鐵礦尾礦綜合利用效益評價研究：以攀西某鐵礦為例

楊四福，康小兵，駱茂林

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

改革開放以來，中國的鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速。以生鐵和粗鋼產(chǎn)量計算，1978年生鐵和粗鋼產(chǎn)量分別為3 479萬t和3 178萬t，而2019年達(dá)到80 936.5萬t和99 634.2萬t[1]。與此同時，鐵尾礦排放量由1985年的1億t增至2017年的5億t，鐵尾礦在工業(yè)固體廢棄物中的占比越來越大，2016年鐵尾礦占工業(yè)固體廢棄物總量的20.82%，而鐵尾礦利用量僅占工業(yè)固體廢棄物利用總量的9.2%。目前，四川省、云南省、安徽省、河北省和內(nèi)蒙古自治區(qū)等中國主要的鐵礦石產(chǎn)區(qū)，已形成了以鐵尾礦為主要工業(yè)固體廢棄物的堆積區(qū)[2]。

隨著國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念的轉(zhuǎn)變，針對礦山環(huán)境恢復(fù)治理與綠色礦山建設(shè)過程中的尾礦問題，原國土資源部和財政部2010年共同組織實施了礦產(chǎn)資源節(jié)約和綜合利用專項及金屬尾礦綜合利用規(guī)劃，提出了開采回采率、選礦回收率和綜合利用率等“三率”的最低指標(biāo)要求；2019年1月11日國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部在《關(guān)于推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展的通知》中強(qiáng)調(diào)對尾礦(共伴生礦)、冶金渣和廢石等為主的大宗固體廢棄物的綜合利用。

基于尾礦的資源屬性，趙軍偉等[3]認(rèn)為實現(xiàn)高效益的鐵尾礦綜合利用是一個多目標(biāo)的決策問題，同樣受經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境、技術(shù)、國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念等因素的影響。多指標(biāo)的綜合評價一直是礦產(chǎn)資源綜合利用的評價研究的主要內(nèi)容，其中最主要的兩個方面是代表性指標(biāo)選擇和量化和合適的評價數(shù)學(xué)方法構(gòu)建。曹進(jìn)成等[4]基于采取模糊綜合評判方法、灰色關(guān)聯(lián)評價方法、層次分析法等多種礦產(chǎn)綜合利用評價方法，提出來指標(biāo)加權(quán)平均值匯總(mineral explore level)的單礦山利用水平值法；劉興旺等[5]基于層次分析法(AHP)構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)評價決策模型，運(yùn)用Expert Choice軟件計算評價了東江湖流域尾礦綜合利用項目的成熟度；莫曉蘭等[6]利用模糊數(shù)學(xué)模型評價了10座以銅為主的多金屬尾礦綜合利用程度；王曉雷等[7]對唐山地區(qū)鐵尾礦綜合利用及產(chǎn)業(yè)化程度評級進(jìn)行了研究。多指標(biāo)量化和多方法耦合的綜合評價在礦產(chǎn)資源綜合利用評價方面已經(jīng)相對普遍。相關(guān)的方法研究結(jié)果表明層次分析和模糊數(shù)學(xué)理論在尾礦及礦產(chǎn)資源綜合利用評價方面適用性好且成熟度高。

本文通過相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研并結(jié)合實例提出鐵尾礦綜合利用效益評價指標(biāo)，并對指標(biāo)進(jìn)行量化分級，利用層次分析法求得各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建鐵尾礦綜合利用效益的評價模型；將層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合，評價了攀西某鐵礦尾礦綜合利用效益，以期為以TFe為主的多金屬礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)治理與礦山綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

攀西某鐵礦位于四川省攀枝花市米易縣境內(nèi)，屬于釩鈦磁鐵礦。根據(jù)攀西某鐵礦二期評估報告，TFe品位57%，TiO2品位10.2%，V2O5品位0.73%。礦區(qū)主體工程包括及及坪露天采區(qū)和田家坪露天采區(qū)、萬碾溝尾礦庫、白石堆排土場和松林坪排土場。萬年溝尾礦庫位于及及坪礦區(qū)東北約3.0 km，總庫容為3.26×109m3，屬二等尾礦庫，能滿足及及坪和田家坪兩礦區(qū)的全部尾礦量。

