細(xì)粒級金屬尾砂的綜合利用及在礦山充填中存在的問題和對策

劉娟紅 周在波

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.城市地下空間工程北京市重點實驗室,北京 100083)

隨著土木工程、汽車制造、電子電器等行業(yè)的發(fā)展，我國對鐵、鋁、銅等金屬的需求不斷增加[1-2]?，F(xiàn)階段我國礦產(chǎn)資源呈現(xiàn)“貧、細(xì)、雜”的特點，資源開發(fā)難度較大。為提高資源利用率和有用礦物解離度，需在礦石選別前應(yīng)用超細(xì)粉磨工藝，由此產(chǎn)生大量細(xì)粒級尾砂[3-4]。金屬礦山傳統(tǒng)的尾砂處理方法以筑壩堆存為主。目前，我國的尾礦庫數(shù)量超過12 600座，尾礦累計堆存量達231億t，其中金屬尾砂占90%以上[5]。尾礦壩需要足夠的粗顆粒含量以抬高堤壩，而細(xì)粒級尾砂中粗顆粒含量較少，抗剪強度低、滲透性差、承載能力低，因而將細(xì)粒級尾砂進行筑壩堆存具有較高的安全隱患[6]。國內(nèi)外尾礦庫的潰壩事故時有發(fā)生，2008年山西省襄汾“9.8”尾礦庫潰壩事故，造成了281人死亡[7];2010年9月紫金礦業(yè)錫礦尾礦庫發(fā)生潰壩事件，導(dǎo)致22人死亡[8];2019年巴西“1.25”尾礦庫潰壩事故造成270人死亡或失蹤[9]。可見，尾礦的堆存可能造成嚴(yán)重的環(huán)境和安全問題。鑒于此，安全管理機構(gòu)將尾礦壩列為安全生產(chǎn)的9個重大災(zāi)害危險源之一，評價其危害性甚至大于火災(zāi)[10]。

開發(fā)細(xì)粒級金屬尾砂的多途徑利用方法，提高金屬尾砂的利用率，是目前研究工作的重點。近年來，金屬尾砂在建筑材料中的應(yīng)用有了長足的發(fā)展，主要體現(xiàn)在利用尾礦廢石加工生產(chǎn)建設(shè)用碎石和機制砂，以北京為例，30%以上的建設(shè)用砂石為密云、承德等地的尾礦廢石所制備。但是，細(xì)粒級金屬尾砂屬于細(xì)砂、特細(xì)砂或細(xì)粉范疇，不能作為骨料應(yīng)用于混凝土中。因此，尾礦實現(xiàn)綜合利用的關(guān)鍵在于找到細(xì)粒級尾砂大量且持續(xù)的利用和消納途徑。細(xì)粒級金屬尾砂通常含有SiO2、Al2O3、CaO等化學(xué)成分，但活性較差，因而在混凝土、砂漿等建筑材料中摻量較低;同時，隨著細(xì)粒級尾砂摻量的增加，試件孔隙率增大且強度明顯降低，對混凝土的耐久性產(chǎn)生較大的不利影響[11]。因此，細(xì)粒級尾砂在建筑材料領(lǐng)域的規(guī)?；咝?yīng)用有待進一步研究。在“雙碳”背景下，細(xì)粒級尾砂規(guī)?；瘧?yīng)用的研究方向是微粉摻合料，尾砂微粉摻合料在混凝土和砂漿中的常態(tài)化應(yīng)用將成為主渠道，也將是未來發(fā)展的方向和客觀要求。

將細(xì)粒級尾砂用于采空區(qū)充填是最便捷的途徑，具有顯著的生態(tài)和環(huán)境效益。尾砂充填主要包括尾砂濃密、充填材料制備、充填材料輸送、充填材料的硬化等過程。由于細(xì)粒級尾砂的比表面積較大，在濃密過程中存在沉降速度慢、料漿濃度低等問題，導(dǎo)致制備的充填材料力學(xué)性能較差，且容易出現(xiàn)泌水現(xiàn)象[12]。因此，實現(xiàn)細(xì)粒級尾砂大宗化應(yīng)用于礦山充填，如何進一步改善充填材料的工作與力學(xué)性能亟需得到關(guān)注和研究。

本文對細(xì)粒級金屬尾砂在建筑材料和礦山充填等領(lǐng)域中的應(yīng)用進行綜合評述，分析了細(xì)粒級金屬尾砂在應(yīng)用中存在的問題與不足。結(jié)合筆者所在課題組的研究成果，提出了細(xì)粒級金屬尾砂在應(yīng)用中的建議和對策，為細(xì)粒級尾砂高附加值和大宗化的應(yīng)用提供技術(shù)和理論支撐。

