尾礦資源特征分析研究方法綜述

楊 剛，楊 眉

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

尾礦資源特征分析研究方法綜述

楊 剛，楊 眉

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

本文闡述了國內(nèi)尾礦資源綜合利用的現(xiàn)狀，并系統(tǒng)總結(jié)出了尾礦資源特征分析研究的常用方法。尾礦資源特征分析研究方法包括尾礦樣品取樣方式，尾礦樣品元素測試分析方法，物相測試方法，物理特征分析方法以及工藝礦物學(xué)研究方法，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)尾礦資源特征查詢系統(tǒng)，為尾礦的綜合利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

尾礦資源；綜合利用；國內(nèi)現(xiàn)狀；資源特征；分析方法

尾礦是采礦、選礦企業(yè)在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中，在當(dāng)時(shí)采選技術(shù)條件下，對礦石中某一元素組分或若干元素組分進(jìn)行分選、回收后，而排放的固體“廢棄料”[1]。由于技術(shù)條件的限制，這些廢棄物中還含有一定有價(jià)組分，稱之為尾礦[2]?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步,新技術(shù)、新方法的出現(xiàn)，使人們對尾礦有了重新認(rèn)識。

1 尾礦資源的三大屬性

實(shí)際上我們可以認(rèn)為尾礦是一種“人工礦山”或是“二次資源”，因此尾礦也存在三大屬性[3-4]。①資源屬性：由于當(dāng)時(shí)選礦技術(shù)的限制，尾礦中仍存在低品位的礦石和一些具有潛在價(jià)值的共、伴生礦物，這些潛在的礦物在新技術(shù)、新設(shè)配、新工藝的條件下可以回收利用。②經(jīng)濟(jì)屬性：尾礦資源欲要轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)資源，經(jīng)濟(jì)條件是基礎(chǔ)，它是決定尾礦資源屬于廢棄物還是經(jīng)濟(jì)資源的重要因素。③環(huán)境屬性：尾礦庫不僅占用土地資源而且存在安全隱患，對周圍環(huán)境造也成巨大的危害。

2 中國尾礦綜合利用現(xiàn)狀

礦產(chǎn)資源綜合利用水平是衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)與技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一[5]。目前國內(nèi)外對尾礦綜合利用的方式多種多樣，見圖1。世界各國在有價(jià)礦產(chǎn)資源綜合回收與綜合利用方面的差距較大。西方發(fā)達(dá)國家伴生金屬的綜合回收率大多在80%以上，綜合回收伴生金屬的產(chǎn)值可占總產(chǎn)值的30%以上[8-10]。由于我國有色金屬礦產(chǎn)多伴生礦床和貧礦，有用礦物回收率普遍偏低，有相當(dāng)多的伴生或共生礦物與有價(jià)元素進(jìn)入到尾礦之中[11]。我國尾礦綜合利用率僅為7%左右,遠(yuǎn)低于國外60%的利用率,和發(fā)達(dá)國家相比還存在較大的差距[12]。因此，我國的尾礦資源存在巨大潛在價(jià)值。

尾礦資源的綜合利用已納入循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展體系，鼓勵發(fā)展“無尾工藝”或“無廢工藝”。鼓勵推進(jìn)共、伴生礦和尾礦綜合開發(fā)利用，在節(jié)約資源的同時(shí)保護(hù)環(huán)境。“十一五”期間，我國在資源綜合利用領(lǐng)域取得了一定的成就[13]，見表1。并在此基礎(chǔ)上制定了新的發(fā)展目標(biāo)，到“十二五”末的目標(biāo)(近期目標(biāo))：資源循環(huán)利用產(chǎn)值總產(chǎn)值將達(dá)到1.8萬億元，見表2。

指標(biāo)名稱單位2005年2010年增長/%礦產(chǎn)資源總回收率%30355共伴生礦綜合利用率%35405主要再生資源回收利用總量108t0．841．4977．4主要再生有色金屬產(chǎn)量占有色金屬總產(chǎn)量的比重%19．326．77．4

