第四节　工业矿物与岩石的研究方法

一、矿石采掘技术

此类矿床的开采具有以下特点：（1）矿石一般较为松软，有利于采用高效连续或半连续开采工艺；但黏土类矿床地下开采时，也给井巷支护和采场地压管理造成不利因素。（2）采出矿石除要求品位指标外，通常还要求保护矿物某些特殊的技术物理性能、晶体完整性和纯净度；饰面石材则要求保护产品的规格和形状。（3）除少数石灰石、石棉露天矿及地下石膏矿外，矿山规模一般较小。（4）某些矿种需要按品级分采、分装、分运，或需要手选，因而使矿山开采机械化水平受到限制。

开采方法分为露天开采和地下开采。露天开采又分为水力开采和机械开采：水力开采是以高压高速水流冲采并用水力运输，适用于松软的矿石，如高岭土和砂矿；机械开采即采用一定的采掘运输设备，按选定的生产工艺将矿石采出，是目前最广泛采用的开采方法。地下开采选用的采矿方法应力求安全、回采率高、贫化小，对石棉、石膏、金刚石、云母、高岭土、滑石等以矿物为直接利用对象的矿种，应尽量使矿物的纤维、晶体、块度和纯度不受或少受破坏和污染。

二、矿石物相组成与性能

对工业矿物与岩石的研究，首先必须准确了解矿石的矿物组成、化学成分和物理性能。这是进行深入的机理研究和开发相应的加工技术及实际应用的基础。

矿石的化学成分一般采用化学分析方法，包括重量法、容量法和比色法。前两者是经典的分析方法，适用于测定常量组分；比色法应用了分离、富集技术及高灵敏显色剂，故可用于部分微量元素的测定。对于硅酸盐类矿石，分析项目一般应包括SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5、H2O+（结晶水，结构水）、H2O-（吸附水）。化学分析的特点是精度高，但周期长，样品用量较多。发射光谱、原子吸收光谱、X射线荧光光谱、原子荧光光谱、极谱分析等分析方法的特点是灵敏、快速、检测下限低，可测定微量元素组分，且样品用量较少，但分析含量＞3%的组分精度较差。

单矿物的化学成分分析一般可采用电子探针。测定样品的成分可采用X射线波谱仪或能谱仪，前者分辨率高、精度高，但速度慢。后者精度较前者差，但可作多元素的快速定性和定量分析。电子探针可测定元素的范围为4Be～92U，实际分析的相对灵敏度约为0.05%。一般分析区内元素的含量达10-14g就可感知。测定直径一般最小为1μm，最大为500μm。电子探针分析属于微区分析，故一般应对样品分析6～8个点，取其平均成分。

确定矿石的物相组成时，可采用显微图像分析或X射线粉晶分析方法，分析精度约5%。在矿石及其组成矿物的化学成分已知条件下，可依据物质平衡原理，采用“相混合计算”法确定各矿物的含量，精度可达约±1%（马鸿文等，2006）。尤其是对于常见的矿物组成复杂且颗粒尺寸细小的黏土类矿石，采用此法具有其他常规测定方法无可比拟的优势（李歌等，2011）。

为满足经济与社会发展对矿物资源日益增长的需求，切实可行的途径是：（1）改进矿物加工工艺，提高矿物资源的利用率；（2）开发矿物资源新的应用技术和应用领域。对工业矿物在各种物理场下宏观效应的系统研究，可以指导对矿物资源的合理加工利用，对开发矿物原料新的应用技术或领域提供理论指导。

三、矿石加工技术

除石材、宝玉石和少数可直接使用的矿物资源外，绝大多数工业矿物与岩石都需要经过选矿预处理，才能满足实际使用要求。选矿加工的主要目的是：分离富集矿石中的有用矿物；回收伴生的有用矿物；对选矿产品进行粉磨加工，并分为不同规格的最终产品。

工业矿物选矿加工的基本作业包括以下方面。

（1）选前准备作业　通过破碎或磨矿，使有用矿物和脉石矿物达到单体解离。一般将最终产品粒度＞5mm的粉碎过程称为破碎；取得更细产品粒度的粉碎过程称为磨矿；产品平均粒度＜10μm的粉碎过程称为超细磨矿。通常将磨矿划分为：粗磨，入磨粒度25～5mm，排料粒度1～0.3mm；中磨，入磨粒度25～5mm，排料粒度0.1～0.074mm；细磨，入磨粒度＜1mm，排料粒度＜0.074mm或0.044mm；超细磨，入磨粒度＜0.074mm，排料粒度＜0.010mm。

（2）选别作业　采用适当的选矿方法，将已单体解离的有用矿物与脉石矿物分离开。选矿方法有重选法、磁选法、浮选法、电选法、化学选矿法、风选法、光电选矿法等。

重选法按原理可分为分级、洗矿、跳汰选矿、摇床选矿、溜槽选矿、重介质选矿和风力选矿等。前两类是按粒度分选，后五类主要是按密度分选。

在磁选法中，按照比磁化系数可将矿物分为4类（表0-6）。强磁性矿物在磁场强度H=7200～136000A/m的弱磁场磁选机中可以选出，弱磁性矿物在磁场强度H=480000～1600000A/m的强磁场磁选机中可以选出。

