河南省淇縣二道莊礦區飾面石材用灰巖礦地質特征及開發利用前景

王振生，馬騰飛

(1.河南省有色金屬礦產探測工程技術研究中心， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金屬地質礦產局第七地質大隊， 河南 鄭州 450016)

0 引言

天然石材是指從天然巖體中開采出來的，并經加工成塊狀或板狀材料的總稱，凡具有一定塊度、強度、穩定性、可加工性以及裝飾性能的天然巖石，均可作為天然建筑裝飾石材(冉文瑞等，2020；陳明華等，2021)。隨著我國建筑裝飾行業穩步發展，石材需求量大增。淇縣是豫北地區重要沉積巖類石材產地，以石灰巖為主。二道莊飾面石材用灰巖礦中心點地理坐標為東經114°08′09″、北緯35°41′43″，位于淇縣縣城西北方10 km處，隸屬淇縣廟口鎮管轄。筆者團隊在礦區開展了飾面石材地質勘查工作，通過地質測量、勘探線剖面測量、鉆探及取樣測試等多種勘查方法和手段，基本查明了礦區地質、構造、主要礦體形態、規模和礦石質量；同時查明礦床開采技術條件，對飾面石材的加工技術性能進行初步研究，并計算礦山理論荒料率。估算控制資源量224.57×104m3(荒料量154.94×104m3)，推斷資源量286.20×104m3(荒料量198.83×104m3)，為礦區開發利用提供了依據，也為周邊同類礦產的勘查和開發提供了重要參考。

1 區域地質背景

礦區位于華北板塊南部，屬于太行構造亞區之太行斷隆，其地層區劃屬華北地層區山西分區太行山小區東部。區域構造為新華夏系隆起帶和第二沉降帶的過渡帶隆起一側。特點是以斷裂構造為主，伴有小型褶曲，構造形態以北東向斷裂構造為主，次為北西向。

區域地層屬典型克拉通型沉積(圖1)，區域地層由老到新發育有：太古界、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系。寒武系、奧陶系地層分布相對較廣，多為碳酸鹽巖，產狀大多平緩，傾角5°～12°，局部接近水平。石炭系—二疊系局部出露，缺失元古界大部分、上奧陶統—下石炭統和三疊系—白堊系等地層。礦產類型以沉積礦產為主，與地層密切相關。

圖1 二道莊礦區區域地質簡圖1—第四系全新統砂礫石層；2—第四系上更新統亞砂土、亞黏土；3—中奧陶統灰巖；4—下奧陶統白云巖；5—上寒武統泥質灰巖、白云質灰巖、紫色頁巖及泥質灰巖等；6—壓性斷層；7—張性斷層；8—性質不明斷層；9—礦區位置

區域內的礦產主要有煤、水泥灰巖、化工灰巖、白云巖、石英砂巖及飾面石材等。周邊雖有多處歷史遺留飾面石材采場(面)，但總體開采規模較小。

區域內的巖漿巖主要是超基性、基性巖體，次為中性巖體。主要巖性為元古代偉晶巖、角閃閃長巖、細晶巖、輝綠巖；燕山期閃長巖、閃長玢巖；喜山期金伯利巖、苦橄玢巖等。

2 礦區地質

2.1 地層

勘查區內出露的地層較為簡單，古生界上寒武統張夏組二段(∈3z2)在全區大范圍出露，三段(∈3z3)僅在北部地勢較高處部分出露，區內基巖出露良好，無覆蓋，可作為本區飾面石材主要產出層位(圖2)，現分段描述如下：

(1)上寒武統張夏組二段(∈3z2)。下部以灰白色厚層條帶狀鮞粒灰巖為主，夾灰白色豆粒灰巖、灰白色中厚層花斑狀(豹皮狀)灰巖；中上部以灰白色中厚層狀花斑灰巖為主，夾條帶狀鮞粒灰巖。花斑狀灰巖中發育生物活動留下的淺色條帶及團塊，形成花斑狀；條帶狀鮞粒灰巖中含較多暗色鮞粒灰巖組成的直徑3～5cm 的環形構造，為風暴成因(郭四輩等，2008；馬瑞申等，2011；陳芳，2014)。二段上部為薄層狀泥質條帶灰巖，在01、02及03勘探線局部不完全出露，鉆孔揭露的垂直厚度5.29～5.89 m，單層厚約5～8 cm，層面間多見褐紅色鐵泥質，且層面凹凸不平，條帶一般為褐紅色，厚度約0.5～1.5 cm。該層在勘查區道路兩側局部出露，根據觀察極易沿層理方向破碎，不符合石材物理性能，不能作為石材使用。頂部為灰白色厚層條帶鮞粒灰巖，巖石中含有淺色泥質條帶，鮞粒粒度約 0.5～1 mm。

