СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ АЛМАЗОВ НА КОНВЕЙЕРЕ, В ПОТОКЕ ИЛИ ОБРАЗЦЕ АЛМАЗОНОСНОЙ ПОРОДЫ Российский патент 2002 года по МПК G01N23/83 

Изобретение относится к алмазодобывающей промышленности и может быть использовано как в технологических процессах на горно-обогатительных предприятиях при добыче алмазов, так и при проведении геологоразведочных работ.

Известно несколько способов обнаружения алмазов, используемых в технологических процессах для их сепарации от вмещающих пород.

Известен липкостной способ обнаружения алмазов при обогащении, основанный на различной адгезионной способности алмазов и алмазосодержащих пород по отношению к гидрофобным веществам: жиру, нефти, керосину и т.п. материалам [1].

Недостатки - необходимость наличия открытой поверхности алмаза.

Известен способ, основанный на различии в проводимости алмазосодержащих пород и алмаза. Алмаз является диэлектриком, порода же обладает слабой проводимостью [1].

Недостатки: малая селективность метода.

Известен флотационный способ обнаружения и отделения алмазов от алмазоносных пород [1].

Недостатки: необходимость тонкого помола породы и как следствие - разрушение алмазов при помоле.

В качестве наиболее близкого технического решения рассматривается /прототип [1] / рентгенолюминесцентный способ обнаружения алмазов в алмазосодержащих породах, который широко используется в промышленной добыче алмазов. Способ основан на том, что время послесвечения алмаза после облучения рентгеновским излучением значительно превышает эту характеристику для алмазосодержащих пород [1].

При использовании этого способа обнаружение алмазов осуществляют путем регистрации интенсивности флуоресценции исследуемой породы через несколько миллисекунд после облучения потоком рентгеновских квантов с энергией в диапазоне 5-55 кэВ.

Недостатки:
1) Так как флуоресценция экранированных породой алмазов не может быть зарегистрирована, то для обнаружения алмазов необходимо предварительное измельчение породы для обеспечения наличия свободной поверхности алмазов на конвейере. Такое измельчение осуществляется с использованием разного рода дробилок и в технологическом процессе всегда предшествует собственно операции обнаружения алмазов этим методом.

2) Следствием такого измельчения является получение находящимися в породе алмазами дополнительных повреждений и/или их разрушение на более мелкие, что ведет к снижению стоимости и выхода добываемого алмазного сырья.

Цель изобретения - повышение эффективности процесса обнаружения алмазов и увеличение выхода неповрежденных алмазов.

Достижение поставленной цели обеспечивается применением модифицированного способа рентгеновской компьютерной томографии [2] для радиометрического определения распределения массовой плотности и эффективного атомного номера в алмазосодержащей породе.

Сущность изобретения состоит в том, что исследуемый поток породы подвергается томографированию рентгеновским излучением в плоскостях, перпендикулярных направлению потока руды и отстоящих друг от друга на расстояния, меньшие минимального линейного размера алмазов, подлежащих обнаружению. Для томографирования используется источник (источники) рентгеновского или гамма-излучения, имеющий не менее двух разных значений (диапазонов) энергии, таких, что для одного из этих значений (лежащего в области 60-110 кэВ) ослабление интенсивности (линейный коэффициент ослабления, далее ЛКО) зондирующего излучения в исследуемой породе определяется в основном фотоэффектом, а для другого (лежащего в области 120-500 кэВ) ЛКО определяется преимущественно эффектом комптоновского рассеяния. Знание распределения величины ЛКО не менее чем для двух таких значений (диапазонов) энергии внутри исследуемого объема позволяет вычислить распределения эффективного атомного номера и массовой плотности вещества внутри исследуемого объема.

