4.3 Исследование физических свойств минералов
Полезные ископаемые и продукты обогащения характеризуются плотностью, магнитными и электрическими свойствами, влажностью, прочностью и абразивностью, а также некоторыми технологическими свойствами, которые учитываются в отдельных операциях.
Плотность
Действительная плотность минерального сырья δ - отношение массы твёрдой фазы т к её объёму V:
, кг/м3. (4.1)
Действительная плотность - одно из характерных свойств минералов. Она определяется химическим составом и структурой минерала, при этом важную роль играют атомная масса элементов, составляющих минерал, их валентность, координационное число, размер ионных радиусов.
Действительная плотность минералов - диагностическая свойство, которое имеет большое практическое значение при гравитационном обогащении минерального сырья, где разница в плотности используется для разделения минералов. В большинстве случаев действительную плотность используют при определении других параметров (пористость, дробимость, удельная площадь поверхности) и при инженерных расчётах.
Действительную плотность отдельных кусков полезного ископаемого определяют взвешиванием куска сначала на воздухе, а затем погруженного в воду. Для взвешивания с точностью до 0,01-0,02 г используют аналитические или аптекарские весы. Плотность определяют по формуле:
, кг/м3, (4.2)
где m1 - масса куска на воздухе, кг; m2 - масса куска в воде, кг; Δ - плотность воды, кг/м3.
Для определения действительной плотности полезных ископаемых и продуктов обогащения используют пикнометрический метод. Пикнометрический метод основан на измерении массы пустого пикнометра, наполненного жидкостью и при замене части жидкости пробой исследуемого материала:
, кг/м3, (4.3)
где 
- действительная плотность исследуемого материала, кг/м3; 
- плотность жидкости, кг/м3; m1 - масса пустого пикнометра, кг; m2 - масса пикнометра с жидкостью, кг; m3 - масса пикнометра с пробой исследуемого материала, кг; m4 - масса пикнометра с жидкостью и пробой исследуемого материала, кг.
Насыпная плотность измельчённого продукта - отношение массы продукта с промежутками между зёрнами и порами к его объёму.
Насыпная плотность зависит от действительной плотности, минерального и гранулометрического состава материала, степени его уплотнения, влажности. Насыпную плотность используют при определении объёма, занимаемого сырьём; при расчётах бункеров и ёмкостей для его хранения и транспортировки; для определения давления на стенки сосудов, вагонов и т.п.
Для определения насыпной плотности используют метод мерного цилиндра. При этом методе в цилиндр вместимостью 10-15 мл до определённой метки наливают бензол, спирт или керосин, а затем вводят пробу исследуемого материала массой 3-5 г. После отсчёта объёма вытесненной жидкости при известной массе пробы определяют плотность материала по формуле (4.1). В качестве окончательного результата исследований принимают среднее арифметическое двух испытаний, которые отличаются не более чем на 5%.
Насыпная плотность полезных ископаемых в значительной степени зависит от крупности. В инженерных расчётах и практике горного дела зависимость насыпной плотности от крупности оценивается коэффициентом разрыхления.
Влажность
Влажность - отношение массы воды, содержащейся в минеральном сырье, к массе влажного сырья (%).
В зависимости от массовой доли воды тонкоизмельчённое сырье может иметь твёрдую, пластичную и текучую консистенцию. Вода в различных формах всегда присутствует в горных породах и тесно взаимодействует с ними. Воду в горных породах по степени её подвижности, характеру связи и влияния на состояние и свойства горных пород классифицируют на: связанную воду, воду связанную капиллярными силами и свободную воду.
Все эти категории воды присутствуют в горных породах совместно. Различные формы влаги в измельчённых горных породах переходят друг в друга и изменяют физические свойства пробы: объёмную и насыпную плотность, сыпучесть, адгезию, замерзание.
Массовую долю влаги в минеральном сырье обычно определяют высушиванием пробы в сушильном шкафу, при температуре 105±5°С.
Проба считается высушенной до постоянной массы, если относительное различие между двумя последовательными взвешиваниями составляет не более 0,05%.Массовую долю влаги 
рассчитывают с точностью до второго десятичного знака после запятой:
, % , (4.4)
где m - масса листа, на котором сушилась проба, кг; m1 - масса листа с навеской до высушивания, кг; m2 - масса листа с навеской после высушивания, кг.
