工藝礦物學在地質(zhì)冶金學中的應用及問題

王玲，趙戰(zhàn)鋒

（1.北京科技大學，北京 100083；2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

地質(zhì)冶金學是一門服務于礦山開發(fā)的綜合性學科，其內(nèi)容涉及地質(zhì)、地質(zhì)統(tǒng)計學、工藝礦物學、采礦、選礦、冶金、技術(shù)經(jīng)濟、環(huán)境等多門學科，目的是通過建立地質(zhì)冶金學模型對地質(zhì)、采礦、選礦和冶金等信息進行空間分類，實現(xiàn)空間上礦體分采分選（冶）和廢石尾礦的有效處理，時間上實現(xiàn)礦山生產(chǎn)的合理規(guī)劃，從而取得較佳的經(jīng)濟和社會效益。地質(zhì)冶金學模型可以相對準確地預測生產(chǎn)流程，增強地質(zhì)資源利用率，并提高能源、藥劑和水等生產(chǎn)材料的效率，其動態(tài)特征對于市場波動和新技術(shù)的的引進具有較快的反映能力[1-6]。

工藝礦物學是應用礦物學的分支，同時也是介于地質(zhì)學與選礦、冶金學的邊緣科學，是一門以研究天然礦石原料和礦石加工工藝過程產(chǎn)品的化學組成、礦物組成和礦物性狀為目的的傳統(tǒng)學科，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，礦物自動分析儀器（例如MLA等）等新手段的應用也為這門傳統(tǒng)學科注入了新的活力。工藝礦物學研究成果中礦物組成及含量、粒度、單體解離度、相互共生關(guān)系及元素賦存狀態(tài)等對于地質(zhì)冶金學建模中空間域的劃分、采礦方法的選擇、選礦（冶）工藝的制定、回收率的預測、廢石堆存方式和尾礦庫的建設(shè)方案等礦山整體生產(chǎn)環(huán)節(jié)均具有重要的指導意義。憑借樣品采集簡單、研究結(jié)果直觀可靠、信息量大、成本費用低廉和自動分析技術(shù)日趨成熟等優(yōu)勢特征，工藝礦物學已經(jīng)較多應用于地質(zhì)冶金學建模中。本文是在介紹地質(zhì)冶金學建模過程的基礎(chǔ)上，歸納工藝礦物學研究參數(shù)，討論地質(zhì)冶金學建模中工藝礦物學研究的取樣和參數(shù)模擬方法，旨在為地質(zhì)冶金學建模中工藝礦物學的應用提供參考。

1 地質(zhì)冶金學建模的研究現(xiàn)狀

地質(zhì)冶金學建模的主要流程包括地質(zhì)建模、樣品采集、樣品測試、預測模型和動態(tài)模擬（圖1），其中的樣品測試的一項重要內(nèi)容是工藝礦物學研究，當然還包括巖石的物理參數(shù)等方面的信息，以及相關(guān)的選冶試驗。

圖1 地質(zhì)冶金學建模流程Fig.1 Geometallurgy modeling process

地質(zhì)建模是在地質(zhì)、勘查工程、地球物理和地球化學資料和各種解釋結(jié)果或者概念模型進行綜合分析的基礎(chǔ)上，利用計算機圖形技術(shù)，生成的三維定量模型。該模型是地質(zhì)冶金學模型的基礎(chǔ)，其不但限定了地質(zhì)冶金學模型的范圍，同時其參數(shù)也是地質(zhì)冶金學模型參數(shù)的重要組成部分；樣品采集是選取現(xiàn)有工程（或者新設(shè)計工程）中能夠代表礦體變化規(guī)律的樣品進行工藝礦物學研究和相關(guān)物性參數(shù)的測定，是地質(zhì)冶金學建模中最為關(guān)鍵的步驟，決定著整個研究的成敗關(guān)鍵；地質(zhì)冶金學模型的開發(fā)需要大量礦石樣品加工性能的信息，通過鉆探巖芯收集的基本信息還不足以支撐模型的構(gòu)建，需要額外的分析測試，例如礦物含量、賦存狀態(tài)、礦物粒度、磨礦參數(shù)、浮選參數(shù)、體重參數(shù)、磁性參數(shù)、浮選回收率、浸出率等等；預測模型是結(jié)合前期的礦體模型和測試結(jié)果，創(chuàng)建一個預測模型，常用的參數(shù)包括品位、礦物含量、礦化類型（結(jié)構(gòu)構(gòu)造）、礦石類型、圍巖、生產(chǎn)信息（回收率、精礦質(zhì)量、尾礦參數(shù)）、技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)等等；動態(tài)模擬是預測模型中參數(shù)隨時間變化而引起其他參數(shù)變化的規(guī)律研究，其已經(jīng)廣泛應用于礦山生產(chǎn)和礦業(yè)風險評估[8]。

