大冶市尾礦資源特征及綜合利用建議

阮業(yè)東， 劉孟合， 吳昌雄， 劉冬勤， 王 磊， 沈 軍， 楊栩玥

(湖北省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊(duì)，湖北 大冶 435100)

尾礦是指選礦廠在特定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，選取礦石中有用成分后排放的廢棄物[1]。由于受不同時(shí)代科技水平與選礦條件的限制，許多有用成分仍殘留在尾礦中。尾礦庫(kù)是通過(guò)筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所。長(zhǎng)期以來(lái)，大冶市境內(nèi)因礦產(chǎn)資源的大規(guī)模采掘開發(fā)，遺留下大量尾礦庫(kù)。開展大冶市尾礦資源綜合利用示范研究，對(duì)提高該地區(qū)礦產(chǎn)資源節(jié)約和綜合利用水平，推動(dòng)礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展共贏局面具有重要意義，并將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

1 尾礦庫(kù)分類及分布特征

大冶市尾礦庫(kù)共有165座，總庫(kù)容量約7 577.31×104m3。尾礦庫(kù)多位于礦山周邊，修建在山谷、山麓處，少部分位于崗地間。尾礦庫(kù)面積小的僅幾百平方米，大的幾十萬(wàn)平方米；庫(kù)容量也不等，少則僅幾萬(wàn)立方米，多則達(dá)數(shù)千萬(wàn)立方米。

1.1 尾礦庫(kù)分類特征

1.1.1依據(jù)庫(kù)容量分類

依據(jù)各尾礦庫(kù)現(xiàn)有庫(kù)容量進(jìn)行劃分，以1 000×104m3、100×104m3、10×104m3為界，分為大型、中型、小型及微型尾礦庫(kù)(表1)。據(jù)此分類，大冶市現(xiàn)有大型尾礦庫(kù)3座，中型尾礦庫(kù)5座，小型尾礦庫(kù)31座，微型尾礦庫(kù)126座，總庫(kù)容量分別為5 564.13×104m3、696.90×104m3、835.92×104m3、480.36×104m3。

表1 大冶市尾礦庫(kù)庫(kù)容類型劃分表Table 1 Classification table of tailings storage capacity in Daye City

1.1.2依據(jù)原礦類型分類

依據(jù)形成尾礦的主要原礦類型進(jìn)行劃分，可分為鐵礦、銅礦、金礦、其他礦種等4種類型(表2)。其中鐵礦類指以鐵為主要礦種的鐵礦和鐵銅礦等；銅礦類指以銅為主要礦種的銅礦、銅鐵礦、銅金礦、銅鉬礦等；金礦類指以金為主要礦種的金礦、金銅礦等；其他類為未包含以上礦種的其他礦種，主要有銅鎢鉬礦、鎢礦等。

如表2所示，全市共有鐵礦類尾礦庫(kù)113座，銅礦類尾礦庫(kù)47座，金礦類尾礦庫(kù)4座，其他類尾礦庫(kù)1座?？梢钥闯龃笠笔形驳V庫(kù)以鐵礦類、銅礦類為主，兩者占尾礦庫(kù)總數(shù)的96.96%。

表2 大冶市尾礦庫(kù)礦種類型劃分表Table 2 Table of classification of tailing reservoir mineral types

1.1.3依據(jù)尾礦庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)分類

依據(jù)尾礦庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行劃分，可分為未閉庫(kù)、已閉庫(kù)兩大類。其中未閉庫(kù)尾礦庫(kù)泛指所有未辦理閉庫(kù)手續(xù)的尾礦庫(kù)，含運(yùn)行、停用、廢棄三類；已閉庫(kù)尾礦庫(kù)可分為閉庫(kù)未復(fù)墾、閉庫(kù)后復(fù)墾、閉庫(kù)后再利用三類。根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況來(lái)看，多數(shù)已閉庫(kù)尾礦庫(kù)的植被較為茂盛，部分已閉庫(kù)尾礦庫(kù)零散種植了果蔬等，難以區(qū)分是否復(fù)墾，故本次調(diào)查中把閉庫(kù)未復(fù)墾和閉庫(kù)后復(fù)墾尾礦庫(kù)合并為閉庫(kù)尾礦庫(kù)。在本次調(diào)查的尾礦庫(kù)中，有運(yùn)行尾礦庫(kù)12座、停用尾礦庫(kù)2座、廢棄尾礦庫(kù)2座、閉庫(kù)尾礦庫(kù)146座、閉庫(kù)后再利用尾礦庫(kù)3座。

