淺議水泥石灰石礦山優(yōu)化利用

  摘要：本文對(duì)已經(jīng)投產(chǎn)的水泥用石灰石礦山和新投產(chǎn)的石灰石礦山分析了在原來技術(shù)要求的條件下可采取的措施，結(jié)合了最近幾年來水泥檢測設(shè)備新技術(shù)及當(dāng)前礦山的發(fā)展趨勢，提出了對(duì)石灰石礦山再優(yōu)化的方案和高效利用資源的措施。

  關(guān)鍵詞：石灰石礦山、優(yōu)化、中子活化在線分析儀、數(shù)字化

  一、石灰石礦山的利用原則

  上世紀(jì)九十年代，隨著水泥生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，水泥廠所需的石灰石礦山也在擴(kuò)大，對(duì)石灰石礦山的開采，需求量也逐漸擴(kuò)大。國家建材局于1991年發(fā)布了《水泥礦山原料管理規(guī)程》指出：制定石灰石進(jìn)廠質(zhì)量控制指標(biāo)時(shí)候，在滿足水泥原料配料的基礎(chǔ)上，對(duì)不同品級(jí)的礦石進(jìn)行均化開采，經(jīng)濟(jì)合理的充分利用礦產(chǎn)資源。在此后的水泥發(fā)展過程中，大多水泥廠的礦山開采實(shí)現(xiàn)了高低搭配，保持合理的石灰石成分。按照劃分，水泥廠的石灰石按照成分劃分為兩級(jí)，一級(jí)品：CaO≥48%，二級(jí)品：48%≥CaO≥45%，按照賈華平先生的觀點(diǎn)：評(píng)價(jià)一個(gè)石灰石礦山的好壞有三：（1）主要成分的含量是否滿足配料要求，（2）有害成分的含量是否超出了工藝允許的。（3）礦石的質(zhì)量是否均衡穩(wěn)定。在已經(jīng)圈定的礦山范圍內(nèi)，大型的礦山按照計(jì)劃保持合理的三量對(duì)礦山既有礦石進(jìn)行高低搭配使用，或?qū)τ泻Τ煞挚刂频臅r(shí)候搭配低品位物料。從規(guī)程上明確對(duì)資源要充分利用對(duì)后來的水泥企業(yè)高效利用資源起了很大作用。

  近幾年來，國家在環(huán)保方面的要求越來越嚴(yán)格，同時(shí)，作為一個(gè)政策市場，水泥市場也在萎縮，在環(huán)保和市場的雙重壓力下，水泥廠通過對(duì)內(nèi)的挖潛改造，精細(xì)化管理來降低成本、提高市場競爭能力，相對(duì)于二十年前的要求，當(dāng)前部分水泥公司提出更高的要求，如，減少排廢，加大對(duì)剝離料，夾石層的利用率，有的公司甚至提出了礦山零排放的要求。如果提出了更高的要求，就要重新審視當(dāng)時(shí)的開發(fā)利用方案，對(duì)當(dāng)年的開發(fā)利用方案進(jìn)行再優(yōu)化。

  二、石灰石礦山進(jìn)行再優(yōu)化的好處

  1、繼續(xù)降低礦山的剝采比例，對(duì)含CaO量較低的低品位石灰石礦石善加利用，延長礦山的服務(wù)年限。作為礦山開采中的一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，往往決定著采礦設(shè)備、人員等資源的配置。因而，如果繼續(xù)對(duì)剝采比繼續(xù)優(yōu)化可以有效降低排廢，增加礦山的服務(wù)年限。

  2、增加剝離料或雜質(zhì)料減少輔料的（硅鋁質(zhì)原料）搭配使用，減少硅鋁質(zhì)原料的采購，降低外購原料的費(fèi)用。

  3、低品位石灰石由于在形成的過程中并未形成十分完整的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因而其結(jié)晶結(jié)構(gòu)具有的缺陷會(huì)使其具有易分解、易燒性好，燒成能耗低的特點(diǎn)， 因而一定程度上利用易燒性較好的低品位石灰石可以降低熟料燒成的煤耗。有關(guān)研究表明，低品位石灰石的生產(chǎn)水泥熟料，其熟料的熱耗要比高品位的石灰石低10%----15%。

