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中国石膏矿资源开发利用

一、 地 质 勘 查
  全国矿产储量委员会《石膏、硬石膏矿床地质勘探规范(试行)》将中国石膏矿床划分为4个勘探类型:
(1) 第Ⅰ勘探类型 矿体走向长度大于或等于2 000m,厚度变化系数小于或等于40%,平均夹石率小于或等于15%,含矿率变化系数小于或等于40%,平均岩溶率小于或等于5%,矿区构造简单。属于此类型的矿床有湖北应城石膏矿三分矿、湖南邵东硬石膏矿等。
(2) 第Ⅱ勘探类型 矿体走向长度2 000~1 000m,厚度变化系数大于40%~70%,平均夹石率小于15%~25%,含矿率变化系数大于40%~70%,平均岩溶率大于5%~15%,矿区构造较简单。属于此类型的矿床有山东泰安大汶口北西遥石膏矿、四川渠县龙门峡石膏矿、山西灵石阎家坟石膏矿等。
(3) 第Ⅲ勘探类型 矿体走向长度小于1 000~500m,厚度变化系数大于70%~100%,平均夹石率大于25%~35%,含矿率变化系数大于70%~100%,平均岩溶率大于15%~25%,矿区构造较复杂。属于此类型的矿床有:山西太原圪僚沟石膏矿、江苏南京周村硬石膏矿、宁夏中卫小红山石膏矿等。
(4) 第Ⅳ勘探类型 矿体走向长度小于500m,厚度变化系数大于100%,平均夹石率大于35%。含矿率变化系数大于100%,平均岩溶率大于25%,矿区构造复杂。属于此类型的矿床有:甘肃天祝鲁家沟石膏矿等。
  中国石膏矿勘查阶段分为普查、详查、勘探3个阶段。各阶段的工作要求分别按照中华人民共和国国家标准《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》(GB13908-92)及全国矿产储量委员会1994年颁布的《石膏、硬石膏矿床地质勘探规范(试行)》进行。中国石膏资源十分丰富,但各地各矿床的开发价值各异,应在取得普查或详查资料后,通过可行性研究,选择适于当前开发的矿床进行勘探。对于延展较大的矿床,一般应在总体评价的基础上,选择适于近期开发的地段进行勘探,其勘探深度一般不超过400m;对于延展较小的矿床,可一次勘探完毕。对石膏矿床内共伴生的盐类矿产、天青石、明矾石、硫铁矿等应进行综合评价或综合勘探。
  石膏矿床地质勘探研究要相应地达到B级和C级储量级别条件的程度,对不同规模的矿山要求勘探的B级和C级矿石储量及其比例。
  石膏矿床勘探手段一般采用槽探、井探与钻探。具备物探条件的矿床,应尽可能采用物探方法,配合其他勘探方法、手段,了解矿床的分布范围,矿体厚度和埋藏深度等。
  石膏矿床勘查一般工业指标见表4.18.7。矿石品位(Ca[SO4]·2H2O和Ca[SO4]含量)应按全国矿产储量委员会《石膏、硬石膏矿床地质勘探规范(试行)》附件一所列计算方法与公式,根据矿石中H2O+与SO3的含量或H2O+与CaO的含量计算。
二、 矿 山 开 采
  中国石膏矿床规模大、质量好的多为沉积型。1996年全国石膏总产量达2 800万t。开采的矿山分布在20个省(区)有500多个,但年产10万t以上的大中型矿山仅30多个,其中年产50万t的有6个:应城石膏矿、邵东石膏矿、邳州石膏矿、平邑石膏矿、华鲁石膏集团(苍山)、太原石膏矿。年产40万t的有南京石膏矿。