河北某鐵礦固體廢物綜合利用研究

呂小煥 李金朋

（河鋼集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司）

目前，礦山廢石及尾礦是我國(guó)產(chǎn)生量最大的固體廢物，受資源品位低、利用成本高、經(jīng)濟(jì)效益差、利用技術(shù)缺乏等問(wèn)題地制約，目前排土場(chǎng)廢石及尾礦仍以堆存為主［1-2］。針對(duì)國(guó)家對(duì)環(huán)保和安全的要求，現(xiàn)有排土場(chǎng)和尾礦庫(kù)屬于安全隱患和公益污染項(xiàng)目。因此，本研究旨在通過(guò)對(duì)固體廢物進(jìn)行再選、生產(chǎn)建筑材料、回填、復(fù)墾等途徑，推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)礦山固體廢物資源綜合利用技術(shù)的進(jìn)步和推廣應(yīng)用，同時(shí)消除重大危險(xiǎn)源，恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，利國(guó)利民。

1 礦山現(xiàn)狀

河北某鐵礦于1989年建成并投入使用，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力年采剝總量550萬(wàn)t，選礦廠年處理礦石150萬(wàn)t，年產(chǎn)鐵精粉68萬(wàn)t。2012年該礦主體資源枯竭，露天開(kāi)采閉坑，礦山停產(chǎn)。該礦排土場(chǎng)位于露天采場(chǎng)的西北方向，占地面積770畝，自1989年投入使用以來(lái)，共計(jì)堆放巖土量5 178萬(wàn)t，排土場(chǎng)最高堆置標(biāo)高137.2 m，地表標(biāo)高72 m。尾礦庫(kù)位于排土場(chǎng)西側(cè)，壩頂標(biāo)高76.0 m，最大堆積高度30.5 m，總庫(kù)容1 448萬(wàn)m3。2014年5月，該尾礦庫(kù)通過(guò)了閉庫(kù)安全設(shè)施竣工驗(yàn)收。排土場(chǎng)與尾礦庫(kù)位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

2 排土場(chǎng)固體廢物利用

2017年以來(lái)，該礦所在地及周邊地區(qū)砂石行業(yè)經(jīng)歷了前所未有的環(huán)保督查風(fēng)暴，清除了不合規(guī)企業(yè)、非法企業(yè)，砂石礦全部停產(chǎn)，審批一律暫停，導(dǎo)致砂石市場(chǎng)供應(yīng)量減少，尤其是20～30 mm、10～20 mm、6～10 mm粒級(jí)石砟更是供不應(yīng)求。該礦排土場(chǎng)堆放的廢石主要為混合花崗巖、黑云斜長(zhǎng)混合花崗巖、鉀長(zhǎng)混合花崗巖，含部分表土，巖石中含部分低品位礦石。根據(jù)砂石行業(yè)要求，該排土場(chǎng)巖石可破碎成工程用石砟，同時(shí)在生產(chǎn)石砟過(guò)程中經(jīng)干選可回收低品位礦石，為礦山后期復(fù)墾工程考慮，對(duì)排土場(chǎng)中的表土進(jìn)行單獨(dú)堆存。

2.1 開(kāi)挖工藝

排土場(chǎng)地表標(biāo)高72 m，考慮后期土地復(fù)墾工作，此次研究擬開(kāi)挖排土場(chǎng)68 m以上的巖土，總量3 118萬(wàn)t，其中上部堆有120萬(wàn)t表土，排土場(chǎng)開(kāi)挖主體采用自上而下分層開(kāi)挖，挖掘機(jī)和前裝機(jī)裝載自卸卡車運(yùn)輸。開(kāi)挖臺(tái)階高度5 m，最小工作平臺(tái)寬度不小于30 m。工作時(shí)臺(tái)階坡面角45°，開(kāi)挖采用緩幫方式作業(yè)，挖掘機(jī)最小工作平臺(tái)寬度30 m，工作線長(zhǎng)度150～200 m。依據(jù)挖掘機(jī)和前裝機(jī)的作業(yè)方式及排土場(chǎng)臺(tái)階高度情況，采用不同的鏟裝方式。在臺(tái)階高度超過(guò)5 m時(shí)，只允許先用液壓挖掘機(jī)對(duì)排土場(chǎng)臺(tái)階進(jìn)行挖掘，配合自卸汽車鏟裝；挖掘高度不大于5 m，待挖掘出一定的工作面后，工作面空間不小于30 m×30 m，形成不高于5 m的分臺(tái)階，前裝機(jī)通過(guò)分段道路進(jìn)入，分臺(tái)階進(jìn)行裝載作業(yè)。在臺(tái)階高度不大于5 m時(shí)，采用挖掘機(jī)和前裝機(jī)均可作業(yè)，挖掘機(jī)采用反裝方式作業(yè)，前裝機(jī)采用正裝方式作業(yè)。

