赞比亚罗恩延长部铜矿床氧化铜矿石工艺矿物学研究

夏 瑜，罗 星，马荣锴，劳昌玲，李 勇，袁江涛，牛聪聪，周奇明

(1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林 541006)

赞比亚位于非洲中南部，铜矿资源储量丰富，是我国矿产资源开发“走出去”的重要投资区域。从地质构造的角度来说，赞比亚境内主要由卢弗里安弧、伊鲁米德带和莫桑比克带等3个构造带组成[1]；铜矿床按照成因可分为沉积型(砂页岩型)、变质改造型和热液型铜矿床，沉积型(砂页岩型)铜矿床的铜资源量占赞比亚总铜资源量的近80%，是赞比亚最重要的铜矿床类型[1-2]。罗恩延长部铜矿床是卢弗里安弧南东端卢安夏成矿带中的重要砂页岩型铜矿床[3]，中国有色矿业集团有限公司已获得该矿床的勘查权与开发权[4]。该矿床自发现至今已有一百多年的历史，TCu平均品位1.84%,累计采出矿石量高达2.59亿t[3]。由于开发历史悠久，罗恩延长部铜矿床当前面临着采空区残留矿体和勘查空白区资源量待核查以及部分矿体矿石质量待研究等问题，矿山仅有部分区域有少量氧化铜矿石可供开采[4]，不能满足企业发展需要。

为核实矿区内铜资源量储量，找到高品质可利用的铜资源以增加矿山服务年限，中国有色矿业集团有限公司子公司中色卢安夏铜业有限公司对罗恩延长部铜矿床的勘查空白区进行了地质找矿工作，并在矿床北翼获得了资源量可达中型规模的氧化铜资源潜力接替区[4]。本文以该区氧化铜矿石为研究对象，利用化学分析、光学显微鉴定、物相分析、筛析试验和扫描电镜能谱分析等多种方法手段，查明了矿石中铜的赋存状态，并对影响铜矿石选冶回收的关键因素进行了分析，为加快矿山建设及后续优化矿石选冶工艺流程提供了可靠资料。

1 矿床地质背景

罗恩延长部铜矿床在大地构造位置上属于非洲中部新元古代构造带、卢弗里安弧的南东端，出露地层由中期和早期前寒武纪的基底和晚期前寒武纪的加丹加盖层组成，由上到下分别为上罗恩亚群的白云岩和泥质白云岩，下罗恩亚群的泥质岩、砂岩、砾岩、白云岩、白云质片岩、泥质板岩和石英岩等，基底为石英岩、云母片岩和片麻岩；下罗恩亚群RL6的泥质岩、白云质片岩为本区主要赋矿层位；区内构造以向斜为主，轴向整体呈NWW向；岩浆岩以卢弗里安造山运动早期的辉长岩体为主，见浸染状黄铜矿化[3,5]。罗恩延长部铜矿体可分为东矿体和西矿体，整体上呈西厚东薄；矿体以层状和似层状产于复式向斜之中，走向呈NWW-SEE、倾向呈NNE，沿走向延长大于1 200 m，整体连续较好、延伸较稳定；矿体形态和分布均受地层和褶皱控制[4]。矿床中铜矿石类型可分为氧化铜矿石、混合铜矿石和硫化铜矿石，矿物组成复杂。氧化铜矿石中铜矿物可见孔雀石、假孔雀石和赤铜矿等，硫化铜中铜矿物以黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿和铜蓝等为主，混合矿石中可见上述各类铜矿物；除此之外，矿石中还见褐铁矿、赤铁矿和黄铁矿等铁的独立矿物。非金属矿物的种类和含量受岩性影响，常见矿物有石英、黑云母、钾长石、斜长石、白云母、绿泥石、高岭石和方解石等。矿石矿物可见他形晶粒结构和自形-半自形晶粒结构；矿石构造类型可见土状-半土状构造、块状构造、浸染状构造、条带状构造和脉状构造[6]。

