福建建筑用石料(機(jī)制砂)特性與勘查技術(shù)探討

林 喜

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350013)

隨著國(guó)家建設(shè)的高速發(fā)展，建設(shè)用砂量越來(lái)越大，天然砂資源幾近枯竭，機(jī)制砂已成為建設(shè)用砂市場(chǎng)的主力，同時(shí)基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的日益重視，推廣應(yīng)用機(jī)制砂成為今后建設(shè)用砂的發(fā)展趨勢(shì)。2018年，機(jī)制砂作為砂石產(chǎn)業(yè)相關(guān)產(chǎn)品及裝備產(chǎn)品被正式列入我國(guó)“戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)”重點(diǎn)產(chǎn)品[1]；福建省也陸繼出臺(tái)一系列產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)與礦山管理政策[2-3]，明確將機(jī)制砂按建筑用石料礦種管理[4]。“建筑用石料(機(jī)制砂)”是指經(jīng)除土處理，新鮮巖石經(jīng)機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒(不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆粒)，俗稱人工砂，也稱細(xì)骨料。近十年來(lái)，浙江、河南、安徽等省分別發(fā)布其普通建筑石料礦產(chǎn)地質(zhì)勘查技術(shù)要求[5-8]，福建省也發(fā)布工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)[9]促進(jìn)和規(guī)范機(jī)制砂的生產(chǎn)和使用。

1 機(jī)制砂礦山地質(zhì)勘查現(xiàn)狀

1.1 機(jī)制砂礦山規(guī)模與地域分布

近年來(lái)，福建機(jī)制砂產(chǎn)業(yè)取得顯著發(fā)展，截至2020年7月，福建省自然資源廳備案、備選及2020年度新設(shè)置的機(jī)制砂礦山分別為56個(gè)、19個(gè)、13個(gè)(表1)，主要分布于閩東南寧德—福州—泉州—漳州一線，閩西北、閩西南分布較少。礦床規(guī)模以小型為主，次為中型，大型僅1處。

1. 2 機(jī)制砂礦山巖質(zhì)母巖的巖類

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，福建省機(jī)制砂礦山巖質(zhì)母巖的巖類多以火成巖為主(表2)，其巖性主要涵蓋早侏羅世至晚白堊世的正長(zhǎng)花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、晶洞堿長(zhǎng)花崗巖、英安質(zhì)(流紋質(zhì))晶屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋巖等；巖質(zhì)母巖為沉積巖的礦區(qū)極少，其巖性主要為早-中侏羅世的石英砂巖、細(xì)砂巖等；巖質(zhì)母巖為變質(zhì)巖的機(jī)制砂礦山。但通過(guò)搜集資料，發(fā)現(xiàn)在建寧—寧化一帶已設(shè)置有多處產(chǎn)品方案為碎石的礦山，其巖質(zhì)母巖為古元古代天井坪(巖)組或新元古代黃潭(巖)組的變質(zhì)巖。

表1 福建省機(jī)制砂礦山地域分布與礦床規(guī)模特征

表2 福建省機(jī)制砂礦山巖質(zhì)母巖的巖類分布特征

1. 3 巖質(zhì)母巖與機(jī)制砂性能檢測(cè)結(jié)果

此次研究收集福建省21個(gè)產(chǎn)品方案為機(jī)制砂的代表性礦區(qū)，以及8個(gè)產(chǎn)品方案為碎石(5個(gè)變質(zhì)巖區(qū)、3個(gè)沉積巖區(qū))的礦區(qū)不同巖質(zhì)母巖特性指標(biāo)資料，其巖質(zhì)母巖(原礦)物性指標(biāo)特征(表3)。機(jī)制砂礦區(qū)的巖質(zhì)母巖抗壓強(qiáng)度均能符合各巖類的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)(沉積巖≥30 MPa、變質(zhì)巖≥60 MPa、火成巖≥80 MPa)；石料放射性絕大多數(shù)也符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但也存在個(gè)別礦山石料放射性核素限量超限，產(chǎn)品僅適用于空心率大于25%的建筑主體材料或裝飾裝修材料。

