某磷矿矿石性质及开发利用方向分析

葛基军

（贵州有色地质化验监测中心，贵州黔南 558000）

从目前磷矿资源使用情况来看，磷矿资源作为不可再生的战略性矿产资源，虽然在我国拥有很多大型磷矿资源储备，但富矿数量较少，中低品位磷矿数量较多，磷矿资源已无法满足经济发展要求，提高磷矿资源利用率是目前国土资源部门急需考虑的问题。针对该种情况，政府部门组织专业人员前往其他区域开发磷矿资源，在哈萨克斯坦小卡拉套盆地苏沙克区域出现一座大型磷矿，获取磷矿资源总量为9 851.6万t，能有效缓解国内磷矿资源压力。基于此，本文通过分析我国磷矿资源的地质特征和分布情况，以初步掌握磷矿矿石情况，进一步分析磷矿矿石性质和矿床基本情况，合理控制矿石开发利用方向，提高我国不可再生资源利用率。

1 我国磷矿资源的地质特征和分布情况

我国磷矿来源于海相沉积的磷块岩矿床，成矿年代主要包括泥盆纪、震旦纪、寒武纪等年代。如四川金河和清平磷矿区是在泥盆纪产生的磷块岩矿床；贵州开阳磷矿区是震旦纪形成的磷块岩矿床；云南滇池区域磷矿是寒武纪形成的磷块岩矿床。其中寒武纪和震旦纪海相沉积磷块岩矿床形状呈层状，其夹层和顶板上有大量含磷白云岩；磷矿物以低碳氟磷灰石为主，结构呈凝胶状，中间夹杂着各种细散脉石矿物，其物化性质和磷矿物基本相同，需要进行反复细磨才能进行分解。因此，寒武纪和震旦纪海相沉积磷块岩矿床具有氧化镁含量高、分选困难等特征，据调查氧化镁含量占原矿含量的3%～6%，最高占比为10%。泥盆纪海相沉积磷块岩矿床的磷矿物为细晶碳氟磷灰石和隐晶碳氟磷灰石，矿床中有大量硫磷铝成本，其含量达到10%。除了磷块岩矿床外，在我国东部和北部区域分布海相沉积变质磷灰岩矿和岩浆岩磷灰石，如湖北黄麦岭磷矿、江苏锦屏磷矿均是磷灰岩矿床；承德马营磷、矾山磷矿全部为岩浆岩矿床。上述两种磷矿的矿物质为氟磷灰石，结晶颗粒较粗，虽然其P2O5含量为8%，但分选难度较低[1]。

2 矿床基本情况

2019年，政府部门组织专业人员前往其他区域开发磷矿资源，在哈萨克斯坦小卡拉套盆地苏沙克区域出现一座大型磷矿，该矿区坐落在小卡拉套盆地西北部，其东部有扎纳塔斯矿和科克苏磷矿等。小卡拉套盆地是全球磷矿资源最丰富的矿产地，其具有矿层规模大、稳定性高等特征，矿层沉积情况和沉积环境有直接联系。目前，含磷地层被白云质灰岩和泥质页岩进行分割，分成K1，K2两个磷矿层，其中K1矿层在磷矿的上部，K2矿层在磷矿下部，矿层产出数量非常稳定，而在矿区东部地层因受到断层晃动影响，很容易出现错段现象，导致局部地层出现重复问题。矿层向110°方向发展，倾角均在40°，局部倾角达到70°，呈单斜趋势进行分布。含矿层位顶部和寒武纪时代形成的条带状泥质灰岩位置有明显边界线，矿层岩性呈灰黑色磷块岩，整体颜色为蓝黑色、深灰色，形状呈椭圆形，局部为薄层状，是由胶结物、胶磷矿、岩屑等环节组成，其中掺和适量褐铁矿（如图1所示）。通过工作人员检查，矿区中共有磷块岩9 851.6万t，其中远景资源量为5 502.2万t，推断资源量4 349.4万t，矿床P2O5含量占总数量的20.03%，酸不溶物占比34.06%。