(2)上寒武統張夏組三段(∈3z3)。僅在02勘探線及以北地勢較高處部分出露，根據地表出露和巖心情況，三段下部巖性為厚層狀鮞粒灰巖，鮞粒粒度較小，一般0.3～0.5 mm，礦物成份主要為方解石，占比60%～70%。

圖2 二道莊礦區地質簡圖1—上寒武統鳳山組細晶白云巖；2—上寒武統長山組竹葉灰巖；3—上寒武統崮山組竹葉灰巖；4—上寒武統張夏組三段鮞粒灰巖；5—上寒武統張夏組二段花斑狀灰巖；6—勘探線及編號；7—鉆孔及編號；8—礦區范圍

2.2 構造

區內構造簡單，嚴格受區域構造所制約。勘查區內地層呈單斜構造，地層傾向50°～71°，傾角8°～15°。礦區內的構造以節理裂隙為主，是礦體主要的破壞因素，對荒料塊度及荒料率有重要影響(林輝，2010；于躍和趙民，2016；葉孔凱，2021)。

根據節理裂隙專項調查，區內斷裂構造不發育，主要以節理裂隙為主。勘查區主要節理展布方向與區域地質構造方向總體一致，為近南北方向，傾向76°～82°、傾角73°～90°，節理裂隙面普遍以高角度出現。次級節理有兩組，走向大致相互垂直，一組呈北西西—南東東向，傾向6°～42°、傾角 77°～90°；另一組為北北東—南南西向，傾向100°～135°、傾角73°～90°。南北向主要節理長度最長約340 m，間距2～8 m，平均節理密度0.4條/m；次級節理最長不超過220 m，間距0.5～5 m，平均節理密度1.2條/m。節理帶寬度一般在0～10 cm。節理密度高的區段，荒料率相對較低，且產出大料、中料的比例也相對較低。

根據本礦區內10處體圖解荒料率測點內節理分布情況，繪制了節理裂隙走向玫瑰圖(圖3)。可見本區以近南北走向節理最為發育，可為日后確定主采方位提供參考依據。

圖3 節理走向玫瑰花圖

3 礦體地質

3.1 礦體特征

全區共劃分兩個礦體，分別是K1和K2礦體。K1礦體賦存于上寒武統張夏組二段中上部和三段底部，礦體出露完好，中部(03至02勘探線附近)歷史上經少量開采(作為飾面石材)，礦體總體賦存狀態連續、完整。礦層形態呈層狀，平面上受制于勘查范圍呈四邊形。礦體產狀與地層產狀一致，傾向50°～71°、傾角5°～10°。礦體南起0號勘探線東南約86 m，向北延伸至04勘探線以北，直至礦權邊界，南北長約558 m；礦體向西延伸至礦區邊界，向東延伸至礦山東部運輸道路。礦體沿傾向延伸最大254 m(02勘探線)、最小205 m(01勘探線線)、平均230 m，分布標高+217～+302 m，埋深 0～68 m，礦體最大垂直厚度68 m，平均厚度26 m。礦體體圖解荒料率(Ht)由10個素描點統計得出，范圍在67.30%～79.00%，體積加權平均值為70.92%，校正后的理論荒料率為69.29%。采用平行斷面法(栗雪彬，2020；高孝敏等，2021)估算K1礦體控制資源量224.57×104m3(荒料量154.94×104m3，推斷資源量21.81×104m3(荒料量15.75×104m3)。

