贊比亞羅恩延長部銅礦床氧化銅礦石工藝礦物學(xué)研究

夏 瑜，羅 星，馬榮鍇，勞昌玲，李 勇，袁江濤，牛聰聰，周奇明

(1.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006)

贊比亞位于非洲中南部，銅礦資源儲量豐富，是我國礦產(chǎn)資源開發(fā)“走出去”的重要投資區(qū)域。從地質(zhì)構(gòu)造的角度來說，贊比亞境內(nèi)主要由盧弗里安弧、伊魯米德帶和莫桑比克帶等3個(gè)構(gòu)造帶組成[1]；銅礦床按照成因可分為沉積型(砂頁巖型)、變質(zhì)改造型和熱液型銅礦床，沉積型(砂頁巖型)銅礦床的銅資源量占贊比亞總銅資源量的近80%，是贊比亞最重要的銅礦床類型[1-2]。羅恩延長部銅礦床是盧弗里安弧南東端盧安夏成礦帶中的重要砂頁巖型銅礦床[3]，中國有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司已獲得該礦床的勘查權(quán)與開發(fā)權(quán)[4]。該礦床自發(fā)現(xiàn)至今已有一百多年的歷史，TCu平均品位1.84%,累計(jì)采出礦石量高達(dá)2.59億t[3]。由于開發(fā)歷史悠久，羅恩延長部銅礦床當(dāng)前面臨著采空區(qū)殘留礦體和勘查空白區(qū)資源量待核查以及部分礦體礦石質(zhì)量待研究等問題，礦山僅有部分區(qū)域有少量氧化銅礦石可供開采[4]，不能滿足企業(yè)發(fā)展需要。

為核實(shí)礦區(qū)內(nèi)銅資源量儲量，找到高品質(zhì)可利用的銅資源以增加礦山服務(wù)年限，中國有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司子公司中色盧安夏銅業(yè)有限公司對羅恩延長部銅礦床的勘查空白區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)找礦工作，并在礦床北翼獲得了資源量可達(dá)中型規(guī)模的氧化銅資源潛力接替區(qū)[4]。本文以該區(qū)氧化銅礦石為研究對象，利用化學(xué)分析、光學(xué)顯微鑒定、物相分析、篩析試驗(yàn)和掃描電鏡能譜分析等多種方法手段，查明了礦石中銅的賦存狀態(tài)，并對影響銅礦石選冶回收的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析，為加快礦山建設(shè)及后續(xù)優(yōu)化礦石選冶工藝流程提供了可靠資料。

1 礦床地質(zhì)背景

羅恩延長部銅礦床在大地構(gòu)造位置上屬于非洲中部新元古代構(gòu)造帶、盧弗里安弧的南東端，出露地層由中期和早期前寒武紀(jì)的基底和晚期前寒武紀(jì)的加丹加蓋層組成，由上到下分別為上羅恩亞群的白云巖和泥質(zhì)白云巖，下羅恩亞群的泥質(zhì)巖、砂巖、礫巖、白云巖、白云質(zhì)片巖、泥質(zhì)板巖和石英巖等，基底為石英巖、云母片巖和片麻巖；下羅恩亞群RL6的泥質(zhì)巖、白云質(zhì)片巖為本區(qū)主要賦礦層位；區(qū)內(nèi)構(gòu)造以向斜為主，軸向整體呈NWW向；巖漿巖以盧弗里安造山運(yùn)動早期的輝長巖體為主，見浸染狀黃銅礦化[3,5]。羅恩延長部銅礦體可分為東礦體和西礦體，整體上呈西厚東薄；礦體以層狀和似層狀產(chǎn)于復(fù)式向斜之中，走向呈NWW-SEE、傾向呈NNE，沿走向延長大于1 200 m，整體連續(xù)較好、延伸較穩(wěn)定；礦體形態(tài)和分布均受地層和褶皺控制[4]。礦床中銅礦石類型可分為氧化銅礦石、混合銅礦石和硫化銅礦石，礦物組成復(fù)雜。氧化銅礦石中銅礦物可見孔雀石、假孔雀石和赤銅礦等，硫化銅中銅礦物以黃銅礦、斑銅礦、輝銅礦和銅藍(lán)等為主，混合礦石中可見上述各類銅礦物；除此之外，礦石中還見褐鐵礦、赤鐵礦和黃鐵礦等鐵的獨(dú)立礦物。非金屬礦物的種類和含量受巖性影響，常見礦物有石英、黑云母、鉀長石、斜長石、白云母、綠泥石、高嶺石和方解石等。礦石礦物可見他形晶粒結(jié)構(gòu)和自形-半自形晶粒結(jié)構(gòu)；礦石構(gòu)造類型可見土狀-半土狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造和脈狀構(gòu)造[6]。

