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硅砂原料矿开发利用

一、 地 质 勘 查
  全国矿产储量委员会《玻璃硅质原料矿床地质勘探规范(试行)》将中国玻璃硅质原料矿床勘探类型划分为三类:
  (1) 第一类  矿体形态简单、矿石质量稳定、地质构造简单的矿床。例如:辽宁本溪小平顶山石英岩矿、福建东山梧龙石英砂矿、湖北蕲春灵虬山脉石英矿等。
  (2) 第二类  矿体形态简单,矿石质量较稳定,矿体内不连续,夹层较多,或地质构造较复杂,或火成岩较发育的大、中型矿床。例如:陕西汉中老鹰岩石英岩矿、山西桓曲虎狼山石英砂岩矿等。
  (3) 第三类  矿体形态复杂,矿石质量不稳定的矿床。例如:广西南宁茅桥石英砂矿,江苏宿迁白马涧石英砂矿等。
  中国玻璃硅质原料矿勘查阶段分为普查、详查、勘探三个阶段。各阶段工作要求按中华人民共和国标准《固体矿产普查总则》(GB/T13687-92)、《固体矿产详查总则》(GB/T13688-92)、《固体矿产地质勘探规范总则》(GB/T13908-92)及全国矿产储量委员会1984年颁发《玻璃硅质原料矿床地质勘探规范(试行)》执行。对规模不大的矿床可一次勘探完毕,规模较大的应在勘探近期开采地段的同时,对矿区远景作出评价。
  不同生产工艺方法其生产规模已在平板玻璃工厂工艺设计规范(JCJ04-09)有所规定,根据矿山储量必须有20年以上服务期的要求、建设规模不同。
  玻璃硅质原料矿床勘查手段,地表一般可用槽探,深部用钻探。
  中国玻璃硅质原料矿的一般工业指标,对入窑矿石质量要求见表4.20.1、表4.20.2。达不到上列表中所列质量要求的矿石,需经选矿,对其原矿的质量要求应根据选矿试验结果,由工业主管部门确定。对矿山开采技术条件的要求见表4.20.9。由于玻璃工业生产工艺和产品种类的发展,因此上述一般工业要求已不尽适合当前实际需要,尤其是浮法成型工艺对原料的成分、粒级、难熔矿物含量等均有高的要求,有待于制定新的一般工业指标时予以完善。具体矿床勘探工业指标,由工业主管部门根据生产产品质量要求和矿床的具体情况确定。
二、 矿 山 开 采
  中国正规开采的玻璃硅质原料矿山有近60处,地方小型矿山约100多处。正规开采的矿山约有一半是玻璃厂自备的矿山、资源可靠程度大,相当玻璃厂的一个车间。1997年中国玻璃硅质原料的总产量约850~900万t/a(包括日用玻璃总量)。由于玻璃工业对硅质原料的纯度要求很高,因此应重视运输方式和运输工具的选择,避免或减少原料在运输过程中的污染。从开采角度来说,玻璃硅质原料矿可分为“岩类”和“砂类”两种,现对两类矿床的开采分别阐述如下。
(一) 岩类矿床的开采
  1. 开采方法及开采规模的划分
  岩类矿床现几乎皆为露天开采,而且多数是山坡露天开采,如洛阳方山石英岩矿、河北雷庄砂岩矿、本溪小平顶山石英岩矿、辽宁魏仗子砂岩矿、汉中砂岩矿、苏州清明山砂岩矿、安徽凤阳老青山石英岩矿等等,前面3个,开采规模较大,为20~30万t/a。
  但这种规模划分已不适应平板玻璃工业发展的要求,一条500 t级浮法玻璃生产线,硅质原料矿山开采量每年为14~15万t,而拥有2条以上浮法玻璃生产线的企业已近10家,个别企业拥有4条以上浮法生产线,每年需硅质原料约60万t。故建立大型硅质原料供应基地符合集约化、规模化生产的要求。
  2. 开拓运输
  岩类矿床多采用公路开拓、汽车运输,如洛阳方山石英岩矿,采用黄河7t和交通15t的自卸汽车运输;河北雷庄砂岩矿和本溪小平顶山石英岩矿用TATRA.148型15t自卸汽车运输。少数矿山由于开采规模小,离地表高而采用斜坡提升机道开拓,如辽宁凌源魏仗子砂岩矿为山坡露天矿,提升高差160m。斜坡长533m,用2m直径,电机功率为180kW的单筒提升机一段提升,矿车用1.1m3翻斗矿车,每次下放串车数为4辆,年下放矿石量6万t。由于矿石含SiO2极高,放矿时粉尘大,虽采取种种除尘措施仍难达国家对粉尘中SiO2的控制要求,因此一般要避免采用平硐溜井开拓。
