浅议水泥石灰石矿山的优化利用

张 伟 李岩峰 李世旭

（丹东东方测控技术股份有限公司， 辽宁 丹东 118000）

1 石灰石矿山的利用原则

上世纪九十年代，随着水泥生产规模的扩大，水泥厂所需的石灰石矿山也在扩大，对石灰石矿山的开采，需求量也逐渐扩大。国家建材局于1991年发布了《水泥矿山原料管理规程》指出：制定石灰石进厂质量控制指标时候，在满足水泥原料配料的基础上，对不同品级的矿石进行均化开采，经济合理的充分利用矿产资源。在此后的水泥发展过程中，大多水泥厂的矿山开采实现了高低搭配，保持合理的石灰石成分。按照划分，水泥厂的石灰石按照成分划分为两级，一级品：CaO≥48%，二级品：48%≥CaO≥45%。评价一个石灰石矿山的好坏主要有三点：一是看主要成分的含量是否满足配料要求，二是看有害成分的含量是否超出了工艺允许，三是看矿石的质量是否均衡稳定。在已经圈定的矿山范围内，大型的矿山按照计划保持合理的三量对矿山既有矿石进行高低搭配使用，或对有害成分控制的时候搭配低品位物料。从规程上明确对资源要充分利用，对水泥企业高效利用资源起了很大的推动作用。

近几年来，国家在环保方面的要求越来越严格，同时水泥市场也在萎缩，在环保和市场的双重压力下，要求水泥企业通过对内的挖潜改造和精细化管理来降低成本，提高市场竞争能力。与二十年前相比，水泥企业提出了许多更高的要求，例如，减少排废，加大对剥离料和夹石层的利用率，甚至提出了矿山零排放的要求[1]。针对这些更高的要求，水泥企业需要重新审视已有的开发方案，对开发方案进行再优化[2]。

2 石灰石矿山进行再优化的好处

对石灰石矿山进行再优化的好处主要有以下几点：

（1）降低矿山的剥采比例，对含CaO量较低的低品位石灰石矿石善加利用，延长矿山的服务年限[3]。作为矿山开采中的一项重要经济指标，往往决定着采矿设备、人员等资源的配置。因而，进一步优化剥采比可以有效降低排废，增加矿山的服务年限。

（2）增加剥离料或杂质料减少辅料的（硅铝质原料）搭配使用，减少硅铝质原料的采购，降低外购原料的费用。

（3）低品位石灰石由于在形成的过程中并未形成十分完整的结晶结构，因而其结晶结构具有易分解、易烧性好和烧成能耗低的特点，利用低品位石灰石可以降低熟料烧成的煤耗。有关研究表明，使用低品位石灰石的生产水泥熟料，其熟料的热耗要比高品位的石灰石低10%－15%。

3 石灰石矿山优化的条件

进行石灰石矿山优化，首先要求石灰石矿山具备以下几个必要条件：

（1）石灰石所含成分必须是满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，只要在石灰石矿石的硅铝铁含量不超过生料配料中的规定值，即可实现高低物料的搭配。而石灰石矿石中的杂质多半是这三种物质，只要杂质中的成分含量不超过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，可以在生料配料环节完成。

（2）下山石灰石要形成成分相对稳定的料流。水泥的生产是连续的，其成分的波动往往带来各种变化，使得生产变得不稳定。这是生产中的大忌。所以，对石灰石矿山的物料进行优化，就是要有比较稳定的物料来源，即根据三量的安排，要长期计划和近期计划相结合，不仅作为主要成分的CaCO3波动小，而且其他的配合料带来的成分波动也要控制，使得物料的成分波动尽量的小，以此来稳定工厂的生产。

