尾礦庫回采鋰資源工藝及其安全性技術要點

沈樓燕 熊鋒 謝添 何桂春 黃志強 趙紅波

〔摘 要〕一個經濟合理、成本可控的工藝流程是尾礦庫回采鋰資源項目可行的前提條件。以宜春市某個已經閉庫的尾礦庫為例，探討了尾礦庫回采鋰資源，獲取碳酸鋰、鉭鈮精礦等主產品的采選冶工藝技術流程，分析了尾礦庫調排洪能力、堆積壩干灘長度、邊坡穩(wěn)定性、排洪系統(tǒng)設施等幾個影響實現(xiàn)安全回采尾礦庫鋰資源的關鍵因素。分析認為：尾礦回采必須保證尾礦庫的調排洪能力和尾礦堆積壩的干灘長度滿足設計要求，通過安全作業(yè)保障尾礦壩邊坡的穩(wěn)定和排洪系統(tǒng)設施的有效性，同時還須加強安全監(jiān)測，做好回采過程中的尾礦庫應急管理工作。

〔關鍵詞〕鋰資源；尾礦庫；回采；碳酸鋰；排洪；邊坡穩(wěn)定；安全性

中圖分類號：TD926;P618.71 ? ?文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2023）01-000１-0４

Process of Lithium Resources Recovery from the Tailings Pond and its Technical Points of Safety

——Taking a Tailings Pond in Yichun City， Jiangxi Province as an Example

SHEN Louyan1， XIONG Feng1， XIE Tian2， HE Guichun3， HUANG Zhiqiang3， ZHAO Hongbo4

（1. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China;

2. Yichun Contemporary Amperex Resources Co.， Ltd.， Yichun， Jiangxi 336023， China;

3. Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou， Jiangxi 341000， China;

4. Key Laboratory of Biometallurgy of Ministry of Education， Changsha， Hunan 410083， China）

Abstract ?Taking a closed tailings pond in Yichun city as an example， the paper discusses the mining， mineral processing and metallurgical process flow of lithium resources recovered from tailings pond and obtaining lithium carbonate，niobium-tantalum concentrate and other main product. It is pointed out that an economic， reasonable and cost-controllable process flow is a prerequisite for the feasibility of lithium resources recovery from the tailings pond. Furthermore， the paper analyzes several key factors to achieve safe recovery of lithium resources from tailings pond， such as flood control and discharge capacity of the tailings pond， dry beach length of fill dam， slope stability and flood drainage system facilities. The analysis shows： ensuring that the flood control and discharge capacity of the tailings pond and dry beach length of tailings fill dam satisfy the design requirements; ensuring the stability of the tailings dam slope by safety operation， ensuring the effectiveness of the flood drainage system facilities. Meanwhile， it is also necessary to strengthen safety monitoring and do a good job in the emergency management of the tailings pond during the recovery process.

Keywords ?lithium resources; tailings pond; recovery; lithium carbonate; flood discharge; slope stability; safety

0 前言

鋰是世界上最輕的金屬，具有較高的熔沸點和較低的密度和硬度，戰(zhàn)略價值極高。隨著新能源電動汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，我國鋰消費量呈快速增長態(tài)勢，目前已占到全球鋰資源總消費量的52.48%[1]。我國４個主要鋰礦資源消費行業(yè)消費預測表明，我國2020年、2025年和2030年鋰礦資源消費量分別為185.3 kt、314.2 kt和493.2 kt，而我國2020年、2025年和2030年鋰礦資源供應量分別為147.1 kt、254.3 kt和395.2 kt。兩相對比，可知我國2020年、2025年和2030年鋰礦資源缺口分別為38.2 kt、60.0 kt和98.0 kt[2]?？梢?，保證鋰資源的供給對我國新能源戰(zhàn)略的發(fā)展，碳中和、碳達峰目標的實現(xiàn)具有重大意義。

我國鋰礦資源主要賦存于鹽湖鹵水型和礦物型兩種鋰礦床中，且８２%以鹽湖鹵水形式存在。受自然條件限制和鹵水中鎂鋰含量比較高等因素的影響，鹽湖鹵水型礦床開發(fā)難度較大[3]，因此目前我國鋰礦多產出于礦物型鋰礦床[4-5]。這也使得我國鋰資源對外依存度高達70%[6]，且在鹽湖鋰分離技術未突破的情況下，鋰資源的對外依存度還將持續(xù)增高，甚至可能會完全依賴進口。鋰資源短缺問題已成為制約我國新能源戰(zhàn)略發(fā)展、危及國家資源安全的“瓶頸”問題，加大對鋰資源的綜合回收利用具有重要的經濟價值和戰(zhàn)略意義。

