“湿型”红土镍矿床特征及开采特点

高明权，赵少儒

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.西北有色地质勘查局，陕西 西安 710054)

1 “湿型”红土矿矿床特征及开采技术条件

所谓的红土主要是指那些在热带气候条件下,岩石强烈风化作用形成的贫硅和富铁氧化物的表土层,同样的红土也可在亚热带或温带地域中的某些地段找到。红土镍矿是风化残积矿石,母岩多为超基性岩体,具体岩石为含镍镁橄榄岩或含镍纯橄榄岩。原岩含镍约0.2%～0.3%,经自然氧化、雨淋等作用,易溶于水的钙镁离子被水搬运走,而镍钴氧化物沉积下来。一般来讲,富镁岩石的物理和化学风化作用，可把镍富集20～30倍,并且在局部地段形成红土型镍矿体。从全球范围内分布的红土型镍矿床来看,大约有85%的矿床与增生地体内的纯橄岩、方辉橄榄岩和橄榄岩有关,其余15%的矿床则与稳定克拉通内科马提岩和层状镁铁质-超镁铁质火成岩有关。

红土镍矿含铁(主要褐铁矿)较高,通常为18%～46%,所以矿石多为红色或红褐色,也有灰色或浅灰色。红土镍矿主要用途是提炼金属镍和金属钴。如果以镍铁形式提炼金属镍,同时可回收金属铁。红土镍矿中的钴元素不具有放射性。

根据红土的矿物组分和元素地球化学特征,我们可将红土型镍矿床划分为以下3种类型:①含水硅酸盐质镍矿床:出现在红土剖面的下部层位,由含水铁镁-镍硅酸盐(如蛇纹石和硅镁镍矿)矿物组成;②黏土硅酸质镍矿床:出现在红土剖面的上部层位,主要由蒙脱石和其他黏土类矿物组成;③氧化物质镍矿床:出现在红土剖面的上部层位，或者直接位于蚀变或新鲜基岩之上,由含水铁氧化物和氧化物组成。

一般来讲,含水硅酸盐质红土型镍矿床大多数在构造活动频繁、热带气候环境和排水系统相对发育的地域内产出,并且以镍含量高为特征,镍的平均含量为0.8% ～2.5%。新喀里多尼亚、印度尼西亚、菲律宾、巴布亚新几内亚和加勒比海地区等国家或地区产出的红土型镍矿床均属这种类型,此类矿床通常称之为“湿型”红土矿床。相比之下,在距赤道较远的南半球大陆(如西澳大利亚州、昆士兰州和新南威尔士州)产出的红土型镍矿床，与前述矿床存在较明显差别。受地形地貌特点,排水系统发育程度和半干旱到干旱气候条件影响,澳大利亚各州产出的红土型镍矿床主要为粘土(蒙脱石)型和铁氧化物-硅质型(此类矿床又被称之为“干型”矿床)。代表性粘土(蒙脱石)型矿床有莫林莫林(MurrinMurrin)和布隆(Bulong)；代表性氧化物-硅质矿床有考斯(Cawse)。竹草(Canegrass)和瑞恩斯索普(Ravensthorpe)。

“湿型”红土矿一般由6层组成,见图1,分别为腐殖土、红色褐铁矿层、黄色褐铁矿层、残积层、含砾石的残积层及基岩。腐殖土层是黑棕色到黑色含有腐殖质的土壤,厚度为几厘米到几米。腐殖土层镍、钴的含量相对低于下部的褐铁矿层,该层镍钴品位在边界品位以下,是采矿中主要剥离对象。腐殖土层也是矿区复垦的重要表土层,所以剥离过程中需要集中堆存,并合理保护防止被雨水冲走。

图1 某“湿型”红土矿结构剖面图

褐铁矿层又分为红色褐铁矿层和黄色褐铁矿层。红色褐铁矿层为氧化运移的褐铁矿层,厚度从1～10m不等,平均厚度小于3m，红色褐铁矿层也是采矿剥离的主要对象。黄色褐铁矿层的颜色多样,在微黄褐色、微红褐色到桔黄赭色之间变化。矿层为多孔状,有可塑性,岩石的残余结构比较少。该层是主要的镍和钴矿化层，平均厚度小于10m。黄色褐铁矿层是主要开采对象。

残积层是基岩经过风化变质的产物,呈棕色。残积层最显著的特点，是仍然保留着原岩的原始结构和矿物的晶体结构,厚度最深达到17m，平均厚度5m左右。残积层包含有硅镍矿。含水的镍镁硅酸盐,该矿物相应地增加了该层镍的品位。残积层很好地保留了残留的断层。含砾残积层由纯橄榄岩砾石和残积层结构相同的物质组成。