地質(zhì)冶金學模型相當于一個開源的平臺，任何和礦山開發(fā)有關(guān)的學科都可以融合進來，從而影響礦山的綜合管理，融合進來信息量的大小就決定了地質(zhì)冶金學模型的研究深度。Lishchuk(2016)根據(jù)全球礦山地質(zhì)冶金學建模的應用情況建立了研究方法和深度的矩陣，將研究的方法分為傳統(tǒng)、間接和礦物學三種，將研究的深度從沒有研究到應用地質(zhì)冶金學的全面礦山管理等8個層次，基本反映了目前地質(zhì)冶金學研究的狀況（圖2）。

圖2 礦山應用地質(zhì)冶金學建模方法與研究深度矩陣Fig .2 Selected mines arranged in classification matrix

Lishchuk的研究深度分類是基于建模流程而來，根據(jù)實際操作過程的難易程度也可以將地質(zhì)冶金學建模分為傳統(tǒng)地質(zhì)研究、工藝礦物學研究和大量試驗研究三類[9]。

2 地質(zhì)冶金學建模中工藝礦物學研究內(nèi)容

2.1 工藝礦物學樣品采集

工藝礦物學樣品是用來測試礦石樣品的元素賦存狀態(tài)、礦物含量、粒度解離度和共生關(guān)系等工藝礦物學參數(shù)，樣品一般來源于礦山勘查和生產(chǎn)的相關(guān)工程。

樣品采集就涉及代表性的問題，地質(zhì)冶金學建模中工藝礦物學樣品不同于傳統(tǒng)的工藝礦物學研究樣品，傳統(tǒng)的工藝礦物學研究樣品和選礦試驗樣品一致，其代表選礦試驗樣品，一般是代表待采礦體的平均指標，而地質(zhì)冶金學建模的樣品要代表空間變化規(guī)律。因此地質(zhì)冶金學建模中工藝礦物學樣品要在研究空間的變異性基礎(chǔ)上采集，樣品要求盡量代表礦石的空間變異性。

工藝礦物學樣品的采集一般是在地質(zhì)建模完成之后進行，地質(zhì)建模一般都會區(qū)分不同的礦化類型，稱之為礦化域，工藝礦物學研究會對礦化域進行驗證和糾偏，因此礦化域界限附近的樣品設(shè)計密度應該大于礦化域內(nèi)部。

2.2 工藝礦物學參數(shù)

工藝礦物學在地質(zhì)冶金學模型中的參數(shù)主要包含目標元素分布及賦存狀態(tài)、重要礦物分類及定量，礦物嵌布粒度和共生關(guān)系，還應包含嚴重影響選冶工藝的有害礦物信息，以及砷、鎘等對于環(huán)境有較大影響的有害元素的賦存狀態(tài)等。

礦床的元素分布在地質(zhì)建模中已經(jīng)有了較為清晰的研究，工藝礦物學研究中化學成分的分析其實是對地質(zhì)建模中元素分布的一種驗證，類似于地質(zhì)勘查中的組合分析，因此地質(zhì)冶金學建模中可以利用工藝礦物學化學元素分析對地質(zhì)模型進行優(yōu)化，也為后續(xù)構(gòu)建更為完善的模型打好基礎(chǔ)。

元素的賦存狀態(tài)一般利用化學物相分析來完成?；瘜W物相分析是基于各種礦物或物相在化學溶劑中的溶解度和溶解速度的差異，采用化學選擇性溶解的方法，測定樣品中某一目標元素在不同種類礦相或礦物中的分布率。賦存狀態(tài)是地質(zhì)冶金學模型的重要參數(shù)，對后續(xù)的選冶工藝和環(huán)保均有較大的參考意義。例如對于某復雜銅礦石資源來說，銅的總氧化率，銅在不同的氧化銅礦物（如赤銅礦、孔雀石、假孔雀石等），不同的硫化銅礦物（如黃銅礦、砷黝銅礦等），以及在褐鐵礦、硬錳礦或高嶺石等粘土質(zhì)礦物中的分布率與銅的選冶工藝制定密切相關(guān)，可預先根據(jù)銅的賦存狀態(tài)進行礦化域的劃分。再比如針對某錫礦石資源，錫如果是以錫石形式存在則優(yōu)先選擇重選回收，如果是以黃錫礦形式存在則可以考慮浮選回收。在某礦石中砷含量較高，如果砷是以毒砂形式存在，其對環(huán)境的危害較小，如果是以活性較大的氧化狀態(tài)存在，其對環(huán)境的危害較大。

