镜铁山矿区某铜矿工艺矿物学研究

赵 熙 刘东泉 周立波 李文博

（东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819）

铜是人类最先利用的金属之一，最早的应用可追朔到六、七千年前，商周时期我国便可熟练铸造青铜器［1］。进入现代之后，铜由于其优良的延展性、导电性、导热性，应用领域更加广泛，需求量与日俱增，铜资源消耗量巨大［2］。美国地质调查局2017年的数据显示，全球铜储量约为7.9亿t，我国仅占3.4%，铜资源相对稀缺且分布不均，主要分布在江西、内蒙古、云南、西藏、甘肃等地区［3-6］。甘肃镜铁山铁铜矿床作为西部地区重要的铁铜矿床，赋存于蓟县系镜铁山群内，整个矿体呈向斜构造，空间结构上为“上铁下铜”模式，从其成矿年代、围岩特征、矿物成分等可推断其为同生海底喷流沉积的铁铜共生矿床［7-10］。镜铁山铁铜矿可分为桦树沟和黑沟2个矿区，分别采取地下开采和露天开采的作业方式，黑沟矿区位于桦树沟矿区东南侧，2个矿区距离2.3 km，开采运输条件优越，投资成本较少，具有广阔的开发前景［11-12］。

系统的工艺矿物学研究可以探明矿石中元素的赋存形式及矿物之间的共生关系，对于矿石的高效分选具有重大意义，工艺矿物学研究的检测手段主要包括化学分析、X射线衍射、筛分分析、显微镜检测等［13-15］。为充分了解镜铁山矿区某铜矿石性质，开展了化学组成、矿物组成、矿物粒度特征和主要矿物嵌布特征等方面的研究，为后续工艺流程的制定奠定了良好的基础。

1 矿石的化学组成及铜物相分析

1.1 矿石多元素分析

为确定矿石样品中各成分含量，采用XRF对其进行了化学多元素分析，结果见表1。

注：Au、Ag的含量单位为g/t。

由表1可知，矿石中Cu、Fe、Ba的含量分别为0.60%、19.22%及5.33%，其余伴生稀贵金属元素含量较少，不具有综合回收价值；主要脉石成分SiO2含量为46.57%，Al2O3、MgO、CaO含量较少；S、P含量分别为3.08%和0.018%，有害元素As含量为0.011%。

1.2 铜物相分析

为了进一步查明矿石中主要回收成分铜的赋存状态，对铜物相进行了化学物相分析，结果见表2。

由表2可知，矿石中铜主要以原生硫化铜的形式存在，分布率为79.73%，其次为次生硫化铜，分布率为16.61%，自由氧化铜和结合氧化铜含量较少。

2 矿石中矿物组成分析

为确定矿石中矿物组成情况，首先采用X射线衍射分析（XRD）检测方法对矿石的矿物组成进行了定性分析，结果见图1。

由图1可知，矿石中主要脉石矿物为石英和绢云母，有用矿物为黄铜矿、黄铁矿、重晶石、赤铁矿及磁铁矿。

进一步对矿石光片和薄片进行光学显微镜鉴定，结果见表3。

由表3可知，矿石中金属矿物主要有磁铁矿、黄铁矿、赤铁矿、黄铜矿及少量黝铜矿、斑铜矿和锐钛矿等，铜矿物以黄铜矿为主，为主要回收铜矿物；非金属矿物主要有石英、碳酸盐矿物（含菱铁矿）、重晶石、正长石和绢云母等。

3 主要矿物的工艺粒度

矿石中黄铜矿、磁铁矿和赤铁矿为主要回收矿物，对其进行工艺粒度测定，结果见表4。

由表4可知：①74.10%的黄铜矿工艺粒度大于0.075 mm，61.55%的黄铜矿工艺粒度大于0.15 mm，12.05%的黄铜矿工艺粒度小于0.037 mm，可见黄铜矿的粒度不均匀，中粗粒嵌布为主，呈两极分化的特征；②58.59%的磁铁矿工艺粒度大于0.075 mm，19.33%的磁铁矿工艺粒度小于0.037 mm，可见磁铁矿以中粒嵌布为主，细粒级磁铁矿含量较高；③赤铁矿未见有大于0.15 mm的颗粒，3.29%的赤铁矿工艺粒度大于0.075 mm，73.14%的赤铁矿工艺粒度小于0.037 mm，可见赤铁矿以微细粒嵌布为主，极难单体解离。考虑到选矿时主要分选矿物为黄铜矿，因此可以从工艺粒度分析结果推测出，当磨矿细度为-0.075 mm占85%左右时，黄铜矿可达到单体解离。

4 矿石的结构构造

矿石的结构构造对选矿工艺有重要的影响。一般来说，矿石的构造主要是指矿物及其集合体的空间分布特征，而结构则主要是指矿物及集合体自身的形态特征。

通过对矿石标本观察可知，该矿石主要呈浸染状、团块状和网脉状构造。赤铁矿和部分黄铜矿、黄铁矿、磁铁矿以粗细不等的颗粒浸染嵌布在脉石矿物中，且无定向排列，呈浸染状构造；黄铁矿、黄铜矿以硫化物集合体产出，磁铁矿以粒状集合体产出，构成致密金属矿物团块，其中金属矿物含量在80%以上，呈团块状构造；部分黄铜矿以一组或几组穿插在黄铁矿和脉石的裂隙中，且有的彼此相切，呈网脉状构造。

