“濕型”紅土鎳礦床特征及開采特點

高明權，趙少儒

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.西北有色地質勘查局，陜西 西安 710054)

1 “濕型”紅土礦礦床特征及開采技術條件

所謂的紅土主要是指那些在熱帶氣候條件下,巖石強烈風化作用形成的貧硅和富鐵氧化物的表土層,同樣的紅土也可在亞熱帶或溫帶地域中的某些地段找到。紅土鎳礦是風化殘積礦石,母巖多為超基性巖體,具體巖石為含鎳鎂橄欖巖或含鎳純橄欖巖。原巖含鎳約0.2%～0.3%,經自然氧化、雨淋等作用,易溶于水的鈣鎂離子被水搬運走,而鎳鈷氧化物沉積下來。一般來講,富鎂巖石的物理和化學風化作用，可把鎳富集20～30倍,并且在局部地段形成紅土型鎳礦體。從全球范圍內分布的紅土型鎳礦床來看,大約有85%的礦床與增生地體內的純橄巖、方輝橄欖巖和橄欖巖有關,其余15%的礦床則與穩定克拉通內科馬提巖和層狀鎂鐵質-超鎂鐵質火成巖有關。

紅土鎳礦含鐵(主要褐鐵礦)較高,通常為18%～46%,所以礦石多為紅色或紅褐色,也有灰色或淺灰色。紅土鎳礦主要用途是提煉金屬鎳和金屬鈷。如果以鎳鐵形式提煉金屬鎳,同時可回收金屬鐵。紅土鎳礦中的鈷元素不具有放射性。

根據紅土的礦物組分和元素地球化學特征,我們可將紅土型鎳礦床劃分為以下3種類型:①含水硅酸鹽質鎳礦床:出現在紅土剖面的下部層位,由含水鐵鎂-鎳硅酸鹽(如蛇紋石和硅鎂鎳礦)礦物組成;②黏土硅酸質鎳礦床:出現在紅土剖面的上部層位,主要由蒙脫石和其他黏土類礦物組成;③氧化物質鎳礦床:出現在紅土剖面的上部層位，或者直接位于蝕變或新鮮基巖之上,由含水鐵氧化物和氧化物組成。

一般來講,含水硅酸鹽質紅土型鎳礦床大多數在構造活動頻繁、熱帶氣候環境和排水系統相對發育的地域內產出,并且以鎳含量高為特征,鎳的平均含量為0.8% ～2.5%。新喀里多尼亞、印度尼西亞、菲律賓、巴布亞新幾內亞和加勒比海地區等國家或地區產出的紅土型鎳礦床均屬這種類型,此類礦床通常稱之為“濕型”紅土礦床。相比之下,在距赤道較遠的南半球大陸(如西澳大利亞州、昆士蘭州和新南威爾士州)產出的紅土型鎳礦床，與前述礦床存在較明顯差別。受地形地貌特點,排水系統發育程度和半干旱到干旱氣候條件影響,澳大利亞各州產出的紅土型鎳礦床主要為粘土(蒙脫石)型和鐵氧化物-硅質型(此類礦床又被稱之為“干型”礦床)。代表性粘土(蒙脫石)型礦床有莫林莫林(MurrinMurrin)和布隆(Bulong)；代表性氧化物-硅質礦床有考斯(Cawse)。竹草(Canegrass)和瑞恩斯索普(Ravensthorpe)。

“濕型”紅土礦一般由6層組成,見圖1,分別為腐殖土、紅色褐鐵礦層、黃色褐鐵礦層、殘積層、含礫石的殘積層及基巖。腐殖土層是黑棕色到黑色含有腐殖質的土壤,厚度為幾厘米到幾米。腐殖土層鎳、鈷的含量相對低于下部的褐鐵礦層,該層鎳鈷品位在邊界品位以下,是采礦中主要剝離對象。腐殖土層也是礦區復墾的重要表土層,所以剝離過程中需要集中堆存,并合理保護防止被雨水沖走。

圖1 某“濕型”紅土礦結構剖面圖

褐鐵礦層又分為紅色褐鐵礦層和黃色褐鐵礦層。紅色褐鐵礦層為氧化運移的褐鐵礦層,厚度從1～10m不等,平均厚度小于3m，紅色褐鐵礦層也是采礦剝離的主要對象。黃色褐鐵礦層的顏色多樣,在微黃褐色、微紅褐色到桔黃赭色之間變化。礦層為多孔狀,有可塑性,巖石的殘余結構比較少。該層是主要的鎳和鈷礦化層，平均厚度小于10m。黃色褐鐵礦層是主要開采對象。

殘積層是基巖經過風化變質的產物,呈棕色。殘積層最顯著的特點，是仍然保留著原巖的原始結構和礦物的晶體結構,厚度最深達到17m，平均厚度5m左右。殘積層包含有硅鎳礦。含水的鎳鎂硅酸鹽,該礦物相應地增加了該層鎳的品位。殘積層很好地保留了殘留的斷層。含礫殘積層由純橄欖巖礫石和殘積層結構相同的物質組成。

