湖北黄陵断穹核北部东冲河石墨矿地质特征与选矿工艺

廖宗明, 姚 燕, 胡章章, 胡 明, 陈长江

((1.湖北省地质局 第七地质大队,湖北 宜昌 443100; 2.湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034;3.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441057)

湖北黄陵断穹核北部东冲河石墨矿地质特征与选矿工艺

廖宗明1, 姚 燕2, 胡章章3, 胡 明3, 陈长江3

((1.湖北省地质局 第七地质大队,湖北 宜昌 443100; 2.湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034;3.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441057)

东冲河石墨矿区地处扬子准地台鄂中褶断区黄陵断穹核北部圈椅埫穹窿南翼,石墨矿赋存于含石墨岩系水月寺(岩)群富铝质片岩大理岩(岩)组下段上亚段的中部,为变质变成型矿床。区内产出Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三个工业矿层,七个工业矿体。矿石类型分为云母石墨片岩、石墨云母片岩、石墨黑云斜长片麻岩。矿石主要化学成分是SiO255.01%、Al2O318.27%、TFe2O37.36%、固定碳(C)6%、K2O4.15%、MgO1.97%,还含有少量的CaO、Na2O、TiO2、MnO。主要组成矿物为石英、云母类(黑云母和白云母)、石墨、长石类及少量绿泥石和黄铁矿。通过选矿试验,确定研究区石墨矿选矿工艺流程为:一次粗选,粗精矿四次再磨五次精选。为石墨矿的开发与利用提供科学的地质依据。

石墨矿;地质特征;选矿工艺;东冲河

2010年,Geim和Novoselov因为石墨烯的工作获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯(Graphene)是由单层的碳原子紧密排列成二维的蜂巢状六角格子的一种物质。与金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管还有无定形碳一样,它是一种单纯由碳元素构成的物质(单质)。

石墨由于其特殊结构,具有耐高温性、抗热震性、导电性、润滑性、化学稳定性以及可塑性等众多特性,一直是军工与现代工业及高、新、尖技术发展中不可或缺的重要战略资源。石墨应用范围广泛,国际曾有专家预言“20世纪是硅的世纪,21世纪将是碳的世纪”。

湖北省晶质石墨矿物资源储量位居全国第11位,截至2014年底保有晶质石墨矿物资源储量156.1万t,主要分布在宜昌市夷陵区[1-2]。本文抛砖引玉,旨在对本省石墨矿的开发利用提供科学的地质依据。

1 区域地质特征简述

东冲河石墨矿区地处扬子准地台鄂中褶断区黄陵断穹核北部圈椅埫穹窿南翼。黄陵断穹轴向北东16°,南北长70余千米,东西宽40余千米,为东翼平缓、西翼较陡的二单元短轴断穹构造。断穹核部由上太古界—下元古界水月寺(岩)群中深区域变质岩、混合岩及元古代的基性、超基性、中酸性岩等各类岩浆岩组成基底构造层。翼部由震旦系—三叠系地层(缺失下泥盆统和下石炭统)组成,主要岩性为碳酸盐岩或碎屑岩,由老至新围绕断穹核部依次向外展布;它们之间大都呈整合或假整合接触,仅震旦系下统陡山沱组(或南华系)与下伏地层呈角度不整合接触(图1)。

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区出露地层为水月寺(岩)群富铝质片岩大理岩(岩)组,可划分为上、下两段。由下而上综合列述如下:

下段分上、下两个亚段。

下亚段 分布于矿区北部边缘,区内只出露其顶部,主要为二长均质混合岩,局部为斜长均质混合岩、长英质混合岩。厚度不详。

上亚段 为本区的含石墨岩系,按岩石组合特征可分上、中、下三个部分。

图1 黄陵断穹北部区域地质构造略图及石墨矿层分布图Fig.1 Sketch of regional geological structure and distribution of graphite mine seams in northern Huangling Faulted Dome

