淺議水泥石灰石礦山的優(yōu)化利用

張 偉 李巖峰 李世旭

（丹東東方測控技術(shù)股份有限公司， 遼寧 丹東 118000）

1 石灰石礦山的利用原則

上世紀(jì)九十年代，隨著水泥生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，水泥廠所需的石灰石礦山也在擴(kuò)大，對石灰石礦山的開采，需求量也逐漸擴(kuò)大。國家建材局于1991年發(fā)布了《水泥礦山原料管理規(guī)程》指出：制定石灰石進(jìn)廠質(zhì)量控制指標(biāo)時(shí)候，在滿足水泥原料配料的基礎(chǔ)上，對不同品級(jí)的礦石進(jìn)行均化開采，經(jīng)濟(jì)合理的充分利用礦產(chǎn)資源。在此后的水泥發(fā)展過程中，大多水泥廠的礦山開采實(shí)現(xiàn)了高低搭配，保持合理的石灰石成分。按照劃分，水泥廠的石灰石按照成分劃分為兩級(jí)，一級(jí)品：CaO≥48%，二級(jí)品：48%≥CaO≥45%。評(píng)價(jià)一個(gè)石灰石礦山的好壞主要有三點(diǎn)：一是看主要成分的含量是否滿足配料要求，二是看有害成分的含量是否超出了工藝允許，三是看礦石的質(zhì)量是否均衡穩(wěn)定。在已經(jīng)圈定的礦山范圍內(nèi)，大型的礦山按照計(jì)劃保持合理的三量對礦山既有礦石進(jìn)行高低搭配使用，或?qū)τ泻Τ煞挚刂频臅r(shí)候搭配低品位物料。從規(guī)程上明確對資源要充分利用，對水泥企業(yè)高效利用資源起了很大的推動(dòng)作用。

近幾年來，國家在環(huán)保方面的要求越來越嚴(yán)格，同時(shí)水泥市場也在萎縮，在環(huán)保和市場的雙重壓力下，要求水泥企業(yè)通過對內(nèi)的挖潛改造和精細(xì)化管理來降低成本，提高市場競爭能力。與二十年前相比，水泥企業(yè)提出了許多更高的要求，例如，減少排廢，加大對剝離料和夾石層的利用率，甚至提出了礦山零排放的要求[1]。針對這些更高的要求，水泥企業(yè)需要重新審視已有的開發(fā)方案，對開發(fā)方案進(jìn)行再優(yōu)化[2]。

2 石灰石礦山進(jìn)行再優(yōu)化的好處

對石灰石礦山進(jìn)行再優(yōu)化的好處主要有以下幾點(diǎn)：

（1）降低礦山的剝采比例，對含CaO量較低的低品位石灰石礦石善加利用，延長礦山的服務(wù)年限[3]。作為礦山開采中的一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，往往決定著采礦設(shè)備、人員等資源的配置。因而，進(jìn)一步優(yōu)化剝采比可以有效降低排廢，增加礦山的服務(wù)年限。

（2）增加剝離料或雜質(zhì)料減少輔料的（硅鋁質(zhì)原料）搭配使用，減少硅鋁質(zhì)原料的采購，降低外購原料的費(fèi)用。

（3）低品位石灰石由于在形成的過程中并未形成十分完整的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因而其結(jié)晶結(jié)構(gòu)具有易分解、易燒性好和燒成能耗低的特點(diǎn)，利用低品位石灰石可以降低熟料燒成的煤耗。有關(guān)研究表明，使用低品位石灰石的生產(chǎn)水泥熟料，其熟料的熱耗要比高品位的石灰石低10%－15%。

3 石灰石礦山優(yōu)化的條件

進(jìn)行石灰石礦山優(yōu)化，首先要求石灰石礦山具備以下幾個(gè)必要條件：

（1）石灰石所含成分必須是滿足生料配料的有效成分。生料中的成分主要是CaCO3、SiO2、Al2O3、Fe2O3，各自占有一定的比例，只要在石灰石礦石的硅鋁鐵含量不超過生料配料中的規(guī)定值，即可實(shí)現(xiàn)高低物料的搭配。而石灰石礦石中的雜質(zhì)多半是這三種物質(zhì)，只要雜質(zhì)中的成分含量不超過生料配料的最高要求，即可作原料使用，而石灰石原料中不足的SiO2、Al2O3、Fe2O3部分，可以在生料配料環(huán)節(jié)完成。

