盧氏風(fēng)化型長(zhǎng)石礦地質(zhì)特征及綜合利用方向探討

張 偉，李巖松，馬留鎖

(1.河南省第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000；2.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471000；3.靈寶黃金投資有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472500；4.盧氏縣自然資源局，河南 三門峽 472200)

鉀長(zhǎng)石是一種常見(jiàn)的鋁硅酸鹽礦物，世界鉀鹽產(chǎn)量的90%左右用作鉀肥，剩余約10%作為工業(yè)原料，廣泛用于顯像管、玻璃、陶瓷、紡織、制革、制皂、印刷、農(nóng)藥等工業(yè)領(lǐng)域中[1-4]。我國(guó)鉀長(zhǎng)石礦產(chǎn)資源相對(duì)豐富，已知礦床類型主要有混合巖化變質(zhì)礦床、凝灰熔巖型礦床、花崗偉晶巖型礦床、鉀長(zhǎng)花崗巖型礦床等[5]。受制于礦石破碎、多流程加工工藝，我國(guó)現(xiàn)行鉀長(zhǎng)石礦床工業(yè)指標(biāo)總體偏高(K2O+Na2O＞10%)。由于風(fēng)化型長(zhǎng)石礦選礦過(guò)程中無(wú)需破碎，選礦成本較低、綜合利用價(jià)值較高，近年來(lái)低品位風(fēng)化型長(zhǎng)石礦的開(kāi)發(fā)利用受到關(guān)注[6-8]。

豫西盧氏縣西南部出露大面積的燕山早期二長(zhǎng)花崗巖。長(zhǎng)期處于裸露狀態(tài)的花崗巖體局部風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化深度數(shù)米至數(shù)十米不等，同時(shí)受區(qū)域強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，巖體局部破碎強(qiáng)烈。風(fēng)化破碎后花崗巖呈碎顆粒狀、泥狀，無(wú)需大規(guī)模破碎即可通過(guò)選礦獲得長(zhǎng)石精礦，開(kāi)發(fā)成本較低。另外，由于花崗巖風(fēng)化破碎層呈松散堆積狀態(tài)，穩(wěn)定性差，特別是在雨季極易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[9-10]。本文通過(guò)對(duì)該區(qū)風(fēng)化型長(zhǎng)石礦地質(zhì)特征的研究，并分析區(qū)內(nèi)礦石選礦試驗(yàn)成果，對(duì)礦石綜合利用方向進(jìn)行探討，為區(qū)域合理開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源、降低地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提供一定參考。

1 成礦地質(zhì)背景

礦床大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子地臺(tái)與華北地臺(tái)兩大構(gòu)造單元的過(guò)渡地帶—秦嶺褶皺系北秦嶺褶皺帶內(nèi)。區(qū)內(nèi)主要出露地層有中元古界峽河群、寬坪群，新元古界欒川群，下古生界二郎坪群、陶灣群，中生界上三疊統(tǒng)(圖1)。礦床夾持于黑溝斷裂與瓦穴子斷裂之間，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。研究區(qū)北部邊緣為黑溝—欒川斷裂帶，南部邊緣為瓦穴子斷裂帶，中心地段多為一些小規(guī)模的淺表層次脆性斷裂，局部見(jiàn)有小型韌性剪切帶。區(qū)內(nèi)巖漿巖活動(dòng)十分強(qiáng)烈，主要侵入巖為燕山早期侵入的蟒嶺巖體，該巖體規(guī)模巨大，呈巖基狀產(chǎn)出，侵入寬坪巖群，北部以黑溝斷裂與陶灣群接觸。侵入巖巖體與圍巖的侵入界線呈極度彎曲的港灣狀，接觸帶附近的地層中常發(fā)育有花崗巖巖枝，部分地段具同化混染現(xiàn)象，巖體一般外傾，傾角約65°，巖性為偉晶二長(zhǎng)花崗巖。變質(zhì)作用以區(qū)域變質(zhì)作用為主，其他類型變質(zhì)作用微弱。區(qū)域變質(zhì)作用的特點(diǎn)是區(qū)域性變質(zhì)相帶與構(gòu)造線延伸方向一致，與地層單元吻合，即以區(qū)域深斷裂為界，不同地質(zhì)時(shí)代的地層其變質(zhì)系統(tǒng)自成一體。寬坪群經(jīng)受了綠片巖相(黑云母—陽(yáng)起石帶)、高綠片巖相(角閃巖相鐵鋁榴石—角閃石帶)的變質(zhì)。秦嶺群經(jīng)受了角閃巖相(鐵鋁榴石和硅線石帶)變質(zhì)，下古生界二郎坪群和上三疊統(tǒng)普遍經(jīng)受了低綠片巖相(黑云母帶)變質(zhì)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 礦體特征