矿物的可浮性取决于其表面能否被水润湿的程度。在浮选中一般通过使用浮选药剂来改变矿物的表面性质，从而控制矿物的浮选行为。浮选药剂按用途分为捕收剂、起泡剂、调整剂（包括抑制剂、活化剂和pH值调整剂）和絮凝剂（表0-7）。

化学选矿则是用化学方法处理矿石或选别精矿，从而实现有用组分与杂质组分的分离。例如，对于浮选获得的鳞片石墨精矿（品位约90%）的提纯，通常采用碱溶→水浸→酸浸方法，除去其中的硅酸盐矿物，品位可提高到99%以上。又如，高岭土的化学漂白主要是除去其中的氧化铁，常用方法有酸浸法、盐浸法（连二亚硫酸钠或连二亚硫酸锌等），将Fe2O3变为可溶性的亚铁盐或生成稳定络合物，再经过洗涤，得到白色优质高岭土。

（3）脱水作业　对于干法选矿，为保证分选效果，需要对入选的矿石进行干燥脱水；对于湿法选矿，则需要将精矿产品的水分降低到国家规定的标准。脱水作业通常包括浓缩、过滤、干燥三个阶段。各种脱水方法适宜脱除的水分类型及产品所能达到的水分见表0-8。

（4）产品分级作业　按照产品标准将产品分成不同规格。通常采用筛分分级，有时采用人工分级，如金刚石等。有时则需要对产品进一步粉磨。对于品位较高的矿石如石膏、滑石、土状石墨、膨润土、硅藻土、硅灰石等，选矿过程一般较简单，通常只采用手选或光电拣选等方法，除去矿石中的少量脉石，然后进行粉磨分级，生产不同规格的产品。

（5）尾矿处理及粉尘防治　矿石经过选别后会产生大量尾矿。例如，鳞片石墨矿尾矿量一般占入选原矿量的90%～95%；滑石矿占50%～60%；金刚石矿由于品位极低，尾矿量几乎等于原矿量。浮选厂尾矿中还含有大量浮选药剂，有些甚至是剧毒物质。为了综合利用资源及消除环境污染，必须采取有效措施对尾矿进行处理，包括尾矿储存、尾矿水净化、回水再用及尾矿综合利用等。

选矿过程的干式作业，如破碎、磨矿、分选、分级、干燥及物料输送等，都伴随有含尘气体排放和外溢。长期呼吸含尘空气，会危害人体健康。粉尘降落在设备的运转部件上，会增加磨损。防治措施包括对发尘点进行密闭吸气及对含尘气体进行集尘净化等。

四、制品加工技术

工业矿物与岩石资源的加工方法可分为粗加工、深加工及制品加工。粗加工即传统的选矿，目的是为材料工业提供颗粒粒级和有用矿物品位都合格的原料矿物粉体。

深加工是指将原料矿物按所需利用或进一步优化的技术物理及界面特性要求，再进行精细加工。经深加工的矿物产品已不再是一种原料，而是具有某些优异性能、可供直接利用的材料。它们一般都保持了原料矿物的单一材料性与固体分散相的特征，矿物结构与化学成分也不发生根本改变，但其技术物理特性与化学界面性能会有质的飞跃，也经常会发生局部的晶层构造的变异与表面化学性能的改变，且常伴随有物理形态上的变化。例如各类超细或高纯矿物产品，如膨胀石墨、涂布级高岭土、活性白土、钻石等。常见的深加工方法有精细（或化学）提纯、超细粉碎或分级、晶体磨削、剥片、雕琢、抛光、表面处理、热处理、化学处理、高温焙烧膨胀、熔融与拉丝成型等。

制品即指利用经过粗加工或深加工的工业矿物为主要原料，与其他原料相结合，采用不同工艺制成的各类形态的结构材料和功能材料。例如纤维-水泥制品、云母-环氧树脂制品、石棉-橡胶密封材料、碳-石墨轴承、金刚石钻头、云母绝缘纸、微孔硅酸钙制品等。

工业矿物与岩石制品的种类繁多，除水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料等传统的硅酸盐陶瓷材料外，其他矿物材料制品按功能的分类见表0-9。

（一）原料矿物加工处理

原料矿物的主要处理工艺分为以下方面。

1.颗粒形态处理

矿物颗粒形态是指矿物单体颗粒的形状、尺寸、比表面积、孔结构、界面特性及颗粒集合体的填充性、流动性等特征。例如，颗粒平均直径、粒度分布；纤维矿物的松解度、纤维长度、长径比；片状矿物的层面尺寸（片径）、径厚比；晶体矿物的晶形与晶体完整度、颗粒尺寸；颗粒材料的球形系数及表面光滑度、摩擦系数；堆积材料的容积密度、堆积角、表面自由能等。这些性能是矿物材料发挥其技术物理及界面特性的先决条件。

