綠色礦山尾砂綜合利用技術(shù)研究

摘要：四川某鉛鋅礦為建成無尾礦排放綠色礦山，將尾礦無害化處理，對(duì)其進(jìn)行尾礦綜合全利用研究。通過踏勘調(diào)研礦山技術(shù)條件，試驗(yàn)分析尾礦特性，擬定了全尾砂充填和分級(jí)細(xì)尾砂充填（粗尾砂建材化處理）2個(gè)方案。由于礦物磨礦碎脹性影響，采礦產(chǎn)生的采空區(qū)空間不能滿足充填處置全部尾砂的需求，確定將全尾砂進(jìn)行分級(jí)處理，分級(jí)界線74 μm，粗粒級(jí)尾砂產(chǎn)率39.5 %，以粗粒級(jí)尾砂脫水作為建筑用砂物料，細(xì)粒級(jí)尾砂濃密脫水作為充填骨料，從而實(shí)現(xiàn)尾礦零排放。根據(jù)細(xì)粒級(jí)尾砂特性，優(yōu)選膏體倉(cāng)儲(chǔ)濃密機(jī)進(jìn)行高效濃密脫水，并采用附近水泥廠的膠固粉進(jìn)行分級(jí)細(xì)尾砂膠結(jié)充填。對(duì)2 種利用方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本分析可知，分級(jí)細(xì)尾砂充填每天可節(jié)省3 422.1元，效果顯著。該研究成果可為類似礦山建設(shè)無尾綠色礦山提供借鑒。

關(guān)鍵詞：綠色礦山；膏體；尾礦；綜合利用；充填；建材化利用；經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號(hào)：TD926.4 文章編號(hào)：1001-1277（2024）09-0008-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240902

引 言

四川某鉛鋅礦選礦廠產(chǎn)生的尾礦全部進(jìn)入尾礦庫(kù)，經(jīng)過多年采選，尾礦庫(kù)庫(kù)容即將消耗殆盡，而申請(qǐng)新建尾礦庫(kù)的條件苛刻、流程困難，同時(shí)也增加了礦山投資。日后產(chǎn)生的尾礦如何處置成為該礦山亟須解決的問題。在目前的技術(shù)條件下，將尾礦制備成充填料漿輸送至井下充填采空區(qū)是大量消耗尾礦的途徑之一。

就選礦廠產(chǎn)出的尾砂而言，尾砂充填包括全尾砂充填、分級(jí)粗尾砂充填和分級(jí)細(xì)尾砂充填［1］。全尾砂充填是將選礦廠產(chǎn)出的全粒級(jí)尾砂制備成充填料漿充填到井下采空區(qū)，形成的充填體性能較好，但是由于礦石經(jīng)破碎后的碎脹性，其尾砂消耗率只有40 %～50 %，剩余全尾砂將排進(jìn)尾礦庫(kù)；分級(jí)粗尾砂充填是將經(jīng)過旋流器分級(jí)后的粗尾砂用來充填，分級(jí)后的細(xì)尾砂排放尾礦庫(kù)，分級(jí)粗尾砂形成的充填體性能最好，但是尾礦庫(kù)采用分級(jí)細(xì)尾砂筑壩，會(huì)增加尾礦庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)；分級(jí)細(xì)尾砂充填是將經(jīng)過旋流器分級(jí)后的細(xì)尾砂用來充填采空區(qū)，分級(jí)后的粗尾砂進(jìn)行建材化利用，如制磚、建筑用砂等，但分級(jí)細(xì)尾砂難以濃密和固化是該方法面臨的問題。