表3 福建省機(jī)制砂代表性礦區(qū)不同巖質(zhì)母巖物性指標(biāo)

統(tǒng)計(jì)福建省21個(gè)產(chǎn)品方案為機(jī)制砂的代表性礦區(qū)的細(xì)骨料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)，代表性機(jī)制砂礦山的各項(xiàng)指標(biāo)均能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，有害物質(zhì)含量控制較好[10]，機(jī)制砂類別為Ⅰ～Ⅱ類；堿集料反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果判定礦山的細(xì)骨料為無(wú)潛在堿-硅酸反應(yīng)危害。雖然有1個(gè)礦區(qū)亞甲藍(lán)(MB)值>1.4，但石粉含量和泥塊含量均符合相應(yīng)的規(guī)定[11](表4)。

表4 福建省機(jī)制砂代表性礦區(qū)細(xì)骨料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

2 機(jī)制砂礦區(qū)地質(zhì)工作存在的問(wèn)題

(1)在前期踏勘階段由于對(duì)巖質(zhì)母巖的預(yù)研究工作不足，未采集代表性樣品，先期進(jìn)行物化性能指標(biāo)測(cè)試，以了解石料質(zhì)量；未開展放射性順檢，對(duì)礦區(qū)放射性水平進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。2015年至今，在省內(nèi)已評(píng)審的機(jī)制砂礦區(qū)中，不乏因巖質(zhì)母巖的抗壓強(qiáng)度、堿集料反應(yīng)、放射性核素限量等關(guān)鍵指標(biāo)超標(biāo)而被中止或改變產(chǎn)品用途的礦區(qū)。

(2)建筑用石料的質(zhì)量主要針對(duì)巖質(zhì)母巖的質(zhì)量要求，而非對(duì)加工用途產(chǎn)品的質(zhì)量要求。由于二者質(zhì)量要求目前主要是依據(jù)“建設(shè)用砂”標(biāo)準(zhǔn)[11]，因此個(gè)別成果報(bào)告中存在將加工產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)當(dāng)作巖質(zhì)母巖的一般工業(yè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)的誤區(qū)，這顯然是不合適的。由此，把巖質(zhì)母巖樣品采集、檢測(cè)內(nèi)容與用途產(chǎn)品的物化樣品采集、檢測(cè)內(nèi)容相混淆，導(dǎo)致各礦區(qū)分析項(xiàng)目不統(tǒng)一，進(jìn)而影響石料質(zhì)量和用途評(píng)價(jià)。

(3)建筑用石料作為福建省新設(shè)礦種，經(jīng)過(guò)幾年的地質(zhì)勘查工作，積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，形成了具有自身特色的勘查技術(shù)。但截至目前，自然資源部提出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[12]；或其他省份發(fā)布實(shí)施的地質(zhì)勘查技術(shù)要求[5-7]，均按“建筑用石料”大類編制而成，尚未有機(jī)制砂單礦種的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和要求。這容易在實(shí)際地質(zhì)勘查工作中造成不同認(rèn)識(shí)，也導(dǎo)致各礦區(qū)地質(zhì)勘查程度和成果質(zhì)量不一，影響礦床開發(fā)與利用[13]。

(4)受限“三區(qū)三線”(即城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)空間和生態(tài)紅線、永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界)以及礦產(chǎn)資源規(guī)劃布局的允許開采區(qū)塊，機(jī)制砂礦區(qū)的選擇空間被嚴(yán)重壓縮，不同程度存在礦區(qū)范圍劃定不合理現(xiàn)象，不僅在后期礦山開采中容易造成生態(tài)環(huán)境破壞，給恢復(fù)治理帶來(lái)困難，而且開采既不經(jīng)濟(jì)也不安全。

