河南省淇縣二道莊礦區(qū)飾面石材用灰?guī)r礦地質(zhì)特征及開發(fā)利用前景

王振生，馬騰飛

(1.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊， 河南 鄭州 450016)

0 引言

天然石材是指從天然巖體中開采出來的，并經(jīng)加工成塊狀或板狀材料的總稱，凡具有一定塊度、強度、穩(wěn)定性、可加工性以及裝飾性能的天然巖石，均可作為天然建筑裝飾石材(冉文瑞等，2020；陳明華等，2021)。隨著我國建筑裝飾行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，石材需求量大增。淇縣是豫北地區(qū)重要沉積巖類石材產(chǎn)地，以石灰?guī)r為主。二道莊飾面石材用灰?guī)r礦中心點地理坐標(biāo)為東經(jīng)114°08′09″、北緯35°41′43″，位于淇縣縣城西北方10 km處，隸屬淇縣廟口鎮(zhèn)管轄。筆者團隊在礦區(qū)開展了飾面石材地質(zhì)勘查工作，通過地質(zhì)測量、勘探線剖面測量、鉆探及取樣測試等多種勘查方法和手段，基本查明了礦區(qū)地質(zhì)、構(gòu)造、主要礦體形態(tài)、規(guī)模和礦石質(zhì)量；同時查明礦床開采技術(shù)條件，對飾面石材的加工技術(shù)性能進行初步研究，并計算礦山理論荒料率。估算控制資源量224.57×104m3(荒料量154.94×104m3)，推斷資源量286.20×104m3(荒料量198.83×104m3)，為礦區(qū)開發(fā)利用提供了依據(jù)，也為周邊同類礦產(chǎn)的勘查和開發(fā)提供了重要參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

礦區(qū)位于華北板塊南部，屬于太行構(gòu)造亞區(qū)之太行斷隆，其地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)山西分區(qū)太行山小區(qū)東部。區(qū)域構(gòu)造為新華夏系隆起帶和第二沉降帶的過渡帶隆起一側(cè)。特點是以斷裂構(gòu)造為主，伴有小型褶曲，構(gòu)造形態(tài)以北東向斷裂構(gòu)造為主，次為北西向。

區(qū)域地層屬典型克拉通型沉積(圖1)，區(qū)域地層由老到新發(fā)育有：太古界、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系。寒武系、奧陶系地層分布相對較廣，多為碳酸鹽巖，產(chǎn)狀大多平緩，傾角5°～12°，局部接近水平。石炭系—二疊系局部出露，缺失元古界大部分、上奧陶統(tǒng)—下石炭統(tǒng)和三疊系—白堊系等地層。礦產(chǎn)類型以沉積礦產(chǎn)為主，與地層密切相關(guān)。

圖1 二道莊礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖1—第四系全新統(tǒng)砂礫石層；2—第四系上更新統(tǒng)亞砂土、亞黏土；3—中奧陶統(tǒng)灰?guī)r；4—下奧陶統(tǒng)白云巖；5—上寒武統(tǒng)泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、紫色頁巖及泥質(zhì)灰?guī)r等；6—壓性斷層；7—張性斷層；8—性質(zhì)不明斷層；9—礦區(qū)位置

區(qū)域內(nèi)的礦產(chǎn)主要有煤、水泥灰?guī)r、化工灰?guī)r、白云巖、石英砂巖及飾面石材等。周邊雖有多處歷史遺留飾面石材采場(面)，但總體開采規(guī)模較小。

區(qū)域內(nèi)的巖漿巖主要是超基性、基性巖體，次為中性巖體。主要巖性為元古代偉晶巖、角閃閃長巖、細(xì)晶巖、輝綠巖；燕山期閃長巖、閃長玢巖；喜山期金伯利巖、苦橄玢巖等。

2 礦區(qū)地質(zhì)

2.1 地層

勘查區(qū)內(nèi)出露的地層較為簡單，古生界上寒武統(tǒng)張夏組二段(∈3z2)在全區(qū)大范圍出露，三段(∈3z3)僅在北部地勢較高處部分出露，區(qū)內(nèi)基巖出露良好，無覆蓋，可作為本區(qū)飾面石材主要產(chǎn)出層位(圖2)，現(xiàn)分段描述如下：