K2礦體賦存于張夏組二段中下部，受地形和層位影響，礦體最上層僅在02勘探線西段和03勘探線中部礦山道路及兩側局部出露，深部由2個鉆孔揭露。礦體形態與K1礦體相似，產狀與地層產狀一致，傾向50°～71°、傾角5°～10°。礦體南起00線東南約86 m，向北延伸至04勘探線以北直至礦權邊界，南北長約518 m；礦體向西延伸至礦區邊界，向東延伸至礦山東部運輸道路。礦體沿傾向延伸最大227 m(02勘探線)、最小203 m(01勘探線)、平均210 m，分布標高+200～+251 m，埋深 0～105 m，礦體最大垂直厚度51 m，平均厚度32 m。因被K1礦體覆蓋，地表出露很少，無法直接測定體圖解荒料率，理論荒料率采用K1礦體數值，估算K2礦體推斷資源量264.39×104m3(荒料量183.08×104m3)。

3.2 礦石類型

勘查區內礦石巖性為鮞粒灰巖、條帶鮞粒灰巖、花斑狀灰巖；石材分類屬于石灰巖類；工業類型為飾面用灰巖。根據對淇縣周邊石材廠調查走訪，周邊類似石材主要用于臺階踏步石、路肩石、各類碑牌、戶外地面磚等，飾面花紋不是影響其用途的主要因素。

3.3 礦石成分

3.3.1 結構和構造

本區礦石自然類型為鮞粒灰巖、條帶鮞粒灰巖、花斑狀灰巖。根據野外觀察結果，主要為鮞狀結構、砂屑結構等。構造以花斑狀、條帶狀、塊狀構造為主。

3.3.2 礦石礦物成分和化學成分

礦石的礦物成分比較簡單，主要以碳酸鹽類礦物為主，含微量的褐鐵礦和泥質。在礦層中主要以各種粒度的方解石為主，含量71%～98%；其次為白云石，含量一般2%～18%；另有微量鐵質、石英等。礦石化學成份主要有CaO、MgO和少量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O 等。CaO含量44.75%～48.32%、MgO含量6.64%～10.83%、SiO20.71%～1.05%。

3.4 夾石

K1和K2礦體之間存在一層薄層狀泥質條帶灰巖，由于層理密集且機械強度低，不能作為飾面石材使用。該層垂直厚度5.29～5.89 m。估算飾面用灰巖礦量時作為夾石剔除，但仍可作為普通建筑石料用灰巖礦對待。

3.5 覆蓋層

礦區巖層出露普遍較好，僅在02—04勘探線中部，由于修建礦區簡易道路及首采平臺形成一定數量土石渣堆積于坡面上或上部平臺上，平均厚度約0.5 m，共劃分4個頂板蓋層剝離塊段，剝離體積約0.85×104m3。

4 飾面石材物理特征

本區礦石為鮞粒灰巖、條帶鮞粒灰巖、花斑狀灰巖，經測試物理性能良好，完全可以滿足石灰石類飾面石材物理性能規范要求。其密度平均2.73 g/cm3，屬于高密度石灰石；耐磨性17～19 L/cm3，平均18 L/cm3；吸水率0.19%～0.20%，平均0.20%；干燥壓縮強度59～67 Mpa，平均62 Mpa；水飽和壓縮強度97～108 Mpa，平均103 Mpa；水飽和彎曲強度19.2～21.3 Mpa，平均20.1 Mpa。經調查，本區礦石一般不做剖光高檔石材使用，主要用于臺階踏步石、路肩石、各類碑牌、戶外地面磚等，故本次未做光澤度測定，本次各項檢測結果見表1。

表1 礦石荒料物理性能測試結果表

4.1 裝飾性能

本次共采集3組標準樣，基本涵蓋了本區礦石類型，加工成尺寸為30 cm×30 cm，厚度約3 cm的板材。從照片來看，總體花色均為深灰色，除3號外，圖案花色并不明顯(圖4)。目前，石灰石類飾面石材花色沒有統一定名，經向周邊石材加工企業詢問，上述三類花色也沒有統一俗名，因此本次工作不再命名。

圖4 標準樣照片①—鮞粒灰巖花色特征；②—鮞粒條帶灰巖花色特征；③—花斑狀灰巖花色特征

4.2 色斑、色線及荒料率

K1、K2上下兩個礦體巖性變化均重復出現韻律，決定礦體荒料率大小的因素是礦體的節理、裂隙、色斑、色線等的發育程度，其中節理、裂隙發育的密集程度是影響荒料率的主要因素。本礦體節理、裂隙發育程度變化不大，色斑多表現為個別層理(特別是凹凸不平層理)，局部常見褐紅色鐵質或泥質，此種色斑遇到水后容易導致飾面表面薄片狀脫落，從而造成飾面損壞板材報廢。色線也多由此原因形成，呈細脈狀紅褐色細條紋，板材極易沿色線紋理斷裂，還有少數方解石脈形成的細小白色條紋，但從地表和巖心看，發育較弱。

