芒硝；元明粉；广西钙芒硝矿；陶圩矿床；硐室水溶法；全溶蒸发脱水；芒硝产业发展
谢光中,广西工业建筑设计研究院,广西 南宁,530031
TD871
A
1007-772308-0065-0004
一、芒硝矿资源概述
定义与用途
芒硝不仅是一种天然的硫酸盐类矿物,而且是指能从其中提取硫酸钠组分的一组矿物,是国民经济中十分重要的矿物原料。芒硝主要用来制取无水硫酸钠Na2SO4。元明粉作为基础化工原料主要用于制造硫化碱、硅酸钠、洗涤剂、造纸和玻璃等,还用于纺织、印染、医药、鞣革、选矿、建筑、食品添加剂、硫酸钡、硫酸钾、群青等领域,涉及化工、轻工、纺织、建材、医药等20多个行业。
矿床分布特点
我国芒硝矿资源已探明矿种有芒硝、钙芒硝、无水芒硝、白钠镁矾和含硫酸钠卤水矿,已探明总储藏量约200亿吨,占全世界的90％以上,居世界首位。根据其形成的地质时代、沉积环境、主要有用矿物组合等不同特点,我国芒硝类矿床通常分为三大类,第一类是集中于秦岭以北的山西、新疆、甘肃等地的第四纪现代内陆盐湖沉积矿床,通常采用露天开采,贫散残矿则经固一液转化,以液相形式采出。第二类主要分布于四川、湖南、广西等省区,属第三纪一白垩纪及古代钙芒硝固体矿床,常用井下硐室水溶法开采。第三类是分布于江苏一带富含硫酸盐的地下芒硝矿。此类矿床埋藏较深,一般采用连通井注水水溶法开采。
二、广西钙芒硝矿资源概述
储量与地理分布
根据中化地质矿山总局广西地质勘查院相关资源储量核实报告,陶圩矿床是目前广西已探明的唯一的大型钙芒硝矿床,属内陆湖相蒸发盐类沉钙芒硝积矿床。已查明资源量+矿石量73817万吨、Na2SO4 13920万吨。设置地表以下100m为隔离带,扣除相应压矿资源量,三级矿量可利用系数取0.6,可利用资源量矿石量48143万吨、Na2SO49056万吨,平均品位18.8％。
陶圩矿区位于横县县城西北的陶圩镇境内,距县城35km,至湘桂铁路芦村站18km,宾阳一横县二级公路从矿区中心通过。横县县城位于郁江边,水路上达南宁,下通广州,交通十分方便。矿区目前划分为马鞍山矿段和陶圩矿段。马鞍山矿段生产企业为和昌化工有限公司。成立于2003年10月,已形成年产25万吨高品质元明粉生产能力。陶圩矿段生产企业为广西威日矿业有限责任公司,拟建规模为年产50万吨高品质元明粉。
地质概貌
陶圩矿区位于邕宁县大塘一横县莲塘中生代盆地北东端,因喜山运动与大塘—莲塘盆地相隔开,形成现在石塘一陶圩长轴状独立的断陷型内陆湖相沉积小盆地,小盆地由四面向中心平缓倾斜,近等轴状,倾角一般为5～20°,长10多公里,宽3～4公里,面积约55km2。含矿岩系呈明显的旋回性和韵律性,成矿模式为“干化深盆论”形成的“牛眼”式。
陶圩盆地周围及基底地层为寒武系上组下段和泥盆系莲花山组及东岗岭组,矿体赋存于下白垩统新隆组下段d带,地表无矿体露头,矿层为缓倾斜层状钙芒硝矿体,矿层矿体极厚,呈似层状、层状顺层产出,与地层产状近于一致。矿石矿物为钙芒硝,脉石矿物有硬石膏、石膏水云母、绢云母及少量的铁质、石英等。矿层顶底板为灰色、紫红色含粉砂膏质泥岩,局部为泥质膏岩,除矿层顶板白垩系新隆组上段a带为含水层外,矿层及其他直接顶底均为隔水层,稳固性较好,属中硬一硬性岩石。矿石密度2 74t/m3,围岩2.5t/m3；矿石硬度系数2,围岩2-6；矿石松散系数1.35,围岩1．45,安息角36°。矿床水文地质条件比较简单。矿区地表水系不甚发育,矿层顶板含水层为坑内涌水主要来源。矿区不属于喀斯特地貌,矿坑涌水量较大,对矿床开采有一定的影响。