(1)上寒武統(tǒng)張夏組二段(∈3z2)。下部以灰白色厚層條帶狀鮞?；?guī)r為主，夾灰白色豆?；?guī)r、灰白色中厚層花斑狀(豹皮狀)灰?guī)r；中上部以灰白色中厚層狀花斑灰?guī)r為主，夾條帶狀鮞?；?guī)r?；ò郀罨?guī)r中發(fā)育生物活動留下的淺色條帶及團塊，形成花斑狀；條帶狀鮞?；?guī)r中含較多暗色鮞粒灰?guī)r組成的直徑3～5cm 的環(huán)形構(gòu)造，為風(fēng)暴成因(郭四輩等，2008；馬瑞申等，2011；陳芳，2014)。二段上部為薄層狀泥質(zhì)條帶灰?guī)r，在01、02及03勘探線局部不完全出露，鉆孔揭露的垂直厚度5.29～5.89 m，單層厚約5～8 cm，層面間多見褐紅色鐵泥質(zhì)，且層面凹凸不平，條帶一般為褐紅色，厚度約0.5～1.5 cm。該層在勘查區(qū)道路兩側(cè)局部出露，根據(jù)觀察極易沿層理方向破碎，不符合石材物理性能，不能作為石材使用。頂部為灰白色厚層條帶鮞粒灰?guī)r，巖石中含有淺色泥質(zhì)條帶，鮞粒粒度約 0.5～1 mm。

(2)上寒武統(tǒng)張夏組三段(∈3z3)。僅在02勘探線及以北地勢較高處部分出露，根據(jù)地表出露和巖心情況，三段下部巖性為厚層狀鮞?；?guī)r，鮞粒粒度較小，一般0.3～0.5 mm，礦物成份主要為方解石，占比60%～70%。

圖2 二道莊礦區(qū)地質(zhì)簡圖1—上寒武統(tǒng)鳳山組細(xì)晶白云巖；2—上寒武統(tǒng)長山組竹葉灰?guī)r；3—上寒武統(tǒng)崮山組竹葉灰?guī)r；4—上寒武統(tǒng)張夏組三段鮞粒灰?guī)r；5—上寒武統(tǒng)張夏組二段花斑狀灰?guī)r；6—勘探線及編號；7—鉆孔及編號；8—礦區(qū)范圍

2.2 構(gòu)造

區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，嚴(yán)格受區(qū)域構(gòu)造所制約?？辈閰^(qū)內(nèi)地層呈單斜構(gòu)造，地層傾向50°～71°，傾角8°～15°。礦區(qū)內(nèi)的構(gòu)造以節(jié)理裂隙為主，是礦體主要的破壞因素，對荒料塊度及荒料率有重要影響(林輝，2010；于躍和趙民，2016；葉孔凱，2021)。

根據(jù)節(jié)理裂隙專項調(diào)查，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，主要以節(jié)理裂隙為主?？辈閰^(qū)主要節(jié)理展布方向與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造方向總體一致，為近南北方向，傾向76°～82°、傾角73°～90°，節(jié)理裂隙面普遍以高角度出現(xiàn)。次級節(jié)理有兩組，走向大致相互垂直，一組呈北西西—南東東向，傾向6°～42°、傾角 77°～90°；另一組為北北東—南南西向，傾向100°～135°、傾角73°～90°。南北向主要節(jié)理長度最長約340 m，間距2～8 m，平均節(jié)理密度0.4條/m；次級節(jié)理最長不超過220 m，間距0.5～5 m，平均節(jié)理密度1.2條/m。節(jié)理帶寬度一般在0～10 cm。節(jié)理密度高的區(qū)段，荒料率相對較低，且產(chǎn)出大料、中料的比例也相對較低。

根據(jù)本礦區(qū)內(nèi)10處體圖解荒料率測點內(nèi)節(jié)理分布情況，繪制了節(jié)理裂隙走向玫瑰圖(圖3)。可見本區(qū)以近南北走向節(jié)理最為發(fā)育，可為日后確定主采方位提供參考依據(jù)。