通過上述分析可知，分級(jí)細(xì)尾砂充填是目前實(shí)現(xiàn)礦山無尾排放的最優(yōu)途徑，同時(shí)在近幾年的充填技術(shù)革新下，科研工作者和工程技術(shù)人員已經(jīng)突破了分級(jí)細(xì)尾砂充填所面臨的技術(shù)難題，包括通過研發(fā)高效濃密設(shè)備和新型膠凝材料，既能將分級(jí)細(xì)尾砂漿濃密到較高濃度，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)分級(jí)細(xì)尾砂經(jīng)濟(jì)有效固結(jié)［2-3］。因此，本文根據(jù)四川某鉛鋅礦的尾砂特性和周邊條件，針對(duì)該礦山尾砂開展充填試驗(yàn)研究，提出適合該鉛鋅礦的尾砂綜合利用方案。

1 尾砂綜合利用方案

1.1 尾砂性質(zhì)分析

對(duì)全尾砂進(jìn)行物理化學(xué)性質(zhì)分析，全尾砂真密度為2.83 g/cm3，-74 μm粒級(jí)占比39.3 %，-35 μm粒級(jí)占比26.5 %，-19 μm粒級(jí)占比19.8 %，平均粒徑為130.4 μm。根據(jù)國(guó)內(nèi)礦山充填常用的尾砂分類方法，若-19 μm粒級(jí)占比小于20 %，或者平均粒徑大于74 μm的尾砂屬于粗粒級(jí)尾砂［4］。利用德國(guó)BRUKER S1 TITAN MODEL 600光譜儀對(duì)全尾砂化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：該尾砂主要化學(xué)成分為CaO、SiO2和MgO。

1.2 尾砂消耗量計(jì)算

礦山日采選能力為400 t，礦石密度為3 t/m3。

1）井下日平均產(chǎn)生采空區(qū)體積為：

QR=Ad/ρk（1）

式中：QR為井下日平均產(chǎn)生采空區(qū)體積（m3/d）；Ad為礦山日采選能力（t/d）；ρk為礦石密度（t/m3）。

經(jīng)計(jì)算：井下日平均產(chǎn)生采空區(qū)體積為133.33 m3。

2）礦山日平均充填量為：

Qd=ZK1K2QR（2）

式中：Qd為礦山日平均充填量（m3/d）；Z為采充比，取1；K1為充填體沉縮率，取1.1；K2為充填料漿流失系數(shù)，取1.05。

經(jīng)計(jì)算：礦山日平均充填量為154 m3。當(dāng)充填不均衡系數(shù)取1.3時(shí)［5］，礦山日最大充填量為200.2 m3。

3）尾砂選充平衡。

選礦廠每日礦石處理量為400 t，尾砂產(chǎn)率70 %，當(dāng)?shù)V山采選完全達(dá)到設(shè)計(jì)能力時(shí)每日可產(chǎn)生尾砂約280 t。不同工況尾砂消耗計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，礦山每天充填可以消耗的全尾砂量為210 t，則每天有70 t全尾砂需要處理。

1.3 綜合利用方案

若采用全尾砂充填，礦山每天有四分之一的尾砂仍待處置。因此，本次尾砂綜合利用方案設(shè)計(jì)采用以74 μm粒級(jí)為界線的分級(jí)細(xì)尾砂進(jìn)行充填，同時(shí)對(duì)分級(jí)后的粗尾砂進(jìn)行建材化利用。

由試驗(yàn)得出，分級(jí)細(xì)尾砂的充填質(zhì)量濃度為66 %～68 %。由表2可知：當(dāng)?shù)V山采用分級(jí)細(xì)尾砂進(jìn)行充填時(shí)，礦山每天充填可以消耗的尾砂量為158 t，每天將有122 t分級(jí)粗尾砂需要處理。水力旋流器的分級(jí)效率一般為70 %，那么水力旋流器針對(duì)該礦山全尾砂的分級(jí)比例為39.5 %，其與全尾砂-74 μm粒級(jí)占比基本吻合［6-7］。因此，針對(duì)該礦山“細(xì)尾砂充填，粗尾砂外售”的尾砂綜合利用方案在理論上是可行的。

