我國(guó)尾礦資源綜合利用研究進(jìn)展與展望

吳 浩

(中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100161)

尾礦是原礦經(jīng)碎磨、選別后的產(chǎn)物，是選出有用礦物后的剩余部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年我國(guó)尾礦總儲(chǔ)量已超過(guò)600億t。尾礦庫(kù)占用大量的土地資源，同時(shí)還會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。尾礦中殘留的選礦藥劑、超標(biāo)的重金屬離子、砷化物等，經(jīng)雨水沖刷及風(fēng)化，會(huì)滲透到土壤當(dāng)中，導(dǎo)致土壤污染、種植功能退化、植被死亡。尾礦粒度較細(xì)，多為0.150～0.075 mm，干燥后會(huì)形成飄塵，造成空氣污染。此外，大量堆積的尾砂具有較高的勢(shì)能，一旦發(fā)生潰壩會(huì)產(chǎn)生泥石流，可能對(duì)其下游居民和設(shè)施安全造成嚴(yán)重的威脅。

近期受到骨料礦山產(chǎn)能整合等政策的影響，傳統(tǒng)砂石骨料的短缺使更多學(xué)者認(rèn)識(shí)到尾礦潛在的資源屬性。此外，國(guó)家應(yīng)急管理部要求，自2020年起，在保證緊缺和戰(zhàn)略性礦產(chǎn)礦山正常建設(shè)開(kāi)發(fā)的前提下，全國(guó)尾礦庫(kù)數(shù)量原則上只減不增。因此，尾礦進(jìn)行資源化、減量化、無(wú)害化利用勢(shì)在必行。

1 尾礦的綜合利用方式

目前國(guó)內(nèi)尾礦主要利用方式有充填地下采礦區(qū)、有價(jià)元素再選、制備建筑材料及土地復(fù)墾等。以上利用方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：尾礦再選可節(jié)約磨礦成本，但回收率低、回報(bào)甚微且尾礦消耗量小；充填采空區(qū)可大量消耗尾礦，但耗用大量水泥，成本較高；尾礦用作建筑材料原料，成本低，消納量大，但受制于建筑材料運(yùn)輸半徑、有害物質(zhì)超標(biāo)及缺乏相關(guān)配套規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)等因素限制，很難大規(guī)模應(yīng)用。

2 尾礦用于采空區(qū)充填

尾礦用于充填采空區(qū)，可有效抑制地表沉陷和圍巖崩落，有效避免地表下沉和巷道破壞，改善地下應(yīng)力環(huán)境，達(dá)到地壓管理的目的，同時(shí)也減少了尾礦堆存占用土地，有助于實(shí)現(xiàn)無(wú)尾礦山。普通硅酸鹽水泥是國(guó)內(nèi)礦山主流充填膠凝材料，但水泥使用量大，成本較高，充填過(guò)程會(huì)排放產(chǎn)生較多CO2，強(qiáng)度低，特別是尾砂粒度較細(xì)時(shí)膠結(jié)作用更弱。

趙英良等人以招遠(yuǎn)黃金蠶莊金礦尾礦為原料，通過(guò)聚合反應(yīng)制作膠凝材料[1]。在堿熔溫度650 ℃、NaOH用量10%、堿熔時(shí)間40 min的條件下，膠結(jié)充填材料的28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.74～5.80 MPa，滿足充填采礦的要求。

膏體充填采礦法是近年來(lái)充填采礦法的研究熱點(diǎn)，具有 “一廢治兩害”的功用，其主要技術(shù)指標(biāo)有原材料粒度組成、膏體的泌水率、沉縮性能、塌落度、屈服應(yīng)力、固化膏體力學(xué)性能等。于潤(rùn)滄院士總結(jié)了各種采礦方法充填體單軸抗壓強(qiáng)度的選擇范圍(表1)，單軸抗壓強(qiáng)度值應(yīng)在0.2～5 MPa范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)外的研究成果以及多個(gè)礦山實(shí)踐表明，適合泵送的全尾砂膏體塌落度值為18～26 cm，膏體屈服應(yīng)力合理范圍為100～200 Pa，膏體凝結(jié)時(shí)間應(yīng)大于8 h[2]。

