复杂的低品位水泥原料矿床的综合开发和利用

      多年来，天津水泥石矿的设计与建设引起了有关部门与专业人士的关注与重视。对矿山可否做为2000t/d以上窑型的原料来源曾引起过争论。矿床中矿层与夹层交替出现，矿石质量变化复杂，单独开采水泥灰岩时地质剥采比达0.92:1(t/t)，被地质部门认定为Ⅲ类矿床（属复杂型矿床）。并在国家储委多次颁布的“水泥原料矿地质勘探规范”中均做为复杂矿床的实例举出。在1978年的矿山地质报告审批中认为：“该矿层位于震旦亚界蓟县系铁岭组，属浅滨海相沉积。因燧石结核、白云质斑块不规律的分布，造成化学组分变化复杂。地质队虽用较密的工程仍求不出B级储量。该矿山可做为30万吨水泥厂石灰石矿山的设计依据。”

     1973年蓟县划归天津市，当年既开始地质找矿。经过30余年，几代人的工作(自上个世纪七十年代矿山筹建至今, 矿山领导班子已更迭6届)，矿山已成为天津振兴水泥有限公司（2*2500t/d）与天津市水泥厂(1000t/d+2*600t/d)的可靠的石灰质原料基地。矿山综合利用了低品位的矿石，实现了0排废。不仅扩大了矿石储量与矿石利用范围，延长了矿山服务年限，还将剥离物全部用在工业用途上。  

    从对复杂的低品位矿床利用的设计与生产中，我们产生了一些切身体会与实践经验。

1．概况 

    该矿位于天津市蓟县城北东4km处。矿区名称为天津市蓟县东营房矿区。矿区范围北起刘庄子，南至东营房；西起骆驼岭，东至双峪。南北长3km，东西宽1km，面积3km2。矿区包括大火尖山、考山、转山等采区，目前开采的是大火尖山及考山采区。
    矿山由天津水泥工业设计研究院设计，天津工程公司施工。1982年建设，1986年建成。1998年扩建，设计产量为150万t/a。2004年矿山产量232.12万t/a（如包括页岩总产量为242.12万t/a）。（予计2005年矿山总产量300万t/a）

2．矿床地质

2．1地质概况
    矿区位于燕山沉降带，蓟县扭陷区，蓟县——洪水庄向斜北东翼。矿区出露地层主要为中上元古界（震旦亚界）地层、少量寒武系及第四系残破积物。矿体属蓟县系铁岭组灰岩。
矿区岩层从北东至南西，由老至新叙述如下（见表1）：

表1  矿区地层表

2.2  地质圈矿指标

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

2. 3  质量控制指标

质量控制指标：CaO≥47.5%，MgO≤3.2%。 
按此指标全矿的Ⅰ级品与Ⅱ级品均可搭配使用，还可搭配部分夹层。 
大火尖山采夹层搭配的原则是：
    165~195m  三个水平的夹石允许全部掺入；
    120~150m  三个水平的夹石允许掺入1/2；
    60~105m   四个水平的夹石允许掺入1/3。

2.4  矿区地质储量

表2 矿区质储量表(万吨)

说明：截止到2004年底，矿山已开采水泥灰岩1424.88万t，建筑灰岩498.57万t。

3．针对复杂的低品位资源的综合利用，设计中采取了以下主要措施。

   3.1  矿山生产水泥灰岩与建筑灰岩两个品种 

    按水泥厂的需要，将矿层及部分可搭配的夹层做为水泥石（水泥灰岩）生产，其余品位不合格的夹层，全部做为建筑石（建筑灰岩）生产。 

    在设计中采用了两套溜井系统，分别卸入水泥石或建筑石。分别经过装车峒室装入6.5m3侧卸式矿车运往破碎卸料仓。（水泥的破碎输送系统与建筑石的破碎输送系统分别设置）。

     3.2  合理确定出矿水泥石的工业指标 

      按国家规范及生产实践，合理确定水泥石的出矿工业指标，是充分利用低品位矿石的关键之一。
设计工业指标为：CaO≥47.5% 
MgO≤3.2%
R2O≤0.5%

     本矿为低钙、低碱、高镁矿床，所以在此重点说明MgO指标的确定。
按国家标准水泥中的MgO≯5.0%，计算中以熟料中的MgO≤5%计。
按一般规律   +3S的机率为99.99%
公式      Xmax=3S+ 
          =Xmax-3S 
          =Xmax-3R.  
          =4.35%
式中：R——变异系数
      S——标准偏差
      ——品位平均值
      R= ×100%
      熟料均匀时R≤5%
熟料中等均匀时R≤10~15%
熟料不均匀时R>15%
工厂设予场化堆场，熟料均匀取R=0.05
当熟料控制MgO为4.35%时，其最大值不会超过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可为3.35%，按石灰石×1.4料耗→ 熟料，石灰石中的MgO可为3.1%。
取其中间值石灰石控制MgO=3.2%。
经水泥厂的生产实践，按此值控制出矿石品位，熟料中的MgO则为4%±。不仅熟料强度符合国家规范要求，而且熟料颜色发青，较为好看，生产的水泥具有低干缩性，很受市场青睐。

