貴州省玄武巖資源及其開發利用

冉啟洋，李士彬，崔榮國，宋生瓊，劉勝召

(1.貴州省國土資源勘測規劃研究院，貴州 貴陽 550004；2.自然資源部信息中心，北京 100812；3.浙江省核工業二六二大隊，浙江 湖州 313000)

玄武巖是一種基性噴出巖，來自地幔，具有其他巖石不可比擬的優異性能，如耐高低溫、絕緣、吸音、耐磨、抗壓等。我國自2002年起已開始研究以玄武巖為原料生產玄武巖纖維，先后成立了30余家玄武巖纖維生產企業。貴州省通過省級地勘基金項目，對省內玄武巖的巖石特征進行了系統評價，得出了玄武巖資源具備高效利用的條件，可以打造玄武巖纖維產業的結論。本文建議對于發展壯大區域非金屬礦業經濟，促進烏蒙山扶貧山區的扶貧開發具有一定的現實意義。

1 玄武巖的性質、用途與研究現狀

1.1 玄武巖性質

玄武巖是一種基性噴出巖，灰黑色，細粒，主要由輝石和斜長石組成。其傳統用途有鑄石、巖棉(又稱礦棉)、飾面石材、墓碑等，其碎石可作集料；石粉、廢渣可作水泥混合材料；高端用途是生產連續玄武巖纖維。玄武巖具有不透水、較高的抗壓強度、較好的耐磨性、致密結構等特征，主要用于建筑石材中的鋪路石和用作水利工程、橋墩、堤壩的石料。目前，玄武巖的開發主要作建筑用，部分作巖棉原料，少量用于制造鑄石。

1.2 玄武巖纖維

玄武巖纖維是指用天然玄武巖作為唯一原料生產的連續纖維材料。連續玄武巖纖維是將玄武巖礦石原料在窯爐中加熱到1 450～1 500 ℃熔融后通過鉑銠合金漏板拉制而成的一種連續纖維[1-2]。

玄武巖纖維作為玄武巖的高端產品，具有資源節約型、環境友好型、性能綜合型等特點，在強度、耐高低溫、耐腐蝕、隔熱、隔音、阻燃及化學、電絕緣等方面具有優異的性能[3]，無毒可降解，在國內外廣泛應用于消防、環保、航空航天、汽車、船舶制造、工程塑料、建筑等領域。

玄武巖纖維及其制品的生產是綠色環保和無污染的，符合國家產業政策。全國僅在山西、上海、四川、貴州等少數地區實現了工業化生產。

玄武巖纖維的生產工藝為：礦石開采→原料破碎→清洗干燥→原料運轉→熔爐熔化→拉絲→纖維原絲，流程相對簡單，但技術含量高。玄武巖纖維性能優異，主要包括突出的耐溫性能(-269～700 ℃)、顯著的熱穩定性、優異的隔熱隔音特征、良好的防輻射功能、優良的透波性和吸波性、天然的硅酸鹽相容性、良好的介電性能、很好的拉伸強度(大于大絲束碳纖維)、斷裂延伸率好于小絲束遄纖維、較高的抗壓強度和剪切強度、抗紫外線、耐惡劣環境、耐酸、耐堿等，能夠廣泛應用于各行各業[4-6]。

玄武巖纖維是一種高科技戰略材料，代表著世界綠色材料的發展方向。我國在2016年將“連續玄武巖纖維”列入國家《戰略性新興產業重點產品服務指導目錄》和“十三五”關鍵戰略材料。

目前，碳纖維在石油、化工、汽車等領域的用量150萬～200萬t/a，而每噸碳纖維價格高達20萬～30萬元，因此具有優異性能但成本較低的玄武巖纖維具有較大的發展潛力，同時還可以節約能源礦產，確保資源保障國家安全。此外，因玄武巖纖維在人體內半年即可消化吸收，對健康無危害，也可應用于食品管道、醫療設備、地下硐室等領域。