基岩主要是纯橄榄岩,偶尔可见斜方辉橄榄岩、辉岩和辉长岩。纯橄榄岩轻微蛇纹石化带有浸染状铬铁矿粒和叶蛇纹石脉。一般基岩的顶面不规则,随着深度的增加,残积风化的砾石分布比较有规律,高和低的呈束状或串状分布。高的地方沿断层的主控制方向形成突起,这种被称为“尖礁”，分布在不易风化的地方,这种“尖礁”也被称作牙石。“尖礁”对采矿影响较大,需要先清除“尖礁”再采矿。

影响“湿型”红土矿开采主要因素:

(1)地形坡度。有的矿床山体坡度较陡,如新喀里多尼亚红土矿大部分山体坡度25～30°,坡度大,不利于工作面展开。

(2)含砾石率。由于“湿型”红土镍矿镍主要赋存在细粒泥土或细粒(<3mm)岩石中,所以大块砾石作为废石应尽可能留在采场。部分混在矿石中的砾石，需要运输到选场,选矿后再运回采场回填,增加10%～20%的运输量。

(3)含水率。“湿型”红土矿一般含水率较大,一般在30%～60%。含水率高，需要增加运输设备,需要增加运输能力的30%～60% 。

(4)当地气候条件。“湿型”红土矿多产在北纬15°至南纬15°之间,特别是赤道附近红土矿规模大，品位高。如古巴毛阿红土矿、菲律宾NONOCO红土矿、多米尼加Falcondo红土矿等世界大型红土矿床。赤道附近的热带雨林气候给红土矿开采带来困难,采矿设备选择上应注意气候影响的设备降效。

2 “湿型”红土矿开采特点

“湿型”红土矿主要赋存在地表,多为土质状态,所以选择露天开采。“湿型”红土矿一般特点:矿床多成平面分布,面积大,厚度相对不大(10m左右)。矿石形态主要以土质为主,一般不需要凿岩、爆破,可以直接利用挖掘机铲装矿石。所以，“湿型”红土矿露天开采与普通的露天开采概念不完全相同。“湿型”红土矿开采一般包括4部分:地表植被清理;表土剥离;采矿;复垦。

目前，“湿型”红土矿生产矿山多采用液压挖掘机配铰接卡车生产工艺,其中液压挖掘机斗容在2～5.5m3之间,铰接卡车载重在25～39t之间。由于铰接卡车载重量有限(最大39t),长距离运输成本高。当运输距离大于5km时,可以考虑二次倒运开拓方式。如古巴毛阿红土矿,开采面积已经达25km2,选矿车间距离矿石转运站5km。转运站至选矿车间布设一条宽1.2m皮带,矿石经皮带运往选矿车间。

国外部分红土镍矿采场与冶炼厂或码头距离较远,采用刚性卡车二次转运方式。如菲律宾NONOCO红土矿,采场内用铰接卡车运输,运输距离不大于1.5km,再由40～50t刚性卡车将矿石运往码头,运输距离约6km。

红土矿开采重要采矿特点是配矿,需要控制出矿成份。如果冶炼是湿法工艺,需要控制采出矿石的Mg、Al含量,一般合计不大于5%,由于Mg、Al为主要耗酸杂质,耗酸大。如果冶炼是火法工艺,产品是镍铁,需要控制原矿的硅镁比(SiO2/MgO)。针对不同性质红土矿,分类开采-分类选矿-再混合的生产工艺，为目前世界上较先进的红土矿采选工艺,即采矿将褐铁矿单独开采和运输,选矿单独选褐铁矿;残积矿单独开采和运输,单独选残积矿,而后再将选矿后的矿浆或粉矿按一定比例混合,形成质量稳定的满足冶炼需求矿浆或矿石。主要有以下几方面原因:

(1)不同类型矿石,自然成分差别较大,选矿处理难易不同。如褐铁矿含石率低,干式(火法工艺要求)筛分比较容易；残积矿含石率高,干式筛分比较困难,因为砾石表面高品位矿石容易被废石带走。但洗矿(湿法工艺要求)流程难易相反,褐铁矿含石率低,没有粗粒磨擦介质,往往洗矿困难；残积矿含石率高,互相冲击磨擦,容易将立石表面附着高品位矿石洗下来,选矿效果好。

(2)无论湿法或火法冶炼工艺,工艺流程都比较复杂,而且冶炼成本较高,冶炼成本占采矿-选矿-冶炼整个生产过程总成本的65%～78%。所以,采矿。选矿为冶炼提供质量稳定的合格矿石，对控制生产成本至关重要。

