河南省淇县二道庄矿区饰面石材用灰岩矿地质特征及开发利用前景

王振生，马腾飞

(1.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心， 河南 郑州 450016； 2.河南省有色金属地质矿产局第七地质大队， 河南 郑州 450016)

0 引言

天然石材是指从天然岩体中开采出来的，并经加工成块状或板状材料的总称，凡具有一定块度、强度、稳定性、可加工性以及装饰性能的天然岩石，均可作为天然建筑装饰石材(冉文瑞等，2020；陈明华等，2021)。随着我国建筑装饰行业稳步发展，石材需求量大增。淇县是豫北地区重要沉积岩类石材产地，以石灰岩为主。二道庄饰面石材用灰岩矿中心点地理坐标为东经114°08′09″、北纬35°41′43″，位于淇县县城西北方10 km处，隶属淇县庙口镇管辖。笔者团队在矿区开展了饰面石材地质勘查工作，通过地质测量、勘探线剖面测量、钻探及取样测试等多种勘查方法和手段，基本查明了矿区地质、构造、主要矿体形态、规模和矿石质量；同时查明矿床开采技术条件，对饰面石材的加工技术性能进行初步研究，并计算矿山理论荒料率。估算控制资源量224.57×104m3(荒料量154.94×104m3)，推断资源量286.20×104m3(荒料量198.83×104m3)，为矿区开发利用提供了依据，也为周边同类矿产的勘查和开发提供了重要参考。

1 区域地质背景

矿区位于华北板块南部，属于太行构造亚区之太行断隆，其地层区划属华北地层区山西分区太行山小区东部。区域构造为新华夏系隆起带和第二沉降带的过渡带隆起一侧。特点是以断裂构造为主，伴有小型褶曲，构造形态以北东向断裂构造为主，次为北西向。

区域地层属典型克拉通型沉积(图1)，区域地层由老到新发育有：太古界、震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新近系和第四系。寒武系、奥陶系地层分布相对较广，多为碳酸盐岩，产状大多平缓，倾角5°～12°，局部接近水平。石炭系—二叠系局部出露，缺失元古界大部分、上奥陶统—下石炭统和三叠系—白垩系等地层。矿产类型以沉积矿产为主，与地层密切相关。

图1 二道庄矿区区域地质简图1—第四系全新统砂砾石层；2—第四系上更新统亚砂土、亚黏土；3—中奥陶统灰岩；4—下奥陶统白云岩；5—上寒武统泥质灰岩、白云质灰岩、紫色页岩及泥质灰岩等；6—压性断层；7—张性断层；8—性质不明断层；9—矿区位置

区域内的矿产主要有煤、水泥灰岩、化工灰岩、白云岩、石英砂岩及饰面石材等。周边虽有多处历史遗留饰面石材采场(面)，但总体开采规模较小。

区域内的岩浆岩主要是超基性、基性岩体，次为中性岩体。主要岩性为元古代伟晶岩、角闪闪长岩、细晶岩、辉绿岩；燕山期闪长岩、闪长玢岩；喜山期金伯利岩、苦橄玢岩等。

2 矿区地质

2.1 地层

勘查区内出露的地层较为简单，古生界上寒武统张夏组二段(∈3z2)在全区大范围出露，三段(∈3z3)仅在北部地势较高处部分出露，区内基岩出露良好，无覆盖，可作为本区饰面石材主要产出层位(图2)，现分段描述如下：

(1)上寒武统张夏组二段(∈3z2)。下部以灰白色厚层条带状鲕粒灰岩为主，夹灰白色豆粒灰岩、灰白色中厚层花斑状(豹皮状)灰岩；中上部以灰白色中厚层状花斑灰岩为主，夹条带状鲕粒灰岩。花斑状灰岩中发育生物活动留下的浅色条带及团块，形成花斑状；条带状鲕粒灰岩中含较多暗色鲕粒灰岩组成的直径3～5cm 的环形构造，为风暴成因(郭四辈等，2008；马瑞申等，2011；陈芳，2014)。二段上部为薄层状泥质条带灰岩，在01、02及03勘探线局部不完全出露，钻孔揭露的垂直厚度5.29～5.89 m，单层厚约5～8 cm，层面间多见褐红色铁泥质，且层面凹凸不平，条带一般为褐红色，厚度约0.5～1.5 cm。该层在勘查区道路两侧局部出露，根据观察极易沿层理方向破碎，不符合石材物理性能，不能作为石材使用。顶部为灰白色厚层条带鲕粒灰岩，岩石中含有浅色泥质条带，鲕粒粒度约 0.5～1 mm。