2002年以前，俄羅斯年產500 t連續玄武巖纖維產品，主要用于軍工行業。2008年，全世界有玄武巖纖維生產廠十多家，美國、加拿大、澳大利亞、德國、比利時、奧地利、日本等國的許多工程，都采用纖維做外摻劑鋪筑瀝青路面。2015年，世界連續玄武巖纖維的價值超過6 841萬美元。

我國玄武巖纖維及制品的銷售總量在2015年達6 000 t以上；2016年銷售量約8 000 t，銷售收入約1.14億元。據統計，目前生產玄武巖纖維的能耗為3.5 kW·h/kg；今后實現池窯化生產后，能耗可降低為2.55 kW·h/kg。

1.3 國內外玄武巖的研究現狀

1922年，法國人PAUL提出玄武巖纖維制造技術；1953～1954年蘇聯莫斯科玻璃和塑料研究院開發出玄武巖纖維；1972年，烏克蘭研制出20多種玄武巖纖維制品的生產工藝，1985年實現了工業化生產，產品全部用于蘇聯國防軍工和航天﹑航空領域，1991年公開并用于民用項目；美國“阿波羅”號宇宙飛船早在1975年7月就應用了蘇聯的玄武巖纖維材料。目前連續玄武巖纖維的主要研發和生產基地在俄羅斯和烏克蘭，以俄羅斯應用較普遍，且玄武巖纖維生產的技術及市場競爭力較強。此外，格魯吉亞、美國、中國、德國、加拿大等國都在對玄武巖纖維進行研究，日本通過參股投資也在研發玄武巖纖維。

我國自20世紀70年代起開展對玄武巖纖維進行研究，以哈爾濱工業大學、中國科學院、東南大學等為代表。2002年，正式將“玄武巖纖維及復合材料”列入國家863計劃。2003年12月成立的橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司經過近兩年的技術開發，取得了以純天然玄武巖(不添加任何輔料)為原料生產連續玄武巖纖維的研發成果，實現了工業化生產。由此我國完全掌握了玄武巖纖維的自主研發和生產。2018年9月，鄭州登電玄武石纖有限公司的1 200 t單臺爐窯投產。

玄武巖纖維是我國具有自主知識產權的高技術纖維產業，尚處于初級發展階段和探索階段，但生產技術已達到世界先進水平，生產廠家30余家，纖維總產能達10萬t以上，成為擁有世界最領先的玄武巖纖維生產技術的國家之一。目前已頒布多項國家或行業標準，4個交通運輸部《公路工程玄武巖纖維及制品》產品標準頒布并實施，并在多地成功應用。2017年9月，中國化學纖維工業協會玄武巖纖維分會編制了《玄武巖纖維產業“十三五”發展規劃》，對全國的發展作了布局安排。

2 貴州玄武巖的地質礦產特征與資源基礎

2.1 分布范圍

貴州玄武巖以峨眉山玄武巖組為主，分布在貴州西北部及南部[7]，分布面積3 773 km2，玄武巖資源豐富。峨眉山玄武巖組厚0～1 249 m，總體西厚東薄(圖1)：西部威寧舍居樂最厚達1 249 m；中部六枝-安順一帶0～200 m；東部甕安0～36 m。貴州劃分有11個噴發中心，在威寧舍居樂的噴發多達23次。一般分為上、中、下三個噴發旋回。