礦物分類及定量是工藝礦物學研究的基本內(nèi)容，也是地質(zhì)冶金學模型的基本參數(shù)。傳統(tǒng)的礦物定量一般是在顯微鏡、掃描電鏡考察基礎(chǔ)上，通過化學分析及化學物相分析計算獲得。近年來隨著自動化分析技術(shù)的發(fā)展，礦物自動分析儀可以完成大部分礦石的礦物自動定量。礦物分類及定量對于礦山生產(chǎn)具有直接的指導意義，是劃分礦化域，實現(xiàn)分采分選的基本參數(shù)。例如中部非洲常見的氧化鈷礦，主要的鈷礦物有水鈷礦、銅鈷錳氧化結(jié)合物、鈷白云石和含鈷絹云母及含鈷綠泥石等，將其分為適宜磁選、適宜浮選、適宜浸出和不易回收4類，并分別定量，利用三維礦業(yè)軟件將4類鈷礦物類型進行了空間插值，在此基礎(chǔ)上進行了選冶空間域的劃分，然后在選冶空間域中取樣進行驗證性試驗，試驗結(jié)果表明分采分選可以有效改善鈷的回收率。

工藝礦物學中礦物的嵌布粒度是指根據(jù)選別的需要而測定的礦物或者礦物集合體的粒度，一般指礦物工藝粒度，是指導磨礦工藝和流程結(jié)構(gòu)制定的依據(jù)，對于同種礦物不同嵌布粒度的礦石進行分采分選，實現(xiàn)節(jié)能減排，也是地質(zhì)冶金學的核心思想之一。

工藝礦物學中礦物共生關(guān)系是指目標礦物和其它礦物的連接緊密程度，其作為參數(shù)之一進入地質(zhì)冶金學模型對于后續(xù)工藝和生產(chǎn)也有較大幫助。但目前，共生關(guān)系在原礦石中多采用定性描述，還沒有統(tǒng)一的定量化標準。

2.3 參數(shù)模擬方法

樣品的工藝礦物學參數(shù)可以認為是一個空間點的參數(shù)，點參數(shù)擴展為空間的體參數(shù)就是常說的“參數(shù)模擬”。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)模擬的方法也越來越豐富，一般常見的方法有最近距離法（NN）、距離冪指數(shù)反比法（IPD）、普通克里金（OK）和多元回歸法（MR）[10-13]。

（1） 最近距離法（NN）

最近距離法（NN）是待估礦塊的值由距其最近的樣品參數(shù)值給出。利用這種方法，首先計算搜索橢球體內(nèi)樣品與待估礦塊的距離。

取距離最近的樣品參數(shù)值即為礦塊參數(shù)

在最近距離法中，也可以考慮從樣品到塊中心是各向異性，距離用各向異性橢球體來計算，各向異性橢球體的確定方法與搜索橢球體相同。

（2） 距離冪指數(shù)反比法（IPD）

距離冪指數(shù)反比法屬于常用加權(quán)平均插值方法，其是利用搜索橢球體內(nèi)的樣品與待估礦塊之間的距離計算不同權(quán)重，從而計算礦塊加權(quán)參數(shù)。

（其中Li是樣品間距；Di是樣品i的權(quán)重；P為次冪）

（3） 普通克里金法（OK）

克里金法是地統(tǒng)計學的重要組成部分，它是根據(jù)一個搜索橢球體內(nèi)若干樣品的品位特征數(shù)據(jù)，對該區(qū)域的同類特征的未知數(shù)據(jù)作線性無偏、最小方差估計的方法。待估樣品參數(shù)是搜索橢球體樣品乘以其權(quán)重之和。

（其中x為距離，h為滯后距）

（4） 多元回歸法（MR）

研究一個因變量、與兩個或兩個以上自變量的回歸。亦稱為多元線性回歸，是反映一種現(xiàn)象或事物的數(shù)量依多種現(xiàn)象或事物的數(shù)量的變動而相應地變動的規(guī)律。建立多個變量之間線性或非線性數(shù)學模型數(shù)量關(guān)系式的統(tǒng)計方法。

3 亟待深入研究的問題

作為一個新興的學科，地質(zhì)冶金學建模過程有很多問題需要研究，例如空間的樣品分布密度和位置，樣品的測試方法和質(zhì)量的管理體系，地層、礦化等定性的信息如何使用，磨礦參數(shù)和工藝指標如何使用，地質(zhì)冶金學域應該如何劃分，模型的可靠性如何驗證等等[10-13]，本文主要討論工藝礦物學研究在地質(zhì)冶金學建模過程中亟待深入研究的問題。