Последующее эффективное обнаружение и отделение алмазов обеспечивается уникальностью этой пары параметров для кристаллов алмаза - средняя массовая плотность алмаза равна 3,52 г/см³ при эффективном атомном номере, равным 6. Любые минералы или их комбинация в алмазоносной породе, имеющие массовую плотность около 3,5 г/см³, имеют существенно больший эффективный атомный номер. Так, например, если исключить из рассмотрения минералы на основе соединений бериллия, бора, углерода и азота (таких минералов алмазосодержащие породы практически не содержат), ближайшими к алмазу по атомному номеру оказываются минерал пироп состава Mg₃Al₂(SiO₄)₃, корунд и другие минералы на основе алюминия.

Эффективный атомный номер пиропа равен 8,8 при массовой плотности около 3,5 г/см³. Таким образом, даже в наиболее неблагоприятном случае (близкие численные значения массовой плотности) эффективный атомный номер малого объема анализируемой породы отличается от такового для алмаза не менее чем на 45%. Такое отличие позволяет уверенно отделять кристаллы алмаза от вмещающей породы предлагаемым способом.

Согласно [3] для суммарного коэффициента ослабления рентгеновских лучей с большой точностью можно положить
μ(ε) = τ(ε)+σ(ε)+χ(ε),
где ε - энергия квантов, а τ, σ и χ - соответственно коэффициенты поглощения для фотоэффекта, эффекта Комптона и образования пар. При этом поглощение за счет образования пар возникает только при энергиях гамма-квантов, превышающих удвоенную энергию покоя электрона. Таким образом, при энергиях зондирующих квантов меньших 1024 кэВ вышеприведенная формула принимает вид:
μ(ε) = τ(ε)+σ(ε).
При этом выражение для σ(ε) - коэффициента поглощения для эффекта Комптона имеет вид:
σ(ε) = N•ρ•Z_e•∑_knt(ε)/A = K_s•∑_knt(ε),
где ∑_knt(ε) - теоретическая формула Клейна-Нишины-Тамма для полного сечения некогерентного рассеяния на свободном электроне кванта с энергией ε;
А - средняя атомная масса;
Z_е, - средний атомный номер (среднее число атомных электронов);
ρ - плотность вещества;
N - число Авогадро.

Выражение же для τ(ε) - коэффициента поглощения для фотоэффекта имеет вид:
τ(ε) = K_f•∑_Нфото(ε),
где ∑_Нфото(ε) - теоретическая формула для зависимости сечения фотоэффекта для атома водорода от энергии квантов, а коэффициент К_f индивидуален для каждого вещества и может быть представлен в виде
K_f = N•ρ•(Z_эфф)⁵/A,
где N, ρ и А - приведены выше, a Z_эфф - средний эффективный заряд ядра с учетом экранирования ядра электронами.

Зондируя породу, содержащую алмазы, при геометрии зондирования, принятой в стандартных томографических способах [2] пучками фотонов не менее чем двух разных энергий (пучками, имеющими два разных спектра), можно получить два (или более) набора томографических данных (по одному для каждого из использованных спектров).

Затем обработав каждый такой набор по обычным алгоритмам вычислительной томографии [2] , можно вычислить два или более распределения величины μ внутри исследуемой алмазосодержащей породы - по одному распределению для каждого использованного спектра.

Если Φ₁(ε) и Φ₂(ε) - спектры зондирующих квантов, то для интенсивностей зондирующего излучения I₁ и I₂, прошедших по любой траектории внутри тестируемого образца алмазосодержащей породы, можно записать следующее выражение

где - энергетически независимые томографические лучевые интегралы по лучу L от характеризующих каждый малый объем исследуемого объема величин K_s и K_f;
S(ε) - экспериментально определяемая аппаратная спектральная функция томографического тракта.

В одном приборе может быть реализовано несколько таких функций. Это можно обеспечить, например, размещая последовательно, один за другим, несколько детекторов рентгеновского излучения, так что детекторы, размещенные ближе к источнику излучения, являются спектральными фильтрами для детекторов, расположенных дальше, а также размещая между такими детекторами специальные фильтры. При этом для каждой такой функции будет получен свой набор проекционных данных I_ki.