本次采用體圖解荒料率(Ht)來測定圖解荒料率，其方法是根據統計平臺素描圖，按照臺段高度0.8 m(本區試采及周邊類似礦區臺段高度均為0.8 m)選擇兩個平行的斷面進行疊合，然后在疊合圖中的開采段內截取荒料，統計不同類別塊度荒料的體積，計算出不同類別塊度荒料的荒料率和總荒料率(陳國棟等，2015；譚均，2015；張曉飛和劉曉燕，2017)。本次共選取10個測點，優選布設于老采面上，單個測點測定面積為54 m2，累計測定面積540 m2。測點節理、裂隙素描圖的比例尺為1∶50，按大料、中料、小料組合測定的體圖解荒料率，可顯著提高體圖解荒料率(李宏穆等，2001；馬文昆，2020；李趙陽等，2021)，測定范圍為67.30%～79.00%，用塊段體積加權后求得礦床平均值。根據現場平臺試采統計結果，PT7試采荒料率(Hs)為70.07%；體圖解荒料率(Ht)PT7為71.72%，從而得出校正系數(Kh)比值為97.70%，并以此校正系數來校正平均圖解荒料率，得出礦床(體)理論荒料率，并參荒料量估算(周文文等，2016；馮秋豐等，2021；孫才紅和司妍博，2021)。根據計算結果，礦體理論荒料率(Hl)為70.92%(表2)。

表2 體圖解荒料率測定與計算結果一覽表

5 資源開發與綜合利用

二道莊礦區現有多處原遺留開采平臺，表明該區礦石歷史上曾被開發利用，開采條件較為成熟。本次估算礦床理論荒料率為70.92%，整體較高，可直接產出荒料量較大。根據礦山企業提供的初步開采方案，將來礦山擬采取露天臺階式開采方式，自上而下分層開采。采用直徑為210 cm、厚度為 10 mm 的圓盤鋸切割開采，單層開采厚度0.8 m，切割路徑布設間距為1.3 m，可優先滿足中料規格荒料的開采(中料規格需滿足長寬高大于等于 200 cm×130 cm×80 cm)。為研究礦石加工技術性能，本次在二道莊礦區采集荒料樣品二件，規格分別為200 cm×130 cm×80 cm、230 cm×130 cm×80 cm。在淇縣當地一家石材加工企業進行了加工，流程為：鋸割毛板—切斷—粗磨—精磨—修補。經計算，板厚 3 cm 情況下，平均板材率28 m2/m3，礦石加工技術性能較好。按年開采規模10×104m3(我省允許的最低開采規模)，每年可生產板材280×104m2，目前售價約70元/m2，年直接銷售收入可達1.96億元，將有效促進當地經濟發展，創造稅收和就業的新增長點。

為進一步提高礦產資源綜合利用水平，本次還對采荒后剩余礦石(含夾石)進行了評價。在礦區采集有代表性樣品4組，并根據一般石料質量指標要求，測試了硫酸鹽及硫化物、堅固性、巖石抗壓強度、碎石壓碎指標及堿集料反應5個項目，各項測試結果均符合指標要求(表3)，可加工成粒徑5～30 mm 的混凝土粗骨料，作為建筑石料加以綜合利用。因此，本區礦石作為飾面石材或建筑石料均具有較好的利用價值。

表3 石料質量指標測定結果一覽表

6 結論

通過勘查工作，認為本區上寒武統張夏組二段、三段鮞粒灰巖、條帶鮞粒灰巖、花斑狀灰巖適合作為飾面石材加以開發利用，礦石物理性能、裝飾性能等指標滿足一般工業指標。在礦區內選取10處測點測定體圖解荒料率，并在一處試采平臺現場測定試采荒料率，對體圖解荒料率進行校正，估算了礦體理論荒料率和荒料量，研究了礦石加工技術性能和綜合利用問題。年采規模10×104m3情況下，板材年銷售收入可達1.96億元，采場和石材加工廠還可吸納勞動力，促進就業，從而實現良好經濟社會綜合效益。因此，認為本區飾面石材具有較好開發價值和前景。