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(guī)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(yè)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(yōu)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(chǎn)玄武巖纖維，先后成立了30余家玄武巖纖維生產(chǎn)企業(yè)。貴州省通過省級地勘基金項目，對省內(nèi)玄武巖的巖石特征進行了系統(tǒng)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(chǎn)業(yè)的結(jié)論。本文建議對于發(fā)展壯大區(qū)域非金屬礦業(yè)經(jīng)濟，促進烏蒙山扶貧山區(qū)的扶貧開發(fā)具有一定的現(xiàn)實意義。

1 玄武巖的性質(zhì)、用途與研究現(xiàn)狀

1.1 玄武巖性質(zhì)

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(tǒng)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(chǎn)連續(xù)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(jié)構(gòu)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(fā)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(chǎn)的連續(xù)纖維材料。連續(xù)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(xù)纖維[1-2]。

玄武巖纖維作為玄武巖的高端產(chǎn)品，具有資源節(jié)約型、環(huán)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(yōu)異的性能[3]，無毒可降解，在國內(nèi)外廣泛應用于消防、環(huán)保、航空航天、汽車、船舶制造、工程塑料、建筑等領(lǐng)域。

玄武巖纖維及其制品的生產(chǎn)是綠色環(huán)保和無污染的，符合國家產(chǎn)業(yè)政策。全國僅在山西、上海、四川、貴州等少數(shù)地區(qū)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝為：礦石開采→原料破碎→清洗干燥→原料運轉(zhuǎn)→熔爐熔化→拉絲→纖維原絲，流程相對簡單，但技術(shù)含量高。玄武巖纖維性能優(yōu)異，主要包括突出的耐溫性能(-269～700 ℃)、顯著的熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的隔熱隔音特征、良好的防輻射功能、優(yōu)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(huán)境、耐酸、耐堿等，能夠廣泛應用于各行各業(yè)[4-6]。

玄武巖纖維是一種高科技戰(zhàn)略材料，代表著世界綠色材料的發(fā)展方向。我國在2016年將“連續(xù)玄武巖纖維”列入國家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點產(chǎn)品服務指導目錄》和“十三五”關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。

目前，碳纖維在石油、化工、汽車等領(lǐng)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(yōu)異性能但成本較低的玄武巖纖維具有較大的發(fā)展?jié)摿?，同時還可以節(jié)約能源礦產(chǎn)，確保資源保障國家安全。此外，因玄武巖纖維在人體內(nèi)半年即可消化吸收，對健康無危害，也可應用于食品管道、醫(yī)療設(shè)備、地下硐室等領(lǐng)域。

2002年以前，俄羅斯年產(chǎn)500 t連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)品，主要用于軍工行業(yè)。2008年，全世界有玄武巖纖維生產(chǎn)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(xù)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(jù)統(tǒng)計，目前生產(chǎn)玄武巖纖維的能耗為3.5 kW·h/kg；今后實現(xiàn)池窯化生產(chǎn)后，能耗可降低為2.55 kW·h/kg。

1.3 國內(nèi)外玄武巖的研究現(xiàn)狀

1922年，法國人PAUL提出玄武巖纖維制造技術(shù)；1953～1954年蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院開發(fā)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(chǎn)工藝，1985年實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品全部用于蘇聯(lián)國防軍工和航天﹑航空領(lǐng)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(lián)的玄武巖纖維材料。目前連續(xù)玄武巖纖維的主要研發(fā)和生產(chǎn)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(chǎn)的技術(shù)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(fā)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(yè)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(jīng)過近兩年的技術(shù)開發(fā)，取得了以純天然玄武巖(不添加任何輔料)為原料生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維的研發(fā)成果，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。由此我國完全掌握了玄武巖纖維的自主研發(fā)和生產(chǎn)。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(chǎn)。

玄武巖纖維是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)纖維產(chǎn)業(yè)，尚處于初級發(fā)展階段和探索階段，但生產(chǎn)技術(shù)已達到世界先進水平，生產(chǎn)廠家30余家，纖維總產(chǎn)能達10萬t以上，成為擁有世界最領(lǐng)先的玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)的國家之一。目前已頒布多項國家或行業(yè)標準，4個交通運輸部《公路工程玄武巖纖維及制品》產(chǎn)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(yè)協(xié)會玄武巖纖維分會編制了《玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，對全國的發(fā)展作了布局安排。

