湖北宜昌周家灣石墨礦床礦石選冶性能和開采技術(shù)條件分析

許同舟，郭申祥

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖北總隊，湖北 武漢 430030）

石墨是碳的一種同素異形體，化學性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐高溫、抗腐蝕、抗熱震、強度大、韌性好、自潤滑強度高、導熱、導電性能好等特有的物理化學性能，廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)門類，是當今高新技術(shù)發(fā)展必不可少的非金屬材料(楊合群,2018)。隨著黃羊山超大型石墨礦床的發(fā)現(xiàn)，我國石墨礦床勘查進入了新階段，但是中南地區(qū)的石墨礦床缺乏系統(tǒng)研究(仇心禮,1993; 王書春和王翔,2021)。周家灣石墨礦床是新近發(fā)現(xiàn)的一處石墨礦床，對于其地質(zhì)特征、礦床成因已有總結(jié)和研究(劉繼平等,2022)。但是對于石墨礦石的選冶性能和礦床開采技術(shù)條件還缺乏總結(jié)分析，這限制了礦床下一步的開發(fā)利用?；诖?，本文在簡要介紹地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，對石墨礦石的選冶性能和鄰區(qū)的三岔埡礦區(qū)進行了對比，之后分析了礦區(qū)水文、工程和環(huán)境地質(zhì)條件，最終確定開采技術(shù)類型。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)

區(qū)域出露地層為上太古界—下元古界水月寺(巖)群的變質(zhì)巖。為一套經(jīng)歷區(qū)域變質(zhì)作用、局部動力變質(zhì)作用、接觸變質(zhì)作用及普遍混合巖化作用的片麻巖、片巖、變粒巖、大理巖、鈣硅酸巖等變質(zhì)巖(仇心禮,1993;張杰等,2020)。

本區(qū)位于揚子準地臺上揚子臺坪鄂中褶斷區(qū)黃陵斷穹北部的圈椅埫穹隆東翼。區(qū)域斷裂構(gòu)造較發(fā)育，主要為北西向、北西西向及北東向斷層，前者以鐵路埡斷層及東坪斷層為代表，北西西向以樟村坪斷層為代表，北東向以界嶺河斷層及大埡斷層為代表。以上斷層錯綜復(fù)雜，互相改造，為多期活動的產(chǎn)物。

黃陵斷穹巖漿巖發(fā)育，以侵入巖為主，巖性復(fù)雜，從超基性到酸性以至偏堿性巖類均有發(fā)育。區(qū)內(nèi)主要出露五臺旋回第四期偏堿性巖建造的圈椅埫鉀長花崗巖體，及五臺旋回第二期基性巖建造的輝長輝綠巖體(邊敏等,2020;郭威等,2020)。

黃陵斷穹北部水月寺(巖)群富鋁質(zhì)片巖大理巖(巖)組是區(qū)內(nèi)石墨工業(yè)礦體的主要賦存層位，已有數(shù)家礦山企業(yè)在此開采石墨礦，取得了良好的經(jīng)濟效益。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)內(nèi)的含礦巖系為上太古界—下元古界水月寺(巖)群富鋁質(zhì)片巖大理巖(巖)組下段第二層(Ar3Pt1?b1-2)，分布于斷層F1以南，岳家灣以西，呈似層狀產(chǎn)出，礦區(qū)內(nèi)分布的主要變質(zhì)巖有石墨片巖、黑云斜長片麻巖、含石墨黑云斜長片麻巖、大理巖、云母片巖、含石榴石黑云斜長片麻巖、石英巖石墨片巖：為礦區(qū)構(gòu)成石墨礦石的主要巖石類型，呈層狀或透鏡狀產(chǎn)出于Ar3Pt1?b1-2。原巖為含碳的泥質(zhì)巖或泥質(zhì)砂巖。鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀、眼球狀構(gòu)造。

主要礦物為石英(20%～40%)、云母(15%～35%)、石墨(10%～15%)、長石(少量)，次要礦物為黃鐵礦、綠泥石、角閃石、白鎢礦、褐鐵礦等。石墨以鱗片狀、星點狀與石英、黑云母交織分布,主要在應(yīng)力集中處呈聚集狀產(chǎn)出，大片晶體沿長石和云母晶隙和裂隙分布，也有圍繞長石斑晶分布，片徑0.02～2.5mm。小片晶體多集中分布在白云母和絹云母集合體中，石英中偶有分布，片徑0.01～0.5mm之間。

2 礦石加工技術(shù)性能

本礦床與鄰近的三岔埡礦區(qū)石墨礦均是沉積變質(zhì)形成的“片麻巖大理巖型晶質(zhì)石墨礦床”，二者礦石類型、品位、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、石墨片徑及礦石中的有益有害組分基本一致(表1)。故礦石選礦加工技術(shù)性能可與三岔埡礦區(qū)石墨礦類比。

