張 偉 李巖峰 李世旭

（丹東東方測控技術股份有限公司， 遼寧 丹東 118000）

1 石灰石礦山的利用原則

上世紀九十年代，隨著水泥生產(chǎn)規(guī)模的擴大，水泥廠所需的石灰石礦山也在擴大，對石灰石礦山的開采，需求量也逐漸擴大。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：制定石灰石進廠質量控制指標時候，在滿足水泥原料配料的基礎上，對不同品級的礦石進行均化開采，經(jīng)濟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，一級品：CaO≥48%，二級品：48%≥CaO≥45%。評價一個石灰石礦山的好壞主要有三點：一是看主要成分的含量是否滿足配料要求，二是看有害成分的含量是否超出了工藝允許，三是看礦石的質量是否均衡穩(wěn)定。在已經(jīng)圈定的礦山范圍內，大型的礦山按照計劃保持合理的三量對礦山既有礦石進行高低搭配使用，或對有害成分控制的時候搭配低品位物料。從規(guī)程上明確對資源要充分利用，對水泥企業(yè)高效利用資源起了很大的推動作用。

近幾年來，國家在環(huán)保方面的要求越來越嚴格，同時水泥市場也在萎縮，在環(huán)保和市場的雙重壓力下，要求水泥企業(yè)通過對內的挖潛改造和精細化管理來降低成本，提高市場競爭能力。與二十年前相比，水泥企業(yè)提出了許多更高的要求，例如，減少排廢，加大對剝離料和夾石層的利用率，甚至提出了礦山零排放的要求[1]。針對這些更高的要求，水泥企業(yè)需要重新審視已有的開發(fā)方案，對開發(fā)方案進行再優(yōu)化[2]。

2 石灰石礦山進行再優(yōu)化的好處

對石灰石礦山進行再優(yōu)化的好處主要有以下幾點：

（1）降低礦山的剝采比例，對含CaO量較低的低品位石灰石礦石善加利用，延長礦山的服務年限[3]。作為礦山開采中的一項重要經(jīng)濟指標，往往決定著采礦設備、人員等資源的配置。因而，進一步優(yōu)化剝采比可以有效降低排廢，增加礦山的服務年限。

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

（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晶結構，因而其結晶結構具有易分解、易燒性好和燒成能耗低的特點，利用低品位石灰石可以降低熟料燒成的煤耗。有關研究表明，使用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%。

3 石灰石礦山優(yōu)化的條件

進行石灰石礦山優(yōu)化，首先要求石灰石礦山具備以下幾個必要條件：

（1）石灰石所含成分必須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，即可實現(xiàn)高低物料的搭配。而石灰石礦石中的雜質多半是這三種物質，只要雜質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）下山石灰石要形成成分相對穩(wěn)定的料流。水泥的生產(chǎn)是連續(xù)的，其成分的波動往往帶來各種變化，使得生產(chǎn)變得不穩(wěn)定。這是生產(chǎn)中的大忌。所以，對石灰石礦山的物料進行優(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，要長期計劃和近期計劃相結合，不僅作為主要成分的CaCO3波動小，而且其他的配合料帶來的成分波動也要控制，使得物料的成分波動盡量的小，以此來穩(wěn)定工廠的生產(chǎn)。

（3）必須有效控制有害成分。水泥礦山中的有害成分主要是鎂、堿、硫。氧化鎂在石灰石礦山中較為常見，其含量差異很大，因為在熟料煅燒時候，氧化鎂有一部分和熟料礦物結合或固溶體以及熔于液相中。因此，當熟料中含有少量氧化鎂的時候，會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到2%，其余的是以游離狀態(tài)存在的方鎂石。這種礦物會在水化的時候速度慢，體積膨脹，會導致安定性不良，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。這些物質在生產(chǎn)過程中，隨著溫度不同，本身的物相及其物理化學性質會發(fā)生變化，在高溫地帶，受熱揮發(fā)，隨著煙氣進入后面的煙室、分解爐和預熱器系統(tǒng)，并凝聚在生料顆粒表面，形成低溫共熔物。這些含有液相的粉料顆粒極易粘接在預熱器內壁上。對這些容易形成低溫共熔物的物料要嚴格控制含量，尤其是氧化鎂和硫含量絕對不可同時都高。一般要求，生料中的堿含量＜1.5%，氯含量＜0.02%，S＜1.3%。在綜合考慮輔料中的有害成分后，對石灰石礦山的有害成分控制就明晰了。

4 石灰石礦山優(yōu)化的技術措施

（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)測的有機結合。

在水泥廠的石灰石礦山主要開采環(huán)節(jié)有“鉆、爆、裝、運、破”五大環(huán)節(jié)，取樣檢測則可貫穿于各個環(huán)節(jié)，如在鉆孔的時候可以取到鉆孔的粉料作為樣品進行檢驗，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[4]。取樣的關鍵環(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。其取樣部位應指定，以此減小取樣位置因隨機性帶來的誤差。例如，在礦體中劃定方格網(wǎng)陣，在每個方格網(wǎng)陣中取樣，作為子樣。這種對取樣位置劃定區(qū)塊，嚴格要求取樣的方式，其代表性要遠高于隨機位置取樣代表性。只有對各個區(qū)塊的的取樣樣品取得詳細準確的檢測結果，才可在后續(xù)的裝運工作中找到合適的物料進行合理、均勻的混合。所以，作為取樣檢測的重要一環(huán)，要重點關注取樣代表性的問題。

在線檢測是最近幾年新興的高科技石灰石檢測技術，其基本原理是基于PGNNA技術，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度計算出元素的含量。相對于此前的取樣分析，這種分析手段快速準確，最大的優(yōu)點是全物料檢測，沒有取樣代表性的困擾。將檢測儀表跨在皮帶機上，對皮帶機上的全部物料進行透射式檢測。

