СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АЛМАЗОВ В КИМБЕРЛИТЕ И СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОБОГАЩЕНИЯ АЛМАЗОВ С ИХ ПРИМЕНЕНИЕМ Российский патент 2017 года по МПК G01N23/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технологии обнаружения алмазов в кимберлитовой породе, в частности к системе и способу для обнаружения алмазов в кимберлите с помощью двухэнергетической интроскопии на основе ускорителя электронов, а также к способу предварительного обогащения алмазов с применением такой системы и способа.

Уровень техники

Применяемый в настоящее время процесс обогащения алмазосодержащего кимберлита предусматривает проведение дезинтеграции в дробилках и валковых прессах с последующим самоизмельчением руды в мельницах мокрого самоизмельчения до размера 0,2 мм и меньше, что влечет за собой высокую вероятность дробления крупных алмазов, имеющих большую ювелирную ценность. Обогащение руды производится рентгенолюминесцентным, гравитационным и флотационным методами.

Кроме того, имеется потребность в том, чтобы выявлять фрагменты кимберлита, содержащие алмазы, на самом раннем этапе добычи. Такая технология позволила бы отбрасывать пустую кимберлитовую породу на начальной стадии и направлять на дальнейшую переработку на обогатительных фабриках только те фрагменты породы, в которых выявлено наличие алмазов.

Для решения указанной задачи был предложен способ обнаружения алмазов во фрагменте материала, описанный в патенте RU 2334974, в соответствии с которым фрагмент материала облучают фотонами заданной энергии, обеспечивающей возбуждение гигантского дипольного резонанса (ГДР) для получения ядерной реакции фотонов с углеродом, и на основании взаимодействия вещества фрагмента с падающими фотонами осуществляют идентификацию фрагмента как потенциального алмаза или фрагмента породы, в котором возможно наличие алмазов.

Существенным недостатком данного способа является малая скорость обработки материала, поскольку фрагменты кимберлита подаются в средство идентификации не менее чем через 20 минут после их облучения, что обусловлено временем полураспада изотопа ¹¹С.

Известен также способ обнаружения алмазов, основанный на регистрации характеристического гамма-излучения, возникающего при неупругом рассеянии нейтронов на ядрах исследуемого вещества, и описанный в патенте RU 2521723.

Указанный способ позволяет с высокой достоверностью обнаруживать малые массы алмазов в кусках кимберлита с линейными размерами до 10 см, полученных в результате предварительного дробления более крупных кусков кимберлита на специальной дробильной установке. Недостатком данного способа также является относительно высокая длительность обнаружения алмаза во фрагменте кимберлита, которая составляет порядка 15 минут.

Наконец, известна технология обнаружения алмазов в кимберлите, разрабатываемая Институтом интегральных схем общества Фраунгофера (описанная, например, в источнике информации, размещенном (на 19 августа 2015 г.) по адресу http://www.ndt.net/article/wcndt2012/papers/397_wcndtfinal00397.pdf). В основе данной технологии лежит метод декомпозиции материала-основы, представляющий собой технологию формирования рентгеновских изображений с использованием дуальной энергии. Значения энергии рентгеновского излучения, генерируемого в рентгеновских трубках, применяемые согласно этому методу, лежат в диапазоне 70-160 кэВ. Указанная технология применяется в двух вариантах: двухмерном и трехмерном. При использовании двух источников рентгеновского излучения или детектора рентгеновского излучения дуальной энергии может применяться двухмерный вариант в системах с ленточным конвейером на предприятиях по добыче алмазов. Этот метод позволяет обнаруживать как раскрытые, так и скрытые алмазы. Трехмерный вариант может применяться для выявления больших включений алмазов с целью принятия решения о дальнейшей обработке руды.

Несмотря на то что указанный метод достаточно эффективен для выявления алмазов, в том числе малых фракций (крупностью ≥1 мм), относительно низкая проникающая способность рентгеновского излучения в диапазоне 70-160 кэВ не позволяет применять его для обнаружения алмазов крупных фракций (≥6 мм) в куске породы размером более 40 мм. Это влечет за собой необходимость дополнительного дробления и дезинтеграции добываемой породы, в ходе которого могут быть разрушены крупные алмазы, имеющие наибольшую ювелирную ценность.

Таким образом, существует потребность в дальнейшем усовершенствовании технологии обнаружения алмазов, в том числе крупных (5-10 мм), на ранней стадии добычи руды, позволяющей повысить скорость выявления алмазов, снизить потери алмазов крупных фракций, возникающие в ходе дробления, уменьшить затраты и повысить качество выпускаемой продукции.

Из уровня техники известны способы интроскопического сканирования объектов, применяемые, в частности, для целей таможенного контроля, в основе которых лежит принцип облучения досматриваемых объектов тормозным излучением, генерируемым линейным ускорителем электронов.