      3.3  矿床模型模拟

      本设计利用地质报告提供的石灰石矿山地质资料，采用CQMS软件系统对矿石质量进行研究分析和地质设计，为今后的生产勘探及搭配开采提供必要的图件和数据。

      3.4  采用横向开采法 

      本矿为山坡露天矿床，采用自上而下分水平。工作面垂直走向布置，沿走向推进，采用横向开采法。
在工作面上，矿、夹层能全部出露，为搭配开采创造了前提的条件。以MgO为控制指标，夹层的最大允许掺入率见下式：
Q= ×100%
 = ×100%
 =34.5%
式中：Q——夹层最大允许渗入率% 
      P——矿石进厂最低工业品位（MgO=3.2%）
      P1——矿层MgO平均品位2.32%
      P2——夹层MgO平均品位5.75%

      3.5  3个采区统一规划

       为了合理的使用矿产资源，进行质量搭配及扩大矿山能力的需要，进行了大火尖山、考山、转山三山的统一规划。

      3.6  采掘进度计划的编制

      设计中，采掘进度计划编制为5~10年。

      4．矿山生产情况与对矿石质量控制的措施

      4.1  矿山产量

表3   矿山产量统计表    

      从以上统计可以看出，由1986~1998.5，其建筑石与水泥石之比为1.41:1(t/t)。而在1998.6振兴水泥厂的新型干法线投产之后，由于水泥厂的配料与工艺设计是针对矿山铁岭组灰岩的特征进行的。设计上采取了一系列的有效措施，矿山与水泥厂生产中又有效地进行了质量控制与管理，矿山生产的建筑石与水泥石之比降到0.04:1(t/t)。使矿产资源得到了充分的利用。

4.2  矿山对矿石质量控制的措施

4.2.1  生产勘探 

      矿山配备QJD-50型取样钻机做生产勘探使用。按50×50m的网度，在采矿工作面上刻槽与钻孔取样。刻槽的规格为5×2cm的矩形，样长为2m。矿山在240m、225m与210m水平进行过此项工作。并据生产勘探所取得的数据，绘制各开采水平的地质平面图。图中标出各矿层与夹层的储量与质量。

      4.2.2  按年度水泥石的数量及质量指标，根据各开采水平的地质情况编制年度、季度、月度采掘进度计划。保证采掘设备调动不过于频繁，上下水平的工作线保持规定的超前距离，扩邦与延深工作的协调，按计划准备新水平，保证在多台段开采时的三级矿量。这样均衡了生产剥采比，解决了采剥失调的现象。

      4.2.3  闭路式的质量控制体系 

     矿山质量控制是在采掘进度计划指导下，进行质量控制。

     钻孔取样：对深孔爆破和每个钻孔的孔渣均取样化验，化验结果标注在“深孔爆破钻孔平面图”上。可确定工作面各位置的矿石品位。 

     爆堆取样：横向5~10m一个样，每样2kg。对潜孔钻取样后的界定的界限做一验证。给采矿车间下达配矿通知。

     铲窝取样：每天上午在挖掘机作业的铲窝取样，取样化验结果1~2小时出来，通知运矿汽车司机按规定将矿石卸入溜井，进行人工配矿。

     水泥石入仓取样：每小时取1个样。取样结果通知破碎车间进行入仓搭配。

     车皮取样：在出厂的火车上，每车皮取3个样，一列车做一混合样，通知水泥厂。进行出矿与入厂矿石品位对比。
通过以上措施的实施，在水泥生产的均化链中，使矿山开采这一环节的均化作用，达到充分体现。

     5．水泥厂对低品位原料的利用

     5.1  针对原料的特点，水泥厂工艺设计上采取了多项生产控制措施。在均化、配料及煅烧上，各项设计的方案措施都是行之有效的。

     5.2  搞好原料均化链的四个环节。

     5.2.1  矿山开采：质量搭配、均衡开采。

     5.2.2  原料予均化

     石灰石予均化堆场，（Φ80m圆型均化堆场），储存量28,000t。 

      砂岩、铁矿石、铝矾土和煤的均化，设矩型予均化堆场。

     5.2.3  原料调配 

      原料调配站设置四个配料仓：石灰石、砂岩、铝矾土和铁矿石仓。并设置X萤光分析仪，检测半成品及成品。将根据分析出的各个率值数值及时调整原料配比。

    5.2.4  新型多点流式生料均化库 

      采用TP-1型生料均化库，库底带中心锥，库底环形充气区耗气量少，每个卸料口上部有钢制减压锥，入库生料经溢流式生料分配器使生料在库内均匀分布。库底有套筒式小仓，小仓集称重、喂料、搅拌作用于一体。出库生料CaO的标准偏差<0.25%。