1.2 尾礦庫(kù)分布特征

大冶市尾礦資源分布廣，主要分布在還地橋、金山店、金湖、大箕鋪、陳貴、靈鄉(xiāng)等地(表3)。其中保安鎮(zhèn)2座、陳貴鎮(zhèn)15座，大箕鋪鎮(zhèn)21座，還地橋鎮(zhèn)41座，金湖街辦26座，金山店鎮(zhèn)42座，劉仁八鎮(zhèn)2座，靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)16座。

表3 大冶市尾礦庫(kù)地理分布表Table 3 Geographical distribution table of tailings reservoir in Daye City

2 尾礦物質(zhì)組成特征

不同類型尾礦的物質(zhì)組成差異較大，而相同類型尾礦的成分也因原礦成分、選礦工藝等不同而有所差異。

2.1 鐵礦類尾礦

鐵礦類尾礦中金屬礦物主要為黃鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦和極少量的黃銅礦、褐鐵礦等，主要呈棱角—次棱角狀，粒度多為0.03～0.15 mm。非金屬礦物主要為長(zhǎng)石、石英、方解石、角閃石等，多呈棱角狀、次棱角狀、他形粒狀，粒度0.03～0.4 mm。

以同和尾礦庫(kù)尾礦(表4、表5)為例，尾礦中非金屬礦物主要為片狀的金云母(20.76%)及綠泥石(12.37%)，并含有較多石英(9.88%)、滑石(7.39%)、鈉長(zhǎng)石(7.09%)、鎂鐵閃石(6.38%)、蛇紋石(6.31%)、方解石(6.31%)及正長(zhǎng)石(5.98%)。金屬礦物主要為黃鐵礦(6.07%)，少量為磁鐵礦(1.19%)等，偶見菱鐵礦、赤鐵礦、黃銅礦、榍石、金紅石及鈦鐵礦等。尾礦中化學(xué)元素成分主要為：O(42.81%)、Si(21.58%)、Fe(9.58%)、Mg(8.21%)，并含少量Al、Ca、S、K，含量分別為4.25%、3.96%、3.48%、3.06%。

表4 同和尾礦庫(kù)尾礦的礦物組成表Table 4 Mineral composition of Tonghe tailings reservoir

表5 同和尾礦庫(kù)尾礦的化學(xué)元素成分表Table 5 Chemical constituents of Tonghe tailings reservoir

2.2 銅礦類尾礦

以周家園尾礦庫(kù)尾礦(表6、表7)為例，尾礦中金屬礦物主要為黃鐵礦(2.06%)、磁鐵礦(0.60%)、褐鐵礦(0.39%),輝鉬礦、黃銅礦、菱鐵礦等含量低得多，主要呈棱角—次棱角狀，粒度多為0.03～0.33 mm。非金屬礦物主要為方解石(22.86%)、長(zhǎng)石(16.66%)、石英(15.62%)、白云石(8.18%)、透輝石(7.62%)等，多呈棱角狀、次棱角狀、他形粒狀，粒度0.02～1 mm。尾礦中化學(xué)元素成分主要為：O(46.22%)、Si(19.78%)、Ca(14.41%)，另含少量Fe、C、Mg、Al、K等。

表6 周家園尾礦庫(kù)尾礦的礦物組成表Table 6 Mineral composition of Zhoujiayuan tailings reservoir

表7 周家園尾礦庫(kù)尾礦的化學(xué)元素成分表Table 7 Chemical composition of Zhoujiayuan tailings reservoir

以石頭咀老尾礦庫(kù)的表層尾礦為例，金屬礦物主要為黃鐵礦、黃銅礦、赤鐵礦，少量為磁鐵礦、褐鐵礦等，呈棱角—次棱角狀，粒度多為0.01～0.14 mm。非金屬礦物主要為絹云母、石英、高嶺石等，多呈小鱗片狀、棱角狀、次棱角狀、他形粒狀，粒度0.01～0.4 mm。

