CN101573607A - 岩石分析装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于分析岩石和岩石碎块的方法和装置。一种用于分析岩石碎块的方法，包括：将岩石碎块进料到微波源产生的微波能量的微波照射区；测量岩石碎块吸收的能量；以及将测量到的岩石碎块吸收的能量的变化率与岩石碎块的成分特征关联。一种岩石碎块分析组件，包括：微波能量源，产生微波照射区；岩石碎块进料器，帮助将岩石碎块进料到微波照射区中；至少一个主传感器，位于微波照射区的微波能量源一侧，用于测量岩石碎块在微波照射区中吸收的微波能量；以及处理单元，用于将测量到的岩石碎块吸收的能量26的变化率与岩石碎块的成分特征关联。

Description

岩石分析装置和方法

技术领域

本发明涉及一种岩石分析装置和方法。本发明特别但并不唯一应用于评估岩石碎块中的矿物含量，特别是矿物组成，为例证性目的将参考这种应用。但是，应理解，本发明可以用于采矿、其他地质环境和研究中的其他应用，例如评估岩石中的矿物含量和/或分布。

背景技术

岩石典型地包括不同浓度的矿物的集合和至少一些被吸收的或化学结合的水。早期分析岩石碎块样本的方法已包括用微波对样本照射较长的一段时间，通常是几秒或更大的数量级。微波辐射区别加热岩石碎块，同时例如通过诸如红外成像设备的热成像进行观察。岩石样本的不同的碎块和/或碎块的不同的区域由不同的矿物和/或水含量组成，如此，这些区域在微波照射下温度将增加到不同的度数。

一种目前在发展中的有利的方法使用了微波能量来加热导电(conductive)矿物，以便直接产生颗粒分裂或为了后来的分裂弱化颗粒，或者引入流动路径以加强后续处理。

在此描述的本发明旨在测量每个颗粒或岩石碎块在低得多的微波照射水平下吸收的微波能量，并用其作为抛弃不含矿物的颗粒以及在包括特定矿物的高品味和低品味颗粒之间进行可能的选择的根据。初级探测方法通常包括监测合适的微波源和目标颗粒之间的耦合度。不具有介电耦合(dielectric coupling)的颗粒可能会具有非常低含量的导电矿物或半导体，例如硫化物。

进一步，当表现为半导体的矿物被加热时，它们的载荷子变得更加易动(mobile)并且与合适的源的耦合度将会增加。如果被照射的岩石颗粒仅包含一个半导体种类(species)，则它应该显示耦合增加的特征比率(characteristic rate)。这提供了在半导体矿物之间进行区分和对它们的存在和含量进行估计的机会。

初级探测方法有利地提供了非常快速的响应。实际上，加热/能量吸收过程实质上是即时的。如此，能量吸收中的任何变化都能够被立刻探测到。进一步，有利地，不必等待加热发生。提出的方法也适合(complimentary with)用于通过热成像探测矿物含量的方法。执行本发明的方法所需的分选设备的元件因此可以共用包括热成像装置的颗粒分选(sorting)设备。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于分析岩石碎块的方法，包括：

将岩石碎块进料(feed)到微波源产生的微波能量的微波照射区；

测量岩石碎块吸收的能量；以及

将测量到的岩石碎块吸收的能量的变化率与岩石碎块的成分特征关联。

可以通过任何合适的方式将岩石碎块进料到微波照射区。根据一个实施例，通过传送机(conveyer)将岩石碎块进料到微波照射区，并且允许岩石碎块在重力作用下下落通过微波照射区。

为了增加岩石碎块的吞吐率(thoughput)，在优选实施例中，在碎块进料通道中将多个岩石碎块进料到微波照射区。更优选地，在多个离散的碎块进料通道中将多个岩石碎块进料到微波照射区。

