湖北宜昌周家湾石墨矿床矿石选冶性能和开采技术条件分析

2023-07-31许同舟郭申祥

西部探矿工程 2023年7期

许同舟，郭申祥

（中国建筑材料工业地质勘查中心湖北总队，湖北武汉 430030）

石墨是碳的一种同素异形体，化学性质稳定，具有耐高温、抗腐蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润滑强度高、导热、导电性能好等特有的物理化学性能，广泛应用于众多工业门类，是当今高新技术发展必不可少的非金属材料(杨合群,2018)。随着黄羊山超大型石墨矿床的发现，我国石墨矿床勘查进入了新阶段，但是中南地区的石墨矿床缺乏系统研究(仇心礼,1993; 王书春和王翔,2021)。周家湾石墨矿床是新近发现的一处石墨矿床，对于其地质特征、矿床成因已有总结和研究(刘继平等,2022)。但是对于石墨矿石的选冶性能和矿床开采技术条件还缺乏总结分析，这限制了矿床下一步的开发利用。基于此，本文在简要介绍地质背景的基础上，对石墨矿石的选冶性能和邻区的三岔垭矿区进行了对比，之后分析了矿区水文、工程和环境地质条件，最终确定开采技术类型。

1 地质背景

1.1 区域地质

区域出露地层为上太古界—下元古界水月寺(岩)群的变质岩。为一套经历区域变质作用、局部动力变质作用、接触变质作用及普遍混合岩化作用的片麻岩、片岩、变粒岩、大理岩、钙硅酸岩等变质岩(仇心礼,1993;张杰等,2020)。

本区位于扬子准地台上扬子台坪鄂中褶断区黄陵断穹北部的圈椅埫穹隆东翼。区域断裂构造较发育，主要为北西向、北西西向及北东向断层，前者以铁路垭断层及东坪断层为代表，北西西向以樟村坪断层为代表，北东向以界岭河断层及大垭断层为代表。以上断层错综复杂，互相改造，为多期活动的产物。

黄陵断穹岩浆岩发育，以侵入岩为主，岩性复杂，从超基性到酸性以至偏碱性岩类均有发育。区内主要出露五台旋回第四期偏碱性岩建造的圈椅埫钾长花岗岩体，及五台旋回第二期基性岩建造的辉长辉绿岩体(边敏等,2020;郭威等,2020)。

黄陵断穹北部水月寺(岩)群富铝质片岩大理岩(岩)组是区内石墨工业矿体的主要赋存层位，已有数家矿山企业在此开采石墨矿，取得了良好的经济效益。

1.2 矿区地质

矿区内的含矿岩系为上太古界—下元古界水月寺(岩)群富铝质片岩大理岩(岩)组下段第二层(Ar3Pt1ŝb1-2)，分布于断层F1以南，岳家湾以西，呈似层状产出，矿区内分布的主要变质岩有石墨片岩、黑云斜长片麻岩、含石墨黑云斜长片麻岩、大理岩、云母片岩、含石榴石黑云斜长片麻岩、石英岩石墨片岩：为矿区构成石墨矿石的主要岩石类型，呈层状或透镜状产出于Ar3Pt1ŝb1-2。原岩为含碳的泥质岩或泥质砂岩。鳞片变晶结构，片状、眼球状构造。

主要矿物为石英(20%～40%)、云母(15%～35%)、石墨(10%～15%)、长石(少量)，次要矿物为黄铁矿、绿泥石、角闪石、白钨矿、褐铁矿等。石墨以鳞片状、星点状与石英、黑云母交织分布,主要在应力集中处呈聚集状产出，大片晶体沿长石和云母晶隙和裂隙分布，也有围绕长石斑晶分布，片径0.02～2.5mm。小片晶体多集中分布在白云母和绢云母集合体中，石英中偶有分布，片径0.01～0.5mm之间。

2 矿石加工技术性能

本矿床与邻近的三岔垭矿区石墨矿均是沉积变质形成的“片麻岩大理岩型晶质石墨矿床”，二者矿石类型、品位、结构构造、石墨片径及矿石中的有益有害组分基本一致(表1)。故矿石选矿加工技术性能可与三岔垭矿区石墨矿类比。

表1 三岔垭矿区与本矿区石墨矿物理化学特征对比表

湖北省宜昌市三岔垭矿区石墨矿，是已开采二十几年的老矿山。地表及深部的矿体均进行了工业试验。矿石类型石墨片岩及含石墨黑云斜长片麻岩，由原“建筑材料工业部地质总公司中心实验室”进行选矿试验和物性测试。试验目的是研究精矿固定碳含量是否能达到85%以上。试验方法采用浮游选矿法，试验设备为XFD5-63型实验室用自动刮泡单槽浮选机，闭路试验选择三次再磨九次精选的方案。试验表明，矿石松散易磨，解离较好，泡沫形成好，浮选速度快，石墨可浮性良好。现对矿体试验结果进行叙述。

2.1 地表“石墨片岩”矿石可选性试验

试验样品采自探槽，用剥层法采得。采样前清去浮土，并剥去风化污染面。原样总重146.6kg，最大块度48cm，入选样固定碳含量14.73%。

试验结果：精矿品位92.16%，回收率30.80%，尾矿品位0.94%。各级石墨片径精矿产率见表2。

表2 地表各级石墨片径精矿产率情况表

2.2 深部“石墨片岩”矿石可选性试验

试验样品采自钻孔，由矿体的基本分析样的副样组合而成。原样总重300kg，入选样固定碳含量10.32%。

试验结果：精矿品位90.16%，回收率95.16%，尾矿品位0.64%。

各级石墨片径精矿产率见表3。

表3 深部各级石墨片径精矿产率情况表

2.3 “含石墨黑云斜长片麻岩”矿石可选性试验

样品采自探槽，采样前清去浮土，并剥去风化污染面。原始块径小于50mm，试样重量651.55kg，入选样固定碳含量2.63%。

试验结果，该矿石质地松散易磨，因矿泥、绢云母、黑云母的影响，粗选精矿品位低，但在精选中，石墨浮选速度较快，精矿品位提高幅度较大，石墨可浮性良好。用两段再磨五次精选开路流程，其精矿品位91.77%，尾矿品位0.28%。估计闭路流程试验，最终精矿品位可达85%以上，回收率可达85%以上。根据试验结果，表明该试样代表的该类型矿石是可选的。