（3）必须有效控制有害成分。水泥矿山中的有害成分主要是镁、碱、硫。氧化镁在石灰石矿山中较为常见，其含量差异很大，因为在熟料煅烧时候，氧化镁有一部分和熟料矿物结合或固溶体以及熔于液相中。因此，当熟料中含有少量氧化镁的时候，会降低熟料液相生成温度增加液相数量，降低液相粘度，有利于熟料的形成，还能改善色泽。在水泥熟料中，氧化镁的固溶总量可达到2%，其余的是以游离状态存在的方镁石。这种矿物会在水化的时候速度慢，体积膨胀，会导致安定性不良，因此，必须从源头上予以控制。碱氯硫，石灰石矿山中或多或少均有一种或几种存在。这些物质在生产过程中，随着温度不同，本身的物相及其物理化学性质会发生变化，在高温地带，受热挥发，随着烟气进入后面的烟室、分解炉和预热器系统，并凝聚在生料颗粒表面，形成低温共熔物。这些含有液相的粉料颗粒极易粘接在预热器内壁上。对这些容易形成低温共熔物的物料要严格控制含量，尤其是氧化镁和硫含量绝对不可同时都高。一般要求，生料中的碱含量＜1.5%，氯含量＜0.02%，S＜1.3%。在综合考虑辅料中的有害成分后，对石灰石矿山的有害成分控制就明晰了。

4 石灰石矿山优化的技术措施

（1）生产环节的矿石检测很重要，要做到取样检测和在线监测的有机结合。

在水泥厂的石灰石矿山主要开采环节有“钻、爆、装、运、破”五大环节，取样检测则可贯穿于各个环节，如在钻孔的时候可以取到钻孔的粉料作为样品进行检验，并且据此判断即将爆破的区域的矿石的成分含量及其分布[4]。取样的关键环节是取样代表性的问题，即用一部分样品代表整个物料的整体情况。显然，取到的样本数量越多，其平均的成分含量与矿体平均值越接近。其取样部位应指定，以此减小取样位置因随机性带来的误差。例如，在矿体中划定方格网阵，在每个方格网阵中取样，作为子样。这种对取样位置划定区块，严格要求取样的方式，其代表性要远高于随机位置取样代表性。只有对各个区块的的取样样品取得详细准确的检测结果，才可在后续的装运工作中找到合适的物料进行合理、均匀的混合。所以，作为取样检测的重要一环，要重点关注取样代表性的问题。

在线检测是最近几年新兴的高科技石灰石检测技术，其基本原理是基于PGNNA技术，利用中子源打击被测物料的原子核，物料的原子核俘获到中子后，释放出特征能量的伽马射线，通过检测γ射线的能量，可以得知被测元素的种类，通过检测被测元素所释放的伽马射线的强度计算出元素的含量。相对于此前的取样分析，这种分析手段快速准确，最大的优点是全物料检测，没有取样代表性的困扰。将检测仪表跨在皮带机上，对皮带机上的全部物料进行透射式检测。

取样检测和在线检测应用于矿山开采过程中的环节不同，它们起到不同的作用，要将二者有机结合起来，而不是简单的取代[5]。取样检测是对矿区及各掌子面的掌控和规划的需要，是合理配料的前提，而经过破碎的物料经过分析仪全物料检测为物料在卸车坑的搭配方案及时调整提供依据。二者相辅相成，有机结合，对矿山进行精确的探知、生产和控制。