2 樣品采集與分析測試手段

根據(jù)試驗(yàn)要求，本文分別采集了綜合分析樣和巖礦分析樣，樣品性質(zhì)為探礦鉆孔巖芯樣，規(guī)格為巖芯1/2～1/4劈樣。綜合分析樣是可代表整個(gè)礦山礦石質(zhì)量的樣品，由地質(zhì)小樣經(jīng)混合、破碎和磨礦之后組合而成，共采集地質(zhì)小樣20份，每樣重1.5 kg、總重30 kg；綜合分析樣可進(jìn)一步縮分和細(xì)磨以用于化學(xué)分析、物相分析和篩析試驗(yàn)。巖礦鑒定樣主要用于礦石中礦物特征分析，共采集30份巖礦樣，分別制成薄片、光片和探針片，用于光學(xué)顯微鑒定和掃描電鏡能譜分析。

礦石化學(xué)多元素定量分析根據(jù)元素含量、分析檢測的極限值和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行規(guī)完成檢測工作[7-11]；光片、薄片分別采用萊茲偏光顯微鏡(儀器型號ORTHOLLX-II POLBK)的反射光和透射光進(jìn)行觀察，目鏡×物鏡放大倍率為10倍×(4～100)倍，觀測電壓為3～10 V；圖像處理系統(tǒng)為ArtCam Measure2.0，以單顆粒最大截距為粒徑統(tǒng)計(jì)參數(shù)，鑒定過程及結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范[12-13]。掃描電鏡能譜分析樣品為探針片，表面真空噴碳處理，試驗(yàn)儀器型號為∑IGMA型場發(fā)射掃描電鏡，儀器使用條件為：放大倍率25×～800 000倍，化學(xué)元素分析范圍4Be-99Es，元素含量檢出下限為0.1×ωB/10-2。銅的物相分析方法和步驟參考《巖石礦物分析》第四版第三分冊對應(yīng)的“銅物相分析”章節(jié)[14]，利用安捷倫電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES725)測試元素濃度。篩析試驗(yàn)條件為濕篩，樣品磨礦粒度根據(jù)礦山實(shí)際要求，以-0.074 mm占±75%備樣，試驗(yàn)過程分別過孔徑為0.074 mm和0.037 4 mm的網(wǎng)篩，各粒級樣品化學(xué)多元素定量分析條件與綜合大樣的多元素定量分析條件一致。

3 銅的賦存狀態(tài)分析

3.1 礦石中Cu的物相分析

礦石Cu主要以自由氧化銅相和結(jié)合氧化銅相組成，兩者占比分別為70.89%和18.61%，物相分析結(jié)果顯示本文礦物為氧化銅礦石(表1)。

表1 礦石中Cu物相分析結(jié)果Table 1 Phase analysis results of copper in ore

3.2 濕篩析試驗(yàn)

磨礦粒度為-0.074 mm占±75%的濕篩析試驗(yàn)結(jié)果顯示(表2)，礦石在-0.037 4 mm粒級產(chǎn)率高達(dá)57.0%，而全銅(TCu)和酸溶銅(AsCu)品位在+0.074 mm粒級品位最高，且隨著粒度降低TCu、AsCu品位也逐漸降低，表明礦石中氧化銅礦物的可磨性低于脈石礦物。若在磨礦過程中，只注重氧化銅礦物的解離度則容易忽視脈石礦物粒度而產(chǎn)生過磨問題。在實(shí)際試驗(yàn)中需注意脈石礦物的物化性質(zhì)，盡量提高氧化銅礦物解離度的同時(shí)應(yīng)避免脈石礦物過磨泥化而影響浸出效果。

表2 礦石中Cu嵌布粒度分布特征Table 2 Particle size characteristics of Cu in ore

3.3 礦石物質(zhì)組成分析

礦石主要化學(xué)組分SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O和Mg含量分別為55.50%、14.90%、6.00%、5.35%和3.40%；目標(biāo)元素Cu含量2.53%，其中，AsCu含量為2.00%，Co含量僅為0.008 7%(表3)。按照銅礦石工業(yè)劃分，研究區(qū)樣品屬于氧化銅礦石礦石，TCu含量高于羅恩延長部銅礦床銅的平均含量[3]。

