復雜的低品位水泥原料礦床的綜合開發(fā)和利用

     1973年薊縣劃歸天津市，當年既開始地質找礦。經(jīng)過30余年，幾代人的工作(自上個世紀七十年代礦山籌建至今, 礦山領導班子已更迭6屆)，礦山已成為天津振興水泥有限公司（2*2500t/d）與天津市水泥廠(1000t/d+2*600t/d)的可靠的石灰質原料基地。礦山綜合利用了低品位的礦石，實現(xiàn)了0排廢。不僅擴大了礦石儲量與礦石利用范圍，延長了礦山服務年限，還將剝離物全部用在工業(yè)用途上。  

    從對復雜的低品位礦床利用的設計與生產(chǎn)中，我們產(chǎn)生了一些切身體會與實踐經(jīng)驗。

1．概況 

    該礦位于天津市薊縣城北東4km處。礦區(qū)名稱為天津市薊縣東營房礦區(qū)。礦區(qū)范圍北起劉莊子，南至東營房；西起駱駝嶺，東至雙峪。南北長3km，東西寬1km，面積3km2。礦區(qū)包括大火尖山、考山、轉山等采區(qū)，目前開采的是大火尖山及考山采區(qū)。
    礦山由天津水泥工業(yè)設計研究院設計，天津工程公司施工。1982年建設，1986年建成。1998年擴建，設計產(chǎn)量為150萬t/a。2004年礦山產(chǎn)量232.12萬t/a（如包括頁巖總產(chǎn)量為242.12萬t/a）。（予計2005年礦山總產(chǎn)量300萬t/a）

2．礦床地質

2．1地質概況
    礦區(qū)位于燕山沉降帶，薊縣扭陷區(qū)，薊縣——洪水莊向斜北東翼。礦區(qū)出露地層主要為中上元古界（震旦亞界）地層、少量寒武系及第四系殘破積物。礦體屬薊縣系鐵嶺組灰?guī)r。
礦區(qū)巖層從北東至南西，由老至新敘述如下（見表1）：

表1  礦區(qū)地層表

2.2  地質圈礦指標

      Ⅰ級品    CaO≥48%     MgO≤3%
      Ⅱ級品    CaO≥45%     MgO≤3.5%

2. 3  質量控制指標

質量控制指標：CaO≥47.5%，MgO≤3.2%。 
按此指標全礦的Ⅰ級品與Ⅱ級品均可搭配使用，還可搭配部分夾層。 
大火尖山采夾層搭配的原則是：
    165~195m  三個水平的夾石允許全部摻入；
    120~150m  三個水平的夾石允許摻入1/2；
    60~105m   四個水平的夾石允許摻入1/3。

2.4  礦區(qū)地質儲量

表2 礦區(qū)質儲量表(萬噸)

說明：截止到2004年底，礦山已開采水泥灰?guī)r1424.88萬t，建筑灰?guī)r498.57萬t。

3．針對復雜的低品位資源的綜合利用，設計中采取了以下主要措施。

   3.1  礦山生產(chǎn)水泥灰?guī)r與建筑灰?guī)r兩個品種 

    按水泥廠的需要，將礦層及部分可搭配的夾層做為水泥石（水泥灰?guī)r）生產(chǎn)，其余品位不合格的夾層，全部做為建筑石（建筑灰?guī)r）生產(chǎn)。 

    在設計中采用了兩套溜井系統(tǒng)，分別卸入水泥石或建筑石。分別經(jīng)過裝車峒室裝入6.5m3側卸式礦車運往破碎卸料倉。（水泥的破碎輸送系統(tǒng)與建筑石的破碎輸送系統(tǒng)分別設置）。

     3.2  合理確定出礦水泥石的工業(yè)指標 

      按國家規(guī)范及生產(chǎn)實踐，合理確定水泥石的出礦工業(yè)指標，是充分利用低品位礦石的關鍵之一。
設計工業(yè)指標為：CaO≥47.5% 
MgO≤3.2%
R2O≤0.5%