江西省宜春市是中國最大的鋰瓷石礦（又稱“鋰云母”礦）蘊藏之地，區(qū)域內賦存鋰、鉭、鈮、銣、銫等多種稀有金屬以及長石、石英等多種非金屬，綜合利用價值高。其中，鋰云母（Li2O）精礦經冶煉提取的碳酸鋰是新能源電池產業(yè)的重要生產原料；鋰長石產品可作為陶瓷、建材生產原料[7]。限于早期選礦技術水平，宜春境內相當一部分已經閉庫的鉭鈮礦和鋰瓷石礦的尾礦庫貯存著富含鋰云母（Li2O）的尾礦，且鋰的平均品位為0.5%～0.9%，有的甚至在1.0%以上，并不遜色于周邊礦山的原礦品位。因此，在當下碳酸鋰價格一路飆升的市場背景下，回采開發(fā)宜春尾礦庫中的鋰資源具有良好的社會效益和經濟價值。

然而，基于我國不容樂觀的尾礦庫安全狀況[8-9]，對尾礦庫中鋰資源的回采開發(fā)利用需要采取安全、環(huán)保、高效的科學技術手段進行，以確保尾礦庫的安全穩(wěn)定性沒有任何閃失。本文擬以江西省宜春市某已經閉庫的尾礦庫為例，探討尾礦庫回采鋰資源的技術要點。

1 ? 尾礦庫回采鋰資源的工藝流程

尾礦中的有價金屬，通常稱為“二次資源”[10]。各國政府都非常鼓勵投資開發(fā)“二次資源”項目，并給予了不同程度的財政扶持政策，例如稅負減免、財政補貼等。然而， “二次資源”項目能否成功最終還是取決于該項目的盈利能力。尾礦回收鋰資源項目可行的前提條件是要有一個經濟、合理的工藝流程，既要確保工業(yè)化生產的連續(xù)順暢，還要能將生產成本控制在盈利的范疇內。

宜春某尾礦庫回采開發(fā)鋰資源的工藝流程原則上包括采、選、冶三個部分。

1）采礦工藝流程。由于該尾礦庫已停用多年，基本形成干庫，所以回采尾礦的采礦工藝為挖掘機鏟裝+汽車運輸。其優(yōu)點是柴動設備移動方便、布置靈活，設備簡單、易于維修，機械回采勞動強度低，運輸方便。

2）選礦工藝流程。采出的尾礦送選礦廠，采用清潔高效的“磁—重—磁—浮”聯(lián)合選礦新工藝。該工藝采用以重選為主的精細化分選高效選礦技術，可實現(xiàn)尾礦中鋰、鎢、鉭、鈮等資源的有效回收；同時采用高頻細篩組成的新型磨礦分級工藝，可以提高分級效率，改善磨礦效果。選礦產品有鉭鈮精礦或鉭精礦、鋰云母精礦和鋰長石精礦。其中，鉭鈮精礦/鉭精礦、鋰長石精礦外售，鋰云母精礦轉入冶煉流程去提取碳酸鋰。

3）冶煉工藝流程。鋰云母精礦的冶煉工藝流程為“混料制?！簾蚰ァ觥龄嚒稍铩?，所得到的產品為高純度碳酸鋰。

上述采選冶聯(lián)合工藝流程本著充分進行資源綜合利用的原則，可以產出碳酸鋰、鉭鈮精礦/鉭精礦、鋰長石精礦等幾種產品。其中，高純碳酸鋰是新能源汽車電池的重要生產原料，鉭鈮精礦/鉭精礦、鋰長石可外售給鉭鈮冶煉企業(yè)和陶瓷建材行業(yè)作為生產原料，項目盈利狀況較好。

也有部分企業(yè)考慮到鉭鈮的全球市場容量較小，而鋰長石精礦作為陶瓷建材原料的經濟銷售半徑有限，所以回采開發(fā)利用尾礦時僅考慮單一回收價格高漲的鋰云母精礦產品。這將顯著縮短選礦工藝流程，大大降低選礦生產成本，節(jié)省選廠初始建設投資，進一步提高尾礦回收鋰項目的經濟效益。

