摘要
《矿产地质勘查规范石灰岩、水泥配料类》（DZ/T 0213-2020）中冶金熔剂用、电石用、制碱用石灰岩，脱硫用石灰岩，玻璃用石灰岩，水泥原料矿石化学成分一般要求中均对MgO质量分数有着明确要求，但制灰用石灰岩化学成分一般要求却未对MgO质量分数有要求。本文通过荆门市八里干沟矿区制灰用石灰岩勘探项目，对制灰用石灰岩化学成分一般要求是否需要增加MgO质量分数进行了一定深度的探讨，讨论结果表明制灰用石灰岩化学成分一般要求适宜增加MgO质量分数，其值通过试验数据宜定在5%，通过增加 MgO质量分数的限定，利于矿石质量品质以及后期加工技术性能的提升。本文可以对后续《矿产地质勘查规范石灰岩、水泥配料类》（DZ/T 0213-2020）的修订起到一定的借鉴作用。
Abstract
In the "Code for Mineral Geological Exploration Limestone and Cement Ingredients" （DZ/T 0213- 2020）， there are clear requirements for MgO mass fraction in the general requirements for the chemical composition of metallurgical flux， calcium carbide， alkali making limestone， desulfurization limestone， glass limestone， and cement raw materials. However， there is no requirement of MgO mass fraction for the chemical composition of lime making limestone. In this paper， through the ash limestone exploration project in Baligangou mining area of Jingmen City， the general requirements for the chemical composition of ash limestone need to increase the MgO mass fraction. The discussion results show that the general requirements for the chemical composition of ash limestone need to increase the MgO mass fraction， and the value should be set at 5% according to the test data. By increasing the limit of MgO mass fraction， it is beneficial to improve the quality of ore and the performance of post-processing technology. This paper can play a certain role in the subsequent revision of the Code for Mineral Geological Exploration Limestone and Cement Ingredients （DZ/T 0213-2020）.
Keywords
0 引言
