福建建筑用石料(机制砂)特性与勘查技术探讨

林 喜

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

随着国家建设的高速发展，建设用砂量越来越大，天然砂资源几近枯竭，机制砂已成为建设用砂市场的主力，同时基于生态环境保护的日益重视，推广应用机制砂成为今后建设用砂的发展趋势。2018年，机制砂作为砂石产业相关产品及装备产品被正式列入我国“战略新兴产业”重点产品[1]；福建省也陆继出台一系列产业指导与矿山管理政策[2-3]，明确将机制砂按建筑用石料矿种管理[4]。“建筑用石料(机制砂)”是指经除土处理，新鲜岩石经机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75 mm的岩石颗粒(不包括软质、风化的颗粒)，俗称人工砂，也称细骨料。近十年来，浙江、河南、安徽等省分别发布其普通建筑石料矿产地质勘查技术要求[5-8]，福建省也发布工程建设地方标准[9]促进和规范机制砂的生产和使用。

1 机制砂矿山地质勘查现状

1.1 机制砂矿山规模与地域分布

近年来，福建机制砂产业取得显著发展，截至2020年7月，福建省自然资源厅备案、备选及2020年度新设置的机制砂矿山分别为56个、19个、13个(表1)，主要分布于闽东南宁德—福州—泉州—漳州一线，闽西北、闽西南分布较少。矿床规模以小型为主，次为中型，大型仅1处。

1. 2 机制砂矿山岩质母岩的岩类

经统计，福建省机制砂矿山岩质母岩的岩类多以火成岩为主(表2)，其岩性主要涵盖早侏罗世至晚白垩世的正长花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩、晶洞碱长花岗岩、英安质(流纹质)晶屑凝灰岩、流纹质熔结凝灰岩、流纹岩等；岩质母岩为沉积岩的矿区极少，其岩性主要为早-中侏罗世的石英砂岩、细砂岩等；岩质母岩为变质岩的机制砂矿山。但通过搜集资料，发现在建宁—宁化一带已设置有多处产品方案为碎石的矿山，其岩质母岩为古元古代天井坪(岩)组或新元古代黄潭(岩)组的变质岩。

表1 福建省机制砂矿山地域分布与矿床规模特征

表2 福建省机制砂矿山岩质母岩的岩类分布特征

1. 3 岩质母岩与机制砂性能检测结果

此次研究收集福建省21个产品方案为机制砂的代表性矿区，以及8个产品方案为碎石(5个变质岩区、3个沉积岩区)的矿区不同岩质母岩特性指标资料，其岩质母岩(原矿)物性指标特征(表3)。机制砂矿区的岩质母岩抗压强度均能符合各岩类的相应标准(沉积岩≥30 MPa、变质岩≥60 MPa、火成岩≥80 MPa)；石料放射性绝大多数也符合国家标准的规定，但也存在个别矿山石料放射性核素限量超限，产品仅适用于空心率大于25%的建筑主体材料或装饰装修材料。

表3 福建省机制砂代表性矿区不同岩质母岩物性指标

统计福建省21个产品方案为机制砂的代表性矿区的细骨料质量技术指标，代表性机制砂矿山的各项指标均能符合标准要求，有害物质含量控制较好[10]，机制砂类别为Ⅰ～Ⅱ类；碱集料反应试验结果判定矿山的细骨料为无潜在碱-硅酸反应危害。虽然有1个矿区亚甲蓝(MB)值>1.4，但石粉含量和泥块含量均符合相应的规定[11](表4)。

表4 福建省机制砂代表性矿区细骨料质量技术指标

2 机制砂矿区地质工作存在的问题

(1)在前期踏勘阶段由于对岩质母岩的预研究工作不足，未采集代表性样品，先期进行物化性能指标测试，以了解石料质量；未开展放射性顺检，对矿区放射性水平进行初步评价。2015年至今，在省内已评审的机制砂矿区中，不乏因岩质母岩的抗压强度、碱集料反应、放射性核素限量等关键指标超标而被中止或改变产品用途的矿区。

(2)建筑用石料的质量主要针对岩质母岩的质量要求，而非对加工用途产品的质量要求。由于二者质量要求目前主要是依据“建设用砂”标准[11]，因此个别成果报告中存在将加工产品质量指标当作岩质母岩的一般工业指标进行评价的误区，这显然是不合适的。由此，把岩质母岩样品采集、检测内容与用途产品的物化样品采集、检测内容相混淆，导致各矿区分析项目不统一，进而影响石料质量和用途评价。