(2)上寒武统张夏组三段(∈3z3)。仅在02勘探线及以北地势较高处部分出露，根据地表出露和岩心情况，三段下部岩性为厚层状鲕粒灰岩，鲕粒粒度较小，一般0.3～0.5 mm，矿物成份主要为方解石，占比60%～70%。

图2 二道庄矿区地质简图1—上寒武统凤山组细晶白云岩；2—上寒武统长山组竹叶灰岩；3—上寒武统崮山组竹叶灰岩；4—上寒武统张夏组三段鲕粒灰岩；5—上寒武统张夏组二段花斑状灰岩；6—勘探线及编号；7—钻孔及编号；8—矿区范围

2.2 构造

区内构造简单，严格受区域构造所制约。勘查区内地层呈单斜构造，地层倾向50°～71°，倾角8°～15°。矿区内的构造以节理裂隙为主，是矿体主要的破坏因素，对荒料块度及荒料率有重要影响(林辉，2010；于跃和赵民，2016；叶孔凯，2021)。

根据节理裂隙专项调查，区内断裂构造不发育，主要以节理裂隙为主。勘查区主要节理展布方向与区域地质构造方向总体一致，为近南北方向，倾向76°～82°、倾角73°～90°，节理裂隙面普遍以高角度出现。次级节理有两组，走向大致相互垂直，一组呈北西西—南东东向，倾向6°～42°、倾角 77°～90°；另一组为北北东—南南西向，倾向100°～135°、倾角73°～90°。南北向主要节理长度最长约340 m，间距2～8 m，平均节理密度0.4条/m；次级节理最长不超过220 m，间距0.5～5 m，平均节理密度1.2条/m。节理带宽度一般在0～10 cm。节理密度高的区段，荒料率相对较低，且产出大料、中料的比例也相对较低。

根据本矿区内10处体图解荒料率测点内节理分布情况，绘制了节理裂隙走向玫瑰图(图3)。可见本区以近南北走向节理最为发育，可为日后确定主采方位提供参考依据。

图3 节理走向玫瑰花图

3 矿体地质

3.1 矿体特征

全区共划分两个矿体，分别是K1和K2矿体。K1矿体赋存于上寒武统张夏组二段中上部和三段底部，矿体出露完好，中部(03至02勘探线附近)历史上经少量开采(作为饰面石材)，矿体总体赋存状态连续、完整。矿层形态呈层状，平面上受制于勘查范围呈四边形。矿体产状与地层产状一致，倾向50°～71°、倾角5°～10°。矿体南起0号勘探线东南约86 m，向北延伸至04勘探线以北，直至矿权边界，南北长约558 m；矿体向西延伸至矿区边界，向东延伸至矿山东部运输道路。矿体沿倾向延伸最大254 m(02勘探线)、最小205 m(01勘探线线)、平均230 m，分布标高+217～+302 m，埋深 0～68 m，矿体最大垂直厚度68 m，平均厚度26 m。矿体体图解荒料率(Ht)由10个素描点统计得出，范围在67.30%～79.00%，体积加权平均值为70.92%，校正后的理论荒料率为69.29%。采用平行断面法(栗雪彬，2020；高孝敏等，2021)估算K1矿体控制资源量224.57×104m3(荒料量154.94×104m3，推断资源量21.81×104m3(荒料量15.75×104m3)。