本发明要求测量岩石碎块在经过微波照射区时吸收的能量。下文将涉及这一特征。但是，优选通过至少一个位于微波照射区的微波源侧的传感器测量岩石碎块吸收的能量。

如下文将更详细描述的，也可以通过在微波能量已经通过岩石碎块之后测量微波照射区的非微波源侧的微波能量的强度，补充岩石碎块的分析。但是，这是本发明的可选特征。

为了更进一步地补充分析，该方法可以包括测量岩石碎块的尺寸和岩石碎块在微波照射区中的时间长度的步骤。可以通过例如可见光照相机的方法测量该尺寸和时间长度。

可以使用任何合适的方法进行测量到的岩石碎块吸收的能量的变化率的关联。应了解，优选实时进行上述关联。因此，优选使用数据处理单元进行该关联。

在测量到的岩石碎块吸收的能量的变化率与岩石碎块的成分特征关联之后，可以根据需要将岩石碎块导向下游处理或丢弃。这可以基于感兴趣的特殊矿物的存在与否，和/或可以基于碎块中的特殊矿物的数量，例如碎块是高品味还是低品味的矿石。在一个实施例中，使用高压空气分离器、分离传送机(separating conveyer)或其他设备，将岩石碎块导向下游处理或丢弃。

根据本发明的另一方面，提供了一种岩石碎块分析组件(assembly)，包括：

微波能量源，产生微波照射区；

岩石碎块进料器，帮助将岩石碎块进料到微波照射区中；

至少一个主传感器，用于测量岩石碎块在微波照射区中吸收的微波能量；以及

处理单元，用于将测量到的岩石碎块吸收的能量的变化率与岩石碎块的成分特征关联；

其中所述至少一个主传感器位于微波照射区的微波能量源侧。

微波能量源可以包括工业中使用的任何合适的源。例如，微波能量源可以包括激励源、微波产生腔和用于产生微波照射区的波导。

在本发明的方法的情况下，可以通过任何合适的方法将岩石碎块进料到微波照射区。因此岩石碎块进料器可以采用任何形式。在优选实施例中，岩石碎块进料器包括传送机，该传送机包括驱动器和传送带，该传送带定向为将岩石碎块进料到微波照射区正上方的位置，从而当岩石碎块离开传送机时，岩石碎块在重力作用下下落通过微波照射区。传送机可以包括多个离散的碎块进料通道，以促进岩石碎块吞吐率的增加。主传感器可以采用任何合适的形式。优选地，主传感器由电路组成，该电路包括被快速模数转换器监测并且优选与微波源的频率顶点(peak)同步的仪表。该仪表有利地帮助监测施加到微波照射区的激励功率中的电流、电压和相位移动。

此外，在上述方法的情况下，优选实时进行测量到的能量吸收的变化率与岩石碎块的成分特征的关联。因此，优选处理单元包括计算机单元，该计算机单元包括用于将测量到的岩石碎块吸收的能量的变化率与岩石碎块的成分特征关联的库。

为了对一个或多个主传感器提供的提供补充分析，组件优选包括位于微波照射区的非微波能量源侧的次级传感器，用于在微波能量已经通过岩石碎块之后测量微波能量的强度。

同样地，为了补充分析主传感器，组件可以另外包括第三传感器，用于测量岩石碎块的尺寸和岩石碎块在微波照射区中的时间长度。无论是否包括次级传感器，都可以包括第三传感器，反之亦然。

如果包括第三传感器，则第三传感器可以采用任何合适的形式。优选地，第三传感器是可见光照相机。如需要，使用可见光照相机获得的图像可以用于根据颗粒质量(particle mass)的估计进行修正。

通常，实时进行岩石碎块的分析。如此，在优选实施例中，组件包括用于为了下游处理或丢弃分离岩石碎块的分离器。在特别实施例中，分离器是高压空气分离器或分离传送机。

本发明的方法可以用于协同其他分析方法。例如，本发明的方法可以用于协同热成像方法，该热成像方法包括通过微波辐射在岩石碎块中引发区别加热、对碎块进行热成像以及分析产生的热图像以根据其热特征(signature)确定每个碎块的矿物含量。本发明还提供为了引起分裂或破裂的目的使用高功率水平的方法。

