高明權(quán)，趙少儒

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.西北有色地質(zhì)勘查局，陜西 西安 710054)

1 “濕型”紅土礦礦床特征及開采技術(shù)條件

所謂的紅土主要是指那些在熱帶氣候條件下,巖石強烈風(fēng)化作用形成的貧硅和富鐵氧化物的表土層,同樣的紅土也可在亞熱帶或溫帶地域中的某些地段找到。紅土鎳礦是風(fēng)化殘積礦石,母巖多為超基性巖體,具體巖石為含鎳鎂橄欖巖或含鎳純橄欖巖。原巖含鎳約0.2%～0.3%,經(jīng)自然氧化、雨淋等作用,易溶于水的鈣鎂離子被水搬運走,而鎳鈷氧化物沉積下來。一般來講,富鎂巖石的物理和化學(xué)風(fēng)化作用，可把鎳富集20～30倍,并且在局部地段形成紅土型鎳礦體。從全球范圍內(nèi)分布的紅土型鎳礦床來看,大約有85%的礦床與增生地體內(nèi)的純橄巖、方輝橄欖巖和橄欖巖有關(guān),其余15%的礦床則與穩(wěn)定克拉通內(nèi)科馬提巖和層狀鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)火成巖有關(guān)。

紅土鎳礦含鐵(主要褐鐵礦)較高,通常為18%～46%,所以礦石多為紅色或紅褐色,也有灰色或淺灰色。紅土鎳礦主要用途是提煉金屬鎳和金屬鈷。如果以鎳鐵形式提煉金屬鎳,同時可回收金屬鐵。紅土鎳礦中的鈷元素不具有放射性。

根據(jù)紅土的礦物組分和元素地球化學(xué)特征,我們可將紅土型鎳礦床劃分為以下3種類型:①含水硅酸鹽質(zhì)鎳礦床:出現(xiàn)在紅土剖面的下部層位,由含水鐵鎂-鎳硅酸鹽(如蛇紋石和硅鎂鎳礦)礦物組成;②黏土硅酸質(zhì)鎳礦床:出現(xiàn)在紅土剖面的上部層位,主要由蒙脫石和其他黏土類礦物組成;③氧化物質(zhì)鎳礦床:出現(xiàn)在紅土剖面的上部層位，或者直接位于蝕變或新鮮基巖之上,由含水鐵氧化物和氧化物組成。

一般來講,含水硅酸鹽質(zhì)紅土型鎳礦床大多數(shù)在構(gòu)造活動頻繁、熱帶氣候環(huán)境和排水系統(tǒng)相對發(fā)育的地域內(nèi)產(chǎn)出,并且以鎳含量高為特征,鎳的平均含量為0.8% ～2.5%。新喀里多尼亞、印度尼西亞、菲律賓、巴布亞新幾內(nèi)亞和加勒比海地區(qū)等國家或地區(qū)產(chǎn)出的紅土型鎳礦床均屬這種類型,此類礦床通常稱之為“濕型”紅土礦床。相比之下,在距赤道較遠(yuǎn)的南半球大陸(如西澳大利亞州、昆士蘭州和新南威爾士州)產(chǎn)出的紅土型鎳礦床，與前述礦床存在較明顯差別。受地形地貌特點,排水系統(tǒng)發(fā)育程度和半干旱到干旱氣候條件影響,澳大利亞各州產(chǎn)出的紅土型鎳礦床主要為粘土(蒙脫石)型和鐵氧化物-硅質(zhì)型(此類礦床又被稱之為“干型”礦床)。代表性粘土(蒙脫石)型礦床有莫林莫林(MurrinMurrin)和布隆(Bulong)；代表性氧化物-硅質(zhì)礦床有考斯(Cawse)。竹草(Canegrass)和瑞恩斯索普(Ravensthorpe)。

“濕型”紅土礦一般由6層組成,見圖1,分別為腐殖土、紅色褐鐵礦層、黃色褐鐵礦層、殘積層、含礫石的殘積層及基巖。腐殖土層是黑棕色到黑色含有腐殖質(zhì)的土壤,厚度為幾厘米到幾米。腐殖土層鎳、鈷的含量相對低于下部的褐鐵礦層,該層鎳鈷品位在邊界品位以下,是采礦中主要剝離對象。腐殖土層也是礦區(qū)復(fù)墾的重要表土層,所以剝離過程中需要集中堆存,并合理保護防止被雨水沖走。