1 細(xì)粒級金屬尾砂應(yīng)用現(xiàn)狀和面臨的問題

1.1 細(xì)粒級尾砂應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，將平均粒徑Dp介于0.019～0.03 mm，同時滿足+0.075 mm粒級含量＜10%且+0.037 mm的含量≤30%的尾砂稱為細(xì)粒級尾砂[13]。金屬礦開采剩余的尾砂中細(xì)粒級尾砂已經(jīng)占較高的比例。如金川選銅尾渣d90=69.18 μm，年產(chǎn)量達到120萬t;水銀洞金礦尾砂平均粒徑僅為22.03 μm，其中粒徑小于20 μm的尾砂占66.13%[14];凡口鉛鋅礦的溢流尾砂粒徑皆小于100 μm，平均粒徑為25.31 μm，小于20 μm粒徑的尾砂占47.15%，年產(chǎn)量也超過100萬t[15]。隨著礦石品位的降低，細(xì)粒級尾砂的產(chǎn)出率將越來越高。

我國每年產(chǎn)生超過300萬t細(xì)粒級尾砂，由于細(xì)粒級尾砂含有大量細(xì)粉及黏土質(zhì)組分，利用難度較大，目前利用率不足5%。如何安全、經(jīng)濟地處置這些細(xì)粒級尾砂是亟待解決的問題。目前國家出臺了眾多法律法規(guī)，支持和鼓勵尾礦、煤矸石、建筑垃圾等大宗固廢的資源化利用[10]。國家發(fā)展和改革委員會等部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》提出，到2025年煤矸石、尾礦(共伴生礦)等大宗固廢的綜合利用能力顯著提升，新增大宗固廢綜合利用率達到60%。在國家政策的推動下，2018年我國尾礦的綜合利用率已達27.69%，并且近幾年綜合利用率在不斷提高，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到理想的開發(fā)利用力度。

1.2 細(xì)粒級尾砂堆存面臨的主要問題

將細(xì)粒級尾砂進行筑壩堆存是目前公認(rèn)的相對經(jīng)濟且比較成熟的尾砂處理方式，但是尾砂堆存仍然面臨大量問題:

(1)細(xì)粒級金屬尾砂堆存嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境。金屬尾礦一般是未經(jīng)處理就堆存，部分尾礦中含有過量重金屬，長期堆存將嚴(yán)重污染河流及地下水源，對周圍生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。如2017年7月湖南省花垣縣尾礦庫泄漏造成嚴(yán)重的重金屬污染，谷物檢測鉻元素超標(biāo)率為100%，鉛元素超標(biāo)6倍;土壤檢測鎘和鋅超標(biāo)率為100%，鎘元素超標(biāo)87.8倍。

(2)細(xì)粒級金屬尾砂堆存的安全風(fēng)險高。尾礦庫堆存是我國尾礦處置的主要途徑，而低濃度排放(20%～30%)是目前主要的處置方式。尾礦庫的使用年限一般為50 a，當(dāng)前大部分尾礦庫企業(yè)缺乏風(fēng)險意識，安全風(fēng)險管控措施制定不科學(xué)或者落實不到位，如遭遇洪水、地質(zhì)等方面的災(zāi)害，極易引發(fā)尾礦庫的潰壩事故，且細(xì)粒級尾砂進行筑壩堆存具有更高的安全隱患。

(3)尾礦庫新批、新建、擴容困難。我國多地雖未正式出臺停止新批新建尾礦庫的管理辦法，但實際上多數(shù)新建尾礦庫的申請難以獲批。2020年，應(yīng)急管理部正式印發(fā)的《防范化解尾礦庫安全風(fēng)險工作方案》，嚴(yán)禁批準(zhǔn)“頭頂庫”以及運行狀況與設(shè)計不符的尾礦庫加高擴容項目，提出“在保證緊缺和戰(zhàn)略性礦山礦產(chǎn)正常建設(shè)開發(fā)的前提下，全國尾礦庫數(shù)量原則上只減不增”的目標(biāo)。

(4)對尾砂的資源化利用認(rèn)識不足。尾砂在建材、陶瓷、玻璃的制備工藝中都有廣泛的研究，但企業(yè)對尾砂的潛在價值認(rèn)識不足，尾砂的科研成果轉(zhuǎn)化率較低。同時，由于國家對尾砂的利用扶持政策不完善，且建材產(chǎn)品的低附加值和運輸費用高等的問題，礦山企業(yè)能夠?qū)ξ采斑M行資源化利用的較少。