2 样品采集与分析测试手段

根据试验要求，本文分别采集了综合分析样和岩矿分析样，样品性质为探矿钻孔岩芯样，规格为岩芯1/2～1/4劈样。综合分析样是可代表整个矿山矿石质量的样品，由地质小样经混合、破碎和磨矿之后组合而成，共采集地质小样20份，每样重1.5 kg、总重30 kg；综合分析样可进一步缩分和细磨以用于化学分析、物相分析和筛析试验。岩矿鉴定样主要用于矿石中矿物特征分析，共采集30份岩矿样，分别制成薄片、光片和探针片，用于光学显微鉴定和扫描电镜能谱分析。

矿石化学多元素定量分析根据元素含量、分析检测的极限值和相关标准和行规完成检测工作[7-11]；光片、薄片分别采用莱兹偏光显微镜(仪器型号ORTHOLLX-II POLBK)的反射光和透射光进行观察，目镜×物镜放大倍率为10倍×(4～100)倍，观测电压为3～10 V；图像处理系统为ArtCam Measure2.0，以单颗粒最大截距为粒径统计参数，鉴定过程及结果符合相关规范[12-13]。扫描电镜能谱分析样品为探针片，表面真空喷碳处理，试验仪器型号为∑IGMA型场发射扫描电镜，仪器使用条件为：放大倍率25×～800 000倍，化学元素分析范围4Be-99Es，元素含量检出下限为0.1×ωB/10-2。铜的物相分析方法和步骤参考《岩石矿物分析》第四版第三分册对应的“铜物相分析”章节[14]，利用安捷伦电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES725)测试元素浓度。筛析试验条件为湿筛，样品磨矿粒度根据矿山实际要求，以-0.074 mm占±75%备样，试验过程分别过孔径为0.074 mm和0.037 4 mm的网筛，各粒级样品化学多元素定量分析条件与综合大样的多元素定量分析条件一致。

3 铜的赋存状态分析

3.1 矿石中Cu的物相分析

矿石Cu主要以自由氧化铜相和结合氧化铜相组成，两者占比分别为70.89%和18.61%，物相分析结果显示本文矿物为氧化铜矿石(表1)。

表1 矿石中Cu物相分析结果Table 1 Phase analysis results of copper in ore

3.2 湿筛析试验

磨矿粒度为-0.074 mm占±75%的湿筛析试验结果显示(表2)，矿石在-0.037 4 mm粒级产率高达57.0%，而全铜(TCu)和酸溶铜(AsCu)品位在+0.074 mm粒级品位最高，且随着粒度降低TCu、AsCu品位也逐渐降低，表明矿石中氧化铜矿物的可磨性低于脉石矿物。若在磨矿过程中，只注重氧化铜矿物的解离度则容易忽视脉石矿物粒度而产生过磨问题。在实际试验中需注意脉石矿物的物化性质，尽量提高氧化铜矿物解离度的同时应避免脉石矿物过磨泥化而影响浸出效果。

表2 矿石中Cu嵌布粒度分布特征Table 2 Particle size characteristics of Cu in ore

3.3 矿石物质组成分析

矿石主要化学组分SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O和Mg含量分别为55.50%、14.90%、6.00%、5.35%和3.40%；目标元素Cu含量2.53%，其中，AsCu含量为2.00%，Co含量仅为0.008 7%(表3)。按照铜矿石工业划分，研究区样品属于氧化铜矿石矿石，TCu含量高于罗恩延长部铜矿床铜的平均含量[3]。

