卢氏风化型长石矿地质特征及综合利用方向探讨

张 伟，李岩松，马留锁

(1.河南省第一地质矿产调查院有限公司，河南 洛阳 471000；2.河南省金银多金属成矿系列与深部预测重点实验室，河南 洛阳 471000；3.灵宝黄金投资有限责任公司，河南 三门峡 472500；4.卢氏县自然资源局，河南 三门峡 472200)

钾长石是一种常见的铝硅酸盐矿物，世界钾盐产量的90%左右用作钾肥，剩余约10%作为工业原料，广泛用于显像管、玻璃、陶瓷、纺织、制革、制皂、印刷、农药等工业领域中[1-4]。我国钾长石矿产资源相对丰富，已知矿床类型主要有混合岩化变质矿床、凝灰熔岩型矿床、花岗伟晶岩型矿床、钾长花岗岩型矿床等[5]。受制于矿石破碎、多流程加工工艺，我国现行钾长石矿床工业指标总体偏高(K2O+Na2O＞10%)。由于风化型长石矿选矿过程中无需破碎，选矿成本较低、综合利用价值较高，近年来低品位风化型长石矿的开发利用受到关注[6-8]。

豫西卢氏县西南部出露大面积的燕山早期二长花岗岩。长期处于裸露状态的花岗岩体局部风化强烈，风化深度数米至数十米不等，同时受区域强烈的构造运动影响，岩体局部破碎强烈。风化破碎后花岗岩呈碎颗粒状、泥状，无需大规模破碎即可通过选矿获得长石精矿，开发成本较低。另外，由于花岗岩风化破碎层呈松散堆积状态，稳定性差，特别是在雨季极易发生滑坡、崩塌等地质灾害[9-10]。本文通过对该区风化型长石矿地质特征的研究，并分析区内矿石选矿试验成果，对矿石综合利用方向进行探讨，为区域合理开发矿产资源、降低地质灾害风险提供一定参考。

1 成矿地质背景

矿床大地构造位置处于扬子地台与华北地台两大构造单元的过渡地带—秦岭褶皱系北秦岭褶皱带内。区内主要出露地层有中元古界峡河群、宽坪群，新元古界栾川群，下古生界二郎坪群、陶湾群，中生界上三叠统(图1)。矿床夹持于黑沟断裂与瓦穴子断裂之间，构造活动强烈。研究区北部边缘为黑沟—栾川断裂带，南部边缘为瓦穴子断裂带，中心地段多为一些小规模的浅表层次脆性断裂，局部见有小型韧性剪切带。区内岩浆岩活动十分强烈，主要侵入岩为燕山早期侵入的蟒岭岩体，该岩体规模巨大，呈岩基状产出，侵入宽坪岩群，北部以黑沟断裂与陶湾群接触。侵入岩岩体与围岩的侵入界线呈极度弯曲的港湾状，接触带附近的地层中常发育有花岗岩岩枝，部分地段具同化混染现象，岩体一般外倾，倾角约65°，岩性为伟晶二长花岗岩。变质作用以区域变质作用为主，其他类型变质作用微弱。区域变质作用的特点是区域性变质相带与构造线延伸方向一致，与地层单元吻合，即以区域深断裂为界，不同地质时代的地层其变质系统自成一体。宽坪群经受了绿片岩相(黑云母—阳起石带)、高绿片岩相(角闪岩相铁铝榴石—角闪石带)的变质。秦岭群经受了角闪岩相(铁铝榴石和硅线石带)变质，下古生界二郎坪群和上三叠统普遍经受了低绿片岩相(黑云母带)变质。

图1 区域地质简图

2 矿床地质特征

2.1 矿体特征

初步查明研究区内长石矿矿体4个，均为风化花岗岩型，风化花岗岩K2O+Na2O平均含量为7.47%，风化层呈面状、似层状分布，产状与地形基本一致。矿体在山脊较厚，两侧厚度变小，低洼处有少量残坡积物覆盖，风化深度一般1.80～19.80m，局部受边缘断裂构造控制。区内主矿体为Ⅱ号矿体，呈近南北向分布，矿体总长1480m，宽320m，矿体倾向与上部地形基本一致。矿体呈透镜状、似层状产出，矿体在山脊较厚，两侧厚度变薄，控制矿体厚度在2.20～17.30m，平均厚度9.75m，矿体形态特征见图2。

图2 典型矿体剖面

2.2 矿石特征

2.2.1 矿石矿物成分及结构构造

矿石结构主要为似斑状中粗粒花岗结构，次为斑状结构、交代巨斑(似斑状)结构、交代熔蚀结构，局部二长结构、微条纹结构等，矿石构造呈松散砂状。局部见钾长石斑晶呈定向排列，形成似脉状构造。矿石的矿物成分为巨斑状正长微条纹长石，含钠长石微条纹长石、斜长石，次为角闪石、黑云母、石英及磁铁矿、榍石及风化粘土矿物高岭土、绢云母、绿泥石等。根据矿体赋存的地貌单元可分为坡积型、沟谷堆积型两种，一般情况下坡积型风化程度弱于沟谷堆积型，典型矿体赋存状态及其矿石粒状特征见图3。