總體上看，有必要為尾砂和尾礦粉找到大的消納出口，同時國家給予政策引導(dǎo)和扶持，這是低碳發(fā)展的客觀需求。

2 細(xì)粒級金屬尾砂的綜合利用

2.1 制備水泥和生態(tài)膠凝材料

普通硅酸鹽水泥是常用的水硬性膠凝材料之一，每生產(chǎn)1 t水泥，需要消耗1.55 t生料，大約排放0.55 t二氧化碳，消耗110 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，排放大量二氧化硫、氮氧化物。2021年我國每年的水泥產(chǎn)量超過23 億t，消耗了大量的資源。金屬尾砂主要成分為SiO2、Fe2O3、Al2O3等氧化物，礦物成分主要為石英、長石、云母及赤鐵礦等，可以將尾砂作為水泥制備過程中的補鐵材料或者提供硅的材料。LUO等[16]證實可以使用金屬尾砂替代黏土制備水泥熟料，在生料中加入尾砂有利于改善粉磨性能，促進燒結(jié)進程，如在熟料粉磨時加入尾砂可以降低膠凝材料的水化熱。尾砂摻量為10%時，對水泥礦物相形成影響較小，在1 420 ℃燒制1 h，膠凝材料的抗壓強度可以達到P·O 42.5水泥強度標(biāo)準(zhǔn)，尾砂的摻量越高，膠凝材料的強度越低[17]。王長龍等[18]將鉬尾砂與水泥熟料、礦渣和脫硫石膏復(fù)配(質(zhì)量比4∶2∶3∶1)，粉磨80 min后28 d抗壓強度可以達到52.1 MPa。尾砂中的SiO2和Al2O3含量對膠凝材料強度有較大影響，不同尾砂的氧化物含量不同，制備膠凝材料的過程中可以通過尾砂與Al2O3或者鋁含量高的尾砂(赤泥)、礦粉復(fù)配使用，提高尾砂的膠結(jié)性能。

在制備水泥和生態(tài)膠凝材料方面，細(xì)粒級尾砂因其具有更高的細(xì)度，能夠降低粉磨成本，使用細(xì)粒級尾砂制備膠凝材料可以為水化反應(yīng)提供更多的成核位點，促進水化反應(yīng)的進程，同時細(xì)粒級尾砂的火山灰活性可以促進膠凝材料長期強度的發(fā)展[19]。細(xì)粒級尾砂應(yīng)用于膠凝材料的研究重點在于燒制溫度和尾砂中SiO2含量。細(xì)粒級尾砂燒制熟料時，燒結(jié)溫度可以降低100～150 ℃，控制燒結(jié)溫度的同時應(yīng)該考慮燒結(jié)溫度對尾砂活性的影響，通過對熟料品質(zhì)及尾砂活性的耦合研究，最大化發(fā)揮尾砂價值[20];尾砂中的微量元素及特殊礦物能夠促進C3S的形成，提高膠凝材料的力學(xué)性能，但是SiO2和雜質(zhì)氧化物含量高的尾砂不能用于熟料生產(chǎn)，因此應(yīng)該明確尾砂中氧化物含量對膠凝材料性能的影響[21]。

2.2 制備砂漿及混凝土等水泥基材料

高性能混凝土及砂漿離不開優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料和骨料。將細(xì)粒級尾砂用作礦物摻合料和細(xì)骨料制備砂漿或者混凝土已經(jīng)取得了較多研究成果。ISMAIL等[22]、ZHAO等[23]均證實將平均粒徑介于1～5 mm的金屬尾砂用作細(xì)骨料是可行的，但尾砂摻量越高，試件強度越低。尾砂替代細(xì)骨料摻量不超過40%，尾砂對混凝土的影響較小，當(dāng)尾砂摻量為20%時，混凝土28 d抗壓強度可以提高17.4%。細(xì)粒級尾砂比表面積較大，用作混凝土骨料時，建議將替代比例控制在5%～10%，一定比例的細(xì)粒級尾砂可以發(fā)揮級配效應(yīng)，減少有害孔數(shù)量，提高漿體與骨料之間的密實度，提高混凝土及砂漿的耐久性。但細(xì)粒級尾砂更適合用作混凝土摻合料，細(xì)粒級尾砂可以提供晶核，促進水化反應(yīng)的進行[24-25]。吳瑞東[26]通過大量微觀分析證實細(xì)尾砂表面存在大量Si—O、Al—O斷鍵，尾砂比表面積越大，斷鍵數(shù)量越多，在堿性條件下，斷鍵會發(fā)生重聚，提高水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性，細(xì)粒級尾砂的摻入可以優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，提高抗凍性和抗侵蝕性能。此外，為提高細(xì)粒級尾砂在水泥基材料中應(yīng)用的附加值，可以將細(xì)粒級尾砂制備水泥基灌漿材料和壓漿料。