2 研究方法

本文基于礦產(chǎn)資源綜合開發(fā)利用水平及效益的評估方法，研究方法步驟如下：①選擇和確定影響因素，建立鐵尾礦綜合利用效益評價指標(biāo)體系；②分析鐵尾礦綜合利用效益涉及的要素，確定各要素評價指標(biāo)性質(zhì)；③構(gòu)建評價指標(biāo)隸屬函數(shù)進(jìn)行指標(biāo)量化，通過層次分析法(AHP)建立遞階層次結(jié)構(gòu)，通過因素成對比較，導(dǎo)出因素相對重要性；④使用AHP-模糊數(shù)學(xué)法計算指標(biāo)權(quán)重和不同等級效益隸屬度，實現(xiàn)鐵尾礦綜合利用效益的評價。為運(yùn)算方便，具體指標(biāo)權(quán)重、一致性分析采用MATLAB軟件完成。

3 綜合利用效益評價

3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

結(jié)合礦產(chǎn)資源綜合利用水平評估方法研究、礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)體系及鐵尾礦綜合利用等相關(guān)文獻(xiàn)的查閱分析并咨詢相關(guān)專家[8-11]，篩選整合適宜的指標(biāo)，構(gòu)建鐵尾礦綜合利用效益評價經(jīng)濟(jì)效益因素、社會效益因素及生態(tài)環(huán)境效益因素3個一級指標(biāo)，結(jié)合目前鐵尾礦綜合利用的形勢，確定11個二級指標(biāo)，鐵尾礦綜合利用效益評價的AHP層次結(jié)構(gòu)見圖1，評價指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 評價指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for the classification of evaluation indicators

圖1 鐵尾礦綜合利用效益評價的AHP層次結(jié)構(gòu)Fig.1 AHP hierarchy chart of comprehensive utilization benefit evaluation of iron tailings

3.2 評價指標(biāo)解釋及分級

3.2.1 潛在資源價值(C11)

尾礦整體利用可獲得的經(jīng)濟(jì)價值，如形成相關(guān)產(chǎn)品的總價值或有價組分利用的總價值。尾礦資源的不同性質(zhì)，決定了尾礦綜合利用的方式，進(jìn)而在尾礦資源潛在總價值的估算中差異較大。結(jié)合攀西某鐵礦區(qū)以及其他地區(qū)鐵尾礦，富含多金屬且品位達(dá)到再選標(biāo)準(zhǔn)的尾礦潛在資源價值最大，結(jié)合部分礦區(qū)對尾礦潛在資源價值估算數(shù)據(jù)，本文將該指標(biāo)分為5級。

3.2.2 綜合利用率(C12)

綜合利用率是表征尾礦綜合利用程度的重要指標(biāo)。根據(jù)中國資源綜合利用年度報告統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年鐵尾礦綜合利用率為4.98%，2016年鐵尾礦綜合利用率為23.47%[12]。根據(jù)歷年鐵尾礦綜合利用率平均值數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如圖2所示，結(jié)合截至2017年1月公布的30個礦種的“三率”指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中四川釩鈦磁鐵礦對鈦、釩和鉻(紅格南區(qū))的綜合利用率標(biāo)準(zhǔn)，將該指標(biāo)分為5個等級。

圖2 2008—2016年全國鐵尾礦綜合利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig.2 Statistics on comprehensive utilization of iron tailings in China from 2008 to 2016

3.2.3 投資回報率(C13)

投資回報率是指尾礦綜合利用工程項目的利潤總額與固定資產(chǎn)投資比值。本文參考相關(guān)尾礦利用項目的研究結(jié)果，目前，尾礦綜合利用項目中投資回報率平均值約為25%。結(jié)合實際尾礦利用項目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將該指標(biāo)分為5級。

3.2.4 尾礦各利用方向產(chǎn)值(C14)

尾礦各利用方向產(chǎn)值是指實際利用項目中尾礦各利用方向相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)值(有價組分再選、綠色建筑材料、采空區(qū)回填和復(fù)合新肥料等)。在相關(guān)的研究中，尾礦綜合利用效益對經(jīng)濟(jì)效益考慮僅選擇潛在資源價值。但由于尾礦綜合利用中涉及利用方式的難易程度，考慮到所需的技術(shù)支持復(fù)雜程度等其他因素，潛在資源價值不能實際體現(xiàn)尾礦綜合利用項目實際的經(jīng)濟(jì)效益，故本文引入尾礦綜合利用項目實際運(yùn)行后，根據(jù)其利用方向差異及其產(chǎn)生的實際價值。從相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知[13]，尾礦中回收有價組分約占尾礦利用總量的3%，產(chǎn)值在1.5億～4.3億元之間；生產(chǎn)建筑材料約占尾礦利用總量的43%，產(chǎn)值在0.2億～1.3億元之間；回填礦山采空區(qū)約占尾礦利用率總量的53%，產(chǎn)值約在0.2億元；其他途徑利用約占1%。不同利用方向產(chǎn)值存在較大差異，本文將該指標(biāo)分為5級。