表1 三岔埡礦區(qū)與本礦區(qū)石墨礦物理化學特征對比表

湖北省宜昌市三岔埡礦區(qū)石墨礦，是已開采二十幾年的老礦山。地表及深部的礦體均進行了工業(yè)試驗。礦石類型石墨片巖及含石墨黑云斜長片麻巖，由原“建筑材料工業(yè)部地質(zhì)總公司中心實驗室”進行選礦試驗和物性測試。試驗?zāi)康氖茄芯烤V固定碳含量是否能達到85%以上。試驗方法采用浮游選礦法，試驗設(shè)備為XFD5-63型實驗室用自動刮泡單槽浮選機，閉路試驗選擇三次再磨九次精選的方案。試驗表明，礦石松散易磨，解離較好，泡沫形成好，浮選速度快，石墨可浮性良好。現(xiàn)對礦體試驗結(jié)果進行敘述。

2.1 地表“石墨片巖”礦石可選性試驗

試驗樣品采自探槽，用剝層法采得。采樣前清去浮土，并剝?nèi)ワL化污染面。原樣總重146.6kg，最大塊度48cm，入選樣固定碳含量14.73%。

試驗結(jié)果：精礦品位92.16%，回收率30.80%，尾礦品位0.94%。各級石墨片徑精礦產(chǎn)率見表2。

表2 地表各級石墨片徑精礦產(chǎn)率情況表

2.2 深部“石墨片巖”礦石可選性試驗

試驗樣品采自鉆孔，由礦體的基本分析樣的副樣組合而成。原樣總重300kg，入選樣固定碳含量10.32%。

試驗結(jié)果：精礦品位90.16%，回收率95.16%，尾礦品位0.64%。

各級石墨片徑精礦產(chǎn)率見表3。

表3 深部各級石墨片徑精礦產(chǎn)率情況表

2.3 “含石墨黑云斜長片麻巖”礦石可選性試驗

樣品采自探槽，采樣前清去浮土，并剝?nèi)ワL化污染面。原始塊徑小于50mm，試樣重量651.55kg，入選樣固定碳含量2.63%。

試驗結(jié)果，該礦石質(zhì)地松散易磨，因礦泥、絹云母、黑云母的影響，粗選精礦品位低，但在精選中，石墨浮選速度較快，精礦品位提高幅度較大，石墨可浮性良好。用兩段再磨五次精選開路流程，其精礦品位91.77%，尾礦品位0.28%。估計閉路流程試驗，最終精礦品位可達85%以上，回收率可達85%以上。根據(jù)試驗結(jié)果，表明該試樣代表的該類型礦石是可選的。

此外，三岔埡礦區(qū)石墨礦礦山開采企業(yè)建有年產(chǎn)石墨7kt 規(guī)模的選礦廠，其亦對礦體進行了選礦，根據(jù)實際生產(chǎn)資料，其選礦工藝為浮選，可得到品位88%石墨精礦，回收率為86%，尾礦品位為1.6%。

綜上，通過礦山選礦生產(chǎn)所得的精礦品位與選礦試驗所得的精礦品位進行對比，雖然前者精礦品位小于后者，但均大于80%，小于94%，根據(jù)《GB/3518-2008 鱗片石墨》，確定三岔埡礦區(qū)石墨為中炭石墨，品牌號為LZ，礦石選礦加工技術(shù)性能良好。

據(jù)此類比，周家灣礦區(qū)石墨礦礦石選礦加工技術(shù)性能良好。

3 開采技術(shù)條件

3.1 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)分布的地層主要為含構(gòu)造裂隙水和風化裂隙水。前者賦存于風化帶以下，具承壓性；后者則分布于風化帶中，無承壓性。巖體中構(gòu)造裂隙承壓水含水層（段）的厚度可達50～75m，承壓水頭高出地面1.2～1.30m，鉆孔抽水試驗的單位涌水量0.095～0.2046L/（s·m），滲透系數(shù)0.0377～0.2737m/d，富水性屬弱—中等。

該巖體中的地下水受補給條件和裂隙連通性所限，其富水性仍是以弱級為主，局部屬弱—中等級。礦區(qū)為區(qū)域水文地質(zhì)單元中地下水的徑流—排泄區(qū)。主要充水層為地下水側(cè)向補給，在礦區(qū)沿溪流及黃良河進行排泄。

礦區(qū)的地下水類型主要是以基巖裂隙水為主的淺層潛水。礦區(qū)的地下水主要由大氣降水、變質(zhì)巖裂隙水、基巖風化裂隙水補給。按含水介質(zhì)與水力性質(zhì)大致可將礦區(qū)含水層分為四類，即第四系殘坡積孔隙含水層、變質(zhì)巖裂隙含水層、大理巖溶蝕裂隙含水層、基巖風化裂隙含水層，新鮮巖石可視為相對隔水層。F1斷層對礦體無影響，屬富水性一般，透水性一般。礦區(qū)地下水流量變化較大，流量峰值多集中在5、6、7 三個月，動態(tài)變化明顯受降水制約。