具体实施方式

接下来介绍本发明依托的理论，但是不希望必须结合该理论，将根据来自脉冲(或者连续)微波辐射的能量吸收率，探测岩石碎块中感兴趣的矿物存在与否。这可以通过测量存在或不存在特定类型的目标颗粒时发生的耦合度来获得。

当表现为半导体的矿物被加热时，矿物的电子或载荷子变得更易动并且与合适的微波源的耦合度增加。如果被照射的矿物碎块仅包括一个半导体种类，则它应该显示耦合增加的特征比率(characteristicrate)。这提供了在半导体矿物之间进行区分和对它们的存在和含量进行估计的机会。

在不存在半导体矿物或任何其他在被微波照射时吸收能量的矿物的无效(null)情况下，耦合度将是可以忽略的。

在存在当被微波照射时吸收能量的非半导体矿物的情况下，加热的响应应该接近于线性的，耦合度将保持与矿物被加热时相同。

在存在全都在被微波照射时吸收能量的半导体矿物的情况下，与适合的源的耦合度将增加，并且该增加将系统地取决于矿物的绝对温度。

下式将控制这一表现：

n_e＝a*exp[-E/2KT]

其中：

n_e是每单位体积的导电电子的数目；

a是比例常数；

E是从一个原子向下一个原子传递电子的激励能量；

K是玻尔兹曼(Boltzman)常数；以及

T是开氏温标下的绝对温度。

能斯特(Nernst)等价方程(如Practical Handbook of PhysicalProperties of Rocks and Minerals Published CRC 363)

矿物的有效导电性应该直接正比于有效电子或载荷子的数目。因此，当温度增加时，导电性也将增加。例如，如果典型的环境温度是300开尔文，矿物温度增加30开尔文(至约60℃)会将电阻减小10％。因此，相对小的温度的增加将引起导电性的急剧增加。

大多数的矿物硫化物表现出1-10×10^-6的零频率电阻系数(ohm/m)。但是，主要是脉石硫化物、以及是酸性井下排水的来源的黄铁矿具有1-600×10^-3的电阻系数。因此，这将更易于加热以及电阻的急剧降低。

由于杂质对半导性具有重要贡献，所以不同的源之间在矿物电阻系数和频率响应方面有实质上的不同。因此，优选将对不同的矿床试验以及最优化所提出的方法。

在半导体矿物的混合物的情况下，如上所述，与合适的源的耦合度将增加，但是是以联合表示存在的矿物的耦合度和加热度的方式。通过存在的最高浓度的矿物和最导电矿物之间的平衡控制该表现。半导体矿物的存在将是显而易见的，但对矿物的类型或浓度只提供非常近似的指导。

本发明不同于其他可以用于引发岩石碎块中的微观断裂(micro-fracture)以减少随后需要的破碎的微波加强方法。该实现方式使用的微波辐射的功率密度通常在10⁹到10¹¹W/m³的范围内。

本发明的方法也不同于在碎块样本的分析中使用低功率密度的脉冲微波辐射以凭借它们的介电系数确定吸收微波的矿物的丰度(abundance)。这通常通过感测由谐振腔内的样本的存在引起的谐振频率的变化来测量。