《矿产地质勘查规范石灰岩、水泥配料类》（DZ/ T 0213-2020）中对制灰用石灰岩化学成分一般要求为：（CaCO3+MgCO3）＞75%；黏土质及残渣＜13%，要求中未对MgO质量分数有限定，石灰岩中MgO质量分数较高时，它也是满足（CaCO3+MgCO3）＞75% 此要求的，但是否会影响矿石质量品质以及后期加工技术性能？本文通过荆门市八里干沟矿区制灰用石灰岩勘探项目，发现矿区中的石灰岩与白云岩均能满足制灰用石灰岩化学成分一般要求（CaCO3+ MgCO3＞75%；黏土质及残渣＜13%），在石灰岩与白云岩不易区分的情况下，如在化学成分一般要求的基础上加入MgO质量分数的限定，增加矿石品质的同时更符合现行生产矿山对矿石质量的要求，后续也能提升矿石的加工技术性能。MgO 质量分数通过对熟料质量、熟料强度及生成产品的影响各项试验数据分析，宜定在 5%。本文探讨结果对后续《矿产地质勘查规范石灰岩、水泥配料类》（DZ/T 0213-2020）的修订起到一定的借鉴作用。
1 项目概况
1.1 勘查任务
荆门市八里干沟矿区位于荆门市西北八里干沟大阳沟地段，矿区面积1.833 km2。项目要求对矿区制灰用石灰岩矿进行勘探程度的勘查，同时对区内存在的其他共生矿产进行综合勘查。
1.2 矿区构造
矿区位于罗家大坡背斜之西翼，总构造方向为北北西，符合区域构造方向，因而岩层主要走向变化为NE20°～NW45°，矿区构造之主躯为一NNW向的宽缓背斜，因纵向大断裂而使背斜两翼抬起，构成南北向的地堑，并破坏了原有褶皱完整性。罗家大坡背斜为矿区构造之主要躯壳，背斜轴位于罗家大坡八里干沟口，轴向为北偏西方向，断层于背斜轴部附近切过，背斜东翼被断层所切，西翼仍旧保留，背斜核部由三叠系大冶组第一段（T1d1）泥灰岩组成。西翼地层由老至新依次出露三叠系大冶组第二段（T1d2）、第三段（T1d3）、第四段（T1d4）、第五段 （T1d5），嘉陵江组第一段（T1-2j1）、第二段（T1-2j2） （图1）。
矿区断裂主要为横穿南北的柏坪社—八里干沟口逆断层（F1）与娘娘沟正断层（F2 ）。
柏坪社—八里干沟口逆断层（F1）：区域上该断层线由八里干沟口以北的山麓南下经干沟口、石门、柏坪并继续往南延伸，全长4000 m余，在矿区外围北东侧穿过，近 SN 走向，断层面倾向 NE，倾角 60°，断层之上盘上升，下盘下降，造成上盘上寒武统覃家庙组（∈3q）覆盖于三叠系灰岩之上。
娘娘沟正断层（F2）：该断层由 NW-SE 横穿矿区，区内出露约 900 m，走向 NW，倾向 NE，倾角 62°～76°。地表上：区内开采台阶开挖处明显见该断层，上盘（东盘）大冶组第五段（T1d5）灰色中厚—厚层灰岩下降与下盘（西盘）第三段（T1d3）深灰—灰黑色薄层状灰岩相接触。地下：根据钻孔揭露，大冶组第五段（T1d5）灰色中厚—厚层灰岩与第二段 （T1d2）灰绿色薄层状灰岩接触，大冶组第四段 （T1d4）、第三段（T1d3）全部断失。根据各段分布厚度情况，该断层垂直断距约为320 m。
1.3 矿区含矿地层特征
矿区及附近出露地层由老至新为：上寒武统覃家庙组（∈3q）、下三叠统大冶组（T1d）、下三叠统嘉陵江组（T1-2j）及第四系（Q）。含矿地层为大冶组（T1d） 与嘉陵江组（T1-2j），根据岩性及矿石特征，大冶组 （T1d）可分为三段，嘉陵江组（T1-2j）可分为两段。
大冶组第三段（T1d3）：制灰用灰岩含矿层位。岩性为深灰色灰岩，中厚层状，局部夹浅紫红色薄层状灰岩，微晶结构，发育缝合线构造，偶夹泥质条带，局部层面夹砖红色泥质薄膜。本段发育波状层理，裂隙较发育，充填方解石脉，微张状，少量闭合裂隙，略光滑无充填。厚161.82～201.28 m。
大冶组第四段（T1d4）：制灰用灰岩含矿层位。岩性为深灰—灰黑色灰岩，薄—中厚层状，微晶结构，岩体表面缝合线构造发育，黑色条纹层理明显，裂隙较发育，裂隙面可见铁质、泥质侵染，岩体偶见溶蚀裂隙及孔洞，无充填，岩石层面见泥质薄膜及铁质侵染，呈褐红、褐黄色。厚93.41～120.90 m。
图1矿区地质图
大冶组第五段（T1d5）：制灰用灰岩含矿层位。岩性为灰色，局部深灰色，中厚—厚层状灰岩，微晶结构，岩石表面偶发育缝合线构造，条纹层理较明显，岩体内发育较多方解石细脉，裂隙较发育。厚 148.35～188.30 m。本段与上覆下三叠统嘉陵江组第一段（T1-2j1 ）呈整合接触关系。
