尾礦分級筑壩研究與工業(yè)化應(yīng)用

鄭 鵬

礦山開采出來的礦石，經(jīng)過選礦破碎，從中提取出有用礦物后，剩下的礦碴叫尾礦，它一般以礦漿狀態(tài)排出，以堆存方式進(jìn)行處理。由于尾礦處理對社會的生態(tài)建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有非常重要的意義，作者以某尾礦庫的實(shí)際案例展開分析：某礦區(qū)的現(xiàn)場可采用可移動式旋流分級設(shè)備來進(jìn)行尾礦的處理，以分級設(shè)備的現(xiàn)場為基礎(chǔ)，分析尾部分類過程的參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上逐步增加尾部分類系數(shù)和尾部操作庫的主要特征，對溢流尾礦的放礦數(shù)量、位置和對當(dāng)?shù)厮Y源影響的規(guī)律進(jìn)行分析，制定出某尾礦的分級筑壩所對應(yīng)的比例與相關(guān)控制參數(shù)。并以此為基礎(chǔ)，根據(jù)尾礦壩成壩尾礦袋分選方法進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，同時(shí)研究移動旋風(fēng)分級設(shè)備和路基的布置和應(yīng)用，揭示尾礦壩中尾礦的分類。對尾礦壩的相關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行細(xì)化，逐步從遠(yuǎn)到近，進(jìn)行逐層地碾平，自然地形成一個(gè)整體的大壩形式，從外觀來看也相對大氣美觀。測試的結(jié)果顯示，這樣的模袋筑壩技術(shù)有降低投入成本，提升尾礦利用率的優(yōu)勢，應(yīng)用到尾礦的處理工作中有深遠(yuǎn)的價(jià)值。

1 尾礦的來源與基本特點(diǎn)

礦產(chǎn)資源是不可再生的寶貴資源，是人類生產(chǎn)生活中最重要的能源、還是眾多工業(yè)原料的來源。開采過程中不可避免地產(chǎn)生大量尾礦，尾礦通常由石英、輝石、閃石、長石及其蝕變粘土、云母狀鋁硅等非金屬礦物組成。方解石、白云石等鈣鎂碳酸鹽礦物，可視為復(fù)合礦物材料。尾礦也有一些基本特征：它們是一種可以回收利用的資源。就我國礦產(chǎn)資源而言，有80%以上的礦藏都屬于伴生礦，由于礦藏的冶煉技術(shù)經(jīng)歷了很多發(fā)展，不同時(shí)期內(nèi)的技術(shù)能力也有很大的區(qū)別，導(dǎo)致大量的尾礦中還有很多可二次冶煉的金屬或者是非金屬物質(zhì)。比如我國黃金尾礦中還有含金量約0.2g/t～0.6g/t，鐵礦的尾礦中全鐵為8%～12%，鉛鋅尾礦中鉛鋅產(chǎn)量約0.2%～0.5%等等，這也說明了我國很多的尾礦還有極大的二次利用價(jià)值。同時(shí)，尾礦的顆粒度非常的高，通常以沉積現(xiàn)象的形式發(fā)生。我國許多礦產(chǎn)種類非常少，共生關(guān)系非常復(fù)雜，要二次利用必須要進(jìn)行研磨才能得到很高的品位。通過相關(guān)的統(tǒng)計(jì)顯示，我國大部分的尾礦顆粒度都在0.15mm～0.07mm以下的范圍內(nèi)。同時(shí)尾礦的數(shù)量非常的巨大，且種類也非常多，其中所含的成分也不盡相同，其關(guān)系體現(xiàn)得非常的復(fù)雜。