2 貴州玄武巖的地質(zhì)礦產(chǎn)特征與資源基礎(chǔ)

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(fā)中心，在威寧舍居樂的噴發(fā)多達23次。一般分為上、中、下三個噴發(fā)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(fā)相火山碎屑巖和淺成侵位的輝綠巖、火山碎屑沉積巖-凝灰?guī)r。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(zhì)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(jié)理發(fā)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?？傮w屬于石英拉斑玄武巖。實驗證明，省內(nèi)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(nèi)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(fā)利用程度均較低，總體上未開展過系統(tǒng)的玄武巖勘查工作，僅局部地區(qū)做過礦產(chǎn)勘查工作及研究工作，六盤水市做過玄武巖總體勘查。據(jù)初步統(tǒng)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?guī)r2 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(guān)的礦產(chǎn)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(fā)利用與規(guī)劃布局

3.1 開發(fā)利用現(xiàn)狀

目前玄武巖的主要用于建筑行業(yè)，少量作飾面用和水泥混合材、保溫材料等，開發(fā)利用處于起步階段。2017年，貴州省玄武巖類礦山49個，產(chǎn)量150.99萬t，工業(yè)總產(chǎn)值9 326.55萬元，實現(xiàn)銷售收入9 167.91萬元、利潤603.84萬元。玄武巖類礦山產(chǎn)值占全省礦業(yè)開發(fā)產(chǎn)值的0.19%，利潤占比0.063%。依據(jù)2014～2016年的統(tǒng)計結(jié)果，到2016年產(chǎn)量年均增長率約49%，產(chǎn)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(fā)利用的良好前景。按行政區(qū)計，礦山主要分布區(qū)有：清鎮(zhèn)市、福泉市、甕安縣、平壩縣、西秀區(qū)、普定縣、大方縣、織金縣、七星關(guān)區(qū)、六枝區(qū)、鐘山區(qū)、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(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

在《國土資源部關(guān)于支持貴州省區(qū)域發(fā)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(fā)利用方向研究，探索高效利用礦產(chǎn)資源的有效途徑，拓寬礦業(yè)開發(fā)渠道，為地方招商引資提供技術(shù)依據(jù)?！?018年結(jié)題的《貴州省玄武巖分布特征及開發(fā)利用方向研究》，得出了貴州玄武巖具備打造玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的結(jié)論。《中共貴州省委貴州省人民政府關(guān)于支持畢節(jié)試驗區(qū)打贏脫貧攻堅戰(zhàn)夯實貫徹新發(fā)展理念示范區(qū)建設(shè)基礎(chǔ)的意見》(黔黨發(fā)〔2018〕23號)文中提出了“大力支持打造玄武巖纖維等新興產(chǎn)業(yè)，建設(shè)纖維開發(fā)示范性創(chuàng)新基地”的要求。玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)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(chǎn)企業(yè)，并有不同的產(chǎn)品應用方向。比如，安順機場的跑道、六盤水市的城市管網(wǎng)建設(shè)、石鑫公司的廠房、新農(nóng)村建設(shè)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(chǎn)品產(chǎn)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(chǎn)線，每天可生產(chǎn)玄武巖纖維15～20 t，下游產(chǎn)品主要有管道、復合筋、井蓋等，各種產(chǎn)品銷路正在打開。此外，已開始著手生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)、裝備制造、應用產(chǎn)品研發(fā)、后續(xù)產(chǎn)品加工制造等，目前已拓展到新農(nóng)村建設(shè)的果疏支架、大棚以及燈桿、水箱、化糞池等生產(chǎn)、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(chǎn)出玄武巖纖維幾十噸，目前正在研發(fā)下游產(chǎn)品。貴州省內(nèi)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(fā)區(qū)布局情況

2016年9月《貴州省玄武巖分布特征及開發(fā)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(fā)、在開發(fā)中保護”的前提下，本著生態(tài)環(huán)境保護優(yōu)先、創(chuàng)新發(fā)展集聚發(fā)展綠色發(fā)展、統(tǒng)籌兼顧、初步評價結(jié)論可行、巖性及厚度滿足開發(fā)條件、與已設(shè)礦業(yè)權(quán)不重疊、勘查與開發(fā)相結(jié)合、加工與營銷相結(jié)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(fā)區(qū)，為玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)提供了資源選區(qū)。