嘉陵江组第一段（T1-2j1）：建筑用白云岩含矿层位。岩性为灰色、青灰色薄—中厚层状白云岩，偶夹云质灰岩，微晶结构，裂隙较发育，微张—闭合状为主，裂隙面较平滑，充填方解石。厚 38.94～59.17 m。
嘉陵江组第二段（T1-2j2）：制灰用灰岩含矿层位。岩性为灰—深灰色，中厚层状灰岩，微晶结构，偶发育缝合线构造，含少量泥质条纹，上部局部夹白云岩。厚141.6～169. 0 m。
1.4 矿层矿石特征
通过对区内2447件样品化验结果的统计，各矿层矿石化学性质见表1。
由表1可知，单从 CaCO3+MgCO3＞75%，黏土质及残渣（Si02+Al2O3+Fe2O3）＜13%化学成分的一般要求来看，区内嘉陵江组第二段（T1-2j2）、第一段（T1-2j1） 以及大冶组第五段（T1d5）、第四段（T1d4）、第三段（T1d3）均满足要求，但通过各矿层矿石岩矿鉴定结果（表2），区内嘉陵江组第二段（T1-2j2）及大冶组第五段（T1d5）、第四段（T1d4）、第三段（T1d3）为微晶灰岩，而嘉陵江组第一段（T1-2j1）为微晶白云岩。
表1各矿层矿石品位加权平均统计
注：CaCO3、MgCO3含量由CaO、MgO含量根据CaCO3、MgCO3化学分子式换算求出其百分比含量。
表2各矿层矿石岩矿鉴定成果
因此，区内嘉陵江组第二段（T1-2j2）及大冶组第五段（T1d5）、第四段（T1d4）、第三段（T1d3）为制灰用石灰岩矿层，而嘉陵江组第一段（T1-2j1）赋存岩石为白云岩，矿石自然类型即不属于石灰岩，是不能作为制灰用的，但通过其物理性能测试，可作为建筑用，即嘉陵江组第一段（T1-2j1）实为建筑用白云岩矿层。
2 增加MgO质量分数的探讨
2.1 石灰岩与白云岩的区分
通常情况下，石灰岩与白云岩的区分：野外肉眼鉴定，从纹理看，风化后的白云岩由于为不完全解理，所以一般具有刀砍纹，即交叉成 45°左右的普遍裂纹。从颜色看，石灰岩颜色相对来讲比较深一些，如深灰色、灰色，而白云岩一般为浅灰色、灰白色。从酸反应上的区别：若在灰岩上滴酸，百分含量为 3.5%左右的稀盐酸会使灰岩新鲜面上剧烈冒泡；而滴到白云岩新鲜面上不冒泡，只有滴到白云岩粉末上才可见到微弱冒泡（桑隆康和马昌前， 2012）。
从矿物成分分类，碳酸盐岩的矿物成分最常见的是由方解石和白云石按不同比例的混合，其次是方解石、白云石与黏土质之间的混合（刘宝珺， 1980；表3）。
表3石灰岩与白云岩的过渡类型
2.2 矿区石灰岩与白云岩
矿区石灰岩赋存于嘉陵江组第二段（T1-2j2）及大冶组第五段（T1d5）、第四段（T1d4）、第三段（T1d3），岩性均以灰—深灰色，薄—中厚层状石灰岩为主；白云岩赋存于嘉陵江组第一段（T1-2j1），岩性以灰色、青灰色薄—中厚层状白云岩为主（图2）。
图2各岩性段分界线
a—地表嘉陵江组第二段/第一段分界线；b—地表嘉陵江组第一段/大冶组第五段分界线；c—钻孔嘉陵江组第二段/第一段分界线；d—钻孔嘉陵江组第一段/大冶组第五段分界线
区内赋存白云岩的嘉陵江组第一段（T1-2j1）介于第二段（T1-2j2）与大冶组第五段（T1d5）之间，图2反映了矿区此三段的岩性特征。野外肉眼鉴定：首先无论是地表出露岩石还是钻孔揭露岩心，嘉陵江组第一段（T1-2j1）白云岩均未见明显的刀砍纹；其次从颜色上，嘉陵江组第一段（T1-2j1）白云岩与其上覆的第二段（T1-2j2）、下伏的大冶组第五段（T1d5）石灰岩基本均为灰色、青灰色，颜色上难以区分。至于滴盐酸，三者均有冒泡，且冒泡程度基本相同。
当野外无法用肉眼及滴酸对白云岩与石灰岩进行区别时，对其进行矿物成分的鉴定（岩矿鉴定） 则为最直接的方法，本文也是通过岩矿鉴定成果得出嘉陵江组第一段（T1-2j1）赋存岩石实为白云岩。
2.3 增加MgO质量分数的探讨
2.3.1 MgO质量分数划分矿层