K2矿体赋存于张夏组二段中下部，受地形和层位影响，矿体最上层仅在02勘探线西段和03勘探线中部矿山道路及两侧局部出露，深部由2个钻孔揭露。矿体形态与K1矿体相似，产状与地层产状一致，倾向50°～71°、倾角5°～10°。矿体南起00线东南约86 m，向北延伸至04勘探线以北直至矿权边界，南北长约518 m；矿体向西延伸至矿区边界，向东延伸至矿山东部运输道路。矿体沿倾向延伸最大227 m(02勘探线)、最小203 m(01勘探线)、平均210 m，分布标高+200～+251 m，埋深 0～105 m，矿体最大垂直厚度51 m，平均厚度32 m。因被K1矿体覆盖，地表出露很少，无法直接测定体图解荒料率，理论荒料率采用K1矿体数值，估算K2矿体推断资源量264.39×104m3(荒料量183.08×104m3)。

3.2 矿石类型

勘查区内矿石岩性为鲕粒灰岩、条带鲕粒灰岩、花斑状灰岩；石材分类属于石灰岩类；工业类型为饰面用灰岩。根据对淇县周边石材厂调查走访，周边类似石材主要用于台阶踏步石、路肩石、各类碑牌、户外地面砖等，饰面花纹不是影响其用途的主要因素。

3.3 矿石成分

3.3.1 结构和构造

本区矿石自然类型为鲕粒灰岩、条带鲕粒灰岩、花斑状灰岩。根据野外观察结果，主要为鲕状结构、砂屑结构等。构造以花斑状、条带状、块状构造为主。

3.3.2 矿石矿物成分和化学成分

矿石的矿物成分比较简单，主要以碳酸盐类矿物为主，含微量的褐铁矿和泥质。在矿层中主要以各种粒度的方解石为主，含量71%～98%；其次为白云石，含量一般2%～18%；另有微量铁质、石英等。矿石化学成份主要有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 夹石

K1和K2矿体之间存在一层薄层状泥质条带灰岩，由于层理密集且机械强度低，不能作为饰面石材使用。该层垂直厚度5.29～5.89 m。估算饰面用灰岩矿量时作为夹石剔除，但仍可作为普通建筑石料用灰岩矿对待。

3.5 覆盖层

矿区岩层出露普遍较好，仅在02—04勘探线中部，由于修建矿区简易道路及首采平台形成一定数量土石渣堆积于坡面上或上部平台上，平均厚度约0.5 m，共划分4个顶板盖层剥离块段，剥离体积约0.85×104m3。

4 饰面石材物理特征

本区矿石为鲕粒灰岩、条带鲕粒灰岩、花斑状灰岩，经测试物理性能良好，完全可以满足石灰石类饰面石材物理性能规范要求。其密度平均2.73 g/cm3，属于高密度石灰石；耐磨性17～19 L/cm3，平均18 L/cm3；吸水率0.19%～0.20%，平均0.20%；干燥压缩强度59～67 Mpa，平均62 Mpa；水饱和压缩强度97～108 Mpa，平均103 Mpa；水饱和弯曲强度19.2～21.3 Mpa，平均20.1 Mpa。经调查，本区矿石一般不做剖光高档石材使用，主要用于台阶踏步石、路肩石、各类碑牌、户外地面砖等，故本次未做光泽度测定，本次各项检测结果见表1。

表1 矿石荒料物理性能测试结果表

4.1 装饰性能

本次共采集3组标准样，基本涵盖了本区矿石类型，加工成尺寸为30 cm×30 cm，厚度约3 cm的板材。从照片来看，总体花色均为深灰色，除3号外，图案花色并不明显(图4)。目前，石灰石类饰面石材花色没有统一定名，经向周边石材加工企业询问，上述三类花色也没有统一俗名，因此本次工作不再命名。

图4 标准样照片①—鲕粒灰岩花色特征；②—鲕粒条带灰岩花色特征；③—花斑状灰岩花色特征

4.2 色斑、色线及荒料率

K1、K2上下两个矿体岩性变化均重复出现韵律，决定矿体荒料率大小的因素是矿体的节理、裂隙、色斑、色线等的发育程度，其中节理、裂隙发育的密集程度是影响荒料率的主要因素。本矿体节理、裂隙发育程度变化不大，色斑多表现为个别层理(特别是凹凸不平层理)，局部常见褐红色铁质或泥质，此种色斑遇到水后容易导致饰面表面薄片状脱落，从而造成饰面损坏板材报废。色线也多由此原因形成，呈细脉状红褐色细条纹，板材极易沿色线纹理断裂，还有少数方解石脉形成的细小白色条纹，但从地表和岩心看，发育较弱。