表3 礦石多元素化學(xué)分析結(jié)果Table 3 Chemical elements analysis of ore 單位：%

礦石中金屬礦物分為銅礦物和鐵礦物兩大類。銅礦物可進(jìn)一步分為氧化銅礦物和硫化銅礦物：氧化銅礦物以孔雀石、假孔雀石和水膽礬為主，前兩種礦物含量占礦石中金屬礦物總量的38.83%、占銅礦物總量的70.59%(表4)；硫化銅礦物可見輝銅礦、銅藍(lán)和黃銅礦；鐵的獨(dú)立礦物可見褐鐵礦、赤鐵礦和黃鐵礦。非金屬礦物以石英、黑云母和鉀長石為主，三者含量約占礦石總量的71.62%(表4)；除此之外，礦石中還含有少量斜長石、白云母、方解石、綠泥石和高嶺石，亦見微量鋯石、金紅石、磷灰石、磷鈰鑭礦和磷釔礦。礦石中礦物主要為他形晶粒結(jié)構(gòu)，礦石礦物之間的接觸關(guān)系復(fù)雜，常見包含結(jié)構(gòu)、放射狀結(jié)構(gòu)、共生結(jié)構(gòu)、環(huán)帶結(jié)構(gòu)、交代殘余結(jié)構(gòu)和填隙結(jié)構(gòu)等；礦石構(gòu)造類型以塊狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造、脈狀構(gòu)造和條帶狀構(gòu)造為主。

表4 礦石中主要礦物含量百分比Table 4 Percentage of main minerals in the ore

3.4 礦石中Cu賦存狀態(tài)分析

礦石中含銅礦物可分為銅的獨(dú)立礦物和含銅脈石礦物兩類。獨(dú)立礦物包括孔雀石、假孔雀石、水膽礬、輝銅礦、銅藍(lán)和黃銅礦等；含銅脈石礦物主要為黑云母、褐鐵礦、石英和磷鈰鑭礦。

3.4.1 銅的獨(dú)立礦物

1) 孔雀石：為該礦床中最重要的礦物之一，占銅礦物的41.76%；顯微隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)或細(xì)粒結(jié)構(gòu)，粒徑為0.01～0.50 mm；嵌布特征復(fù)雜，集合體呈不規(guī)則粒狀、針狀或纖維狀；顆粒內(nèi)部常包裹輝銅礦、黃銅礦、鋯石和白云母等礦物，可沿解理縫交代黑云母，局部見褐鐵礦等沿顆粒邊緣封閉式包裹(圖1和圖2)；礦石中呈脈狀單獨(dú)產(chǎn)出或浸染狀和條帶狀產(chǎn)出。 能譜分析結(jié)果顯示：Cu占比為57.94%～64.31%，平均值為61.56%；有少量Si、S、Fe和Co混入。

Mi-孔雀石；Q-石英圖1 條帶狀孔雀石Fig.1 Malachite produced in strips

Mi-孔雀石；Lm-褐鐵礦；Q-石英；Kfs-鉀長石；Bt-黑云母圖2 孔雀石與褐鐵礦環(huán)帶狀共生Fig.2 Ring symbiosis coexistence of malachite and limonite

2) 假孔雀石：本區(qū)重要的工業(yè)礦物之一，占銅礦物28.82%；細(xì)粒結(jié)構(gòu)，粒徑為0.03～0.50 mm；集合體多為多為不規(guī)則粒狀，與孔雀石密切共生，局部被褐鐵礦和赤鐵礦等金屬礦物沿顆粒外圍呈封閉式圈層包裹(圖3)；礦石中以脈狀、團(tuán)粒狀和浸染狀產(chǎn)出。能譜分析結(jié)果顯示：Cu占比為46.96%～61.56%，平均值為51.56%；P占比為10.55%～13.53%，平均值為11.48%；可混入Al、Si、Ca、Fe、La、Ce和Nd。

3) 水膽礬：光學(xué)顯微鏡透射光下為淡藍(lán)綠色～灰綠色，顏色不均勻分布，二軸晶負(fù)光性；反射光下為灰綠帶藍(lán)色調(diào)。晶體呈短柱狀、板狀和他形粒狀，粒徑為0.01～0.15 mm?？山淮x銅礦等礦物，可被褐鐵礦等包裹；主要沿脈石礦物粒間呈脈狀或不規(guī)則粒狀產(chǎn)出(圖4)。能譜分析結(jié)果顯示：Cu占比為54.34%～54.57%，平均值為55.45%；S占比為7.41%～7.95%，平均值為7.68%；有少量Al和Si混入。

Pd-假孔雀石；Lm-褐鐵礦；Q-石英；Ms-白云母圖3 假孔雀石被褐鐵礦包裹Fig.3 Pseudomalachite is enclosed in limonite

Br-水膽礬；Lm-褐鐵礦；Kfs-鉀長石；Bt-黑云母圖4 水膽礬呈稠密浸染狀產(chǎn)出Fig.4 Dense disseminated brochantite