初步查明研究區(qū)內(nèi)長(zhǎng)石礦礦體4個(gè)，均為風(fēng)化花崗巖型，風(fēng)化花崗巖K2O+Na2O平均含量為7.47%，風(fēng)化層呈面狀、似層狀分布，產(chǎn)狀與地形基本一致。礦體在山脊較厚，兩側(cè)厚度變小，低洼處有少量殘坡積物覆蓋，風(fēng)化深度一般1.80～19.80m，局部受邊緣斷裂構(gòu)造控制。區(qū)內(nèi)主礦體為Ⅱ號(hào)礦體，呈近南北向分布，礦體總長(zhǎng)1480m，寬320m，礦體傾向與上部地形基本一致。礦體呈透鏡狀、似層狀產(chǎn)出，礦體在山脊較厚，兩側(cè)厚度變薄，控制礦體厚度在2.20～17.30m，平均厚度9.75m，礦體形態(tài)特征見(jiàn)圖2。

圖2 典型礦體剖面

2.2 礦石特征

2.2.1 礦石礦物成分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造

礦石結(jié)構(gòu)主要為似斑狀中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，次為斑狀結(jié)構(gòu)、交代巨斑(似斑狀)結(jié)構(gòu)、交代熔蝕結(jié)構(gòu)，局部二長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、微條紋結(jié)構(gòu)等，礦石構(gòu)造呈松散砂狀。局部見(jiàn)鉀長(zhǎng)石斑晶呈定向排列，形成似脈狀構(gòu)造。礦石的礦物成分為巨斑狀正長(zhǎng)微條紋長(zhǎng)石，含鈉長(zhǎng)石微條紋長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石，次為角閃石、黑云母、石英及磁鐵礦、榍石及風(fēng)化粘土礦物高嶺土、絹云母、綠泥石等。根據(jù)礦體賦存的地貌單元可分為坡積型、溝谷堆積型兩種，一般情況下坡積型風(fēng)化程度弱于溝谷堆積型，典型礦體賦存狀態(tài)及其礦石粒狀特征見(jiàn)圖3。

圖3 礦體賦存狀態(tài)及礦石粒狀特征

2.2.2 礦石化學(xué)成分

根據(jù)礦石光譜半定量分析結(jié)果，礦石的化學(xué)成分主要為SiO2、K2O、Na2O、Al2O3、Fe2O3等，其中主要有用組分為K2O+Na2O含量6.47%～8.46%，平均7.47%；Al2O3含量13.15%～15.03%，平均為14.09%。礦石有害組分Fe2O3含量0.96%～2.64%，平均為1.80%。

2.2.3 礦石粒度特征

混合各礦體礦石100kg進(jìn)行了篩分，并對(duì)各粒度級(jí)別的礦石主要成分進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)礦石篩分測(cè)試結(jié)果，礦石中+0.5mm以上粒級(jí)占比較高，而-0.5mm粒級(jí)以下占比較低，各粒級(jí)分布基本相當(dāng)；篩分后各粒級(jí)礦石測(cè)試結(jié)果表明，粒度越細(xì)，K2O含量越低，Na2O含量先升高、到-0.15mm級(jí)別降低，TFe含量升高；細(xì)級(jí)別的K2O、Na2O含量低、TFe含量高。K2O、Na2O在+0.5mm粒級(jí)以上分布率達(dá)到85.22%、73.55%，而TFe在-0.5mm粒級(jí)分布率達(dá)到68.35%。