尾礦筑壩是一種最好的尾礦處理方法，要遵循尾礦筑壩利用的處理原則。尾礦壩的施工原則；應(yīng)因陋就簡，就地取材，減少物質(zhì)運(yùn)距與費(fèi)用；先建泄水構(gòu)筑，后建壩體；按設(shè)計(jì)要求坡度建筑，即不要小于設(shè)計(jì)坡度，又不能大于設(shè)計(jì)坡度；建造土壩時(shí)，要邊填土邊壓實(shí)，建塊石壩時(shí)，要有一定厚度的水泥砂漿填料，建造混凝土壩時(shí)，按水利工程要求施工；施工時(shí)要設(shè)施工監(jiān)理，施工完成后要由有關(guān)設(shè)計(jì)、使用單位驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后才能使用。利用這樣的尾礦處理方法對我國部分地區(qū)的水土流失做出了很大的貢獻(xiàn)，在很多的礦區(qū)都有進(jìn)行應(yīng)用，對于礦區(qū)環(huán)境的生態(tài)修復(fù)起到了很大的促進(jìn)作用。

尾礦筑壩的特點(diǎn)：第一為了少占農(nóng)田，往往建在地形條件差坡陡的狹窄山谷，庫容小，匯水面積大，調(diào)洪庫容小，致使尾礦壩壩高，壩內(nèi)水位高，形成人工建造的具有高勢能的“泥石流”。因此，對尾礦壩防洪設(shè)施需要有特別的要求。其二，尾礦壩筑壩材料多為選礦廠排出的尾礦漿，其粒度變化受磨礦細(xì)度控制，不同的尾礦有不同的物理特性，就給筑壩和壩體帶來不同影響，通常尾礦沖填壩體內(nèi)浸潤線都偏高，對礦壩的穩(wěn)定性、壩趾的滲流、管涌及飽和尾礦的地震液化等都應(yīng)予以高度重視。尾礦壩為了堆存尾礦，使尾礦漿沉積固積，只要涌出的水不渾濁，無污染就沒有完全隔水的必要，因此，在尾礦壩構(gòu)造上應(yīng)以透水性為原則。既有透水要求，又不能漏出礦漿或發(fā)生管涌現(xiàn)象，可見，尾礦壩比水庫壩復(fù)雜得多。尾礦壩的專業(yè)知識涉及到水文氣象、水工、巖土工程、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、礦山生產(chǎn)及環(huán)保等專業(yè)，有邊緣學(xué)科的特點(diǎn)。其三，礦山生產(chǎn)的迅速發(fā)展，使選礦廠排出的尾礦量及“三廢”急劇增加，環(huán)保、占地、復(fù)墾都提到議事日程上來，其中尾礦所含有害物質(zhì)如不能妥善處理，必然造成日趨嚴(yán)重的污染。

2 選礦工藝的確定過程

不同類型礦床是否作為資源而利用首先在地質(zhì)勘探時(shí)就對礦石進(jìn)行可選性試驗(yàn)研究，在當(dāng)代技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可否利用，能利用的可以開發(fā)；暫不能利用的即作為呆礦而保存。礦石可選性試驗(yàn)研究一般由具有資質(zhì)的研究單位或機(jī)構(gòu)進(jìn)行，在試驗(yàn)室內(nèi)對礦石進(jìn)行工藝礦物學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)與選礦工藝學(xué)研究。在選礦工藝學(xué)上可進(jìn)行不同工藝類型、不同磨礦細(xì)度、不同選礦藥劑及其含量、不同其它條件以及綜合條件等多方面的研究，然后推薦一種或多種工藝流程。如果一個(gè)單位試驗(yàn)結(jié)果不滿意，可以同時(shí)委托多個(gè)單位分別進(jìn)行試驗(yàn)，最后由使用單位邀請各路專家對其工藝流程進(jìn)行評判，若此不能確定，則應(yīng)進(jìn)行中間試驗(yàn)。當(dāng)確定使用工藝流程后交由設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、投產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)。

我國選礦工藝技術(shù)在近些年來得到了很大的進(jìn)步，主要體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：一是選礦工藝技術(shù)逐漸完善，正在追趕世界其它國家的先進(jìn)水平，形成了多種的選礦工藝流程，進(jìn)行了持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，讓尾礦的利用率得到了更好的提升；二是選礦從浮選、球磨或者破碎設(shè)備及其它選冶設(shè)備都日新月異，層出不窮，做到高效節(jié)能，并向自動控制方面邁進(jìn)；三是新工藝、新技術(shù)、新材料、新藥劑、新設(shè)備應(yīng)用越來越先進(jìn)，越來越完善，越來越經(jīng)濟(jì)，并隨著社會發(fā)展與時(shí)代進(jìn)步而攀登科學(xué)技術(shù)高峰。