4) 黃銅礦：他形粒狀結(jié)構(gòu)，粒徑為0.01～0.05 mm。 與輝銅礦、藍(lán)灰銅礦和黃鐵礦密切共生，也可被包裹于孔雀石和假孔雀石之中(圖5和圖6)。能譜分析結(jié)果顯示：S占比為32.15%～34.10%，平均值為32.87%；Fe占比為25.61%～27.01%，平均值為26.29%；Cu占比為39.81%～42.25%，平均值為40.84%。

Ccp-黃銅礦；Cv-輝銅礦圖5 黃銅礦與銅藍(lán)共生Fig.5 Coexistence of chalcopyrite and covellite

Ccp-黃銅礦；Cha-輝銅礦；N-脈石礦物圖6 輝銅礦與黃銅礦共生Fig.6 Coexistence of chalcocite and chalcopyrite

5) 銅藍(lán)：板片狀，集合體為不規(guī)則粒狀，粒徑在0.01～0.05 mm之間；與輝銅礦、黃銅礦密切共生(圖5)，也可被包裹于脈石礦物和孔雀石之中。能譜分析結(jié)果顯示：Cu占比為65.74%～67.12%，S占比為32.17%～32.88%。

6) 輝銅礦：礦床中主要的硫化銅礦物，占銅礦物的6.18%；多為他形細(xì)粒結(jié)構(gòu)，粒度為0.01～0.5 mm；與黃銅礦關(guān)系密切(圖6)；礦石中呈稀疏浸染狀產(chǎn)出。 能譜分析結(jié)果顯示：S占比為19.02%～21.24%，平均值為20.11%；Cu占比為78.76%～80.98%，平均值為79.89%。

3.4.2 含Cu礦物

1) 黑云母：半自形片狀結(jié)構(gòu)，集合體多呈長軸狀定向分布，粒徑為0.01～0.10 mm，最大可達(dá)0.50 mm；孔雀石、假孔雀石等常沿其解理縫或顆粒邊緣交代(圖7)；能譜分析結(jié)果顯示黑云母中Cu占比為1.27%～7.04%，平均值為3.27%(表4)。

2) 褐鐵礦：顯微隱晶質(zhì)～他形粒狀結(jié)構(gòu)，集合體以不規(guī)則粒狀產(chǎn)出，粒徑為0.03～0.30 mm，最大可達(dá)1.0 mm。褐鐵礦可呈封閉圈層狀包裹孔雀石，礦石中為稀疏浸染狀或脈狀產(chǎn)出(圖8)。Cu在褐鐵礦中不均勻分布，表現(xiàn)為同一顆粒不同部位含量存在明顯差異，能譜分析結(jié)果顯示褐鐵礦中Cu占比為4.95%～16.43%，平均值為10.57%(表4)。

Mi-孔雀石；Bt-黑云母；Kfs-鉀長石；Q-石英圖7 孔雀石不完全交代黑云母Fig.7 Malachite incomplete metasomatized with biotite

Lm-褐鐵礦；Bt-黑云母；Q-石英；Mi-孔雀石圖8 褐鐵礦呈不規(guī)則脈狀產(chǎn)出Fig.8 Limonite shows irregular veins

3) 石英：巖石中主要脈石礦物之一，礦石中以他形微粒分散分布或次生脈產(chǎn)出，顆粒粒徑為0.01～0.50 mm。脈狀石英與銅礦化關(guān)系密切，可與輝銅礦、孔雀石等礦物呈共生脈或條帶產(chǎn)出(圖9)。本次X射線能譜分析僅見一粒含Cu石英，Cu占比為3.32%(表5)。

4) 白云母：以自形～半自形片狀為主，可被孔雀石、假孔雀石包裹或交代(圖10)；能譜分析結(jié)果顯示白云母中Cu占比為0.03%～2.12%(表5)。

5) 磷鈰鑭礦：板狀或粒狀產(chǎn)出，粒徑為0.01～0.02 mm，與假孔雀石密切共生，可沿假孔雀石和孔雀石邊緣交代(圖11和12)；礦石中主要裂隙呈不規(guī)則粒狀充填交代。磷鈰鑭礦中Cu含量變化很大，能譜分析結(jié)果顯示磷鈰鑭礦中Cu占比為0.57%～17.60%，平均值為4.76%(表5)。

Pd-假孔雀石；Ms-白云母；Bt-黑云母；Q-石英圖9 石英包裹于假孔雀石之中Fig.9 Quartz is enclosed in pseudomalachite