2 ? 回采安全性影響因素分析及應對措施

我國90%以上的尾礦庫采用的是上游法水力沖填尾礦堆積筑壩[11]。由于其構建和運行的獨特性，尾礦庫被國家安全生產監(jiān)督管理部門定義為“重大危險源”之一。因此，尾礦庫的安全生產許可證一直都是獨立于礦山采礦安全生產許可證審批辦理的。不同于一般的露天采礦，在尾礦庫內進行尾礦回采，不僅要考慮到開采邊坡的安全問題，盡量避免洪水、雨水淹坑的情況發(fā)生；還要考慮尾礦壩穩(wěn)定和尾礦庫排洪等安全問題[12-15]。尾礦庫回采是一項復雜的系統(tǒng)工程，尾礦庫蓄排洪能力、邊坡穩(wěn)定性、干灘長度、排洪系統(tǒng)設施的有效性、安全監(jiān)測等都會對尾礦庫回采安全性產生嚴重影響，因此需要對各個影響因素統(tǒng)籌考慮、精心設計。

2.1 ?尾礦庫蓄排洪能力

對尾礦庫進行回采操作必須保證尾礦庫的蓄洪、排洪能力不會受到回采作業(yè)的影響。即，回采臺階必須形成高差，以保障尾礦庫的實際調洪庫容不小于設計調洪庫容。

一般而言，回采臺階高度為2～3 m，開采順序為先內后外、自上而下，分層推進。最小工作平臺寬度為40 m，工作臺階臨時坡面角約為30 °，同時開采的臺階數為2～3個。但在具體的推廣應用時，應視項目尾砂的物理力學特性、尾礦壩堆積固結狀況及尾礦庫的等級對上述回采工藝參數相應地進行調整。本文作為案例分析的尾礦庫為一座三等尾礦庫，該項目回采采區(qū)劃分示意見圖1。

圖1 ?宜春某尾礦庫回采采區(qū)劃分示意

由圖1可以看出，該尾礦庫將整個庫面分成Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 3個采區(qū)：距灘頂線往庫內70 m長的干灘區(qū)劃為Ⅲ采區(qū)；距Ⅲ采區(qū)向庫內方向120 m 的范圍劃為Ⅱ采區(qū)；靠近庫尾方向為Ⅰ采區(qū)。

為保證尾礦庫的蓄洪能力和干灘長度，同時確?；夭蛇^程的安全，回采采用先內后外、自上而下的分層開采推進順序，回采分層高度為2.5 m。Ⅰ、Ⅱ采區(qū)應先下降2.5 m，只要作業(yè)面滿足要求，盡快在Ⅰ采區(qū)開溝下降2.5 m，形成兩個分層出礦。隨著Ⅱ采區(qū)推進至Ⅲ采區(qū)邊界，Ⅰ采區(qū)的作業(yè)面也在擴大，此時再在Ⅰ采區(qū)下降2.5 m。之后，整個回采區(qū)始終保持Ⅰ采區(qū)作業(yè)面比Ⅱ采區(qū)低2.5 m，Ⅱ采區(qū)作業(yè)面比Ⅲ采區(qū)低2.5 m的狀態(tài)，從而確保尾礦庫的蓄洪庫容、安全超高和干灘長度滿足要求。應注意須嚴禁Ⅱ、Ⅲ采區(qū)回采面低于Ⅰ采區(qū)回采面；同時，Ⅲ采區(qū)下降速度不能滯后于Ⅱ采區(qū)的兩個分層，Ⅱ采區(qū)的下降速度不能滯后于Ⅰ采區(qū)的一個分層，以免形成高邊坡?；夭蛇^程中的各個平臺，均應形成坡向庫內的縱坡。

為使露采作業(yè)面匯水能夠匯至Ⅰ采區(qū)的臨時集水坑，整個作業(yè)面須保持東南高、西北低，約1%的坡度。尾礦庫采區(qū)采用潛水泵機械排水。

2.2 ?尾礦堆積壩干灘長度

足夠的干灘長度有利于盡可能地降低壩體浸潤線，提高尾礦壩的穩(wěn)定性；同時有利于尾礦庫形成調洪庫容和保證壩頂安全超高?！段驳V庫安全規(guī)程》（GB 39496—2020）[16]對尾礦壩最小允許干灘長度做了嚴格的規(guī)定。不同等級的尾礦壩對應的最小允許干灘長度是不同的。在進行回采設計中，尾礦堆積壩的干灘長度應嚴格遵守國家規(guī)定的要求，保障尾礦壩的穩(wěn)定。

2.3 ?邊坡穩(wěn)定

邊坡穩(wěn)定是保證尾礦庫回采安全性的重要因素。在進行回采作業(yè)時，應充分考慮尾礦庫邊坡的特點，確保邊坡安全。

1）應避免在雨季作業(yè)，因為暴雨過后容易形成飽和邊坡失水，導致邊坡滑塌和垮坡事件。暴雨停止后，須等待一段時間，安排安全人員仔細檢查回采邊坡，巡查其是否存在開裂、錯動等異?，F(xiàn)象。待確保邊坡安全后，方能允許回采施工人員進行作業(yè)。