本次采用体图解荒料率(Ht)来测定图解荒料率，其方法是根据统计平台素描图，按照台段高度0.8 m(本区试采及周边类似矿区台段高度均为0.8 m)选择两个平行的断面进行叠合，然后在叠合图中的开采段内截取荒料，统计不同类别块度荒料的体积，计算出不同类别块度荒料的荒料率和总荒料率(陈国栋等，2015；谭均，2015；张晓飞和刘晓燕，2017)。本次共选取10个测点，优选布设于老采面上，单个测点测定面积为54 m2，累计测定面积540 m2。测点节理、裂隙素描图的比例尺为1∶50，按大料、中料、小料组合测定的体图解荒料率，可显著提高体图解荒料率(李宏穆等，2001；马文昆，2020；李赵阳等，2021)，测定范围为67.30%～79.00%，用块段体积加权后求得矿床平均值。根据现场平台试采统计结果，PT7试采荒料率(Hs)为70.07%；体图解荒料率(Ht)PT7为71.72%，从而得出校正系数(Kh)比值为97.70%，并以此校正系数来校正平均图解荒料率，得出矿床(体)理论荒料率，并参荒料量估算(周文文等，2016；冯秋丰等，2021；孙才红和司妍博，2021)。根据计算结果，矿体理论荒料率(Hl)为70.92%(表2)。

表2 体图解荒料率测定与计算结果一览表

5 资源开发与综合利用

二道庄矿区现有多处原遗留开采平台，表明该区矿石历史上曾被开发利用，开采条件较为成熟。本次估算矿床理论荒料率为70.92%，整体较高，可直接产出荒料量较大。根据矿山企业提供的初步开采方案，将来矿山拟采取露天台阶式开采方式，自上而下分层开采。采用直径为210 cm、厚度为 10 mm 的圆盘锯切割开采，单层开采厚度0.8 m，切割路径布设间距为1.3 m，可优先满足中料规格荒料的开采(中料规格需满足长宽高大于等于 200 cm×130 cm×80 cm)。为研究矿石加工技术性能，本次在二道庄矿区采集荒料样品二件，规格分别为200 cm×130 cm×80 cm、230 cm×130 cm×80 cm。在淇县当地一家石材加工企业进行了加工，流程为：锯割毛板—切断—粗磨—精磨—修补。经计算，板厚 3 cm 情况下，平均板材率28 m2/m3，矿石加工技术性能较好。按年开采规模10×104m3(我省允许的最低开采规模)，每年可生产板材280×104m2，目前售价约70元/m2，年直接销售收入可达1.96亿元，将有效促进当地经济发展，创造税收和就业的新增长点。

为进一步提高矿产资源综合利用水平，本次还对采荒后剩余矿石(含夹石)进行了评价。在矿区采集有代表性样品4组，并根据一般石料质量指标要求，测试了硫酸盐及硫化物、坚固性、岩石抗压强度、碎石压碎指标及碱集料反应5个项目，各项测试结果均符合指标要求(表3)，可加工成粒径5～30 mm 的混凝土粗骨料，作为建筑石料加以综合利用。因此，本区矿石作为饰面石材或建筑石料均具有较好的利用价值。

表3 石料质量指标测定结果一览表

6 结论

通过勘查工作，认为本区上寒武统张夏组二段、三段鲕粒灰岩、条带鲕粒灰岩、花斑状灰岩适合作为饰面石材加以开发利用，矿石物理性能、装饰性能等指标满足一般工业指标。在矿区内选取10处测点测定体图解荒料率，并在一处试采平台现场测定试采荒料率，对体图解荒料率进行校正，估算了矿体理论荒料率和荒料量，研究了矿石加工技术性能和综合利用问题。年采规模10×104m3情况下，板材年销售收入可达1.96亿元，采场和石材加工厂还可吸纳劳动力，促进就业，从而实现良好经济社会综合效益。因此，认为本区饰面石材具有较好开发价值和前景。