下部主要为混合质石榴黑云斜长片麻岩、混合质含石墨红柱石榴黑云斜长片麻岩等,间夹透闪—透辉岩、金云母蛇纹石化白云石大理岩透镜体。厚度110～124 m。

中部是石墨矿主要赋存部位,由下而上可大致分为七个岩性层。

① 混合质含石墨黑云斜长片岩、片麻岩,底部夹二云石墨片岩、石墨片岩小透镜体(Ⅰ矿层)。厚度26.0 m。

② 混合质含石榴石墨黑云斜长片麻岩、混合质含石墨黑云片岩。厚度47.67 m。

③ 石墨黑云斜长片麻岩、黑云石墨绢云片岩、混合质二云石墨片岩(Ⅱ矿层)。Ⅱ矿层厚度沿走向变化较大,向东向西逐渐变薄至尖灭,但向东至葛藤垭尖灭再现。厚度0～17.85 m。

④ 混合质含石墨黑云斜长片麻岩、混合质含石墨石榴黑云斜长片麻岩,间夹蛇纹石化白云石大理岩透镜体。厚度4～60 m。

⑤ 混合质石墨片岩、二云石墨片岩间夹混合质石墨黑云斜长片麻岩(Ⅲ矿层)。Ⅲ矿层主要分布于矿区中部,向东向西逐渐减薄至尖灭;但在矿区北东部葛藤垭一带尖灭再现,呈似层状、透镜状展布。厚度0～16.59 m。

⑥ 混合质石墨黑云斜长片麻岩。局部地段含矽线石、石榴子石。厚度20～60 m。

⑦ 混合质二云石墨片岩、含石墨黑云斜长片麻岩(Ⅳ矿层),Ⅳ矿层在矿区中部及北东部均有出露,呈似层状、透镜状展布。厚度0～4.0 m。

上部主要为混合质含石墨石榴二云片岩、混合质黑云斜长片麻岩、蛇纹石化白云石大理岩夹透闪—透辉岩、混合岩透镜体。厚度200～277 m。

上段 分布于矿区南部边缘,仅出露其底部。主要为二长均质混合岩、斜长均质混合岩,夹少量黑云斜长片麻岩。厚度不详。

2.2 岩石

矿区内分布的主要岩石类型有黑云斜长片麻岩、黑云片岩、白云石大理岩、透闪—透辉岩及构成矿石的云母石墨片岩、石墨二云片岩、石墨黑云斜长片麻岩等。

从地层、岩石及其分布特征可以看出,本矿区含石墨岩系的岩石为混合质黑云斜长片麻岩、混合质石墨黑云斜长片麻岩、黑云片岩、云母石墨片岩、石墨二云片岩、白云石大理岩和透闪—透辉岩等组合。根据岩石的矿物共生组合及各类岩石的原岩恢复,反映出本区含石墨岩系具有泥质粉砂岩—粉砂质泥岩—碳酸盐岩的浅海相韵律沉积旋回特征。

2.3 构造

矿区位于圈椅埫穹窿南东部,为单斜构造,地层总体走向北北东,倾向南南东,倾角45°～75°。断裂构造比较发育,编号F1-F9,其中F8分布于矿区中部,长65 m,产状70°∠50°,断面光滑成波状,属压扭性,切割矿层,致东盘北移、西盘南移,矿层位移4 m,对矿层连续性有一定破坏作用,其余断层对矿层无明显影响。

2.4 岩浆岩

区内岩浆岩为中、基性脉岩,主要岩石类型有辉长辉绿岩(βν)、辉绿岩(βμ),多沿早期断层和层间侵入,呈脉状顺层或斜交层理分布。斜切矿层和顺矿层贯入的脉岩对矿层起破坏作用:使矿层变薄、连续性变差、矿石破碎。

2.5 混合岩化作用

矿区位于圈椅埫钾长花岗岩体边缘,受花岗岩岩浆和伴生的碱质流体的渗透、注入和交代,使本区混合岩化作用较为普遍,其表现形式有两类:一类为混合质岩石,另一类为混合岩。混合质岩石中混合质成分所占岩石的比例为5%～25%,主要为石英、长石和石英、长石交生体,多以脉状、透镜状、条带状顺片理分布,代表性岩石为混合质黑云斜长片麻岩。混合岩主要由斜长石、石英组成,含少量黑云母、磷灰石、帘石、锆石等。岩石具花岗粒状变晶结构、交代港湾结构、变斑晶结构,块状构造。主要岩石类型有:斜长均质混合岩、二长均质混合岩。分布于矿区南、北边缘。