（2）下山石灰石要形成成分相對穩(wěn)定的料流。水泥的生產(chǎn)是連續(xù)的，其成分的波動(dòng)往往帶來各種變化，使得生產(chǎn)變得不穩(wěn)定。這是生產(chǎn)中的大忌。所以，對石灰石礦山的物料進(jìn)行優(yōu)化，就是要有比較穩(wěn)定的物料來源，即根據(jù)三量的安排，要長期計(jì)劃和近期計(jì)劃相結(jié)合，不僅作為主要成分的CaCO3波動(dòng)小，而且其他的配合料帶來的成分波動(dòng)也要控制，使得物料的成分波動(dòng)盡量的小，以此來穩(wěn)定工廠的生產(chǎn)。

（3）必須有效控制有害成分。水泥礦山中的有害成分主要是鎂、堿、硫。氧化鎂在石灰石礦山中較為常見，其含量差異很大，因?yàn)樵谑炝响褵龝r(shí)候，氧化鎂有一部分和熟料礦物結(jié)合或固溶體以及熔于液相中。因此，當(dāng)熟料中含有少量氧化鎂的時(shí)候，會(huì)降低熟料液相生成溫度增加液相數(shù)量，降低液相粘度，有利于熟料的形成，還能改善色澤。在水泥熟料中，氧化鎂的固溶總量可達(dá)到2%，其余的是以游離狀態(tài)存在的方鎂石。這種礦物會(huì)在水化的時(shí)候速度慢，體積膨脹，會(huì)導(dǎo)致安定性不良，因此，必須從源頭上予以控制。堿氯硫，石灰石礦山中或多或少均有一種或幾種存在。這些物質(zhì)在生產(chǎn)過程中，隨著溫度不同，本身的物相及其物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，在高溫地帶，受熱揮發(fā)，隨著煙氣進(jìn)入后面的煙室、分解爐和預(yù)熱器系統(tǒng)，并凝聚在生料顆粒表面，形成低溫共熔物。這些含有液相的粉料顆粒極易粘接在預(yù)熱器內(nèi)壁上。對這些容易形成低溫共熔物的物料要嚴(yán)格控制含量，尤其是氧化鎂和硫含量絕對不可同時(shí)都高。一般要求，生料中的堿含量＜1.5%，氯含量＜0.02%，S＜1.3%。在綜合考慮輔料中的有害成分后，對石灰石礦山的有害成分控制就明晰了。

4 石灰石礦山優(yōu)化的技術(shù)措施

（1）生產(chǎn)環(huán)節(jié)的礦石檢測很重要，要做到取樣檢測和在線監(jiān)測的有機(jī)結(jié)合。

在水泥廠的石灰石礦山主要開采環(huán)節(jié)有“鉆、爆、裝、運(yùn)、破”五大環(huán)節(jié)，取樣檢測則可貫穿于各個(gè)環(huán)節(jié)，如在鉆孔的時(shí)候可以取到鉆孔的粉料作為樣品進(jìn)行檢驗(yàn)，并且據(jù)此判斷即將爆破的區(qū)域的礦石的成分含量及其分布[4]。取樣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是取樣代表性的問題，即用一部分樣品代表整個(gè)物料的整體情況。顯然，取到的樣本數(shù)量越多，其平均的成分含量與礦體平均值越接近。其取樣部位應(yīng)指定，以此減小取樣位置因隨機(jī)性帶來的誤差。例如，在礦體中劃定方格網(wǎng)陣，在每個(gè)方格網(wǎng)陣中取樣，作為子樣。這種對取樣位置劃定區(qū)塊，嚴(yán)格要求取樣的方式，其代表性要遠(yuǎn)高于隨機(jī)位置取樣代表性。只有對各個(gè)區(qū)塊的的取樣樣品取得詳細(xì)準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，才可在后續(xù)的裝運(yùn)工作中找到合適的物料進(jìn)行合理、均勻的混合。所以，作為取樣檢測的重要一環(huán)，要重點(diǎn)關(guān)注取樣代表性的問題。