三、广西钙芒硝矿开采与加工
矿山开采方法
四川钙芒硝矿山自上世纪80年代初开始采用硐室水溶浸取法,在回采落矿后将矿石就地用水浸取向加工厂提供合格的粗硝水,溶渣则残留在井下溶解硐室中,是常规采矿工艺与标准的化工浸取单元操作相结合的一种综合采矿方法。现在川西钙芒硝矿均采用硐室水溶法,国外其他矿山则普遍采用钻井水溶法。四川同庆南风曾与太原理工大学合作,在眉山彭山县同乐钙芒硝矿段试验“群井致裂压力控制浸泡水溶开采法”,因钙芒硝中硫酸钠溶解速度受其他矿物影响及压力水不能有效控制等技术原因导致项目搁浅。广西钙芒硝矿床与四川类型相同,且开发利用起步较晚,技术水平相对较低,目前宜参照四川同类矿山采用硐室水溶法。
1.矿床开拓
马鞍山矿段采用主副明斜井+二级盲斜井+溜井开拓,中央式矿井抽出通风。矿石采用溜矿井下放至两级斜井井底中段集中提升方式,主井和二级盲斜井均采用矿车组双钩提升,副井则采用单钩提升。坑内运输采用7t架线式电机车牵引矿车组列方式。井下排硝水为两段抽排,分别在两级斜井井底中段设置硝水抽排泵站和硝水仓。坑内涌水采用二级接力排水,在主提升井和二级盲斜井井底车场旁侧设置集水水仓和排水泵站。
陶圩矿段设计采用明竖井开拓,对角抽出式通风。设计采用单竖井双罐独立动力提升系统,主罐为多绳三层六车罐笼,采用JKMD-4×4E落地式多绳摩擦式提升机；辅罐为多绳双层四车罐笼,采用JKMD-2.8×4E提升机。井口地面运输采用5t蓄电池电机车,坑内运输采用10t架线式电机车。矿山前期开采阶段采用单中段生产,按生产中段延伸共设置四个硝水抽排泵站。坑内涌水采用二级接力排水,在竖井-150m和-270m中段车场旁侧设置集水水仓和排水泵站。
2.采准工程
开采顺序为自上而下分中段开采,同一中段中矿块后退式回采。生产中段运输平巷沿矿体底板布置,兼做抽硝水平巷；回风平巷沿矿体顶板在溶区上部布置,兼做注水巷。为便于出渣与通风联络,在溶区上部和下部均开口与中段运输平巷及回风平巷相通。
溶区沿走向布置,宽100m,倾斜长为中段斜长。矿层倾角5～20。,中段斜长125～130m,溶区之间留连续矿柱20m,中段之间留连续矿柱10～25m。采矿厚度10m。溶区之间设溶区上山,内设铁轨,上部安装绞车提升下放人员、材料及副产矿石。溶区内沿走向每隔20m凿切割上山,为爆破自由面及补偿空间,宽3.5m,高度为采矿厚度。沿倾斜每隔15m凿切割平巷兼做凿岩平巷。
3.凿岩爆破
目前马鞍山矿段采用扇形中深孔落矿,非电微差挤压爆破,即采用8#火雷双重导爆管起爆网络和2#岩石炸药,爆破排间微差间隔时问50ms。根据四川彭山钙芒硝矿的相关爆破技术研究和现场应用,采用非电毫秒雷管1～20段和导爆管组成多段微差挤压爆破一次点火起爆系统可大大减少同段起爆药量,顺序起爆为8～12ms,排间微差40～100ms,可解决因药量过大产生地震效应从而破坏爆区地表及附近生态环境的问题。此技术适宜广西陶圩钙芒硝矿区应用。
4.溶浸采矿