图1 矿区构造简图

3 矿石性质

3.1 矿石矿物成分

矿石矿物中胶磷矿占比最重，占全矿物质的85%；脉石矿物主要包括褐铁矿、长石、石英等矿物质，占比为10%，其他的是胶结物，由钙质和硅质组成。胶磷矿为非晶质集合体，通常呈椭圆形，粒径在0.1～0.4 mm，整体为均质，个别环节出现十字消光现象，呈现不均匀分布状态，镜下为黄色和褐色。路源碎屑为次圆状，粒径在0.2～0.4 mm，以石英为主要成分，偶尔出现岩屑，分布非常混乱；褐铁矿为颗粒状，粒径低于0.01 mm，整体布局较乱；胶结物成分中有少量钙质和硅质，粒径低于0.05 mm，硅胶碎屑[2]。

3.2 矿石化学成分

目前，单工程中的单矿层根据品级不同，其品位厚度加权平均值存在严重差异性，且要加权平均各剖面品位、不同剖面间的块段体积，计算出不同级别矿层化学组分的平均值（如表1所示）。

表1 矿层平均品位表 单位：%

通过分析表1内容，发现本矿区中矿石中低品位矿石数量占大多数，P2O5最高含量为26.55%，最低含量15.22%，均为II 级和III 级矿石。其中III 级矿石为混合型；II 级矿石为硅酸盐型。由于上述矿石品位都小于28%，只能将酸法加工应用到生产过磷酸钙[3]。

3.3 矿石开发利用方向

3.3.1 酸法处理

由于在矿区中加工级矿石占比较高，能直接应用酸法制作酸钙产品，但因为矿区中矿石均为中低品位矿石，所以要应用硫酸法和盐酸法进行加工。

（1）硫酸法。其通过利用硫酸分解矿石，将其分解成液相磷酸，副产品为固态硫酸钙，其主要作用是将副产品和成品进行分离，属于目前最常见的液固分离方法，使用效果远超其他湿法磷酸生产方法[4]。但从目前使用情况来看，该种方法存在两个问题：①其在生产过程中会产生大量磷石膏废渣，导致生产现场出现严重的资源浪费问题；②矿石加工工艺过于简单，对矿石有害物质管理性能较弱，一旦有害物质掺和到液相磷酸中，根本无法通过常用方法进行分离。

（2）盐酸法。近年来，我国最常用硫酸法作为制作磷酸的主要方法，但该方法对磷矿石质量提出更高要求，适合应用在苏沙克磷矿开发中。该方法是利用盐酸将磷矿中P2O5分解，得到CaCl2，但由于CaCl2溶解难度较高，需要采用有机溶剂萃取技术才能取得CaCl2，所以通过CaCl2的盐析流程能采集大量高纯度的磷酸。经过专业人员合作研究，发明一种新型低品位磷矿装置，给磷矿石开采提供一条新方向。但值得注意的是，虽然盐酸具有分解低品位磷矿特征，但仍然存在各种问题，如其在制作磷酸过程中会出现大量CaCl2溶液，工作人员要综合考虑到CaCl2溶液的价值，提高其利用率。同时，在制作磷酸中要使用大量盐酸，且盐酸浓度越高制作效果越好，所以提高盐酸浓度是制作磷酸的重要环节。

（2）硝酸法。硝酸法是由奥达公司研发，其是通过硝酸分解磷矿，从而生成水溶性硝酸钙和磷酸物质，再通过各种方法将硝酸钙分离出来，如溶剂萃取、冷冻、离子交换等方法。但由于该种方法操作流程复杂、硝酸价格昂贵、能耗高，给其全面应用带来严重阻碍[5]。