圖1 貴州省玄武巖等厚線圖Fig.1 Basalt isopachous map of Guizhou province

2.2 特征

貴州峨眉山玄武巖組以大陸溢流拉斑玄武巖為主，伴有爆發相火山碎屑巖和淺成侵位的輝綠巖、火山碎屑沉積巖-凝灰巖。時代屬二疊紀陽新世冷塢期至樂平世吳家坪早期。適宜纖維用的主要是中上部的玄武質熔巖，即裂隙式寧靜式溢流相。玄武巖呈暗灰綠、灰黑色，柱狀節理發育。主要礦物為斜長石、輝石，次為磁鐵礦和鈦鐵礦。玄武巖化學成分平均值：SiO247.74%～47.92%、Al2O313.07%～13.43%、Fe2O35.09%～11.13%、FeO 7.71%～8.85%、CaO 7.55%～8.05%、MgO 4.31%～4.55%、Na2O 2.65%～2.66%、K2O 0.96%～1.24%、TiO23.95%～4.12%；P2O50.47%;MnO 0.26%;燒失量2.86。總體屬于石英拉斑玄武巖。實驗證明，省內玄武巖基本適宜用作玄武巖纖維、鑄石及巖棉的原料[7]。

與國際國內對比，貴州玄武巖成分特征：SiO2居中；Al2O3相對偏低；Fe2O3+FeO略偏高；CaO、MgO相對偏低；鉀鈉含量居中。

2.3 資源情況

勘查及開發利用程度均較低，總體上未開展過系統的玄武巖勘查工作，僅局部地區做過礦產勘查工作及研究工作，六盤水市做過玄武巖總體勘查。據初步統計，貴州省玄武巖資源量39.14億m3。其中，礦山占用資源量16 255萬m3，約占全國102 488.29萬m3的16%；六盤水市資源量31.3億m3，預測資源量129.7億m3。按亞礦種計，纖維用玄武巖375 141萬m3；建筑用玄武巖11 123.52萬m3；飾面用玄武巖828萬m3；水泥混合材玄武巖279萬m3；建筑用凝灰巖2 006.62萬m3；保溫材料用黏土18萬m3；建筑用輝綠巖1 957.82萬m3；飾面用輝綠巖455.96萬m3。此外，與玄武巖相關的礦產還有鈮礦、鈦礦、稀土礦、鐵礦、鋰礦、銅礦、金礦等,值得進一步探索及研究。

3 貴州省玄武巖開發利用與規劃布局

3.1 開發利用現狀

目前玄武巖的主要用于建筑行業，少量作飾面用和水泥混合材、保溫材料等，開發利用處于起步階段。2017年，貴州省玄武巖類礦山49個，產量150.99萬t，工業總產值9 326.55萬元，實現銷售收入9 167.91萬元、利潤603.84萬元。玄武巖類礦山產值占全省礦業開發產值的0.19%，利潤占比0.063%。依據2014～2016年的統計結果，到2016年產量年均增長率約49%，產值年均增長率約74%，利潤年均增長率達266%，反映出玄武巖開發利用的良好前景。按行政區計，礦山主要分布區有：清鎮市、福泉市、甕安縣、平壩縣、西秀區、普定縣、大方縣、織金縣、七星關區、六枝區、鐘山區、普安縣、晴隆縣等。與全國比較，用途有拓展空間，巖棉、鑄石、玄武巖纖維等均是玄武巖未來的方向。

3.2 玄武巖纖維產業發展現狀

在《國土資源部關于支持貴州省區域發展與扶貧攻堅的若干意見》(國土資函〔2014〕569號)中，要求“支持開展新型建材、玄武巖分布特征及開發利用方向研究，探索高效利用礦產資源的有效途徑，拓寬礦業開發渠道，為地方招商引資提供技術依據。”2018年結題的《貴州省玄武巖分布特征及開發利用方向研究》，得出了貴州玄武巖具備打造玄武巖纖維產業的結論?！吨泄操F州省委貴州省人民政府關于支持畢節試驗區打贏脫貧攻堅戰夯實貫徹新發展理念示范區建設基礎的意見》(黔黨發〔2018〕23號)文中提出了“大力支持打造玄武巖纖維等新興產業，建設纖維開發示范性創新基地”的要求。玄武巖纖維產業已受到省委省政府的高度重視。