表1 礦石篩分測(cè)試結(jié)果

3 礦床成因探討

區(qū)內(nèi)礦床成因?qū)亠L(fēng)化花崗巖型長(zhǎng)石礦床，根據(jù)區(qū)內(nèi)礦床的分布、形態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征，認(rèn)為礦床的形成主要有以下3方面因素。

(1)原巖提供了礦床的物質(zhì)基礎(chǔ)。

礦床內(nèi)礦石的物質(zhì)組成、化學(xué)成分與微風(fēng)化或未風(fēng)化的原巖基本一致，但是由于二長(zhǎng)花崗巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、顆粒分選不一造成原巖易于風(fēng)化，特別是其中的黏土礦物風(fēng)化后巖石發(fā)生破碎，造成風(fēng)化殼從原巖脫落堆積，形成坡積型礦石，坡積型礦石在降水或風(fēng)力作用下在溝谷聚集形成溝谷堆積型礦石。

(2)構(gòu)造是礦床形成的重要因素。

區(qū)內(nèi)二長(zhǎng)花崗巖巖漿是侵入結(jié)晶的產(chǎn)物，物理化學(xué)條件本身較穩(wěn)定。但礦床大地構(gòu)造位置處于北秦嶺褶皺帶內(nèi)，多期次構(gòu)造活動(dòng)使得二長(zhǎng)花崗巖體發(fā)生局部破碎，并派生大量不規(guī)則的網(wǎng)狀裂隙或節(jié)理，利于風(fēng)化水解作用的進(jìn)行。

(3)地貌特征是礦床形成的必要因素。

區(qū)內(nèi)屬中低山地貌，接近洛河源頭，水系較發(fā)育，河流、溪流、溝谷發(fā)育，地表水源豐富。大氣降水及地表水流沿巖石裂隙入滲，巖石內(nèi)黏土礦物風(fēng)化概率加大，有利于風(fēng)化型礦床的形成。

4 礦石選礦試驗(yàn)

4.1 樣品制備及原礦化學(xué)成分測(cè)試

區(qū)內(nèi)礦石選礦試驗(yàn)由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所完成。試驗(yàn)樣品取自區(qū)內(nèi)已知的Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)礦體，試驗(yàn)樣品總重量300kg，粒度-10mm。樣品晾干、混勻、縮分，取縮分后1/8進(jìn)行正式試驗(yàn)，對(duì)原礦化學(xué)成分進(jìn)行了初步測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從化學(xué)多項(xiàng)分析測(cè)試結(jié)果可知，礦石中鉀鈉含量較低，而鐵含量較高，需通過(guò)選礦提高鉀鈉含量，除掉鐵質(zhì)。

表2 原礦測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)樣品制備工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 礦石選礦流程圖

石英的選礦過(guò)程實(shí)質(zhì)是對(duì)石英砂巖內(nèi)鋁、鐵雜質(zhì)進(jìn)行有效去除。本礦床原礦化學(xué)成分中Al2O3、Fe2O3等含量偏高，產(chǎn)生Al2O3的雜質(zhì)礦物主要為粘土礦物，產(chǎn)生Fe2O3的雜質(zhì)礦物主要為粘土礦物及磁鐵礦、褐鐵礦。因此礦石加工流程采用水洗、脫泥工藝去除粘土礦物，采用磁選工藝去除鐵質(zhì)。