使用細(xì)粒級尾砂制備水泥基材料的研究重點大多在力學(xué)性能的提升，對于混凝土及砂漿的工作性能研究較少。細(xì)粒級尾砂中含有一定量的黏土組分，添加細(xì)粒級尾砂后混凝土坍落度下降，黏聚性及保水性能提高[27]。因此，為了提高細(xì)粒級尾砂在水泥基材料中的利用率，有必要加強不同種類超塑化劑對細(xì)粒級尾砂制備混凝土的工作及力學(xué)性能的耦合研究，明確不同種類尾砂適宜的超塑化劑種類及摻量。

2.3 與礦渣粉復(fù)合制備混凝土復(fù)合摻合料

礦物摻合料已經(jīng)成為現(xiàn)代混凝土必不可少的組分。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模進行，混凝土的需求量不斷增加，粉煤灰、礦渣粉等優(yōu)質(zhì)摻合料逐漸減少，致使礦物摻合料供應(yīng)不足、價格飛漲。為彌補粉煤灰、礦渣等傳統(tǒng)摻合料資源的供應(yīng)不足，利用細(xì)粒級金屬尾礦制備混凝土復(fù)合摻合料具有重大的環(huán)保和經(jīng)濟意義。HAN等[28-31]在鐵尾礦細(xì)粉制備混凝土復(fù)合摻合料方面進行了大量的研究，結(jié)果表明:當(dāng)鐵尾礦細(xì)粉摻量不超過膠凝材料質(zhì)量的30%時，對水泥膠砂抗壓強度的影響較小;高溫促進含礦渣和鐵尾礦粉復(fù)合膠凝材料的水化放熱，總放熱量隨礦渣摻量的增大而增加;摻入鐵尾礦細(xì)粉可明顯改善硬化漿體后期的孔結(jié)構(gòu)，水化后期含礦渣和鐵尾礦細(xì)粉的硬化漿體最可幾孔徑和累計孔體積顯著低于純水泥試樣，在低水膠比時這種現(xiàn)象更明顯;摻入石膏能明顯提高含鐵尾礦細(xì)粉復(fù)合膠凝材料的早期膠砂強度，且增加后期硬化漿體中C—S—H凝膠的鈣硅摩爾比和硫硅摩爾比，但對鋁硅摩爾比沒有影響。鐵尾礦細(xì)粉顆粒與水泥、礦渣顆粒形成良好的級配，可使硬化漿體的結(jié)構(gòu)更加致密，鐵尾礦細(xì)粉和礦渣粉制備混凝土復(fù)合摻合料可改善混凝土的耐久性。

2.4 活化制備混凝土摻合料

金屬礦尾砂主要礦物組成為石英、長石、方解石等，結(jié)晶度較高，活性較低，直接將細(xì)粒級尾砂用作摻合料可行性較小[32]。但可以通過化學(xué)激發(fā)或表面改性等手段使尾砂活性指數(shù)提高到80%以上，且達到混凝土用Ⅱ級粉煤灰指標(biāo)要求，可以替代粉煤灰用作礦物摻合料[33]。金屬尾砂的活化方式主要有熱活化、機械活化和化學(xué)活化以及復(fù)合活化。

熱活化是將尾砂進行熱處理，使其具有火山灰活性。熱活化對含有高嶺石、云母等黏土礦物的尾砂效果尤為明顯，在高溫煅燒的過程中玻璃相含量增加[34-35]。易忠來等[35]研究了不同活化溫度對鐵尾砂膠凝活性的影響，通過測試活化后鐵尾砂的膠砂強度，確定活化溫度為700 ℃時，膠砂強度最高。但熱活化存在能耗大、成本高、工藝復(fù)雜等問題。

機械活化是對尾砂進行粉磨，減小粒徑尺寸，增加尾砂的比表面積。尾砂在機械力的作用下具有較高的表面能，能量存儲過程使尾砂處于高能活化狀態(tài)，尾砂的結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)的變化，同時增加了尾砂表面的化學(xué)活性位點，使尾砂更容易與其他材料相互作用[19，36]。機械活化尾礦的火山灰活性隨粉磨時間的延長而逐漸增強[37]。YAO等[25]研究發(fā)現(xiàn)，機械活化后，尾砂中鋁硅酸鹽礦物表現(xiàn)出火山灰活性，但機械活化后尾砂的活性指數(shù)較低，遠(yuǎn)低于高爐礦渣粉的活性指數(shù)。對于細(xì)粒級尾砂來說，繼續(xù)粉磨提高比表面積的難度較大。