  三、石灰石礦山優(yōu)化的條件

  1、所搭配物料的全部成分是滿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，只要在石灰石礦石的硅鋁鐵含量不超過生料配料中的規(guī)定值，即可實(shí)現(xiàn)高低物料的搭配。而石灰石礦石中的雜質(zhì)多半是這三種物質(zhì)，只要雜質(zhì)中的成分含量不超過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，可以在生料配料環(huán)節(jié)完成。

  2、要形成相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定的料流，水泥的生產(chǎn)是連續(xù)的，其成分的波動(dòng)往往帶來各種變化，使得生產(chǎn)變得不穩(wěn)定。這是生產(chǎn)中的大忌。所以，對(duì)石灰石礦山的物料進(jìn)行優(yōu)化，就是要有比較穩(wěn)定的物料來源，即根據(jù)三量的安排，要長期計(jì)劃和近期計(jì)劃相結(jié)合，不僅作為主要成分的CaCO3波動(dòng)小，而且其他的配合料帶來的成分波動(dòng)也要控制，使得物料的成分波動(dòng)盡量的小，以此來穩(wěn)定工廠的生產(chǎn)。

  3、一定有效控制有害成分。水泥礦山中的有害成分主要是鎂、堿、硫。氧化鎂。氧化鎂在石灰石礦山中較為常見，其含量差異很大，因?yàn)樵谑炝响褵龝r(shí)候，氧化鎂有一部分和熟料礦物結(jié)合或固溶體以及熔于液相中。因此，當(dāng)熟料中含有少量氧化鎂的時(shí)候，能降低熟料液相生成溫度增加液相數(shù)量，降低液相粘度，有利于熟料的形成，還能改善色澤。在水泥熟料中，氧化鎂的固溶總量可達(dá)到2%，其余的就是以游離狀態(tài)存在的方鎂石。這種礦物會(huì)在水化的時(shí)候速度慢，體積膨脹，會(huì)導(dǎo)致安定性不良，因此，必須從源頭上予以控制。堿氯硫，石灰石礦山中或多或少均有一種或幾種存在。這些物質(zhì)在工廠內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)的過程中，隨著溫度不同，本身的物相及其物理化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生變化，在高溫地帶，這些物料受熱揮發(fā)，隨著煙氣帶往后面的煙室，分解爐、預(yù)熱器系統(tǒng)并凝聚在生料顆粒表面，形成低溫共熔物。這些部分含有液相的料粉顆粒極其容易粘接在預(yù)熱器內(nèi)壁上。 故，對(duì)這些容易形成低溫共熔物的物料盡可能的控制含量，尤其是氧化鎂和硫含量不宜同時(shí)都高。一般而言，生料中的堿以鈉當(dāng)量計(jì)算＜1.5%，氯含量＜0.02%，S＜1.3%。所以，在綜合考慮輔料中的有害成分后，對(duì)石灰石礦山的有害成分控制就明晰了。

  四、水泥廠石灰石礦山再優(yōu)化的技術(shù)措施

  1、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的礦石檢測很重要，要做到取樣檢測和在線監(jiān)測的有機(jī)結(jié)合。

  1.1在水泥廠的石灰石礦山主要開采環(huán)節(jié)有“鉆、爆、裝、運(yùn)、破”五大環(huán)節(jié)，取樣檢測則可貫穿于各個(gè)環(huán)節(jié)，如在鉆孔的時(shí)候可以取到鉆孔的粉料作為樣品進(jìn)行檢驗(yàn)，并且據(jù)此判斷即將爆破的區(qū)域的礦石的成分含量及其分布。取樣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是取樣代表性的問題，即用一部分樣品代表整個(gè)物料的整體情況。顯然，取到的樣本數(shù)量越多，其平均的成分含量與礦體平均值越接近。其取樣部位應(yīng)指定，以此減小取樣位置因隨機(jī)性帶來的誤差。例如，在礦體中劃定方格網(wǎng)陣，在每個(gè)方格網(wǎng)陣中取樣，作為子樣。這種對(duì)取樣位置劃定區(qū)塊，嚴(yán)格要求取樣的方式，其代表性要遠(yuǎn)高于隨機(jī)位置取樣代表性。只有對(duì)各個(gè)區(qū)塊的的取樣樣品取得詳細(xì)準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，即弄清了在什么位置有何種物料，該物料可用于何種搭配，才可在后續(xù)的裝運(yùn)工作中找到合適的物料進(jìn)行裝運(yùn)到搭配地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)均勻的混合。所以，作為取樣檢測的重要一環(huán)，要重點(diǎn)關(guān)注取樣代表性的問題。