我国石膏开采的大致情况:一是储量丰富,但资源分布不均匀,东北三省、浙江、福建、河南、海南等省缺石膏,供销的运输问题一直是影响许多地区石膏行业发展的难点;二是贫矿多、富矿少,雪花石膏和普通石膏多、纤维石膏少,这在一定程度上影响建筑石膏制品工业的发展;三是开采的技术装备水平,虽然大中型矿山与国内其他矿产的开采水平相差不多,但众多小型矿山比较落后;四是矿物的特性对开采的影响,纤维石膏质软易磨损,开采装运时应尽量不使其变成粉矿而损耗,避免捣运、避免用耙矿设备、避免采用漏斗放矿。雪花石膏也有易磨损问题,如太原石膏矿,回采工作面曾用电耙运搬矿石。由于矿石软,因此常变成很细的尘埃,迷漫于工作面。洒水后,又由于矿石中含泥质,因此使工作面泥泞不堪,后改用了装运机。雪花石膏价廉,比纤维石膏稍硬,在磨损方面,没有纤维石膏要求高。雪花石膏和普通石膏的开采可用无轨开采,采用房柱法和全面法采矿,如太原石膏矿、灵石石膏矿;纤维石膏一直用长壁选别充填采矿法,如应城石膏矿和荆门石膏矿等,开采的特殊性强。雪花石膏、普通石膏属廉价矿石,纤维石膏价约3倍于雪花石膏,价格较贵,这也影响采矿方法的选择。
(一) 开采方法及开采规模的划分
  中国石膏矿的开采方法,有露天开采法和地下开采法,但主要是地下开采法。露天开采的矿山有宁夏甘塘石膏矿、甘肃景泰石膏矿、青海西宁石膏矿、四川大为石膏矿等,规模都不大。
(二) 开 拓 运 输
  石膏矿的井下开拓运输方法各矿山根据具体情况确定,应城石膏矿四分矿、平邑石膏矿、邵东石膏矿等采用竖井开拓;应城石膏矿三分矿、通化石膏矿等采用斜井开拓;南京石膏矿等采用竖井、斜井联合开拓;太原石膏矿、灵石石膏矿等采用平硐开拓。
  灵石石膏矿曾用过平硐溜井开拓,但不成功。由于雪花石膏和普通石膏在大溜井放矿过程中易粉尘化,且夹有泥质,因此在水的作用下常造成溜井的堵塞事故,生产不正常;无水时漏斗放矿又尘埃迷漫,一般通风措施也难以解决,技术经济效果不佳。
  太原石膏矿采用平硐无轨开拓,全无轨化开采比较成功。无轨开拓又称斜坡道开拓,在国外很盛行,平硐无轨开拓是其特例。采用无轨设备出矿,全无轨化开采,太原石膏矿是中国矿业界第二个实例,既典型又具有先进性。该矿采用无轨化开采的有利条件是: ① 矿体埋藏高于地面,为缓倾斜层状,倾角一般为5°~10°,适合平硐开拓和汽车在矿体内分层开采时的运输。 ② 一般盘区巷道和采准切割巷道基本上都建于矿体内,虽然采用汽车运输,巷道断面大,但基建时回收矿石量也大,使巷道的基建费用下降。 ③ 雪花石膏、普通石膏及其围岩稳固性较好。采空区高达10m,矿房跨度12~15m,经久不垮,允许采用大型无轨设备;巷道断面虽大(平均断面面积达14m2),但实际统计支护率仅8%,巷道支护率小是该矿采用无轨开采成功的主要原因之一。 ④ 采用无轨开采,可边基建边生产,可局部投产、简易投产,见效快。 ⑤ 生产规模不大,坑内运输车辆不多,通风问题比较好解决。由于采用了无轨化开采,该矿玉泉矿区规模年产40万t,于1993年竣工,总投资仅1 750万元,每吨矿石的单位投资仅43.75元,而这一时期同样规模的矿山都在100元以上。尽管还有不完善之处,但这种开拓方法是适用于这类石膏矿床的。
(三) 开 采 工 艺 
  石膏矿的开采工艺分为两类:一是纤维石膏矿的开采;二是雪花石膏、普通石膏矿和硬石膏矿的开采。这两类石膏矿由于矿石及围岩物理力学性质差异,开采工艺差异甚大。
  纤维石膏的硬度小,其岩石坚固性系数:平行纤维时f=1.2,垂直纤维时f=1.5,且性脆,容易变成粉矿而损耗。由于矿石价格较高,国内的主要纤维石膏矿多采用长壁选别充填采矿法。选别落矿开采炮眼不得布置在纤维石膏带上,割岩机不能在纤维石膏带中掏槽,落矿后在工作面人工选别,将矸石充填在采空区,矿石装入矿车。图4.18.5为应城石膏矿采用的沿倾向推进的长壁选别充填采矿法。在6个小区内轮流进行割岩机掏槽、打眼爆破、充填、装矿、运输等工序,工作面工人的工效为1.08t/(工·班)。矿块生产能力为150~220t/d。