表3 矿石多元素化学分析结果Table 3 Chemical elements analysis of ore 单位：%

矿石中金属矿物分为铜矿物和铁矿物两大类。铜矿物可进一步分为氧化铜矿物和硫化铜矿物：氧化铜矿物以孔雀石、假孔雀石和水胆矾为主，前两种矿物含量占矿石中金属矿物总量的38.83%、占铜矿物总量的70.59%(表4)；硫化铜矿物可见辉铜矿、铜蓝和黄铜矿；铁的独立矿物可见褐铁矿、赤铁矿和黄铁矿。非金属矿物以石英、黑云母和钾长石为主，三者含量约占矿石总量的71.62%(表4)；除此之外，矿石中还含有少量斜长石、白云母、方解石、绿泥石和高岭石，亦见微量锆石、金红石、磷灰石、磷铈镧矿和磷钇矿。矿石中矿物主要为他形晶粒结构，矿石矿物之间的接触关系复杂，常见包含结构、放射状结构、共生结构、环带结构、交代残余结构和填隙结构等；矿石构造类型以块状构造、浸染状构造、脉状构造和条带状构造为主。

表4 矿石中主要矿物含量百分比Table 4 Percentage of main minerals in the ore

3.4 矿石中Cu赋存状态分析

矿石中含铜矿物可分为铜的独立矿物和含铜脉石矿物两类。独立矿物包括孔雀石、假孔雀石、水胆矾、辉铜矿、铜蓝和黄铜矿等；含铜脉石矿物主要为黑云母、褐铁矿、石英和磷铈镧矿。

3.4.1 铜的独立矿物

1) 孔雀石：为该矿床中最重要的矿物之一，占铜矿物的41.76%；显微隐晶质结构或细粒结构，粒径为0.01～0.50 mm；嵌布特征复杂，集合体呈不规则粒状、针状或纤维状；颗粒内部常包裹辉铜矿、黄铜矿、锆石和白云母等矿物，可沿解理缝交代黑云母，局部见褐铁矿等沿颗粒边缘封闭式包裹(图1和图2)；矿石中呈脉状单独产出或浸染状和条带状产出。 能谱分析结果显示：Cu占比为57.94%～64.31%，平均值为61.56%；有少量Si、S、Fe和Co混入。

Mi-孔雀石；Q-石英图1 条带状孔雀石Fig.1 Malachite produced in strips

Mi-孔雀石；Lm-褐铁矿；Q-石英；Kfs-钾长石；Bt-黑云母图2 孔雀石与褐铁矿环带状共生Fig.2 Ring symbiosis coexistence of malachite and limonite

2) 假孔雀石：本区重要的工业矿物之一，占铜矿物28.82%；细粒结构，粒径为0.03～0.50 mm；集合体多为多为不规则粒状，与孔雀石密切共生，局部被褐铁矿和赤铁矿等金属矿物沿颗粒外围呈封闭式圈层包裹(图3)；矿石中以脉状、团粒状和浸染状产出。能谱分析结果显示：Cu占比为46.96%～61.56%，平均值为51.56%；P占比为10.55%～13.53%，平均值为11.48%；可混入Al、Si、Ca、Fe、La、Ce和Nd。

3) 水胆矾：光学显微镜透射光下为淡蓝绿色～灰绿色，颜色不均匀分布，二轴晶负光性；反射光下为灰绿带蓝色调。晶体呈短柱状、板状和他形粒状，粒径为0.01～0.15 mm。可交代辉铜矿等矿物，可被褐铁矿等包裹；主要沿脉石矿物粒间呈脉状或不规则粒状产出(图4)。能谱分析结果显示：Cu占比为54.34%～54.57%，平均值为55.45%；S占比为7.41%～7.95%，平均值为7.68%；有少量Al和Si混入。

Pd-假孔雀石；Lm-褐铁矿；Q-石英；Ms-白云母图3 假孔雀石被褐铁矿包裹Fig.3 Pseudomalachite is enclosed in limonite