  1.2在線檢測是最近幾年成熟的一項(xiàng)新的石灰石檢測技術(shù)，其基本原理是基于PGNNA技術(shù)，利用中子源打擊被測物料的原子核，物料的原子核俘獲到中子后，釋放出特征能量的伽馬射線，通過檢測γ射線的能量，可以得知被測元素的種類，通過檢測被測元素所釋放的伽馬射線的強(qiáng)度可算出該種元素的含量。相對(duì)于此前的取樣分析，這種分析手段快速準(zhǔn)確，最大的優(yōu)點(diǎn)是全物料檢測，沒有取樣代表性的困擾。將檢測儀表跨在皮帶機(jī)上，對(duì)皮帶機(jī)上的全部物料進(jìn)行透射式檢測。

  1.3取樣檢測和在線檢測因?yàn)樵诘V山開采過程中的環(huán)節(jié)不同，各環(huán)節(jié)所起的作用不同，所以，二者有機(jī)結(jié)合起來，而不是簡單的取代。取樣檢測是對(duì)礦區(qū)及各掌子面的掌控和規(guī)劃的需要，是合理配料的前提，而經(jīng)過破碎的物料經(jīng)過分析儀全物料檢測為物料在卸車坑的搭配方案及時(shí)調(diào)整提供依據(jù)。二者相輔相成，有機(jī)結(jié)合，對(duì)礦山進(jìn)行精確的探知，生產(chǎn)，控制。使進(jìn)入預(yù)均化堆場的物料由原來的預(yù)估，改為精確檢測。

  2.建立礦山數(shù)字化模型

  水泥廠的石灰石礦山的生產(chǎn)在進(jìn)入新世紀(jì)以來，由于水泥市場的擴(kuò)張，在水泥制造企業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)張的同時(shí)，石灰石礦山也經(jīng)歷了以產(chǎn)能增加為主要內(nèi)容的快速擴(kuò)張。雖然有不少企業(yè)對(duì)礦山加強(qiáng)了管理，但是，距離國際先進(jìn)水平尚有差距，2012年后，隨著市場的萎縮，已經(jīng)建成的水泥廠開始重視內(nèi)部的挖潛改造，對(duì)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)精細(xì)化管理，降低成本。對(duì)于石灰石礦山，也在向著采礦的智能化，數(shù)字化發(fā)展。根據(jù)于潤倉院士的提法，對(duì)數(shù)字化礦山的概念可以表述為由初級(jí)到高級(jí)的三個(gè)層次：礦山數(shù)字化信息系統(tǒng)、反映真實(shí)礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的虛擬礦山、無人礦井的遠(yuǎn)程遙控操作和自動(dòng)化采礦。在新世紀(jì)的我國的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展過程中，相比我國的有色礦山的數(shù)字化進(jìn)程，水泥企業(yè)石灰石礦山的數(shù)字化無疑是慢了一拍，但是，已經(jīng)引起水泥工業(yè)界的有志之士的注意，在石灰石礦山自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制方面尚未開始，但是在數(shù)字化信息系統(tǒng)方面已經(jīng)有所作為。在2015年投產(chǎn)的泰安中聯(lián)水泥公司，其礦山采用了丹東東方測控技術(shù)股份有限公司的精細(xì)化配礦系統(tǒng)，這是第一次水泥石灰石礦山的采用數(shù)字化的技術(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)：首先利用已經(jīng)有的詳勘資料中鉆孔、槽探、和爆破孔的取樣數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維的虛擬石灰石礦山模型，對(duì)整個(gè)采礦區(qū)域的礦石的分布，品位，等信息以三維狀態(tài)的虛擬礦山形式表現(xiàn)出來。其次，該系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和技術(shù)要求，能自動(dòng)生成配礦、生產(chǎn)等日工作計(jì)劃，同時(shí)該系統(tǒng)配有車輛智能調(diào)度系統(tǒng)。調(diào)度中心可根據(jù)生成的工作計(jì)劃通過車載移動(dòng)終端自動(dòng)對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)度。并對(duì)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)車輛的路線，負(fù)荷等進(jìn)行記載。這樣，數(shù)字化礦山能極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)礦山真正安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采。