化學(xué)活化是通過添加不同種類的化學(xué)試劑來提高尾砂的反應(yīng)活性。最常使用的活化劑是氫氧化物或者堿性鹽類，如NaOH、KOH、Na2SiO3等[38-39]。堿性活化的材料與硅酸鹽水泥相比，具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，硬化體的孔隙率較低，抗侵蝕性能好[40-41]。堿性活化劑的濃度對活化效果有較大的影響:濃度較低，延緩活化反應(yīng)進程;濃度較高，會導(dǎo)致收縮增大，強度降低，有可能會出現(xiàn)“泛堿”現(xiàn)象[42]。由于堿激發(fā)材料中活化劑的摻量較高，活化劑的制備消耗大量資源，相應(yīng)增加了碳排放。

目前，對于尾砂活性的研究多以全尾砂為主，細(xì)粒級尾砂本身具有的活性優(yōu)勢未被研究者所重視。細(xì)粒級尾砂在選礦超細(xì)粉磨的過程中，表面已經(jīng)具有較多的Si—O和Al—O斷鍵，LIU等[43]通過紅外分析，證實Si—O鍵向低波數(shù)方向移動，表明細(xì)粒級尾砂在合適的液相環(huán)境中具有一定的自膠結(jié)性能。因此，細(xì)粒級金屬尾砂可以通過化學(xué)激發(fā)或表面改性等手段，制備混凝土摻合料。

針對金屬尾礦摻合料，我國2014年頒布第一部地方標(biāo)準(zhǔn)，即福建省地方標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的鉛鋅、鐵尾礦微粉》(DB35/T 1467—2014);2020年頒布實施中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的鉛鋅、鐵尾礦微粉》(T/CECS 10103—2020)和《鉛鋅、鐵尾礦微粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 732—2020)。今后會有更多的標(biāo)準(zhǔn)編制和實施，不久的將來，金屬尾礦摻合料將成為繼石灰石粉后另一種常規(guī)的混凝土摻合料。

2.5 制備充填材料

為了實現(xiàn)尾砂的大宗化、綠色化利用，使用金屬尾砂制備充填材料對采空區(qū)進行回填是金屬尾砂資源化利用的常用方法[44]。金欣礦業(yè)鉬鉛鋅多金屬礦已建成單系統(tǒng)充填能力500 m3/h，日充填能力1.8萬m3的充填系統(tǒng)，日均消耗約2 萬t尾砂[45]。井下充填不僅可以提高尾砂的利用率，消除尾砂對環(huán)境的影響，同時可以降低采空區(qū)的安全隱患，提高礦產(chǎn)資源的開采率[46-47]。井下充填是將選礦廠排放的低濃度尾砂料漿經(jīng)過濃密機脫水后，在充填站與活性膠凝材料及水均勻攪拌制備充填材料，通過自流或者泵壓輸送至指定采空區(qū)[48]。為了保證開挖及采礦的穩(wěn)定性，要求充填材料28 d抗壓強度不低于1 MPa;用于頂板支撐時，要求充填材料28 d抗壓強度不低于4 MPa;為了使充填材料能夠管道輸送，要求充填材料的流動度控制在15～27 cm，屈服應(yīng)力在100 Pa以上，充填材料的泌水率不超過5%[12，48-51]。研究表明[52-53]，在濃密沉降過程中，尾砂越細(xì)，沉降速度越慢，深錐濃密機底流濃度越低;隨著細(xì)粒級尾砂摻量的增加，充填材料養(yǎng)護28 d后總孔隙率增加[54];較低的底流濃度以及較高的孔隙率，使細(xì)粒級尾砂制備的充填材料力學(xué)性能較差，發(fā)生泌水、離析的可能性增大。由于細(xì)粒級尾砂的比表面積較大，需水量較高，尾砂形狀不規(guī)則，顆粒之間的摩擦力較大，細(xì)粒級尾砂摻量越高，充填材料工作性越差[55]。目前，水銀洞金礦利用細(xì)粒級尾砂成功進行了充填，由于尾砂比表面積較大，通過系列試驗確定充填材料固相濃度為50%時，充填材料性能最優(yōu)，但在灰砂比1∶6時充填材料硬化體的28 d抗壓強度僅達到0.42 MPa[14]。使用細(xì)粒級尾砂制備充填材料保證工作性的同時，要滿足力學(xué)性能，則膠凝材料用量增加，充填成本增加。

對細(xì)粒級尾砂制備充填材料的研究難點在于以下2個方面:一是如何提高深錐濃密后的細(xì)粒級尾砂料漿的底流濃度;二是如何利用低濃度的細(xì)粒級尾砂料漿制備成本較低，而力學(xué)性能和工作性又能滿足工程要求的充填材料。因此，后續(xù)應(yīng)將研究重點集中在細(xì)粒級尾砂底流濃度的改善和充填料漿工作性的提高這兩方面。

