巢湖小黃山砂巖礦工業(yè)指標優(yōu)化探討

馮書文,吳東華，詹建華,黃維國,王 勇

(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心安徽總隊，安徽 合肥 230031；2.中材安徽水泥有限公司，安徽 巢湖 238052)

巢湖小黃山砂巖礦為異體共生礦床，由水泥用粘土質(zhì)和硅質(zhì)原料礦體組成。礦體賦存于中志留統(tǒng)墳頭組，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細砂巖。普查階段，由于較多樣品分析結(jié)果不滿足粘土質(zhì)、硅質(zhì)原料礦石一般指標要求，勘查單位依據(jù)周邊水泥企業(yè)生產(chǎn)情況，結(jié)合礦床地質(zhì)特征和含礦巖層化學(xué)組分等勘查資料，提交了有關(guān)工業(yè)指標說明，水泥企業(yè)提出了建議工業(yè)指標?？h(市)級國土資源管理部門上報，省級管理部門組織專家論證，經(jīng)省廳審批下達了礦床工業(yè)指標?？辈閱挝话丛撝笜巳ΧǖV體，估算資源量，編制地質(zhì)勘查報告。通過對開采礦山的調(diào)查研究，探討部分普查工業(yè)指標，為同類礦床勘查和礦床工業(yè)指標修訂提供有價值的參考。

1 礦床地質(zhì)特征

礦區(qū)位于下?lián)P子地塊(Ⅲ1)沿江褶斷帶(Ⅲ2-1)北緣銀屏褶皺束姥山復(fù)背斜之姥山背斜北西翼，地層劃分屬下?lián)P子地層分區(qū)(Ⅲ1)和縣—安慶地層小區(qū)(Ⅲ2-1)。區(qū)內(nèi)主要出露志留系—泥盆系海陸交互相碎屑巖—河湖相泥砂質(zhì)沉積地層。賦礦層位為中志留統(tǒng)墳頭組，層位厚度＞336.76m。姥山背斜出露長約1km，軸面產(chǎn)狀300°∠80～82°，樞紐北東向傾斜，傾角5～8°，屬直立水平褶皺。區(qū)內(nèi)兩條斷層，對礦體影響較小。礦區(qū)未見巖漿巖、變質(zhì)巖。

按照普查指標圈礦結(jié)果，礦床由3個硅質(zhì)(編號G1～G3)和4個粘土質(zhì)(編號N1～N4)礦體組成[1]，為共生礦產(chǎn)。N1長935m、寬68m、厚41.15m，為最大礦體，占35%。各礦體多裸露地表，平面似長方形，長935m，總寬＞300m，面積約0.31km2。礦體走向北東，西北翼傾角40～50°，南東翼傾角30～60°。礦體賦存最高標高+234.0m，最低可采標高+70m，相對高差164.0m。

粘土質(zhì)礦體巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，硅質(zhì)礦體為粉砂巖、細砂巖。N1、N2、G2和G3為規(guī)模較大的礦體，全區(qū)硅質(zhì)原料平均：SiO282.04%、Al2O38.51%、Fe2O34.48%、K2O+Na2O 1.96%；粘土質(zhì)原料平均：SiO269.12%、Al2O315.12%、Fe2O36.12%、K2O+Na2O 3.77%、硅酸率(SM)3.25。

礦石主要有細砂、粉砂、泥質(zhì)粉砂和粉砂泥質(zhì)四種結(jié)構(gòu)，薄—厚層狀構(gòu)造。自然類型主要為細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖四種。工業(yè)類型為水泥用硅質(zhì)原料和粘土質(zhì)原料兩種，其中以硅質(zhì)原料為主。底板與礦層層位相同，頂板為墳頭組(S2f)粉砂巖、細砂巖及茅山組(S3m)細粒巖屑石英砂巖。似層狀、透鏡狀夾石體6個，夾石體長177～935m，厚10.95～20.95m，產(chǎn)狀與礦層基本一致。夾石體K2O+Na2O高于指標，硅酸率不能滿足要求。