4.2 礦石選礦流程

根據(jù)原礦篩分結(jié)果，進(jìn)行了-0.15mm、-2+0.15mm級(jí)別磁選除鐵探索試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)磨礦磁選可以獲得含鐵低的鉀長(zhǎng)石精礦，經(jīng)過(guò)脫泥，鉀長(zhǎng)石精礦質(zhì)量進(jìn)一步提高。分級(jí)磁選表明，粗級(jí)別的鉀長(zhǎng)石精礦質(zhì)量較好，細(xì)級(jí)別質(zhì)量差，進(jìn)一步說(shuō)明脫泥對(duì)選別指標(biāo)的影響較大。由于試驗(yàn)樣品中石英含量高、結(jié)晶較好，選擇原礦+5mm、-5+2mm級(jí)別進(jìn)行色選探索試驗(yàn)，色選試驗(yàn)表明長(zhǎng)石石英分離明顯，色選后的+5mm級(jí)別鉀長(zhǎng)石粗精礦K2O含量提高了2.09%，-5+2mm級(jí)別鉀長(zhǎng)石粗精礦K2O含量提高了1.04%。根據(jù)探索試驗(yàn)結(jié)果，確定采用磁選工藝除鐵，針對(duì)-2+0.15mm級(jí)別樣品進(jìn)行詳細(xì)磨礦細(xì)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度條件試驗(yàn)研究，結(jié)果表明磨礦細(xì)度為-0.074mm占18%較為適合，最佳的磁場(chǎng)強(qiáng)度是1035kA/m，磁選精礦采用重選脫泥是提高選別指標(biāo)的重要手段。

根據(jù)探索試驗(yàn)和條件試驗(yàn)結(jié)果，確定鉀長(zhǎng)石回收的工藝流程是粗級(jí)別色選除石英，提高原礦的鉀鈉含量，細(xì)級(jí)別泥直接拋除，中間級(jí)別和粗級(jí)別的鉀長(zhǎng)石粗精礦合并再磨磁選。為提高產(chǎn)品質(zhì)量，磁選的鉀長(zhǎng)石精礦進(jìn)行重選脫泥和重礦物，獲得含鐵較低的鉀長(zhǎng)石精礦，最后通過(guò)浮選長(zhǎng)石石英分離，獲得高質(zhì)量的長(zhǎng)石、石英精礦。

4.3 選礦效果分析

采用圖4選礦流程，經(jīng)篩分、磁選除鐵、重選脫泥、浮選長(zhǎng)石石英分離，最終浮選長(zhǎng)石精礦K2O含量6.91%，Na2O含量5.86%，TFe含量0.146%，滿足平板玻璃和陶瓷用長(zhǎng)石一等品的標(biāo)準(zhǔn)。中間環(huán)節(jié)磁選后鉀長(zhǎng)石精礦產(chǎn)率為50.35%，K2O含量6.01%，Na2O含量4.61%，TFe含量0.19%；第二次重選脫泥后鉀長(zhǎng)石精礦產(chǎn)率為43.39%，K2O含量5.91%，Na2O含量4.53%，TFe含量0.13%，白度56.91。另外，浮選長(zhǎng)石石英分離產(chǎn)出石英精礦SiO2含量95.41%、TFe含量0.06%,滿足平板玻璃用石英礦三等品的標(biāo)準(zhǔn)。選礦流程試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 選礦流程試驗(yàn)結(jié)果

為確定初篩砂石骨料可利用性能，對(duì)其進(jìn)行了物理性能檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，砂石骨料表觀密度為2620kg/m3，堆積密度為1550kg/m3，緊密密度為1760kg/m3，含泥量?jī)H2.6%。通過(guò)樣品試驗(yàn)檢測(cè)，確定本區(qū)砂礦為Ⅱ類天然砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，規(guī)格為中砂(表4)。

表4 砂石骨料檢測(cè)結(jié)果

5 綜合利用方向探討

偉晶巖花崗巖在秦嶺褶皺帶廣泛分布，其風(fēng)化產(chǎn)物均可作為風(fēng)化型長(zhǎng)石礦被利用，區(qū)域范圍內(nèi)風(fēng)化偉晶巖花崗巖儲(chǔ)量規(guī)模大，走向上至陜西省內(nèi)。由于該類型礦石本身作為充填骨料具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[11]，以往區(qū)內(nèi)礦石多直接過(guò)篩后作為砂石骨料出售，但由于拋出廢料占比大造成資源浪費(fèi)，同時(shí)也不利于環(huán)境保護(hù)。近年來(lái)，風(fēng)化花崗巖型長(zhǎng)石礦的提純工藝得到廣泛重視，通過(guò)磁選、重選、浮選等工藝流程，精礦純度可得到明顯提升，在獲得長(zhǎng)石精礦的同時(shí)也可獲得石英精礦，為該類礦石的綜合利用提供了方向[12-15]。該區(qū)風(fēng)化偉晶花崗巖型長(zhǎng)石礦通過(guò)實(shí)驗(yàn)室選礦流程，可獲得長(zhǎng)石精礦、石英精礦、砂石骨料等多類型礦產(chǎn)品，同時(shí)選礦流程中有浮選尾礦、高磁性廢渣、廢泥等產(chǎn)物。綜合分析該區(qū)長(zhǎng)石礦綜合利用方向有以下三種。

