尾礦綜合利用研究進展及工程實踐
作者：施燦海,劉明生,程立家,藍蓉
單位：昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司
0
引言
大宗工業(yè)固體廢物是指我國各工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)活動中年產(chǎn)生量在1 000萬t以上、對環(huán)境和安全影響較大的固體廢物，主要包括尾礦、煤矸石、粉煤灰、冶煉渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏、赤泥和電石渣等。大宗工業(yè)固體廢物具有的共性環(huán)境問題為大量原礦開采導(dǎo)致源頭生態(tài)破壞、大量不規(guī)范堆存造成場地污染。而且一旦發(fā)生場地污染，其表現(xiàn)出的隱蔽性、長期性、復(fù)雜性都增加了未來修復(fù)的難度和成本。尾礦作為一種特殊的大宗工業(yè)固體廢物，其堆存量逐年增加。根據(jù)中國礦業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015—2020年，我國尾礦堆存量分別為146億t、168億t、195億t、207億t、220億t、231億t。
金屬尾礦產(chǎn)生量巨大，可占到我國工業(yè)固體廢物產(chǎn)生總量的一半以上。金屬尾礦主要包括黑色金屬尾礦、有色金屬尾礦和稀貴金屬尾礦，其中，有色金屬尾礦主要包括銅尾礦、鉛鋅尾礦、鎳尾礦、錫尾礦等。有色金屬尾礦含有多種殘余有色金屬，并包括硫化物，石英、長石、云母等氧化礦物和硅酸鹽類礦物。對于周邊環(huán)境來說，有色金屬尾礦大都是潛在的重金屬污染源，砷、鉛污染控制難度大。大部分有色金屬尾礦由于含有較多的硫化礦物，也是礦山酸性廢水的潛在發(fā)生源。
近十年來，諸多學(xué)者和礦山企業(yè)對尾礦綜合利用開展了大量的研究和實踐，但我國尾礦綜合利用率仍處于低于30%的水平，約70%的尾礦未得到有效利用。因此，通過分析全國和云南省尾礦庫相關(guān)數(shù)據(jù)，進一步梳理尾礦產(chǎn)生量、綜合利用情況及典型經(jīng)驗，為尾礦綜合利用提供指導(dǎo)和借鑒。
1
重點省份尾礦庫情況
2021年，我國共有尾礦庫7 000余座，總量仍居世界第一位。尾礦庫數(shù)量居全國前10位的省份分別為河北省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、云南省、湖南省、河南省、山西省、陜西省、廣西壯族自治區(qū)、四川?。▓D1），合計占比約65%。
圖1 2021年全國部分重點省份尾礦庫數(shù)量
在我國7 000余座尾礦庫中有“頭頂庫”（系指下游1 km〈含〉距離內(nèi)有居民或重要設(shè)施的尾礦庫）1 112座，“頭頂庫”因數(shù)量多、安全基礎(chǔ)薄弱，易引發(fā)生產(chǎn)安全事故，受到各級應(yīng)急部門和礦山企業(yè)的高度重視。與此同時，尾礦對生態(tài)環(huán)境的影響也是尾礦堆存面臨的主要矛盾之一。我國長江流域共有尾礦庫1 641座，其中1 618座已完成污染治理，完成率98.60%。長江流域上游干流尾礦庫主要分布于云貴川地區(qū)，如攀枝花市（金沙江）共有38座，以黑色金屬尾礦、有色金屬尾礦為主；長江流域中下游尾礦庫主要分布于湖北省、安徽省等地，如安徽省馬鞍山市共有12座；長江支流尾礦庫主要分布于陜南地區(qū)，以商洛市、漢中市、安康市為主，數(shù)量分別為134座、71座、40座。長江流域尾礦庫存在的問題主要有以下方面。①歷史堆存量大，區(qū)域跨度大，經(jīng)濟發(fā)展不均衡。長江流域在用尾礦庫主要集中于經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，地區(qū)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)對資源依賴性顯著，地區(qū)尾礦綜合利用壓力大。②尾礦長期堆存，安全風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險并存。長江中上游及支流部分尾礦庫分布于沿江不足3 km范圍內(nèi)，部分停用時間超三年且未做相關(guān)閉庫措施，安全風(fēng)險和生態(tài)污染風(fēng)險長期存在。以云南省為例，2020—2022年尾礦庫數(shù)量分別為588座、523座和489座，總體上呈遞減趨勢，但總量仍接近500座，堆存尾礦種類主要有鉛鋅尾礦、銅尾礦、鐵尾礦、鈦尾礦和錫尾礦五種（圖2）。
圖2 2020—2022年云南省不同類型金屬尾礦庫數(shù)量
2
尾礦產(chǎn)生量情況