目前貴州省已有2家玄武巖纖維生產企業，并有不同的產品應用方向。比如，安順機場的跑道、六盤水市的城市管網建設、石鑫公司的廠房、新農村建設的各類材料以及公共場所的防火板材等，均使用了玄武巖纖維的復合材料。

3.2.1 貴州石鑫玄武巖科技有限公司

2016年的產品產量為：玄武巖無捻粗紗4 320 t、玄武巖復合筋10 590 m、玄武巖復合管道4 942 t、玄武巖復合材料3 500 t、玄武巖短切紗1 485 kg。到2017年底，該公司已建成3條生產線，每天可生產玄武巖纖維15～20 t，下游產品主要有管道、復合筋、井蓋等，各種產品銷路正在打開。此外，已開始著手生產技術研發、裝備制造、應用產品研發、后續產品加工制造等，目前已拓展到新農村建設的果疏支架、大棚以及燈桿、水箱、化糞池等生產、生活用品方面。

3.2.2 貴州玄武科技股份有限公司

該公司前期生產出玄武巖纖維幾十噸，目前正在研發下游產品。貴州省內的應用主要是墻體防火板，用于車站及商場等公共場所；油氣等特殊管道，以及消防布、高溫濾袋等。

3.3 玄武巖纖維開發區布局情況

2016年9月《貴州省玄武巖分布特征及開發利用方向研究》以“黔國土資函〔2016〕269號”得到批復。項目研究在堅持“在保護中開發、在開發中保護”的前提下，本著生態環境保護優先、創新發展集聚發展綠色發展、統籌兼顧、初步評價結論可行、巖性及厚度滿足開發條件、與已設礦業權不重疊、勘查與開發相結合、加工與營銷相結合等原則，對貴州纖維用玄武巖進行了初步評價，圈定了330 km2的開發區，為玄武巖纖維產業提供了資源選區。

已劃分適宜纖維用的玄武巖開發區47個，面積約330 km2，預測0～100 m淺部纖維用玄武巖資源3 751 41萬m3(1 087 909萬t)。其中，畢節市17個，面積50.58 km2；威寧縣5個，面積92.45 km2；六盤水市16個，面積118.62 km2；黔西南州3個，面積35.05 km2；安順市3個，面積10.14 km2；貴陽市1個，面積11.45 km2；黔南州1個，面積9.42 km2；黔東南州1個，面積2 km2。這些開發區多集中在貧困山區，拓展了以優質優用為前提的礦業開發新渠道，為地方政府招商引資和玄武巖產業發展提供了資源方面的參考依據。

3.4 玄武巖纖維產業基地布局

以上開發區可布局5個玄武巖纖維產業基地(圖2)，如下所述。

1) 威寧-赫章基地。玄武巖資源豐富，且品質較好。通過招商建設1～2個5萬～20萬t的玄武巖纖維基地，加快纖維用玄武巖采礦權的投放，以新興產業捉進扶貧開發。

2) 織金-清鎮基地。礦山相對集中，可通過招商建設一個5萬～15萬t的玄武巖纖維產業生產基地及汽車、飛機材料研發基地，礦石由現有礦山供給，終端產品主要供給安順，形成開采-加工-銷售及工業材料就地供給的有機聯盟。以清鎮為重點開展示范區建設。

3) 大方-納雍基地。以白龍村玄武巖礦山為主體，構建一個3萬～15萬t巖棉、纖維原料生產基地。以大方為重點建立開發示范區。

4) 六盤水基地。水城玄武巖科技產業園內已建成1.5萬t生產線，境內資源豐富，纖維產能尚可擴大規模。鐘山區、六枝、普定、清鎮及平壩的礦山提供礦石原料。以六枝、普定為重點建立纖維或鑄石示范區。

5) 普安-晴隆基地。為義龍的貴州玄武科技有限公司供給原料，或通過招商建設一個中高端產品的產業園。

圖2 貴州玄武巖纖維勘查開發布局(5個基地)Fig.2 The layout of basalt fiber exploration and development in Guizhou province