在線檢測是最近幾年新興的高科技石灰石檢測技術(shù)，其基本原理是基于PGNNA技術(shù)，利用中子源打擊被測物料的原子核，物料的原子核俘獲到中子后，釋放出特征能量的伽馬射線，通過檢測γ射線的能量，可以得知被測元素的種類，通過檢測被測元素所釋放的伽馬射線的強(qiáng)度計(jì)算出元素的含量。相對于此前的取樣分析，這種分析手段快速準(zhǔn)確，最大的優(yōu)點(diǎn)是全物料檢測，沒有取樣代表性的困擾。將檢測儀表跨在皮帶機(jī)上，對皮帶機(jī)上的全部物料進(jìn)行透射式檢測。

取樣檢測和在線檢測應(yīng)用于礦山開采過程中的環(huán)節(jié)不同，它們起到不同的作用，要將二者有機(jī)結(jié)合起來，而不是簡單的取代[5]。取樣檢測是對礦區(qū)及各掌子面的掌控和規(guī)劃的需要，是合理配料的前提，而經(jīng)過破碎的物料經(jīng)過分析儀全物料檢測為物料在卸車坑的搭配方案及時(shí)調(diào)整提供依據(jù)。二者相輔相成，有機(jī)結(jié)合，對礦山進(jìn)行精確的探知、生產(chǎn)和控制。

（2）建立數(shù)字化礦山模型

水泥廠的石灰石礦山的生產(chǎn)在進(jìn)入新世紀(jì)以來，由于水泥市場的擴(kuò)張，在水泥制造企業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)張的同時(shí)，石灰石礦山也經(jīng)歷了以產(chǎn)能增加為主要內(nèi)容的快速擴(kuò)張。雖然有不少企業(yè)對礦山加強(qiáng)了管理，但是距離國際先進(jìn)水平尚有差距，2012年后，隨著市場的萎縮，已經(jīng)建成的水泥廠開始重視內(nèi)部的挖潛改造，對各個(gè)工藝環(huán)節(jié)精細(xì)化管理，降低成本。對于石灰石礦山，也在向著采礦的智能化，數(shù)字化發(fā)展。根據(jù)于潤倉院士的提法，對數(shù)字化礦山的概念可以表述為由初級(jí)到高級(jí)的三個(gè)層次：礦山數(shù)字化信息系統(tǒng)、反映真實(shí)礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的虛擬礦山、無人礦井的遠(yuǎn)程遙控操作和自動(dòng)化采礦。在新世紀(jì)的我國的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展過程中，相比我國的有色礦山的數(shù)字化進(jìn)程，水泥企業(yè)石灰石礦山的數(shù)字化無疑是慢了一拍，但是，已經(jīng)引起水泥工業(yè)界的有志之士的注意，在石灰石礦山自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制方面尚未開始，但是在數(shù)字化信息系統(tǒng)方面已經(jīng)有所作為[6-7]。在2015年投產(chǎn)的山東某水泥公司，其礦山采用在線分析儀精細(xì)化配礦系統(tǒng)，這是第一次水泥石灰石礦山的采用數(shù)字化的技術(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)：首先利用已經(jīng)有的詳勘資料中鉆孔、槽探、和爆破孔的取樣數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維的虛擬石灰石礦山模型，對整個(gè)采礦區(qū)域的礦石的分布，品位，等信息以三維狀態(tài)的虛擬礦山形式表現(xiàn)出來。其次，該系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和技術(shù)要求，能自動(dòng)生成配礦、生產(chǎn)等日工作計(jì)劃，同時(shí)該系統(tǒng)配有車輛智能調(diào)度系統(tǒng)。調(diào)度中心可根據(jù)生成的工作計(jì)劃通過車載移動(dòng)終端自動(dòng)對車輛進(jìn)行調(diào)度。并對車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測，對車輛的路線，負(fù)荷等進(jìn)行記載。破碎后的石灰石，在輸送皮帶上，使用在線分析儀進(jìn)行成分檢測，配礦系統(tǒng)根據(jù)測量結(jié)果及質(zhì)量控制目標(biāo)自動(dòng)調(diào)整配礦計(jì)劃，指導(dǎo)礦山開采。數(shù)字化礦山能極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)礦山真正安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采。