混合岩化对矿石类型、品位、石墨粒度有明显的控制作用,使矿石品位变贫,石墨片径常发生次生加大,并致使矿层在纵向、横向上矿石类型具不均一和不稳定性,给矿层对比带来困难。

3 矿体特征

东冲河矿区石墨矿的矿床成因类型为变质变成型矿床。区内产出Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三个工业矿层,Ⅱ矿层为主要工业矿层,可圈出3个矿体(Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3);Ⅲ、Ⅳ矿层为次要工业矿层,其中Ⅲ号矿层可圈出3个矿体(Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3),Ⅳ号矿层可圈出1个矿体(Ⅳ-1)[1]。

Ⅱ-1矿体 矿体呈透镜状产出,走向北东东,倾向南南东,倾角55°。矿体走向长度150 m,最大斜深98 m,赋存标高990～908 m,埋深0～82 m。矿体厚度2.00～9.75 m,平均厚度3.60 m,厚度变化系数85.51%;品位4.51%～10.66%,平均品位7.27%,品位变化系数36.68%。

Ⅱ-2矿体 矿体走向北东东,倾向南南东,倾角43°～62°,似层状产出。矿体走向长964 m,斜深78～206 m,赋存标高1 151～897 m,埋深0～158 m。矿体厚度2.00～15.80 m,平均厚度4.96 m,厚度变化系数73.64%;矿体品位3.00%～10.99%,平均品位5.70%,品位变化系数35.48%。矿层厚度总的变化趋势是倾向上由地表向中深部矿体厚度减薄。

Ⅱ-3矿体 矿体走向北东东—北东,倾向南南东—南东,倾角47°～55°,似层状产出。控制矿体走向长203 m,斜深176 m,赋存标高1 324～1 140 m,埋深0～172 m。矿体厚度2.00～10.23 m,平均厚度5.94 m,厚度变化系数60.23%;矿体品位3.00%～10.24%,平均品位6.15%,品位变化系数53.78%。矿体自西向东、由地表向深部,有厚度增大、品位变富的趋势。

Ⅲ-1矿体 矿体呈透镜状产出,为一盲矿体,走向北东东,倾向南南东,倾角69°。矿体走向长度55 m,斜深52 m,赋存标高964～915 m,埋深63～112 m。矿体厚度2.00～2.60 m,平均厚度2.30 m;品位3.16%～4.54%,平均品位3.76%。

Ⅲ-2矿体 矿体呈楔状产出,走向北东东,倾向南南东,倾角65°。矿体走向长度196 m,斜深75 m,赋存标高1 026～957 m,埋深0～69 m。矿体厚度1.99～15.39 m,平均厚度4.68 m,厚度变化系数114.47%;矿体厚度自TC27-1始,沿走向及倾向迅速变薄,直至尖灭。矿体品位3.84%～10.08%,平均品位8.53%,品位变化系数30.86%。

Ⅲ-3矿体 矿体呈似层状、透镜状产出,走向北北东—北东,倾向南南东—南东,倾角40°～60°,平均倾角50°。矿体走向控制长度506 m,斜深2～102 m,赋存标高1 324～1 140 m,埋深0～184 m。矿体厚度2.00～6.44 m,平均厚度3.25 m,厚度变化系数47.65%;矿体品位3.98%～11.73%,平均品位6.15%,品位变化系数40.79%。矿体沿倾向总体有由地表向深部厚度变薄、品位变低的趋势。

Ⅳ-1矿体 矿体呈似层状产出,走向北东东—北东,倾向南南东—南东,倾角47°～50°,矿体走向长度190 m,斜深31～80 m,赋存标高1 357～1 278 m,埋深0～65 m。矿体厚度3.68～5.17 m,平均厚度4.13 m;矿体品位3.00%～4.53%,平均品位3.78%。矿体自TC100向东西两侧及向深部厚度有变薄的趋势,矿体品位自西向东有变贫的趋势。