2 普查階段工業(yè)指標的確定

依據(jù)化學(xué)分析結(jié)果，按照一般工業(yè)指標較難圈定礦體，無法正常估算資源量。結(jié)合周邊水泥企業(yè)生產(chǎn)實際和礦床地質(zhì)特征及含礦巖層化學(xué)組分等勘查資料，最終確定了普查階段礦床工業(yè)指標如下：①粘土質(zhì)原料：硅酸率(SM)為2～4.5、鋁氧率(AM)不 限、K2O+Na2O≤ 4.5%、MgO≤ 3%、SO3≤2%、Cl-≤0.015%； ② 硅 質(zhì) 原 料：SiO2≥ 75%、K2O+Na2O≤ 2.5%、MgO≤ 3%、SO3≤2%、Cl-≤0.015%。對連續(xù)8m的礦體代表厚度，其品位加權(quán)后仍達到工業(yè)品位要求時參加資源量估算。

3 普查階段的工業(yè)指標優(yōu)化探討

3.1 粘土質(zhì)原料硅酸率(SM)的確定

現(xiàn)行勘查規(guī)范[2]一般要求中，二類粘土質(zhì)原料硅酸率(SM)不超過4.0。普查階段評審硅酸率(SM)為2～4.5，較二類粘土質(zhì)原料一般工業(yè)指標上限高0.5。

目前，通過資料分析和本礦山水泥生產(chǎn)驗證，基本確定不宜提高硅酸率上限。SiO2、Al2O3、Fe2O3均為水泥配料中有益組分，若提高硅酸率(SM)上限，意味單樣中提高SiO2，相應(yīng)降低Al2O3、Fe2O3要求。人為或過分降低Al2O3、Fe2O3含量，就失去作為粘土質(zhì)配料的意義。因生料中常加入鐵質(zhì)原料，F(xiàn)e2O3含量或鋁氧率作為次要指標，而Al2O3是作為粘土質(zhì)原料首要考慮的因素。

水泥生料配料方案：石灰石85%～88%，砂巖(硅質(zhì))+粉砂巖(鋁質(zhì))10%～13%，鐵粉1.2%～2%(表1)； 水 泥 生 料 三 率 值：KH 0.96～1.02、SM 2.60～3.00、IM 1.2～1.5；熟料三率值：KH 0.880～0.920、SM 2.40～2.60、IM 1.4～1.6。熟料28d強度[3]維持在54.0～56.0MPa。三率值按中限控制(KH 0.890～0.910、SM 2.45～ 2.55、IM 1.50±0.1)， 熟 料 28d強 度 維 持 在54.0～56.0MPa。

表1 水泥生料主要配料方案 (單位：%)

配料方案中(粘土質(zhì)+硅質(zhì))配料比例10%～13%，粘土質(zhì)原料硅酸率(SM)2.60～3.00，低于普查工業(yè)指標上限(4.5)；Al2O3含量15.0%。根據(jù)水泥企業(yè)品質(zhì)部意見，若粘土質(zhì)Al2O3含量降至13.0%以下，無法滿足熟料生產(chǎn)對粘土質(zhì)配料的需要；Al2O3＜13.0%不宜或不能作為粘土質(zhì)原料，相反可以考慮作為硅質(zhì)原料利用。

選擇位于礦區(qū)中部的1線樣品[4]進行統(tǒng)計，硅酸率(SM)為4.0～4.5的樣品中，61%的樣品Al2O3＜13%。表明硅酸率(SM)為4.0～4.5時，約60%以上資源不能或不宜作為粘土質(zhì)原料。按粘土質(zhì)原料硅酸率(SM)為2～4.0一般指標，圈定的礦體符合生產(chǎn)需要，能較好指導(dǎo)礦山未來開采。