礦區(qū)地下水賦存于基巖裂隙內(nèi)，富水性弱。含、隔水層只是相對而言，富水性相差不大，加之節(jié)理裂隙彼此切割，互相聯(lián)通，因此，構(gòu)成了統(tǒng)一含水體。地下水無大的地表水體補給，主要補給來源是大氣降水，黃良河是地下水的排泄場所。鉆孔所見礦體的深度均在當?shù)厍治g基準面以上，加之地形陡，有利于自然排水。故該礦區(qū)的水文地質(zhì)條件屬簡單類型。

3.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)礦區(qū)巖石種類和其結(jié)構(gòu)類型，可將其劃分為四個工程地質(zhì)巖組：堅硬的工程地質(zhì)巖組、半堅硬的工程地質(zhì)巖組、軟弱的工程地質(zhì)巖組和松散土體工程地質(zhì)巖組。

按巖石飽和單軸極限抗壓強度(R)將巖石強度分為：堅硬的R≥60MPa；半堅硬的60MPa≥R≥30MPa；軟弱的R≤30MPa，從而得出，礦區(qū)大理巖屬堅硬巖石，混合花崗巖、石墨片巖屬半堅硬巖石。根據(jù)以往該地區(qū)的類似巖樣測試結(jié)果知，黑云斜長片麻巖屬半堅硬巖石，輝綠巖屬堅硬巖石。

（1）礦山在以后的露天開采中，強風化帶巖體極破碎，強度差，開挖形成邊坡后，易產(chǎn)生坍塌變形。建議強風化帶巖體未來露采場邊坡的坡率（1∶0.75）～1.0（53°～45°），且臺階高度不宜超過8m。

（2）礦體及圍巖一般較破碎，片理發(fā)育，含石墨及云母礦物具滑膩特性，坑道開拓過程中易出現(xiàn)頂板片狀坍塌的工程地質(zhì)問題。

（3）地下采空區(qū)易引發(fā)地面沉陷、變形開裂等問題。本礦區(qū)工業(yè)礦層與圍巖由堅硬—半堅硬的變質(zhì)巖類組成，穩(wěn)定性較好，淺部巖石因風化破碎，質(zhì)量較差。區(qū)內(nèi)巖石質(zhì)量總體為中等的，巖體中等完整。故該礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬中等類型。

3.3 環(huán)境地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地震活動較活躍，但以弱震為主，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）,本區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震基本烈度值為Ⅵ，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s。綜合地質(zhì)構(gòu)造特征、斷裂及地震活動特征，本區(qū)在區(qū)域地質(zhì)上屬相對穩(wěn)定地區(qū)。根據(jù)調(diào)查和走訪當?shù)卮迕裰?，工作區(qū)未發(fā)生過大的崩陷、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，未有礦山開采活動。礦區(qū)南部零星分布有一些村民居住，整體來說，礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀較好。

根據(jù)本礦區(qū)的環(huán)境地質(zhì)條件，可能誘發(fā)、加劇的環(huán)境地質(zhì)問題主要是水資源環(huán)境改變和礦坑水與廢礦渣對礦山環(huán)境地質(zhì)問題的影響。預(yù)測礦體深部開采引發(fā)的主要環(huán)境地質(zhì)問題是因礦體頂、底板圍巖穩(wěn)定性差而引發(fā)的諸如地面和采空區(qū)的冒落塌陷及開裂變形等環(huán)境地質(zhì)問題，另外，礦坑長期抽排地下水引起地下水位下降，造成含水層的破壞，從而對附近居民的生活用水造成一定的影響，因而，本礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬中等類型。

4 總結(jié)

（1）礦區(qū)石墨為中炭石墨，品牌號為LZ，礦石選礦加工技術(shù)性能良好。

（2）本礦區(qū)水文地質(zhì)條件類型屬簡單的以基巖風化裂隙含水層充水為主，頂?shù)装逯苯映渌V床。

（3）本礦區(qū)區(qū)內(nèi)巖石質(zhì)量總體為中等的，巖體中等完整。故該礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬中等類型。

（4）本礦區(qū)開采主要環(huán)境地質(zhì)問題是因礦體頂、底板圍巖穩(wěn)定性差而引發(fā)的諸如地面和采空區(qū)的冒落塌陷及開裂變形和地下水位下降等環(huán)境地質(zhì)問題，本礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬中等類型。

（5）整體上，本礦床開采技術(shù)條件屬中等的以工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)為主的復(fù)合問題礦床類型（Ⅱ-4）。