     本礦為低鈣、低堿、高鎂礦床，所以在此重點說明MgO指標的確定。
按國家標準水泥中的MgO≯5.0%，計算中以熟料中的MgO≤5%計。
按一般規(guī)律   +3S的機率為99.99%
公式      Xmax=3S+ 
          =Xmax-3S 
          =Xmax-3R.  
          =4.35%
式中：R——變異系數(shù)
      S——標準偏差
      ——品位平均值
      R= ×100%
      熟料均勻時R≤5%
熟料中等均勻時R≤10~15%
熟料不均勻時R>15%
工廠設予場化堆場，熟料均勻取R=0.05
當熟料控制MgO為4.35%時，其最大值不會超過5%
即 =4.35%
   Xmax=5%

    熟料的MgO由4.35%折算回石灰石的MgO含量按石灰石×1.3料耗 →熟料，石灰石中的MgO可為3.35%，按石灰石×1.4料耗→ 熟料，石灰石中的MgO可為3.1%。
取其中間值石灰石控制MgO=3.2%。
經(jīng)水泥廠的生產(chǎn)實踐，按此值控制出礦石品位，熟料中的MgO則為4%±。不僅熟料強度符合國家規(guī)范要求，而且熟料顏色發(fā)青，較為好看，生產(chǎn)的水泥具有低干縮性，很受市場青睞。

      3.3  礦床模型模擬

      本設計利用地質報告提供的石灰石礦山地質資料，采用CQMS軟件系統(tǒng)對礦石質量進行研究分析和地質設計，為今后的生產(chǎn)勘探及搭配開采提供必要的圖件和數(shù)據(jù)。

      3.4  采用橫向開采法 

      本礦為山坡露天礦床，采用自上而下分水平。工作面垂直走向布置，沿走向推進，采用橫向開采法。
在工作面上，礦、夾層能全部出露，為搭配開采創(chuàng)造了前提的條件。以MgO為控制指標，夾層的最大允許摻入率見下式：
Q= ×100%
 = ×100%
 =34.5%
式中：Q——夾層最大允許滲入率% 
      P——礦石進廠最低工業(yè)品位（MgO=3.2%）
      P1——礦層MgO平均品位2.32%
      P2——夾層MgO平均品位5.75%

      3.5  3個采區(qū)統(tǒng)一規(guī)劃

       為了合理的使用礦產(chǎn)資源，進行質量搭配及擴大礦山能力的需要，進行了大火尖山、考山、轉山三山的統(tǒng)一規(guī)劃。

      3.6  采掘進度計劃的編制

      設計中，采掘進度計劃編制為5~10年。

      4．礦山生產(chǎn)情況與對礦石質量控制的措施

      4.1  礦山產(chǎn)量

表3   礦山產(chǎn)量統(tǒng)計表    

      從以上統(tǒng)計可以看出，由1986~1998.5，其建筑石與水泥石之比為1.41:1(t/t)。而在1998.6振興水泥廠的新型干法線投產(chǎn)之后，由于水泥廠的配料與工藝設計是針對礦山鐵嶺組灰?guī)r的特征進行的。設計上采取了一系列的有效措施，礦山與水泥廠生產(chǎn)中又有效地進行了質量控制與管理，礦山生產(chǎn)的建筑石與水泥石之比降到0.04:1(t/t)。使礦產(chǎn)資源得到了充分的利用。

4.2  礦山對礦石質量控制的措施

4.2.1  生產(chǎn)勘探 

      礦山配備QJD-50型取樣鉆機做生產(chǎn)勘探使用。按50×50m的網(wǎng)度，在采礦工作面上刻槽與鉆孔取樣?？滩鄣囊?guī)格為5×2cm的矩形，樣長為2m。礦山在240m、225m與210m水平進行過此項工作。并據(jù)生產(chǎn)勘探所取得的數(shù)據(jù)，繪制各開采水平的地質平面圖。圖中標出各礦層與夾層的儲量與質量。

      4.2.2  按年度水泥石的數(shù)量及質量指標，根據(jù)各開采水平的地質情況編制年度、季度、月度采掘進度計劃。保證采掘設備調(diào)動不過于頻繁，上下水平的工作線保持規(guī)定的超前距離，擴邦與延深工作的協(xié)調(diào)，按計劃準備新水平，保證在多臺段開采時的三級礦量。這樣均衡了生產(chǎn)剝采比，解決了采剝失調(diào)的現(xiàn)象。