3.2 硅質(zhì)原料SiO2邊界品位的確定

邊界品位是礦石與圍巖之間的分界品位，是圈定礦體時對單個樣品的最低極限品位。它必須使圈出的礦體具有工業(yè)價值，即礦體平均品位不低于最低工業(yè)品位要求[5]。有用組分含量低于邊界品位，或有害組分含量高于邊界品位的樣品，其代表的地段作為圍巖或夾石。平均品位界于工業(yè)品位與邊界品位之間的礦體或礦段，其擁有的儲量則為暫不能利用(表外)儲量[6]，作為二類礦石。根據(jù)礦山開采經(jīng)驗，對于硅酸率(SM)為4.0～4.5、Al2O3＜13%的樣品，不能或不宜作為粘土質(zhì)原料，主要原因是Al2O3含量偏低，不能滿足配比需要，達不到粘土質(zhì)配料要求。但本文論證，能否考慮作為硅質(zhì)原料利用，并試圖找出硅質(zhì)原料SiO2邊界品位的依據(jù)。

一般工業(yè)指標要求中，硅質(zhì)原料要求：SiO2＞80%，其中，普查階段已審查SiO2≥75%可作硅質(zhì)原料。但對70%＜SiO2＜75%、硅酸率(SM)為4.0～4.5樣品，能否作為硅質(zhì)原料是個值得探討的問題。在回轉(zhuǎn)窯工況穩(wěn)定，其它影響熟料強度因素排除的前提下，若作為硅質(zhì)原料，并按目前企業(yè)生料配比，熟料硅酸率很難控制在2.50以上，需要通過搭配高硅(SiO2＞80%)原料可作為硅質(zhì)原料利用；或者改變配料方案，使用高飽和低硅率的配料方案，例如：KH 0.920～0.940、SM 2.35～2.45、IM 1.3～1.5，熟料強度約在53.0MPa左右。從開采成本，以及配料數(shù)量、質(zhì)量方面考慮，礦山實際采用搭配高硅原料方法，技術(shù)可行，經(jīng)濟合理。所以，從理論配比和實際生產(chǎn)，硅酸率(SM)＞4.0、SiO2＞70%，可以作為硅質(zhì)原料邊界品位，較一般指標SiO2下限低10%，通過搭配高硅原料可以利用，具工業(yè)意義。水泥生料主要配料方案中，硅質(zhì)原料SiO2為78%，低于礦區(qū)硅質(zhì)原料SiO2均值82.04%，亦低于一般工業(yè)指標SiO2下限80%。

《水泥原料礦床地質(zhì)勘探規(guī)范》(試行)[7]、《礦產(chǎn)工業(yè)要求參考手冊》[8]、《水泥原料礦地質(zhì)勘探規(guī)范》[9]、《冶金、化工石灰?guī)r及白云巖、水泥原料礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》和工業(yè)要求手冊(2010)[10]等，對礦石品質(zhì)有一定要求(表2)。當SiO2≥80%、MgO≤3.0%、K2O+Na2O≤2%、SO3≤2.0%時，可作為特種水泥硅質(zhì)原料[9-10]，如中低熱水泥、油井水泥；當 SiO2≥ 70%、MgO≤ 3.0%、K2O+Na2O≤ 4%、SO3≤2.0%時，可滿足水泥用硅質(zhì)原料普通硅酸鹽水泥品質(zhì)要求[10]。以往勘查規(guī)范、參考或工業(yè)手冊指標，以及實際開采利用， SiO2≥70%時均能夠滿足水泥用硅質(zhì)原料生產(chǎn)要求。由于SiO2≥70%低于現(xiàn)行一般指標(SiO2≥80%)下限10%，可作為劃分礦與非礦界限的單個礦樣中有用組分的最低品位。

表2 粘土質(zhì)、硅質(zhì)原料礦石化學(xué)成分質(zhì)量要求

以1線剖面為代表[4]，硅酸率(SM)＞4.0、SiO2＞70%～75%，既不滿足現(xiàn)行規(guī)范對水泥配料用粘土質(zhì)一般要求，也不滿足現(xiàn)行規(guī)范對水泥配料用硅質(zhì)原料一般要求，其厚度約占原硅質(zhì)原料總厚的10%，巖性主要為粉砂巖。作為底板圍巖或夾石剔除，既浪費資源，又不利于綠色礦山建設(shè)。但通過劃分邊界品位，對其塊段進行估算，采用搭配高硅配料或改變配料方案，使該區(qū)段資源量得到有效利用，經(jīng)實踐檢驗，對提高礦產(chǎn)資源利用率有重要意義。