В частности, авторами настоящей заявки разработан способ интроскопического сканирования с применением тормозного излучения с дуальной энергией, в основе которого лежит поимпульсное переключение величины энергии ускоренного пучка электронов. Такой способ был впервые описан в источнике: Ogorodnikov, S.; Petrunin, V. (2002). "Processing of interlaced images in 4-10 MeV dual energy customs system for material recognition". Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams 5 (104701) и получил свое дальнейшее развитие в других технических решениях, например в решении, раскрытом в патенте RU 149560.

Предложенные авторами способ и система интроскопического сканирования обеспечивают возможность генерации и качественного детектирования двух импульсов тормозного излучения, следующих друг за другом на минимальном временном интервале, и позволяют с высокой точностью разделять и визуализировать на радиоскопических изображениях группы материалов по их атомному номеру, а также идентифицировать материалы внутри таких групп, сохраняя при этом высокую скорость сканирования досматриваемых объектов.

Принимая во внимание достоинства указанного способа и его успешное применение в системах таможенного контроля, авторами настоящего изобретения разработаны способ и система обнаружения алмазов в кимберлите, на основе двухэнергетической интроскопии с применением ускорителя электронов, а также способ предварительного обогащения алмазов с применением такой системы и такого способа.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему и способ обнаружения алмазов в кимберлите, позволяющие выявлять фрагменты кимберлита, содержащие алмазы крупных фракций в относительно крупных кусках породы на самом раннем этапе добычи и с гораздо большей скоростью по сравнению с известными решениями. Кроме того, задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ предварительного обогащения алмазов с применением упомянутых системы и способа обнаружения алмазов.

Поставленная задача решена согласно первому аспекту изобретения посредством системы для обнаружения алмазов в кимберлите, содержащей:

линейный ускоритель электронов, выполненный с возможностью генерации тормозного излучения в диапазоне 1-10 МэВ для облучения фрагмента кимберлита и с возможностью работы в режиме генерации импульсов с переключением энергии между двумя соседними импульсами; транспортер для подачи фрагмента кимберлита в зону облучения излучением, исходящим из линейного ускорителя электронов, выполненный с возможностью непрерывной подачи кимберлита;

детекторный узел для приема и обработки излучения, прошедшего через фрагмент кимберлита, включающий в себя детекторные модули, содержащие чувствительные элементы, выполненные с возможностью приема тормозного излучения и его преобразования в электрический сигнал, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а также средства передачи цифровых данных в блок обработки данных;

блок обработки данных, поступающих от детекторного узла, выполненный с возможностью оценки атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому пикселю радиоскопического изображения, соответствующему одному чувствительному элементу с формированием тем самым данных сканирования и передачи указанных данных сканирования в блок автоматического анализа и отображения;

блок автоматического анализа и отображения, выполненный с возможностью выполнения финальной обработки, включающей в себя по меньшей мере кластеризацию данных сканирования, полученных от блока обработки данных, оценку атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому кластеру, и оценку вероятности нахождения во фрагменте кимберлита алмаза заданной крупности, а также с возможностью визуализации радиоскопического изображения с колоризацией сегментов изображения на основании обработанных данных сканирования.

Благодаря высокой проникающей способности тормозного излучения в диапазоне 1-10 МэВ, испускаемого ускорителем электронов, удается обнаруживать алмазы во фрагментах кимберлита крупностью более 5-10 мм в кусках кимберлита толщиной до 400 мм. При этом скорость обработки фрагментов кимберлита может достигать 1 м/сек, что обеспечивает пропускную способность предложенной системы более 100 т/час.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, линейный ускоритель электронов представляет собой ускоритель с клистронным или магнетронным СВЧ-питанием ускоряющей системы.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, энергия двух соседних импульсов ускорителя составляет 3,5 и 6 МэВ.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, энергия двух соседних импульсов ускорителя составляет 4 и 8 МэВ.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, чувствительные элементы детекторного узла содержат сцинтилляционные кристаллы, причем материалом сцинтилляционных кристаллов является вольфрамат кадмия, при этом размер одного чувствительного элемента равен 1 мм, а глубина 20 мм.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, транспортер для подачи кимберлита в зону облучения представляет собой ленточный конвейер.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, заданная крупность алмаза составляет более 5 мм.

В соответствии с другим вариантом осуществления заданная крупность алмаза составляет более 8 мм.