圖1 某“濕型”紅土礦結(jié)構(gòu)剖面圖

褐鐵礦層又分為紅色褐鐵礦層和黃色褐鐵礦層。紅色褐鐵礦層為氧化運移的褐鐵礦層,厚度從1～10m不等,平均厚度小于3m，紅色褐鐵礦層也是采礦剝離的主要對象。黃色褐鐵礦層的顏色多樣,在微黃褐色、微紅褐色到桔黃赭色之間變化。礦層為多孔狀,有可塑性,巖石的殘余結(jié)構(gòu)比較少。該層是主要的鎳和鈷礦化層，平均厚度小于10m。黃色褐鐵礦層是主要開采對象。

殘積層是基巖經(jīng)過風(fēng)化變質(zhì)的產(chǎn)物,呈棕色。殘積層最顯著的特點，是仍然保留著原巖的原始結(jié)構(gòu)和礦物的晶體結(jié)構(gòu),厚度最深達(dá)到17m，平均厚度5m左右。殘積層包含有硅鎳礦。含水的鎳鎂硅酸鹽,該礦物相應(yīng)地增加了該層鎳的品位。殘積層很好地保留了殘留的斷層。含礫殘積層由純橄欖巖礫石和殘積層結(jié)構(gòu)相同的物質(zhì)組成。

基巖主要是純橄欖巖,偶爾可見斜方輝橄欖巖、輝巖和輝長巖。純橄欖巖輕微蛇紋石化帶有浸染狀鉻鐵礦粒和葉蛇紋石脈。一般基巖的頂面不規(guī)則,隨著深度的增加,殘積風(fēng)化的礫石分布比較有規(guī)律,高和低的呈束狀或串狀分布。高的地方沿斷層的主控制方向形成突起,這種被稱為“尖礁”，分布在不易風(fēng)化的地方,這種“尖礁”也被稱作牙石?！凹饨浮睂Σ傻V影響較大,需要先清除“尖礁”再采礦。

影響“濕型”紅土礦開采主要因素:

(1)地形坡度。有的礦床山體坡度較陡,如新喀里多尼亞紅土礦大部分山體坡度25～30°,坡度大,不利于工作面展開。

(2)含礫石率。由于“濕型”紅土鎳礦鎳主要賦存在細(xì)粒泥土或細(xì)粒(<3mm)巖石中,所以大塊礫石作為廢石應(yīng)盡可能留在采場。部分混在礦石中的礫石，需要運輸?shù)竭x場,選礦后再運回采場回填,增加10%～20%的運輸量。

(3)含水率?！皾裥汀奔t土礦一般含水率較大,一般在30%～60%。含水率高，需要增加運輸設(shè)備,需要增加運輸能力的30%～60% 。

(4)當(dāng)?shù)貧夂驐l件。“濕型”紅土礦多產(chǎn)在北緯15°至南緯15°之間,特別是赤道附近紅土礦規(guī)模大，品位高。如古巴毛阿紅土礦、菲律賓NONOCO紅土礦、多米尼加Falcondo紅土礦等世界大型紅土礦床。赤道附近的熱帶雨林氣候給紅土礦開采帶來困難,采礦設(shè)備選擇上應(yīng)注意氣候影響的設(shè)備降效。

2 “濕型”紅土礦開采特點

“濕型”紅土礦主要賦存在地表,多為土質(zhì)狀態(tài),所以選擇露天開采?！皾裥汀奔t土礦一般特點:礦床多成平面分布,面積大,厚度相對不大(10m左右)。礦石形態(tài)主要以土質(zhì)為主,一般不需要鑿巖、爆破,可以直接利用挖掘機鏟裝礦石。所以，“濕型”紅土礦露天開采與普通的露天開采概念不完全相同。“濕型”紅土礦開采一般包括4部分:地表植被清理;表土剝離;采礦;復(fù)墾。