溶区回采崩下的矿石不运出地面。溶区中除矿柱以外的矿体全部崩落后,在溶区上部注水口注入淡水,使溶区内温度保持在30～50％,以提高Na2SO4的溶解速度,待溶区的硝水浓度达到20°Be时,开启溶区下部的阀门硝水经阶段运输巷的排硝水管排至硝水仓储存。
溶区生产分三个阶段,首先是正常生产期,一个溶区溶矿30万吨左右,出硝水能力平均为1040m3／d,硝水浓度20°Be,生产时间8-10个月,可连续出硝回收60％左右的硝量。其次为间断生产期,经长时间浸泡后间断出硝,尽量回收溶区内残余的Na2SO4,使总回收率达72％左右,起辅助和调节生产作用。最后是收尾期,拆除供排水管,充填封闭溶区。
因采用硐室水溶采矿法,需保留连续的间柱和顶底柱,厚度达20～25m,故回采率较低,根据类似矿山生产经验,采矿回采率为45％,采矿贫化率为5％。
加工技术与工艺
我国硫酸钠的规模化生产始于20世纪50年代,生产方法有熔融法、熔融一蒸发法、盐析法及全溶蒸发法,经历了从“平锅法”、“火塔法”、“单效蒸发”、“自然循环”、“真空蒸发”到“多效真空蒸发强制循环”的过程。经长期生产经验积累和技术改造,生产工艺和设备已趋于成熟。
广西钙芒硝加工应采用四川同类企业的全溶蒸发脱水及五效真空蒸发逆流出料成熟工艺。井下硐室水溶和地表溶浸场淋浸副产矿石制取得的粗硝水抽至地表硝水加工厂后,经化学精制除去钙、镁等杂质,进入外热式强制循环蒸发器由汽轮发电机发电后的余汽进行蒸发,结晶形成晶浆后送至旋液分离器和连续推料卧式离心机进行离心分离,分离后的晶体送入气流干燥筒进行干燥,最后经包装工序得到产品元明粉。此法虽加工程序多,生产成本高,但生产管理和产品质量较好。
四、广西钙芒硝矿环境保护
钙芒硝矿山的三废治理与一般的金属非金属矿山大致相同,必须重点注意的是以下三点：
地压和地表沉降
采用硐室水溶采矿法,60％～70％以上的矿石就地溶解后形成溶渣,溶渣膨胀后对采空区顶板起到一定的支撑作用,据四川多年地表沉降观察的结果分析,未发现任何下沉的迹象。为确保地下开采时地表村庄、公路等建筑物安全及不影响地面基本农田生产,设置陶圩矿区地表以下100m为隔离带。
尾矿尾渣
开拓、采准、切割工作采出的副产矿石在地表溶浸场淋浸后的剩余物主要是G2SO4·2H20和粘土,淋浸后1～3年内,对其上进行覆土还耕。尾矿则全部排至井下溶区,不向外排放。
硐室大爆破的有毒有害气体
由于硐室一次性大爆破使用的炸药数量常达几十万吨,瞬间产生大量浓度很高的有毒有害炮烟,且陶圩矿区为一个被低山丘陵所环抱的平坦盆地,因此回风井口主扇风机的抽出烟道需进行加高建设,以便将炮烟排至高空迅速稀释。
五、广西芒硝产业发展
我国芒硝产业现状与政策导向
1.我国拥有芒硝矿垄断资源,本应在国际市场价格上处于主导地位,但由于国内元明粉企业前几年竞相扩能增产,产能供过于求,导致行业出口无序压价竞争。近年来国家政策导向正在规范元明粉产业的发展,资源管理部门加大了可持续发展的芒硝资源开采规划。从全局考虑国内不宜盲目规划更大产能,在经济欠发达的边远地区可适度发展,以免重蹈覆辙。
2.经过整顿清理合并洗牌,企业以南风化工、江苏洪泽银珠化工、四川川眉芒硝为首,逐步形成四川、江苏两大生产基地。目前国内年产800余万吨元明粉,副产物约100万吨,年出口超过200万吨,