基巖主要是純橄欖巖,偶爾可見斜方輝橄欖巖、輝巖和輝長巖。純橄欖巖輕微蛇紋石化帶有浸染狀鉻鐵礦粒和葉蛇紋石脈。一般基巖的頂面不規則,隨著深度的增加,殘積風化的礫石分布比較有規律,高和低的呈束狀或串狀分布。高的地方沿斷層的主控制方向形成突起,這種被稱為“尖礁”，分布在不易風化的地方,這種“尖礁”也被稱作牙石?！凹饨浮睂Σ傻V影響較大,需要先清除“尖礁”再采礦。

影響“濕型”紅土礦開采主要因素:

(1)地形坡度。有的礦床山體坡度較陡,如新喀里多尼亞紅土礦大部分山體坡度25～30°,坡度大,不利于工作面展開。

(2)含礫石率。由于“濕型”紅土鎳礦鎳主要賦存在細粒泥土或細粒(<3mm)巖石中,所以大塊礫石作為廢石應盡可能留在采場。部分混在礦石中的礫石，需要運輸到選場,選礦后再運回采場回填,增加10%～20%的運輸量。

(3)含水率。“濕型”紅土礦一般含水率較大,一般在30%～60%。含水率高，需要增加運輸設備,需要增加運輸能力的30%～60% 。

(4)當地氣候條件。“濕型”紅土礦多產在北緯15°至南緯15°之間,特別是赤道附近紅土礦規模大，品位高。如古巴毛阿紅土礦、菲律賓NONOCO紅土礦、多米尼加Falcondo紅土礦等世界大型紅土礦床。赤道附近的熱帶雨林氣候給紅土礦開采帶來困難,采礦設備選擇上應注意氣候影響的設備降效。

2 “濕型”紅土礦開采特點

“濕型”紅土礦主要賦存在地表,多為土質狀態,所以選擇露天開采?！皾裥汀奔t土礦一般特點:礦床多成平面分布,面積大,厚度相對不大(10m左右)。礦石形態主要以土質為主,一般不需要鑿巖、爆破,可以直接利用挖掘機鏟裝礦石。所以，“濕型”紅土礦露天開采與普通的露天開采概念不完全相同?！皾裥汀奔t土礦開采一般包括4部分:地表植被清理;表土剝離;采礦;復墾。

目前，“濕型”紅土礦生產礦山多采用液壓挖掘機配鉸接卡車生產工藝,其中液壓挖掘機斗容在2～5.5m3之間,鉸接卡車載重在25～39t之間。由于鉸接卡車載重量有限(最大39t),長距離運輸成本高。當運輸距離大于5km時,可以考慮二次倒運開拓方式。如古巴毛阿紅土礦,開采面積已經達25km2,選礦車間距離礦石轉運站5km。轉運站至選礦車間布設一條寬1.2m皮帶,礦石經皮帶運往選礦車間。

國外部分紅土鎳礦采場與冶煉廠或碼頭距離較遠,采用剛性卡車二次轉運方式。如菲律賓NONOCO紅土礦,采場內用鉸接卡車運輸,運輸距離不大于1.5km,再由40～50t剛性卡車將礦石運往碼頭,運輸距離約6km。

紅土礦開采重要采礦特點是配礦,需要控制出礦成份。如果冶煉是濕法工藝,需要控制采出礦石的Mg、Al含量,一般合計不大于5%,由于Mg、Al為主要耗酸雜質,耗酸大。如果冶煉是火法工藝,產品是鎳鐵,需要控制原礦的硅鎂比(SiO2/MgO)。針對不同性質紅土礦,分類開采-分類選礦-再混合的生產工藝，為目前世界上較先進的紅土礦采選工藝,即采礦將褐鐵礦單獨開采和運輸,選礦單獨選褐鐵礦;殘積礦單獨開采和運輸,單獨選殘積礦,而后再將選礦后的礦漿或粉礦按一定比例混合,形成質量穩定的滿足冶煉需求礦漿或礦石。主要有以下幾方面原因:

(1)不同類型礦石,自然成分差別較大,選礦處理難易不同。如褐鐵礦含石率低,干式(火法工藝要求)篩分比較容易；殘積礦含石率高,干式篩分比較困難,因為礫石表面高品位礦石容易被廢石帶走。但洗礦(濕法工藝要求)流程難易相反,褐鐵礦含石率低,沒有粗粒磨擦介質,往往洗礦困難；殘積礦含石率高,互相沖擊磨擦,容易將立石表面附著高品位礦石洗下來,選礦效果好。

(2)無論濕法或火法冶煉工藝,工藝流程都比較復雜,而且冶煉成本較高,冶煉成本占采礦-選礦-冶煉整個生產過程總成本的65%～78%。所以,采礦。選礦為冶煉提供質量穩定的合格礦石，對控制生產成本至關重要。

