湖北宜昌周家灣石墨礦床礦石選冶性能和開采技術條件分析

許同舟，郭申祥

（中國建筑材料工業地質勘查中心湖北總隊，湖北 武漢 430030）

石墨是碳的一種同素異形體，化學性質穩定，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，廣泛應用于眾多工業門類，是當今高新技術發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現，我國石墨礦床勘查進入了新階段，但是中南地區的石墨礦床缺乏系統研究(仇心禮,1993; 王書春和王翔,2021)。周家灣石墨礦床是新近發現的一處石墨礦床，對于其地質特征、礦床成因已有總結和研究(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條件還缺乏總結分析，這限制了礦床下一步的開發利用。基于此，本文在簡要介紹地質背景的基礎上，對石墨礦石的選冶性能和鄰區的三岔埡礦區進行了對比，之后分析了礦區水文、工程和環境地質條件，最終確定開采技術類型。

1 地質背景

1.1 區域地質

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

本區位于揚子準地臺上揚子臺坪鄂中褶斷區黃陵斷穹北部的圈椅埫穹隆東翼。區域斷裂構造較發育，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。以上斷層錯綜復雜，互相改造，為多期活動的產物。

黃陵斷穹巖漿巖發育，以侵入巖為主，巖性復雜，從超基性到酸性以至偏堿性巖類均有發育。區內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)群富鋁質片巖大理巖(巖)組是區內石墨工業礦體的主要賦存層位，已有數家礦山企業在此開采石墨礦，取得了良好的經濟效益。

1.2 礦區地質

礦區內的含礦巖系為上太古界—下元古界水月寺(巖)群富鋁質片巖大理巖(巖)組下段第二層(Ar3Pt1?b1-2)，分布于斷層F1以南，岳家灣以西，呈似層狀產出，礦區內分布的主要變質巖有石墨片巖、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：為礦區構成石墨礦石的主要巖石類型，呈層狀或透鏡狀產出于Ar3Pt1?b1-2。原巖為含碳的泥質巖或泥質砂巖。鱗片變晶結構，片狀、眼球狀構造。

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,主要在應力集中處呈聚集狀產出，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 礦石加工技術性能

本礦床與鄰近的三岔埡礦區石墨礦均是沉積變質形成的“片麻巖大理巖型晶質石墨礦床”，二者礦石類型、品位、結構構造、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性能可與三岔埡礦區石墨礦類比。

表1 三岔埡礦區與本礦區石墨礦物理化學特征對比表

湖北省宜昌市三岔埡礦區石墨礦，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“建筑材料工業部地質總公司中心實驗室”進行選礦試驗和物性測試。試驗目的是研究精礦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。現對礦體試驗結果進行敘述。

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，并剝去風化污染面。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率見表2。

表2 地表各級石墨片徑精礦產率情況表

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率見表3。

表3 深部各級石墨片徑精礦產率情況表

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，并剝去風化污染面。原始塊徑小于50mm，試樣重量651.55kg，入選樣固定碳含量2.63%。

試驗結果，該礦石質地松散易磨，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。根據試驗結果，表明該試樣代表的該類型礦石是可選的。

此外，三岔埡礦區石墨礦礦山開采企業建有年產石墨7kt 規模的選礦廠，其亦對礦體進行了選礦，根據實際生產資料，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《GB/3518-2008 鱗片石墨》，確定三岔埡礦區石墨為中炭石墨，品牌號為LZ，礦石選礦加工技術性能良好。

據此類比，周家灣礦區石墨礦礦石選礦加工技術性能良好。

3 開采技術條件

3.1 水文地質條件

區內分布的地層主要為含構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。礦區為區域水文地質單元中地下水的徑流—排泄區。主要充水層為地下水側向補給，在礦區沿溪流及黃良河進行排泄。

礦區的地下水類型主要是以基巖裂隙水為主的淺層潛水。礦區的地下水主要由大氣降水、變質巖裂隙水、基巖風化裂隙水補給。按含水介質與水力性質大致可將礦區含水層分為四類，即第四系殘坡積孔隙含水層、變質巖裂隙含水層、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，動態變化明顯受降水制約。

礦區地下水賦存于基巖裂隙內，富水性弱。含、隔水層只是相對而言，富水性相差不大，加之節理裂隙彼此切割，互相聯通，因此，構成了統一含水體。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地侵蝕基準面以上，加之地形陡，有利于自然排水。故該礦區的水文地質條件屬簡單類型。

3.2 工程地質條件

根據礦區巖石種類和其結構類型，可將其劃分為四個工程地質巖組：堅硬的工程地質巖組、半堅硬的工程地質巖組、軟弱的工程地質巖組和松散土體工程地質巖組。

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。根據以往該地區的類似巖樣測試結果知，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，片理發育，含石墨及云母礦物具滑膩特性，坑道開拓過程中易出現頂板片狀坍塌的工程地質問題。

（3）地下采空區易引發地面沉陷、變形開裂等問題。本礦區工業礦層與圍巖由堅硬—半堅硬的變質巖類組成，穩定性較好，淺部巖石因風化破碎，質量較差。區內巖石質量總體為中等的，巖體中等完整。故該礦區工程地質條件屬中等類型。

3.3 環境地質條件

區內地震活動較活躍，但以弱震為主，根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）,本區地震動峰值加速度為0.05g，地震基本烈度值為Ⅵ，地震動反應譜特征周期為0.35s。綜合地質構造特征、斷裂及地震活動特征，本區在區域地質上屬相對穩定地區。根據調查和走訪當地村民知，工作區未發生過大的崩陷、滑坡、泥石流等地質災害，未有礦山開采活動。礦區南部零星分布有一些村民居住，整體來說，礦區環境地質現狀較好。

根據本礦區的環境地質條件，可能誘發、加劇的環境地質問題主要是水資源環境改變和礦坑水與廢礦渣對礦山環境地質問題的影響。預測礦體深部開采引發的主要環境地質問題是因礦體頂、底板圍巖穩定性差而引發的諸如地面和采空區的冒落塌陷及開裂變形等環境地質問題，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，本礦區地質環境質量屬中等類型。

4 總結

（1）礦區石墨為中炭石墨，品牌號為LZ，礦石選礦加工技術性能良好。

（2）本礦區水文地質條件類型屬簡單的以基巖風化裂隙含水層充水為主，頂底板直接充水礦床。

（3）本礦區區內巖石質量總體為中等的，巖體中等完整。故該礦區工程地質條件屬中等類型。

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

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