(1)根據(jù)選礦結(jié)果來(lái)看，長(zhǎng)石精礦質(zhì)量滿足平板玻璃和陶瓷用長(zhǎng)石一等品的標(biāo)準(zhǔn)，石英精礦質(zhì)量滿足平板玻璃用石英礦三等品的標(biāo)準(zhǔn)，砂石骨料質(zhì)量滿足Ⅱ類天然中砂標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)石精礦、石英精礦、天然中砂均可作為礦產(chǎn)品出售。萬(wàn)噸原礦直接過(guò)篩產(chǎn)砂石骨料約5100t，生產(chǎn)成本32元/t，出售價(jià)格50元/t，毛利潤(rùn)為9.18萬(wàn)元；而萬(wàn)噸原礦通過(guò)選礦可獲砂石骨料約940t、長(zhǎng)石精礦2800t、石英精礦1100t，生產(chǎn)成本96元/t，出售價(jià)格砂石骨料50元/t、長(zhǎng)石精礦270元/t、石英精礦380元/t，毛利潤(rùn)為26.10萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，通過(guò)選礦加工后礦產(chǎn)品附加值遠(yuǎn)高于直接出售砂石骨料。

(2)直排浮選尾礦不符合環(huán)保要求，尾礦庫(kù)的建設(shè)成本又較高，因此可以嘗試開(kāi)展浮選尾礦生產(chǎn)免燒磚。目前尾礦生產(chǎn)免燒磚工藝試驗(yàn)、生產(chǎn)設(shè)備均較為成熟，也有大量的試驗(yàn)證明了其可行性[16-20]，遺憾的是本區(qū)尾礦在選礦流程試驗(yàn)階段未對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，礦山生產(chǎn)前建議開(kāi)展專項(xiàng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)山區(qū)由于土壤層較薄，土壤來(lái)源問(wèn)題是生態(tài)修復(fù)要解決的首要問(wèn)題。選礦過(guò)程中產(chǎn)生的廢泥成分多為黏土礦物，保水性較好，后期區(qū)內(nèi)土地復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)可直接使用。由于區(qū)內(nèi)礦石

6 結(jié)論

(1)研究區(qū)處于北秦嶺褶皺帶內(nèi)，富含長(zhǎng)石礦物的偉晶二長(zhǎng)花崗巖廣泛發(fā)育，多期次構(gòu)造活動(dòng)使巖體發(fā)生局部破碎、次生裂隙發(fā)育，水流沿巖石裂隙入滲加劇了風(fēng)化作用，最終形成風(fēng)化型長(zhǎng)石礦床。

(2)經(jīng)篩分、磁選除鐵、重選脫泥、浮選長(zhǎng)石石英分離的選礦流程，長(zhǎng)石精礦K2O含量6.91%、Na2O含量5.86%、TFe含量0.146%；石英精礦SiO2含量95.41%、TFe含量0.06%,滿足工業(yè)利用要求。

(3)選礦各階段產(chǎn)品(產(chǎn)物)可高效、綠色、綜合利用。長(zhǎng)石精礦、石英精礦、砂石骨料可作為礦產(chǎn)品出售，浮選尾礦可嘗試生產(chǎn)免燒磚，選礦過(guò)程中產(chǎn)生的廢泥可被后期礦區(qū)生態(tài)修復(fù)直接利用，高磁性廢渣可作為填料回填路基。