盧氏風(fēng)化型長石礦地質(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 471000；2.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預(yù)測重點實驗室，河南 洛陽 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)

鉀長石是一種常見的鋁硅酸鹽礦物，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]。我國鉀長石礦產(chǎn)資源相對豐富，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、鉀長花崗巖型礦床等[5]。受制于礦石破碎、多流程加工工藝，我國現(xiàn)行鉀長石礦床工業(yè)指標(biāo)總體偏高(K2O+Na2O＞10%)。由于風(fēng)化型長石礦選礦過程中無需破碎，選礦成本較低、綜合利用價值較高，近年來低品位風(fēng)化型長石礦的開發(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花崗巖。長期處于裸露狀態(tài)的花崗巖體局部風(fēng)化強烈，風(fēng)化深度數(shù)米至數(shù)十米不等，同時受區(qū)域強烈的構(gòu)造運動影響，巖體局部破碎強烈。風(fēng)化破碎后花崗巖呈碎顆粒狀、泥狀，無需大規(guī)模破碎即可通過選礦獲得長石精礦，開發(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]。本文通過對該區(qū)風(fēng)化型長石礦地質(zhì)特征的研究，并分析區(qū)內(nèi)礦石選礦試驗成果，對礦石綜合利用方向進行探討，為區(qū)域合理開發(fā)礦產(chǎn)資源、降低地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險提供一定參考。

1 成礦地質(zhì)背景

礦床大地構(gòu)造位置處于揚子地臺與華北地臺兩大構(gòu)造單元的過渡地帶—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)造活動強烈。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，局部見有小型韌性剪切帶。區(qū)內(nèi)巖漿巖活動十分強烈，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)長石礦礦體4個，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號礦體，呈近南北向分布，礦體總長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)主要為似斑狀中粗粒花崗結(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。局部見鉀長石斑晶呈定向排列，形成似脈狀構(gòu)造。礦石的礦物成分為巨斑狀正長微條紋長石，含鈉長石微條紋長石、斜長石，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進行了篩分，并對各粒度級別的礦石主要成分進行測試，結(jié)果見表1。根據(jù)礦石篩分測試結(jié)果，礦石中+0.5mm以上粒級占比較高，而-0.5mm粒級以下占比較低，各粒級分布基本相當(dāng)；篩分后各粒級礦石測試結(jié)果表明，粒度越細，K2O含量越低，Na2O含量先升高、到-0.15mm級別降低，TFe含量升高；細級別的K2O、Na2O含量低、TFe含量高。K2O、Na2O在+0.5mm粒級以上分布率達到85.22%、73.55%，而TFe在-0.5mm粒級分布率達到68.35%。

表1 礦石篩分測試結(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)造活動使得二長花崗巖體發(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

4.1 樣品制備及原礦化學(xué)成分測試

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

表2 原礦測試結(jié)果

實驗室試驗樣品制備工藝流程見圖4。

圖4 礦石選礦流程圖

石英的選礦過程實質(zhì)是對石英砂巖內(nèi)鋁、鐵雜質(zhì)進行有效去除。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，進行了-0.15mm、-2+0.15mm級別磁選除鐵探索試驗，試驗結(jié)果表明通過磨礦磁選可以獲得含鐵低的鉀長石精礦，經(jīng)過脫泥，鉀長石精礦質(zhì)量進一步提高。分級磁選表明，粗級別的鉀長石精礦質(zhì)量較好，細級別質(zhì)量差，進一步說明脫泥對選別指標(biāo)的影響較大。由于試驗樣品中石英含量高、結(jié)晶較好，選擇原礦+5mm、-5+2mm級別進行色選探索試驗，色選試驗表明長石石英分離明顯，色選后的+5mm級別鉀長石粗精礦K2O含量提高了2.09%，-5+2mm級別鉀長石粗精礦K2O含量提高了1.04%。根據(jù)探索試驗結(jié)果，確定采用磁選工藝除鐵，針對-2+0.15mm級別樣品進行詳細磨礦細度和磁場強度條件試驗研究，結(jié)果表明磨礦細度為-0.074mm占18%較為適合，最佳的磁場強度是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)探索試驗和條件試驗結(jié)果，確定鉀長石回收的工藝流程是粗級別色選除石英，提高原礦的鉀鈉含量，細級別泥直接拋除，中間級別和粗級別的鉀長石粗精礦合并再磨磁選。為提高產(chǎn)品質(zhì)量，磁選的鉀長石精礦進行重選脫泥和重礦物，獲得含鐵較低的鉀長石精礦，最后通過浮選長石石英分離，獲得高質(zhì)量的長石、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、浮選長石石英分離，最終浮選長石精礦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石一等品的標(biāo)準(zhǔn)。中間環(huán)節(jié)磁選后鉀長石精礦產(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)。選礦流程試驗結(jié)果見表3。

表3 選礦流程試驗結(jié)果

為確定初篩砂石骨料可利用性能，對其進行了物理性能檢測。根據(jù)檢測結(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，含泥量僅2.6%。通過樣品試驗檢測，確定本區(qū)砂礦為Ⅱ類天然砂，細度模數(shù)為2.8，規(guī)格為中砂(表4)。

表4 砂石骨料檢測結(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)化型長石礦被利用，區(qū)域范圍內(nèi)風(fēng)化偉晶巖花崗巖儲量規(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的適應(yīng)性[11]，以往區(qū)內(nèi)礦石多直接過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，同時也不利于環(huán)境保護。近年來，風(fēng)化花崗巖型長石礦的提純工藝得到廣泛重視，通過磁選、重選、浮選等工藝流程，精礦純度可得到明顯提升，在獲得長石精礦的同時也可獲得石英精礦，為該類礦石的綜合利用提供了方向[12-15]。該區(qū)風(fēng)化偉晶花崗巖型長石礦通過實驗室選礦流程，可獲得長石精礦、石英精礦、砂石骨料等多類型礦產(chǎn)品，同時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)長石礦綜合利用方向有以下三種。

(1)根據(jù)選礦結(jié)果來看，長石精礦質(zhì)量滿足平板玻璃和陶瓷用長石一等品的標(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)，長石精礦、石英精礦、天然中砂均可作為礦產(chǎn)品出售。萬噸原礦直接過篩產(chǎn)砂石骨料約5100t，生產(chǎn)成本32元/t，出售價格50元/t，毛利潤為9.18萬元；而萬噸原礦通過選礦可獲砂石骨料約940t、長石精礦2800t、石英精礦1100t，生產(chǎn)成本96元/t，出售價格砂石骨料50元/t、長石精礦270元/t、石英精礦380元/t，毛利潤為26.10萬元。由此可見，通過選礦加工后礦產(chǎn)品附加值遠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，尾礦庫的建設(shè)成本又較高，因此可以嘗試開展浮選尾礦生產(chǎn)免燒磚。目前尾礦生產(chǎn)免燒磚工藝試驗、生產(chǎn)設(shè)備均較為成熟，也有大量的試驗證明了其可行性[16-20]，遺憾的是本區(qū)尾礦在選礦流程試驗階段未對其進行試驗，礦山生產(chǎn)前建議開展專項的試驗驗證。

(3)山區(qū)由于土壤層較薄，土壤來源問題是生態(tài)修復(fù)要解決的首要問題。選礦過程中產(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)，富含長石礦物的偉晶二長花崗巖廣泛發(fā)育，多期次構(gòu)造活動使巖體發(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)化型長石礦床。

(2)經(jīng)篩分、磁選除鐵、重選脫泥、浮選長石石英分離的選礦流程，長石精礦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。