在湿法工艺中,主要影响酸耗的并不是矿石镍含量,而是矿石中的杂质Mg、Al元素的氧化物含量。而不同矿石中Mg、Al元素的含量差别较大,如褐铁矿中Mg的含量在0.5%～1.5%,Al的含量在1%～2%;残积矿中Mg的含量在5%～28%,Al的含量在1%以下。所以,采场出矿两种矿石的不同比率,混合选矿后的Mg、Al元素品位变化很大,给冶炼加酸控制酸耗平衡带来困难,对冶炼成本影响较大。所以,需要根据矿石不同类型分别开采,分别洗矿,再将两种不同类型矿浆按比例混合,能得到Mg、Al元素品位稳定的矿浆。

火法冶炼需要控制硅镁比(SiO2/MgO),要保持硅镁比的稳定。如前所述,不同类型矿石,硅镁含量及硅镁比差别较大,如褐铁矿硅镁比为1.2～1.8,残积矿硅镁比为1.5～2.5。为保证冶炼工艺的稳定,采矿、选矿应尽可能保证硅镁比的稳定。

另外,为了保证整个项目工艺的连续性,红土矿项目需要改变传统设计模式。传统设计模式是：首先确定矿山开采规模,选矿根据采矿规模选配流程,冶炼根据选矿提供稳定的精矿量配备冶炼工艺。红土矿项目需要反推来确定采选工艺及规模,即首先冶炼确定需要的矿浆或粉矿规模,选矿根据冶炼需求计算选矿规模,设计选矿工艺流程,并向采矿提出所需矿石量和供矿方式,采矿根据选矿要求确定矿山规模和开采方式。这一点对理解红土矿开采特点至关重要。

3 “湿型”红土矿开采注意事项

3.1 矿区防尘

“湿型”红土矿多产于热带地区,热带气候特点分两季,雨季和旱季。旱季炎热少雨,红土矿自然脱水干燥后，容易被风吹起形成粉尘污染。粉尘污染问题都存在,只是轻重而已。解决办法只有加强洒水,但是大面积暴露的采场不容易全面洒水,所以对粉尘污染问题应当重视。采空区复垦是采矿环节的重要部分。

3.2 采场防排水

矿区防排水问题是红土矿开采一大难题,这是因为红土矿开采面积大、汇水面积广、地形变化大等因素，给矿区统一设计防排水系统带来困难，需要系统考虑矿区防排水系统。

3.3 采空区复垦

采空区需要及时复垦,复垦包括工程复垦和生物复垦两部分。工程复垦周期流程见图2。

图2 工程复垦周期流程图

(1)工程复垦基本原则

①组成采矿-复垦联合工艺系统,实现边采矿边复垦,达到采矿生产用地周期和复垦周期最短,复垦成本最低和复垦效果最好。②选择适宜于矿区特点、工艺简单、投资省、成本低的复垦工艺。

③合理使用表层剥离土，对于牙石底板的采空区，先进行牙石处理，平整后再覆盖剥离土，厚度不小于0.3m，再覆盖腐殖土。④复垦后的地形地貌与周围的自然环境协调，复垦和环境保护同时进行。⑤保护当地自然水系。⑥坚持经济效益、生态效益和社会效益相统一的原则。

(2) 生物复垦基本原则

①迅速改变新耕层的养分状况和土壤结构,增加蓄水、保水、保肥能力,增加微生物量,降低土壤酸性和紧实度。②视其不同的自然条件,首先建立草-灌群落,尽早形成植被垂直郁闭,实现复垦区与周围自然景观相和谐的生态环境。③先锋植被品种筛选。由于腐殖土相对较少，矿山新复垦地土质差、土层薄、微生物活性差。然而，又必须在当年内迅速形成植被覆盖,克服这种困难的重要措施之一,就是要细致谨慎地选择抗逆能力强、速生性能好的先锋植被品种。

4 结语

“湿型”红土矿床无论矿石性质还是矿床特征都与一般岩状矿床不同,开采工艺和设备选择与普通矿山区别较大。特别是后续选矿。冶炼工艺对采矿提出的矿石质量要求比较严格,需要采矿根据具体要求组织生产,提供合格的矿石。“湿型”红土矿床一般开采环境较差,而冶炼工艺往往要求采矿不间断连续供矿,为了保证连续供矿,应该选择全天候铲装、运输设备。总之,采矿应以冶炼要求为中心组织生产。

[1] 王瑞江，等. 红土型镍矿床找矿勘查与开发利用新进展[J].地质论评,2008,54(2).

[2] 张文敏，马彦卿．矿山土地复垦技术与工程效果[J]．有色金属(矿山部分),1996(5)．