由上述可知銅礦類尾礦中，非金屬礦物主要為石英、長(zhǎng)石、方解石、絹云母等，金屬礦物主要為磁鐵礦、赤鐵礦、黃銅礦、褐鐵礦等。

2.3 金礦類尾礦

以大青山尾礦庫(kù)尾礦(表8、表9)為例，尾礦中非金屬礦物主要為方解石(24.62%)、石英(8.25%)、黑云母(6.69%)、高嶺石(6.00%)、綠簾石(4.09%)、鐵白云石(3.80%)等，并含有較多的綠泥石、鉀長(zhǎng)石、伊利石、鈣鐵榴石、輝石、石膏等。金屬礦物主要為菱鐵礦(13.29%)、黃鐵礦(7.67%)、磁鐵礦(3.67%)及赤鐵礦(2.21%)等。尾礦中化學(xué)元素成分主要為：O(40.63%)、Fe(19.45%)、Ca(14.73%)、Si(9.90%)、S(4.63%)，另含少量Al、Mg、K、Mn等。

2.4 鎢礦類尾礦

以龍角山尾礦庫(kù)尾礦為例，金屬礦物主要為黃鐵礦、磁鐵礦和少量的赤鐵礦、黃銅礦、褐鐵礦，斑銅礦、輝銅礦、白鎢礦等礦物少見，金屬礦物主要呈他形粒狀、棱角—次棱角狀，粒度多為0.005～0.25 mm。非金屬礦物主要為方解石、石榴子石、透輝石、石英等，多呈棱角狀、次棱角狀、他形粒狀，粒度0.01～0.12 mm。

表8 大青山尾礦庫(kù)尾礦的礦物組成表Table 8 Mineral composition of Daqingshan tailings reservoir

表9 大青山尾礦庫(kù)尾礦的化學(xué)元素成分表Table 9 Chemical composition of Daqingshan tailings reservoir

尾礦中化學(xué)元素成分主要為：Fe2O3(22.68%)、SiO2(28.46%)、CaO(29.84%)，S(1.97%)、WO3(0.301%)較少，另含少量Al、Mg、K、Mn等。

3 尾礦有用元素特征

3.1 鐵礦類尾礦

鐵礦類尾礦中，TFe平均品位>10%，Co平均品位一般可達(dá)0.01%，均具有一定的開發(fā)利用潛力。而Cu、Au等其他元素含量較低，達(dá)不到綜合利用的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 銅礦類尾礦

銅礦類尾礦中，Cu平均品位>0.1%，TFe平均品位>10%，其他金屬元素的含量不一，與原礦伴生元素含量有關(guān)(如周家園尾礦庫(kù)尾礦的Mo含量為0.11%)，均具有一定的開發(fā)利用潛力。

3.3 金礦類尾礦

金礦類尾礦中，Au平均品位一般<0.13 g/t，Cu平均品位一般<0.035%，含量均較低，回收利用價(jià)值較小。但是個(gè)別尾礦，如大青山尾礦庫(kù)的Cu等元素具有一定的回收利用價(jià)值。

3.4 其他類尾礦

其他類尾礦中，個(gè)別尾礦中WO3、TFe、Cu等品位較高，均具有綜合回收利用價(jià)值，但Au、Ag等貴金屬元素含量難見富集，不具綜合利用價(jià)值。

4 尾礦中稀有、稀散、稀土元素特征

4.1 稀有元素

所有類型尾礦中稀有元素含量均較低，經(jīng)與《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(cè)(2014年修訂本)》[2]對(duì)比分析，一般低于最低工業(yè)(邊界)品位1～2數(shù)量級(jí)，難以進(jìn)行綜合利用。

4.2 稀散元素

Ga在銅綠山尾礦庫(kù)、許家咀尾礦庫(kù)的尾礦中含量均較高，平均品位分別為29.1×10-6、38.9×10-6，達(dá)到Ga伴生元素最低工業(yè)指標(biāo)要求(22×10-6)。In在大青山尾礦庫(kù)尾礦中含量均較高，平均品位為2.03×10-6，接近In伴生元素最低工業(yè)指標(biāo)要求(5×10-6)。Te在大青山尾礦庫(kù)、許家咀尾礦庫(kù)的尾礦中含量均較高，平均品位分別為2.66×10-6、1.19×10-6，達(dá)到或接近Te伴生元素最低工業(yè)指標(biāo)要求(2×10-6)。Ge在銅綠山尾礦庫(kù)尾礦中含量均較高，平均品位為22.2×10-6，達(dá)到Ge伴生元素最低工業(yè)指標(biāo)要求(20×10-6)。其他元素在尾礦中含量均較低，達(dá)不到可回收利用的最低工業(yè)品位。