(3)建筑用石料作为福建省新设矿种，经过几年的地质勘查工作，积累了许多宝贵的经验和教训，形成了具有自身特色的勘查技术。但截至目前，自然资源部提出的行业标准[12]；或其他省份发布实施的地质勘查技术要求[5-7]，均按“建筑用石料”大类编制而成，尚未有机制砂单矿种的统一的标准和要求。这容易在实际地质勘查工作中造成不同认识，也导致各矿区地质勘查程度和成果质量不一，影响矿床开发与利用[13]。

(4)受限“三区三线”(即城镇、农业、生态空间和生态红线、永久基本农田保护红线、城镇开发边界)以及矿产资源规划布局的允许开采区块，机制砂矿区的选择空间被严重压缩，不同程度存在矿区范围划定不合理现象，不仅在后期矿山开采中容易造成生态环境破坏，给恢复治理带来困难，而且开采既不经济也不安全。

3 机制砂矿产地质工作的探讨

3.1 踏勘选点主要事项

(1)通过收集成功投产矿山案例，表征在前期调查中应注意事项，包含矿产资源贮存状况、自然地形(地貌)、矿山地质特征、矿体岩性、覆盖层与风化层分布情况、开采技术条件、环境影响等诸多因素。

(2)详细收集邻区的已通过评审备案的机制砂矿区岩质母岩的抗压强度、碱集料反应、放射性核素限量等关键指标，进行综合分析、预研判各类机制砂矿山岩质母岩在上述重要指标中稳定性更高、碱活性物质更低，更适合作为混凝土的骨料[14]，以期为后续设置机制砂矿区并开展地质勘查工作提供借鉴，从而有目的的选择可靠机制砂生产基地。

(3)科学选址、合理划定勘查区范围。①查明拟设矿区及其周边地质环境条件(如水系分布及流量)，查明矿区构造特征(如断层及密集的节理、裂隙的产状，防止开采边坡构造面临空而导致地灾风险)，大致了解矿山道路及加工厂、排土场等功能区布置的地形条件。②合理选择拟设矿区范围及其周边的地形(地貌)，矿区范围的圈定应有利于在确定未来开采方式时采用夷平式开采，如此既可避免闭坑后形成高陡边坡，有利于减灾防灾与后期管护；同时又有利于“矿地”结合，增加耕地或建设用地面积。③在确定与各类保护区范围无重叠和符合规划等要求基础上，进一步收集掌握拟设矿区范围内的各类敏感目标的资料(如是否分布有高压线路、基本农田、居民生活用水水源地等敏感目标)。

经踏勘选点后较理想的机制砂矿区为：岩性单一、延展稳定、断裂构造不发育、出露良好、覆盖层薄、风化浅、开采技术条件简单，以及未来开采对环境影响小的区块。同时还要根据绿色矿山建设要求，充分考虑矿山闭坑后的修复治理和土地复垦还绿条件，按不低于拟新建矿山规模和服务年限的要求，合理划定勘查区范围。

3.2 采样测试与工业指标

(1)原矿主要物性特性针对的是岩质母岩的质量要求，包括石料质量和开采技术条件。石料质量要求一般又分放射性和物理性能及化学成分要求，采样测试分析项目有抗压强度(水饱和)、坚固性、压碎指标等。

(2)细骨料质量是指矿石的加工产品用于不同行业(如建设用、公路混凝土路面用、沥青混合料用、铁路混凝土用、砌石用、核电用)而相应分类细化的不同质量指标。具体到建设用机制砂，其质量技术指标包括颗粒级配、石粉含量、泥块含量、有害物质含量(云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯化物、坚固性指标、压碎指标、表观密度、堆积密度、空隙率、碱集料反应、含水率等；若产品用作核电、铁路、沥青混合料等特殊用途时，还需增加检测其它相关物性指标(如棱角性、磨光值、砂当量等)。

二者采样和物理化学性能检测结果及评价在地质勘查报告中应分开表述。同时可能存在原矿物化性能质量指标均合格，但加工产品(机制砂)可能出现某些项目质量不达标情况，例如碱集料反应试验结果超标时，则原矿只能作为块石、条石等一般民用建筑石料用途进行评价。