图3 矿体赋存状态及矿石粒状特征

2.2.2 矿石化学成分

根据矿石光谱半定量分析结果，矿石的化学成分主要为SiO2、K2O、Na2O、Al2O3、Fe2O3等，其中主要有用组分为K2O+Na2O含量6.47%～8.46%，平均7.47%；Al2O3含量13.15%～15.03%，平均为14.09%。矿石有害组分Fe2O3含量0.96%～2.64%，平均为1.80%。

2.2.3 矿石粒度特征

混合各矿体矿石100kg进行了筛分，并对各粒度级别的矿石主要成分进行测试，结果见表1。根据矿石筛分测试结果，矿石中+0.5mm以上粒级占比较高，而-0.5mm粒级以下占比较低，各粒级分布基本相当；筛分后各粒级矿石测试结果表明，粒度越细，K2O含量越低，Na2O含量先升高、到-0.15mm级别降低，TFe含量升高；细级别的K2O、Na2O含量低、TFe含量高。K2O、Na2O在+0.5mm粒级以上分布率达到85.22%、73.55%，而TFe在-0.5mm粒级分布率达到68.35%。

表1 矿石筛分测试结果

3 矿床成因探讨

区内矿床成因属风化花岗岩型长石矿床，根据区内矿床的分布、形态、结构构造等特征，认为矿床的形成主要有以下3方面因素。

(1)原岩提供了矿床的物质基础。

矿床内矿石的物质组成、化学成分与微风化或未风化的原岩基本一致，但是由于二长花岗岩的结构构造、颗粒分选不一造成原岩易于风化，特别是其中的黏土矿物风化后岩石发生破碎，造成风化壳从原岩脱落堆积，形成坡积型矿石，坡积型矿石在降水或风力作用下在沟谷聚集形成沟谷堆积型矿石。

(2)构造是矿床形成的重要因素。

区内二长花岗岩岩浆是侵入结晶的产物，物理化学条件本身较稳定。但矿床大地构造位置处于北秦岭褶皱带内，多期次构造活动使得二长花岗岩体发生局部破碎，并派生大量不规则的网状裂隙或节理，利于风化水解作用的进行。

(3)地貌特征是矿床形成的必要因素。

区内属中低山地貌，接近洛河源头，水系较发育，河流、溪流、沟谷发育，地表水源丰富。大气降水及地表水流沿岩石裂隙入渗，岩石内黏土矿物风化概率加大，有利于风化型矿床的形成。

4 矿石选矿试验

4.1 样品制备及原矿化学成分测试

区内矿石选矿试验由中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所完成。试验样品取自区内已知的Ⅱ号、Ⅲ号矿体，试验样品总重量300kg，粒度-10mm。样品晾干、混匀、缩分，取缩分后1/8进行正式试验，对原矿化学成分进行了初步测试，测试结果见表2。从化学多项分析测试结果可知，矿石中钾钠含量较低，而铁含量较高，需通过选矿提高钾钠含量，除掉铁质。

表2 原矿测试结果

实验室试验样品制备工艺流程见图4。

图4 矿石选矿流程图

石英的选矿过程实质是对石英砂岩内铝、铁杂质进行有效去除。本矿床原矿化学成分中Al2O3、Fe2O3等含量偏高，产生Al2O3的杂质矿物主要为粘土矿物，产生Fe2O3的杂质矿物主要为粘土矿物及磁铁矿、褐铁矿。因此矿石加工流程采用水洗、脱泥工艺去除粘土矿物，采用磁选工艺去除铁质。

4.2 矿石选矿流程

根据原矿筛分结果，进行了-0.15mm、-2+0.15mm级别磁选除铁探索试验，试验结果表明通过磨矿磁选可以获得含铁低的钾长石精矿，经过脱泥，钾长石精矿质量进一步提高。分级磁选表明，粗级别的钾长石精矿质量较好，细级别质量差，进一步说明脱泥对选别指标的影响较大。由于试验样品中石英含量高、结晶较好，选择原矿+5mm、-5+2mm级别进行色选探索试验，色选试验表明长石石英分离明显，色选后的+5mm级别钾长石粗精矿K2O含量提高了2.09%，-5+2mm级别钾长石粗精矿K2O含量提高了1.04%。根据探索试验结果，确定采用磁选工艺除铁，针对-2+0.15mm级别样品进行详细磨矿细度和磁场强度条件试验研究，结果表明磨矿细度为-0.074mm占18%较为适合，最佳的磁场强度是1035kA/m，磁选精矿采用重选脱泥是提高选别指标的重要手段。