Кроме того, поставленная задача решена во втором аспекте настоящего изобретения посредством предложенного способа обнаружения алмазов в кимберлите с применением вышеупомянутой системы, включающего в себя этапы, на которых:

подают фрагмент кимберлита в зону облучения;

посредством линейного ускорителя электронов генерируют в направлении указанного фрагмента кимберлита тормозное излучение в диапазоне 1-10 МэВ в виде последовательности импульсов с переключением энергии между двумя соседними импульсами, при этом один из указанных импульсов имеет низкую энергию, а второй - высокую энергию;

принимают излучение, прошедшее через фрагмент кимберлита, посредством детекторного узла;

передают данные регистрации излучения от детекторного узла в блок обработки, в котором оценивают атомные номера и массовые толщины материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому пикселю радиоскопического изображения, соответствующему одному чувствительному элементу с формированием тем самым данных сканирования; и

передают данные сканирования в блок автоматического анализа и отображения, в котором выполняют финальную обработку, включающую в себя по меньшей мере кластеризацию данных сканирования, оценку атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому кластеру, и оценку вероятности нахождения во фрагменте кимберлита по меньшей мере одного алмаза заданной крупности, а также визуализацию радиоскопического изображения с колоризацией сегментов изображения на основании обработанных данных сканирования;

по результатам автоматического анализа производят классификацию фрагмента кимберлита как содержащего алмаз заданной крупности или не содержащего алмаз заданной крупности.

Наконец, поставленная задача решена посредством предложенного в соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения способа предварительного обогащения алмазов, включающего в себя этапы, на которых:

транспортируют алмазоносную руду от месторождения к установке предварительного обогащения;

на участке предварительного обогащения производят обнаружение алмазов в руде вышеупомянутым способом;

по результатам классификации фрагментов кимберлита производят сортировку указанных фрагментов на концентрат, включающий в себя фрагменты, содержащие алмазы заданной крупности и подлежащий направлению на сохранное измельчение, и промежуточный продукт, не содержащий алмазов заданной крупности, подлежащий направлению на обогатительную фабрику для последующего обогащения

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описано более подробно со ссылками на чертежи, на которых:

на фиг. 1а схематически показан вид сбоку системы для обнаружения алмазов в кимберлите в соответствии с изобретением, иллюстрирующий основные элементы системы;

на фиг. 1б схематически показан вид спереди системы с фиг. 1;

на фиг. 1в в увеличенном виде показан фрагмент А с фиг. 1б, иллюстрирующий кристаллы детекторной линейки;

на фиг. 2 показан увеличенный фрагмент диаграммы рассеяния с границами статистического разброса 3σ данных единичного детектора (чувствительного элемента) на основе вольфрамата кадмия для кимберлита размером 30 см (пунктирная линия) и алмаза размером 7 мм в кимберлите размером 29 см (сплошная линия) при оптимизированных радиационно-физических параметрах ускорителя;

на фиг. 3 показана блок-схема процесса предварительного обогащения для действующих предприятий;

на фиг. 4а и 4б показаны фрагменты упрощенных схем обогащения кимберлита на действующих предприятиях соответственно до и после внедрения технологии предварительного обогащения алмазов согласно настоящему изобретению;

на фиг. 5 показан фрагмент упрощенной схемы цепи обогащения кимберлита на вновь создаваемых предприятиях с традиционной технологией и применением предварительного обогащения алмазов согласно настоящему изобретению;

на фиг. 6а и 6б показаны варианты визуального отображения результатов сканирования фрагмента кимберлита на выходе блока автоматического анализа и отображения в варианте осуществления заявленной системы.

Осуществление изобретения

В основе настоящего изобретения лежит метод интроскопического сканирования объектов с применением тормозного излучения дуальной энергии, генерируемого линейным ускорителем электронов. Теоретические основы указанного метода описаны, например, в вышеупомянутом документе RU 149560 и в настоящей заявке подробно не обсуждаются. В соответствии с настоящим изобретением, указанный метод применяют для обнаружения алмаза во фрагменте кимберлита с его визуализацией и выделением на интроскопическом изображении графическими средствами программного обеспечения.

На фиг. 1 схематически представлена схема предпочтительного варианта осуществления системы для обнаружения алмазов в кимберлите, иллюстрирующая ее основные компоненты.

Указанная система содержит линейный ускоритель 1 с коллиматором (С) для генерации излучения, облучающего фрагмент кимберлита К, который исследуют на наличие алмаза D. В качестве линейного ускорителя 1 могут применять любой известный ускоритель, предусматривающий возможность работы в режиме генерации импульсов с переключением энергии между двумя соседними импульсами, при этом один из указанных импульсов имеет низкую энергию, а второй - высокую энергию. В частности, в качестве такого ускорителя может использоваться ускоритель УЭРЛ-6-1-Д-4-03, или другой линейный ускоритель с клистронным или магнетронным СВЧ-питанием ускоряющей системы. Плоскость излучения ускорителя обозначена на фиг. 1 аббревиатурой PR.