3 機(jī)制砂礦產(chǎn)地質(zhì)工作的探討

3.1 踏勘選點(diǎn)主要事項(xiàng)

(1)通過(guò)收集成功投產(chǎn)礦山案例，表征在前期調(diào)查中應(yīng)注意事項(xiàng)，包含礦產(chǎn)資源貯存狀況、自然地形(地貌)、礦山地質(zhì)特征、礦體巖性、覆蓋層與風(fēng)化層分布情況、開采技術(shù)條件、環(huán)境影響等諸多因素。

(2)詳細(xì)收集鄰區(qū)的已通過(guò)評(píng)審備案的機(jī)制砂礦區(qū)巖質(zhì)母巖的抗壓強(qiáng)度、堿集料反應(yīng)、放射性核素限量等關(guān)鍵指標(biāo)，進(jìn)行綜合分析、預(yù)研判各類機(jī)制砂礦山巖質(zhì)母巖在上述重要指標(biāo)中穩(wěn)定性更高、堿活性物質(zhì)更低，更適合作為混凝土的骨料[14]，以期為后續(xù)設(shè)置機(jī)制砂礦區(qū)并開展地質(zhì)勘查工作提供借鑒，從而有目的的選擇可靠機(jī)制砂生產(chǎn)基地。

(3)科學(xué)選址、合理劃定勘查區(qū)范圍。①查明擬設(shè)礦區(qū)及其周邊地質(zhì)環(huán)境條件(如水系分布及流量)，查明礦區(qū)構(gòu)造特征(如斷層及密集的節(jié)理、裂隙的產(chǎn)狀，防止開采邊坡構(gòu)造面臨空而導(dǎo)致地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn))，大致了解礦山道路及加工廠、排土場(chǎng)等功能區(qū)布置的地形條件。②合理選擇擬設(shè)礦區(qū)范圍及其周邊的地形(地貌)，礦區(qū)范圍的圈定應(yīng)有利于在確定未來(lái)開采方式時(shí)采用夷平式開采，如此既可避免閉坑后形成高陡邊坡，有利于減災(zāi)防災(zāi)與后期管護(hù)；同時(shí)又有利于“礦地”結(jié)合，增加耕地或建設(shè)用地面積。③在確定與各類保護(hù)區(qū)范圍無(wú)重疊和符合規(guī)劃等要求基礎(chǔ)上，進(jìn)一步收集掌握擬設(shè)礦區(qū)范圍內(nèi)的各類敏感目標(biāo)的資料(如是否分布有高壓線路、基本農(nóng)田、居民生活用水水源地等敏感目標(biāo))。

經(jīng)踏勘選點(diǎn)后較理想的機(jī)制砂礦區(qū)為：巖性單一、延展穩(wěn)定、斷裂構(gòu)造不發(fā)育、出露良好、覆蓋層薄、風(fēng)化淺、開采技術(shù)條件簡(jiǎn)單，以及未來(lái)開采對(duì)環(huán)境影響小的區(qū)塊。同時(shí)還要根據(jù)綠色礦山建設(shè)要求，充分考慮礦山閉坑后的修復(fù)治理和土地復(fù)墾還綠條件，按不低于擬新建礦山規(guī)模和服務(wù)年限的要求，合理劃定勘查區(qū)范圍。

3.2 采樣測(cè)試與工業(yè)指標(biāo)

(1)原礦主要物性特性針對(duì)的是巖質(zhì)母巖的質(zhì)量要求，包括石料質(zhì)量和開采技術(shù)條件。石料質(zhì)量要求一般又分放射性和物理性能及化學(xué)成分要求，采樣測(cè)試分析項(xiàng)目有抗壓強(qiáng)度(水飽和)、堅(jiān)固性、壓碎指標(biāo)等。