已劃分適宜纖維用的玄武巖開發(fā)區(qū)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(jié)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(fā)區(qū)多集中在貧困山區(qū)，拓展了以優(yōu)質(zhì)優(yōu)用為前提的礦業(yè)開發(fā)新渠道，為地方政府招商引資和玄武巖產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了資源方面的參考依據(jù)。

3.4 玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)基地布局

以上開發(fā)區(qū)可布局5個玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)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(zhì)較好。通過招商建設(shè)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(quán)的投放，以新興產(chǎn)業(yè)捉進扶貧開發(fā)。

2) 織金-清鎮(zhèn)基地。礦山相對集中，可通過招商建設(shè)一個5萬～15萬t的玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)基地及汽車、飛機材料研發(fā)基地，礦石由現(xiàn)有礦山供給，終端產(chǎn)品主要供給安順，形成開采-加工-銷售及工業(yè)材料就地供給的有機聯(lián)盟。以清鎮(zhèn)為重點開展示范區(qū)建設(shè)。

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

4) 六盤水基地。水城玄武巖科技產(chǎn)業(yè)園內(nèi)已建成1.5萬t生產(chǎn)線，境內(nèi)資源豐富，纖維產(chǎn)能尚可擴大規(guī)模。鐘山區(qū)、六枝、普定、清鎮(zhèn)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(qū)。

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(shè)一個中高端產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)園。

圖2 貴州玄武巖纖維勘查開發(fā)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(fā)利用模式

以大方縣高店鄉(xiāng)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(jù)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(fā)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(zhèn)基地為2020～2025年；普安-晴隆基地為2021～2025年。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1) 經(jīng)對過玄武巖資源及開發(fā)利用狀況的初步評價，貴州玄武巖分布區(qū)都有適宜作玄武巖纖維的資源，具有打造玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的資源條件及基礎(chǔ)。

2) 圈定的纖維用玄武巖開發(fā)區(qū)，多為烏蒙山扶貧山區(qū)，因此玄武巖的優(yōu)質(zhì)優(yōu)用是未來脫貧攻堅的有效開發(fā)渠道之一。

3) 貴州境內(nèi)已有兩家玄武巖纖維生產(chǎn)企業(yè)，其下游產(chǎn)品的應用正在逐步拓展，具備打造玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和條件。

4.2 玄武巖資源優(yōu)質(zhì)優(yōu)用開發(fā)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(chǎn)業(yè)的發(fā)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(yōu)質(zhì)優(yōu)用的意識；招商時把創(chuàng)新發(fā)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(shè)計開始考慮優(yōu)質(zhì)優(yōu)用。

2) 加強玄武巖資源的優(yōu)質(zhì)優(yōu)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(fā)的要求。建議按優(yōu)質(zhì)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(fā)區(qū)的系統(tǒng)勘查與評價，拓寬扶貧開發(fā)渠道，推動全省玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3) 開展纖維用玄武巖的評價技術(shù)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(tǒng)一的評價標準，以確保纖維產(chǎn)品的穩(wěn)定性及連續(xù)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(chǎn)學研聯(lián)盟，促進連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。玄武巖纖維發(fā)展還處于初級階段，目前還未實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，以致成本高。建議從原料篩選、工藝關(guān)鍵技術(shù)、生產(chǎn)規(guī)模、市場開發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量等諸多方面設(shè)立科研激勵機制，建立產(chǎn)學研聯(lián)盟機制，鼓勵創(chuàng)新探索，鼓勵批量生產(chǎn)，以促進有效的原料供給、批量的生產(chǎn)及下游產(chǎn)品應用的有機融合，構(gòu)建一個綠色化、規(guī)?；a(chǎn)融化的全產(chǎn)業(yè)鏈，降低纖維產(chǎn)品成本，增強市場競爭力，帶動玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展。

5) 關(guān)于礦權(quán)投放及加工投資的建議。投放玄武巖采礦權(quán)時，尚需對礦體進行系統(tǒng)控制和并查明開采技術(shù)條件，開展必要的纖維生產(chǎn)實驗，為礦山開采和玄武巖纖維的生產(chǎn)奠定資源基礎(chǔ)。玄武巖纖維生產(chǎn)的工藝可引用國內(nèi)的成熟工藝。