隨著經(jīng)濟的發(fā)展、浮選技術(shù)的提升及有色金屬需求的增加，我國礦石處理量處于快速增長階段。2011—2021年，我國尾礦的產(chǎn)生量始終圍繞15（±3）億t波動（圖3）。2018年供給側(cè)改革初顯成效，大量小礦山關(guān)停，尾礦產(chǎn)生量出現(xiàn)最大降幅，而后逐年回升。2021年，受全球貨幣政策寬松、金屬工業(yè)品需求旺盛及新冠肺炎疫情等因素影響，工業(yè)品價格全年處于高位運行，高利潤是礦山保持高效生產(chǎn)的核心驅(qū)動力，因此，各類尾礦產(chǎn)生量均出現(xiàn)普遍性增長。
圖3 2011—2021年我國尾礦綜合利用情況
2021年，我國尾礦總產(chǎn)生量14.19億t，同比增長9.58%。其中，鐵尾礦產(chǎn)生量約6.11億t，占比43.06%；銅尾礦產(chǎn)生量約3.92億t，占比27.63%；黃金尾礦產(chǎn)生量約1.61億t，占比11.35%；其他金屬尾礦產(chǎn)生量約1.35億t，占比9.50%；非金屬尾礦產(chǎn)生量約1.20億t，占比8.46%。
3
尾礦綜合利用情況
3.1綜合利用研究進展
尾礦綜合利用研究關(guān)注點為尾礦作為二次資源再選和尾礦的整體利用。比如從鎢鉬尾礦中綜合回收鎢、鉬、鉍、銅、鋅，從多金屬硫化尾礦中綜合回收絹云母、鐵、硫、鉛、鋅、銀、銻；整體利用包含尾礦制建筑材料、尾礦代替水泥鐵質(zhì)校正材料等。尾礦綜合利用研究主要涉及鐵尾礦、石棉尾礦、含鈮尾礦、鉬尾礦、銅尾礦、鎢尾礦、磷尾礦、黃金尾礦、稀土尾礦、錫尾礦、釩鈦磁鐵礦尾礦、菱鎂礦尾礦等，其中，值得重點關(guān)注的研究成果有石棉尾礦制備高純超細氫氧化鎂和高純超細高比表面積白炭黑是一種技術(shù)上可行、經(jīng)濟效益明顯的路線；鉬尾礦合成制造金云母、玻璃、混凝土小型空心砌磚等建筑材料；鉬尾礦還可以用作農(nóng)業(yè)肥料。綜合分析，尾礦綜合利用途徑集中于有價元素回收、建筑材料、充填、復(fù)墾等方面。
但上述綜合利用途徑均存在一定問題，如從尾礦中提取有價元素，多為選礦工藝相對落后的歷史堆積尾礦；尾礦建材化雖有一定進展，但受到環(huán)境安全、工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)業(yè)化等因素制約，未得到持續(xù)性的發(fā)展；尾礦制作農(nóng)用肥料和主流的肥料生產(chǎn)企業(yè)相比，整體效益不足以支撐該模式下的投入。這些問題也是導(dǎo)致在國家政策層面大力支持尾礦固廢資源化，但利用率僅為30%左右的主要原因。
在區(qū)域尾礦資源綜合利用方面，鈦尾礦、鐵尾礦利用潛力較大。其中，鈦尾礦因采礦工藝為地表水采，且選礦工藝多為磁選和重選，其尾礦為土壤顆粒的水力沉積，因此，鈦尾礦土壤化具有較大的市場前景。銅尾礦、鉛鋅尾礦、黃金尾礦的規(guī)?；萌匀幻媾R較大的挑戰(zhàn)，究其原因，與礦石的成礦機理和選礦工藝有直接關(guān)系。礦石選別過程中工藝選擇、藥劑的添加成分及比例直接影響固體廢物屬性，從而間接影響規(guī)?；腆w廢物綜合利用。
近年來，從單純的尾礦作為充填材料、路基材料等砂石材料利用模式，逐步轉(zhuǎn)化成大量利用尾礦中的高含量元素Ca、Mg和主要元素Si、Al制備輕質(zhì)、隔熱、耐火等多功能高附加值材料利用模式。河南省嵩縣柿樹底金礦在尾礦綜合利用方面取得了實質(zhì)進展，建成充填系統(tǒng)，將浮選尾礦振動篩分，中細粒徑尾砂用于井下采空區(qū)充填，粗粒徑尾砂脫水后，可作為建筑石料對外銷售，將“廢品”變成資源，實現(xiàn)了生態(tài)效益和經(jīng)濟效益相統(tǒng)一。
綜上所述，尾礦綜合利用規(guī)?；o害化既是整個產(chǎn)業(yè)中的難點，也是科技進步和技術(shù)應(yīng)用的痛點。
3.2利用量及利用方向
根據(jù)工業(yè)固廢網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年我國尾礦綜合利用量達到5.00億t，利用率達到35.24%，同比增長了3.47%（圖3）。目前，尾礦綜合利用的方式有有價組分回收、礦山井下充填、生產(chǎn)建筑用砂、輕質(zhì)砌塊和條板、路基墊層料、礦山植被復(fù)墾、填海造地等途徑。綜合利用占比最大的方式是尾礦洗砂和尾礦充填，占比約為84.5%。
1）建筑材料。尾礦中含有Si、Al等元素，將尾礦用作建材原料可以減少傳統(tǒng)建筑材料開發(fā)，實現(xiàn)尾礦的大宗消納，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益和社會效益。目前，在建筑材料方面，尾礦主要應(yīng)用于分選機制砂、生產(chǎn)加氣塊、加氣條板、免燒磚、透水磚、干混預(yù)拌砂漿、特種砂漿、混凝土摻合料、微晶玻璃、發(fā)泡陶瓷、陶粒輕骨料及路基等領(lǐng)域。