圖3 節(jié)理走向玫瑰花圖

3 礦體地質(zhì)

3.1 礦體特征

全區(qū)共劃分兩個礦體，分別是K1和K2礦體。K1礦體賦存于上寒武統(tǒng)張夏組二段中上部和三段底部，礦體出露完好，中部(03至02勘探線附近)歷史上經(jīng)少量開采(作為飾面石材)，礦體總體賦存狀態(tài)連續(xù)、完整。礦層形態(tài)呈層狀，平面上受制于勘查范圍呈四邊形。礦體產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致，傾向50°～71°、傾角5°～10°。礦體南起0號勘探線東南約86 m，向北延伸至04勘探線以北，直至礦權(quán)邊界，南北長約558 m；礦體向西延伸至礦區(qū)邊界，向東延伸至礦山東部運輸?shù)缆?。礦體沿傾向延伸最大254 m(02勘探線)、最小205 m(01勘探線線)、平均230 m，分布標(biāo)高+217～+302 m，埋深 0～68 m，礦體最大垂直厚度68 m，平均厚度26 m。礦體體圖解荒料率(Ht)由10個素描點統(tǒng)計得出，范圍在67.30%～79.00%，體積加權(quán)平均值為70.92%，校正后的理論荒料率為69.29%。采用平行斷面法(栗雪彬，2020；高孝敏等，2021)估算K1礦體控制資源量224.57×104m3(荒料量154.94×104m3，推斷資源量21.81×104m3(荒料量15.75×104m3)。

K2礦體賦存于張夏組二段中下部，受地形和層位影響，礦體最上層僅在02勘探線西段和03勘探線中部礦山道路及兩側(cè)局部出露，深部由2個鉆孔揭露。礦體形態(tài)與K1礦體相似，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致，傾向50°～71°、傾角5°～10°。礦體南起00線東南約86 m，向北延伸至04勘探線以北直至礦權(quán)邊界，南北長約518 m；礦體向西延伸至礦區(qū)邊界，向東延伸至礦山東部運輸?shù)缆?。礦體沿傾向延伸最大227 m(02勘探線)、最小203 m(01勘探線)、平均210 m，分布標(biāo)高+200～+251 m，埋深 0～105 m，礦體最大垂直厚度51 m，平均厚度32 m。因被K1礦體覆蓋，地表出露很少，無法直接測定體圖解荒料率，理論荒料率采用K1礦體數(shù)值，估算K2礦體推斷資源量264.39×104m3(荒料量183.08×104m3)。

3.2 礦石類型

勘查區(qū)內(nèi)礦石巖性為鮞?；?guī)r、條帶鮞?；?guī)r、花斑狀灰?guī)r；石材分類屬于石灰?guī)r類；工業(yè)類型為飾面用灰?guī)r。根據(jù)對淇縣周邊石材廠調(diào)查走訪，周邊類似石材主要用于臺階踏步石、路肩石、各類碑牌、戶外地面磚等，飾面花紋不是影響其用途的主要因素。

3.3 礦石成分

3.3.1 結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

本區(qū)礦石自然類型為鮞?；?guī)r、條帶鮞?；?guī)r、花斑狀灰?guī)r。根據(jù)野外觀察結(jié)果，主要為鮞狀結(jié)構(gòu)、砂屑結(jié)構(gòu)等。構(gòu)造以花斑狀、條帶狀、塊狀構(gòu)造為主。

3.3.2 礦石礦物成分和化學(xué)成分

礦石的礦物成分比較簡單，主要以碳酸鹽類礦物為主，含微量的褐鐵礦和泥質(zhì)。在礦層中主要以各種粒度的方解石為主，含量71%～98%；其次為白云石，含量一般2%～18%；另有微量鐵質(zhì)、石英等。礦石化學(xué)成份主要有CaO、MgO和少量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O 等。CaO含量44.75%～48.32%、MgO含量6.64%～10.83%、SiO20.71%～1.05%。