（1） 樣品的采集

地質(zhì)冶金學產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)是地質(zhì)信息空間分布的復雜性，要將這種復雜性轉(zhuǎn)化為規(guī)律性就需要采集樣品來研究這種復雜性，而采集樣品是否能代表這種地質(zhì)復雜性就成為問題的關(guān)鍵。采集樣品是否有代表性無非是兩個問題，一是樣品的數(shù)量，二是樣品的位置。各個礦床根據(jù)其不同的特點需要不同的樣品數(shù)量，如果采樣的數(shù)目過少，不具備代表性，模型可靠性差；較大樣品數(shù)量可以提供更高的預測精度，但成本費用和試驗時間又可能存在較大的浪費。Williams和Richardson（2004）認為一般的地質(zhì)冶金學建模需要1000個工藝礦物學研究樣品[17]，David（2014）推薦一般礦山需要30個以上的選冶試驗樣品，采樣的目的和用途決定了樣品的重量[18]，但事實上采樣數(shù)量需要一個復雜的論證過程，在研究礦區(qū)地質(zhì)和礦體特征的基礎(chǔ)上，著重研究地質(zhì)和選冶的變異性和抽樣的誤差[19-20]。在實際生產(chǎn)中地質(zhì)冶金學建模是一個龐大的系統(tǒng)工程，對于一個礦山不可能在短時間內(nèi)完成，因此取樣的數(shù)量也可以參考礦產(chǎn)勘查的基本原則，即“由疏及密，由未知到已知”，在首采地段或者近兩年的采礦范圍內(nèi)樣品加密布置，外圍適當抽稀，在生產(chǎn)過程中繼續(xù)采樣研究，完善模型。

表1 某礦石中某礦物的嵌布粒度/%Table 1 D issemination size of a mineral in some ore

（2） 研究成果的參數(shù)化

工藝礦物學在地質(zhì)冶金學模型中的主要參數(shù)中化學元素分析、礦物含量和賦存狀態(tài)可以根據(jù)分析結(jié)果直接轉(zhuǎn)為參數(shù)進行空間估值，而嵌布粒度和共生關(guān)系直接參與估值就有一定的困難。嵌布粒度表征的是一個集合體的組合信息，一般用一系列連續(xù)粒徑的分布率來表示，例如某樣品中目標礦物的粒度表示方法見表1。

該種組合信息難以在空間直接估值，而采用什么樣的方法將該類信息由點擴展到體是值得深入研究的問題。目前常見的處理方法是將集合信息拆分為單個信息進行空間估值，然后再對每個集合體進行配比矯正。共生關(guān)系多數(shù)情況都是定性的描述，有時候也可以用單體解離度表示。但單體解離度是碎磨加工后的工藝參數(shù)，其數(shù)值與加工工藝的條件有關(guān)?？傊に嚨V物學參數(shù)雖然豐富，相對簡單易獲得，但有些屬于定性描述，有些屬于組合數(shù)據(jù)，有些即使是可以直接參數(shù)化的數(shù)值，但目前尚缺乏行業(yè)的統(tǒng)一標準。缺乏標準，所獲得數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性就差，從而影響地質(zhì)冶金學建模的準確性，這是工藝礦物研究亟待解決的問題。

（3） 參數(shù)的模擬方法

工藝礦物學參數(shù)的確定是為模擬做準備，而參數(shù)模擬的方法又多種多樣，實踐中工藝礦物學參數(shù)用哪種方法估值更準確，更具有執(zhí)行率，常常是地質(zhì)冶金學工作者感興趣的問題。化學元素分析作為基本參數(shù)估值時可以參考礦體模型中品位的估值方法和參數(shù)，因為二者代表的含義接近，常見方法可以是距離冪指數(shù)反比法（IPD）和普通克里金（OK）?；瘜W物相分析結(jié)果（賦存狀態(tài)）和礦物含量做為參數(shù)估值時應該考慮品位和地質(zhì)域的約束，估值方法優(yōu)先考慮普通克里金（OK），如果樣品數(shù)量和空間的分布不足以反映參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)，可以考慮其他方法，在完成估值之后可以考慮利用多元回歸法（MR）進行驗證，例如一般銅礦床的氧化礦物的含量和礦體埋深與構(gòu)造發(fā)育程度的關(guān)系就可以利用多元回歸法（MR）表示三者的關(guān)系。嵌布粒度參數(shù)可以利用化學分析估值的常用方法（IPD和OK）對于每個粒度區(qū)間含量進行估值，然后再進行配比矯正，也可以利用礦物含量、圍巖特征等其他參數(shù)回歸得出。共生關(guān)系如果用單體解離度表示，估值方法可以參考嵌布粒度的方法[21]。這些估值方法目前均初期探索階段，需要進一步完善及實踐驗證。