3.5 玄武巖開發利用模式

以大方縣高店鄉白龍村玄武巖礦山為例，有上、中、下3套致密玄武巖適宜作纖維用，部分可作鑄石。其余的根據巖石性能可作水泥用、建筑用、飾面用等。

3.6 玄武巖基地開發利用時序

六盤水基地為2018～2020年；大方-納雍基地、威寧-赫章基地為2019～2025年；織金-清鎮基地為2020～2025年；普安-晴隆基地為2021～2025年。

4 結論與建議

4.1 結論

1) 經對過玄武巖資源及開發利用狀況的初步評價，貴州玄武巖分布區都有適宜作玄武巖纖維的資源，具有打造玄武巖纖維產業的資源條件及基礎。

2) 圈定的纖維用玄武巖開發區，多為烏蒙山扶貧山區，因此玄武巖的優質優用是未來脫貧攻堅的有效開發渠道之一。

3) 貴州境內已有兩家玄武巖纖維生產企業，其下游產品的應用正在逐步拓展，具備打造玄武巖纖維產業的產業基礎和條件。

4.2 玄武巖資源優質優用開發的建議

1) 推動玄武巖資源的高效利用。貴州玄武巖資源豐富，滿足纖維用的玄武巖點多面廣。建議政府高度重視玄武巖纖維產業的發展，加強對玄武巖纖維的宣傳與培訓，推動玄武巖資源的中、高端利用，強化玄武巖資源優質優用的意識；招商時把創新發展和高效利用、村集體入股等作為前提條件，促使投資人從設計開始考慮優質優用。

2) 加強玄武巖資源的優質優用評價和論證。目前玄武巖的勘查程度總體較低。六盤水市的整體勘查僅限于稀疏的取樣控制和驗證，尚不能滿足纖維用玄武巖開發的要求。建議按優質玄武巖作玄武巖纖維、鑄石、巖棉，一般玄武巖作路料、道渣的原則，開展47個開發區的系統勘查與評價，拓寬扶貧開發渠道，推動全省玄武巖纖維產業的發展。

3) 開展纖維用玄武巖的評價技術標準研究。玄武巖熔體導熱性差、易析晶、黏度窄，對單組分的純天然玄武巖礦石的化學組成和礦物相有較高的要求，熔體液面淺，熔窯大后會明顯增加控制析晶的難度。作為纖維用的礦石原料必須嚴格控制化學組分范圍，對巖石類型和礦物也有所要求，不同的礦石有不同的析晶上限溫度和黏度曲線[8]。礦石原料需嚴格篩選。而玄武巖在垂向上往往由多個旋回組成，不同的旋回巖石類型不同。因此，纖維用玄武巖需建立統一的評價標準，以確保纖維產品的穩定性及連續性，同時也填補國家目前沒有纖維用玄武巖指標的空白。

4) 加強產學研聯盟，促進連續玄武巖纖維產業規模化發展。玄武巖纖維發展還處于初級階段，目前還未實現批量化生產，以致成本高。建議從原料篩選、工藝關鍵技術、生產規模、市場開發、產品質量等諸多方面設立科研激勵機制，建立產學研聯盟機制，鼓勵創新探索，鼓勵批量生產，以促進有效的原料供給、批量的生產及下游產品應用的有機融合，構建一個綠色化、規?；?、產融化的全產業鏈，降低纖維產品成本，增強市場競爭力，帶動玄武巖纖維產業的有序發展。

5) 關于礦權投放及加工投資的建議。投放玄武巖采礦權時，尚需對礦體進行系統控制和并查明開采技術條件，開展必要的纖維生產實驗，為礦山開采和玄武巖纖維的生產奠定資源基礎。玄武巖纖維生產的工藝可引用國內的成熟工藝。