Очевидно, что более высокая энергия ускорителя 1 обеспечивает более высокую проникающую способность тормозного излучения и, следовательно, большую максимально допустимую толщину слоя инспектируемой породы. С другой стороны, опыт работы с высокоэнергетичным тормозным излучением свидетельствует о том, что повышение значения высокой энергии ускорителя 1 влечет за собой усложнение и удорожание радиационной защиты, необходимой для минимизации зоны отчуждения персонала во время работы излучателя. Кроме того, происходит неоправданное удорожание источника излучения с высокой частотой повторения, стабилизация параметров которого требует принятия специальных мер.

Вместе с тем, значения высокой энергии ниже 6 МэВ приводят к работе в диапазоне, не оптимальном для распознавания материалов, причем с областью неоднозначности решения для широкого диапазона массовых толщин.

Исходя из вышеизложенного, граничные значения высокой и низкой энергии тормозного излучения ускорителя 1 выбирают исходя из оптимизации эффективности обнаружения алмазов в кимберлитовой породе заданной фракции по эффективному атомному номеру.

Например, граничные значения тормозного излучения ускорителя 1 могут составлять 6 МэВ и 3,5 МэВ или 8 МэВ и 4 МэВ.

Расстояние от фокусного пятна (F) ускорителя 1 до чувствительного элемента определяется выбранной оптической схемой сканирования и может составлять около 1600 мм. Размер фокусного пятна ускорителя 1 рассчитывается с учетом динамики пучка электронов в ускоряющей системе и для линейного ускорителя электронов может не превышать 1 мм.

Минимальную мощность дозы определяет флюенс квантов тормозного излучения, необходимый для эффективного выявления и локализации алмаза в породе из соотношения сигнал/шум, регистрируемого системой детектирования сигнала. В общем случае мощность дозы определяется исходя из задачи оптимизации промышленной установки.

Вторым существенным элементом предложенной системы является детекторный узел 2, осуществляющий прием тормозного излучения, прошедшего через фрагмент кимберлита, его преобразование в электрические сигналы, а также передачу цифровых данных в блок обработки данных.

Детекторный узел 2, включает в себя детекторные модули, содержащие чувствительные элементы, выполненные с возможностью приема тормозного излучения и его преобразования в электрический сигнал, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а также средства передачи цифровых данных в блок обработки данных.

Чувствительные элементы представляют собой сцинтилляционные кристаллы, соединенные с фотодиодами, которые, в свою очередь, связаны с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), преобразующими электрические сигналы фотодиодов в цифровые сигналы для их последующей передачи в блок обработки, в котором происходит их обработка, состоящая, в частности, в оценке атомных номеров и массовых толщин материалов, содержащихся во фрагменте кимберлита. Выбор материала сцинтилляционных кристаллов чувствительных элементов обусловлен необходимостью регистрации двух следующих друг за другом импульсов ускорителя 1 для минимизации явления алиасинга при распознавании материалов по эффективному атомному номеру при высоких скоростях перемещения сканируемого фрагмента кимберлита. Материалом, обеспечивающим достаточное время высвечивания, является вольфрамат кадмия (CdWO4).

Оптимальная глубина чувствительного элемента для данного диапазона энергий тормозного излучения составляет около 20 мм.

Шаг чувствительных элементов составляет примерно 1 мм, что связано как с технологией производства чувствительных элементов, так и с тем, что ускоритель 1 имеет фокусное пятно 1 мм, которое не может быть уменьшено и размер которого в том числе определяет разрешающую способность системы.

В систему для обнаружения алмазов в кимберлите входит также блок обработки данных (на фигурах не показан), поступающих от детекторного узла 2, в котором производится математическая обработка данных с применением двух критериев распознавания: по эффективному атомному номеру алмаза (углерода) и по массовой толщине минералов с учетом разницы плотностей алмаза и кимберлита.

При этом скорость обработки фрагментов кимберлита в предложенной системе может достигать 1 м/сек, что обеспечивает пропускную способность системы более 100 т/час. Указанная скорость достигается за счет особенностей предложенной системы, в частности благодаря возможности работы ускорителя в импульсном режиме с высокой частотой следования импульсов и конструкции детекторного узла, способного детектировать следующие с высокой частотой импульсы тормозного излучения, прошедшего через кимберлит.

Частота следования импульсов излучения клистронного линейного ускорителя 1 электронов при высокой или низкой энергии может составлять до 2000 Гц, а частота следования импульсов при поимпульсной модуляции энергии до 2×1000 Гц. Повышение частоты следования импульсов ускорителя 1 позволяет повысить пропускную способность установки по обнаружению алмазов.

Обработка данных, поступающих от детекторного узла 2, производится с использованием математического аппарата, описывающего процессы генерации тормозного фотонного излучения в веществе с учетом данных массового коэффициента ослабления гамма-квантов в веществе и детекторе, и лежащего в основе обнаружения алмазов, расположенных внутри фрагмента кимберлита в соответствии со способом, предложенным настоящим изобретением.