3.2.5 行業(yè)政策形勢條件(C21)

行業(yè)政策形勢條件是指政府相關(guān)部門針對尾礦利用出臺的政策以及行業(yè)市場中產(chǎn)品的銷售半徑、銷路以及市場前景。本文依據(jù)歷年《中國大宗工業(yè)固體廢物處理利用行業(yè)年發(fā)展報告》，結(jié)合礦區(qū)的交通便利條件、目前尾礦利用技術(shù)的研究方向以及市場的需求情況，將該指標(biāo)分為5級。

3.2.6 就業(yè)增加程度(C22)

就業(yè)增加程度是指尾礦利用項目建設(shè)期和運(yùn)營期增加的就業(yè)人員。結(jié)合四川釩鈦磁鐵礦區(qū)相關(guān)鐵尾礦釩鈦等有價金屬再選回收項目以及相關(guān)綠色礦山建設(shè)項目中的就業(yè)人員增加數(shù)據(jù)統(tǒng)計，尾礦綜合利用項目就業(yè)人員增加數(shù)量普遍在75～100人之間，本文根據(jù)需要，將該指標(biāo)分為5級。

3.2.7 財政收入貢獻(xiàn)量(C23)

財政收入貢獻(xiàn)量是指當(dāng)?shù)卣蛭驳V利用項目增加的財政收入。根據(jù)先前研究資料，針對尾礦綜合利用效益的評估中，大多使用年度項目收益核算，但未考慮因不同地區(qū)行業(yè)結(jié)構(gòu)對地區(qū)財政收入的影響，本文以財政收入貢獻(xiàn)量計算。結(jié)合實際尾礦利用項目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將該指標(biāo)分為5級。

3.2.8 區(qū)域水土污染減少程度(C31)

區(qū)域水土污染減少程度是指尾礦利用過程中減少的揚(yáng)塵、尾礦庫溢流水以及重金屬離子等對大氣、水和土壤環(huán)境造成的污染。礦山周邊區(qū)域的水土污染主要由廢石、尾礦堆置及排土場等“固廢”堆置場地在天然淋濾作用下有毒有害物質(zhì)富集、滲漏和遷移，導(dǎo)致區(qū)域環(huán)境承載能力超負(fù)荷，產(chǎn)生了水環(huán)境、土壤環(huán)境惡化問題。故本文以尾礦綜合利用項目運(yùn)行后，“消耗固廢”后減少的占地面積與未實施尾礦綜合利用前“固廢堆置”占地面積之比(P1)作為該指標(biāo)分級的標(biāo)度[13]。

3.2.9 降低尾礦庫安全隱患(C32)

降低尾礦庫安全隱患指標(biāo)是指尾礦庫尾礦利用后減少對周邊區(qū)域居民及環(huán)境影響的程度。尾礦庫潛在的安全隱患主要表現(xiàn)為堆存的尾礦將成為泥石流或山洪的固體物質(zhì)來源，遇特大暴雨時容易形成山洪或泥石流，對下游區(qū)域及居民及生態(tài)環(huán)境造成破壞。根據(jù)《尾礦庫安全風(fēng)險等級分級標(biāo)準(zhǔn)》中的評審項目，較于庫高程、庫容、壩高及結(jié)構(gòu)和排洪系統(tǒng)等項目，庫中尾礦體量是最為本質(zhì)性的要素，故本文以減少尾礦量與尾礦堆置量之比(P2)作為該指標(biāo)分級的標(biāo)度。

3.2.10 二次污染(C33)

尾礦綜合利用過程造成的環(huán)境污染，主要為廢氣、廢水和廢渣污染的問題。廢氣和廢水的排放在依據(jù)《鐵礦采選工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的同時，參考礦山地下水、土壤、地表水體以及環(huán)境評價中涉及的空氣污染及噪聲污染等項目。本文一方面根據(jù)排放物達(dá)標(biāo)、未達(dá)標(biāo)以及超標(biāo)情況,另一方面根據(jù)排放量和潛在污染區(qū)域的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險，將尾礦綜合利用過程中的二次污染指標(biāo)分級。