Сыпучесть
Сыпучесть минерального сырья оценивается по массе материала, который высыпался за единицу времени через единицу площади выпускного отверстия. Сыпучесть сырья в этом случае зависит не только от размеров выпускного отверстия, но и от конструкции прибора: угла и формы выпускной воронки, высоты слоя материала над выпускным отверстием.
Сыпучесть - важная технологическая характеристика сырья, которая необходима для расчёта выпускных отверстий силосов, бункеров, питателей и других разгрузочно-перегрузочных устройств. Сыпучесть определяется минеральным и гранулометрическим составом сырья, влажностью и в значительной степени размером и формой самих частиц.
Для определения сыпучести материалов крупностью не более 3 мм отбирают пробу массой 6 - 10 кг из расчёта трёхкратного исследования. Основной прибор для определения сыпучести материалов - воронка Гарри с диаметром выпускного отверстия 30 мм и углом конусности 35о.
Степень сыпучести 
материала определяется по формуле:
, кг/с, (4.5)
где m- масса высыпавшегося материала, кг; t - время высыпания материала, с.
Если различие между определениями превышает 10%, исследование повторяют и рассчитывают среднее значение.
Магнитная восприимчивость
Магнитная восприимчивость - физическая величина, характеризующая способность тела изменять интенсивность собственной намагниченности.
Объёмная магнитная восприимчивость равна отношению намагниченности тела J к напряжённости магнитного поля Н, в котором находится тело:
, (4.6)
Основной характеристикой руд, обогащающихся магнитным методом, является удельная магнитная восприимчивость χ - объёмная магнитная восприимчивость единицы массы тела:
, м3/кг, (4.7)
где - плотность тела, кг/м3.
Объёмная магнитная восприимчивость при пондеромоторном методе, предложенном Фарадеем, определяется измерением силы притяжения, действующей на образец в неоднородном магнитном поле с известным значением силы магнитного поля.
Методика измерений заключается в последовательном взвешивании стеклянной колбочки с эталоном и образцом при выключенном и включённом электромагните. Удельная магнитная восприимчивость образца χ определяется по формуле:
, м3/кг, (4.8)
где С - постоянная, которая определяется экспериментально для данных полюсных наконечников, положении образца и тока возбуждения электромагнита, м3/кг; т - масса образца, кг; Δт - изменение массы образца в магнитном поле, кг.
Измерения производятся 3-4 раза и затем рассчитывается среднее арифметическое значение удельного магнитной восприимчивости образца исследуемого материала.
Этот метод используется главным образом для определения удельного магнитной восприимчивости слабомагнитных материалов.
Некоторым видоизменением рассматриваемого метода является метод Гюи, основанный на измерении силы, действующей на образец. Образец находится в цилиндре, один конец которого помещён в сильное магнитное поле Н, а второй - в слабое Н1.
Методика измерений заключается в следующем.
Образец исследуемого материала, измельчённый до крупности 0,1 мм, засыпают в стеклянную трубку длиной 40 см и уплотняют до метки 35 см. Трубку с материалом подвешивают к одной чашке весов таким образом, чтобы нижний край находился в однородном магнитном поле. При достаточно большой длине цилиндра его верхний конец удалён от полюсов магнита на большое расстояние и Н1 ≈ 0. Трубку с материалом взвешивают при отсутствии тока в обмотках электромагнита и при заданной величине тока. Эту операцию выполняют несколько раз и определяют среднеарифметическое значение удельной магнитной восприимчивости по формуле:
, м3/кг, (4.9)
где l - длина образца в трубке, м; Δт - кажущийся прирост массы образца в магнитном поле, кг; т - масса образца, кг; μ0 = 1,256?10-6 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума; H - напряжённость сильного однородного магнитного поля, А/м.
Метод Гюи может применяться для определения магнитной восприимчивости как слабомагнитных (в поле Н = 800-1000 кА/м), так и сильномагнитных минералов (в поле Н = 80-100 кА/м).
Электрическая проводимость
Электрическая проводимость состоит из объёмной и поверхностной составляющих. Объёмная проводимость минерала зависит от содержания примесей, а поверхностная - от состояния его поверхности.
Методы измерения объёмной проводимости твёрдых веществ разделяются на две группы: методы, основанные на использовании постоянного тока и методы, основанные на использовании переменного тока. При лабораторных исследованиях электрической сепарации применяют методы первой группы (двухэлектродные и четырёхэлектродные).
