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    激光辅助分析助力地下深层矿

      发布时间:2018-03-19 07:35

      激光诱导击穿光谱(LIBS)测量:岩粉通过一个软管被带到表面上,并用一个旋风除尘器分离成颗粒大小。粉尘和空气的混合物在软管中以高达每秒20米的速度通过,而实时分析(所有时间不超过20微秒)就是在这段旅程中完成的。

      全球生产市场的持续发展,增加了对矿物质的需求。然而供求的不平衡,正在使对自然资源的有效利用成为比以往更加重要的考虑因素。当前的矿产开采技术不能始终保证对沉积物的最佳开采,这会导致开采成本和开采时间的增加。矿业公司希望能有一种快速、可靠的方法来分析潜在的矿藏。现在,德国弗朗荷费激光技术研究所(ILT)已经开发出一种适合于采矿的系统,其采用激光分析来实时地鉴定岩石。

      开采矿产最常见的方法是钻孔、爆破、切割。为了决定哪些地方值得开采,矿山经营者必须能够准确地模拟出沉积物,显示出在哪里、在什么深度,以及何种浓度的所需矿石将被发现。这样就避免对没有价值的岩石的盲目开采,节省了矿山经营者开采资源的时间和资金。

      目前,详细模拟一种沉积物所需要的信息是由岩心钻探收集的:从地下开采出一个核心样品并送到实验室,然后利用X射线荧光(XRF)对样品的成分进行分析。矿山经营者不得不等上3~5天才能得到结果。但这已经是目前最先进的方法了。

      由于岩心钻探的方法非常耗费时间,矿业公司都在渴望能有一种更快的分析方法,并且依然能提供足够详细的信息。在一项由德国经济技术联邦委员会(BMWi)资助的项目中,来自德国弗朗荷费激光技术研究所的研究人员,与亚琛工业大学矿业与冶金机械学院合作,已经开发出了一个用于矿物开采的带有联机分析模块的分析系统。该系统能在钻取矿物质的过程中直接对岩石进行分析:使用安装在分析模块上的传统的钻机,在岩石上钻出一个直径10cm、深度为24m的孔。该分析系统能在钻孔的过程中测量岩石的化学成分,并且立刻就能得到评估数据。

      “这个项目的挑战是重新设计激光传感器,以使它们能承受较为恶劣的工作环境。”研究人员说:“我们正在研发能够应对极端温度、强烈振动、高湿度和多粉尘等恶劣环境的测量仪器。”

      该分析系统所使用的分析方法是激光诱导击穿光谱(LIBS)测量:岩粉通过一个软管被带到表面上,并用一个旋风除尘器分离成颗粒大小。粉尘和空气的混合物在软管中以高达每秒20米的速度通过,而实时分析(所有时间不超过20微秒)就是在这段旅程中完成的。

      一个高能量的激光脉冲聚焦于通过的岩粉粒子。这些粒子首次被气化,然后被激光的热量变成等离子体。在一段短暂的时间内,等离子体以其包含的特定元素的频率产生辐射。光谱仪同时会检测到所有元素发出的辐射,然后这些数据被发送到计算机进行评估。在分析过程中,激光脉冲会接触到由不同元素构成的粒子,结果是很短时间内的平均值。这提供了岩石所包含的所有成分的有用信息,而数据序列的年代则显示了沉积物是如何分层的。

      这种方法的决定性的优势是其能节省大量时间。由于数据的评估和提交能在几秒钟内完成,矿上经营者能够立即决定沉积物的质量,并依此来调整相应的开采过程。到目前为止,这种方法已经用来检测镁、钙、硅、铁、铝等材料。目前研究人员正在开发能快速检测铜和其他金属的光谱仪。

      从长远来看,这种面向多元素分析的实时检测过程,使自动提取机械成为可能。研究人员已经提出一个概念:该系统如何能安装到地下采煤机上。在地面上,该系统可以安装到用于提取矿藏的钻探设备上。联机分析能够实现对沉积物的连续的质量控制和不断滚动更新。一个旨在开发适合行业应用的分析系统的后续项目已经开始了。具有激光分析系统的钻机,将为该类产品带来新的卖点,也将为这些制造厂商开辟新的销售潜力。