3.2.11 礦山環(huán)境改善程度(C34)

礦山環(huán)境改善程度是指尾礦綜合利用項目運(yùn)行后礦山環(huán)境(固體堆棄物占用土地、礦山荒地復(fù)墾及綠化)的改善程度，是國家生態(tài)建設(shè)以及“既要金山銀山，又要綠水青山”等生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念、綠色礦山等理念落實的重要體現(xiàn)之一。 依據(jù)《關(guān)于加強(qiáng)礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)和綜合治理的指導(dǎo)意見》中關(guān)于改善礦山環(huán)境的要求、2018年自然資源部頒布的《冶金行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》中對于鐵礦礦山綠色礦山建設(shè)要求規(guī)范以及2012年來歷年《中國礦產(chǎn)資源報告》數(shù)據(jù)。目前減少耕地占用、土地復(fù)墾和新增綠地是礦山環(huán)境改善程度的重要表征[14-16]。為避免礦山規(guī)模本身存在的掩蔽效應(yīng)，本文選擇耕地占用減少率、土地復(fù)墾率和綠化率的和對礦山環(huán)境改善程度分級。

3.3 綜合利用效益評價模型建立

鐵尾礦綜合利用效益評價涉及多方面的因素，且各因素對綜合利用效益的影響程度各不相同。為實現(xiàn)評價結(jié)果更客觀和科學(xué)，對比分析尾礦綜合利用及礦山環(huán)境綜合治理評價中運(yùn)用比較成熟且最常用的模型[17-18]，本文選取了層次分析-模糊數(shù)學(xué)綜合評價法，構(gòu)建各級模糊集合后，分別對定量和定性指標(biāo)采用梯形分布隸屬函數(shù)計算指標(biāo)隸屬度構(gòu)建模糊矩陣，采用AHP法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計算(表2)，最后根據(jù)構(gòu)建的方法評價。

表2 AHP法的權(quán)重計算和相關(guān)參數(shù)Table 2 Weight calculation and related parameters of AHP method

3.4 評價結(jié)果效益等級

鐵尾礦綜合利用效益等級分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。 Ⅰ級為鐵尾礦綜合利用效益差； Ⅱ級為鐵尾礦綜合利用效益較差；Ⅲ級為鐵尾礦綜合利用效益中等；Ⅳ級為鐵尾礦綜合利用效益較高；Ⅴ級為鐵尾礦綜合利用效益高。

表3 鐵尾礦綜合利用效益等級分級Table 3 Classification of comprehensive utilization benefit of iron tailings

4 基于構(gòu)建評價模型的鐵礦尾礦綜合利用效益評價實例

4.1 評價結(jié)果

本文根據(jù)文中評價模型中指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合四川地區(qū)攀西某鐵礦開發(fā)工程的評價，各指標(biāo)量化結(jié)果見表4。

表4 實例指標(biāo)量化Table 4 Index quantification of real examples

根據(jù)礦區(qū)因素集中各指標(biāo)的量化及隸屬函數(shù)確定各指標(biāo)模糊子集，再結(jié)合AHP計算權(quán)重，分別計算各級模糊關(guān)系矩陣和模糊綜合評價矩陣。由經(jīng)濟(jì)效益(R1)、社會效益(R2)和環(huán)境效益(R3)的二級指標(biāo)最大隸屬度結(jié)果組成的綜合評判模糊關(guān)系矩陣分別為式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益各指標(biāo)模糊綜合評價分別為式(4)～式(6)。

B1=C1×R1=

{0.00 0.07 0.75 0.18 0.00}

(4)

B2=C2×R2=

{0.00 0.30 0.60 0.10 0.00}

(5)

B3=C3×R3=

{0.11 0.58 0.08 0.23 0.00}

(6)

一級模糊綜合評價的單因素類模糊關(guān)系矩陣為式(7)。

(7)

根據(jù)計算結(jié)果礦區(qū)的級模糊綜合評價矩陣為式(8)。

B=C×R={0.03 0.23 0.56 0.18 0.00}

(8)