3.3.2 直接利用

（1）中低品位磷矿粉和水溶性磷肥相互结合造粒。由于在矿产中脉石矿物数量较多，矿物嵌布粒度较细，矿山内部出现大量脉石、夹石、尾矿等，这些矿石具有难溶磷、枸溶性磷等特征，其生物价值较低，无法直接应用到工业生产环节中，也不能作为肥料。目前，该种方法所使用的仪器对氮元素检测负荷为2 mg，对于复混肥料、磷酸一铵、磷酸二铵等材料全部是通过化学反应生产出现的产品，样品中氮元素分布均匀，称样量较小，工作人员只需使用3～5 mg 的称样量。但针对掺混型复混肥料来说，其氮元素和其他养分是利用机械方法进行相互结合，并不是利用化学反应形成，氮元素和其他养分在样品中分布混乱。同时，颗粒样品在粉碎过程中受到各种外在因素影响，如化学特征、水分、粉碎条件等因素，严重限制样品细度，其氮元素均匀性低于上述三种样品。如果将这些矿石随意丢失，会产生严重的资源浪费行为。

（2）磷矿粉和含硫材料混合应用。将低品位磷矿粉和石膏、硫磺、其他含硫材料进行融合使用，硫元素在各种天然环境下能形成硫酸，硫酸能促进中低品位磷矿粉中难溶磷进行分解，全面提高磷矿粉的肥料效果。可见，含硫材料各方面因素是影响硫元素氧化速度的重要因素，如微生物数量、水分、粒度、含氧量等因素。根据专业人员进行红壤水田研究发现，将硫肥和磷矿粉混合应用，每年能提高油菜籽8.5%～21.1%的产量。

（3）利用热分解法处理。通过在磷矿石中掺和适量组溶剂，经过高温加热后，能破坏氟磷酸钙晶体结构，推动其分解进程，引导难溶性氟磷酸钙转变为可被植物吸收的磷酸盐。该种方法通常是应用在钙镁磷肥生产环节，通过将活化剂应用到钙镁磷肥磷素中，能提高其释磷性能，优化钙镁磷肥磷素的肥料效果。在复混肥料、磷酸一铵、磷酸二铵等化肥样品总氮含量分析过程中，最常用蒸馏法和滴定法，但值得注意的是，在复混肥料样品氮含量分析中，一旦样品中有酰胺态氮和硝态氮物质，要将样品先进行酸消解，再进行蒸馏后滴定。目前，采用蒸馏后滴定方法进行一次样品氮含量分析时需要耗费90 min，在整个样品分析中时间过长，不利于工作人员合理控制产品养分。因此，为降低分析时间，加强分析结果的及时性和准确性，要采用燃烧法检测复混肥料、磷酸一铵、磷酸二铵中的氮含量，主要原理是将样品经过高温燃烧，N 元素被转变为NO，再被还原成N2，然后通过色谱柱进行分离，最后放在检测器中进行检测。经过工作人员检测方法，利用燃烧法检测样品氮含量仅用5 min，可有效减少分析时间，提高分析效率，增强检测结果的准确性。

（4）利用生物法处理。部分微生物在新陈代谢过程中会释放大量含有腐殖和有机酸的产物，这些代谢产物不仅能降低pH，还能提高难溶解性磷酸盐的溶解速度。目前，能溶解无机磷的真菌主要包括青霉素、曲霉菌属、根霉属等；细菌是由假单胞菌属、无色杆菌、黄杆菌属、氧化硫杆菌等环节组成；链霉菌属是一种具有较强分解性能的微生物，其能分解无机磷和有机磷。从生物法特征来看，其是将磷矿粉和有机废弃物进行堆肥处理，合理应用溶磷微生物的溶磷作用，能促进磷矿粉中难溶性磷转变为有效磷，是提高磷肥利用率的重要方法。

4 结束语

苏沙克地区磷矿规模较大，矿石品位中中低品位占比较高，要注重分析该区域磷矿开发利用方法，合理利用区域磷矿资源，解决我国磷矿资源短缺的问题。