      4.2.3  閉路式的質量控制體系 

     礦山質量控制是在采掘進度計劃指導下，進行質量控制。

     鉆孔取樣：對深孔爆破和每個鉆孔的孔渣均取樣化驗，化驗結果標注在“深孔爆破鉆孔平面圖”上?？纱_定工作面各位置的礦石品位。 

     爆堆取樣：橫向5~10m一個樣，每樣2kg。對潛孔鉆取樣后的界定的界限做一驗證。給采礦車間下達配礦通知。

     鏟窩取樣：每天上午在挖掘機作業(yè)的鏟窩取樣，取樣化驗結果1~2小時出來，通知運礦汽車司機按規(guī)定將礦石卸入溜井，進行人工配礦。

     水泥石入倉取樣：每小時取1個樣。取樣結果通知破碎車間進行入倉搭配。

     車皮取樣：在出廠的火車上，每車皮取3個樣，一列車做一混合樣，通知水泥廠。進行出礦與入廠礦石品位對比。
通過以上措施的實施，在水泥生產(chǎn)的均化鏈中，使礦山開采這一環(huán)節(jié)的均化作用，達到充分體現(xiàn)。

     5．水泥廠對低品位原料的利用

     5.1  針對原料的特點，水泥廠工藝設計上采取了多項生產(chǎn)控制措施。在均化、配料及煅燒上，各項設計的方案措施都是行之有效的。

     5.2  搞好原料均化鏈的四個環(huán)節(jié)。

     5.2.1  礦山開采：質量搭配、均衡開采。

     5.2.2  原料予均化

     石灰石予均化堆場，（Φ80m圓型均化堆場），儲存量28,000t。 

      砂巖、鐵礦石、鋁礬土和煤的均化，設矩型予均化堆場。

     5.2.3  原料調(diào)配 

      原料調(diào)配站設置四個配料倉：石灰石、砂巖、鋁礬土和鐵礦石倉。并設置X螢光分析儀，檢測半成品及成品。將根據(jù)分析出的各個率值數(shù)值及時調(diào)整原料配比。

    5.2.4  新型多點流式生料均化庫 

      采用TP-1型生料均化庫，庫底帶中心錐，庫底環(huán)形充氣區(qū)耗氣量少，每個卸料口上部有鋼制減壓錐，入庫生料經(jīng)溢流式生料分配器使生料在庫內(nèi)均勻分布。庫底有套筒式小倉，小倉集稱重、喂料、攪拌作用于一體。出庫生料CaO的標準偏差<0.25%。

      5.3  生產(chǎn)控制 

      5.3.1  生產(chǎn)實踐證明，2000t/d予分解窯可以利用低品位石灰石生產(chǎn)出優(yōu)質低堿熟料。窯的熱力強度高，適應能力強。熟料結粒細小，均勻，沒有黃心料，磨制的水泥呈淺灰色。從巖相分析結果證明，燒出的熟料結構致密，礦物晶體發(fā)育規(guī)則，比較完整。

     5.3.2  合理調(diào)整熟料率值。經(jīng)多次調(diào)整，將率值控制在：
KH=0.90±0.02
SM=2.7±0.1
AM=1.3±0.1
當KH值在0.92以下時，熟料中的f.CaO都能得到很好的控制。

     5.4  水泥的實物質量水平

表4 P.O42.5水泥主要物化指標表    

     在工廠生產(chǎn)P.O52.5水泥時，其28天抗壓強度達60MPa以上。振興廠利用鐵嶺組灰?guī)r生產(chǎn)的低堿水泥，已廣泛地利用到京津地區(qū)橋梁建筑、機場跑道、港口碼頭、地下工程等大型混凝土建筑中。如首都機場西跑道和東、西跑道聯(lián)絡線，通往首都機場的北京五環(huán)線等均使用了振興廠的正通牌低堿水泥。

