【論文】淺論建筑石料用灰巖礦伴生品的綜合利用
淺論建筑石料用灰巖礦伴生品的綜合利用
趙興劍，趙俊杰，高浪飛
（中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066）
【摘要】為滿足建筑石料開采、加工等全過程質量控制要求，建筑石料用灰巖礦在其開發利用過程中難免會產生大量的伴生品。這些伴生品若未得到妥善處置，一方面可能會造成嚴重的環境風險，另一方面可能會使礦山企業背負起沉重的經濟負擔。以重慶市銅梁區獨立工礦區轉型升級產城融合PPP項目B包礦山（簡稱“該項目”）為例，對建筑石料用灰巖礦開采、加工過程中產生的伴生品種類進行了梳理，對其綜合利用的方向進行了探討，以期對其他建筑石料用灰巖礦伴生品的綜合利用參考。
【關鍵詞】建筑石料用灰巖礦；伴生品；綜合利用
1 概述
灰巖全稱石灰巖，主要成分為方解石(天然碳酸鈣的常見形態之一)，是地殼中分布最廣泛的沉積巖之一。灰巖的硬度系數一般在2~4之間，相比花崗巖、玄武巖、石英巖等相對較低，便于加工，具有良好的磨光性、吸水性、隔音性和膠結性，是生產砂石、水泥等建筑材料的主要原材料之一。中國砂石協會發布的《中國砂石行業運行報告》顯示，2022~2023年全國新設砂石礦權1634宗，其中灰巖礦權465宗，占比為28.50%，說明灰巖已經成為我國砂石骨料行業的核心礦種之一。隨著砂石骨料行業規模化發展趨勢的不斷增強，新設建筑石料用灰巖礦權中超大型、大型礦權的占比明顯提升，其地質情況亦隨著礦區面積或開挖深度的加大更加復雜，在其毛料開采過程中除涉及表土、風化層剝離外，還可能涉及夾層剝離，加之砂石骨料加工過程中可能產生的含泥石屑、泥餅、石粉等伴生品，給礦山企業造成了巨大的處置壓力[1]。因此，如何對這些伴生品進行綜合利用、在提高礦產資源綜合利用水平的同時提升礦山的經濟效益，已成為礦山企業面臨的重大課題之一。筆者以該項目為例，對建筑石料用灰巖礦伴生品的綜合利用進行了分析研究。
該項目位于重慶市銅梁區蒲呂街道新聯村、沙壩村，礦區面積約2.17k㎡，資源總量約3億t(不含覆蓋層及夾層)，主要礦種為三疊系下統嘉陵江組一段灰巖(T1j1)和三疊系下統嘉陵江組三段灰巖(T1j3)，平均飽和抗壓強度≥60MPa，是渝西地區最優質的砂石骨料母巖之一。但從地質調查情況看，該區域出露地層由新到老依次為第四系全新統素填土層(Q4ml)、第四系全新統坡殘積層(Q4el+dl)、三疊系下統嘉陵江組三段(T1j3可進一步細分為T1j3-1、T1j3-2、T1j3-3)、三疊系下統嘉陵江組二段(T1j2)、三疊系下統嘉陵江組一段(T1j1)，其中：T1j1和T1j3-1、T1j3-3為可利用礦層，其飽和抗壓強度高，能夠滿足砂石骨料生產要求；Q4ml和Q4el+dl為表土和風化層；T1j2和T1j3-2為夾層，其飽和抗壓強度低，含泥量較重，不適宜生產砂石骨料，需要進行剝離處理。根據該區域整體剝采比為0.25∶1~0.30∶1進行估算得，總剝離量為0.30億m3左右。
該項目設計產能為1500萬t/a，毛料采用露天開采方式，成品料采用兩級破碎、兩級篩分并輔以制砂樓制砂的干法生產工藝，其中粗碎采用錘式破碎，細碎采用反擊式破碎，主要產品包括D4.75~10mm、D10~26.50mm、D26.50~31.50mm三種粒級的碎石和D0~4.75mm的機制砂。為妥善控制成品料質量，該項目在粗碎工序后設置了預篩分工序，可以根據毛料中的含泥情況對其中D≤10mm的細顆粒(含泥石屑)進行篩除，并將其在配套棄料倉中堆存。同時，為滿足環保及綠色礦山建設要求，該項目在各生產車間、轉運站、料倉及制砂樓設置了除塵器，對成品料破碎、輸送過程中產生的D≤75μm的細顆粒(石粉)進行收集，并分別在配套灰罐(破碎、輸送過程中產生的石粉)、粉罐(制砂過程中產生的石粉)中堆存。從階段運行情況看，該項目含泥石屑和石粉(包括灰和粉)的產出率均為3%左右。據此估算，含泥石屑和石粉的總產量均為800萬t左右。