4 矿石特征

4.1 矿石自然类型

矿区石墨矿可分为三种自然类型:云母石墨片岩、石墨云母片岩、石墨黑云斜长片麻岩;矿石工业类型属晶质大鳞片状石墨。

云母石墨片岩 具花岗鳞片变晶结构或鳞片花岗变晶结构,片状构造、皱纹状构造。主要由石墨(15%～30%)、绢(白)云母(8%～28%),黑云母(6%～8%)、石英(40%～60%)、斜长石(1%～20%)组成,含少量榍石(0～0.1%)、电气石(0～0.1%)、锆石(0～0.1%)等,黄铜矿、黄铁矿、钛铁矿等偶见。石墨呈鳞片状,片径0.01～1.25 mm。石英呈他形粒状,长石呈他形粒状,局部绢云母化。石墨与黑云母、绢(白)云母紧密共生,与长石、石英相间分布,榍石、电气石零星产出,锆石顺片理分布。固定碳含量一般>6%,最高可达10%以上。

石墨云母片岩 具花岗鳞片变晶结构,片状构造。主要由黑云母(6%～10%)、石墨(5%～12%)、绢(白)云母(15%～25%),石英(50%～68%)和斜长石(1%～8%)组成,含少量锆石(0～0.1%)、电气石(0.5%～1%)、榍石(0～0.1%)、金红石(0～0.2%)、红柱石(0～15%)、十字石(0～2%)、石榴石(0～10%)等。石墨呈鳞片状,片径0.01～1.25 mm。石英呈他形,常具拉长现象。斜长石已蚀变为绢(白)云母,尚保留其假象。石墨与黑云母、绢(白)云母、斜长石、石英大致相间分布,金红石零星产出,红柱石、十字石、石榴石多沿片理分布。固定碳含量一般为5%左右。

石墨黑云斜长片麻岩 具鳞片花岗变晶结构,片麻状构造。主要由石墨(4%～15%)、石英(25%～47%)、斜长石(25%～47%)、黑云母(1%～20%)和绢云母(1%～15%)组成,含少量榍石(0～0.2%)、锆石(0～0.1%)、石榴石(0～2%)。黄铁矿、黄铜矿、钛铁矿、绿泥石偶见。石墨呈鳞片状,片径0.02～1.04 mm,与黑云母、绢云母共生,与他形粒状石英、绢云母化斜长石相间分布。石榴石、榍石、锆石顺片麻理分布。固定碳含量一般<6%。

上述三种自然类型矿石在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ矿层中均存在,各类型矿石常呈渐变过渡接触。

据石墨粒度分析,研究区石墨矿石的石墨片径为0.01～14 mm,一般为0.03～0.26 mm,其中片径>0.15 mm的占71.6%。矿石工业类型属晶质大鳞片状石墨。

4.2 矿石的矿物组成及结构构造

石墨矿石的矿物成分由石墨和脉石矿物两大类组成。石墨为鳞片状,片径0.01～14 mm,一般为0.03～0.26 mm,含量5%～30%。脉石矿物主要有石英、绢(白)云母、黑云母、斜长石。次要矿物有榍石、锆石、石榴石、电气石等。黄铁矿、黄铜矿、钛铁矿偶见。矿石的自然类型不同,其矿物成分及含量亦有差异。

矿石具花岗鳞片变晶结构、鳞片花岗变晶结构,片状构造、片麻状构造。

4.3 矿石化学成分

从12个组合样多项分析结果可以看出,本矿区石墨矿石化学成分比较稳定,Ⅱ、Ⅲ矿层中各类型矿石的主要化学成分接近,化学特征近似。有用组分固定碳(C)含量Ⅱ矿层为4.57%～12.43%,Ⅲ矿层为4.45%～11.85%。有害组分硫(S),地表含量低于深部,地表为0.01%～0.03%,深部为1.27%～1.89%;Fe2O3含量为5.59%～8.61%,地表和深部均较稳定。灰分(Ag)含量为83.27%～92.38%;挥发分(Vg)地表略高于深部,地表一般在3.77%～5.12%,而深部则为3.02%～3.81%;H2O+由于地表风化作用,明显高于深部,地表一般>4%,在4.10%～5.53%之间,而深部则为2.15%～2.88%。