3.3 勘查阶段、勘查类型的划分及基本工程间距

(1)勘查阶段划分：根据“福建省国土资源厅关于划定矿区范围矿产资源储量勘查”规定[15]：国土资发附件第三类矿产的矿区，应达到普查程度，提交推断资源量。水文地质、工程地质、环境地质等开采技术条件的查明程度应达到矿山建设要求。其他的普通建筑材料用砂、石、黏土矿种，参照第三类矿产执行。机制砂的地质勘查分为踏勘选点和地质勘查2个阶段，其中地质勘查阶段不再递进划分勘查阶段，一次勘查完成，即勘查程度需达到满足矿山开采设计提供依据的要求，将地质勘查工作分为普查和详查。鉴于福建省机制砂矿山设置采矿权面积小，矿床规模以中小型为主，岩性较单一、露头出露良好，且绝大多数为露天开采的实际现状，原则上工作程度可以不达到勘探阶段。

(2)勘查类型划分与基本工程间距的确定：根据机制砂矿床自身产出特点，其勘查类型划分主要依据矿体规模、矿体内部结构复杂程度、矿体厚度稳定程度、构造发育程度、覆盖层发育程度等主要地质因素，一般划分为简单类型(Ⅰ类型)和一般类型(Ⅱ类型)。

Ⅰ类型：矿体长度大于1 000 m，内部结构简单；地质构造不发育；覆盖层(残积土和风化层)不发育、平均厚度小(剥采比小于0.5∶1)；基本勘查工程间距为300～400 m。

Ⅱ类型：矿体长度小于1 000 m，内部结构中等；地质构造较发育；覆盖层(残积土和风化层)发育、平均厚度较大(剥采比大于0.5∶1)；基本勘查工程间距为200～300 m。

上述基本工程间距视不同条件不限于加密或放稀。如在花岗岩、火山岩分布区，通过区域构造分析和现场观察，未发现大型推覆或滑脱构造，可基本确认矿体延伸的矿区，矿体控制精度还可适当灵活放稀。

3. 4 剥离体(覆盖层、风化层)勘查精度

对岩质母岩为花岗岩或火山岩的矿山而言，虽然矿体一般情况下延长、延伸均较稳定，但剥离体的类型及其厚度却受区域、岩性与地形等因素的影响，存在较大的差异性(其厚度从几米到几十米均有)。各种剥离物的分布范围及估算的体积、重量关系到其堆存处理与综合利用方案的确定，可能估算不准确，则会影响矿山综合利用，估算的矿石资源储量与实际釆出矿石量存在误差可能产生矿权人与矿政部门之间的民事纠纷。

(1)利用加密施工浅钻的方法，对覆盖层、风化层做到系统控制。其控制精度至少应比矿体增加一倍(如水泥用石灰岩的勘查规范要求剥离层的勘查精度比矿体增加一倍，亦同此理)，若其厚度较大且类型较多，在地形变化处还应进一步加密。

(2)应重视钻孔编录，岩性分类要准确。除了岩性描述以外，还要备注其成因，准确划分出坡积、残积、强风化、中风化等不同的岩土体。不同成因类型的岩土体都有不同的利用方向，如：坡积层可用于覆土绿化、残积层可用于制砖、强风化层可用于加工洗砂、中风化与弱风化体亦可加工机制砂，此外加工剩余底泥或弃渣不能利用的则须填埋处理。

总而言之，剥离层的准确划分、估算与否，不仅关系到矿产开发中面临的环境保护与综合利用两大问题，在编制开发利用方案和矿山设计时也被列入重要篇章，因此地质勘查应为之提供准确、可靠的依据。

4 结语

(1)目前福建机制砂矿床绝大多数岩质母岩为侵入岩或火山岩，而岩质母岩为沉积岩及变质岩的矿山较少。因此除了选择陆相火山岩地层以外，对闽北、闽西南地区广泛分布前寒武纪变粒岩为主的地层(南山岩组、桃溪岩组、大岭(岩)组、万全(岩)群、楼前组等)，可开展资料收集及适当采集样品进行细骨料相关物理测试研究(如宁化、建宁县等已设置有岩质母岩为变粒岩的碎石用矿山)，以期扩大机制砂选点对象和选择空间。

(2)鉴于机制砂作为福建省新设矿种，尚缺乏统一的标准和要求，各矿区勘查程度和成果质量参差不齐，建议在认真总结近年来机制砂地质勘查工作中所取得的经验和教训的基础上，组织力量编制该矿种的地质工作指南或实施细则，以期将相关标准的要求细化融于指南中，使指南既体现我局系统地质勘查工作的水平，同时适应新兴产业的发展需要。

文章得到杨武平高级工程师、张开毕教授级高级工程师细心指导，并提出宝贵的意见；黄良伟工程师在文章资料收集中提供帮助，在此一并致谢！