灰?guī)r砂石礦山尾礦綜合利用研究

顏錦凱，付海波，徐 亮

灰?guī)r砂石礦山尾礦綜合利用研究

顏錦凱1，付海波2，徐 亮1

(1.中國電建集團(tuán)華東勘察設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.云南省水利水電投資有限公司，云南 昆明 650051)

砂石加工產(chǎn)生的尾礦以石屑、石粉為主。石屑一般可替代細(xì)骨料與碎石混合作建筑物基礎(chǔ)填料，也可經(jīng)磨細(xì)與石粉同時資源化處理;灰?guī)r石粉可根據(jù)其物理、化學(xué)性能加以利用，如作為混凝土、水泥及PC構(gòu)件摻合料，也可作電廠脫硫和冶金高鈣溶劑。除建筑行業(yè)，灰?guī)r砂石礦山尾礦在化工、冶金甚至農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)均有一定應(yīng)用。

砂石礦山;尾礦;灰?guī)r;綜合利用;石屑;石粉

0 引 言

礦山開采加工產(chǎn)生的尾礦，傳統(tǒng)的最常用的處理方法之一是設(shè)立尾礦庫進(jìn)行貯存。尾礦庫通常選擇一處山坳或者洼地，建一個有一定高度的擋渣壩（堰），以形成具有一定容積的貯存場。近年來，隨著礦業(yè)工程的迅速發(fā)展，采礦及礦石生產(chǎn)規(guī)模加大、生產(chǎn)期加長，尾礦渣的排放量大幅增加。

尾礦庫不僅占用大量土地，脫水不徹底的尾渣堆存后，對環(huán)境造成污染、生態(tài)造成破壞，同時尾礦庫的穩(wěn)定問題也日益突出，對礦山安全帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。另外，尾礦并不是完全無用的廢料，往往含有可作其他用途的組分，可以綜合利用。尾礦是有待挖潛的寶藏，我國礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟當(dāng)前的任務(wù)就是要開發(fā)利用長期擱置的大量尾礦[1]。

近年來，全國各地均大力關(guān)停小礦山，把廢棄礦山治理復(fù)綠與地質(zhì)災(zāi)害隱患消除、土地整理復(fù)墾等工作結(jié)合起來，在節(jié)約集約、拓展用地空間的同時，加快礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級，深入推進(jìn)“綠色礦山”建設(shè)。根據(jù)國土資源部《國家級綠色礦山基本條件》要求，“國家級綠色礦山”的要求就包括資源綜合利用、節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)、技術(shù)創(chuàng)新、土地復(fù)墾在內(nèi)的9個方面，其中資源綜合利用、環(huán)境保護(hù)是綠色礦山建設(shè)的工作核心；技術(shù)創(chuàng)新、節(jié)能減排和土地復(fù)墾是綠色礦山建設(shè)的保障措施[2-3]。

灰?guī)r是一種沉積巖，主要成分是碳酸鈣和碳酸鎂等。本文根據(jù)灰?guī)r砂石礦山尾礦特性，對石屑、石粉進(jìn)行綜合利用研究，切實符合國家建設(shè)“綠色礦山”的倡議，為砂石企業(yè)在礦山開采及加工過程中的尾礦處理提供新的解決思路，變廢為寶，以緩解尾礦庫占地大、環(huán)境污染等問題，促進(jìn)資源綜合利用、節(jié)能減排。

1 石屑綜合利用

砂石骨料加工及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的石屑，經(jīng)過進(jìn)一步整形篩分后，大部分可作為混凝土細(xì)骨料利用，但仍有少量的石屑因其石粉含量和針片狀粒形顆粒較多，而不能作為混凝土細(xì)骨料利用，由此成為尾礦。

在部分建筑工程中，常利用這部分石屑替代天然砂和碎石混合后作為工程基礎(chǔ)[4]。在目前大量江河天然砂禁采的情況下，可謂是一種高效經(jīng)濟的地基處理方法。不僅強度高、壓縮性低、消散上部附加應(yīng)力能力強，而且造價低、施工簡單、節(jié)約資源，已取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

除此之外，還可考慮石屑與石粉同時資源化處理，如磨細(xì)后作為混凝土摻合料、混凝土預(yù)制件等，最大程度地使石屑得以利用。

2 石粉綜合利用

石粉是指建砂石骨料加工過程中產(chǎn)生的粒徑小于0.075 mm（水工混凝土中定義粒徑小于0.16 mm）的粉狀顆粒物。綜合利用石粉因其母巖的巖性及性能不同而不同。