3.4 夾石

K1和K2礦體之間存在一層薄層狀泥質(zhì)條帶灰?guī)r，由于層理密集且機械強度低，不能作為飾面石材使用。該層垂直厚度5.29～5.89 m。估算飾面用灰?guī)r礦量時作為夾石剔除，但仍可作為普通建筑石料用灰?guī)r礦對待。

3.5 覆蓋層

礦區(qū)巖層出露普遍較好，僅在02—04勘探線中部，由于修建礦區(qū)簡易道路及首采平臺形成一定數(shù)量土石渣堆積于坡面上或上部平臺上，平均厚度約0.5 m，共劃分4個頂板蓋層剝離塊段，剝離體積約0.85×104m3。

4 飾面石材物理特征

本區(qū)礦石為鮞?；?guī)r、條帶鮞粒灰?guī)r、花斑狀灰?guī)r，經(jīng)測試物理性能良好，完全可以滿足石灰石類飾面石材物理性能規(guī)范要求。其密度平均2.73 g/cm3，屬于高密度石灰石；耐磨性17～19 L/cm3，平均18 L/cm3；吸水率0.19%～0.20%，平均0.20%；干燥壓縮強度59～67 Mpa，平均62 Mpa；水飽和壓縮強度97～108 Mpa，平均103 Mpa；水飽和彎曲強度19.2～21.3 Mpa，平均20.1 Mpa。經(jīng)調(diào)查，本區(qū)礦石一般不做剖光高檔石材使用，主要用于臺階踏步石、路肩石、各類碑牌、戶外地面磚等，故本次未做光澤度測定，本次各項檢測結(jié)果見表1。

表1 礦石荒料物理性能測試結(jié)果表

4.1 裝飾性能

本次共采集3組標(biāo)準(zhǔn)樣，基本涵蓋了本區(qū)礦石類型，加工成尺寸為30 cm×30 cm，厚度約3 cm的板材。從照片來看，總體花色均為深灰色，除3號外，圖案花色并不明顯(圖4)。目前，石灰石類飾面石材花色沒有統(tǒng)一定名，經(jīng)向周邊石材加工企業(yè)詢問，上述三類花色也沒有統(tǒng)一俗名，因此本次工作不再命名。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)樣照片①—鮞粒灰?guī)r花色特征；②—鮞粒條帶灰?guī)r花色特征；③—花斑狀灰?guī)r花色特征

4.2 色斑、色線及荒料率

K1、K2上下兩個礦體巖性變化均重復(fù)出現(xiàn)韻律，決定礦體荒料率大小的因素是礦體的節(jié)理、裂隙、色斑、色線等的發(fā)育程度，其中節(jié)理、裂隙發(fā)育的密集程度是影響荒料率的主要因素。本礦體節(jié)理、裂隙發(fā)育程度變化不大，色斑多表現(xiàn)為個別層理(特別是凹凸不平層理)，局部常見褐紅色鐵質(zhì)或泥質(zhì)，此種色斑遇到水后容易導(dǎo)致飾面表面薄片狀脫落，從而造成飾面損壞板材報廢。色線也多由此原因形成，呈細(xì)脈狀紅褐色細(xì)條紋，板材極易沿色線紋理斷裂，還有少數(shù)方解石脈形成的細(xì)小白色條紋，但從地表和巖心看，發(fā)育較弱。

本次采用體圖解荒料率(Ht)來測定圖解荒料率，其方法是根據(jù)統(tǒng)計平臺素描圖，按照臺段高度0.8 m(本區(qū)試采及周邊類似礦區(qū)臺段高度均為0.8 m)選擇兩個平行的斷面進行疊合，然后在疊合圖中的開采段內(nèi)截取荒料，統(tǒng)計不同類別塊度荒料的體積，計算出不同類別塊度荒料的荒料率和總荒料率(陳國棟等，2015；譚均，2015；張曉飛和劉曉燕，2017)。本次共選取10個測點，優(yōu)選布設(shè)于老采面上，單個測點測定面積為54 m2，累計測定面積540 m2。測點節(jié)理、裂隙素描圖的比例尺為1∶50，按大料、中料、小料組合測定的體圖解荒料率，可顯著提高體圖解荒料率(李宏穆等，2001；馬文昆，2020；李趙陽等，2021)，測定范圍為67.30%～79.00%，用塊段體積加權(quán)后求得礦床平均值。根據(jù)現(xiàn)場平臺試采統(tǒng)計結(jié)果，PT7試采荒料率(Hs)為70.07%；體圖解荒料率(Ht)PT7為71.72%，從而得出校正系數(shù)(Kh)比值為97.70%，并以此校正系數(shù)來校正平均圖解荒料率，得出礦床(體)理論荒料率，并參荒料量估算(周文文等，2016；馮秋豐等，2021；孫才紅和司妍博，2021)。根據(jù)計算結(jié)果，礦體理論荒料率(Hl)為70.92%(表2)。