根据探索试验和条件试验结果，确定钾长石回收的工艺流程是粗级别色选除石英，提高原矿的钾钠含量，细级别泥直接抛除，中间级别和粗级别的钾长石粗精矿合并再磨磁选。为提高产品质量，磁选的钾长石精矿进行重选脱泥和重矿物，获得含铁较低的钾长石精矿，最后通过浮选长石石英分离，获得高质量的长石、石英精矿。

4.3 选矿效果分析

采用图4选矿流程，经筛分、磁选除铁、重选脱泥、浮选长石石英分离，最终浮选长石精矿K2O含量6.91%，Na2O含量5.86%，TFe含量0.146%，满足平板玻璃和陶瓷用长石一等品的标准。中间环节磁选后钾长石精矿产率为50.35%，K2O含量6.01%，Na2O含量4.61%，TFe含量0.19%；第二次重选脱泥后钾长石精矿产率为43.39%，K2O含量5.91%，Na2O含量4.53%，TFe含量0.13%，白度56.91。另外，浮选长石石英分离产出石英精矿SiO2含量95.41%、TFe含量0.06%,满足平板玻璃用石英矿三等品的标准。选矿流程试验结果见表3。

表3 选矿流程试验结果

为确定初筛砂石骨料可利用性能，对其进行了物理性能检测。根据检测结果，砂石骨料表观密度为2620kg/m3，堆积密度为1550kg/m3，紧密密度为1760kg/m3，含泥量仅2.6%。通过样品试验检测，确定本区砂矿为Ⅱ类天然砂，细度模数为2.8，规格为中砂(表4)。

表4 砂石骨料检测结果

5 综合利用方向探讨

伟晶岩花岗岩在秦岭褶皱带广泛分布，其风化产物均可作为风化型长石矿被利用，区域范围内风化伟晶岩花岗岩储量规模大，走向上至陕西省内。由于该类型矿石本身作为充填骨料具有较强的适应性[11]，以往区内矿石多直接过筛后作为砂石骨料出售，但由于抛出废料占比大造成资源浪费，同时也不利于环境保护。近年来，风化花岗岩型长石矿的提纯工艺得到广泛重视，通过磁选、重选、浮选等工艺流程，精矿纯度可得到明显提升，在获得长石精矿的同时也可获得石英精矿，为该类矿石的综合利用提供了方向[12-15]。该区风化伟晶花岗岩型长石矿通过实验室选矿流程，可获得长石精矿、石英精矿、砂石骨料等多类型矿产品，同时选矿流程中有浮选尾矿、高磁性废渣、废泥等产物。综合分析该区长石矿综合利用方向有以下三种。

(1)根据选矿结果来看，长石精矿质量满足平板玻璃和陶瓷用长石一等品的标准，石英精矿质量满足平板玻璃用石英矿三等品的标准，砂石骨料质量满足Ⅱ类天然中砂标准，长石精矿、石英精矿、天然中砂均可作为矿产品出售。万吨原矿直接过筛产砂石骨料约5100t，生产成本32元/t，出售价格50元/t，毛利润为9.18万元；而万吨原矿通过选矿可获砂石骨料约940t、长石精矿2800t、石英精矿1100t，生产成本96元/t，出售价格砂石骨料50元/t、长石精矿270元/t、石英精矿380元/t，毛利润为26.10万元。由此可见，通过选矿加工后矿产品附加值远高于直接出售砂石骨料。

(2)直排浮选尾矿不符合环保要求，尾矿库的建设成本又较高，因此可以尝试开展浮选尾矿生产免烧砖。目前尾矿生产免烧砖工艺试验、生产设备均较为成熟，也有大量的试验证明了其可行性[16-20]，遗憾的是本区尾矿在选矿流程试验阶段未对其进行试验，矿山生产前建议开展专项的试验验证。

(3)山区由于土壤层较薄，土壤来源问题是生态修复要解决的首要问题。选矿过程中产生的废泥成分多为黏土矿物，保水性较好，后期区内土地复垦、生态修复可直接使用。由于区内矿石

6 结论

(1)研究区处于北秦岭褶皱带内，富含长石矿物的伟晶二长花岗岩广泛发育，多期次构造活动使岩体发生局部破碎、次生裂隙发育，水流沿岩石裂隙入渗加剧了风化作用，最终形成风化型长石矿床。

(2)经筛分、磁选除铁、重选脱泥、浮选长石石英分离的选矿流程，长石精矿K2O含量6.91%、Na2O含量5.86%、TFe含量0.146%；石英精矿SiO2含量95.41%、TFe含量0.06%,满足工业利用要求。

(3)选矿各阶段产品(产物)可高效、绿色、综合利用。长石精矿、石英精矿、砂石骨料可作为矿产品出售，浮选尾矿可尝试生产免烧砖，选矿过程中产生的废泥可被后期矿区生态修复直接利用，高磁性废渣可作为填料回填路基。