2 伴生品的種類及其具有的特性
2.1 表土
第四系全新統素填土層(Q4ml)位于礦區最上層，由原始表土、原有礦山剝離的殘坡積土層、復綠客土及棄土等組成，其中原始表土和復綠客土中的植物根系密集，有機物和微生物豐富，能夠為植物生長提供必要的營養元素，棄土主要為黏土、砂黏土、砂礫層等，其營養物質相對匱乏，不利于植物生長；而表土則在砂石毛料開采前需要進行剝離處理。
2.2 風化層
第四系全新統坡殘積層(Q4el+dl)位于表土和下伏巖層之間，通常與下伏巖層呈角度不整合接觸關系，其系由巖層經過長期風化、水蝕作用形成，穩定性結構已被破壞，礦物成分已發生顯著變化，節理裂隙發育，巖體破碎，含泥量較重，不能用于砂石骨料生產，因此，在砂石毛料開采前需對其進行剝離處理。該部分剝離料通常稱為山皮料。
2.3 夾層
三疊系下統嘉陵江組一段(T1j1)與三疊系下統嘉陵江組三段一亞段(T1j3-1)、三疊系下統嘉陵江組三段三亞段(T1j3-3)礦層之間存在三疊系下統嘉陵江組二段(T1j2)和三疊系下統嘉陵江組三段二亞段(T1j3-2)夾層，兩個夾層的巖性存在明顯差異：
(1)三疊系下統嘉陵江組二段(T1j2)。T1j2為灰白色或灰黑色中厚層狀微晶至細晶白云巖、巖溶角礫巖，其飽和抗壓強度極低，松散巖體遇水出現軟化，完整性相對較好的巖體可測得飽和抗壓強度介于10~25MPa之間，氧化鈣(CaO)含量介于20%~40%之間且含泥量較重。
(2)三疊系下統嘉陵江組三段二亞段(T1j3-2)。T1j3-2為灰色、淺灰色中厚至厚層狀白云巖、白云質灰巖，局部夾雜一層黃灰色巖溶角礫巖，其飽和抗壓強度最高可達45MPa左右，氧化鈣(CaO)含量最高可達50%左右，氧化鎂(MgO)含量最高不超過2%，但T1j3-2位于中峰寺背斜與瀝鼻峽背斜之間的破碎帶節理裂隙、溶蝕裂隙發育，巖體破碎，含泥量較重，不能用于砂石骨料生產。
此外，從現場開挖情況看，整個T1j3巖層(包括T1j3-1、T1j3-2、T1j3-3)均位于中峰寺背斜與瀝鼻峽背斜之間的破碎帶，雖然其飽和抗壓強度較高，但其節理裂隙、溶蝕裂隙發育，巖體破碎，含泥量較重，不能用于砂石骨料生產，需要作為夾層進行剝離處理。
2.4含泥石屑
成品料生產過程中的預篩分除泥工序可以根據毛料的含泥情況選擇性使用，預篩出的含泥石屑通常其D≤10mm，且其含泥量與含水率密切相關。當含水率≤1%時，含泥石屑中的含泥量最低可控制在5%以內；當含水率≥5%時，含泥石屑中的含泥量最高可達20%以上。因該毛料主要為T1j1，經粗碎產生的含泥石屑中的石屑主要為T1j1，系灰色至深灰色、薄至中厚層狀微至細晶灰巖，其平均飽和抗壓強度可達60MPa以上，平均氧化鈣(CaO)含量為48%左右。
2.5 石粉
(1)破碎與輸送過程收取的塵粉(灰)。在成品料破碎、輸送過程中收集到的石粉(灰)通常為灰白色細顆粒，整體產出率約為1.25%，其D≤75μm，通常含水率≤1%，含泥量≤1%，氧化鈣(CaO)含量通常為48%左右，D≥45μm的顆粒占比一般介于10%~15%之間。
(2)制砂過程收取的塵粉(粉)。利用石屑、碎石生產機制砂過程中產生的石粉(粉)通常為灰白色細顆粒，整體產出率約為1.75%，其D≤75μm，含水率和含泥量隨原材料情況波動較大，含水率和含泥量最高可達3%以上，氧化鈣(CaO)含量通常為48%左右，D≥45μm的顆粒占比一般介于25%~30%之間。
3 伴生品處置的必要性
3.1 政策管控要求