(2)細(xì)骨料質(zhì)量是指礦石的加工產(chǎn)品用于不同行業(yè)(如建設(shè)用、公路混凝土路面用、瀝青混合料用、鐵路混凝土用、砌石用、核電用)而相應(yīng)分類細(xì)化的不同質(zhì)量指標(biāo)。具體到建設(shè)用機(jī)制砂，其質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)包括顆粒級(jí)配、石粉含量、泥塊含量、有害物質(zhì)含量(云母、輕物質(zhì)、有機(jī)物、硫化物及硫酸鹽、氯化物、堅(jiān)固性指標(biāo)、壓碎指標(biāo)、表觀密度、堆積密度、空隙率、堿集料反應(yīng)、含水率等；若產(chǎn)品用作核電、鐵路、瀝青混合料等特殊用途時(shí)，還需增加檢測(cè)其它相關(guān)物性指標(biāo)(如棱角性、磨光值、砂當(dāng)量等)。

二者采樣和物理化學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果及評(píng)價(jià)在地質(zhì)勘查報(bào)告中應(yīng)分開表述。同時(shí)可能存在原礦物化性能質(zhì)量指標(biāo)均合格，但加工產(chǎn)品(機(jī)制砂)可能出現(xiàn)某些項(xiàng)目質(zhì)量不達(dá)標(biāo)情況，例如堿集料反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果超標(biāo)時(shí)，則原礦只能作為塊石、條石等一般民用建筑石料用途進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3 勘查階段、勘查類型的劃分及基本工程間距

(1)勘查階段劃分：根據(jù)“福建省國(guó)土資源廳關(guān)于劃定礦區(qū)范圍礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量勘查”規(guī)定[15]：國(guó)土資發(fā)附件第三類礦產(chǎn)的礦區(qū)，應(yīng)達(dá)到普查程度，提交推斷資源量。水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等開采技術(shù)條件的查明程度應(yīng)達(dá)到礦山建設(shè)要求。其他的普通建筑材料用砂、石、黏土礦種，參照第三類礦產(chǎn)執(zhí)行。機(jī)制砂的地質(zhì)勘查分為踏勘選點(diǎn)和地質(zhì)勘查2個(gè)階段，其中地質(zhì)勘查階段不再遞進(jìn)劃分勘查階段，一次勘查完成，即勘查程度需達(dá)到滿足礦山開采設(shè)計(jì)提供依據(jù)的要求，將地質(zhì)勘查工作分為普查和詳查。鑒于福建省機(jī)制砂礦山設(shè)置采礦權(quán)面積小，礦床規(guī)模以中小型為主，巖性較單一、露頭出露良好，且絕大多數(shù)為露天開采的實(shí)際現(xiàn)狀，原則上工作程度可以不達(dá)到勘探階段。

(2)勘查類型劃分與基本工程間距的確定：根據(jù)機(jī)制砂礦床自身產(chǎn)出特點(diǎn)，其勘查類型劃分主要依據(jù)礦體規(guī)模、礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、礦體厚度穩(wěn)定程度、構(gòu)造發(fā)育程度、覆蓋層發(fā)育程度等主要地質(zhì)因素，一般劃分為簡(jiǎn)單類型(Ⅰ類型)和一般類型(Ⅱ類型)。

Ⅰ類型：礦體長(zhǎng)度大于1 000 m，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育；覆蓋層(殘積土和風(fēng)化層)不發(fā)育、平均厚度小(剝采比小于0.5∶1)；基本勘查工程間距為300～400 m。

Ⅱ類型：礦體長(zhǎng)度小于1 000 m，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中等；地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育；覆蓋層(殘積土和風(fēng)化層)發(fā)育、平均厚度較大(剝采比大于0.5∶1)；基本勘查工程間距為200～300 m。

上述基本工程間距視不同條件不限于加密或放稀。如在花崗巖、火山巖分布區(qū)，通過(guò)區(qū)域構(gòu)造分析和現(xiàn)場(chǎng)觀察，未發(fā)現(xiàn)大型推覆或滑脫構(gòu)造，可基本確認(rèn)礦體延伸的礦區(qū)，礦體控制精度還可適當(dāng)靈活放稀。