Используя все полученные такими способами наборы проекционных данных I_k и/или I_ki, можно вычислить (возможно с применением статистических методов типа "максимального правдоподобия") оценки для величин Q_s и Q_f. А далее, используя стандартные алгоритмы вычислительной томографии [2], найти по этим "спектральным" проекционным данным распределения величин K_s и K_f в исследуемом объеме.

Здесь нужно указать, что на плоскости этих величин K_s, K_f каждому веществу (минералу) соответствует своя точка. Ее положение определяется индивидуальными физическими характеристиками того или иного вещества. А именно (см. выше) такими как:
А - средняя атомная масса;
Z_е - средний атомный номер (среднее число атомных электронов);
ρ - плотность вещества;
Z_эфф - средний эффективный заряд ядра с учетом экранирования ядра электронами.

При этом алмаз, в смысле возможностей обнаружения предлагаемым в настоящем изобретении способом, имеет экстремальные значения этих характеристик. Все алмазовмещающие породы (кимберлиты), даже если в них попадаются участки с близким значением плотности ρ, имеют существенно более высокие значения A, Z_е и Z_эфф.

Предлагаемый способ был опробован путем математического моделирования. При проведении моделирования исследуемый образец породы был взят в виде цилиндра диаметром 150 мм, выполненного в одном случае из углекислого кальция, а в другом - из пиропа состава Mg₃Al₂(SiO₄)₃ с плотностью 3,5 г/см³. В качестве спектров зондирующего излучения были взяты дельта-функции. Первый спектр соответствовал энергии квантов 100 кэВ, а второй - 150 кэВ. Детектируемый алмаз был представлен в виде куба с ребром, равным 5 мм. Детектируемый алмаз размещался как на оси цилиндра, так и на разных расстояниях от нее.

Моделирование (расчет проекционных данных) проводилось в соответствии с [4] . Совокупность направлений, по которым при моделировании осуществлялось зондирование исследуемого образца веерным пучком квантов, перекрывала угол 360 градусов.

Проекционные данные, полученные при таком численном моделировании, были подвергнуты обработке по предложенному способу. После такой обработки объемы, занятые алмазами, по полученным при обработке физическим характеристикам четко выделялись от вмещающей породы.

Таким образом, если по результатам вычислительной обработки измеренных проекционных данных для какого-то объема внутри исследуемого куска породы будут рассчитаны плотность и эффективный атомный номер, лежащие в диапазонах 3-4 г/см³ и 5,5-6,5 соответственно, то такой объем представляет собой алмаз. В этом случае вычислительное устройство должно выдать сигнал на исполнительное устройство на отделение образца породы с такими характеристиками из потока породы.

Указанные выше диапазоны допустимых значений параметров, найденных для малых элементов объема потока, являются условными.

Известно, что любой способ или устройство обнаружения (в том числе и предлагаемый) характеризуются тремя основными взаимосвязанными параметрами - вероятность обнаружения, вероятность пропуска и вероятность ложного срабатывания. Поэтому фактические значения диапазонов допустимых значений массовой плотности и эффективного атомного номера, позволяющие принять решение об обнаружении алмаза, определяются при настройке устройства, реализующего предложенный способ. Эти значения зависят от фактически используемых энергий (спектров) РИ, физико-механических свойств алмазоносной породы и т.д. и выбираются опытным путем для достижения оптимальных соотношений указанных выше вероятностных характеристик и максимального экономического эффекта.

Такой способ обнаружения алмазов обладает следующими преимуществами перед способом-прототипом:
- заявляемое решение позволяет обнаруживать алмазы в образцах породы большего размера, чем у прототипа;
- не требуется наличия свободной поверхности алмаза для его обнаружения, поэтому на этапе использования в технологическом процессе предлагаемого способа можно обойтись дроблением алмазоносной породы на куски размером до 150 мм и более, в отличие от способа-прототипа, где осуществляется предварительное дробление до размеров 25-30 мм;
- следствием перечисленных преимуществ является уменьшение разрушения и повреждения крупных алмазов при дроблении алмазосодержащей породы в процессе обогащения и, следовательно, больший выход добычи алмазного сырья в стоимостном выражении.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
[1] - В.И.Епифанов, А.Я.Песина, Л.В.Зыков/ Технология обработки алмазов в бриллианты, М., Высшая школа, 1987 г., стр. 14.