结构方面，主要表现为单矿物的自形—半自形—他形结构及多种矿物的交代结构、填隙结构和包含结构等。赤铁矿以自形针状、片状和薄板状产出，结晶外形较完好，形成自形结构；黄铁矿和磁铁矿则以半自形粒状产出，颗粒晶体不完整，仅保持部分晶面完好；黄铜矿等以他形晶颗粒分布在脉石中，不具任何完好晶面；矿石中部分黄铜矿沿黄铁矿的裂隙充填，形成填隙结构；部分黄铜矿沿黄铁矿的边缘和裂隙进行交代，使其晶边出现凹陷，呈港湾状，形成交代结构；亦有金属矿物之间或金属矿物与脉石矿物之间相互包裹，形成包含结构。

5 原矿中主要矿物的嵌布特征

5.1 黄铜矿

黄铜矿为矿石中主要铜矿物，以他形粒状产出，粒度不均匀，中粗粒黄铜矿含量较多。一部分黄铜矿充填在脉石矿物的粒间，在脉石中呈浸染状分布，粗粒黄铜矿常包含细粒脉石矿物（图2（a））；另一部分黄铜矿与黄铁矿密切共生，充填在黄铁矿粒间、裂隙和孔洞中，在黄铁矿中呈网脉状分布，有的黄铜矿包裹细粒黄铁矿，并且黄铜矿沿接触面交代黄铁矿，二者常形成团块状的硫化物集合体（图2（b））。

5.2 磁铁矿

磁铁矿多以自形、半自形粒状及粒状集合体产出，呈浸染状分布在脉石中，粒度细小，集合体颗粒较粗大，集合体颗粒中常包含细粒脉石矿物（图3（a）），部分磁铁矿发生氧化蚀变，被次生赤铁矿交代（图3（b））。

5.3 赤铁矿

矿石中大部分赤铁矿为原生赤铁矿，主要以自形针状、片状、枝状、鳞片状和粒状产出，少量赤铁矿以粒状、板状集合体产出，在脉石中多呈稠密浸染状分布，部分枝状赤铁矿呈定向排列（图4（a））。赤铁矿单晶颗粒粒度十分细小，较多属微粒级，集合体颗粒略粗大。矿石中局部赤铁矿粒间充填少量细粒黄铜矿，部分细微粒黄铜矿嵌布在粒状赤铁矿的孔洞中，并对赤铁矿有交代现象，亦有少量针状赤铁矿与黄铜矿颗粒相互穿插（图4（b））。

5.4 石英

石英多以自形—半自形粒状及粒状集合体产出，粒度细小均匀，且多与重晶石、碳酸盐矿物相互嵌布（图5（a）），部分石英与碳酸盐矿物一起呈脉状充填在矿石的裂隙中，少量细粒石英嵌布在重晶石集合体中，部分围岩中石英常嵌布在碳酸盐矿物和绢云母中（图5（b））。

5.5 碳酸盐矿物

碳酸盐矿物主要以粒状及粒状集合体产出，粒度不均匀，在矿石中广泛分布，碳酸盐矿物多与石英、重晶石相互嵌布，部分细小颗粒嵌布在石英和重晶石中（图6）；部分围岩中碳酸盐矿物与绢云母嵌布关系十分密切，二者相间嵌布，互有包裹（图5（b））。

5.6 重晶石

重晶石主要以粗大板状斑晶和细小的粒状集合体产出，粒度粗大，多与石英、碳酸盐矿物相互嵌布，集合体中常包含细粒石英和碳酸盐矿物（图6（b））。

5.7 绢云母

绢云母主要产于围岩中，以细小的鳞片状集合体产出，与碳酸盐矿物、石英相互嵌布（图5（b）），常见绢云母与碳酸盐矿物相间排列，集合体中常分布细粒石英（图7）。

6 结论

（1）该铜矿石中 Cu、Fe含量分别为 0.54%、19.22%，其余伴生稀贵金属含量较少，脉石成分主要为SiO2，有害元素As含量较少；主要有用矿物为黄铜矿、黄铁矿、重晶石、赤铁矿及磁铁矿，主要脉石矿物为石英和绢云母。

（2）主要金属矿物黄铜矿的粒度分布不均匀，以中粗粒嵌布为主，呈两极分化的特征；磁铁矿以中粒嵌布为主，在细粒级中分布率较高；赤铁矿以微细粒嵌布为主，极难单体解离。

（3）矿石中主要矿物嵌布特征复杂，黄铜矿部分充填在脉石矿物的粒间，且粗细粒间常相互包含；磁铁矿多浸染状分布在脉石中，部分发生氧化蚀变；赤铁矿在脉石中多呈稠密浸染状分布，局部赤铁矿与黄铜矿之间有交代穿插现象。非金属矿物石英、碳酸盐矿物和重晶石常以集合体形式相互嵌布，充填在矿石裂隙中，绢云母常以细小的鳞片状集合体产于部分围岩中，与石英、碳酸盐矿物等相间嵌布，互有包裹。

（4）黄铜矿与黄铁矿之间的嵌布关系十分密切，黄铜矿呈细小的网脉状充填在黄铁矿的裂隙中，还有少量细粒状黄铜矿充填在黄铁矿的孔洞中，导致黄铜矿与黄铁矿之间难以彼此解离，影响铜的回收。