3 尾礦的處理現(xiàn)狀

相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國尾礦固體廢棄物的產(chǎn)出量巨大，其存量也非常多，由于尾礦的處理率不足，大量的尾礦都堆積在礦山的周圍，給環(huán)境帶來了各種危害。第一、堆積占用了大量的土地，導(dǎo)致礦區(qū)的種植面積大量減少。在一些老舊礦庫的關(guān)閉和新礦庫的增加過程中，尾礦所占用土地的比例更甚；第二、不同類型的尾礦對自然資源都造成不同情況的污染，很多的尾礦會在風(fēng)的作用下產(chǎn)生揚(yáng)塵，自然釋放對人體有毒的煙霧。因?yàn)楦∵x運(yùn)輸?shù)奈驳V主要含有大量化學(xué)物質(zhì)，這些大量的尾礦藥劑會對土壤的成分帶來極大的破壞，讓土壤的土質(zhì)發(fā)生變化，還會不斷地深入為地下水和周圍的河流造成很大的污染，導(dǎo)致了尾礦當(dāng)?shù)氐乃h(huán)的平衡遭到破壞；第三、安全方面存在隱患，我國現(xiàn)有大量尾礦年久失修，在外界雨水等自然因素的侵入下，超載運(yùn)行使用，容易發(fā)生尾礦潰壩。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)存的各類尾礦高達(dá)12526座，其中三等以上的大中型尾礦僅占4%左右，其余的都是四、五等的小型尾礦庫。尾礦庫數(shù)量如此之大對相應(yīng)的礦區(qū)環(huán)境和周圍居民的生命健康安全形成了一種潛在性的威脅；第四，大量的尾礦也是一種資源的浪費(fèi)，由于礦藏都是不可再生的資源，許多尾礦中含有許多有用物質(zhì)，這些有用物質(zhì)會在尾礦廢物中流失，使不可再生資源的利用未達(dá)到最好的效果。如果將大量的尾礦進(jìn)行二次的利用，減少尾礦對環(huán)境的污染成年古代，節(jié)約土地資源的同時(shí)消除礦區(qū)居民的安全隱患，通過高效循環(huán)利用，再創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境發(fā)展同步。一方面補(bǔ)給礦產(chǎn)資源枯竭、礦石品位低的現(xiàn)狀，另一方面也對逐漸的提升人們的環(huán)境保護(hù)意識，讓尾礦的回收發(fā)揮更加積極的社會意義。

由于我國對尾礦的利用率嚴(yán)重的不足，相比之下煤矸石、粉煤灰和其他的一些工業(yè)性固體廢物的利用率還會比較高。其實(shí)，尾礦的利用途徑是根據(jù)其成分來定的，總體來說尾礦的利用途徑可分為以下幾種：第一、利用尾礦制作陶瓷制品、玻璃、水泥等建筑材料；第二、利用尾礦進(jìn)行有價(jià)的資源回收，可從金屬尾礦中提取出金、鐵、銀、銅、鉛等一些金屬有用的成分；第三、利用尾礦進(jìn)行礦區(qū)采空區(qū)的充填，有效防止采空區(qū)的塌陷；第四、進(jìn)行覆土造田作業(yè)來進(jìn)行相應(yīng)適宜的農(nóng)作物種植，也可以修公路、筑壩、修海岸等；第五、借助生物的方法來部分尾礦的處理。由于一些尾礦的成分與陶瓷類建材的成分相近，可進(jìn)行大量的尾礦利用制作人們需要的建材，還會由于尾礦本身含有的特殊性微量元素讓建筑材料的某些性能得到有效地改善。除此之外，將一些尾礦作為建筑混凝土生產(chǎn)的原材料，其混凝土材料的硬度、防火性有很高的強(qiáng)度，可制作出一系列的墻體材料、耐火材料、建筑的路基或者是路面瀝青的混合拌料。對于一些礦區(qū)的采空區(qū)，出現(xiàn)塌陷和泥石流的危險(xiǎn)因素較大，利用尾礦進(jìn)行適當(dāng)?shù)男迯?fù)是最好的辦法。通過廢石、尾礦、河沙等為原材料將膠凝材料填入到礦區(qū)的采空區(qū)，有膠結(jié)充填和高水固結(jié)充填兩種適用的方法，這樣的兩種工藝可借助自流或者是高濃度泵送的方式達(dá)到更好的作業(yè)效果。還有一部分的尾礦含有鐵、鉬、鋅、釩等很多種類的微量性元素，可將其制作成不同種類的肥料，并以此來對不良的土壤進(jìn)行對應(yīng)的改善。整體來看，我國的尾礦利用率有明顯的不足，與世界先進(jìn)的美國和俄羅斯等處理技術(shù)相比，還存在很大的差距，先進(jìn)的尾礦處理要達(dá)到無尾礦的情況才是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的最終目標(biāo)。