在本发明的方法的情况下，不必向系统引入热冲击来弱化岩石，但是为了增加可探测的载荷子的迁移率而引发充分的加热是必要的。

应了解的是，或者本发明的方法应使用干燥的进料器材料，或者应选择避免与水存在强相互作用的任何微波频率。

不同的半导体矿物对微波长度/频率的响应也不同。因此，当使用本发明的方法时，可以使对于最感兴趣的矿物的灵敏度最大化。

本发明的方法不仅可以有利地帮助在碎块总体中识别包含矿物的碎块，还可以帮助确定矿物含量。通过使用脉冲或连续的低功率微波源，也会增强能量的差别吸收所导致的相对变化。

在优选实施例中，施加低于10⁹W/m³、更优选地在10⁷至10⁸W/m³的范围内的功率密度的脉冲微波辐射。

如果使用脉冲微波能量，则在每个脉冲过程中吸收的能量将与照射区中存在的矿物的量(以及电连续性)成比率地增加。如此，如果快速连续地施加三个或四个脉冲，功率-脉冲数目曲线的斜率应该可以用辐射区中存在的矿物或矿物的混合物表示或与之相关。

由于加热过程非常迅速，所吸收的能量-时间的图形也应该给出根据微波照射区中存在的一种或多种矿物的特征曲线。如果没有半导体存在，一些能量可以被吸收，但是量不会随温度任意增加，提供了用于抛弃的第二判据。

在上述两种情况下，所吸收的能量的绝对数量可以作为存在的矿物的绝对数量的指导，假设矿物的结构(即物理排列)是适当一致的。如果提供了一些颗粒尺寸和质量的测量，这些可以结合这些测量来估计矿物品味。即，存在的矿物的比例。

在一个实施例中，如上文概述的，在通道中将岩石碎块进料到微波照射区。每个通道或岩石碎块路径具有专用的微波源。在一个或多个脉冲过程中从源中取用的能量可以被测量以及用作目标碎块中的导电矿物成分的估计。该探测方法将有利地提供快速响应。

在一个可选实施例中，每个通道或岩石碎块路径具有专用的连续微波源。当碎块通过照射区时从源中取用的能量可以被以若干短时间间隔地测量以及用作目标碎块中的导电矿物成分的估计。该探测方法也将有利地提供快速响应。

如上所述，补充传感器或探测器可以置于与辐射源侧相反的照射区侧。在这种情况下，传感器或探测器位于通过过岩石碎块后的微波束中。在该实施例中，残余信号强度被监测并被关联到颗粒中的导电矿物成分。如果探测到的能量水平与无颗粒存在时探测到的信号强度近似，则颗粒不大可能包含任何导电微粒。

在另一实施例中，可以选择微波频率以使任何表面湿气和/或碎块中吸收的湿气的能量吸收最小化，从而使吸收微波的矿物和其他材料之间的吸收差异最大化。频率通常在900到5800MHz的范围内。优选地，频率在900到3500MHZ的范围内，较优选地，在915到2450MHz的范围内，更加优选地，在915到950MHz的范围内。

类似地，可以选择微波脉冲持续时间，以使任何表面湿气和/或碎块中吸收的湿气的加热/吸收最小化，从而使吸收微波的矿物和其他材料之间的吸收差异最大化。

应注意，上述的任一或全部步骤可以自动化。如上所述，优选该方法提供岩石碎块的实时分析。因此，优选整个过程自动化。

附图说明

为方便起见，将在下文中参照附图对本发明的一个实施例进行详细描述。该详细描述的目的在于指导对本发明的主题感兴趣的人如何将本发明付诸实践。但是，应清楚理解的是，该详细描述的具体特性并不能代替上述说明的一般性。

图1图示了根据本发明的一个实施例的组件1。通过分成一个或多个“通道”4的传送机3传送岩石碎块2。每个通道是允许每个碎块单独出现在专用于该通道4的微波辐射中的单一岩石运载路径。为清楚起见，图1中只示出了一个通道。

每个通道4具有探测器5，该探测器5识别每个碎块2的前缘和后缘并且向计算机传送信号。该探测器5可以是标准数字摄影机，通过合适的图像分析软件或被每个岩石碎块的通路中断的光(或者激光)束支持该标准数字摄影机。存在多种可能的合适的执行方式。