3 細(xì)粒級金屬尾砂制備充填材料與性能優(yōu)化

3.1 細(xì)粒級金屬尾砂充填料漿底流濃度與改善

尾砂濃密是將低濃度的尾砂料漿(質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20%)，在絮凝劑的作用下，通過濃密機脫水，獲得較高濃度的底流料漿(質(zhì)量濃度高于60%)的過程[48]。細(xì)粒級尾砂沉降速度慢，相同的沉降時間內(nèi)，料漿底流濃度較低。如某銅礦充填用細(xì)粒級尾砂，-75 μm粒級顆粒含量為64%，經(jīng)過深錐濃密機濃密脫水后，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%[56];楊紀(jì)光等[57]使用-75 μm粒級含量為95.63%、-37 μm粒級含量為85.15%的細(xì)粒級尾砂，在某金礦現(xiàn)場進行半工業(yè)濃密試驗，在泥層高度達到6 m時，底流質(zhì)量濃度為59%;史繼佳等[58]針對貴州華金礦業(yè)丫他金礦-19 μm粒級含量為70%以上的超細(xì)尾砂，設(shè)計研發(fā)了一套用于解決超細(xì)尾砂充填的充填工藝與系統(tǒng)，超細(xì)尾砂經(jīng)濃密后，料漿濃度達到了58%～60%。在絮凝劑的種類和摻量對全尾砂料漿濃度的影響研究方面，專家學(xué)者們考察了絮凝劑的種類、入料體積分?jǐn)?shù)、絮凝劑單耗等因素對沉降速度和尾砂料漿流變等的影響[59-61]，相同單耗條件下，給料濃度越低，沉降速度越快，但是給料濃度降低會造成底流濃度偏低[59];絮凝劑單耗對濃密也有較大影響，絮凝劑單耗不足，難形成密實的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，影響底流濃度;絮凝劑單耗過大，增加料漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度，增加了輸送難度[61-62]。目前對細(xì)粒級尾砂料漿濃度提高方面的研究，主要集中在泥層高度、料漿在濃密機中的停留時間、絮凝劑的種類和摻量，對于細(xì)粒級尾砂料漿而言，傳統(tǒng)添加絮凝劑的辦法無法將絮團內(nèi)部的水完全釋放。因此，不能從根本上提高細(xì)粒級尾砂料漿的濃度。

提高細(xì)粒級尾砂濃密過程中的底流濃度，除了從濃密機的結(jié)構(gòu)、泥層高度、絮凝劑的添加量等方面考慮外，還可以采取化學(xué)與物理相結(jié)合的措施，利用添加濃密增效劑等方法，來提高料漿的底流濃度。劉娟紅等[63]研發(fā)了濃密增效劑，通過將絡(luò)合組分、胺類組分與水溶性高分子聚合物組分復(fù)合，降低固液界面能，通過靜電斥力、空間位阻、潤滑作用，打開絮團，釋放自由水，提高流變性能。添加濃密增效劑后底流濃度可以提高3～5個百分點，屈服應(yīng)力降低6.68～12.85 Pa，充填材料硬化體的抗壓強度提高[53]。筆者所在課題組對-15 μm粒級含量為55.78%、-38 μm粒級含量為79.26%、-75 μm粒級含量為93.06%的馬鞍山白象山細(xì)粒級尾砂，通過深錐濃密機模型進行細(xì)粒級尾砂料漿的動態(tài)濃密試驗，研究添加濃密增效劑前后料漿底流濃度的變化，結(jié)果表明:料漿絮凝沉降60、120、180 min時，添加濃密增效劑的尾砂料漿底流濃度提高了2.7、3.3、3.4個百分點，料漿濃度從45.7%提高到49.1%;并通過CT掃描以及三維重構(gòu)技術(shù)對比有/無添加濃密增效劑細(xì)粒級尾砂料漿孔隙率變化。通過計算得出，未添加濃密增效劑的料漿孔隙率為91.6%，而添加濃密增效劑后的料漿三維孔隙率降至86.9%，孔隙率降低幅度達4.7個百分點。

3.2 細(xì)粒級金屬尾砂充填料漿管道輸送性能與改善

高濃度的尾砂料漿制備高強度的充填體，需要提高膠凝材料的用量或者降低用水量。但提高膠凝材料用量，會大幅增加充填成本，降低用水量則會導(dǎo)致輸送性能變差。添加外加劑可以在保證輸送性能的條件下減少用水量，是提高充填體強度比較經(jīng)濟的方法。減水劑可以顯著改善充填料漿的流動性，其中聚羧酸減水劑和萘系減水劑具有較好的效果，隨著減水劑摻量的提高，充填材料流動度增大[64-65];粉煤灰為球形顆粒，具有滾珠效應(yīng)，添加后可以優(yōu)化充填材料的顆粒級配，填充孔隙，改善工作性[66-67]。