  3. 开采工艺
  岩类矿床砂岩、石英岩矿石坚固性系数大,f=18~20,矿石密度2.5~2.6t/m3,松散系数1.5~1.6。由于含硅极高,因此在回采时要注意除尘,回采工作面必须用湿式凿岩,要避免采用容易生成尘埃的漏斗放矿方法。
  开采工艺:凿岩—爆破—采装—工作面运输。凿岩用YQ.150型潜孔钻机,如洛阳方山矿、河北雷庄矿、辽宁魏仗子矿。爆破用硝铵炸药,炸药消耗量比较大,单位消耗达0.45kg/m3,二次爆破用Y24型手持式凿岩机;采装工作用1m3电动挖掘机,如洛阳方山矿、河北雷庄矿、凌源魏仗子矿、本溪小平顶山矿皆是;工作面运输和开拓运输相衔接用汽车或矿车;辅助工作,平场、清理等用推土机。
(二) 砂 类 矿 床        
1. 开采方法及开采规模的划分   砂类矿皆露天开采,其开采规模的划分同岩类矿。内蒙古哲盟矽(硅)砂公司玻璃砂矿的产量达65万t/a有11个矿区,其中甘旗卡砂矿产量达25万t/a。福建东山砂矿产量为35万t/a,都远远超过原定的大型规模。砂类矿床的露天开采又分:
  (1) 水力开采  水枪冲采、水力自流运输或用砂泵压力运输。水力开采有时也作为采掘船开采的辅助手段,如福建东山砂矿。
  (2) 采掘船开采  采掘船也称采砂船。广西北海砂矿和内蒙古甘旗卡砂矿用吸扬式采掘船,福建东山砂矿用射流泵吸扬式采掘船。
  (3) 一般露天开采  采装用挖掘机、铲运机、装载机、电耙或人工锹、镐挖掘及装矿,运输用铁路或公路。规模较大的有江苏泗洪砂矿、甘肃河湾砂矿,泗洪砂矿生产能力达24万t/a。
  2. 开拓运输
  水采的开拓是建立通往采场工作水平的主要通道并建立供水和水力运输系统。玻璃硅质原料砂矿一般是采用基坑开拓。如广西北海砂矿基坑底长40m,宽20m,深1.8m,边坡角平均25°运输用吸扬式采掘船上的砂泵通过管道送洗选厂。福建东山砂矿也用基坑开拓,基坑的尺寸应保证船在中等水位时能自由的浮起,且便于基坑延伸和加宽作业。
  3. 回采工艺
  水力开采的回采工艺及一般露采的回采工艺比较简单。
  采掘船的回采工艺是指回采整个砂矿床的过程,用采掘船直接采掘,再用砂泵通过管路运出;有的采掘时需用水枪冲采辅助。在开采顺序上分为:纵向采矿法,工作面平行砂矿走向方向推进;横向采矿法,工作面平行砂矿走向的垂直方向推进;联合采矿法,即纵向采矿法与横向采矿法的联合。广西北海砂矿由于矿层不厚,因此平均为5.3m,采矿工作线垂直矿体走向布置,即所谓横向采矿法,沿矿体走向推进,整个矿层厚度一次采完。福建东山砂矿,全区共分13个块段依次进行采掘
三、 选矿与加工 
(一) 产品质量标准
  玻璃硅质原料主要要求其硅含量要高,铁、铝含量要低,并具有合适的粒度组成。国家建材局1994年颁布的建材行业标准中,将硅质原料按二氧化硅含量划分为优等品和一级、二级、三级、四级等五个品级。
(二) 选矿加工方法
  玻璃硅质原料主要包括石英岩、石英砂岩、脉石英等硅石加工而成的人造石英砂和由硅质岩风化沉积而成的天然石英砂(即硅砂)。以砂岩为代表的硅石,其二氧化硅含量一般较高,选矿加工主要是进行破碎磨矿和分级,得到适合工业要求的各种粒级产品。天然硅砂因其经常含有大量的泥土和各种杂质,选矿主要是分级脱泥,含铁铝量高者则需采用磁选或浮选除去其中杂质。部分质量较好的脉石英,可以代替水晶料用于生产石英玻璃,这种原料有时还需要采用酸浸等化学选矿方法提纯
(三) 工 艺 流 程
  1. 砂岩粉碎加工工艺砂岩粉碎加工工艺目前主要有以下几种:
  (1) 直接粉碎工艺。其工艺流程为:原矿→条筛→颚式破碎→筛分→圆锥破碎→筛分→多段对辊破碎→筛分→产品。