    6. 對直接頂、底板圍巖的利用 

     礦體的直接頂板圍巖是條帶狀硅質石灰?guī)r，直接底板圍巖，是錳質、硅質石灰?guī)r，它們的巖性均屬于泥質灰?guī)r。據(jù)測算，東營房礦區(qū)（包括大火尖山、考山及轉山3個采區(qū)）的上述頂?shù)装鍑鷰r約為5000萬t。

直接頂、底板圍巖化學品位表(%)

     其中頂板奪厚約9.53m，底板厚約26.68m。底板圍巖約占問題總量的75%，其值是KH=1.24，SM=6.0,AM=2.0。

     以上品位的圍巖屬高硅、低鈣、低鋁的巖石，經(jīng)專家論證，初步配料計算及借鑒有關廠礦的經(jīng)驗可知，此種圍巖是可以做為水泥原料使用的。

初步配料方案如下表(表6)

表6 初步配料方案

     為了落實上述方案，礦山已屬專門立項進行研究。天津市國土資源局對該項目已撥出專項資金，予以支持。

     7．對間接頂、底板圍巖的利用 

     礦區(qū)的間接底板圍巖是薊縣系洪水莊組的砂質頁巖、石英砂巖，間接頂板圍巖是青白口系下馬嶺組的砂頁巖。目前，間接頂板圍巖已廣泛出露。僅2004年，剝離砂頁巖10萬t以上，剝離出的砂、頁巖全部供給了薊縣開發(fā)區(qū)的頁巖磚廠，做為燒制頁巖的原料。 

    利用頁巖和煤矸石作原料，生產(chǎn)性能優(yōu)良的新型節(jié)能保溫墻體材料（頁巖多孔磚）取代被禁止生產(chǎn)使用的實心粘土磚，是節(jié)土、節(jié)地、資源綜合利用的最佳措施之一。 

表7  物料及動力消耗表

     8．結語

     8.1  薊縣鐵嶺組灰?guī)r是高鎂、低鈣、高硅、低堿的礦層，對其利用是取其長項（低堿），克服其短項（高鎂、低鈣）。2000t/d以上的新型干法窯，由于熱力強度高，煅燒時對各種原料的適應性強。實踐證明，在設計與生產(chǎn)時，采取了均化及合理配料的措施后，用低品位原料是可以生產(chǎn)出高標號的低堿水泥的。

     8.2  為了充分利用礦產(chǎn)資源，提高水泥企業(yè)的效益，對礦石的工業(yè)指標，應做進一步的研究。目前振興廠已將CaO含量46~47.5%的石灰石利用到50%±；對于石灰石中MgO的指標，遼寧工源水泥廠已放到4%。而長江三峽大壩對水泥中MgO的指標要求到3.5~5%，以利用其微膨脹性，達到減少裂縫的效果。

     8.3   目前，天津水泥石礦已達到0排廢。對礦床的直接頂板（條帶狀硅質灰?guī)r）、直接底板（錳質硅質灰?guī)r）正研究其做為水泥原料的利用問題。對間接頂板（下馬嶺組砂頁巖），間接底板（洪水莊組砂頁巖），已做為頁巖多孔磚原料的利用。對礦夾層中的迭層石，符合條件的部分則做為“奇石”工藝品，加工后供應市場。礦山綜合利用的前景是美好的，礦山真正可做到“無廢料”礦山。以單一眼光看待的“廢料”，經(jīng)綜合利用都將都成為“有用之材”。

    8.4   天津市是環(huán)渤海經(jīng)濟圈的中心城市，又是缺山，少資源的沿海城市，對其所屬的薊縣地區(qū)的礦產(chǎn)資源的綜合開發(fā)和利用更具重要意義。天津水泥石礦不僅對礦體夾層全部利用，達到了0排廢；而且又對礦體的頂、底板圍巖進行了綜合開發(fā)和利用，貫徹了“把節(jié)約放在首位”的資源政策。近年來，礦山搞好綠化與規(guī)劃，進一步向生態(tài)形的綠色礦山發(fā)展。
這是一實現(xiàn)“循環(huán)經(jīng)濟”，建設“節(jié)約型社會”的成功范例。