Br-水胆矾；Lm-褐铁矿；Kfs-钾长石；Bt-黑云母图4 水胆矾呈稠密浸染状产出Fig.4 Dense disseminated brochantite

4) 黄铜矿：他形粒状结构，粒径为0.01～0.05 mm。 与辉铜矿、蓝灰铜矿和黄铁矿密切共生，也可被包裹于孔雀石和假孔雀石之中(图5和图6)。能谱分析结果显示：S占比为32.15%～34.10%，平均值为32.87%；Fe占比为25.61%～27.01%，平均值为26.29%；Cu占比为39.81%～42.25%，平均值为40.84%。

Ccp-黄铜矿；Cv-辉铜矿图5 黄铜矿与铜蓝共生Fig.5 Coexistence of chalcopyrite and covellite

Ccp-黄铜矿；Cha-辉铜矿；N-脉石矿物图6 辉铜矿与黄铜矿共生Fig.6 Coexistence of chalcocite and chalcopyrite

5) 铜蓝：板片状，集合体为不规则粒状，粒径在0.01～0.05 mm之间；与辉铜矿、黄铜矿密切共生(图5)，也可被包裹于脉石矿物和孔雀石之中。能谱分析结果显示：Cu占比为65.74%～67.12%，S占比为32.17%～32.88%。

6) 辉铜矿：矿床中主要的硫化铜矿物，占铜矿物的6.18%；多为他形细粒结构，粒度为0.01～0.5 mm；与黄铜矿关系密切(图6)；矿石中呈稀疏浸染状产出。 能谱分析结果显示：S占比为19.02%～21.24%，平均值为20.11%；Cu占比为78.76%～80.98%，平均值为79.89%。

3.4.2 含Cu矿物

1) 黑云母：半自形片状结构，集合体多呈长轴状定向分布，粒径为0.01～0.10 mm，最大可达0.50 mm；孔雀石、假孔雀石等常沿其解理缝或颗粒边缘交代(图7)；能谱分析结果显示黑云母中Cu占比为1.27%～7.04%，平均值为3.27%(表4)。

2) 褐铁矿：显微隐晶质～他形粒状结构，集合体以不规则粒状产出，粒径为0.03～0.30 mm，最大可达1.0 mm。褐铁矿可呈封闭圈层状包裹孔雀石，矿石中为稀疏浸染状或脉状产出(图8)。Cu在褐铁矿中不均匀分布，表现为同一颗粒不同部位含量存在明显差异，能谱分析结果显示褐铁矿中Cu占比为4.95%～16.43%，平均值为10.57%(表4)。

Mi-孔雀石；Bt-黑云母；Kfs-钾长石；Q-石英图7 孔雀石不完全交代黑云母Fig.7 Malachite incomplete metasomatized with biotite

Lm-褐铁矿；Bt-黑云母；Q-石英；Mi-孔雀石图8 褐铁矿呈不规则脉状产出Fig.8 Limonite shows irregular veins

3) 石英：岩石中主要脉石矿物之一，矿石中以他形微粒分散分布或次生脉产出，颗粒粒径为0.01～0.50 mm。脉状石英与铜矿化关系密切，可与辉铜矿、孔雀石等矿物呈共生脉或条带产出(图9)。本次X射线能谱分析仅见一粒含Cu石英，Cu占比为3.32%(表5)。

4) 白云母：以自形～半自形片状为主，可被孔雀石、假孔雀石包裹或交代(图10)；能谱分析结果显示白云母中Cu占比为0.03%～2.12%(表5)。

5) 磷铈镧矿：板状或粒状产出，粒径为0.01～0.02 mm，与假孔雀石密切共生，可沿假孔雀石和孔雀石边缘交代(图11和12)；矿石中主要裂隙呈不规则粒状充填交代。磷铈镧矿中Cu含量变化很大，能谱分析结果显示磷铈镧矿中Cu占比为0.57%～17.60%，平均值为4.76%(表5)。

Pd-假孔雀石；Ms-白云母；Bt-黑云母；Q-石英图9 石英包裹于假孔雀石之中Fig.9 Quartz is enclosed in pseudomalachite