[2] - Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям: Основы реконструктивной томографии. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983.

[3] - Физический энциклопедический словарь, том 4, стр. 230, издательство "Советская энциклопедия", М., 1965.

[4] - А. Н. Тихонов, В.Я. Арсенин, А.А. Тимонов/ Математические задачи компьютерной томографии, М., Наука, 1987 г., гл. III, параграф 3.

Использование: в технологических процессах на горно-обогатительных предприятиях при добыче алмазов и при проведении геологоразведочных работ. Сущность изобретения: способ основывается на технологии послойной рентгеновской вычислительной томографии потока алмазоносной породы. При этом для автоматического обнаружения и отделения алмазов из потока используют, по меньшей мере, двойной набор томографических данных о каждом анализируемом слое. Эти наборы данных отличаются друг от друга энергией или спектром энергий рентгеновского излучения (РИ), использованного при их получении. Для каждого малого объема анализируемого слоя вычисляют эффективный атомный номер и массовую плотность. Последующее эффективное обнаружение и отделение алмазов обеспечивается уникальностью этой пары параметров для кристаллов алмаза - средняя массовая плотность алмаза равна 3,52 г/см³, при эффективном атомном номере, равном 6. Технический результат: повышение эффективности процесса обнаружения алмазов и увеличение выхода неповрежденных алмазов.

Способ обнаружения алмазов на конвейере, в потоке или образце алмазоносной породы, основанный на облучении слоев породы рентгеновским излучением в направлении, поперечном направлению перемещения породы относительно источника излучения, отличающийся тем, что выбирают толщину каждого облучаемого слоя и размер малых элементов объема, лежащих внутри такого слоя, не более минимального линейного размера алмазов, подлежащих обнаружению, а для обнаружения алмазов внутри каждого такого слоя, этот слой облучают квантами рентгеновского излучения, имеющими, по меньшей мере, два разных значения энергии, таких, что, по крайней мере, одно из этих значений лежит в диапазоне 60-110 кэВ, а другое - в диапазоне 120-500 кэВ, регистрируют интенсивности прошедших потоков квантов для каждой из используемых энергий при распространении этих потоков по различным направлениям внутри облучаемого слоя, причем совокупность направлений выбирают так, чтобы через произвольный малый элемент объема облучаемого слоя регистрируемые потоки квантов проходили по нескольким различным направлениям, лежащим в плоском угле не менее 180^o, пересчитывают зарегистрированные интенсивности прошедших потоков квантов в наборы коэффициентов ослабления интенсивности излучения для всех используемых энергий вдоль каждого направления, по этим наборам коэффициентов ослабления вычисляют линейные коэффициенты ослабления (ЛКО) излучения для каждой из используемых энергий в каждом из малых элементов и из выражения, определяющего ЛКО как взвешенную сумму сечения фотоэффекта и сечения комптоновского рассеяния, находят эффективный атомный номер и массовую плотность для каждого малого элемента объема облучаемого слоя, определяют для каждого облученного слоя суммарный объем тех малых элементов этого слоя, для которых найденная массовая плотность лежит в пределах 3,52±К1 гр/см³ при условии, что найденный эффективный атомный номер лежит в пределах 6±К2, выдают сигнал исполнительному устройству на отделение того слоя или образца алмазоносной породы, для которого полученный суммарный объем превышает заданный порог К3, а численные значения коэффициентов K1, K2 и К3 подбирают экспериментально до получения желаемых вероятностей обнаружения, пропуска и ложного срабатывания при настройке устройства, реализующего данный способ обнаружения алмазов.