夏自峰等對(duì)大尹格莊金礦尾礦開(kāi)展了分級(jí)尾砂、全粒級(jí)尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。符合充填強(qiáng)度要求的充填配比有：①分級(jí)尾砂灰砂質(zhì)量比1∶6、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)68%、70%；②分級(jí)尾砂灰砂質(zhì)量比1∶8、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%；③全粒級(jí)尾砂灰砂質(zhì)量比1∶6、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%[3]。趙風(fēng)文等以磷石膏充填料為對(duì)象，利用生石灰堿基作為激活劑，得到的充填體最佳配合比為：磷石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，水泥與尾礦質(zhì)量比1∶6，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%[4]。

3 尾礦有價(jià)元素再選

因早期選礦設(shè)備、選礦工藝落后，造成了大量的有價(jià)元素和有用成分棄存于尾礦中，因此尾礦具有潛在的資源屬性。尾礦總量大，種類多，本文選取鐵尾礦為例進(jìn)行論述。

鐵尾礦中的鐵礦物嵌布粒度細(xì)，傳統(tǒng)的選礦技術(shù)難以分離回收。磁化焙燒-磁選和預(yù)富集-磁選-反浮選是兩種較常用的鐵尾礦再選工藝，尤其適用于品位低、嵌布粒度細(xì)的鐵尾礦。

馬鋼羅河礦尾礦鐵品位12.90%，具有再選價(jià)值。吳新義等人首先采用磁浮聯(lián)合流程對(duì)尾礦進(jìn)行預(yù)富集，隨后將預(yù)富集精礦進(jìn)行磁化焙燒-磁選，在最佳條件下，最終可獲得Fe品位64.30%、回收率45.90%、S品位0.110%的精礦[5]。

楊曉峰等采用“二段磁選預(yù)富集-懸浮磁化焙燒-磁浮聯(lián)合工藝”和“二段磁選預(yù)富集-懸浮磁化焙燒-單一磁選工藝”處理某細(xì)粒難選赤鐵礦。試驗(yàn)表明，預(yù)富集可將尾礦品位提高2.17倍，磁化焙燒過(guò)程中強(qiáng)磁性礦物轉(zhuǎn)化率為87.23%，最終可獲得品位63%以上的鐵精礦[6]。

4 尾礦用于建筑材料

尾礦用作建材原料可大量消耗尾礦，同時(shí)也可固化/穩(wěn)定有害物質(zhì)，阻止有害物質(zhì)的遷移。在建材方面，目前尾礦主要用于混凝土制備、制作免燒磚及混凝土砌塊、制作陶瓷及玻璃等。

4.1 尾礦用于替代混凝土材料

尾礦的化學(xué)成分、粒度、形狀等特征對(duì)混凝土性能有顯著影響。尾礦的礦物組成復(fù)雜，通常含有硅、鋁、鈣等成分，這些成分在制備混凝土?xí)r有助于水泥的水化反應(yīng)。但由于選別過(guò)程要求有用礦物充分解離，尾礦粒徑普遍不滿足細(xì)骨料級(jí)配要求。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在尾礦用作混凝土粗、細(xì)骨料、膠凝材料以及摻合料等方面進(jìn)行了研究。

王宇琨以鐵尾礦粉、水泥、膠粉為原料制造尾礦球并用作混凝土的粗骨料。合成的尾礦球粒徑9.5～16 mm，級(jí)配連續(xù)性較差，孔隙度較高。強(qiáng)度約35 MPa，壓碎值與堅(jiān)固性高于天然卵石骨料，吸水率較高，基本符合混凝土粗骨料的各項(xiàng)指標(biāo)要求，可用于拌和C40等級(jí)的混凝土[7]。