3. 4 剝離體(覆蓋層、風(fēng)化層)勘查精度

對(duì)巖質(zhì)母巖為花崗巖或火山巖的礦山而言，雖然礦體一般情況下延長(zhǎng)、延伸均較穩(wěn)定，但剝離體的類型及其厚度卻受區(qū)域、巖性與地形等因素的影響，存在較大的差異性(其厚度從幾米到幾十米均有)。各種剝離物的分布范圍及估算的體積、重量關(guān)系到其堆存處理與綜合利用方案的確定，可能估算不準(zhǔn)確，則會(huì)影響礦山綜合利用，估算的礦石資源儲(chǔ)量與實(shí)際釆出礦石量存在誤差可能產(chǎn)生礦權(quán)人與礦政部門之間的民事糾紛。

(1)利用加密施工淺鉆的方法，對(duì)覆蓋層、風(fēng)化層做到系統(tǒng)控制。其控制精度至少應(yīng)比礦體增加一倍(如水泥用石灰?guī)r的勘查規(guī)范要求剝離層的勘查精度比礦體增加一倍，亦同此理)，若其厚度較大且類型較多，在地形變化處還應(yīng)進(jìn)一步加密。

(2)應(yīng)重視鉆孔編錄，巖性分類要準(zhǔn)確。除了巖性描述以外，還要備注其成因，準(zhǔn)確劃分出坡積、殘積、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化等不同的巖土體。不同成因類型的巖土體都有不同的利用方向，如：坡積層可用于覆土綠化、殘積層可用于制磚、強(qiáng)風(fēng)化層可用于加工洗砂、中風(fēng)化與弱風(fēng)化體亦可加工機(jī)制砂，此外加工剩余底泥或棄渣不能利用的則須填埋處理。

總而言之，剝離層的準(zhǔn)確劃分、估算與否，不僅關(guān)系到礦產(chǎn)開發(fā)中面臨的環(huán)境保護(hù)與綜合利用兩大問(wèn)題，在編制開發(fā)利用方案和礦山設(shè)計(jì)時(shí)也被列入重要篇章，因此地質(zhì)勘查應(yīng)為之提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)目前福建機(jī)制砂礦床絕大多數(shù)巖質(zhì)母巖為侵入巖或火山巖，而巖質(zhì)母巖為沉積巖及變質(zhì)巖的礦山較少。因此除了選擇陸相火山巖地層以外，對(duì)閩北、閩西南地區(qū)廣泛分布前寒武紀(jì)變粒巖為主的地層(南山巖組、桃溪巖組、大嶺(巖)組、萬(wàn)全(巖)群、樓前組等)，可開展資料收集及適當(dāng)采集樣品進(jìn)行細(xì)骨料相關(guān)物理測(cè)試研究(如寧化、建寧縣等已設(shè)置有巖質(zhì)母巖為變粒巖的碎石用礦山)，以期擴(kuò)大機(jī)制砂選點(diǎn)對(duì)象和選擇空間。

(2)鑒于機(jī)制砂作為福建省新設(shè)礦種，尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和要求，各礦區(qū)勘查程度和成果質(zhì)量參差不齊，建議在認(rèn)真總結(jié)近年來(lái)機(jī)制砂地質(zhì)勘查工作中所取得的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，組織力量編制該礦種的地質(zhì)工作指南或?qū)嵤┘?xì)則，以期將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求細(xì)化融于指南中，使指南既體現(xiàn)我局系統(tǒng)地質(zhì)勘查工作的水平，同時(shí)適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要。

文章得到楊武平高級(jí)工程師、張開畢教授級(jí)高級(jí)工程師細(xì)心指導(dǎo)，并提出寶貴的意見(jiàn)；黃良偉工程師在文章資料收集中提供幫助，在此一并致謝！