2 尾砂充填配比試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該礦山“細(xì)尾砂充填，粗尾砂外售”的尾砂綜合利用方案在實(shí)際上是可行的，以該礦山74 μm粒級(jí)以下的分級(jí)細(xì)尾砂為研究對(duì)象，開展充填強(qiáng)度配比試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)考慮該礦山暫時(shí)沒有充填站，根據(jù)充填料漿流動(dòng)性試驗(yàn)設(shè)計(jì)泵壓輸送和自流輸送2種方式，供礦山選擇，因此充填質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)66 %和68 % 2個(gè)水平。本次試驗(yàn)采用礦山附近水泥廠的膠固粉作為膠凝材料，分級(jí)細(xì)尾砂作為骨料，配比試驗(yàn)各因素及水平如表3所示，對(duì)各因素、水平開展全面試驗(yàn)［8］。各齡期單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

由表4可知：當(dāng)充填質(zhì)量濃度為68 %時(shí)，灰砂比1∶12的充填體強(qiáng)度可以滿足采礦要求；當(dāng)充填質(zhì)量濃度為66 %時(shí)，灰砂比1∶10的充填體強(qiáng)度可以滿足采礦要求。由此可得，該礦山分級(jí)細(xì)尾砂可以實(shí)現(xiàn)膠結(jié)充填。

同時(shí)，考慮到目前細(xì)尾砂充填的另一個(gè)難題是細(xì)尾砂濃密，即如何將細(xì)尾砂漿濃密到高濃度。解決該難題的途徑之一就是借助高效的濃密裝備。目前，用于尾砂濃密的裝備有砂倉(cāng)、深錐濃密機(jī)和膏體倉(cāng)儲(chǔ)式濃密機(jī)等。

傳統(tǒng)的砂倉(cāng)系統(tǒng)包括立式砂倉(cāng)和臥式砂倉(cāng)。其中，立式砂倉(cāng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單投資少而應(yīng)用更廣。但是，由于砂倉(cāng)主要利用尾砂顆粒在重力作用下的自然沉降來提高濃度，粗顆粒尾砂沉降快，細(xì)顆粒尾砂沉降慢，在尾砂濃密過程中，溢流水中攜帶了大量細(xì)顆粒尾砂，因此傳統(tǒng)砂倉(cāng)不適合細(xì)尾砂濃密。深錐濃密機(jī)是從國(guó)外引進(jìn)的濃密技術(shù)裝備，其結(jié)構(gòu)外形由圓柱筒體加錐形底組成，內(nèi)部包含中心液壓傳動(dòng)裝置、絮凝沉降裝置、耙架和過載保護(hù)裝置等，國(guó)內(nèi)礦山經(jīng)過近十幾年對(duì)技術(shù)的消化吸收，深錐濃密技術(shù)已經(jīng)較為成熟。同時(shí)，也暴露出了深錐濃密機(jī)的一些應(yīng)用局限，其在濃密偏粗尾砂時(shí)容易發(fā)生壓耙事故，在濃密偏細(xì)尾砂時(shí)放砂濃度波動(dòng)較大，一般適用于大型礦山的大采場(chǎng)大流量充填。由于尾砂不能長(zhǎng)時(shí)間在深錐濃密機(jī)中存留，所以其尾砂的存儲(chǔ)能力不足，不能滿足“采-選-充”的時(shí)空差異問題［9］。

為了滿足無尾礦山不同工況下的充填，選擇膏體倉(cāng)儲(chǔ)式濃密機(jī)，其是在前幾代濃密裝備的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化創(chuàng)新，外部結(jié)構(gòu)主要由平底式的圓筒體組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括中心絮凝裝置、階梯式排水系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、均質(zhì)化造漿系統(tǒng)和放砂系統(tǒng)。該濃密裝備的主要優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部無耙架，系統(tǒng)能耗極低；適用范圍廣，不同粒徑范圍的尾砂都可以處理；尾砂處理能力大，處理能力可達(dá)1.2～1.4 t/（m2·h）；擁有均質(zhì)化造漿技術(shù)，既防止尾砂板結(jié)，又能保證底流放砂濃度穩(wěn)定；倉(cāng)內(nèi)可以保持較高的泥層高度，底流濃度可有效提高；優(yōu)化后的絮凝沉降技術(shù)可使溢流水含固量小于300×10-6；平底結(jié)構(gòu)安裝方便、占地面積小，同時(shí)系統(tǒng)建設(shè)投資低［10］。