朱志剛等分別用密云鐵礦尾砂、遷安鐵礦尾砂、石英砂、河砂作細(xì)骨料制備UHPC(Ultra-High Performance Concrete，超高性能混凝土)和砂漿，并對(duì)比性能差異。試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種鐵礦尾砂均滿足建筑用砂性能要求，未篩分的鐵尾砂制備的砂漿試塊強(qiáng)度低于河砂試塊。篩除小于0.15 mm細(xì)粒級(jí)后制備的UHPC強(qiáng)度遠(yuǎn)高于河砂，但稍低于石英砂。試驗(yàn)說(shuō)明鐵尾砂可替代河砂用作細(xì)骨料[8]。

4.2 尾礦用于制作免燒磚及混凝土砌塊

劉俊杰等以包頭某鐵尾礦為主要原料，標(biāo)準(zhǔn)砂、熟石灰、水泥為輔料，采用加壓成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式制備免燒磚。在最優(yōu)配比下制備的免燒磚，7 d抗壓強(qiáng)度為12.14 MPa，符合MU10的強(qiáng)度等級(jí)要求，鐵尾礦摻量達(dá)60.98%[9]。

曾興華等以江西某地銅尾礦為原料制備蒸壓加氣混凝土砌塊，研究了蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝參數(shù)、尾砂取代比例、尾礦細(xì)度等因素對(duì)砌塊力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明尾礦取代比例增高會(huì)導(dǎo)致砌塊抗壓強(qiáng)度降低，尾礦細(xì)度越細(xì)砌塊強(qiáng)度密度比越大，抗壓強(qiáng)度越高[10]。

4.3 尾礦用于制作陶瓷及玻璃

多孔陶瓷具有高氣孔率、耐熱、耐腐蝕、比表面積大等性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于流體過(guò)濾、保溫隔熱、吸聲等領(lǐng)域。

楊潔等以某鋰輝石浮選尾礦、高嶺土、CMC-Na為原料制備多孔陶瓷材料。在最優(yōu)條件下，制備的多孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、表觀孔隙率和吸水率分別為5.6 MPa、4.66 MPa、52.48%和 44.32%，對(duì)甲基藍(lán)的吸附量高達(dá)0.7 mg/g。具有孔隙度高、吸水率高的優(yōu)點(diǎn)，尾礦用量可達(dá)80%[11]。

尾礦用作建筑材料是消耗量較大的一種利用方式，其運(yùn)輸半徑與建筑材料價(jià)值密切相關(guān)。國(guó)內(nèi)外已有不少的成功案例，在條件適宜的地方應(yīng)積極推廣，這不僅可減少尾礦堆存，同時(shí)具有變廢為寶的功效。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

我國(guó)尾礦產(chǎn)量巨大，尾礦的堆存占用了大量土地資源，同時(shí)也引發(fā)一系列環(huán)保和安全問(wèn)題，但全國(guó)尾礦總體利用率較低，主要利用方式為礦山采空區(qū)回填、生產(chǎn)建筑材料及回收有價(jià)金屬。

近年來(lái)尾礦研究取得了一定的進(jìn)展，尾礦綜合利用技術(shù)不斷豐富和發(fā)展，但仍然存在一些問(wèn)題。如：尾礦用作建筑材料受運(yùn)輸半徑、有害物質(zhì)超標(biāo)及缺乏相關(guān)配套規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)等因素限制，難以大規(guī)模應(yīng)用；尾礦再選回報(bào)甚微且消耗量?。挥糜诔涮畈傻V需耗用大量水泥、成本較高，且難以實(shí)現(xiàn)全尾砂充填。

未來(lái)仍需要加大研發(fā)投入，加強(qiáng)理論研究，研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)裝備，結(jié)合礦山實(shí)際情況，豐富尾礦綜合利用途徑，同時(shí)也需要政府給予政策保障和稅收優(yōu)惠等，以促進(jìn)科研成果向生產(chǎn)應(yīng)用轉(zhuǎn)化，推動(dòng)和規(guī)范尾礦綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展。