石灰石礦山數(shù)字化，是未來的礦山的發(fā)展趨勢，也是我國礦業(yè)由弱到強(qiáng)的必由之路，同時(shí)更是當(dāng)前水泥礦山再優(yōu)化、再利用的有效措施。

（3）多工作面統(tǒng)籌考慮

水泥廠對自有的石灰石礦山進(jìn)行再優(yōu)化，需要再對工作面重新考慮。工作面的設(shè)置并不是僅僅考慮開礦的需要，要更多考慮不同工作面的成分組成，更要重點(diǎn)考慮配礦需求。多個(gè)工作臺(tái)面，具有充足的礦量儲(chǔ)備，不同工作臺(tái)面上的礦石的成分有梯次的排布，這樣，對后續(xù)的精確搭配控制起到重要作用。

因?yàn)闄z測頻率的提高、區(qū)塊的檢測密度加大，對于部分低鈣、高有害成分的物料宜統(tǒng)籌安排，不能一味進(jìn)行排廢處理，而是整個(gè)生料均化鏈角度考慮，實(shí)現(xiàn)高低品位物料的合理搭配。從已經(jīng)投產(chǎn)的部分礦山看，實(shí)現(xiàn)檢測優(yōu)化后，部分礦山對低品位的石灰石再利用潛力巨大，故應(yīng)謹(jǐn)慎對待排廢。例如：東北某水泥公司，安裝一臺(tái)DF-5701的在線元素分析儀后，對已有的低品位石灰石不再排廢，而是根據(jù)檢測結(jié)果運(yùn)輸至破碎站直接搭配，送入工廠的預(yù)均化堆場。盡管這是當(dāng)時(shí)條件下無法避免的二次倒運(yùn)，但是經(jīng)過礦山的利用再優(yōu)化措施，對已有的礦石減少二次倒運(yùn)，對已經(jīng)當(dāng)做廢料的礦石搭配再利用，是提高礦山利用率的有益措施。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)前的水泥廠所用的礦山多數(shù)為既有礦山，可根據(jù)已經(jīng)掌握的資料和已經(jīng)開采的情況進(jìn)行匯總和數(shù)據(jù)分析，對其優(yōu)化再利用提出可靠、可行的方案。

（2）礦山的優(yōu)化再利用方案必須配以合適的快速檢測手段，其中，利用中子活化在線分析儀是一種可靠的檢測和控制方式。

（3）建立礦山數(shù)字化模型是未來礦山開采的發(fā)展趨勢，可以最大程度地實(shí)現(xiàn)礦山的優(yōu)化再利用。

（4）對石灰石礦山進(jìn)行再優(yōu)化，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]賈兆義.礦山開采零剝離及搭配高鎂石灰石生產(chǎn)熟料[J].水泥工程,2017(02)

[2]張凡,黃鐵平.某水泥用石灰?guī)r礦擴(kuò)建項(xiàng)目開采方案探討[J].廣東建材,2017(08)

[3]張強(qiáng).不同摻量玄武巖廢石配料對熟料煅燒及質(zhì)量的影響[J].水泥,2016(09)

[4]郝汝鋌.科學(xué)發(fā)展是水泥礦山的必然選擇[C].全國水泥礦山第四屆年會(huì)論文集,2009

[5]于寶池.高效低碳大勢趨然——試論水泥礦山發(fā)展之路[C].水泥礦山開采和資源綜合利用技術(shù)論壇文集,2010

[6]武青山,張翔,莢小平,徐春超.水泥原料礦山智能化均化開采與礦石品位控制系統(tǒng)[C].2013年中國水泥礦山年會(huì)暨生物多樣性礦山恢復(fù)論壇文集,2013

[7]李健.基于數(shù)字化礦山的全息化應(yīng)急管理系統(tǒng)研究[J].山西焦煤科技,2013(09)