3 尾砂建材化利用方案

在目前的市場(chǎng)環(huán)境和技術(shù)環(huán)境下，分級(jí)細(xì)尾砂較分級(jí)粗尾砂建材化利用的難度更大。當(dāng)前分級(jí)細(xì)尾砂的利用途徑有制作陶瓷、微晶玻璃、自流平及特種材料等，但是上述利用途徑對(duì)細(xì)尾砂的化學(xué)成分、粒徑及安全環(huán)保等方面的要求較為嚴(yán)格，同時(shí)需求量較小。相對(duì)而言，粗尾砂對(duì)技術(shù)要求較低，因此分級(jí)粗尾砂的可利用空間很大，如可以作為大宗建筑材料（建筑細(xì)砂、加氣磚和灰砂磚等）的原材料［11］。隨著國(guó)家對(duì)河砂和采石場(chǎng)的管控，建筑用河砂及機(jī)制砂的成本將越來越高，而以礦山尾砂為原材料的建筑用砂將成為建筑行業(yè)材料消耗的新途徑之一，同時(shí)也是尾礦資源化利用的熱門研究方向，可以預(yù)見未來會(huì)涌現(xiàn)出更多的尾砂利用新技術(shù)和新方法。

尾砂建材化利用方案實(shí)現(xiàn)的途徑有2種：一是礦山企業(yè)投資建設(shè)生產(chǎn)線，同時(shí)將產(chǎn)品對(duì)外進(jìn)行銷售，這種方法前期投資大，工藝復(fù)雜，銷售途徑和客戶需求不確定性較大;二是與附近水泥廠或建材廠合作，利用其現(xiàn)有設(shè)備和生產(chǎn)線生產(chǎn)成品，或?qū)⒎旨?jí)粗尾砂直接售賣給生產(chǎn)廠家。

綜合上述分析，鑒于該礦山年尾礦產(chǎn)出能力不大，適合第二種尾砂利用方式。因此，本次研究對(duì)該礦山周邊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。經(jīng)過調(diào)研可知，該礦山距離鄉(xiāng)鎮(zhèn)6.5 km，礦山30 km范圍內(nèi)有2家水泥廠，其中有一家水泥廠有小型制磚生產(chǎn)線。

為進(jìn)一步落實(shí)該礦山尾砂建材化，對(duì)該礦山尾砂制作的充填體試塊進(jìn)行浸泡水水質(zhì)檢測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證在膠凝材料的固結(jié)作用下，尾砂中的重金屬元素是否能夠被有效抑制。將達(dá)到28 d強(qiáng)度的充填體試塊放入密封袋中加水密封，浸泡7 d后取其浸出液進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。由表1全尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果可知，尾砂中具有潛在環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)的重金屬元素有Fe、Pb、Zn、Cu、Cr和Mn等。充填體浸泡水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果如表5所示［12］。根據(jù)GB/T 14848—2017 《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和GB 8978—1996 《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，該浸泡水水質(zhì)在地下水Ⅲ類水質(zhì)以上，同時(shí)也滿足國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求。在膠凝材料水化過程中，水化產(chǎn)物通過吸附作用和置換作用將重金屬離子有效固結(jié)在充填體中［12-13］。由此可知，將該礦山分級(jí)粗尾砂用于制磚或建筑用砂等途徑是可行的。