4 尾礦分級筑壩研究實(shí)際案例

4.1 某礦區(qū)尾礦項(xiàng)目背景

某礦區(qū)尾礦庫的服務(wù)能力很強(qiáng)，筑壩的工程量非常大、排放的濃度也較高。通過對該大型煤礦庫的運(yùn)行情況考察發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)尾礦庫主要存在以下幾個(gè)方面的問題：第一、尾礦的排放濃度高達(dá)20μm，其空氣的細(xì)顆粒之間產(chǎn)生的靜電作用導(dǎo)致了粗顆粒的尾礦逐漸下沉，利用藥劑方尾礦的粘粒始終被水膜包裹，從而導(dǎo)致了尾礦無法及時(shí)地進(jìn)行固結(jié)；第二、由于尾礦庫的上升速度較快、工程量大且堆壩的時(shí)間較短。該尾礦庫對非冰凍區(qū)壩體的施工每半年就可以完成近5m大壩堆砌的工作量，同時(shí)筑壩的軸線也不斷延長，需要進(jìn)行新型高效及時(shí)的探索，借助尾礦的高效利用來提升尾礦的回收利用價(jià)值；第三、該尾礦庫的尾礦顆粒含量較高，進(jìn)入尾礦庫的滲透性很差，同時(shí)力學(xué)的強(qiáng)度低，其壩體的穩(wěn)定性與強(qiáng)度都很難得到有效地保障。綜合而言，高寒地區(qū)膏體尾礦安全快速筑壩是現(xiàn)階段該礦區(qū)建設(shè)運(yùn)行的最大難題，必須與該尾礦特性和壩區(qū)環(huán)境相協(xié)同和適應(yīng)的有效方法，讓尾礦的利用實(shí)現(xiàn)高效、安全、成本投入低的筑壩工藝安全技術(shù)效果。通過測試對該尾礦的分層筑壩效果的可行性展開分析。

4.2 某礦區(qū)尾礦項(xiàng)目的技術(shù)性內(nèi)容

現(xiàn)場測試模擬了移動旋流站膏體尾礦分級筑壩現(xiàn)場試驗(yàn)，其筑壩方式選擇了利用裝備化膜袋作為大壩的埂式支撐，然后聯(lián)合利用了分級尾砂進(jìn)行填充。采用的分級尾砂模袋的部分利用模袋法自動筑壩，部分分類尾礦回填通過移動旋風(fēng)站建造分級壩進(jìn)行回收。會議討論決定，以該礦區(qū)的現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)來展開工作，對之前的系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，同時(shí)膜袋充灌采用的是該尾礦區(qū)原尾礦石。其測試流程如下：第一、選擇了30個(gè)不同的點(diǎn)位灘面檢測，同時(shí)檢查了其十字板的強(qiáng)度、硬度與含水量；第二、選取了2個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行灘面礦石的原樣檢測，主要檢測原礦石的密度與含水量；第三、分別選取了40%、45%、50%三種濃度情況下對其流產(chǎn)率、沉底砂的含水量、時(shí)間的變化規(guī)律等參數(shù)進(jìn)行檢測；第四、計(jì)算尾礦的細(xì)讀產(chǎn)率，選擇了一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，通過以上三種不同情況的實(shí)驗(yàn)條件與相關(guān)規(guī)律的測試找出對應(yīng)的規(guī)律；第四、選擇4個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)測試其實(shí)驗(yàn)周期的含水量、濃度、-200目細(xì)度、-325目細(xì)度的規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示：第一、尾砂粒級+200目含量在75%～80%適合于分級筑壩所要求的粒徑；第二、所采用的本次分級筑壩試驗(yàn)得出尾砂的砂產(chǎn)量約為30%左右，可有效解決小直徑的旋流器的應(yīng)用問題。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)可以通過這樣的測試給分級筑壩問題帶來實(shí)用性的方向支持，在運(yùn)行參數(shù)、旋流器的移動、溢流管放礦的應(yīng)用方式方面都有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

