低品位石灰石矿的开采与利用对策
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来源：《新世纪水泥导报》
0引言
石灰石是水泥生产最主要的原料，每生产1 t水泥熟料需消耗石灰石约1.1~1.3 t，其品质直接影响生料配料及熟料性能。部分水泥企业因矿山开采缺乏规划或开采时间长，石灰石品位逐年下降且低品位石灰石严重压矿无法继续开采，将自己置于“无米下锅”的困境。华润建材科技旗下CJ基地同样面临此困境，但采取措施后实现了低钙熟料的生产，不仅变废为宝，还延长了矿山寿命。本文就该基地对低品位石灰石矿山焕发新生所做的工作进行总结，供业内参考。
1矿山基本情况
华润建材科技CJ基地1线窑（2 000 t/d）于1997年建成投产，其配套石灰石矿山距离厂区约11 km，矿山设计规模为90万t/a。矿山为露天开采，范围长约1 500 m，宽约800 m，占地面积约1 km2，矿山全貌见图1所示。采矿区分为大山采区及小山采区，前者最低开采标高为150 m，后者最低开采标高为75 m。采矿方法为自上而下逐层开采，具体开采流程如下：爆破的大块矿石由自卸汽车运至溜井口卸入矿仓，经胶带输送机将矿石喂入破碎机，破碎至80 mm以下，破碎后的矿石进入矿山碎石库，经长皮带输送机送至厂区碎石库，再根据各碎石库内石灰石的质量情况，选择进入预均化堆场。
随着2线（2 500 t/d，2005年建成）、3线（6 000 t/d，2009年建成）陆续投产，全厂每年石灰石用量激增至580万t。而矿山历经20余年开采，目前矿石贫化，难以持续开采，具体表现如下：
（1）剩余石灰石资源储量不足：通过矿山勘探估算至2018年底保有储量仅约3 000万t，而能够直接开采的储量不足1 000万t，其余约2 000万t储量因压矿、边坡安全风险大等原因无法完全释放，若按现有生产模式，全部储量仅够开采约2年；
（2）石灰石品位贫化非常严重：入厂石灰石CaO含量逐年下降，从2010年的47.2%降低至2018年的44.9%（见表1所示），远低于《水泥工厂设计规范》[1]中石灰质原料CaO>48%的要求；
（3）组分波动大：经长期生产实践，发现矿山详勘报告中矿石质量描述与实际生产质量数据偏差大，矿脉呈“褶皱状”，矿山石灰石化学成分分布复杂，导致熟料质量波动大；
（4）矿山周边堆存大量废石：实际开采过程发现剥采比远大于勘查报告描述的0.52∶1，因剥采比过大导致积压了大量CaO≤40%的废石（见图2所示），大山采区西北侧遗留了约100 m长的含泥边坡，严重影响开采面的拓展，致使整个矿山开采推进极其困难，开采安全风险极大；
（5）生态保护限制开采：品位较高的小山采区靠近景区生态保护红线区，难以布置开采工作面。
此外，受环保政策限制，CJ基地无法快速获取新矿山，而外购石灰石成本巨大，公司面临极大的生存问题。
2石灰石品位分析
2.1化学组分数据统计分析
CJ基地收集并整理了矿山2015~2018年入厂均化堆场石灰石XRF(化学组成)数据，共计约5.4万条，统计结果见表2、图3~图5所示。统计分析表明：
(1)石灰石CaO含量呈逐年下降趋势，且品位波动大，Ca0中位数约为45.5%,CaO<44.5%占30%,说明近年使用的石灰石整体品位较低；
(2)石灰石Al₂O₃含量呈逐年升高趋势，且含量波动大，Al₂O₃主要分布在2.9%~3.5%之间，约80%的石灰石Al₂O₃≤3.6%,表明矿山石灰石整体呈高铝特征，而高铝会引起熟料中C₃A含量偏高，从而导致水泥流动性能下降；
(3)Al₂O₃含量随着CaO含量降低而逐渐升高，通过箱型图分析确定了不同石灰石Ca0含量所对应的Al₂O₃含量范围，如CaO含量在43%~44%时对应Al₂O₃含量在3%~4%;
(4)石灰石SiO₂含量高，主要分布在9.6%~10.8%;
(5)MgO含量低，碱含量(K₂O+Na₂O)基本小于0.6%,含量可控，而SO₃含量偏高，易引起水泥窑硫排放超标。
2.2钻孔取样分析
因早期地勘报告中矿石质量和矿山实际生产数据偏差大，为核定矿山储量及品位分布，CJ基地矿山部于2018年初组织进行了钻孔勘探工程。勘探以目前正开采的5个平台为重点(分别为大山采区195m、180m、165m平台及小山采区170m、120m平台),以20 m×20 m的间距布置钻孔共计247个，总钻孔进尺约3990 m。勘探取样分析结果如表3所示，结果表明：
(1)剩余可开采石灰石储量仅800多万吨，储量已不能满足2年的开采需求；
(2)不同采区品位差异大：不同采区石灰石CaO、Al₂O₃含量均分布不均，因此将采区分为低钙高铝区、低钙低铝区、高钙低铝区三类，仅小山采区石灰石品位高，其余大部分采区均为低品位石灰石。
2.3矿物组成分析
选取4个不同石灰石品位代表样品进行矿物组成(XRD)分析，结果见表4所示。低品位石灰石碳酸钙含量均小于<90%,石灰石中方镁石含量不高，杂质主要是黏土类矿物(伊利石、绿泥石)及长石类矿物。部分石灰石中SiO₂来源于石英，而部分来源于黏土类矿物，表明石灰石成矿较复杂。
2.4含硫矿物种类分析
自然界中硫主要以硫化物、单质硫或硫酸盐形式存在，其中硫化物(FeS)和单质硫在水泥窑中易挥发，引起SO₃排放超标，硫酸盐为较稳定的硫存在形式，在水泥煅烧过程中，易进入熟料中形成硫酸盐矿物。因为石灰石中的SO₃含量<0.5%,采用XRD矿物组成测试难以区分石灰石中硫的形态。根据文献[2]可通过XRF图谱鉴别含硫矿物种类：硫酸盐在XRF图谱上，常出现“卫星线”,如图6所示，该特征可作为判断是否存在硫酸盐的依据，同时硫酸盐的XRF图谱上的SKa和SKp对应的20略低于硫化物。对CJ基地低品位石灰石XRF测试发现其线谱卫星线较弱，可判断石灰石中硫的存在形式主要是易挥发的硫化物，因此石灰石中硫含量高极易导致窑尾烟囱硫排放超标。