2.1 混凝土摻合料

石灰石粉在混凝土行業(yè)的應(yīng)用研究已有較長時間，作為尾礦的主要成分，如何利用石灰石粉作為混凝土摻合料，已成為當(dāng)今國內(nèi)混凝土行業(yè)熱點和發(fā)展趨勢。

石灰石粉屬于惰性摻合料，作為混凝土摻合料，石灰石粉有著顯著的優(yōu)勢和可行性：一是石灰石粉的摻加可加速水泥水化；二是石灰石粉的顆粒具有形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)，不僅能增大拌合物的流動性，改善膠凝材料體系的顆粒級配情況，而且能改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)；三是石灰石粉具有活性效應(yīng)[5]。

近年來，我國相繼出臺了國家和地方標(biāo)準(zhǔn)，如《石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGJT318—2014）、《重慶市石灰石粉在水泥混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DBJ50/T-179-2014）等，對石灰石粉資源化利用給予了肯定與規(guī)范。

作為混凝土摻合料，從長遠(yuǎn)看石灰石粉具有廣闊的市場和良好的社會效益、經(jīng)濟效益。

2.2 裝配式構(gòu)件摻合料

新型裝配式構(gòu)件體系具有建造速度快、質(zhì)量易于控制、節(jié)省材料、構(gòu)件外觀質(zhì)量好、耐久性好以及減少現(xiàn)場濕作業(yè)、有利環(huán)保等優(yōu)點。在裝配式構(gòu)件領(lǐng)域，尾礦中的大量石灰石粉同樣可作為混凝土和水泥摻合料，《預(yù)制混凝土構(gòu)件質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/T 1312—2015）要求：預(yù)制混凝土選用石灰石粉等礦物摻合料時，其性能應(yīng)分別符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。有研究表明，在免振自密實預(yù)制混凝土構(gòu)件制作中，石灰石粉能有效提高混凝土流動性、抗分離性，對混凝土成型作用效果明顯，解決了原材料不足等問題。除上述灰?guī)r石粉外，性能和灰?guī)r接近的白云巖、花崗巖石粉也可以作為混凝土、水泥的摻和料。

3 高端產(chǎn)品開發(fā)

品位較高的灰?guī)r砂石礦山，可以用于開發(fā)納米碳酸鈣、熔劑用高鈣粉、火電廠脫硫用石灰石粉等高端產(chǎn)品。

3.1 納米碳酸鈣

碳酸鈣可分為輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣。輕質(zhì)碳酸鈣是將石灰石等原料煅燒生成石灰（主要成分為氧化鈣）和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳（主要成分為氫氧化鈣），然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉淀，最后經(jīng)脫水、干燥和粉碎而制得。

為了與輕質(zhì)碳酸鈣區(qū)別，常把天然方解石、石灰石、大理石、白堊及貝殼等碳酸鹽巖類為原料，經(jīng)機械粉碎制成的礦粉稱為重質(zhì)碳酸鈣（重鈣）。它們被廣泛應(yīng)用于建材、橡膠、塑料、涂料、造紙、油墨、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。特別是采用天然碳酸鹽礦物如方解石、大理石、石灰石和白堊等，經(jīng)機械粉碎至一定細(xì)度的超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣使用更是日趨廣泛[6]。

碳酸鈣產(chǎn)品是一種粉體，根據(jù)碳酸鈣粉體平均粒徑的大小，可以將碳酸鈣分為微粒碳酸鈣(>5 μm)、微粉碳酸鈣(1 μm<≤5 μm)、微細(xì)碳酸鈣(0.1 μm<≤1 μm)、超細(xì)碳酸鈣0.02 μm<≤0.1 μm)和超微細(xì)碳酸鈣(≤0.02 μm)[7-8]。

重質(zhì)碳酸鈣粉體取代輕質(zhì)碳酸鈣粉體的步伐正在加快，國外發(fā)達(dá)國家的重鈣輕鈣應(yīng)用比例為10:1，而國內(nèi)的應(yīng)用比例約2:1[9]。生產(chǎn)過程中重鈣生產(chǎn)要比輕鈣生產(chǎn)對環(huán)境的影響小，成本低。因此，重質(zhì)碳酸鈣粉體取代輕質(zhì)碳酸鈣粉體是必然趨勢，伴隨著需求增加，重鈣粉體的價格也會隨之上漲。