細(xì)粒級尾砂需水量較高，充填料漿質(zhì)量濃度較低，在輸送和硬化過程中有可能會發(fā)生尾砂下沉、料漿上浮，從而導(dǎo)致泌水和離析現(xiàn)象，進而發(fā)生堵管[68];且在硬化過程中易發(fā)生泌水，需要增設(shè)排水設(shè)備，影響充填效率，增加工程成本[12]。王洪江等[69]對全尾砂充填料漿的泌水性能進行了研究，結(jié)果表明，尾砂顆粒級配對泌水率影響較大，隨著顆粒半徑的增大，顆粒表面吸附水量急劇下降，粒度為20～98 μm的顆粒對漿體的泌水率影響最大。目前，對于泌水率的控制大多以混凝土體系為主，通過添加膨潤土或者增稠劑改善泌水率，對于細(xì)粒級尾砂充填材料泌水率的改善研究較少[70]。

為改善細(xì)粒級尾砂充填料漿的流動性，ZHOU等[71]研究了超塑化劑的種類、摻量、質(zhì)量濃度、粉煤灰的摻量對馬鞍山張莊礦細(xì)粒級尾砂充填材料流動性和抗壓強度的影響。結(jié)果表明，超塑化劑不僅可以吸附在尾砂表面，發(fā)揮靜電斥力效果，破壞絮團，釋放自由水，而且可以在早期促進鈣礬石的發(fā)育，使鈣礬石從針狀晶體發(fā)育為短棒狀晶體，減小摩擦力，提高流動性;萘系和聚羧酸超塑化劑對改善流動性的效果最好，但是聚羧酸減水劑摻量過高會降低早期強度;控制充填料漿流動性相同的條件下，加入0.5%萘系減水劑和6%粉煤灰后質(zhì)量濃度可以提高4個百分點，抗壓強度提高55%。萘系超塑化劑和粉煤灰的協(xié)同作用可以顯著改善充填料漿的流動性和強度，降低充填成本。

利用低濃度尾砂料漿制備充填體時必須保證泌水率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。LIU等[12]針對鐵尾礦充填料漿的泌水特征，研發(fā)了一種適用于低濃度尾砂充填料漿的高固水添加劑，并考察了添加劑摻量對充填料漿8 h泌水率的影響。結(jié)果表明，添加膠固粉總質(zhì)量5%的固水材料，泌水率可以降低10個百分點、初始黏度降低30%、2 h黏度降低53%、28 d抗壓強度提高20%。機理分析結(jié)果表明，添加固水材料后，充填材料中引入了大量微小氣泡，結(jié)構(gòu)變得松散，微小氣泡增加了“儲水空間”，為后期鈣礬石和凝膠類物質(zhì)的生成提供H2O;同時微小氣泡可以發(fā)揮滾珠作用，降低顆粒之間的摩擦阻力，使輸送性能和抗壓性能提高。添加固水材料會促進水化反應(yīng)進程，生成大量鈣礬石，鈣礬石生成消耗大量自由水，降低泌水率，鈣礬石與凝膠狀物質(zhì)相互搭接，從而進一步提高硬化體的密實度。

3.3 細(xì)粒級金屬尾砂充填料漿力學(xué)性能與改善

因細(xì)粒級尾砂濃密效果差、底流料漿濃度低，制備的充填材料強度低。對于充填材料力學(xué)性能改善方面的研究，大多是針對全尾砂充填材料。FALL等[49]研究了硫酸鹽及溫度對充填材料力學(xué)性能的耦合影響，在硫酸鹽濃度為15 g/L、環(huán)境溫度為20 ℃時，充填材料后期強度提高;當(dāng)硫酸鹽濃度增大至25 g/L時，充填材料強度降低。CHEN等[72]通過大量試驗也得出相似結(jié)論，當(dāng)Na2SO4摻量為4%時，充填材料孔隙率最低，強度最高;當(dāng)Na2SO4摻量提高時力學(xué)性能變差。硅烷偶聯(lián)劑也可以改善充填材料的力學(xué)性能，乙烯基三甲氧基硅烷改善效果優(yōu)于甲基三甲氧基硅烷，當(dāng)乙烯基三甲氧基硅烷摻量為1%時，與空白組相比，28 d抗壓強度可以提高64%，但是乙烯基三甲氧基硅烷與聚羧酸減水劑會存在競爭吸附，影響減水劑減水效果[73]。