綜上所述，Ga、In、Te、Ge等元素在大冶地區(qū)的尾礦中含量較高，可綜合利用。

4.3 稀土元素

大冶地區(qū)尾礦中，稀土元素總量為60.5×10-6～272.3×10-6，平均為156.0×10-6，且以Ce、La、Nd等輕稀土元素為主。根據(jù)《稀土礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》[3](DZ/T D204—2002)要求，獨(dú)居石砂礦邊界品位為100～200 g/m3。本次評(píng)價(jià)的尾礦中除周家園尾礦庫(kù)尾礦外，大多超過(guò)該邊界品位(其中錫冶山尾礦庫(kù)尾礦含量最高)，平均品位為269.5×10-6，均具一定的綜合回收利用價(jià)值。

5 綜合利用建議

面對(duì)日益減少的礦產(chǎn)資源，科學(xué)利用和合理開發(fā)尾礦資源顯得尤為重要[4-6]。根據(jù)大冶市尾礦資源特征，提出7個(gè)方面的尾礦綜合利用建議。

5.1 回收有價(jià)金屬元素

大冶市尾礦中有價(jià)金屬元素豐富，例如龍角山尾礦中WO3遠(yuǎn)超工業(yè)指標(biāo)，達(dá)到了中型礦床的規(guī)模，還有Fe、Cu等其他有價(jià)金屬元素，其綜合開發(fā)價(jià)值極高。據(jù)估算，大冶地區(qū)中型以上規(guī)模的尾礦庫(kù)的尾礦開發(fā)價(jià)值就超百億元。大冶地區(qū)尾礦中還含有Ga、Re、Ge、Te等稀有金屬元素，開發(fā)利用尾礦資源時(shí)必須考慮回收這部分稀有金屬礦產(chǎn)?？傊?，進(jìn)行尾礦綜合利用時(shí)，應(yīng)首先評(píng)價(jià)其中有價(jià)金屬元素的含量和資源量，評(píng)估可利用價(jià)值，以取得最大經(jīng)濟(jì)效益[7-10]。

5.2 開發(fā)成建筑材料

尾礦中金屬礦物含量一般不超過(guò)尾礦質(zhì)量的5%，絕大部分為富含SiO2、Al2O3、CaCO3等的非金屬礦物，因此可以用于生產(chǎn)建筑材料，例如尾礦制磚、水泥摻和料、建筑用砂、混凝土骨料、陶瓷材料、新型玻璃材料等。以尾礦制磚為例，采用尾礦為原料研發(fā)的產(chǎn)品有免燒磚、透水磚、蒸壓磚、加氣混凝土切塊磚等，其中免燒磚是以密度較小的細(xì)粒石英砂尾礦為主料，經(jīng)鈣化處理而獲得的一種新型建筑材料；透水磚是由80%左右的高硅尾礦加入一些煤矸石、黏土，經(jīng)過(guò)燒結(jié)成型制得的。以硅酸鹽水泥生產(chǎn)為例，其一般需要配一定比例的黏土和鐵，而鐵、銅類尾礦的主要成分與水泥生料所用黏土質(zhì)原料接近，同時(shí)還含有校正原料鐵，完全可以替代水泥生產(chǎn)所需的全部黏土。此外，利用尾礦作混凝土細(xì)骨料、鐵路和公路的筑路碎石以及建筑用砂的成功例子較多，因此尾礦的應(yīng)用較為廣泛。

總之，應(yīng)充分借鑒建材行業(yè)已有的成熟工藝，將尾礦創(chuàng)新地開發(fā)成一些建筑材料，搶占市場(chǎng)份額，提高其經(jīng)濟(jì)效益。

5.3 充填礦山采空區(qū)