表2 “十二五”時(shí)期循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)(礦產(chǎn)資源部分)

3 尾礦資源特征分析研究方法

前期入選源礦石品位相對較高，而當(dāng)時(shí)選礦選礦設(shè)備和選礦工藝較差；后期雖然入選源礦石品位相對較低，但選礦設(shè)備和選礦技術(shù)較之前先進(jìn)。因此，根據(jù)這種關(guān)系推斷：尾礦品位數(shù)值在時(shí)間序列上構(gòu)成金子塔型[14]。由于尾礦資源的復(fù)雜性和空間特征分布的不均勻性，如果盲目地對尾礦資源進(jìn)行開發(fā)利用，很容易造成尾礦資源的再次浪費(fèi)或是產(chǎn)生二次尾礦。

因此，在對尾礦開發(fā)利用之前，需要查清尾礦庫的儲量、尾礦的礦物組成、化學(xué)成分、礦物粒度、賦存狀態(tài)等[15]，對尾礦資源的特征進(jìn)行詳細(xì)的、系統(tǒng)的分析，查清尾礦資源的特征，建立尾礦資源信息庫，才能展開應(yīng)用開發(fā)研究。

3.1 尾礦庫取樣方式

取樣方式對尾礦的資源特征分析有著至關(guān)重要的作用。由于尾礦資源特征在空間分布的不均一性，因此不能在尾礦庫中簡單的取幾個(gè)樣品，要兼顧到尾礦庫中部和底部。鑒于此，尾礦取樣方式適宜鉆探取樣，鉆探點(diǎn)的間距根據(jù)尾礦庫的大小設(shè)定。同一個(gè)鉆孔，取樣點(diǎn)的垂距依情況而定。取樣點(diǎn)的數(shù)量要兼顧工作量，成本等因素。取樣遵循在不減少取樣點(diǎn)的情況下能基本反映尾礦資源空間分布特征的原則。

3.2 尾礦化學(xué)成分分析

尾礦化學(xué)成分決定是尾礦綜合利用方式的關(guān)鍵性因素之一。如果尾礦中含有較豐富的貴重金屬元素、稀土元素，首先考慮是否可以將尾礦中的這些有價(jià)元素進(jìn)行二次回收；如果尾礦中含有的有價(jià)元素較少，則考慮將尾礦作為建筑材料、復(fù)墾植被或是充填采空區(qū)加以利用。早期地質(zhì)樣品的化學(xué)元素分析采用經(jīng)典的化學(xué)分析法，而目前則采用儀器分析為主的現(xiàn)代分析化學(xué)方法[16]，更加快速、高效、準(zhǔn)確。

現(xiàn)代分析化學(xué)主要依靠先進(jìn)的多元素同時(shí)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)主、次、痕量及超痕量元素的分析。目前地質(zhì)樣品元素分析的主要支撐技術(shù)包括電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和X射線熒光光譜(XRF)技術(shù)。XRF和ICP-AES主要用于地質(zhì)樣品中主、次成分及一些微量元素的分析測試,而最新的ICP-MS則承擔(dān)著大多數(shù)痕量和超痕量元素分析測試，尤其是稀土元素、鉑族元素，具有快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)。原子熒光光譜和吸收光譜雖然逐漸被現(xiàn)代多元素同時(shí)分析技術(shù)所取代,但目前仍然在地質(zhì)樣品多元素分析系統(tǒng)中起著重要的作用。ICP-MS和色譜連用技術(shù)可對元素形態(tài)分析研究，ICP-MS和激光剝蝕聯(lián)用技術(shù)可對在地質(zhì)樣品元素微區(qū)進(jìn)行分析研究[17]。

3.3 尾礦物相鑒定

除了檢測尾礦中的化學(xué)元素外，還要對尾礦中的物相進(jìn)行分析。X射線衍射技術(shù)是最常用、較簡便的物相分析方法。尾礦中通常含有多種礦物，礦物組成較復(fù)雜，僅僅依靠鏡下鑒定不夠準(zhǔn)確，因此礦物定性分析是粉晶X射線衍射在尾礦礦物分析中的最主要應(yīng)用[18]。此外，由于天然礦物成因、成分復(fù)雜,同族礦物的不同礦物種以及同種礦物的不同變體往往很難用其他方法區(qū)分,粉晶X射線衍射便成為最有效的分析方法[19]。