4 成本分析

本次經(jīng)濟(jì)成本分析主要針對(duì)該礦山全尾砂充填和分級(jí)細(xì)尾砂充填（粗尾砂建材化處理）2種方式的成本對(duì)比，其主要包括膠凝材料成本、尾礦庫(kù)排尾成本及尾砂對(duì)外銷售收益。通過了解，該礦山向尾礦庫(kù)每排放1 t尾砂的處理成本為10元，本地強(qiáng)度等級(jí)42.5水泥售價(jià)為350元/t，膠固粉價(jià)格為450元/t。由于該地區(qū)地理位置及周邊需求等因素影響，該礦山分級(jí)粗尾砂對(duì)外售價(jià)約為15元/t。經(jīng)濟(jì)成本分析結(jié)果如表6所示。由表6可知，采用分級(jí)細(xì)尾砂充填（粗尾砂建材化處理）的方案比全尾砂充填方案在經(jīng)濟(jì)成本上更有優(yōu)勢(shì)，每天可以節(jié)省3 422.1元。同時(shí)，分級(jí)細(xì)尾砂充填，粗尾砂建材化處理可以實(shí)現(xiàn)該礦山無尾礦山的建設(shè)。

5 結(jié) 論

1）通過分析該礦山尾砂性質(zhì)，計(jì)算得出尾砂充填時(shí)尾砂消耗量，結(jié)果顯示，無論采用全尾砂充填還是分級(jí)尾砂充填，都不能將尾砂全部處理掉，從而提出了針對(duì)四川某鉛鋅礦尾砂的“細(xì)尾砂充填，粗尾砂外售”的綜合利用方案。

2）針對(duì)該礦山分級(jí)細(xì)尾砂展開了一系列充填配比試驗(yàn)，并為礦山選擇了適合該礦山尾砂特性的濃密裝備。結(jié)果顯示，采用礦山附近水泥廠的膠固粉可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)細(xì)尾砂膠結(jié)充填。充填料漿質(zhì)量濃度為68 %，灰砂比1∶12時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度為0.59 MPa，滿足礦山采礦要求。

3）通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和試驗(yàn)分析，驗(yàn)證該礦山分級(jí)粗尾砂建材化利用是可行的。

4）對(duì)全尾砂充填和分級(jí)細(xì)尾砂充填（粗尾砂建材化處理）2種方式進(jìn)行成本對(duì)比分析，結(jié)果顯示，后者每天比前者節(jié)省3 422.1元。該研究成果可為類似礦山企業(yè)建設(shè)無尾綠色礦山提供指導(dǎo)與借鑒。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Research on comprehensive utilization technology of tailings for green mines

Luo Shiyong1，Lai Wei2

（1.Sichuan Liangshan State-owned Industrial Investment Development Group Co.，Ltd.

;

2.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.）

Abstract：To achieve a green mine with zero tailings discharge，a lead-zinc mine in Sichuan has undertaken a study on the comprehensive and full utilization of tailings after detoxification.Through brief field surveys and investigations of the mine’s technical conditions，along with experimental analysis of tailings characteristics，2 schemes were proposed： ungraded tailings backfill and graded fine tailings backfill （coarse tailings used as building materials）.Due to the swellability of minerals during grinding，the space in the mined-out areas cannot accommodate all the tailings generated during mining.Thus，it is decided that the ungraded tailings be graded，with a grading threshold of 74 μm，resulting in a coarse tailings productivity of 39.5 %.The coarse fraction is dewatered and used as construction sand material，while the fine fraction is thickened and dewatered for use as backfill aggregate，thereby achieving zero tailings discharge.Based on the characteristics of the fine fraction，a paste storage thickener was selected for efficient thickening and dewatering，and the cementing powder from nearby cement factory is used for backfill with cemented graded fine tailings.As can be seen from cost analysis of the 2 utilization schemes，3 422.1 yuan can be saved daily by backfill with graded tailings，showing significant results.The research achievement can be a reference for similar mines when constructing tailings-free green mines.

Keywords：green mine;paste;tailings;comprehensive utilization;backfill;utilization as building materials;economic benefits