  雪花石膏矿、普通石膏矿和硬石膏矿开采工艺类似。以太原石膏矿为例,矿石及围岩都致密稳固,矿石的坚固性系数f=3,有的采空区暴露面积达1 500m2也经久不垮。多层状矿体,总厚达4~13m,采用房柱法(一般房宽8~12m)和全面法采矿。石膏矿凿岩工作容易,一个班出矿的矿量只需2h的凿岩时间,但炸药消耗量大,一般为0.34kg/t。采空区要采用强制放顶。南京石膏矿和定远石膏矿都采用房柱法,但结合矿体的产状等又各有一些特点。通化石膏矿采用全面法。
  无轨开采对通风问题要求较高。为控制坑内有害气体的浓度,多采用综合措施:柴油设备尾气要净化;加强通风来稀释;控制产量或产量大时要求增加出矿班次,增加出矿时间;柴油前装机等不能进坑,因为它始终处于怠速运转状态,排出有害气体浓度大。冶金工业部矿山安全规程中要求坑内柴油设备单位功率的需风量指标为4m3/(kW·min)。但国内的柴油自卸汽车的发动机都是直喷式,按美国标准还需增加风量。太原石膏矿通风坑口采用了二台4-72-11NO20B离心式通风机并联抽出运行以增加风量。
(四) 常用技术装备
  石膏矿地下开采的技术装备主要是提升、运输、压气、通风、排水和采矿场的装矿设备、凿岩设备等 。
  大中型矿山压气设备多用排气量为40m3/min和20m3/min空压机,排气压力0.8MPa,功率前者250kW,后者130kW。
  石膏矿床排水量较大,排水设备通常用排水管直径为Φ159~Φ299mm,二趟管,一趟工作,一趟备用。通常选用国产D型泵。
  通风设备多用4-72型离心式风机,大中型矿山通风机功率约为155~320kW。
  有轨运输的运输设备,轨距都是600mm,电机车用7t和10t架线式;无轨运输采用10t坑内用自卸汽车,也有用8.8kW和11kW拖拉机出矿,用拖拉机出矿是不合通风要求的。
  雪花石膏矿、普通石膏及硬石膏矿其装矿设备多用轮胎式电动装载机、2m3铲斗或较小铲斗的电动铲运机,为避免井下空气的污染不采用柴油设备;由于纤维石膏价值高及其物理力学特性,应城石膏矿回采工作面仍采用人工装矿。
  凿岩设备多为轻型凿岩机和电钻等。
三、 选矿与加工
(一) 产品质量标准
  中国用于水泥中的石膏和硬石膏的国家标准(GB-5483-85)中,将石膏和硬石膏按其品位分为三个等级(品位分别为:大于或等于80%、大于或等于70%、大于或等于60%),并规定不得含有有害于水泥性能的杂质和混入外来夹杂物,要求附着水不得超过4%。
  中国建筑材料工业部制订的部颁标准规定:医用、食用、艺术品石膏品位在95%以上,建筑制品和模型用石膏品位在75%以上,水泥和农用石膏品位在55%以上(详见JC16-82),并规定石膏矿石块度不大于500mm,石膏附着水含量不超过5%。
(二) 选矿加工方法
  虽然重介质选矿、光电选矿、浮选、电选等都可用于石膏选矿,但在中国,这些方法还未广泛应用于工业生产。大多数矿山对开采出的石膏矿石只是进行简单的手选,将夹石拣出。一些矿石类型较复杂的矿山,在开采时,用手选分出纤维石膏、泥石膏、普通石膏和少量硬石膏。
  生石膏的煅烧工艺分为干法和湿法两种。干法煅烧是在常压下(或水蒸汽低分压下)对生石膏加热脱水,并随温度不同而生成β型半水石膏、Ⅱ型无水石膏或过烧石膏。这种产品是建筑中常用的熟石膏、浇注石膏或预制品石膏。湿法煅烧是在高压釜中的水蒸汽压下,或在低压下沸点高于100 ℃的盐溶液中对生石膏进行加热处理,产品为α型半水石膏,可用作浇注的特种石膏基础材料。