在濕法工藝中,主要影響酸耗的并不是礦石鎳含量,而是礦石中的雜質Mg、Al元素的氧化物含量。而不同礦石中Mg、Al元素的含量差別較大,如褐鐵礦中Mg的含量在0.5%～1.5%,Al的含量在1%～2%;殘積礦中Mg的含量在5%～28%,Al的含量在1%以下。所以,采場出礦兩種礦石的不同比率,混合選礦后的Mg、Al元素品位變化很大,給冶煉加酸控制酸耗平衡帶來困難,對冶煉成本影響較大。所以,需要根據礦石不同類型分別開采,分別洗礦,再將兩種不同類型礦漿按比例混合,能得到Mg、Al元素品位穩定的礦漿。

火法冶煉需要控制硅鎂比(SiO2/MgO),要保持硅鎂比的穩定。如前所述,不同類型礦石,硅鎂含量及硅鎂比差別較大,如褐鐵礦硅鎂比為1.2～1.8,殘積礦硅鎂比為1.5～2.5。為保證冶煉工藝的穩定,采礦、選礦應盡可能保證硅鎂比的穩定。

另外,為了保證整個項目工藝的連續性,紅土礦項目需要改變傳統設計模式。傳統設計模式是：首先確定礦山開采規模,選礦根據采礦規模選配流程,冶煉根據選礦提供穩定的精礦量配備冶煉工藝。紅土礦項目需要反推來確定采選工藝及規模,即首先冶煉確定需要的礦漿或粉礦規模,選礦根據冶煉需求計算選礦規模,設計選礦工藝流程,并向采礦提出所需礦石量和供礦方式,采礦根據選礦要求確定礦山規模和開采方式。這一點對理解紅土礦開采特點至關重要。

3 “濕型”紅土礦開采注意事項

3.1 礦區防塵

“濕型”紅土礦多產于熱帶地區,熱帶氣候特點分兩季,雨季和旱季。旱季炎熱少雨,紅土礦自然脫水干燥后，容易被風吹起形成粉塵污染。粉塵污染問題都存在,只是輕重而已。解決辦法只有加強灑水,但是大面積暴露的采場不容易全面灑水,所以對粉塵污染問題應當重視。采空區復墾是采礦環節的重要部分。

3.2 采場防排水

礦區防排水問題是紅土礦開采一大難題,這是因為紅土礦開采面積大、匯水面積廣、地形變化大等因素，給礦區統一設計防排水系統帶來困難，需要系統考慮礦區防排水系統。

3.3 采空區復墾

采空區需要及時復墾,復墾包括工程復墾和生物復墾兩部分。工程復墾周期流程見圖2。

圖2 工程復墾周期流程圖

(1)工程復墾基本原則

①組成采礦-復墾聯合工藝系統,實現邊采礦邊復墾,達到采礦生產用地周期和復墾周期最短,復墾成本最低和復墾效果最好。②選擇適宜于礦區特點、工藝簡單、投資省、成本低的復墾工藝。

③合理使用表層剝離土，對于牙石底板的采空區，先進行牙石處理，平整后再覆蓋剝離土，厚度不小于0.3m，再覆蓋腐殖土。④復墾后的地形地貌與周圍的自然環境協調，復墾和環境保護同時進行。⑤保護當地自然水系。⑥堅持經濟效益、生態效益和社會效益相統一的原則。

(2) 生物復墾基本原則

①迅速改變新耕層的養分狀況和土壤結構,增加蓄水、保水、保肥能力,增加微生物量,降低土壤酸性和緊實度。②視其不同的自然條件,首先建立草-灌群落,盡早形成植被垂直郁閉,實現復墾區與周圍自然景觀相和諧的生態環境。③先鋒植被品種篩選。由于腐殖土相對較少，礦山新復墾地土質差、土層薄、微生物活性差。然而，又必須在當年內迅速形成植被覆蓋,克服這種困難的重要措施之一,就是要細致謹慎地選擇抗逆能力強、速生性能好的先鋒植被品種。

4 結語

“濕型”紅土礦床無論礦石性質還是礦床特征都與一般巖狀礦床不同,開采工藝和設備選擇與普通礦山區別較大。特別是后續選礦。冶煉工藝對采礦提出的礦石質量要求比較嚴格,需要采礦根據具體要求組織生產,提供合格的礦石?！皾裥汀奔t土礦床一般開采環境較差,而冶煉工藝往往要求采礦不間斷連續供礦,為了保證連續供礦,應該選擇全天候鏟裝、運輸設備。總之,采礦應以冶煉要求為中心組織生產。

[1] 王瑞江，等. 紅土型鎳礦床找礦勘查與開發利用新進展[J].地質論評,2008,54(2).

[2] 張文敏，馬彥卿．礦山土地復墾技術與工程效果[J]．有色金屬(礦山部分),1996(5)．