3.元明粉出口量逐年上升,价格逐渐趋于合理。目前最主要的出口市场是东南亚地区,2008年前3个季度,我国对东盟、巴西和韩国的元明粉出口量分别为66.7万吨、30.2万和13 1万吨,较上一年度同期分别增长21％、下降12.2％和增长4.5％,占全国出口总量的32.2％、14.6％和6.4％。2007年我国元明粉出口价格在66—73美元,吨上下波动,2008年前三季呈逐月快速上涨态势,至9月份升至110.6美元,吨,同期国内市场价格达到600元,吨,2009年受金融风暴影响,出口价格和贸易成交量估计有所回落。
元明粉市场发展趋势
近年来随着元明粉应用范围的不断扩大以及产品功能优势的不断发掘,元明粉市场发展日益趋向精细化、差异化,预计10年内用于元明粉下游产品深加工的比例将达到国内元明粉总量30％,特种元明粉的比例为10％,产品结构更为合理。因此,元明粉生产企业应重点发展特色产品。如南风化工集团先后成功开发了大颗粒元明粉、细粉元明粉、饲料级元明粉等高附加值产品。川眉芒硝有限责任公司是目前国内唯一获得国家药监局GMP认证并获得药用芒硝生产许可的特种芒硝生产企业。
此外,近年来国内外对元明粉的使用已经扩大到许多新领域,如美英等国使用元明粉对电站锅炉用煤进行处理、芒硝作太阳能贮热材料、利用熔融硫酸钠作为电网非高峰电能储存、用元明粉生产水玻璃再加工生产超细氧化硅以及芒硝和氯化钾转化法生产硫酸钾,等等。这些领域的成功应用进一步拓宽了元明粉的市场空间,为元明粉经济总量的快速增长提供了更为广阔的市场前景。
广西芒硝产业发展探讨
1.广西芒硝矿产业不宜盲目扩张产能。广西地处东南沿海经济圈、大西南经济圈及大东盟经济圈的汇合部,也是泛珠三角一东盟区域的地理中心,广西除地理优势外,在资源、开采方式、生产技术、能源乃至政策层面与四川、江苏等地相比均处于劣势,不具备形成大规模元明粉生产基地的条件。
2.广西应靠近资源地因地制宜地向产业链纵深延伸,以市场为主导走产品精细化、差异化发展道路,调整产品结构,找到合适的途径来获得产品附加值的有效提升,抢占市场空间,获取更大利润。根据目前市场需求,应先依托四川优势资源企业的生产技术生产高品质元明粉,然后通过自主研究或引人现代化设备和技术,重点开发药用芒硝和国家大力支持的无氯钾肥两大类附加值极大的产品。
3.国内化工副产硫酸钠仅占全国产量的10％,每年有大量副产未回收利用,而国外副产硫酸钠产量约占总产量的50％以上。可采用再资源化新技术,回收低档产品,使之成为更高价值的产品,不仅提高经济效益,而且有利于减少环境污染。
4.利用广西地理优势,力图成为东南亚元明粉市场集散地和物流结点。
针对国家经济总量和宏观政策的发展趋势,针对目前元明粉行业新增产能继续快速增加的态势,我们要清醒认识到未来五到十年芒硝行业产品结构调整面I临的新任务,广西芒硝矿企业只有在稳定产能规模的同时提高产品的附加值,才能符合市场竞争的要求,才能在未来的元明粉市场中立于不败之地。
刘洋树.钙芒硝矿两种溶浸采矿法的应用、试验与评价.有色矿冶,2007,.
李玉奎,冯明远.杨开富四川彭山钙芒硝矿开采引起的生态环境影响与控制研究——多段微差挤压爆破技术的应用.四川地质学报,2004,.
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