слюда и полевой шпат. Ограничивается содержание Fe₂O₃ и Al₂O₃.

Испытание цементов. Для стандартных определений прочности цементных растворов используется кварцевый песок Привольского месторождения с крупностью зерен от 0,5 до 0,9 мм («Нормал») и ограниченным содержанием (не более 0,3 %) глинистых, илистых и пылевидных примесей (ГОСТ 6139–2003).

В нефтедобывающей промышленности для повышения продуктивности скважин и степени извлечения нефти из пласта кварцевые пески применяются для крепления трещин гидроразрыва (ГРП) при максимальном их заполнении по высоте и длине с целью создания высокопроводящей среды, для гидропескоструйной перфорации и в гравийных фильтрах для очистки воды. Согласно ТУ 39-0147001-160–97 по физико-химическим показателям размер основных фракций для ГРП должен быть 1,5–0,8, 0,8–0,4 и 0,4–0,2 мм, содержание основной фракции не менее 90 %, сферичность, округлость не менее 0,6. Растворимость в глинокислоте (12 % HCl + 3 % HF) за 30 мин. при 65 ºС не более 3 %, содержание SiO₂ не менее 95 %.

Для гравийных фильтров размер основных фракций песка должен быть 0,4–1,2 мм, содержание основной фракции не менее 96 %, сферичность, округлость не менее 0,6, растворимость в глинокислоте не более 1 %.

Пески с повышенным содержанием глауконита (>25 %) могут использоваться в сельском хозяйстве как калийное удобрение, а также в различных отраслях промышленности в качестве адсорбентов, получения красок и т.п.

В результате исследований технологических свойств песков и гравия должно быть обеспечено получение исходных данных, достаточных для проектирования и технико-экономического обоснования схемы их переработки с учетом максимально полного использования и комплексного извлечения содержащихся в них компонентов, имеющих промышленное значение.

Промышленные (технологические) типы и сорта сырья должны быть охарактеризованы по предусмотренным кондициями показателям, принята соответствующая качеству песков и гравия технологическая схема их добычи и обогащения, приведены основные технологические показатели обогащения (выход концентратов, их характеристика и др.)

Для попутных компонентов в соответствии с «Рекомендациями по комплексному изучению месторождений и подсчету запасов попутных полезных ископаемых и компонентов», утвержденными МПР России в установленном порядке, необходимо выяснить формы нахождения и баланс их распределения в продуктах обогащения, а также установить возможность и экономическую целесообразность их извлечения.

Должна быть изучена возможность использования оборотных вод и отходов, получаемых при рекомендуемой технологической схеме переработки сырья, даны рекомендации по очистке промстоков, а также предусмотрено (если это необходимо) складирование отходов (хвостохранилище).