筆者所在課題組研究制備了活性高硅納米材料及晶核型添加劑，將兩者復(fù)配使用(質(zhì)量比為123∶1)，替代5%的水泥，能夠顯著改善細(xì)粒級尾砂充填材料的力學(xué)性能。相同料漿濃度條件下，使用納米材料和晶核添加劑替代水泥后，充填材料各齡期抗壓強度提高30%以上，最高可以提高86%;灰砂比為1∶4，固相濃度為58%時，使用納米材料和晶核材料后，各齡期抗壓強度超過了灰砂比為1∶3充填材料的強度;單方充填材料可以節(jié)約膠凝材料55 kg以上，綜合成本降低。對于其他灰砂比，也有相似規(guī)律。

4 細(xì)粒級金屬尾礦綜合利用的對策和發(fā)展趨勢

(1)開展對金屬尾礦固體廢物的全面摸底調(diào)查工作，建立大數(shù)據(jù)平臺。從尾礦的產(chǎn)生、收集、儲存、運輸、利用、處置全過程進行監(jiān)控，礦山企業(yè)如實申報尾礦的種類、數(shù)量、尾礦的賦存狀態(tài)以及利用現(xiàn)狀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的快速更新、調(diào)用與分析，科學(xué)合理地制定相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策和布局區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

(2)金屬尾礦綜合利用的研究需聚焦于尾礦壩中的尾礦資源。因為這才是必須消納和利用的主體，不能大量“吃掉”尾礦壩中的尾礦資源，尾礦綜合利用就不可以說取得重大進展。

(3)充分考慮不同尾礦的物理和化學(xué)屬性差異，加強相關(guān)方向科研經(jīng)費的投入和成果的轉(zhuǎn)化。鼓勵開展多學(xué)科的交叉性研究，加強在技術(shù)和裝備方面的研發(fā)，以及人才的引進。建立典型金屬尾礦利用的中試研究和生產(chǎn)基地，推動示范性項目建設(shè)，打造示范工程，發(fā)揮大型示范工程的引領(lǐng)作用。

(4)根據(jù)市場需要，確定綜合利用主流產(chǎn)品。金屬尾礦綜合利用必須明確主渠道，關(guān)注規(guī)模化消納應(yīng)用，將研究和應(yīng)用的焦點放在尾礦微細(xì)砂和礦物微粉摻合料這2個方面，將在混凝土、砂漿、礦山填充料中的應(yīng)用作為尾礦大規(guī)模利用的主渠道、主陣地。

(5)研發(fā)改善細(xì)粒級尾砂充填性能的添加劑。細(xì)粒級尾砂由于獨特的物理性能，經(jīng)過動態(tài)濃密后底流濃度低，制備充填材料力學(xué)性能差，泌水率嚴(yán)重導(dǎo)致細(xì)粒級尾砂在充填材料中利用難度大、利用率低。針對細(xì)粒級尾砂存在的問題，可以通過添加外加劑優(yōu)化尾砂料漿的孔結(jié)構(gòu)，從而提高底流濃度;促進鈣礬石的生成，消耗自由水，降低泌水率;使用晶核材料和納米材料改善力學(xué)性能。

(6)加大對金屬尾礦綜合利用產(chǎn)業(yè)的政策引導(dǎo)和財政支持。從中央政府到地方部門，應(yīng)加大對金屬尾礦資源綜合利用的政策支持力度，要求礦山企業(yè)配套尾礦開發(fā)利用的相關(guān)資金，加大對尾礦綜合利用技術(shù)的研發(fā)和投入。拓寬融資渠道，積極引進大型企業(yè)的資金，鼓勵引導(dǎo)企業(yè)及社會資金加入到尾礦開發(fā)利用項目中去。通過嚴(yán)格管控尾礦庫的新批新建，倒逼企業(yè)重視尾礦的處置問題。

(7)建立和完善科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)體系。標(biāo)準(zhǔn)要敢于破除傳統(tǒng)理念和觀點的羈絆，即應(yīng)當(dāng)有“天變不足畏，祖訓(xùn)不足法，人言不足恤”的精神。敢于創(chuàng)新，為金屬尾礦的綜合利用服務(wù)。尾礦的資源化利用是關(guān)乎我國資源與環(huán)境安全的一項戰(zhàn)略性課題，也是低碳發(fā)展的客觀要求，是重大挑戰(zhàn)，也是重大機遇。實現(xiàn)尾礦資源大規(guī)模的利用，需要政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界攜手推動，這是時代賦予我們的責(zé)任。