2.2 破碎工藝

用裝載機(jī)將剝離出的廢石（500～0 mm）給入原料倉(cāng)。在倉(cāng)底通過(guò)帶有預(yù)先分級(jí)的棒條振動(dòng)給料機(jī)給入顎式破碎機(jī)（PE600 mm×900 mm），給料機(jī)篩下細(xì)粒級(jí)物料及顎式破碎機(jī)產(chǎn)品輸送至電振篩進(jìn)行分級(jí)，篩上物料給入錘式破碎機(jī)（PC1 200 mm×1 800 mm）；篩下物料及錘式破碎機(jī)產(chǎn)品輸送至圓振動(dòng)篩（3YAH2460，三層篩網(wǎng)）進(jìn)行篩分作業(yè)，第1層篩上物料（粗）返回至錘式破碎機(jī)，第2層篩上物料（中）和第3層篩上物料（細(xì)）分別給入干式磁選機(jī)進(jìn)行選別，得到10～20 mm石砟產(chǎn)品和10～20 mm磁性礦石及6～10 mm石砟產(chǎn)品和6～10 mm磁性礦物；篩下物料給入磁選機(jī)（CTS1230）進(jìn)行磁選作業(yè)，磁選精礦自流至沉降池；磁選尾礦自流至XSD3016輪斗式洗砂機(jī)，經(jīng)過(guò)連續(xù)兩次選砂作業(yè)，得到0～6 mm砂子；尾礦泥自流至采坑回填。破碎工藝流程見(jiàn)圖2。

2.3 產(chǎn)品方案

排土場(chǎng)固體廢棄物經(jīng)破碎—篩分—選別—洗砂工藝，可獲得0～6 mm砂、6～10 mm石砟、10～20 mm石砟及磁性礦物，其中磁性礦物可單獨(dú)銷售或進(jìn)入選廠選別系統(tǒng)，各粒級(jí)石砟可用于建筑用砂。

3 尾礦庫(kù)固體廢物利用

為了緩解人地矛盾，增加有效耕地面積，提高土地質(zhì)量，亟需加大土地復(fù)墾力度，同時(shí)根據(jù)國(guó)家對(duì)安全和環(huán)保要求，需對(duì)該鐵礦尾礦庫(kù)進(jìn)行資源綜合利用，恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境［3-4］。

3.1 尾礦砂成分分析及綜合利用可行性分析

尾礦樣多元素化學(xué)分析、鐵物相分析、粒級(jí)分析、光譜分析、重金屬含量分析結(jié)果見(jiàn)表1～表5，典型尾礦放射性分析結(jié)果見(jiàn)表6。

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由表1、表2可知，尾礦全鐵含量5.40%，其中磁鐵礦占20.88%，應(yīng)首先對(duì)尾礦進(jìn)行再選，回收有價(jià)元素，提高資源回收和綜合利用率。

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一般建筑用砂要求含泥量<5%（<0.08 mm的粉礦），由表3可知，該鐵礦尾礦滿足上述要求。

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建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《硅酸鹽建筑制品用砂》（JC/T622—1996）規(guī)定，生產(chǎn)硅酸鹽建筑制品對(duì)原料化學(xué)成分要求SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥65%，K2O+Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5%，硫化物及硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2%。生產(chǎn)加氣混凝土、蒸壓灰砂磚、免蒸免燒磚等建筑制品對(duì)鐵尾礦化學(xué)成分要求SiO2≥65%，F(xiàn)e2O3≤15%，K2O+Na2O≤5%，MgO＜5%。由表4可知，該鐵礦尾礦中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%以上，F(xiàn)e2O3、K2O、Na2O、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均符合要求。

注：使用γ譜儀按照國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量。

由表5可知，該礦山尾礦中各種重金屬含量很低，符合國(guó)家相關(guān)建材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

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由表6可知，該尾礦的天然放射性核素鐳-226、釷-232、鉀-40放射性比活度檢測(cè)結(jié)果符合國(guó)家《建筑材料放射性核素限量》（GB6566-2001）標(biāo)準(zhǔn)，用于生產(chǎn)的建筑主體材料和裝飾材料，其產(chǎn)銷與使用范圍不受限制。

