低品位石灰石矿的开采与利用对策

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1. 华润水泥技术研发（广西）有限公司；2.华润水泥（昌江）有限公司，；3.深圳大学；4.广州大学

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。

3石灰石开采及生产控制措施

3.1优化矿山开采条件及开采顺序，释放可采储量

小山采区石灰石品位较好，是矿山生产质量搭配的核心区域，出矿能力直接决定下料质量的好坏。但原先采面狭小，运矿道路展布困难，只能依靠单一平台生产出矿。经过对运矿道路改造及对120m平台、105 m平台采准工程修整拓宽，采区释放可采储量50万t，初步具备两个平台生产作业的条件，提高了出矿能力。

大山采区西北侧遗留的100 m长的含泥边坡，严重影响开采面的拓展，造成165 m平台挖槽式开采，采面狭小，不利于废石的综合利用。开采时优先从西北侧边坡进行突破，重点处理195 m以上废石，使得矿区西侧可扩展到边，基本扭转挖槽式开采方式，使矿山形成更多的采矿工作面，为废石的开采创造条件。此外，优化改造矿区主干道约800 m，使大山采区释放的可采储量达到300万t。

3.2实施精细配矿，加强矿山均化效果

根据钻孔结果，将不同采区台面分为3类，即高钙低铝区、低钙高铝、低钙低铝区。利用运矿车辆数将3类不同品位的石灰石进行搭配混合下料；增加一条皮带输送机，将目前矿山2台破碎机分开下料，便于将不同品位石灰石分别按质入库；在矿山新增加2个2 500 t左右的石灰石储存库（现有一个石灰石库），分别用来储存3类石灰石；厂区内将搭配好的石灰石均化入堆，然后再输送到生料磨配料仓再次均化后使用。同时在矿山进厂皮带上安装在线中子活化组分测试仪并实现在线监控，利用石灰石自动配料系统实现矿山下料进厂区入堆场前就搭配到需要的质量要求。

石灰石经过矿车搭配、矿山石灰石库搭配、在线监控实时调整、均化堆场均化、生料磨配料仓均化多级均化措施，实现了质量稳定，CaO及Al2O3含量的合格率明显提高，标准偏差明显降低。

3.3利用低品位石灰石生产低钙熟料

为了最大化的利用矿山低品位石灰石，消耗压覆矿体及剥离废石，CJ基地与华润水泥技术研发（广西）有限公司联合成立研发小组并开展低品位石灰石煅烧低钙水泥熟料研究，项目组通过“品位分析-实验室研究-工业化试验-常态化生产-生产系统优化及产品性能改善”逐步推进，成功实现了利用CaO=43.5%的石灰石煅烧了低钙熟料（KH=0.82~0.85，SM=2.2~2.3，IM=1.6~1.7），于2018年9月实现了常态化生产。低钙熟料常态化生产时，根据矿山勘探结果及历史数据分析，石灰石品位控制指标为：CaO：43.5%±0.5%，Al2 O3：≤3.2%；CaO含量较原生产常规熟料（KH=0.90~0.91）降低了1.3%，废石利用率由24%提高至40%，2018~2019年通过生产低钙熟料增加废石消纳达230万t。针对石灰石Al2O3含量高问题，专门采购高铁矿（Fe2O3>60%）进行配料，尽可能降低熟料IM值。

3.4扩容改造湿法脱硫工艺，降低硫排放

受矿山石灰石硫含量高且易挥发的影响，窑尾烟气SO2含量一直偏高。CJ基地于2015年在3条线窑尾排风机出口新建了两套石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统，其中1线、2线共用1套，3线独立使用1套。湿法脱硫系统投运前期效果良好，在其设计范围内（入口SO2含量≤1 500 mg/Nm3）可有效控制SO2排放在100 mg/Nm3以内。而随着石灰石品位持续恶化，石灰石中硫含量不断上升，导致湿法脱硫入口硫含量不断升高，至2017年湿法脱硫入口SO2含量长时间出现超2 000 mg/Nm3，瞬时值最高可达5 000 mg/Nm3，严重超出了湿法脱硫设备的设计处理能力。因此，CJ基地于2018年投入1 700余万元对既有2条湿法脱硫工艺进行了扩容改造，即使烟气中SO2达到5 000mg/Nm3

，脱硫设备出口排放浓度仍可控制在35内。通过以上措施，解决了矿山石灰石低钙、高铝、高硫、品位波动大等问题，实现完全消化压覆矿体和遗留边坡，开采面得到有效拓展，确保矿山矿量可以持续保供生产至2024年底，为新矿山资源获取赢得了时间和机遇。此外，通过解决压矿问题，降低了开采安全风险。

4结束语

CJ基地通过精细配矿并生产低钙熟料，降低了入厂石灰石CaO品位，提高了矿山废石消纳比例，极大缓解了矿山压矿问题，为持续开采创造了有利条件，延长了矿山开采时间约5年，为新矿山获取前赢得了生存时间，解决了公司生存发展问题。作为水泥主要原料的石灰石是不可再生资源，资源获取难度越来越大，优质石灰石资源匮乏将成为水泥企业面临的共同难题，因此通过科学合理的途径实现充分利用低品位石灰石，是水泥企业低碳、绿色发展的新途径。