前述，本文通过岩矿鉴定成果得出嘉陵江组第一段（T1-2j1）岩石为白云岩，如何确切划分嘉陵江组第一段（T1-2j1）与上覆第二段（T1-2j2）及下伏大冶组第五段（T1d5）的分界线呢？实际工作中，连续取样进行岩矿鉴定是不现实的，本文引入MgO质量分数这一直观数据进行划分。图3a为钻孔对嘉陵江组第二段（T1-2j2）与第一段（T1-2j1）岩石连续所取样品编号，图3b为钻孔对嘉陵江组第一段（T1-2j1）与大冶组第五段（T1d5）岩石连续所取样品编号，其样品化验结果见表4。
图3各岩性段连续取样编号
a—嘉陵江组第二段/第一段连续取样编号；b—嘉陵江组第一段/大冶组第五段连续取样编号
表4样品化验结果
注：CaCO3、MgCO3含量由CaO、MgO含量根据CaCO3、MgCO3化学分子式换算求出其百分比含量。
由表4可以看出，嘉陵江组第一段（T1-2j1）岩石 MgO质量分数为一突变值，其含量基本均在 10%以上，较上、下样品含量有着明显的增高。据此，在野外肉眼、滴酸无法区分及连续进行岩矿鉴定不现实的情况下，根据MgO质量分数来划分嘉陵江组第二段（T1-2j2）/第一段（T1-2j1）、第一段（T1-2j1）/大冶组第五段（T1d5）分界点是确切的。
2.3.2 MgO质量分数的限定提升矿石质量
要了解 MgO 质量分数的限定能否提升矿石质量品质，首先要知道MgO质量分数偏高对煅烧石灰的影响有哪些。随着煅烧石灰工艺的日趋成熟，对熟石灰的有效钙的要求也越高，石灰石MgO偏高会降低熟石灰的有效钙含量；氧化钙的分子量是 56， MgO 的分子量是 40.3，二氧化碳的分子量是 44，石灰石 MgO 偏高，熟石灰的出灰率低；由于 MgO 含量较高的熟料其煅烧温度比正常温度低，热动力不足，固相反应较为缓慢，从而又不利于f-CaO的吸收和晶体发育（冯云，2006）。在整个熟料煅烧过程中，主要受石灰饱和系数、硅酸率以及铝氧率等影响，也就是说生料的易烧性决定了烧成状况。当石灰石中氧化镁较高时，对熟料液相量、液相表面张力、液相粘度及熟料烧成温度、熟料结粒、强度及窑内结圈、结皮等均产生影响，在600~800℃就融化分解，玻璃体状物粘附在块状的石灰石上面，容易导致结瘤和偏烧（付磊，2013）。
以表4为例，从（CaCO3+MgCO3）＞75% 化学成分的要求来看，各样品均满足要求，但从矿区勘探成果可知，嘉陵江组第一段（T1-2j1）岩石实为白云岩，是不能划分为制灰用石灰岩矿石类型的。本矿区白云岩与石灰岩野外肉眼、滴酸均无法区分，是以 MgO质量分数来划分的。当再次接触到类似项目，或是情况更复杂的状况下，如同样白云岩与石灰岩无法肉眼、滴酸区分，且呈互层状，连续取样进行岩矿鉴定不现实，MgO 质量分数又不是突变值（如在 5%～10%），仍以（CaCO3+MgCO3）＞75%，黏土质及残渣（Si02+Al2O3+Fe2O3）＜13%的化学要求作为工业指标进行矿体圈定时，势必会将MgO质量分数偏高的矿石圈入矿体。由上可知，MgO质量分数偏高的矿石会很大程度影响石灰石的煅烧，实际使用过程中造成石灰粘度高，分解时间过长，通过率差。因此，当在制灰用石灰岩一般化学成分要求（CaCO3+ MgCO3＞75%，黏土质及残渣＜13%）基础上，增加 MgO 质量分数的限定，无疑会提升矿石质量品质，增加煅烧成熟度，提升后期加工技术性能，更能满足现今对熟石灰的要求。
2.3.3 探讨结论
（1）在进行制灰用石灰岩勘查时，在野外肉眼、滴酸无法确切区分石灰岩与白云岩，实际工作中，连续取样进行岩矿鉴定也不现实。此时，MgO质量分数作为一基本分析数据，无疑是划分石灰岩与白云岩的重要依据。
（2）MgO 质量分数偏高的矿石会很大程度影响石灰石的煅烧，实际使用过程中造成石灰粘度高，分解时间过长，通过率差。在无法确切区分石灰岩与白云岩的情况下，以（CaCO3+MgCO3）＞75%，黏土质及残渣（Si02+Al2O3+Fe2O3）＜13%作为工业指标进行矿体圈定时，势必会将MgO质量分数偏高的矿石圈入矿体，如此将降低矿石质量品质，而当增加 MgO 质量分数的限定，即可解决问题，提升矿石质量品质的同时，利于后期加工技术。