组件1包括激励源6、微波产生谐振腔7、波导8、功率探测传感器9以及可选的传输(transmission)探测器10。在波导8的端部产生强微波作用可达区(accessible zone)8’。

在图示的实施例中，岩石碎块2垂直下落通过微波照射区8’。但是，碎块2可以沿任意方向通过该区8’。由于当碎块翻滚通过该区8’时，垂直下落增加了辐射的均匀分布的可能性，所以垂直下落可以是有利的。类似地，岩石碎块必须单独地通过室(chamber)。

在微波照射区8中，岩石碎块(2)暴露给选定频率和强度的短脉冲或连续微波照射。虽然频率会根据感兴趣的矿物或品味而有很大的不同，但是频率通常在900到5800MHz的范围内。如上所述，通常以低于在岩石碎块中引发微观断裂所需要的功率密度施加脉冲微波辐射。

当碎块经过微波区8’时，使用传感器9测量通过碎块与微波场的相互作用吸收的来自微波源的功率。在微波信号通过碎块2之后，可以可选地通过传输探测器10测量微波信号的强度，但是这仅在碎块不包含吸收微波的矿物的情况下有用处。

可以使用很大范围的电子测量技术来执行每个任务。为了便于与计算机配合，主要优选高速、数字电路技术用于快速分选决策和分选机制的激励。但是，一些模拟实现方式也是实用的。

可以使用一个或多个可见光照相机来捕捉可见光图像，以确定碎块尺寸和感兴趣的碎块进入照射区和离开照射区的时间。通过将数据与之前建立的特殊品味和尺寸的岩石碎块的微波引起的吸收属性相比较，可以支持该估计和/或确定更多的矿物含量。

如上所述所获得的信号被发送到通常为计算机的数据处理设备11。该设备11识别每个颗粒以及计算上述每种情况下对微波照射的时间响应。根据时间响应，可以对矿物类型和含量进行估计，作为分离处理的判据。

然后可以根据含量分析，使用分离器12分离每个岩石碎块2。可以使用任何适当的传统装置，包括将每个岩石碎块吹向特定的方向以便进一步处理或丢弃的高压空气分离器。分离器12根据处理设备11所发出的信息而分离每个岩石碎块2。单独的岩石碎块2。根据例如所估计的岩石碎块中的导电矿物品味(或其缺乏)分离每个岩石碎块2。

在图1所示的装置中，分离器12是从处理设备11接收信号的高压空气分离器。例如，分离器12可以接收信号以在包含高矿物含量的岩石碎块13经过它的时候释放高压空气，从而该碎块被导向特定的收集器。允许低品味或脉石颗粒14继续自由下落到分离式收集器中。

在该特定实施例中，为了便于理解，仅将碎块分成两组。但是，应了解，该装置和方法可以被配置为能够分离横跨一定比例的矿物含量范围内的岩石碎块。在这种配置中，如果如同当前实施例那样，分离器12是高压空气分离器，则其可以以不同的力量和/或方向吹气，或者可以例如对每个碎块的品味，使用多个鼓风机以根据岩石中的矿物含量或矿物的分布模式将特定的碎块导向特定的收集器。

另一选择为，或者结合起来，分离式传送带可以将岩石碎块导向到分离式收集器中。

总而言之，本发明的岩石分析装置和方法可以根据下列判据有利地提供岩石碎块的分离：

1、如果在传感器9和可选传感器10处有可忽略的能量变化，则不存在矿物；

2、如果在传感器9处取用的能量不随时间增加，则不存在感兴趣的矿物；

3、如果在传感器9处取用的能量随时间增加，则可以使用从传感器或探测器5获得的估计岩石尺寸和/或质量的数据，来估计矿石的品味。然后，如果碎块被估计为在所需的矿石品味之下，则可以被丢弃；