目前，“濕型”紅土礦生產(chǎn)礦山多采用液壓挖掘機配鉸接卡車生產(chǎn)工藝,其中液壓挖掘機斗容在2～5.5m3之間,鉸接卡車載重在25～39t之間。由于鉸接卡車載重量有限(最大39t),長距離運輸成本高。當(dāng)運輸距離大于5km時,可以考慮二次倒運開拓方式。如古巴毛阿紅土礦,開采面積已經(jīng)達(dá)25km2,選礦車間距離礦石轉(zhuǎn)運站5km。轉(zhuǎn)運站至選礦車間布設(shè)一條寬1.2m皮帶,礦石經(jīng)皮帶運往選礦車間。

國外部分紅土鎳礦采場與冶煉廠或碼頭距離較遠(yuǎn),采用剛性卡車二次轉(zhuǎn)運方式。如菲律賓NONOCO紅土礦,采場內(nèi)用鉸接卡車運輸,運輸距離不大于1.5km,再由40～50t剛性卡車將礦石運往碼頭,運輸距離約6km。

紅土礦開采重要采礦特點是配礦,需要控制出礦成份。如果冶煉是濕法工藝,需要控制采出礦石的Mg、Al含量,一般合計不大于5%,由于Mg、Al為主要耗酸雜質(zhì),耗酸大。如果冶煉是火法工藝,產(chǎn)品是鎳鐵,需要控制原礦的硅鎂比(SiO2/MgO)。針對不同性質(zhì)紅土礦,分類開采-分類選礦-再混合的生產(chǎn)工藝，為目前世界上較先進的紅土礦采選工藝,即采礦將褐鐵礦單獨開采和運輸,選礦單獨選褐鐵礦;殘積礦單獨開采和運輸,單獨選殘積礦,而后再將選礦后的礦漿或粉礦按一定比例混合,形成質(zhì)量穩(wěn)定的滿足冶煉需求礦漿或礦石。主要有以下幾方面原因:

(1)不同類型礦石,自然成分差別較大,選礦處理難易不同。如褐鐵礦含石率低,干式(火法工藝要求)篩分比較容易；殘積礦含石率高,干式篩分比較困難,因為礫石表面高品位礦石容易被廢石帶走。但洗礦(濕法工藝要求)流程難易相反,褐鐵礦含石率低,沒有粗粒磨擦介質(zhì),往往洗礦困難；殘積礦含石率高,互相沖擊磨擦,容易將立石表面附著高品位礦石洗下來,選礦效果好。

(2)無論濕法或火法冶煉工藝,工藝流程都比較復(fù)雜,而且冶煉成本較高,冶煉成本占采礦-選礦-冶煉整個生產(chǎn)過程總成本的65%～78%。所以,采礦。選礦為冶煉提供質(zhì)量穩(wěn)定的合格礦石，對控制生產(chǎn)成本至關(guān)重要。

在濕法工藝中,主要影響酸耗的并不是礦石鎳含量,而是礦石中的雜質(zhì)Mg、Al元素的氧化物含量。而不同礦石中Mg、Al元素的含量差別較大,如褐鐵礦中Mg的含量在0.5%～1.5%,Al的含量在1%～2%;殘積礦中Mg的含量在5%～28%,Al的含量在1%以下。所以,采場出礦兩種礦石的不同比率,混合選礦后的Mg、Al元素品位變化很大,給冶煉加酸控制酸耗平衡帶來困難,對冶煉成本影響較大。所以,需要根據(jù)礦石不同類型分別開采,分別洗礦,再將兩種不同類型礦漿按比例混合,能得到Mg、Al元素品位穩(wěn)定的礦漿。

火法冶煉需要控制硅鎂比(SiO2/MgO),要保持硅鎂比的穩(wěn)定。如前所述,不同類型礦石,硅鎂含量及硅鎂比差別較大,如褐鐵礦硅鎂比為1.2～1.8,殘積礦硅鎂比為1.5～2.5。為保證冶煉工藝的穩(wěn)定,采礦、選礦應(yīng)盡可能保證硅鎂比的穩(wěn)定。

另外,為了保證整個項目工藝的連續(xù)性,紅土礦項目需要改變傳統(tǒng)設(shè)計模式。傳統(tǒng)設(shè)計模式是：首先確定礦山開采規(guī)模,選礦根據(jù)采礦規(guī)模選配流程,冶煉根據(jù)選礦提供穩(wěn)定的精礦量配備冶煉工藝。紅土礦項目需要反推來確定采選工藝及規(guī)模,即首先冶煉確定需要的礦漿或粉礦規(guī)模,選礦根據(jù)冶煉需求計算選礦規(guī)模,設(shè)計選礦工藝流程,并向采礦提出所需礦石量和供礦方式,采礦根據(jù)選礦要求確定礦山規(guī)模和開采方式。這一點對理解紅土礦開采特點至關(guān)重要。