鞍鋼礦業(yè)研究所在試驗(yàn)室進(jìn)行了從尾礦中分選提取石英礦物的探索性試驗(yàn)，結(jié)果表明，其SiO2綜合回收品位可達(dá)95%，指標(biāo)接近玻璃原料（三類）標(biāo)準(zhǔn)（SiO2含量大于96%），該鐵礦為鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，其尾礦性質(zhì)與鞍鋼礦業(yè)尾礦相似，且石英礦物粒度較粗，在尾礦中單體解離度較高，因此可借鑒鞍鋼礦業(yè)試驗(yàn)研究成果，雖與生產(chǎn)高附加值高純石英砂標(biāo) 準(zhǔn)（SiO2含 量9.90%～99.99%，F(xiàn)e2O3含 量 小 于0.001%）還有一定差距［5］，但可進(jìn)一步開(kāi)展從尾礦中提取高純度石英砂的研究工作。

尾礦砂呈不規(guī)則的棱角狀，質(zhì)量穩(wěn)定、潔凈，與山砂、河砂相比，用尾礦砂配制的混凝土其性能優(yōu)于用圓形的山砂和河砂配制的混凝土，且尾礦砂加工成本很低，因此具有廣闊的發(fā)展前景。

3.2 尾礦砂回采

尾礦庫(kù)最終復(fù)墾標(biāo)高為+67 m，該設(shè)計(jì)擬將尾礦庫(kù)回采至+66.7 m，再用土回填至+67 m達(dá)到復(fù)墾要求，尾礦庫(kù)+66.7 m以上尾礦量約536萬(wàn)m3，約為800萬(wàn)t。尾礦庫(kù)內(nèi)尾礦砂回采分為干式和濕式回采［6］。該項(xiàng)目擬采用濕式回采（船采）的方法。濕式回采用水槍、采砂船或浮球式潛水泵等方式對(duì)尾礦進(jìn)行水力回采。根據(jù)尾礦庫(kù)回采的規(guī)劃及順序（先內(nèi)后外，先庫(kù)后壩，先上后下，分層開(kāi)采），由于現(xiàn)有尾礦庫(kù)上層已種植植被，前期用鏟運(yùn)機(jī)需將采坑水經(jīng)泵送至尾礦庫(kù)造漿，造漿后經(jīng)采砂船泵送至尾礦打撈機(jī)進(jìn)行回收，精礦經(jīng)沉淀后單獨(dú)銷售或進(jìn)入選別系統(tǒng)，打撈機(jī)尾礦通過(guò)篩分分選出合格粒級(jí)的砂子。

3.3 尾礦砂選別

采用先打撈再洗砂的工藝流程，見(jiàn)圖3。

3.4 產(chǎn)品方案

尾礦庫(kù)尾礦經(jīng)回采—打撈—洗砂工藝可獲得磁性礦物、尾礦砂，其中磁性礦物可單獨(dú)出售或進(jìn)入選廠選別系統(tǒng)，各粒級(jí)石砟可用于建筑用砂，尾礦砂可通過(guò)制作尾礦磚、加工建筑用砂、生產(chǎn)高純度石英砂等途徑綜合利用。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）河鋼某排土場(chǎng)固體廢棄物經(jīng)破碎—篩分—選別—洗砂工藝可獲得0～6 mm砂、6～10 mm石砟、10～20 mm石砟及磁性礦物；尾礦庫(kù)尾礦經(jīng)回采—打撈—洗砂工藝可獲得磁性礦物、尾礦砂，其中磁性礦物可單獨(dú)出售或進(jìn)入選廠選別系統(tǒng)，各粒級(jí)石砟可用于建筑用砂，尾礦砂可通過(guò)制作尾礦磚、加工建筑用砂、生產(chǎn)高純度石英砂等途徑綜合利用。

（2）尾礦的綜合開(kāi)發(fā)利用可代替天然礦物資源，大幅減少非金屬礦物資源的開(kāi)發(fā)，為非金屬產(chǎn)業(yè)，特別是建材行業(yè)提供現(xiàn)成的原料來(lái)源。

（3）對(duì)現(xiàn)有尾礦庫(kù)尾砂資源綜合利用后，可達(dá)到提高礦產(chǎn)資源綜合利用率及減少尾礦庫(kù)安全隱患的雙重目的，同時(shí)，為尾礦庫(kù)生態(tài)恢復(fù)提供基礎(chǔ)條件，社會(huì)效益顯著。