4、如果在传感器9处取用的能量随时间增加，则有可能是所获得的特征(signature)暗示岩石碎块中也存在有害矿石。然后可以丢弃该碎块或为了下游处理分离该碎块；以及

5、如果在传感器9处取用的能量随时间增加，则可能存在足够高品味的目标矿物，可进行进一步的处理。

当然，应理解，仅通过本发明的例证性的示例的方式给出以上说明，对于本领域技术人员来说，在本文所阐明的发明的宽广范围内对其所作的所有这些修改和变更均是显而易见的。

Claims (21)

1、一种用于分析岩石碎块的方法，包括：

将岩石碎块进料到微波源产生的微波能量的微波照射区；

测量岩石碎块吸收的能量；以及

将测量到的岩石碎块吸收的能量的变化率与岩石碎块的成分特征关联。

2、根据权利要求1所述的方法，其中通过传送机将岩石碎块进料到微波照射区，并且允许岩石碎块在重力作用下下落通过微波照射区。

3、根据权利要求2所述的方法，其中在碎块进料通道中将多个岩石碎块进料到微波照射区。

4、根据权利要求2所述的方法，其中在多个离散的碎块进料通道中将多个岩石碎块进料到微波照射区。

5、根据权利要求1所述的方法，其中通过至少一个位于微波照射区的微波源侧的传感器测量岩石碎块吸收的能量。

6、根据权利要求5所述的方法，包括在微波能量已经通过岩石碎块之后测量微波照射区的非微波源侧的微波能量的强度。

7、根据权利要求1所述的方法，包括测量岩石碎块的尺寸和岩石碎块在微波照射区中的时间长度。

8、根据权利要求7所述的方法，其中通过可见光照相机的方式测量该尺寸和时间长度。

9、根据权利要求1所述的方法，其中使用数据处理单元进行测量到的岩石碎块吸收的能量的变化率的关联。

10、根据权利要求1所述的方法，其中在测量到的岩石碎块吸收的能量的变化率与岩石碎块的成分特征关联之后，将岩石碎块导向下游处理或丢弃。

11、根据权利要求10所述的方法，其中使用高压空气分离器将岩石碎块导向下游处理或丢弃。

12、一种岩石碎块分析组件，包括：

微波能量源，产生微波照射区；

岩石碎块进料器，帮助将岩石碎块进料到20微波照射区中；

至少一个主传感器，位于微波照射区的微波能量源一侧，用于测量岩石碎块在微波照射区中吸收的微波能量；以及

处理单元，用于将测量到的岩石碎块吸收的能量26的变化率与岩石碎块的成分特征关联。

13、根据权利要求12所述的组件，其中微波能量源包括激励源、微波产生腔和用于产生微波照射区的波导。

14、根据权利要求12所述的组件，其中岩石碎块进料器包括传送机，该传送机包括驱动器和传送带，该传送带定向为将岩石碎块进料到微波照射区正上方的位置，从而当岩石碎块离开传送机时，岩石碎块在重力作用下下落通过微波照射区。

15、根据权利要求12所述的组件，其中所述至少一个主传感器由电路组成，该电路包括被快速模数转换器监测并且优选与微波源的频率顶点同步的仪表。

16、根据权利要求12所述的组件，其中处理单元包括计算机单元，该计算机单元包括用于将测量到的岩石碎块吸收的能量的变化率与岩石碎块的成分特征关联的库。

17、根据权利要求12所述的组件，包括位于微波照射区的非微波能量源侧的次级传感器，用于在微波能量已经通过岩石碎块之后测量微波能量的强度。

18、根据权利要求17所述的组件，包括第三传感器，用于测量岩石碎块的尺寸和岩石碎块在微波照射区中的时间长度。

19、根据权利要求18所述的组件，其中第三传感器是可见光照相机。

20、根据权利要求12所述的组件，包括用于为了下游处理或丢弃分离岩石碎块的分离器。

21、根据权利要求20所述的组件，其中分离器是高压空气分离器。

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