3.4 尾礦物理特征分析

尾礦的物理性質(zhì)主要包括粒度和密度。如果尾礦用于生產(chǎn)建筑材料的原料、耐火材料原料或是建筑用砂，獲得最緊密填充的粒度級配是一個(gè)十分重要的問題。在不同的粒度配級下，尾礦顆粒的堆積密度也有差異。因此，尾礦顆粒的粒度分布特征及其堆積密度、松散度也是一項(xiàng)重要的分析數(shù)據(jù)。

3.4.1 粒度分析方法

尾礦顆粒粒度分析方法通常有2種：篩分法和激光粒度儀分析方法。篩分法分為干篩和濕篩，對于含有一些可溶性物質(zhì)的尾礦只適用干篩?？梢杂靡粋€(gè)篩子檢測單一粒徑顆粒通過率；可以多個(gè)篩子組合起來同時(shí)檢測多個(gè)粒徑顆粒的通過率。篩分法有振動篩、負(fù)壓篩、手工篩、全自動篩等多種方式[20]。顆粒能否通過篩子與顆粒的形狀和篩分時(shí)間等素因素有關(guān)。篩分法適用于顆粒較粗的尾礦，細(xì)小的顆粒(<74μm)篩分比較困難。對于顆粒細(xì)小的尾礦可用激光粒度儀法。激光法粒度分析[21]的理論模型是建立在顆粒為球形、單分散條件上的，而實(shí)際上顆粒多為不規(guī)則形狀并呈多分散性。激光粒度儀具有分析迅速，但是顆粒的形狀對測試結(jié)果有較大影響。

3.4.2 密度分析方法

表觀密度可分為低密度(松散的)和高密度(致密的)二種。由于粉體顆粒的幾何性質(zhì)，表面的物理化學(xué)性質(zhì)等有所不同而使表觀密度不同，并且填充方式對表觀密度也有較大的影響[22]。堆積密度的測定可以使用粉體綜合特性測試儀進(jìn)行測試。真密度一般指固體密度值，其顆粒體積不包括存在于顆粒內(nèi)部的封閉孔洞[23]。因此，測量顆粒的真密度必須將顆粒進(jìn)行粉碎，一般要求顆粒粒度<74μm。常用的顆粒真密度測試方法有：氣體容積法和浸液法。其中氣體容積法又包括定容積法和不定容積法；浸液法包括比重瓶法和懸吊法。由于比重瓶法具有儀器簡單，操作方便，結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，是較常用的真密度測試方法。

3.5 尾礦工藝礦物學(xué)特征研究

工藝礦物學(xué)在礦產(chǎn)資源開發(fā)與綜合利用的整個(gè)環(huán)節(jié)中都具有重要的指導(dǎo)意義。工藝礦物學(xué)能為尾礦庫的開采、配礦提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料[24]。工藝礦物學(xué)研究內(nèi)容包括礦物組成，粒度特性，結(jié)構(gòu)構(gòu)造，富集分散規(guī)律等。工藝礦物學(xué)還可以鑒定尾礦的礦物組成，測定其含量，主回收礦物和單體解離度等定量數(shù)椐。

3.5.1 尾礦中礦物鏡下鑒定

尾礦絕大部分已經(jīng)經(jīng)過了破碎和粉碎，礦物顆粒較細(xì)，原礦石的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)遭到破壞。尾礦的鏡下鑒定工作主要是要查清尾礦中的礦物組成，礦物顆粒的大小，估測礦物的百分含量以及礦物顆粒的單體解離度。尾礦樣品需要做成砂薄片和光片才能鑒定，礦物的鏡下鑒定工作可以結(jié)合X粉晶衍射分析的結(jié)果進(jìn)行。有時(shí)為了對比尾礦與原礦石的差異變化，鑒定工作需同時(shí)進(jìn)行。