  (2) 煅烧粉碎工艺。其工艺流程为:原矿→瓶式窑煅烧→加水冷却→粗碎→中碎→笼型碾→筛分→产品。
  (3) 自磨粉碎工艺。其工艺流程为:原矿→条筛→自磨机→空气分级系统→合格产品和超细粉(过粗粒级→笼形碾→六角筛→最终产品)。
  (4) 湿法棒磨磁选工艺。这是中国“七五”期间研究成功并正在推广的新工艺,其工艺流程为:原矿→粗碎→中碎→筛分→棒磨→高频细筛→水力分级→磁选除铁→产品。 
  2. 天然硅砂选矿工艺
  (1) 擦洗脱泥工艺。一般工艺流程为:原砂→搅拌擦洗→脱泥斗脱泥→水力分级(或湿式筛分)→产品。
  (2) 浮选工艺。其工艺流程为:原砂→搅拌擦洗→脱泥→浮选→产品。
(四) 选 矿 实 践
1. 雷庄砂岩矿
  秦皇岛耀华玻璃厂雷庄砂岩矿的石英砂岩为致密胶结状, 矿石硬, f=18, 磨损指数为0.6204, 最初分别采用干法三段对辊工艺和瓶式窑煅烧工艺。 “七五”以后在中国首次建成年处理量10万t的湿法棒磨生产线, 其工艺流程见图4.20.5所示。 该流程中关键设备棒磨机为φ1 800mm×3 000mm周边排矿式。 石英砂产品SiO2 99.1%,Fe2O3 0.06%,Al2O3 0.37%, 0.1~0.5mm粒级含量占84.4%, 小于0.1mm粒级含量11.3%, 0.5~0.6mm粒级含量3.6%。
  2. 方山砂岩矿
  洛阳玻璃厂方山砂岩矿属致密胶结状砂岩, 目前采矿平均品位: SiO298.29%, Al2O30.59%, Fe2O30.11%。 该矿最初投产时采用瓶式窑煅烧, 鄂式破碎机粗碎、 反击式破碎机中碎、 笼型碾粉磨的多段加工流程, 1980年建成干法自磨生产线, 1989年又建成另外三条自磨生产线, 工艺流程见图4.20.6。 自磨机规格为φ4mm×1.4m, 单机平均生产能力10~12.47t/h。 产品粒度组成为0.9~0.076mm, 化学成分: SiO299.10%, Al2O3 0.43%, Fe2O3 0.14%~0.18%。 另外生产率大于25%的小于0.076mm超细粉, 无法用作玻璃原料。
  为了解决干式自磨粉尘污染大,超细粉含量过高的问题,该矿目前正在对生产线进行湿法棒磨选矿工艺改造,工艺流程与雷庄砂岩矿相似。半工业试验结果表明,20~0mm原矿,经过棒磨、筛分、脱泥、磁选、分级、脱水等工艺,生产出的石英砂含Fe2O3小于0.07%,0.63~0.10mm粒级产率占97%,精矿产率为73.2%。
  3. 福建省东山岛的东山硅砂基地
  位于福建省东山岛的东山硅砂基地,是我国目前开发的质量最好的大型天然硅砂矿之一。原砂品位SiO2 97.2%,Al2O3 1.42%,Fe2O30.15%。选矿工艺流程见图4.20.7。目前该基地年处理原砂35.3万t,年产玻璃砂30万t,型砂4万t。玻璃砂品位;SiO2≥97.5%, Al2O3≤1.30%, Fe2O3≤0.10%, 粒度0.5~0.1mm含量大于90%。 型砂(规格70/140)SiO2≥96.0%, Al2O3≤2.0%, Fe2O3≤1.00%, CaO+MgO<1.50%, 含泥量≤0.30%。
  4. 大林硅砂有限公司
  内蒙古通辽市大林硅砂有限公司处理的原砂中,除含粘土外,尚含较多的长石、岩屑及重矿物。该公司精选砂生产线原是按日本“无氟”浮选工艺设计建设,在生产调试中,经适当改造,采用了中国研究成功的“无氟无酸”浮选工艺,生产流程见图4.20.8。该生产线可年产用于铸钢树脂砂或浮法玻璃用石英砂3万t。石英精砂产率大于50%,SiO2>97%,Al2O3<1.5%,Fe2O3<0.15%。


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