國土資源部等六部(委)于2017年3月印發的《關于加快建設綠色礦山的實施意見》(國土資規〔2017〕4號)明確提出：礦山開采應選擇資源節約型開發方式，實現資源分級利用、優質優用、綜合利用。明確提出對石灰巖等露天開采礦山應做到資源分級利用。自然資源部于2018年10月發布的《砂石行業綠色礦山建設規范》(DZ/T0316-2018)明確提出：砂石行業應按照減量化、再利用、資源化的原則對砂石生產工藝進行合理優化設計以提高成品率，充分利用石粉、泥粉等加工副產品，提高資源的綜合利用水平。重慶市規劃和自然資源局等于2021年10月印發的《重慶市綠色礦山建設標準(2021年版)》(渝規資〔2021〕745號)明確提出：砂石土礦資源開發利用“三率”應達到國家及重慶市的相關規定要求。重慶市規劃和自然資源局于2019年9月印發的《關于主要礦產資源合理開發利用“三率”最低指標要求的通知》(渝規資規范〔2019〕22號)明確提出：建筑石料用灰巖露天開采的回采率應不低于90%，且一般不進行選礦作業(不設置選礦回收率指標)，并鼓勵對礦山開采廢石進行綜合利用，將其用作建筑材料或礦山采空區回填復墾，其綜合利用率應不低于60%。
3.2 企業發展的需要
建筑石料用灰巖礦開采、加工過程中產生的伴生品若不能得到妥善處置，短期內可能會影響到礦山企業生產運營工作的正常開展，長期則必將影響到礦山企業的經濟效益。以重慶市銅梁區獨立工礦區轉型升級產城融合PPP項目B包礦山為例，其表土、風化層、夾層的總剝離量達到0.30億m3左右，如不及時進行剝離則可能會壓覆礦層，進而導致毛料開采進度不能得到保證，且其風化層、夾層開采進度滯后，可能會導致與礦層之間形成的高差過大而存在安全隱患，需要重新開展安全預評價、安全設施設計及對應的審查、驗收等工作，輕則影響礦山的生產進度，重則可能導致礦山全面停工停產。此外，剝離出的表土、風化層(山皮料)、夾層料若沒有妥善的消納渠道，而僅僅依靠排土場進行堆存，一方面將產生大量的鉆爆、裝車、倒運、堆存及用地成本；另一方面則極有可能因排土場規模過大而引發安全、環保、水保等環境風險。另外，成品料生產過程中產生的含泥石屑、石粉(包括灰和粉)等伴生品因其擴散性更強(需進行密封存儲)，且其儲存空間更加有限，如不進行及時、妥善的處置或消納，同樣可能會導致礦山面臨停工停產及環境污染的風險。
4 伴生品綜合利用的方向
4.1 表土
表土特別是其中適合耕種的耕植土是保障農業發展的最基礎、最寶貴的資源之一。《中華人民共和國土地管理法》規定：縣級以上地方人民政府可以要求占用耕地的單位將所占用耕地耕作層的土壤用于新開墾耕地、劣質地或者其他耕地的土壤改良。《土地復墾條例》規定：土地復墾義務人應當首先對擬損毀的耕地、林地、牧草地進行表土剝離，并將剝離的表土用于被損毀土地的復墾。因此，礦山企業在取得建筑石料用灰巖采礦權后，應自行或委托第三方單位編制《礦產資源開發利用方案》和《礦山地質環境保護與土地復墾方案》(簡稱“二合一方案”)報地方政府規劃和自然資源管理部門審查、審批后作為后續礦產資源開發利用的綱領性、指導性文件，同時在后續礦山開采過程中對剝離出的表土進行單獨分區堆存和妥善保管，并將其作為礦山“邊開采、邊治理”及開采完畢邊坡、底盆復墾復綠的用土[2]。
4.2 山皮料
山皮料節理裂隙發育，巖體破碎，含泥量較重，不能用于生產砂石骨料。但其部分巖體埋深相對較深，風化、水蝕作用相對較弱，經挑選后其可以作為水泥穩定材料的原材料。水泥穩定材料系指在松散的土、砂礫或其他集料中加入適量的水泥和水經攪拌均勻后形成的混合物，根據被穩定材料的構成不同，可將其細分為水泥穩定級配碎石、水泥穩定級配礫石、水泥穩定石屑、水泥穩定土、水泥穩定砂等。水泥穩定材料經攤鋪、碾壓和養護后可以作為公路、市政道路路面的基層或底基層。其用于高速公路、一級公路基層集料的粒徑一般不應大于31.50mm，壓碎值一般不應大于22%(最高不應大于26%)，軟石含量一般不應大于3%(最高不應大于5%)。用于二級、二級以下公路的基層集料的粒徑一般不應大于37.50mm，壓碎值一般不應大于30%(最高不應大于35%)。
4.3 夾層料
(1)三疊系下統嘉陵江組二段(T1j2)。T1j2為灰白色或灰黑色白云巖、巖溶角礫巖與黏土混合物，其中部分巖體的完整性相對較好，飽和抗壓強度相對較高，能夠提供較好的承載能力和穩定性，經挑選后其可以作為水泥穩定材料的原材料，其間夾雜低強度的巖塊和黏土，排水性能好，不易結塊，過篩后可以作為土石路堤的回填材料，有助于提升道路的穩定性和抗沖刷能力。T1j2作為天然土石混合填料時，其中硬、硬質石料的最大粒徑不得大于壓實層厚的2/3，強風化石料或軟質石料的最大粒徑不得大于壓實層厚。