Двухэлектродный метод основан на изменении тока, проходящего через исследуемый образец, при известной разности потенциалов между электродами. В зависимости от электрической проводимости исследуемого образца для регистрации тока используют амперметр, гальванометр или электрометр.
Для исследования минералов с высокой электрической проводимостью обычно применяют амперметр или различные мостиковые схемы на постоянном токе, минералов с рядом электрической проводимостью - высокочувствительные тераомметры, минералов с очень низкой электрической проводимостью - электрометры с непосредственным цифровым отсчётом.
При измерении двумя зондами используют вольфрамовые электроды диаметром 0,1 мм (расстояние между ними l = 0,5÷1,5 см), напряжение на образце измеряют компенсационным методом. При этом считают, что сопротивление между зондами изменяется линейно.
Сопротивление образца определяется по формуле:
, Ом (4.10)
где 
- сопротивление эталонного образца, Ом; 
и 
- напряжение на эталонном и исследуемом образцах, В.
При необходимости получения более точных значений величины электрической проводимости используют четырёхэлектродный метод.
Четырёхэлектродный метод основан на измерении разности потенциалов между двумя эквипотенциальными поверхностями образца, находящимися между электродами. Метод позволяет исключить приэлектродную поляризацию и измерить действительную проводимость образца.
Удельную объёмную электрическую проводимость σ можно определить по разность потенциалов ΔU между измерительными электродами:
, См/м, (4.11)
где I - величина тока, подведённого к образцу, А; l - расстояние между измерительными электродами, м; ΔU - разность потенциалов между измерительными электродами В; S - площадь поперечного сечения образца, м2.
Более точные результаты получают при специальной подготовке образца в виде параллелепипеда (обычно размером 25х25х0,5 мм), куба, диска или любой геометрической фигуры, имеющей параллельные поверхности, на которые накладывают электроды. Для обеспечения надёжного контакта при температуре, близкой к комнатной, используют графитовые электроды. При повышенной температуре (более 300-350оС) используют золотые или платиновые электроды, но в данном случае поверхность образца должна быть тщательно отшлифована.
Прочность
Прочность - свойство горных пород сопротивляться разрушению а также необратимому изменению формы под воздействием внешних нагрузок.
Прочность горных пород определяется химическим составом, генезисом, структурой и твёрдостью минералов. В горной промышленности для оценки прочности минерального сырья пользуются коэффициентом и шкалой прочности, предложенными проф. М. М. Протодьяконовым. За единицу прочности принято временное сопротивление одноосному сжатию в 9,8 Н/мм2, которое определяется на образцах кубической формы со стороной равной 50 мм.
Основной метод определения коэффициента прочности - метод раздавливания образцов правильной формы.
Абразивность
Абразивность - способность горных пород изнашивать твёрдые тела, которые контактируют с ними (детали машин, инструменты и т.п.). Абразивность в основном определяется прочностью, размерами и формой минеральных зёрен, составляющих горную породу.
Абразивность оценивают по степени износа штифтов, стержней, металлических колец, которые трутся о поверхность пород при сверлении или резке, а также по степени стирания пород абразивными материалами. Абразивность горных пород обусловливается в основном двумя их свойствами - пределом прочности на сжатие отдельных минеральных зёрен (σст) и коэффициентом хрупкости (kкр). Поэтому коэффициент абразивности определяют по формуле:
. (4.12)
Кроме того, применяют эмпирические методы оценки абразивности. По методике Л. И. Барона и А. В. Кузнецова показатель абразивности горных пород определяют как суммарную потерю массы (в мг) стандартного стержня, вращающегося с частотой 400 мин-1, прижатого к породе, при осевой нагрузке 150 Н за время испытания 10 мин.
При работе машины образец исследуемого материала перемещается по окружности со скоростью 0,48 м/с. Продолжительность опыта составляет 8 часов. Через 8 часов образец исследуемого материала снимают и определяют площадь поверхности пирамиды по её геометрическим размерам. Рассчитывают износ 1 м2 площади поверхности материала образца за 8 часов работы машины. Полученный результат служит оценкой абразивности минерального сырья. Относительная износостойкость образца материала определяется по формуле:
, час/г, (4.13)
где t - постоянная времени истирания образца исследуемого материала, час; т - износ образца исследуемого материала, г.
Определение выполняют на двух образцах и рассчитывают среднее арифметическое, если расхождения результатов двух экзаменов не превышает 1%. При большем расхождении делают третье определение и за окончательный результат принимают среднее арифметическое двух наиболее близких.