矿物颗粒形态处理的关键是，在逐步粉碎劈分、磨剥解离或开松的过程中，要求最大限度地保护矿物的晶体结构特征。按照矿物晶体形态及利用范围，可分为4种工艺类型（表0-10）。在矿物颗粒形态处理的同时，通常伴随着进一步对被处理矿物的精细提纯，而颗粒形态处理也为进一步分离杂质矿物创造了条件。

2.热处理

热处理工艺是改变矿物原料性状的重要方法。加热方式随处理目的不同而异，加热条件则依据被处理矿物的热分析结果而制定。热处理方法可分为4种工艺类型（表0-11）。

3.界面处理与改性

界面处理与改性是利用各类材料或助剂，对矿物或制品表面进行处理的工艺。其目的是改善或完全改变材料表面的技术物理性能或表面化学特性。按照处理工艺和目的，界面处理与改性可分为4种工艺类型（表0-12）。

4.化学处理与改性

工业矿物深加工或制品的化学处理，通常以提高或改变材料的技术物理性能为目的，因而一般仍保持目的矿物的基本结构特征，或仅改变矿物的晶体类型，从而制成另一类合成矿物产品。化学处理与改性可分为6种主要工艺类型（表0-13）。

（二）矿物材料成型及后处理

矿物材料通常要通过成型而制成具有特定形状尺寸的材料。成型工艺包括形状尺寸的制作过程，以及制品的固化及后处理加工等内容。其处理工艺除了包括材料的物理机械作业外，还包括无机化学、高分子化学、表面化学、热力学等内容，以及配方经验及制作技巧。成型工艺包括预成型和固化两部分。

1.成型工艺

成型是在规定的模具或载体上使用机械力、物理或物理化学力的作用，使原料组分均匀地形成规定形状尺寸及一定强度和密度的加工作业。无论何种制品，在成型前必须预先设计好材料的组分配比，制备好成型用混合料。按不同类型的制品及生产工艺特点，这些混合料常见的有泥浆浇注料、坯料、压塑料、干粉预拌料等。矿物材料制品的主要成型工艺类型见表0-14。

2.固化工艺

被加工成型的制品一般只能获得初期强度，固化的主要目的是获得制品的最终机械强度，以及制品的功能所需的其他物理与界面化学性能。例如抗压、抗折、抗拉等机械强度，以及压缩回弹性、耐磨性、耐火防水性、耐热性、绝缘性、导电及导热性、化学稳定性、适当的摩擦性等。固化方法按其原理可归纳为烧结和胶结两种类型。

烧结是在低于熔点较多的高温下固化成型的烧成工艺，分为高温下有液相存在和无液相存在两类。有液相存在时，依靠高温液相的黏结使颗粒之间固结，通常需添加结合剂；或依靠原料中的低熔组分在烧成时产生的液相作为玻璃质结合剂。高温下无液相存在的固结，则可能与固相的滑移或塑性流动有关。矿物材料常见的烧结工艺类型见表0-15。

胶结是不经过相互热反应的烧结，而由第三种媒介物质将分离的物相连接固化的工艺。矿物材料制品通常依赖不同矿物相之间的相互反应来达到胶结固化的目的。此外，也常采用非天然矿物材料胶结物，例如水泥、烧石膏、石灰、硅酸钠等或有机高分子聚合物胶结物。按照胶结材料机理的分类见表0-16。

3.后处理

后处理即对制品的外观质量、结构形状、装配与使用规格尺寸等进行最终加工处理，也包括进一步改善制品质量、性能以及加工成复合产品的工艺过程。主要分为热处理、去除加工、表面处理、接合与包覆等工艺类型。

热处理的目的主要是稳定和进一步提高制品的机械性能，特别是要消除制品的内应力，防止翘曲变形和开裂；也可以减少制品中的水分，改善防水性能，或降低制品的烧失量及有机组分含量，改善防火、耐蚀性能等。

去除加工即为达到使用及装配要求进行的外形规格尺寸的形态加工。不同功能用途的制品，对去除加工的精度要求不同。常见的制品去除加工工艺类型见表0-17。

表面处理主要有表面装饰、防水、防蚀、防黏结、贴合、绝热、隔声、光与热反射以及提高强度等。通常采用的方法有机械或化学抛光、饰面贴面、喷涂包覆、有机薄膜涂层、石墨-有机硅或油膏涂层、蒸镀金属薄膜、化学气相沉积或溅射、离子镀层等。

制品与其他材料或部件结合装配的方式，一般有销接（螺钉，铆钉）及黏结两类。黏结时要求使用高强度黏结剂，也有将未烧成的成型体与对偶接合后烧结的方法联结的。