  石灰石礦山數(shù)字化，是未來的礦山的發(fā)展趨勢，也是我國礦業(yè)由弱到強(qiáng)的必由之路，同時(shí)更是當(dāng)前水泥礦山再優(yōu)化、再利用的有效措施。

  3.  多工作面的需要，減少二次倒運(yùn)。

  如果水泥廠對(duì)自有的石灰石礦山進(jìn)行再優(yōu)化，需要再對(duì)工作面重新考慮，這時(shí)候，工作面的設(shè)置并不是僅僅考慮開礦的需要，要更多考慮不同工作面的不同成分，最起碼考慮配礦需求的比重要加大。多個(gè)工作臺(tái)面，有充足的礦量備好，并有工作臺(tái)面上的礦石的成分有梯次的排布，這樣，對(duì)后續(xù)的精確搭配控制起到重要作用。

  這里的二次倒運(yùn)，并非是原來意義的二次倒運(yùn)，而是指因?yàn)闄z測頻率的提高、區(qū)塊的檢測密度加大，對(duì)于部分低鈣、高有害成分的物料宜統(tǒng)籌安排，并不一定非要立刻做排廢處理，而是多考慮一下從前面預(yù)均化堆場堆區(qū)的角度甚至是整體生產(chǎn)線的角度考慮，合理實(shí)現(xiàn)高低物料的合理搭配。不能輕易作為排廢料排掉。從已經(jīng)投產(chǎn)的部分礦山看，實(shí)現(xiàn)檢測優(yōu)化后，部分礦山對(duì)低品位的石灰石再利用潛力巨大，故應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待排廢。 例如：吉林的明城亞泰，安裝一臺(tái)DF-5701的在線元素分析儀后，對(duì)已有的低品位石灰石不再排廢，而是根據(jù)檢測結(jié)果運(yùn)輸至破碎站直接搭配，送入工廠的預(yù)均化堆場。對(duì)以前已經(jīng)作為廢料排出的礦物也進(jìn)行搭配使用。盡管這是當(dāng)時(shí)條件下無法避免的二次倒運(yùn)，但是經(jīng)過礦山的利用再優(yōu)化措施，對(duì)已有的礦石減少二次倒運(yùn)，對(duì)已經(jīng)當(dāng)做廢料的礦石搭配再利用，都是提高礦山利用率的有益之舉。

  五、結(jié)論

  1.當(dāng)前的水泥廠所用的礦山多數(shù)為既有礦山， 應(yīng)對(duì)既有礦山根據(jù)已經(jīng)掌握的資料和已經(jīng)開采的情況進(jìn)行認(rèn)真分析，對(duì)其優(yōu)化再利用提出可靠的方案。

  2.礦山的優(yōu)化再利用方案必須配以合適的快速檢測手段，以中子活化技術(shù)的在線分析儀是可靠的檢測方式和技術(shù)措施。而礦山的數(shù)字化是未來礦山的發(fā)展趨勢。

  3.對(duì)石灰石礦山進(jìn)行再優(yōu)化后會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

  參考文獻(xiàn)：

  1、賈華平。 《水泥生產(chǎn)的中庸之道》  中國建材工業(yè)出版社  2014年12月

  2、國家建材局。 《水泥礦山原料管理規(guī)程》  1991年。