Ms-白云母；Mi-孔雀石圖10 白云母包裹于孔雀石之中Fig.10 Muscovite is wrapped in malachite

表5 主要脈石礦物中Cu含量X射線能譜分析結(jié)果Table 5 X-ray energy spectrum analysis results ofCu content in main gangue minerals

3.5 影響礦石中Cu回收利用的工藝礦物學(xué)因素分析

1) 礦石礦物嵌布關(guān)系較為復(fù)雜，孔雀石和假孔雀石常被褐鐵礦或赤鐵礦以環(huán)邊狀包圍，甚至生成同心圓狀封閉圈層，不易單體解理；且本文對未進(jìn)行工藝礦物學(xué)研究的礦石尾渣進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示尾渣中仍可見與石英和褐鐵礦等連生的硅孔雀石和假孔雀石(圖13)，表明氧化銅礦物復(fù)雜的嵌布特征實(shí)際對酸浸效果產(chǎn)生了阻礙。

Ps-磷鈰鑭礦；Pd-假孔雀石；Mi-孔雀石圖11 自形板狀磷鈰鑭礦Fig.11 Euhedral plate-shaped phosphocerite

Ps-磷鈰鑭礦；Pd-假孔雀石；Mi-孔雀石圖12 磷鈰鑭礦沿裂隙充填Fig.12 Phosphocerite filling along fractures

Pd-假孔雀石；Q-石英；Bt-黑云母；Lm-褐鐵礦圖13 尾渣中石英包裹于假孔雀石之中Fig.13 Quartz is wrapped in pseudomalachitein the tailings

2) 脈石礦物中有較多黑云母、方解石、綠泥石和高嶺石等易碎或黏性較大的礦物，在磨礦過程中易過磨泥化，進(jìn)而堵塞或阻礙氧化銅礦物與酸反應(yīng)而影響浸出效果。另一方面，黑云母、褐鐵礦中Cu檢測率和占比較高，如褐鐵礦中X射線能譜分析檢測所得Cu占比均大于4%，黑云母、褐鐵礦中Cu以分散狀態(tài)產(chǎn)出，在浸出過程中難以回收利用，必然對礦石銅的回收率產(chǎn)生不利影響。

3) 由于礦石中硫化銅礦物含量很低，在綜合考慮礦山經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，建議礦石浸出后，硫化銅直接進(jìn)入尾渣，暫不回收。

4 結(jié) 論

1) 羅恩延長部銅礦床氧化銅資源潛力接替區(qū)的礦石回收目標(biāo)元素為Cu，TCu含量為2.53%，AsCu含量為2.00%；Cu主要呈自由氧化銅相產(chǎn)出，該相占總銅的70.89%。礦石回收的目標(biāo)礦物主要為孔雀石和假孔雀石。

2) 礦石以浸染狀構(gòu)造和條帶狀構(gòu)造為主。光學(xué)顯微鏡下觀察，銅礦物嵌布特征復(fù)雜，以他形晶體結(jié)構(gòu)為主，還可見包含結(jié)構(gòu)、放射狀結(jié)構(gòu)、共生結(jié)構(gòu)、交代殘余結(jié)構(gòu)和填隙結(jié)構(gòu)。

3) 孔雀石和假孔雀石的嵌布粒度范圍為0.01～0.50 mm；兩者嵌布特征復(fù)雜，常被褐鐵礦和赤鐵礦以環(huán)邊狀包圍，甚至生成同心圓狀封閉圈層，不易單體解理。

4) 礦石中還可見輝銅礦、銅藍(lán)和黃銅礦等硫化銅礦物，考慮其整體含量較低，建議不對硫化銅礦物浮選回收。

5) 黑云母、褐鐵礦、白云母、石英和磷鈰釔礦等礦物中含有不均勻分布的Cu，在氧化銅礦石攪拌浸出的過程中，上述礦物中的Cu難以回收利用，必然會影響礦石中Cu的回收率。

6) 脈石礦物中黑云母、方解石、綠泥石和高嶺石等礦物具有易碎性或黏性較大，當(dāng)磨礦細(xì)度為-0.074 mm占±75%時(shí)，礦石在-0.037 4 mm粒級產(chǎn)率已高達(dá)57%。因此，建議礦山注意控制磨礦條件，考慮降低細(xì)粒級產(chǎn)率，以避免出現(xiàn)泥化現(xiàn)象而增加浸出難度。

綜上所述，羅恩延長部銅礦床資源潛力區(qū)的氧化銅礦石質(zhì)量較好，適用于贊比亞當(dāng)前針對氧化銅礦石回收的攪拌浸出工藝，該區(qū)銅礦資源可作為礦山的潛力開發(fā)資源。