3.3 K2O+Na2O指標的確定

普查論證粘土質(zhì)原料指標K2O+Na2O≤4.5%。該指標較現(xiàn)行一般工業(yè)指標K2O+Na2O上限高0.5%，不高于桃花尖、小鞍山、小沖、朱村等同類生產(chǎn)礦山圈礦指標(表3)，類比是可行的，不予評述。普查論證硅質(zhì)原料指標K2O+Na2O≤2.5%。該指標高于現(xiàn)行一般指標(≤2.0%)上限0.5%，但低于同類礦山、以往勘查規(guī)范或手冊要求[7-10]上限0.5%～1.5%。

硅酸率(SM)＞4.0，SiO2＞70%～80%，巖性主要為粉砂巖、細砂巖，礦山稱“中硅砂巖”。一般情況下，硅質(zhì)原料SiO2含量增高，Al2O3、Fe2O3、K2O+Na2O含量相對降低，反之亦反。主要原因是SiO2含量越高，粘土質(zhì)礦物相對減少，所 含 的 Al2O3、Fe2O3、K2O+Na2O 含 量 越 低，SiO2與K2O+Na2O含量存在負相關(guān)關(guān)系。繁昌桃花尖、懷寧小鞍山等類似生產(chǎn)礦山驗證，硅質(zhì)原料K2O+Na2O≤4.0%能滿足配料要求，不高于以往勘查規(guī)范或手冊要求，說明技術(shù)上可行，經(jīng)濟上合理。當SiO2含量降至邊界品位(70%)時，K2O+Na2O可放大至4%，作為圈定礦與非礦的最低品位界限。

表3 K2O+Na2O成分質(zhì)量要求

無論粘土質(zhì)或硅質(zhì)原料，若K2O+Na2O適中，則不需搭配而當作礦石直接利用。但若K2O+Na2O變化較大，需放寬堿含量指標時，將勢必影響水泥熟料質(zhì)量。為削弱堿影響，采取以下措施：①搭配低堿料、使用低堿石灰石、低堿鐵質(zhì)原料等，以降低總體堿含量，使用低堿鋁質(zhì)材料，如轉(zhuǎn)爐渣等Al2O3含量高堿含量低的物料與之搭配，降低鋁質(zhì)總體堿含量＜4.0%；②調(diào)整熟料配料方案，提高飽和系數(shù)、硅率的控制指標：可將熟料三率值調(diào)整KH 0.910～0.930、SM 2.55～2.65、IM 1.3～1.5，熟料中降低Al2O3含量，提高Fe2O3含量，既調(diào)整熟料中IM，又減少鋁質(zhì)材料帶入高堿，降低堿對窯系統(tǒng)的影響，同時提高硅率，提高后期強度；③使用優(yōu)質(zhì)石灰石，如CaO≥50%、MgO≤1.0%、K2O+Na2O＜0.5%，其它影響熟料強度的微量元素帶入少(主要指鎂、硫、堿等元素及結(jié)晶硅)，可彌補堿含量高帶來的強度影響。采用鋁質(zhì)材料堿含量高的處理措施，同樣解決硅質(zhì)原料堿含量高的問題。

粘土質(zhì)原料K2O+Na2O≤4.0%時，對生產(chǎn)影響是可控的，熟料強度可保持在54～56MPa；粘土質(zhì)原料K2O+Na2O為4.0%～4.5%時，計算生料堿含量約增加0.05%～0.1%，熟料堿含量增加0.07%～0.15%，熟料強度略有下降，熟料28d強度約53～55MPa，但配料上稍作調(diào)整，熟料SM提高0.05～0.10，能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，銷售商品熟料和生產(chǎn)P·Ⅱ 52.5水泥后期強度合格；當粘土質(zhì)原料K2O+Na2O為5.2%時，若采用同類硅質(zhì)鋁質(zhì)材料，且配比相同，計算生料堿含量將增加0.12%～0.17%，熟料堿含量將增加0.18%～0.26%，熟料28d強度只有52.0～54.0MPa，銷售商品熟料和生產(chǎn)P·Ⅱ 52.5水泥后期強度不合格，但可生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，堿含量增加0.2%，熟料強度將下降2.0～3.0MPa。