3.5.2 尾礦MLA分析鑒定

MLA (Mineral Liberation Analyzer)是由澳大利亞昆士蘭大學(xué)礦物研究中心的顧鷹博士開發(fā)研制的[25]。MLA礦物自動定量檢測系統(tǒng)可以測定樣品礦物組成，并且能夠準(zhǔn)確定量分析[26]。MLA還可以分析主要礦物嵌布特性、礦物學(xué)特征、主要礦物的分布粒度以及礦物的賦存狀態(tài)[27-28]，在尾礦的工藝礦物學(xué)特征分析中有著重要的應(yīng)用。圖2為MLA礦物分析系統(tǒng)的高清背散射電子圖像，用于分析礦物嵌布特征和礦物學(xué)特征。

圖2 菱鐵礦充填于黃鐵礦與赤鐵礦之間縫隙中

3.6 尾礦資源特征查詢和管理系統(tǒng)的開發(fā)

在對尾礦資源特征進(jìn)行了詳細(xì)分析研究后，進(jìn)一步對尾礦的特征信息進(jìn)行整合管理，為尾礦開發(fā)和利用提供基礎(chǔ)的資料。河北聯(lián)合大學(xué)的侯春華、李富平、汪金花開發(fā)出了基于SuperMapObjects的尾礦資源管理系統(tǒng)[29-30]，此外汪金花和李富平還開發(fā)出了基于GIS的尾礦資源管理空間分析系統(tǒng)[31-30]，二個(gè)管理系統(tǒng)均采用GIS組件式開發(fā)模式。前者可以實(shí)現(xiàn)尾礦信息屬性信息與空間分布的實(shí)時(shí)查詢與管理、數(shù)據(jù)輸入輸出、互聯(lián)網(wǎng)鏈接、地圖導(dǎo)入、尾礦信息專題圖制作等功能。后者可以實(shí)現(xiàn)尾礦資源空間與屬性雙向查詢、疊置分析、尾礦分布緩沖區(qū)分析等功能。兩個(gè)尾礦管理系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)對尾礦資源的監(jiān)測和管理，但是如果用于尾礦庫的開發(fā)和綜合利用還需要進(jìn)一步完善并拓展其功能。

4 結(jié)論

尾礦也是一種潛在的“礦產(chǎn)資源”，蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。尾礦的資源特征分析必須要形成一套系統(tǒng)的科學(xué)研究方法。尾礦資源特征研究方法不僅包括科學(xué)的取樣方式、快速準(zhǔn)確的化學(xué)元素測試分析方法、必要的物理特征研究方法，還應(yīng)該包括系統(tǒng)的工藝礦物學(xué)研究。并在此基礎(chǔ)上，建立尾礦資源特征信息庫，開發(fā)尾礦資源特征查詢系統(tǒng)，明確尾礦的開發(fā)利用方向和途徑,有計(jì)劃、有步驟地開發(fā)尾礦資源與治理環(huán)境。

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Research methods of tailing resources’ characteristics

YANG Gang，YANG Mei

(China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China)

This paper describes the status of the domestic utilization of tailings and summed up the research methods of tailings resources’ characteristics.Research methods of tailing resources’ characteristics contain sampling method，test and analysis methods of elements，phase testing methods，the analytical methods of physical characteristics and process mineralogy analysis methods.And develop tailing management system based on the data of tailing resources’ characteristics.The system can provide basic data for the development and utilization of tailings.

analysis;domestic situation;resource characteristics;tailing resources;utilization

2014-07-25

楊剛(1989-)，男，山東人，碩士，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)研究生，研究方向?yàn)槲驳V資源綜合利用，E-mail：yanggang0516@126.com。

楊眉(1962-)，女，江西人，博士，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)教授，主要從事礦產(chǎn)資源資源綜合利，E-mail：yangmei@cug.edu.cn。

TD989

A

1004-4051(2015)06-0067-04