      5.3  生产控制 

      5.3.1  生产实践证明，2000t/d予分解窑可以利用低品位石灰石生产出优质低碱熟料。窑的热力强度高，适应能力强。熟料结粒细小，均匀，没有黄心料，磨制的水泥呈浅灰色。从岩相分析结果证明，烧出的熟料结构致密，矿物晶体发育规则，比较完整。

     5.3.2  合理调整熟料率值。经多次调整，将率值控制在：
KH=0.90±0.02
SM=2.7±0.1
AM=1.3±0.1
当KH值在0.92以下时，熟料中的f.CaO都能得到很好的控制。

     5.4  水泥的实物质量水平

表4 P.O42.5水泥主要物化指标表    

     在工厂生产P.O52.5水泥时，其28天抗压强度达60MPa以上。振兴厂利用铁岭组灰岩生产的低碱水泥，已广泛地利用到京津地区桥梁建筑、机场跑道、港口码头、地下工程等大型混凝土建筑中。如首都机场西跑道和东、西跑道联络线，通往首都机场的北京五环线等均使用了振兴厂的正通牌低碱水泥。

    6. 对直接顶、底板围岩的利用 

     矿体的直接顶板围岩是条带状硅质石灰岩，直接底板围岩，是锰质、硅质石灰岩，它们的岩性均属于泥质灰岩。据测算，东营房矿区（包括大火尖山、考山及转山3个采区）的上述顶底板围岩约为5000万t。

直接顶、底板围岩化学品位表(%)

     其中顶板夺厚约9.53m，底板厚约26.68m。底板围岩约占问题总量的75%，其值是KH=1.24，SM=6.0,AM=2.0。

     以上品位的围岩属高硅、低钙、低铝的岩石，经专家论证，初步配料计算及借鉴有关厂矿的经验可知，此种围岩是可以做为水泥原料使用的。

初步配料方案如下表(表6)

表6 初步配料方案

     为了落实上述方案，矿山已属专门立项进行研究。天津市国土资源局对该项目已拨出专项资金，予以支持。

     7．对间接顶、底板围岩的利用 

     矿区的间接底板围岩是蓟县系洪水庄组的砂质页岩、石英砂岩，间接顶板围岩是青白口系下马岭组的砂页岩。目前，间接顶板围岩已广泛出露。仅2004年，剥离砂页岩10万t以上，剥离出的砂、页岩全部供给了蓟县开发区的页岩砖厂，做为烧制页岩的原料。 

    利用页岩和煤矸石作原料，生产性能优良的新型节能保温墙体材料（页岩多孔砖）取代被禁止生产使用的实心粘土砖，是节土、节地、资源综合利用的最佳措施之一。 

表7  物料及动力消耗表

     8．结语

     8.1  蓟县铁岭组灰岩是高镁、低钙、高硅、低碱的矿层，对其利用是取其长项（低碱），克服其短项（高镁、低钙）。2000t/d以上的新型干法窑，由于热力强度高，煅烧时对各种原料的适应性强。实践证明，在设计与生产时，采取了均化及合理配料的措施后，用低品位原料是可以生产出高标号的低碱水泥的。

     8.2  为了充分利用矿产资源，提高水泥企业的效益，对矿石的工业指标，应做进一步的研究。目前振兴厂已将CaO含量46~47.5%的石灰石利用到50%±；对于石灰石中MgO的指标，辽宁工源水泥厂已放到4%。而长江三峡大坝对水泥中MgO的指标要求到3.5~5%，以利用其微膨胀性，达到减少裂缝的效果。

     8.3   目前，天津水泥石矿已达到0排废。对矿床的直接顶板（条带状硅质灰岩）、直接底板（锰质硅质灰岩）正研究其做为水泥原料的利用问题。对间接顶板（下马岭组砂页岩），间接底板（洪水庄组砂页岩），已做为页岩多孔砖原料的利用。对矿夹层中的迭层石，符合条件的部分则做为“奇石”工艺品，加工后供应市场。矿山综合利用的前景是美好的，矿山真正可做到“无废料”矿山。以单一眼光看待的“废料”，经综合利用都将都成为“有用之材”。

    8.4   天津市是环渤海经济圈的中心城市，又是缺山，少资源的沿海城市，对其所属的蓟县地区的矿产资源的综合开发和利用更具重要意义。天津水泥石矿不仅对矿体夹层全部利用，达到了0排废；而且又对矿体的顶、底板围岩进行了综合开发和利用，贯彻了“把节约放在首位”的资源政策。近年来，矿山搞好绿化与规划，进一步向生态形的绿色矿山发展。
这是一实现“循环经济”，建设“节约型社会”的成功范例。