Радиоскопическая прозрачность барьера с массовой толщиной t и атомным номером Z для пучка рентгеновского излучения с граничной энергией Е_е равна

где функция под знаком интеграла является произведением спектрального распределения интенсивности и функции отклика детектора:

Содержащиеся в приведенном выше выражении полный (μ_det) и энергетический (μ_det^en) коэффициент ослабления для кристаллов детектора вычисляется по формуле для сложных веществ:

где μ - коэффициент ослабления, A_i - атомный вес, и n_i - число атомов i-го элемента в молекуле вещества.

Полный и энергетический коэффициент ослабления для компонентов кимберлита с учетом элементного состава кимберлита исследуемого месторождения вычисляется по формуле для сложных веществ:

где μ_i - коэффициент ослабления, A_i - атомный вес i-го элемента, и n_i - число атомов i-го элемента в молекуле вещества.

Формулы (1) и (2) позволяют построить зависимость прозрачности от толщины слоя горной кимберлитовой породы со средней плотностью 2,4 г/см³ при двух граничных энергиях излучения.

Для того, чтобы смоделировать прохождение излучения через слой кимберлитовой породы (kimberlite), в которой находится алмаз (Diamond) с толщиной t в формулу для прозрачности добавляется второй фактор ослабления:

где массовая толщина слоя

ρ - плотность материала в г/см³;

х - толщина материала в направлении пучка излучения в см.

Ключевым фактором для оценки эффективности распознавания материалов по Z является отношение логарифмированных прозрачностей барьера при номинальной Е₁ и дуальной E₂ граничных энергиях тормозного излучения:

Данная величина характеризует эффект распознавания материалов наиболее оптимальным и удобным способом.

Кроме эффекта распознавания по эффективному атомному номеру, обнаружение алмазов возможно также и по массовой толщине с учетом разницы плотностей кимберлита (ρ=2,4 г/см³) и алмаза (ρ=3,5 г/см³).

Существование фотонного шума обусловлено статистической природой гамма-излучения, которое подчиняется фундаментальным законам квантовой физики. Распределение вероятности для n фотонов за интервал времени Т подчиняется статистике Пуассона

где ρ - интенсивность излучения (количество фотонов за единицу времени).

Для Пуассоновского распределения вероятности имеем среднее число фотонов и среднеквадратичное отклонение σ

Ожидаемое количество попадающих на единичный детектор гамма-квантов при высокой и низкой энергии излучения рассчитывается из табулированных значений флюенса потока гамма квантов.

Графическое представление показаний отдельного детектора, подчиняющегося статистике Пуассона, на диаграмме рассеяния (где ось абсцисс - массовая толщина, а ось ординат - отношение логарифмированных прозрачностей с высокой и низкой энергиями) локализуется внутри эллипсоидального кластера, где в качестве полуосей взяты по три среднеквадратичных отклонения (3σ) соответствующих величин (как показано на фиг. 2).

Из диаграммы рассеяния, показанной на фиг. 2, видно, что эффект распознавания по разнице поглощений при высокой энергии R, заданной формулой (7), достаточно мал и значительно перекрывается шумовым квантовым разбросом. Основной вклад в разделение эллипсов дает разница откликов (прозрачностей) детекторов по массовой толщине (t) из-за разницы плотностей алмаза (3,5 г/см³) и кимберлита (2,4 г/см³).

Суммарный эффект распознавания по атомному номеру (Z) и массовой толщине (t) можно приблизительно оценить по кратчайшему расстоянию между центрами кластеров (параметр Rt) и соответственно по распределениям вероятностей по данному виртуальному параметру р (Z/Rt).

Необходимо заметить, что попиксельная схема обработки изображений с высокой и низкой энергиями не приносит высокодостоверных результатов по выявлению алмазов в кимберлитовой руде с большой толщиной, так как пиксели обрабатываются независимо друг от друга и в расчет берутся только соответствующие им величины радиоскопических прозрачностей. Такой подход игнорирует пространственную информацию, определяемую дуальным изображением.

Однако очевидно, что обработка дуальных изображений и выявление алмазов должны производиться с учетом как спектрального, так и пространственного аспектов, принимая во внимание принадлежность пикселя определенному сегменту. Так, алмаз размером 1 см на изображении должен трактоваться как единый объект и соответствующие каждому отдельному объекту пиксели должны маркироваться одинаковыми метками, а задача выявления алмазов должна решаться для совокупности единообразно маркированных пикселей, что и предлагается в настоящем изобретении. Последующая ассоциация меток с цветами дает возможность визуализировать сегментированное изображение.