取樣檢測和在線檢測應用于礦山開采過程中的環(huán)節(jié)不同，它們起到不同的作用，要將二者有機結合起來，而不是簡單的取代[5]。取樣檢測是對礦區(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調整提供依據(jù)。二者相輔相成，有機結合，對礦山進行精確的探知、生產(chǎn)和控制。

（2）建立數(shù)字化礦山模型

水泥廠的石灰石礦山的生產(chǎn)在進入新世紀以來，由于水泥市場的擴張，在水泥制造企業(yè)產(chǎn)能擴張的同時，石灰石礦山也經(jīng)歷了以產(chǎn)能增加為主要內容的快速擴張。雖然有不少企業(yè)對礦山加強了管理，但是距離國際先進水平尚有差距，2012年后，隨著市場的萎縮，已經(jīng)建成的水泥廠開始重視內部的挖潛改造，對各個工藝環(huán)節(jié)精細化管理，降低成本。對于石灰石礦山，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，對數(shù)字化礦山的概念可以表述為由初級到高級的三個層次：礦山數(shù)字化信息系統(tǒng)、反映真實礦山整體及相關現(xiàn)象的虛擬礦山、無人礦井的遠程遙控操作和自動化采礦。在新世紀的我國的經(jīng)濟高速發(fā)展過程中，相比我國的有色礦山的數(shù)字化進程，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，在石灰石礦山自動化和遠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[6-7]。在2015年投產(chǎn)的山東某水泥公司，其礦山采用在線分析儀精細化配礦系統(tǒng)，這是第一次水泥石灰石礦山的采用數(shù)字化的技術指導生產(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)，構建三維的虛擬石灰石礦山模型，對整個采礦區(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)計劃和技術要求，能自動生成配礦、生產(chǎn)等日工作計劃，同時該系統(tǒng)配有車輛智能調度系統(tǒng)。調度中心可根據(jù)生成的工作計劃通過車載移動終端自動對車輛進行調度。并對車輛實時監(jiān)測，對車輛的路線，負荷等進行記載。破碎后的石灰石，在輸送皮帶上，使用在線分析儀進行成分檢測，配礦系統(tǒng)根據(jù)測量結果及質量控制目標自動調整配礦計劃，指導礦山開采。數(shù)字化礦山能極大地提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)礦山真正安全、高效、經(jīng)濟開采。

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)由弱到強的必由之路，同時更是當前水泥礦山再優(yōu)化、再利用的有效措施。

（3）多工作面統(tǒng)籌考慮

水泥廠對自有的石灰石礦山進行再優(yōu)化，需要再對工作面重新考慮。工作面的設置并不是僅僅考慮開礦的需要，要更多考慮不同工作面的成分組成，更要重點考慮配礦需求。多個工作臺面，具有充足的礦量儲備，不同工作臺面上的礦石的成分有梯次的排布，這樣，對后續(xù)的精確搭配控制起到重要作用。

因為檢測頻率的提高、區(qū)塊的檢測密度加大，對于部分低鈣、高有害成分的物料宜統(tǒng)籌安排，不能一味進行排廢處理，而是整個生料均化鏈角度考慮，實現(xiàn)高低品位物料的合理搭配。從已經(jīng)投產(chǎn)的部分礦山看，實現(xiàn)檢測優(yōu)化后，部分礦山對低品位的石灰石再利用潛力巨大，故應謹慎對待排廢。例如：東北某水泥公司，安裝一臺DF-5701的在線元素分析儀后，對已有的低品位石灰石不再排廢，而是根據(jù)檢測結果運輸至破碎站直接搭配，送入工廠的預均化堆場。盡管這是當時條件下無法避免的二次倒運，但是經(jīng)過礦山的利用再優(yōu)化措施，對已有的礦石減少二次倒運，對已經(jīng)當做廢料的礦石搭配再利用，是提高礦山利用率的有益措施。

5 結論

（1）當前的水泥廠所用的礦山多數(shù)為既有礦山，可根據(jù)已經(jīng)掌握的資料和已經(jīng)開采的情況進行匯總和數(shù)據(jù)分析，對其優(yōu)化再利用提出可靠、可行的方案。

（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，其中，利用中子活化在線分析儀是一種可靠的檢測和控制方式。

（3）建立礦山數(shù)字化模型是未來礦山開采的發(fā)展趨勢，可以最大程度地實現(xiàn)礦山的優(yōu)化再利用。

（4）對石灰石礦山進行再優(yōu)化，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]賈兆義.礦山開采零剝離及搭配高鎂石灰石生產(chǎn)熟料[J].水泥工程,2017(02)

[2]張凡,黃鐵平.某水泥用石灰?guī)r礦擴建項目開采方案探討[J].廣東建材,2017(08)

[3]張強.不同摻量玄武巖廢石配料對熟料煅燒及質量的影響[J].水泥,2016(09)

[4]郝汝鋌.科學發(fā)展是水泥礦山的必然選擇[C].全國水泥礦山第四屆年會論文集,2009

[5]于寶池.高效低碳大勢趨然——試論水泥礦山發(fā)展之路[C].水泥礦山開采和資源綜合利用技術論壇文集,2010

[6]武青山,張翔,莢小平,徐春超.水泥原料礦山智能化均化開采與礦石品位控制系統(tǒng)[C].2013年中國水泥礦山年會暨生物多樣性礦山恢復論壇文集,2013

[7]李健.基于數(shù)字化礦山的全息化應急管理系統(tǒng)研究[J].山西焦煤科技,2013(09)