(三) 工 艺 流 程
  β型熟石膏的生产工艺流程一般是:矿石储存→破碎→均化→煅烧脱水→陈化→粉磨与混合→包装,用炒锅煅烧时先磨粉后煅烧。
  生石膏干法煅烧工艺为:生石膏从采场运来后先经过储存和精选,以保证给料连续和质量稳定。给料经过一段破碎(颚式破碎机)至8cm以下,再经二段破碎(锤式破碎机)至2cm以下,然后经斗式提升机给入煅烧窑中煅烧。 通过控制窑的温度,可分别生产β型半水石膏、无水石膏及过烧石膏。
  α型湿法煅烧工艺及流程一般是:石膏原料仓→筛分机→高压釜蒸压及烘干→破粉碎→均化储存→α和β石膏混合→包装搬运。用水热法生产α型半水石膏的流程是:
石膏原矿→破碎→磨粉→反应釜(加水与药剂)→清洗→脱水干燥→包装。
(四) 常用技术设备
  石膏破碎常用的设备有颚式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机、辊式破碎机、锤式破碎机等。
  干法煅烧常用直接煅烧和间接煅烧两种设备。直接煅烧设备如回转窑、粉磨煅烧一体化装置(彼得磨、高温风扫磨等)。间接煅烧设备如回转式煅烧炉、炒锅(土炒锅直接煅烧)、卧式煅烧炉、立式煅烧炉等。
  湿法煅烧设备有卧式、立式蒸压釜,硫化罐等。
(五) 选矿加工实践
  湖北省荆门市子陵石膏矿石膏制品厂生石膏干法煅烧工艺流程见图4.18.6。生石膏从采场运来后先经过储存和精选,以保证给料连续和质量稳定。给料经过一段破碎(颚式破碎机)至8cm以下,再经二段破碎(锤式破碎机)至2cm以下,然后经斗式提升机给入煅烧窑中煅烧。回转窑采用顺流式,通过控制窑的温度,可分别生产β型半水石膏(180~240℃)、无水石膏(350℃)及过烧石膏(450~700℃)。经煅烧的熟石膏,陈化均化后,用摆式粉碎机磨至200~325目,摆式粉碎机为桂林矿山机械厂生产的4R-3216型。
(六) 主要深加工制品品种、用途
1.生石膏粉
  在水泥生产中用于作水泥缓凝剂、特种水泥原料;在化学工业中用于制硫酸、硫酸铵等;在农业上用于改良土壤或作土壤肥料;油漆、颜料、造纸、纺织等行业用作涂料和填料以及用作日化产品如牙膏、雪花膏以及粉笔等行业的填料以及杀虫剂载体;在食品工业中用于净化啤酒厂用水,控制酒的清澈度,或作食用豆腐的凝结剂以及动物饲料添加剂等。磨细的生石膏粉可用于澄清浑浊污水,提炼原油、抛光玻璃及某些贵重金属、装饰品等。天然纯的硬石膏粉还可代替硫酸钠作为玻璃工业的助熔剂。生石膏在中国古籍中又称凝水石、(太 阴)玄精石、盐根等,自古就用作中药药石,具有缓脾益气、止渴去火、解饥发汗等功效。
2.熟石膏粉
  在建筑业中用作建筑物墙面的粉刷材料、抹面材料及用于制作熟石膏预制件,可制成各种规格的石膏板、楼房隔墙、天花板及其他各种石膏预制件等;在陶瓷工业中用于制作各种陶瓷模具;在铸造工业中用于制造作铸模;在医学上用于制造牙科模具或外科手术固定等。在工艺美术中可作艺术塑像等。
3.石膏制品
  石膏板已是国内外重要的墙体材料,有纸面石膏板、装饰石膏板、纤维石膏板、石膏复合板以及石膏矿渣板、石膏刨花板等,石膏砌块作为墙体材料也在兴起,石膏制品已是世界范围内广泛应用的房建材料。由于无毒和其他许多优点,被誉为绿色建材,有广阔的前景。



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