При обработке дуальных радиоскопических изображений кимберлита для оконтуривания и выделения вкраплений алмазов могут быть применимы известные методы сегментации, основанные на алгоритмах кластеризации данных.

Методы кластеризации позволят эффективно подавить шумы на изображении в степени, достаточной для существенного улучшения соотношения сигнал-шум и, соответственно, уменьшить ошибку при выявлении алмазов.

С некоторыми допущениями можно говорить о высокой эффективности выявления 5-10 мм алмазов в произвольном куске кимберлита после кластеризации данных сканирования и эффективного подавления шумов, которые осуществляются в блоке автоматического анализа и отображения заявленной системы.

Таким образом, блок обработки данных оценивает атомные номера и массовые толщины материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому пикселю радиоскопического изображения и передает данные в блок автоматического анализа и отображения (на фигурах не показан), в котором происходит кластеризация данных сканирования, полученных от блока обработки данных, оценка атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому кластеру, а также визуализация радиоскопического изображения с колоризацией сегментов изображения на основании результатов анализа данных.

Блоки обработки данных и автоматического анализа и отображения могут быть реализованы посредством любых известных из уровня техники вычислительных средств, позволяющих производить вычисления, анализ и отображение.

На фиг. 6а и 6б показаны варианты визуального отображения результатов математического моделирования сканирования фрагмента кимберлита с помощью статистического расчета, выполненного с применением программного комплекса GEANT 4. В частности, на фиг. 6а приведено изображение алмаза размером 10 мм в кимберлите шарообразной формы толщиной 200 мм, а на фиг. 6б - изображение алмаза размером 10 мм в кимберлите шарообразной формы толщиной 300 мм.

Способ обнаружения алмазов в кимберлите, осуществляемый в вышеописанной системе, предусматривает выполнение следующих этапов.

В систему подают поток руды, состоящий из отдельных фрагментов кимберлита К, каждый из которых последовательно проходит через зону облучения. Подачу кимберлита могут осуществлять, например, с использованием ленточного конвейера 3.

Возможная ширина потока руды, в которой производится выявление алмазов D составляет порядка 50 см. Тем не менее возможная ширина потока руды может быть увеличена за счет увеличения количества чувствительных элементов системы детектирования.

Фрагмент кимберлита, находящийся в зоне облучения облучают тормозным излучением в режиме поимпульсного переключения энергии, в котором посредством линейного ускорителя электронов в направлении сканируемого объекта генерируют тормозное излучение в виде последовательности импульсов с переключением энергии между двумя соседними импульсами, отстоящими друг от друга на малый временной интервал, при этом один из указанных импульсов имеет низкую энергию, а второй - высокую энергию.

Тормозное излучение, прошедшее через фрагмент кимберлита, принимают посредством детекторного узла 2, в котором происходит регистрация излучения, прошедшего через кимберлит, его преобразование в электрический сигнал и передача цифровых данных в блок обработки данных, в котором оценивают атомные номера и массовые толщины материалов во фрагменте кимберлита.

Полученные в блоке обработки данные передают в блок автоматического анализа и визуализации, в котором осуществляют кластеризацию полученных данных сканирования, их автоматический анализ для оценки вероятности нахождения во фрагменте кимберлита алмаза заданной крупности, оценку атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому кластеру, и визуализацию радиоскопического изображения с колоризацией сегментов изображения на основании полученных оценок атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита. В одном из вариантов осуществления изобретения, визуализацию радиоскопического изображения осуществляют только в случае получения оценки вероятности нахождения во фрагменте кимберлита алмаза заданной крупности, большей заданного предела.

Предложенные система и способ позволяют с высокой вероятностью выявлять алмазы размером 5-10 мм с учетом комплексной математической обработки данных сканирования и прецизионной калибровки, состоящей в оценке в режиме реального времени текущих радиационно-физических параметров ускорителя, в частности эффективной граничной энергии тормозного излучения, и использовании оцененных данных в точном расчете эффективного атомного номера материала, для широкого диапазона толщин кимберлита.

Время комплексной обработки данных сканирования с выдачей решения о содержании или отсутствии алмаза не превысит 1 сек.

Вышеописанные система и способ позволяют с высокой вероятностью обнаруживать алмазы крупностью более 5-10 мм в кусках кимберлита толщиной до 400 мм. При этом скорость обработки кусков кимберлита может достигать 1 м/сек, что обеспечивает пропускную способность предложенной системы более 100 т/час.

Благодаря вышеуказанным достоинствам, предложенный способ может быть применен для предварительного обогащения алмазов, как на действующих фабриках, так и на новых объектах, в том числе для обработки беднотворных месторождений и забалансовых руд.