(2)三疊系下統嘉陵江組三段(T1j3)。T1j3灰巖因位于中峰寺背斜與瀝鼻峽背斜之間的破碎帶中，其節理裂隙、溶蝕裂隙發育，巖體破碎，含泥量較重，不能用于生產砂石骨料(不排除采用濕法工藝生產砂石骨料的可行性)，但其具有兩項突出特征：一是飽和抗壓強度高，其既可以直接作為土石路堤回填材料使用，也可以經土石分離后作為水泥穩定材料的原材料使用，或者經土石分離及破碎后用于生產各類建筑物基礎回填材料的定制化產品；二是氧化鈣(CaO)含量高(可達50%左右)，且氧化鎂(MgO)、氧化鉀(K2O)、氧化鈉(Na2O)等有害成分低，能夠滿足《冶金、化工石灰巖及白云巖、水泥原材料礦產地質勘查規范》DZ/T0213-2002中的水泥用石灰質原料I級品要求，可用于生產高品質水泥。
4.4 含泥石屑
含泥石屑為經過破碎的、D≤10mm的含泥細顆粒，主要成分為T1j1，其質地堅硬，完整性好，飽和抗壓強度高(平均飽和抗壓強度達60MPa以上)。在毛料取料點地質條件穩定、天氣晴朗的情況下，其含水率可以控制在1%以內，含泥量亦可控制在5%以內，可直接摻入水泥穩定材料使用。在毛料取料點地質條件變化大、連續陰雨、含水率和含泥量大幅度提升的情況下，可以考慮通過二次篩分或水洗等措施進行除泥，除泥后既可以將其直接摻入水泥穩定材料使用[3]，也可以用于生產普通機制砂、水洗機制砂或砂漿砂[4]等，能夠顯著提高其利用效益。
4.5 石粉
(1)破碎、輸送過程中收集到的塵粉(灰)。成品料破碎、輸送過程中收集到的石粉(灰)，其含水率和含泥量均不超過1%，氧化鈣(CaO)含量穩定(一般為48%左右)，且其中D≥45μm的顆粒占比一般介于10%~15%之間。根據《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》GB/T35164-2017中的明確劃分標準，該類石粉為LⅡA級石粉，其既可作為預拌混凝土、預拌砂漿的摻合物[5]，也可用于生產水泥。
(2)制砂過程收集到的塵粉(粉)。機制砂生產過程中產生的石粉(粉)其含水率、含泥量的波動較大，且其中D≥45μm的顆粒占比一般介于25%~30%之間。根據《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》GB/T35164-2017中的明確劃分標準，該類石粉通常為LⅢB級石粉，按照《石灰石粉在混凝土中應用技術規程》JGJ/T318-2014的約定，其不能滿足預拌混凝土要求，只能用于生產水泥。
現階段，重慶市銅梁區獨立工礦區轉型升級產城融合PPP項目B包礦山生產的砂石骨料主要以T1j1為原材料，在其生產過程中收集到的石粉氧化鈣(CaO)一般為48%左右，后續將根據礦層的完整性情況可能使用T1j3為原材料生產砂石骨料，屆時生產過程中收集到的石粉的氧化鈣(CaO)含量可能提高到50%以上。高鈣石粉除可以用于預拌混凝土、預拌砂漿及生產水泥外，還可以經研磨、煅燒等工序后生產碳酸鈣或作為溶劑用石粉、脫硫用石粉等，在材料制造、金屬冶煉、火力發電等領域具有廣泛用途。
5 結語
建筑石料用灰巖礦作為典型的資源開發類項目，提高其包括各類伴生品在內的資源綜合利用水平既是政府管控政策的要求，也是企業提升經濟效益的要求。因此，在建筑石料用灰巖礦項目開發過程中，一定要通過地質調查等手段全面掌握各類巖體的物理、化學屬性，提前編制礦產資源綜合利用方案，并高度關注周邊水泥廠、水穩站等上下游關聯產業的發展情況，通過外銷或自主深加工等方式盡可能地對礦山開采、加工過程中產生的伴生品進行資源化利用。
來源：《四川水力發電》第43卷第4期
編輯：雷閃閃 | 審核：李欣桐
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