表2 體圖解荒料率測定與計算結(jié)果一覽表

5 資源開發(fā)與綜合利用

二道莊礦區(qū)現(xiàn)有多處原遺留開采平臺，表明該區(qū)礦石歷史上曾被開發(fā)利用，開采條件較為成熟。本次估算礦床理論荒料率為70.92%，整體較高，可直接產(chǎn)出荒料量較大。根據(jù)礦山企業(yè)提供的初步開采方案，將來礦山擬采取露天臺階式開采方式，自上而下分層開采。采用直徑為210 cm、厚度為 10 mm 的圓盤鋸切割開采，單層開采厚度0.8 m，切割路徑布設(shè)間距為1.3 m，可優(yōu)先滿足中料規(guī)格荒料的開采(中料規(guī)格需滿足長寬高大于等于 200 cm×130 cm×80 cm)。為研究礦石加工技術(shù)性能，本次在二道莊礦區(qū)采集荒料樣品二件，規(guī)格分別為200 cm×130 cm×80 cm、230 cm×130 cm×80 cm。在淇縣當(dāng)?shù)匾患沂募庸て髽I(yè)進行了加工，流程為：鋸割毛板—切斷—粗磨—精磨—修補。經(jīng)計算，板厚 3 cm 情況下，平均板材率28 m2/m3，礦石加工技術(shù)性能較好。按年開采規(guī)模10×104m3(我省允許的最低開采規(guī)模)，每年可生產(chǎn)板材280×104m2，目前售價約70元/m2，年直接銷售收入可達1.96億元，將有效促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，創(chuàng)造稅收和就業(yè)的新增長點。

為進一步提高礦產(chǎn)資源綜合利用水平，本次還對采荒后剩余礦石(含夾石)進行了評價。在礦區(qū)采集有代表性樣品4組，并根據(jù)一般石料質(zhì)量指標(biāo)要求，測試了硫酸鹽及硫化物、堅固性、巖石抗壓強度、碎石壓碎指標(biāo)及堿集料反應(yīng)5個項目，各項測試結(jié)果均符合指標(biāo)要求(表3)，可加工成粒徑5～30 mm 的混凝土粗骨料，作為建筑石料加以綜合利用。因此，本區(qū)礦石作為飾面石材或建筑石料均具有較好的利用價值。

表3 石料質(zhì)量指標(biāo)測定結(jié)果一覽表

6 結(jié)論

通過勘查工作，認(rèn)為本區(qū)上寒武統(tǒng)張夏組二段、三段鮞?；?guī)r、條帶鮞粒灰?guī)r、花斑狀灰?guī)r適合作為飾面石材加以開發(fā)利用，礦石物理性能、裝飾性能等指標(biāo)滿足一般工業(yè)指標(biāo)。在礦區(qū)內(nèi)選取10處測點測定體圖解荒料率，并在一處試采平臺現(xiàn)場測定試采荒料率，對體圖解荒料率進行校正，估算了礦體理論荒料率和荒料量，研究了礦石加工技術(shù)性能和綜合利用問題。年采規(guī)模10×104m3情況下，板材年銷售收入可達1.96億元，采場和石材加工廠還可吸納勞動力，促進就業(yè)，從而實現(xiàn)良好經(jīng)濟社會綜合效益。因此，認(rèn)為本區(qū)飾面石材具有較好開發(fā)價值和前景。