將尾礦用于礦山采空區(qū)回填是直接利用尾礦最行之有效的途徑之一，尤其對(duì)于無(wú)處設(shè)置尾礦庫(kù)的礦山企業(yè)來(lái)說(shuō)，利用尾礦回填采空區(qū)更具環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。目前已有成熟的膠結(jié)充填采礦技術(shù)，可以使地下采礦回采率提高20%～50%，使原來(lái)根本無(wú)法開采的位于水體、重要交通干線和居民區(qū)下面的礦體能夠被開采出來(lái)，并可以幾乎完全避免地表塌陷和基本避免地下水失衡造成的重大危害。

隨著中國(guó)倡議建設(shè)綠色礦山，提高資源綜合利用率、節(jié)能減排、環(huán)保的礦山模式成為發(fā)展趨勢(shì)。新型高效的全尾礦膠結(jié)充填技術(shù)將在這些方面發(fā)揮更多優(yōu)勢(shì)，最大限度地利用尾礦資源，并減少環(huán)境污染和土地資源浪費(fèi)。

5.4 用于制作肥料

有些尾礦中含有植物生長(zhǎng)所需要的多種微量元素，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理可制成用于改良土壤的微量元素肥料[11-12]。磷礦尾礦粉被活化后可制成復(fù)合肥的填充料[13]。磁化尾礦加入化肥中可制成磁化尾礦復(fù)合肥[1]。但目前尾礦用于制作肥料只是停留在對(duì)少量尾礦的利用上，還無(wú)法減少大宗尾礦的堆存。

5.5 用于制造高附加值產(chǎn)品

(1) 制造新型材料。尾礦的礦物組成和化學(xué)元素成分常與一些輕工、無(wú)機(jī)化工原料較為接近，是一種不完備的天然混合料，可以通過(guò)摻入少量其他原料開發(fā)成微晶玻璃、建筑陶瓷等新產(chǎn)品。例如利用尾礦制造微晶玻璃屬高層次尾礦利用途徑，國(guó)內(nèi)已有30多年的開發(fā)歷史。

(2) 作為土壤改良劑。尾礦中含有大量的微量元素，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理可制成用于改良土壤的微量元素改良劑。例如長(zhǎng)春商金世紀(jì)礦業(yè)技術(shù)開發(fā)公司與國(guó)外科研機(jī)構(gòu)共同協(xié)作，在利用尾礦制作土壤改良劑方面取得了突破性進(jìn)展[4]。

(3) 制備泡沫混凝土。泡沫混凝土也稱為發(fā)泡混凝土，尾礦因具有合理的顆粒級(jí)配，是泡沫混凝土理想的填充料。尾礦在泡沫混凝土中起到一定的骨架作用，可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐久性。

5.6 用于土地置換

尾礦庫(kù)大多位于城鎮(zhèn)周邊，不僅制約著城鎮(zhèn)的建設(shè)發(fā)展，更是一個(gè)較大的安全隱患。尾礦庫(kù)中的尾礦經(jīng)綜合利用之后，尾礦庫(kù)可進(jìn)行土地置換，用作建設(shè)用地、工業(yè)用地等。

5.7 作為農(nóng)田耕地

尾礦中含有植物生長(zhǎng)所需要的多種微量元素，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母脑?，可作為農(nóng)田耕地，種植經(jīng)濟(jì)作物、經(jīng)濟(jì)植被等，這樣既能利用植物根系穩(wěn)固尾礦，提高尾礦庫(kù)穩(wěn)定性，又能合理利用土地資源，獲取經(jīng)濟(jì)效益。

6 建議

大冶市尾礦資源豐富，應(yīng)以“資源—環(huán)境—災(zāi)害”三位一體的綜合利用框架和“全面摸底—資源勘查—市場(chǎng)調(diào)研—工藝確定—市場(chǎng)銷售”鏈條化的開發(fā)利用思路為指導(dǎo)，從摸清家底、市場(chǎng)調(diào)研、價(jià)值評(píng)估、合作開發(fā)四個(gè)方面統(tǒng)籌謀劃尾礦資源的綜合利用，實(shí)現(xiàn)尾礦綜合利用產(chǎn)業(yè)化，在消除尾礦安全隱患、環(huán)境污染問(wèn)題的同時(shí)，變尾礦為二次資源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)效益多贏。當(dāng)前應(yīng)大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，爭(zhēng)取政府支持，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，調(diào)動(dòng)市場(chǎng)資本投入尾礦資源綜合利用項(xiàng)目，助力尾礦資源綜合利用產(chǎn)業(yè)化。