4.3 某礦區(qū)尾礦項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)容及經(jīng)濟(jì)效益

此次測試了該尾礦庫的分級尾礦模袋成壩法，采用移動式分級設(shè)備與模袋隔梗的現(xiàn)場布置方式，正在引進(jìn)由遠(yuǎn)至近分級噴砂、擠淤的大壩施工方法，以及通過噴砂壓實(shí)下層提高承載力的其他技術(shù)措施，應(yīng)用了移動的分級設(shè)備對拋砂厚度進(jìn)行及時(shí)處理。在此基礎(chǔ)之上，優(yōu)化筑壩工藝參數(shù)及運(yùn)行管理，最終形成尾礦分級筑壩技術(shù)。該尾礦庫從很大程度上對尾礦筑壩的安全性和可靠性進(jìn)行了實(shí)際的提升，借助統(tǒng)一筑壩、分期施工的方式完成了筑壩的施工方案，將采場采礦所剝離的廢石進(jìn)行了更好的二次回收利用，現(xiàn)場的服務(wù)年限較長，達(dá)到了20年。同時(shí)采用旋流器飛機(jī)筑壩技術(shù)的過程中，所耗費(fèi)的工程費(fèi)用比傳統(tǒng)的方式更加低廉，達(dá)到了試驗(yàn)測試減低成本的期望效果。但該技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域三級以下的小礦山，在大型礦山的應(yīng)用技術(shù)還有待深入研究。但從分級筑壩技術(shù)對于尾礦的處理來看，這樣的技術(shù)發(fā)展有極為深遠(yuǎn)的價(jià)值和意義。

5 結(jié)語

綜上所述，利用尾礦進(jìn)行分級筑壩技術(shù)是進(jìn)行尾礦處理的一種最佳方式，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到對所有礦區(qū)尾礦處理的實(shí)際需求。要更好地處理大量的工業(yè)采集尾礦，不僅要進(jìn)行分級筑壩技術(shù)工藝的應(yīng)用，還要進(jìn)行不斷的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。由于我國尾礦的數(shù)量巨大，且種類繁多，要做到更好的處理，必須有相關(guān)的人士進(jìn)行不斷地研究。不僅要豐富尾礦處理的理論基礎(chǔ)，更要在不斷的技術(shù)應(yīng)用中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，通過工藝技術(shù)的進(jìn)步有效解決尾礦處理中遇到的實(shí)際問題。世界上有很多尾礦處理理念先進(jìn)的國家，要進(jìn)行不斷地學(xué)習(xí)和提升才能不斷進(jìn)步，同時(shí)創(chuàng)新我國的尾礦處理的新技術(shù)研究。尾礦處理的技術(shù)的發(fā)展領(lǐng)域非常寬泛，要根據(jù)尾礦的實(shí)際材質(zhì)和成分進(jìn)行實(shí)際的分析，針對性地制定出對應(yīng)的方案，讓尾礦成為可回收的二次利用資源，將尾礦的處理技術(shù)進(jìn)行全面提升，實(shí)現(xiàn)尾礦處理技術(shù)與生態(tài)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)同步發(fā)展。