3 “濕型”紅土礦開采注意事項

3.1 礦區(qū)防塵

“濕型”紅土礦多產(chǎn)于熱帶地區(qū),熱帶氣候特點分兩季,雨季和旱季。旱季炎熱少雨,紅土礦自然脫水干燥后，容易被風(fēng)吹起形成粉塵污染。粉塵污染問題都存在,只是輕重而已。解決辦法只有加強灑水,但是大面積暴露的采場不容易全面灑水,所以對粉塵污染問題應(yīng)當(dāng)重視。采空區(qū)復(fù)墾是采礦環(huán)節(jié)的重要部分。

3.2 采場防排水

礦區(qū)防排水問題是紅土礦開采一大難題,這是因為紅土礦開采面積大、匯水面積廣、地形變化大等因素，給礦區(qū)統(tǒng)一設(shè)計防排水系統(tǒng)帶來困難，需要系統(tǒng)考慮礦區(qū)防排水系統(tǒng)。

3.3 采空區(qū)復(fù)墾

采空區(qū)需要及時復(fù)墾,復(fù)墾包括工程復(fù)墾和生物復(fù)墾兩部分。工程復(fù)墾周期流程見圖2。

圖2 工程復(fù)墾周期流程圖

(1)工程復(fù)墾基本原則

①組成采礦-復(fù)墾聯(lián)合工藝系統(tǒng),實現(xiàn)邊采礦邊復(fù)墾,達(dá)到采礦生產(chǎn)用地周期和復(fù)墾周期最短,復(fù)墾成本最低和復(fù)墾效果最好。②選擇適宜于礦區(qū)特點、工藝簡單、投資省、成本低的復(fù)墾工藝。

③合理使用表層剝離土，對于牙石底板的采空區(qū)，先進行牙石處理，平整后再覆蓋剝離土，厚度不小于0.3m，再覆蓋腐殖土。④復(fù)墾后的地形地貌與周圍的自然環(huán)境協(xié)調(diào)，復(fù)墾和環(huán)境保護同時進行。⑤保護當(dāng)?shù)刈匀凰?。⑥堅持?jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益相統(tǒng)一的原則。

(2) 生物復(fù)墾基本原則

①迅速改變新耕層的養(yǎng)分狀況和土壤結(jié)構(gòu),增加蓄水、保水、保肥能力,增加微生物量,降低土壤酸性和緊實度。②視其不同的自然條件,首先建立草-灌群落,盡早形成植被垂直郁閉,實現(xiàn)復(fù)墾區(qū)與周圍自然景觀相和諧的生態(tài)環(huán)境。③先鋒植被品種篩選。由于腐殖土相對較少，礦山新復(fù)墾地土質(zhì)差、土層薄、微生物活性差。然而，又必須在當(dāng)年內(nèi)迅速形成植被覆蓋,克服這種困難的重要措施之一,就是要細(xì)致謹(jǐn)慎地選擇抗逆能力強、速生性能好的先鋒植被品種。

4 結(jié)語

“濕型”紅土礦床無論礦石性質(zhì)還是礦床特征都與一般巖狀礦床不同,開采工藝和設(shè)備選擇與普通礦山區(qū)別較大。特別是后續(xù)選礦。冶煉工藝對采礦提出的礦石質(zhì)量要求比較嚴(yán)格,需要采礦根據(jù)具體要求組織生產(chǎn),提供合格的礦石。“濕型”紅土礦床一般開采環(huán)境較差,而冶煉工藝往往要求采礦不間斷連續(xù)供礦,為了保證連續(xù)供礦,應(yīng)該選擇全天候鏟裝、運輸設(shè)備?？傊?采礦應(yīng)以冶煉要求為中心組織生產(chǎn)。

[1] 王瑞江，等. 紅土型鎳礦床找礦勘查與開發(fā)利用新進展[J].地質(zhì)論評,2008,54(2).

[2] 張文敏，馬彥卿．礦山土地復(fù)墾技術(shù)與工程效果[J]．有色金屬(礦山部分),1996(5)．