3.4 其他技術(shù)指標的確定

其他技術(shù)指標直接套用勘查規(guī)范一般工業(yè)指標要求：MgO≤3%、SO3≤2%、Cl-≤0.015%、剝采比≤0.5∶1、最小可采厚度4m、夾石剔除厚度2m、最終采場邊坡角50°。

4 優(yōu)化指標前后礦體對比

小黃山砂巖礦區(qū)內(nèi)共施工7條探槽和12個鉆孔，且對每個工程進行了取樣分析。本文選擇代表工程樣品，按普查及優(yōu)化指標方案，對其化學(xué)分析結(jié)果進行圈礦(表4、圖1)，對比變化如下。

(1)指標優(yōu)化后，部分粘土質(zhì)原料圈定為二類硅質(zhì)原料，變化比例約16%；部分夾石圈定為二類硅質(zhì)原料，變化比例約31%；硅質(zhì)原料資源量約增加16%。

(2)主要組分變化(表5)：硅質(zhì)原料SiO2減少2.02%、Al2O3增 加 0.96%、Fe2O3增 加 0.30%、K2O+Na2O 增加0.28%；粘土質(zhì)原料SiO2減少1.18%、Al2O3增加 0.58%、Fe2O3增加0.0.21%、K2O+Na2O增加0.12%。組分變化系數(shù)0.9%～11.2%。

(3)指標優(yōu)化后，礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單，圈定2個硅質(zhì)礦體、4個粘土質(zhì)礦體、3個夾石體(圖1)；礦石面積增加8%，其中硅質(zhì)原料面積增加3 476m2，粘土質(zhì)原料面積減少1 742m2，夾石面積減少44%。

根據(jù)勘查資料和開采實際，按優(yōu)化指標圈定礦體完整，形態(tài)相對簡單，利于勘查和礦山開采。

5 結(jié)論建議

(1)小黃山粘土質(zhì)原料優(yōu)化硅酸率(SM)為2.0～4.0，不超出(不提高上限)現(xiàn)行勘查規(guī)范質(zhì)量要求是適用的，能如實反應(yīng)粘土質(zhì)礦體形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀及空間變化，便于礦床開采。

(2)普查階段已論證作為硅質(zhì)原料的中硅砂巖SiO2≥75%，對于70%＜SiO2＜75%、硅酸率(SM)為4.0～4.5的中硅砂巖，較粘土質(zhì)原料一般指標硅酸率(SM)上限高0～0.5，礦山通常搭配高硅(SiO2＞80%)原料，作為硅質(zhì)原料開采利用。小黃山硅質(zhì)原料硅酸率(SM)＞4.0、SiO2＞70%，用于通用硅酸鹽水泥生產(chǎn)，作為硅質(zhì)原料礦石可行，搭配利用具工業(yè)意義。

(3)指標優(yōu)化后，圈定的礦體形態(tài)相對簡單，利于礦床后期勘查和控制研究；劃分礦石類型合理，能較好指導(dǎo)礦山開采，對降低礦山開采難度和開采成本，合理利用礦產(chǎn)資源具有實際意義。

(4)為充分利用資源和貫徹綠色發(fā)展理念，在同類礦床勘查或礦床工業(yè)指標修訂中，建議水泥配料用粘土質(zhì)、硅質(zhì)原料礦石化學(xué)成分要求，在現(xiàn)有一般要求基礎(chǔ)上增加：粘土質(zhì)原料Al2O3≥13%；硅質(zhì)原料邊界品位SiO2＞70%、K2O+Na2O≤4.0%，或二類礦石品位70%≤SiO2＜80%、2.0%＜K2O+Na2O≤4.0%。

表4 普查指標與優(yōu)化指標方案圈礦對比

圖1 代表性剖面優(yōu)化指標前后圈礦結(jié)果對比

表5 普查指標與優(yōu)化指標圈定礦石成分及厚度變化