5 矿石选矿工艺

矿区内Ⅱ、Ⅲ号工业矿层采集选矿试验样一件,由中南冶金地质研究所实验室进行实验室选矿试验研究。研究结果如下:

经对选矿试验综合样进行矿物工艺学研究分析,矿石主要化学成分是SiO255.01%,Al2O318.27%,Fe2O37.36%,固定碳(C)6%,K2O 4.15%,MgO 1.97%,还含有少量的CaO、Na2O、TiO2、MnO。主要组成矿物为石英、云母类(黑云母和白云母)、石墨、长石类、少量绿泥石和黄铁矿。

通过一系列粗选条件试验,确定该矿最佳粗选试验工艺条件:粗磨磨矿细度为-0.15 mm粒级含量71.96%,生石灰用量2 000 g/t,矿浆pH为8～9,煤油用量300 g/t,2#油用量75 g/t,粗选精矿固定碳含量达到29%左右,回收率可达约93%,+0.15 mm精矿回收率约为59%。

通过粗选条件试验、开路试验和中矿处理试验,确定该矿较适宜的选矿工艺流程为:一次粗选两次扫选,粗精矿四次再磨五次精选,中矿1和2合并后再磨再选,再选精矿即中矿6直接返回至粗选。中矿3返回至精选Ⅰ,中矿4返回至精选Ⅱ,中矿5返回至精选Ⅳ。尾矿1的固定碳含量0.57%,回收率为9.66%;尾矿2的固定碳含量1.09%,回收率为2.34%,直接进行抛尾。

该矿最终精矿产率为4.76%,固定碳含量为92.16%,回收率为88.00%。实验室选矿试验研究表明,兴山县东冲河石墨矿具有较好的可选性。对一次粗选,粗精矿四次再磨五次精选的工艺流程,可由原矿固定碳含量6%提高至92.16%的浮选精矿。

6 结语

[1] 刘圣德,廖宗明,汪力,等.湖北省兴山县东冲河矿区石墨矿详查地质报告[R].宜昌:湖北省地质局第七地质大队,2015.

[2] 何洪涛,陈长江,王桥,等.湖北省竹溪县麻湾矿区石墨矿预查报告[R].襄阳:湖北省地质局第八地质大队,2015.

(责任编辑：于继红)

Geological Characteristics and Mineral Processing Technology of the Graphite Minein Northern Core of Huangling Faulted Dome，Hubei Province

LIAO Zongming1， YAO Yan2， HU Zhangzhang3， HU Ming3,CHEN Changjiang3

(1.SeventhGeologicalTeamofHubeiGeologicalBureau，Yichang,Hubei443100; 2.HubeiInstituteofGeosciences，Wuhan,Hubei430034;3.EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau，Xiangyang,Hubei441057)

Dongchong River graphite mine area is situated in the Quanyitang southern limb of Huangling faulted dome，which is in the mid-Hubei fault folding region of Yangtze paraplatform. Graphite mine belongs to the metamorphic-transform type mineral deposit，existing in lower member of schist and marble formation complex and the middle of upper section with rich alumina of Shuiyuesi group which is the rock series containing graphite. There are three industrial seams Ⅱ,Ⅲ and Ⅳ，and sever industrial ore bodies. The types of ore are mica graphite schist，graphite mica schist and graphite biotite plagiogneiss. The main chemical compositions of ore are 55.01% of SiO2，18.27% of Al2O3，7.36% of TFe2O3，6% of C，4.15% of K2O，1.97% of MgO，and a small amount of CaO，Na2O，TiO2，MnO.The main mineral compositions are quartz，mica(black mica and muscovite)，graphite，feldspar and a little chlorite and pyrite. According to beneficiation tests for the ore，the mineral processing technology of graphite mine has been determined that one roughing，four regrinding and five cleaning，which provides a scientific geological basis for the development and utilization of the graphite mine.

Dongchong River； graphite mine； geological characteristics； mineral processing technology

2015-10-22;改回日期:2016-01-28

廖宗明(1971-),男,高级工程师,资源勘查专业,从事固体矿产勘查工作。E-mail:408711281@qq.com

P619.25+2; TD92

A

1671-1211(2016)05-0681-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.003

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160811.0814.004.html 数字出版日期:2016-08-11 08:14