Ms-白云母；Mi-孔雀石图10 白云母包裹于孔雀石之中Fig.10 Muscovite is wrapped in malachite

表5 主要脉石矿物中Cu含量X射线能谱分析结果Table 5 X-ray energy spectrum analysis results ofCu content in main gangue minerals

3.5 影响矿石中Cu回收利用的工艺矿物学因素分析

1) 矿石矿物嵌布关系较为复杂，孔雀石和假孔雀石常被褐铁矿或赤铁矿以环边状包围，甚至生成同心圆状封闭圈层，不易单体解理；且本文对未进行工艺矿物学研究的矿石尾渣进行了研究，结果显示尾渣中仍可见与石英和褐铁矿等连生的硅孔雀石和假孔雀石(图13)，表明氧化铜矿物复杂的嵌布特征实际对酸浸效果产生了阻碍。

Ps-磷铈镧矿；Pd-假孔雀石；Mi-孔雀石图11 自形板状磷铈镧矿Fig.11 Euhedral plate-shaped phosphocerite

Ps-磷铈镧矿；Pd-假孔雀石；Mi-孔雀石图12 磷铈镧矿沿裂隙充填Fig.12 Phosphocerite filling along fractures

Pd-假孔雀石；Q-石英；Bt-黑云母；Lm-褐铁矿图13 尾渣中石英包裹于假孔雀石之中Fig.13 Quartz is wrapped in pseudomalachitein the tailings

2) 脉石矿物中有较多黑云母、方解石、绿泥石和高岭石等易碎或黏性较大的矿物，在磨矿过程中易过磨泥化，进而堵塞或阻碍氧化铜矿物与酸反应而影响浸出效果。另一方面，黑云母、褐铁矿中Cu检测率和占比较高，如褐铁矿中X射线能谱分析检测所得Cu占比均大于4%，黑云母、褐铁矿中Cu以分散状态产出，在浸出过程中难以回收利用，必然对矿石铜的回收率产生不利影响。

3) 由于矿石中硫化铜矿物含量很低，在综合考虑矿山经济效益的基础上，建议矿石浸出后，硫化铜直接进入尾渣，暂不回收。

4 结 论

1) 罗恩延长部铜矿床氧化铜资源潜力接替区的矿石回收目标元素为Cu，TCu含量为2.53%，AsCu含量为2.00%；Cu主要呈自由氧化铜相产出，该相占总铜的70.89%。矿石回收的目标矿物主要为孔雀石和假孔雀石。

2) 矿石以浸染状构造和条带状构造为主。光学显微镜下观察，铜矿物嵌布特征复杂，以他形晶体结构为主，还可见包含结构、放射状结构、共生结构、交代残余结构和填隙结构。

3) 孔雀石和假孔雀石的嵌布粒度范围为0.01～0.50 mm；两者嵌布特征复杂，常被褐铁矿和赤铁矿以环边状包围，甚至生成同心圆状封闭圈层，不易单体解理。

4) 矿石中还可见辉铜矿、铜蓝和黄铜矿等硫化铜矿物，考虑其整体含量较低，建议不对硫化铜矿物浮选回收。

5) 黑云母、褐铁矿、白云母、石英和磷铈钇矿等矿物中含有不均匀分布的Cu，在氧化铜矿石搅拌浸出的过程中，上述矿物中的Cu难以回收利用，必然会影响矿石中Cu的回收率。

6) 脉石矿物中黑云母、方解石、绿泥石和高岭石等矿物具有易碎性或黏性较大，当磨矿细度为-0.074 mm占±75%时，矿石在-0.037 4 mm粒级产率已高达57%。因此，建议矿山注意控制磨矿条件，考虑降低细粒级产率，以避免出现泥化现象而增加浸出难度。

综上所述，罗恩延长部铜矿床资源潜力区的氧化铜矿石质量较好，适用于赞比亚当前针对氧化铜矿石回收的搅拌浸出工艺，该区铜矿资源可作为矿山的潜力开发资源。