（2）建立数字化矿山模型

水泥厂的石灰石矿山的生产在进入新世纪以来，由于水泥市场的扩张，在水泥制造企业产能扩张的同时，石灰石矿山也经历了以产能增加为主要内容的快速扩张。虽然有不少企业对矿山加强了管理，但是距离国际先进水平尚有差距，2012年后，随着市场的萎缩，已经建成的水泥厂开始重视内部的挖潜改造，对各个工艺环节精细化管理，降低成本。对于石灰石矿山，也在向着采矿的智能化，数字化发展。根据于润仓院士的提法，对数字化矿山的概念可以表述为由初级到高级的三个层次：矿山数字化信息系统、反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山、无人矿井的远程遥控操作和自动化采矿。在新世纪的我国的经济高速发展过程中，相比我国的有色矿山的数字化进程，水泥企业石灰石矿山的数字化无疑是慢了一拍，但是，已经引起水泥工业界的有志之士的注意，在石灰石矿山自动化和远程控制方面尚未开始，但是在数字化信息系统方面已经有所作为[6-7]。在2015年投产的山东某水泥公司，其矿山采用在线分析仪精细化配矿系统，这是第一次水泥石灰石矿山的采用数字化的技术指导生产：首先利用已经有的详勘资料中钻孔、槽探、和爆破孔的取样数据，构建三维的虚拟石灰石矿山模型，对整个采矿区域的矿石的分布，品位，等信息以三维状态的虚拟矿山形式表现出来。其次，该系统根据生产计划和技术要求，能自动生成配矿、生产等日工作计划，同时该系统配有车辆智能调度系统。调度中心可根据生成的工作计划通过车载移动终端自动对车辆进行调度。并对车辆实时监测，对车辆的路线，负荷等进行记载。破碎后的石灰石，在输送皮带上，使用在线分析仪进行成分检测，配矿系统根据测量结果及质量控制目标自动调整配矿计划，指导矿山开采。数字化矿山能极大地提高劳动生产率，降低生产成本，实现矿山真正安全、高效、经济开采。

石灰石矿山数字化，是未来的矿山的发展趋势，也是我国矿业由弱到强的必由之路，同时更是当前水泥矿山再优化、再利用的有效措施。

（3）多工作面统筹考虑

水泥厂对自有的石灰石矿山进行再优化，需要再对工作面重新考虑。工作面的设置并不是仅仅考虑开矿的需要，要更多考虑不同工作面的成分组成，更要重点考虑配矿需求。多个工作台面，具有充足的矿量储备，不同工作台面上的矿石的成分有梯次的排布，这样，对后续的精确搭配控制起到重要作用。

因为检测频率的提高、区块的检测密度加大，对于部分低钙、高有害成分的物料宜统筹安排，不能一味进行排废处理，而是整个生料均化链角度考虑，实现高低品位物料的合理搭配。从已经投产的部分矿山看，实现检测优化后，部分矿山对低品位的石灰石再利用潜力巨大，故应谨慎对待排废。例如：东北某水泥公司，安装一台DF-5701的在线元素分析仪后，对已有的低品位石灰石不再排废，而是根据检测结果运输至破碎站直接搭配，送入工厂的预均化堆场。尽管这是当时条件下无法避免的二次倒运，但是经过矿山的利用再优化措施，对已有的矿石减少二次倒运，对已经当做废料的矿石搭配再利用，是提高矿山利用率的有益措施。

5 结论

（1）当前的水泥厂所用的矿山多数为既有矿山，可根据已经掌握的资料和已经开采的情况进行汇总和数据分析，对其优化再利用提出可靠、可行的方案。

（2）矿山的优化再利用方案必须配以合适的快速检测手段，其中，利用中子活化在线分析仪是一种可靠的检测和控制方式。

（3）建立矿山数字化模型是未来矿山开采的发展趋势，可以最大程度地实现矿山的优化再利用。

（4）对石灰石矿山进行再优化，将产生巨大的经济效益和社会效益。

[1]贾兆义.矿山开采零剥离及搭配高镁石灰石生产熟料[J].水泥工程,2017(02)

[2]张凡,黄铁平.某水泥用石灰岩矿扩建项目开采方案探讨[J].广东建材,2017(08)

[3]张强.不同掺量玄武岩废石配料对熟料煅烧及质量的影响[J].水泥,2016(09)

[4]郝汝铤.科学发展是水泥矿山的必然选择[C].全国水泥矿山第四届年会论文集,2009

[5]于宝池.高效低碳大势趋然——试论水泥矿山发展之路[C].水泥矿山开采和资源综合利用技术论坛文集,2010

[6]武青山,张翔,荚小平,徐春超.水泥原料矿山智能化均化开采与矿石品位控制系统[C].2013年中国水泥矿山年会暨生物多样性矿山恢复论坛文集,2013

[7]李健.基于数字化矿山的全息化应急管理系统研究[J].山西焦煤科技,2013(09)