综上，《矿产地质勘查规范石灰岩、水泥配料类》（DZ/T 0213-2020）中制灰用石灰岩化学成分一般要求适宜在（CaCO3+MgCO3）＞75%，黏土质及残渣＜13%基础上增加 MgO质量分数限定值，这样更符合现今生成矿山对矿石质量及对熟石灰的要求。
3 MgO质量分数限定值的探讨
通过以上分析，制灰用石灰岩化学成分一般要求适宜在（CaCO3+MgCO3）＞75%，黏土质及残渣＜ 13%基础上增加 MgO质量分数限定值，下面将探讨限定数值为多少合适。
3.1 MgO质量分数对熟料质量的影响
冯云（2006）提出石灰石化学成分的稳定性对生料成分及煅烧工艺的影响尤其显著，特别是 MgO 含量的波动更是如此（表5）。
序号 1～6 号为石灰石质量波动前正常生产时的全分析与物检数据（表5），MgO 波动范围为 1.70%～1.90%，平均值为 1.84%；7～17 号为 MgO 含量较高、熟料质量合格时期的数据，MgO 波动范围为2. 00%～2.90%，平均值为2.44%；18～25号为 MgO 含量高、熟料质量不稳定时期（含部分安定性不合格数据）的数据，MgO 波动范围为 2.90%～5.30%，平均值为4. 02%。可以看出，不合格的20～22 号 MgO 含量为 4.98%～5.27%，5% 应是其临界值。
3.2 MgO质量分数对熟料强度的影响
区内生产企业湖北洋丰众为矿业有限公司对不同 MgO 含量的热料性能进行了对比（姚立明， 2020①），结果发现，熟料中 MgO 的含量从 1.37% 增加到 5. 08%，对熟料的早期强度（3 d 和 7 d）影响不大，但是 28 d 的期龄强度有所降低（表6）。可以看出，当MgO含量达到5%以上时，熟料强度下降较为明显，约1~3 MPa。
3.3 MgO质量分数对生成产品的影响
何凌赢（2018②）指出石灰石中氧化镁的含量接近5%的话，不符合轻质碳酸钙的生产制造，因为根据工艺要求，MgO 含量接近 5%，沉降速度将超过标准轻钙的 40%，对脱水工序造成时间拖长，水分增高约 15% 左右，生产成本比正常增加 20%，不利于生产轻钙。
3.4 MgO质量分数限定数值探讨结论
从MgO质量分数对熟料质量、熟料强度及生成产品的影响情况来看，当 MgO质量分数＞5%时，熟料质量（安定性）为不合格、熟料强度下降明显、生成成本增加、不利于生产轻钙，所产生的影响较大； 而＜5% 时，影响轻微。5% 应是 MgO质量分数影响程度的分界值。
表5熟料质量情况
表6不同MgO含量的熟料强度
4 结论建议
（1）本文通过荆门市八里干沟矿区制灰用石灰岩勘探项目为例，对《矿产地质勘查规范石灰岩、水泥配料类》（DZ/T 0213-2020）中制灰用石灰岩化学成分一般要求是否需要在（CaCO3+MgCO3）＞75%，黏土质及残渣＜13% 基础上增加 MgO 质量分数限定值进行了探讨。
（2）通过探讨，在野外肉眼、滴酸不能确切区分石灰岩与白云岩的情况下，MgO质量分数作为一基本分析数据，是对其区分的重要依据；同时当增加 MgO质量分数的限定，可提升圈入矿体中的矿石质量品质，更符合现今生成矿山对矿石质量及现今对熟石灰的要求。因此，制灰用石灰岩化学成分一般要求适宜增加MgO质量分数限定值。
（3）通过试验数据，当矿石中 MgO 质量分数＞ 5% 时，会造成熟料质量（安定性）不合格、熟料强度下降、生成成本增加、不利于生产轻钙等一系列不利影响，而＜5% 时，影响轻微。因此，MgO 质量分数限定数值宜定为5%。
综上，《矿产地质勘查规范石灰岩、水泥配料类》（DZ/T 0213-2020）下一阶段修订中关于制灰用石灰岩化学成分一般要求建议增加MgO质量分数，即：（CaCO3+MgCO3）＞75%，MgO＜5%，黏土质及残渣＜13%。
注释
① 姚立明.2020. 不同MgO含量的熟料质量[R]. 荆门：湖北洋丰众为矿业有限公司，1‒6.
② 何凌赢.2018. 碳酸钙系列产品的研究与开发[R]. 衢州：常山凌赢工业设计服务有限公司，12‒13.