На фиг. 3 показана блок-схема предварительного обогащения согласно предложенному изобретению, которая может быть применена на действующих предприятиях. Блок-схема включает в себя установку предварительного обогащения (УПО) на базе линейных ускорителей электронов и установку сохранного измельчения. УПО может располагаться в любом удобном месте на пути транспортировки алмазоносной руды от месторождения до обогатительной фабрики.

На выходе УПО получают два продукта: концентрат, содержащий алмазы крупностью более 5-8 мм и промежуточный продукт (промпродукт), содержащий алмазы крупностью менее 5-8 мм. Объем концентрата УПО напрямую зависит от содержания в исходной руде алмазов более 5-8 мм. Прогнозный объем концентрата УПО для наиболее богатых месторождений не превысит 1% от исходных нагрузок, что не приведет к созданию отдельных технологических линий.

Промпродукт направляют в приемные бункеры обогатительной фабрики с последующим обогащением по существующей традиционной схеме. Концентрат УПО направляется на сохранное измельчение. Измельченный материал после сохранного измельчения направляется в "голову" технологического процесса участка доводки, минуя операции рудоподготовки и первичного обогащения, с последующей обработкой по существующей схеме.

Предполагается, что в процессе сохранного измельчения раскрытые алмазы крупностью менее 5-8 мм, возможно содержащиеся в концентрате УПО, не будут подвергаться разрушающему воздействию.

Предварительное извлечение скрытых алмазов из технологического процесса действующих фабрик в совокупности с сохранным измельчением позволяет снизить техногенную повреждаемость и тем самым повысить качество выпускаемой продукции.

Кроме того, гарантированное исключение алмазов крупностью более 8 мм из основного технологического процесса позволит снизить верхнюю границу обогащаемых классов крупности. С учетом сохранности сростков, содержащих алмазы крупностью менее 5-8 мм, оптимальным представляется снижение верхней границы обогащаемых классов до 13 мм. При этом для сохранения производительности фабрик, разгрузочные решетки мельниц необходимо оставить прежними, а недоизмельченный материал +13 (больше 13 мм) направлять на доизмельчение с 1-й стадии грохочения без процесса обогащения.

На фиг. 4а и 4б представлены фрагменты упрощенных схем цепей аппаратов для традиционной технологии первичного обогащения действующих обогатительных фабрик до и после внедрения технологии предварительного обогащения согласно настоящему изобретению. При этом на фиг. 4а приведена существующая схема обогащения руды, а на фиг. 4б схема обогащения после внедрения технологии предварительного обогащения с применением способа согласно предложенному изобретению.

Как видно из схем, показанных на фиг. 4а и 4б, применение предварительного обогащения позволяет исключить из технологической схемы действующих предприятий переделы РЛС первичного обогащения материала крупностью более 13 мм, исключив тем самым затраты на содержание, эксплуатацию и техническое перевооружение этих переделов, что, соответственно, снизит себестоимость выпускаемой продукции.

Для вновь создаваемых объектов на базе традиционной "мокрой" технологии применение предварительного обогащения позволит уже на этапе проектирования объекта полностью исключить переделы РЛС первичного обогащения.

На фиг. 5 приведен фрагмент упрощенной схемы цепи аппаратов для вновь создаваемых предприятий с традиционной технологией и применением предварительного обогащения в соответствии с предложенным способом.

Преимущество данной схемы перед традиционными (фиг. 4а) заключается в значительном снижении количества номенклатуры и оборудования участка первичного обогащения, минимизации производственных площадей и отсутствии связанных с этим затрат.

Таким образом, технология предварительного обогащения с применением способа согласно изобретению может быть применена как на действующих фабриках, так и на новых объектах для предварительного обнаружения алмазов, скрытых в кусках кимберлита, до стадии измельчения на обогатительных фабриках.

Применение указанной технологии позволяет снизить производственные затраты и повысить качество выпускаемой продукции.

Изобретение относится к технологии обнаружения алмазов в кимберлитовой породе. Система для обнаружения алмазов в кимберлите содержит линейный ускоритель электронов для генерации тормозного излучения дуальной энергии в диапазоне 1-10 МэВ, транспортер для подачи кимберлита в зону облучения, детекторный узел для приема излучения, прошедшего через фрагмент кимберлита, блок обработки данных для формирования данных сканирования, содержащих оценки атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита, блок автоматического анализа и отображения для финальной обработки, включающей в себя по меньшей мере кластеризацию данных сканирования и оценку вероятности нахождения во фрагменте кимберлита алмаза заданной крупности, а также визуализацию радиоскопического изображения с колоризацией сегментов изображения на основании обработанных данных сканирования. Технический результат – повышение скорости выявления фрагментов кимберлита, содержащих алмазы крупных фракций в относительно крупных кусках породы на самом раннем этапе добычи. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система для обнаружения алмазов в кимберлите, содержащая:

линейный ускоритель (1) электронов, выполненный с возможностью генерации тормозного излучения в диапазоне 1-10 МэВ, для облучения фрагмента кимберлита и с возможностью работы в режиме генерации импульсов с переключением энергии между двумя соседними импульсами;

транспортер для подачи фрагмента кимберлита в зону облучения излучением, исходящим из линейного ускорителя (1) электронов, выполненный с возможностью непрерывной подачи кимберлита;

детекторный узел (2) для приема и обработки излучения, прошедшего через фрагмент кимберлита, включающий в себя детекторные модули, содержащие чувствительные элементы, выполненные с возможностью приема тормозного излучения и его преобразования в электрический сигнал, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а также средства передачи цифровых данных в блок обработки данных;

блок обработки данных, поступающих от детекторного узла (2), выполненный с возможностью оценки атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому пикселю радиоскопического изображения, соответствующему одному чувствительному элементу с формированием тем самым данных сканирования и передачи указанных данных сканирования в блок автоматического анализа и отображения;

блок автоматического анализа и отображения, выполненный с возможностью выполнения финальной обработки, включающей в себя по меньшей мере кластеризацию данных сканирования, полученных от блока обработки данных, оценку атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому кластеру, и оценку вероятности нахождения во фрагменте кимберлита алмаза заданной крупности, а также с возможностью визуализации радиоскопического изображения с колоризацией сегментов изображения на основании обработанных данных сканирования.

2. Система по п. 1, в которой линейный ускоритель (1) электронов представляет собой ускоритель с клистронным или магнетронным СВЧ-питанием ускоряющей системы.

3. Система по п. 1 или 2, в которой энергия двух соседних импульсов ускорителя составляет 3,5 и 6 МэВ.

4. Система по п. 1 или 2, в которой энергия двух соседних импульсов ускорителя составляет 4 и 8 МэВ.

5. Система по п. 1 или 2, в которой чувствительные элементы детекторного узла (2) содержат сцинтилляционные кристаллы, причем материалом сцинтилляционных кристаллов является вольфрамат кадмия, при этом шаг чувствительных элементов равен 1 мм, а глубина - 20 мм.

6. Система по п. 1 или 2, в которой транспортер для подачи кимберлита в зону облучения представляет собой ленточный конвейер.

7. Система по п. 1 или 2, в которой заданная крупность алмаза составляет более 5 мм.

8. Система по п. 1 или 2, в которой заданная крупность алмаза составляет более 8 мм.

9. Способ обнаружения алмазов в кимберлите с применением системы по любому из пп. 1-8, включающий в себя этапы, на которых:

подают фрагмент кимберлита в зону облучения;

посредством линейного ускорителя (1) электронов генерируют в направлении указанного фрагмента кимберлита тормозное излучение в диапазоне 1-10 МэВ в виде последовательности импульсов с переключением энергии между двумя соседними импульсами, при этом один из указанных импульсов имеет низкую энергию, а второй - высокую энергию;

принимают излучение, прошедшее через фрагмент кимберлита, посредством детекторного узла (2);

передают данные регистрации излучения от детекторного узла (2) в блок обработки, в котором оценивают атомные номера и массовые толщины материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому пикселю радиоскопического изображения, соответствующему одному чувствительному элементу с формированием тем самым данных сканирования; и

передают данные сканирования в блок автоматического анализа и отображения, в котором выполняют финальную обработку, включающую в себя по меньшей мере кластеризацию данных сканирования, оценку атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита отдельно по каждому кластеру, и оценку вероятности нахождения во фрагменте кимберлита по меньшей мере одного алмаза заданной крупности, а также визуализацию радиоскопического изображения с колоризацией сегментов изображения на основании обработанных данных сканирования;

по результатам автоматического анализа производят классификацию фрагмента кимберлита как содержащего алмаз заданной крупности или не содержащего алмаз заданной крупности.

10. Способ по п. 9, в котором заданная крупность алмаза составляет более 5 мм.

11. Способ по п. 9 или 10, в котором заданная крупность алмаза составляет более 8 мм.

12. Способ предварительного обогащения алмазов, включающий в себя этапы, на которых:

транспортируют алмазоносную руду от месторождения к установке предварительного обогащения;

на участке предварительного обогащения производят обнаружение алмазов в руде способом по любому из пп. 9-11;

по результатам классификации фрагментов кимберлита производят сортировку указанных фрагментов на концентрат, включающий в себя фрагменты, содержащие алмазы заданной крупности и подлежащий направлению на сохранное измельчение, и промежуточный продукт, не содержащий алмазов заданной крупности и подлежащий направлению на обогатительную фабрику для последующего обогащения.

13. Способ по п. 12, в котором заданная крупность алмаза составляет более 5 мм.

14. Способ по п. 12, в котором заданная крупность алмаза составляет более 8 мм.