2）尾礦庫回采應采用條帶狀回采，條帶寬度以5～10 m為宜；單臺階邊坡角應不大于尾砂自然安息角；采坑應均勻布置，不宜在采坑之間留有過高的殘留尾砂柱，以免坍塌，增加采砂危險性。采出砂不能及時運出需在現(xiàn)場堆積的，砂堆距離采砂作業(yè)現(xiàn)場不得小于5 m，且砂堆高度不超過4 m，砂堆坡面角不得大于自然安息角。

3）兩臺以上的挖掘機在同一平臺上作業(yè)時，挖掘機的間距不得小于其最大挖掘半徑的3倍，且不得小于50 m。相鄰兩臺階同時作業(yè)的挖掘機必須沿臺階方面錯開一定的距離，在上臺階邊緣安全帶進行輔助作業(yè)的挖掘機必須超出前方下級臺階正常作業(yè)的挖掘機最大挖掘半徑的3倍，且不小于50 m。嚴禁在壩體、壩腳及壩肩處進行挖掘、采砂等活動。

2.4 ?尾礦庫排洪系統(tǒng)設施

在尾礦庫內回采尾礦時，不得影響破壞尾礦庫內原有排洪系統(tǒng)，必須確保其能在原有的設計排洪能力下有效運行；同時還須做好回采過程中的臨時排水設施，使永久排洪設施與臨時排水設施相結合，安全有效地疏排尾礦庫內洪水和雨水。為保證尾礦庫排洪系統(tǒng)的安全，距尾礦庫內排水井、排洪隧洞等排洪構筑物15 m范圍內的尾砂，不得采用挖掘機械回采。

為安全起見，還須維護尾礦庫區(qū)周邊的截排洪設施，確保庫區(qū)周邊的降雨徑流不會流至庫區(qū)內，不會對尾礦回采作業(yè)構成安全生產威脅。

回采作業(yè)時，應按照在運行尾礦庫的管理要求，嚴格控制尾礦庫排洪排水高程，并對尾礦庫進行日常巡查及汛期巡查，密切注意堆積壩外坡是否存在滲水、管涌或流土等滲流破壞現(xiàn)象。一旦遇到此情況，應立即停止回采尾礦作業(yè)，并進行處理。

2.5 ?尾礦回采的其他安全措施

除了上述幾個尾礦回采安全性影響因素之外，結合該尾礦庫回采鋰資源生產實踐，還有幾點安全措施值得注意。

1）增設尾礦庫觀測設施。為了及時掌握回采過程中壩體的變形情況，了解尾礦壩壩體內浸潤線變化情況，以便及時采取對策保證尾礦回采過程的穩(wěn)定和安全，尾礦庫回采前，應設置壩體位移和壩體浸潤線觀測設施?；夭蛇^程中，定時觀測并記錄整理觀測成果，及時進行分析，將分析結果作為判定尾礦壩工作狀態(tài)的依據。

2）在尾礦回采過程中，嚴禁向庫內排放尾礦。增加現(xiàn)場安全檢查人員及巡檢人員，加強對尾礦壩的觀測，當發(fā)現(xiàn)問題后應立即停止作業(yè)并及時進行處理，確?；夭砂踩?。

3）為便于庫內夜間運行管理、檢修和應急事故處理等情況，尾礦庫回采應配備應急照明設備，以應對工作和事故地點的不確定性。

4）由于尾礦回采作業(yè)區(qū)域在山谷、地勢較低處，須做好防雷和接地措施。

3 ? 結論

綜上所述，我國經濟的高速發(fā)展對資源的需求度日益提升，充分回采、開發(fā)、利用尾礦資源， 變“廢”為寶，能有效緩解國內的資源壓力和環(huán)境壓力，也是踐行資源綜合利用國策、落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色舉措[17]?；诒疚膶魇∫舜菏心澄驳V庫鋰資源回采項目的分析，可以得出以下幾點結論：1）經濟合理的采選冶回收工藝流程是尾礦庫回采鋰資源項目可行的前提條件?；夭砷_發(fā)企業(yè)可以依據礦業(yè)市場對資源的需求來制定經濟合理的產品方案，但必須遵循國家資源綜合利用政策。2）實現(xiàn)尾礦庫回采鋰資源的安全性和穩(wěn)定性，關鍵在于確保尾礦庫調排洪的能力和尾礦壩干灘長度都必須滿足設計要求，同時尾礦回采必須嚴格遵循回采設計工藝要求，安全作業(yè)，以確保尾礦壩邊坡穩(wěn)定，并且尾礦庫回采應加強尾礦庫觀測設施，提升尾礦庫應急管理能力。

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