重質(zhì)碳酸鈣深加工技術(shù)主要有表面改性和精細(xì)分級[8,10]：表面改性是最主要的深加工技術(shù)之一，表面改性可降低產(chǎn)品的吸油值、改善重質(zhì)碳酸鈣與有機樹脂的相容性和在樹脂中的分散性，可以增大重質(zhì)碳酸鈣的填充量和減少或節(jié)約填充高分子材料中樹脂的用量，具有巨大的市場需求，是專用重質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品的主要生產(chǎn)技術(shù)之一；精細(xì)分級技術(shù)可以提高重質(zhì)碳酸鈣在油墨、涂料等領(lǐng)域中的應(yīng)用性能，是專用重質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品的重要生產(chǎn)技術(shù) 之一。

3.2 脫硫用石粉

為控制二氧化硫的排放，我國已進(jìn)行了多種脫硫技術(shù)的研究及應(yīng)用，目前石灰石脫硫因技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定，是我國電廠煙氣脫硫最主要的方法。石灰石粉/石膏法脫硫工藝是用石灰石粉做吸附劑，將石灰石粉溶于水中形成漿液，在吸收塔內(nèi)與二氧化硫發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生硫酸氫鈣，在空氣作用下氧化生成石膏，從而達(dá)到減少二氧化硫的作用。

正常情況下，石灰石粉脫硫效率一般可達(dá)95%以上[11]，且效果穩(wěn)定。但石灰石粉的品質(zhì)對脫硫效果影響較大[12]，通常要求其碳酸鈣的質(zhì)量含量高于85%。在我國石灰石分布范圍廣闊，資源豐富，許多地區(qū)石灰石品位較高，碳酸鈣含量在90%以上，優(yōu)者可達(dá)95%以上，完全可滿足電廠脫硫要求。

脫硫技術(shù)的使用能夠有效解決環(huán)保問題，大多數(shù)電廠都采用石灰石細(xì)粉作為脫硫劑，提升脫硫效率。砂石礦山加工過程中產(chǎn)生的石灰石粉經(jīng)過進(jìn)一步研磨加工，能有效降低電廠脫硫工藝成本，為尾礦石灰石粉變廢為寶提供了良好的市場。

3.3 熔劑用高鈣粉

高鈣石灰石粉在冶金行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在黑色冶金中，高鈣粉的作用是將鐵礦石中的脈石和燃料中的灰分以及其他有害雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為爐渣排除，以利于提取有用的鐵金屬；煉鋼過程中，石灰石將磷和硫排入爐渣，提高鋼的質(zhì)量。有色金屬冶煉中，石灰石作為氧化礦石和金屬的還原劑。

隨著鐵礦資源市場變化，生石灰強化燒結(jié)的作用逐步減弱[13]，同時國內(nèi)鋼鐵市場下行，各大鋼企面臨巨大壓力，均為熔劑結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件。如，安鋼在原溶劑材料中配加石灰石粉和白云石粉后，燒結(jié)礦質(zhì)量較為穩(wěn)定而熔劑成本大幅降低，取得了較大的經(jīng)濟效益和社會效益[14]；濟鋼在燒結(jié)生產(chǎn)中配加1.66%左右的石灰石粉替代生石灰，結(jié)果表明對燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量及經(jīng)濟指標(biāo)無負(fù)面影響，而且可以降低熔劑成本，提高堿度穩(wěn)定率[15]。

目前，鋼鐵廠燒結(jié)熔劑已普遍采用高鈣石粉替代部分生石灰，以降低燒結(jié)成本。熔劑用高鈣石粉主要指標(biāo)要求為CaO（50±2%），粒度3 mm以下，且粒度≤3 mm的石粉需達(dá)到90%以上。煉鋼對石灰石質(zhì)量要求最嚴(yán)，要求活性好、成分穩(wěn)定、雜質(zhì)含量低（尤其是磷、硫）、粒度合適。黑色冶金用溶劑石要求見表1，有色冶金用熔劑石要求見表2。

表1 黑色冶金熔劑石灰?guī)r化學(xué)成分一般要求

表2 有色冶金熔劑石灰?guī)r化學(xué)成分一般要求

4 結(jié) 論

作為建筑骨料生產(chǎn)的尾礦，無論是石屑還是石粉，經(jīng)過相應(yīng)處理均可以直接或者間接地成為各行業(yè)生產(chǎn)的原料或輔料。在對尾礦的利用上，研究和開發(fā)正在不斷深入，尾礦利用的前景將會更加 寬廣。

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(2019-12-19)

顏錦凱(1989—)，男，湖北十堰人，碩士，工程師，主要從事砂石礦山開采技術(shù)研究，E-mail: yan_jk@ ecidi.com。