此外，三岔垭矿区石墨矿矿山开采企业建有年产石墨7kt 规模的选矿厂，其亦对矿体进行了选矿，根据实际生产资料，其选矿工艺为浮选，可得到品位88%石墨精矿，回收率为86%，尾矿品位为1.6%。

综上，通过矿山选矿生产所得的精矿品位与选矿试验所得的精矿品位进行对比，虽然前者精矿品位小于后者，但均大于80%，小于94%，根据《GB/3518-2008 鳞片石墨》，确定三岔垭矿区石墨为中炭石墨，品牌号为LZ，矿石选矿加工技术性能良好。

据此类比，周家湾矿区石墨矿矿石选矿加工技术性能良好。

3 开采技术条件

3.1 水文地质条件

区内分布的地层主要为含构造裂隙水和风化裂隙水。前者赋存于风化带以下，具承压性；后者则分布于风化带中，无承压性。岩体中构造裂隙承压水含水层（段）的厚度可达50～75m，承压水头高出地面1.2～1.30m，钻孔抽水试验的单位涌水量0.095～0.2046L/（s·m），渗透系数0.0377～0.2737m/d，富水性属弱—中等。

该岩体中的地下水受补给条件和裂隙连通性所限，其富水性仍是以弱级为主，局部属弱—中等级。矿区为区域水文地质单元中地下水的径流—排泄区。主要充水层为地下水侧向补给，在矿区沿溪流及黄良河进行排泄。

矿区的地下水类型主要是以基岩裂隙水为主的浅层潜水。矿区的地下水主要由大气降水、变质岩裂隙水、基岩风化裂隙水补给。按含水介质与水力性质大致可将矿区含水层分为四类，即第四系残坡积孔隙含水层、变质岩裂隙含水层、大理岩溶蚀裂隙含水层、基岩风化裂隙含水层，新鲜岩石可视为相对隔水层。F1断层对矿体无影响，属富水性一般，透水性一般。矿区地下水流量变化较大，流量峰值多集中在5、6、7 三个月，动态变化明显受降水制约。

矿区地下水赋存于基岩裂隙内，富水性弱。含、隔水层只是相对而言，富水性相差不大，加之节理裂隙彼此切割，互相联通，因此，构成了统一含水体。地下水无大的地表水体补给，主要补给来源是大气降水，黄良河是地下水的排泄场所。钻孔所见矿体的深度均在当地侵蚀基准面以上，加之地形陡，有利于自然排水。故该矿区的水文地质条件属简单类型。

3.2 工程地质条件

根据矿区岩石种类和其结构类型，可将其划分为四个工程地质岩组：坚硬的工程地质岩组、半坚硬的工程地质岩组、软弱的工程地质岩组和松散土体工程地质岩组。

按岩石饱和单轴极限抗压强度(R)将岩石强度分为：坚硬的R≥60MPa；半坚硬的60MPa≥R≥30MPa；软弱的R≤30MPa，从而得出，矿区大理岩属坚硬岩石，混合花岗岩、石墨片岩属半坚硬岩石。根据以往该地区的类似岩样测试结果知，黑云斜长片麻岩属半坚硬岩石，辉绿岩属坚硬岩石。

（1）矿山在以后的露天开采中，强风化带岩体极破碎，强度差，开挖形成边坡后，易产生坍塌变形。建议强风化带岩体未来露采场边坡的坡率（1∶0.75）～1.0（53°～45°），且台阶高度不宜超过8m。

（2）矿体及围岩一般较破碎，片理发育，含石墨及云母矿物具滑腻特性，坑道开拓过程中易出现顶板片状坍塌的工程地质问题。

（3）地下采空区易引发地面沉陷、变形开裂等问题。本矿区工业矿层与围岩由坚硬—半坚硬的变质岩类组成，稳定性较好，浅部岩石因风化破碎，质量较差。区内岩石质量总体为中等的，岩体中等完整。故该矿区工程地质条件属中等类型。

3.3 环境地质条件

区内地震活动较活跃，但以弱震为主，根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）,本区地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度值为Ⅵ，地震动反应谱特征周期为0.35s。综合地质构造特征、断裂及地震活动特征，本区在区域地质上属相对稳定地区。根据调查和走访当地村民知，工作区未发生过大的崩陷、滑坡、泥石流等地质灾害，未有矿山开采活动。矿区南部零星分布有一些村民居住，整体来说，矿区环境地质现状较好。

根据本矿区的环境地质条件，可能诱发、加剧的环境地质问题主要是水资源环境改变和矿坑水与废矿渣对矿山环境地质问题的影响。预测矿体深部开采引发的主要环境地质问题是因矿体顶、底板围岩稳定性差而引发的诸如地面和采空区的冒落塌陷及开裂变形等环境地质问题，另外，矿坑长期抽排地下水引起地下水位下降，造成含水层的破坏，从而对附近居民的生活用水造成一定的影响，因而，本矿区地质环境质量属中等类型。