根據(jù)評價模型對實際數(shù)據(jù)的計算，結(jié)合最大隸屬度原則，該礦區(qū)尾礦綜合利用項目效益程度為中等，尾礦綜合利用效益等級屬Ⅲ級。

4.2 評價結(jié)果分析

根據(jù)構(gòu)建的模型評價，攀西某礦區(qū)鐵尾礦綜合利用項目中，一級指標(biāo)經(jīng)濟(jì)效益模糊綜合評價B1為(0.75)，屬Ⅲ級；一級指標(biāo)社會效益模糊綜合評價B2為(0.60)，屬Ⅲ級；一級指標(biāo)生態(tài)環(huán)境效益模糊綜合評價B3為(0.58)，屬Ⅱ級。經(jīng)濟(jì)效益二級指標(biāo)(R1)結(jié)果表明，綜合利用率(C12)屬Ⅱ級，隸屬度為0.54，其余指標(biāo)都屬Ⅲ級，隸屬度分別為0.86、0.72和0.77；社會效益二級指標(biāo)(R2)結(jié)果表明，就業(yè)增加程度(C22)屬Ⅱ級，隸屬度為0.52，其余指標(biāo)都屬Ⅲ級，隸屬度分別為0.50和0.87；環(huán)境效益二級指標(biāo)(R3)結(jié)果表明，降低尾礦庫安全隱患(C32)和礦山環(huán)境改善程度(C34)屬Ⅱ級，隸屬度分別為0.85和0.64，區(qū)域水土污染減少程度(C31)屬Ⅲ級，隸屬度為0.85，二次污染(C33)屬Ⅳ級，隸屬度為1.00。根據(jù)二級指標(biāo)綜合評判結(jié)果，攀西某礦區(qū)綜合利用項目中，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益相對穩(wěn)定，對礦區(qū)的總體利用效益影響較小，而生態(tài)環(huán)境效益中二級指標(biāo)浮動較大。

結(jié)合礦區(qū)開發(fā)評估報告，礦區(qū)擬建排土場數(shù)量減少進(jìn)而增大單個排土場容積及占地面積，已封閉的排土場綠化、復(fù)墾程度低；萬年溝尾礦庫正處服役年限中期，針對尾礦庫安全隱患的工程措施僅滿足環(huán)評要求，兩個露天采區(qū)正處服役中期，對裸露跡地的覆土種草，恢復(fù)植被措施還未實施。模型評價結(jié)果結(jié)合礦區(qū)實際情況的分析，為實現(xiàn)礦區(qū)更大的綜合利用效益、礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境修復(fù)治理與礦山綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得進(jìn)一步發(fā)展，在穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的同時，針對生態(tài)環(huán)境效益的措施應(yīng)作為未來礦區(qū)綜合利用項目的擴(kuò)展重點。

5 結(jié) 論

1) 選取以經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益為一級指標(biāo)和涉及11個二級指標(biāo)構(gòu)建的鐵尾礦綜合利用效益評價指標(biāo)體系。 其中，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益所占的權(quán)重最大，分別為0.637 0和0.258 3；在11個二級指標(biāo)中，經(jīng)濟(jì)效益中尾礦各利用方向產(chǎn)值與投資回報率相對于總目標(biāo)的權(quán)重最大，分別為0.449 9和0.271 6；社會效益中就業(yè)增加程度和財政收入貢獻(xiàn)量相對于總目標(biāo)的權(quán)重最大，分別為0.558 4和0.319 6；環(huán)境效益中降低尾礦庫安全隱患、二次污染和區(qū)域水土污染減少程度，分別為0.545 5、0.229 1和0.146 7。對比于先前研究表明：尾礦綜合利用產(chǎn)生的最直接的、最重要的效益是減少污染和帶來的投資收益。說明隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念的轉(zhuǎn)變，尾礦綜合利用產(chǎn)生的效益已經(jīng)更多的涉及社會和環(huán)境效益。

2) 將構(gòu)建的評價模型應(yīng)用于攀西某礦區(qū)鐵尾礦綜合利用項目，其結(jié)果為：該礦區(qū)鐵尾礦綜合利用效益等級屬中等(Ⅲ級)；總體上，綜合二級指標(biāo)評判結(jié)果與一級指標(biāo)隸屬等級，根據(jù)模型評價的結(jié)果與礦區(qū)鐵尾礦綜合利用現(xiàn)實特征相一致。生態(tài)環(huán)境效益較于經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，礦區(qū)鐵尾礦綜合利用項目中生態(tài)環(huán)境效益較低，生態(tài)環(huán)境效益是制約尾礦綜合利用效益的最主要短板，應(yīng)當(dāng)在礦區(qū)尾礦利用項目擴(kuò)展過程中重點關(guān)注。