2）尾礦充填。尾礦充填可以大量消納尾礦，是極其有效的尾礦減量化利用技術(shù)之一。礦山的充填經(jīng)歷了干式充填、水力充填、膠結(jié)充填以及膏體充填等階段。近年來，隨著新一輪找礦戰(zhàn)略突破行動，以及礦業(yè)作為國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的作用日益突出，礦石價格回升和技術(shù)發(fā)展同時促進了充填采礦技術(shù)的迅速發(fā)展，其中具有代表性的是全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)和高水固結(jié)全尾砂充填技術(shù)，近年來新建的礦山多采取充填采礦技術(shù)進行開采，真正實現(xiàn)了“無尾礦山”。
3）二次分選及有價組分回收。由于特定時期工藝和設(shè)備等原因，選礦后排出的尾礦仍有多種共伴生有價組分未被完全提取與回收，目前主要集中于鐵、銅、金、銀、鈦等有價金屬和云母、石英等非金屬礦物的回收方面，提取方法主要有磁選、浮選、反浮法、重選耦合等多種選礦法。
4）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。目前，尾礦用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要有三個方向：一是利用尾礦中含有的Zn、Mn、Cu、Mo、P等植物生長必備微量元素，經(jīng)處理將其制成化肥，以達到提高土壤肥力的作用；二是土壤改良劑，尾礦中的有效組分與土壤有害物質(zhì)反應(yīng)，達到以廢制廢、修復(fù)土壤環(huán)境的目的；三是采用微生物法或者生物法進行尾礦庫復(fù)墾。
3.3存在問題及解決途徑
1）存在問題。我國尾礦處理目前存在的主要問題有：①歷史存量尾礦量大，占用大量的土地；②尾礦堆存存在潰壩和污染生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險；③尾礦入庫堆存仍然是新增尾礦的主要處置方式。
2）現(xiàn)有技術(shù)。尾礦處置以尾礦庫堆存及綜合利用為主。專利的申請和授權(quán)能夠有效展示研究熱度及技術(shù)前沿，尾礦綜合利用相關(guān)專利申請及授權(quán)情況如圖4所示。
圖4 2021年尾礦綜合利用相關(guān)專利申請與授權(quán)情況
從專利授權(quán)領(lǐng)域看，尾礦專利授權(quán)集中在尾礦充填、尾礦制備建材、有價組分回收、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，其中，尾礦充填方向占比42%，尾礦制備建材方向占比33%，有價組分回收占比19%，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域占比3%，其他領(lǐng)域占比3%（圖5）。
圖5 2021年尾礦綜合利用相關(guān)授權(quán)專利涉及主要領(lǐng)域
從申請人看，2021年昆明理工大學(xué)獲得尾礦綜合利用相關(guān)專利授權(quán)18件，主要集中在尾礦協(xié)同脫硫、鈍化重金屬、有價組分提取及尾礦制備建材等方向；其次為鞍鋼集團礦業(yè)有限公司，獲得相關(guān)專利授權(quán)4項，主要集中在尾礦制備吸附劑和絮凝劑方向。
技術(shù)標準的制定與實施體現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的成熟度?，F(xiàn)行尾礦綜合利用相關(guān)標準21項，其中，推薦性國家標準3項、行業(yè)標準8項（黑色冶金方向7項，建材方向1項）、地方標準10項（河北省4項，江西省2項，青海省、安徽省、福建省、吉林省各1項）?，F(xiàn)行標準主要集中在用于水泥、混凝土中的摻合料，礦山修復(fù)及治理，制備燒結(jié)磚及加氣混凝土砌塊方面。
3）解決途徑。區(qū)域尾礦資源處置的建議：①采用原位封存及植被生態(tài)恢復(fù)技術(shù)實施尾礦庫生態(tài)閉庫，使其與周邊自然環(huán)境融為一體；②研發(fā)“安全+生態(tài)”集成技術(shù)，突破應(yīng)急主管部門或生態(tài)主管部門單向管控尾礦庫的現(xiàn)狀；③尾礦實現(xiàn)資源處置的關(guān)鍵在于選礦環(huán)節(jié)產(chǎn)生尾礦的減量化。
3.4重點技術(shù)及應(yīng)用案例
結(jié)合工作實踐，部分項目成功實施并取得了較為突出的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益。本文主要介紹兩種重點技術(shù)及應(yīng)用情況。
3.4.1磷石膏回采技術(shù)
為解決某歷史遺留磷礦區(qū)生態(tài)修復(fù)充填材料來源困難的問題，由多家企業(yè)、高校合作成立了新型礦山生態(tài)修復(fù)充填材料專項研發(fā)團隊，針對采用磷石膏作為主要原料生產(chǎn)礦山生態(tài)修復(fù)充填材料進行了研究與開發(fā)，所得磷石膏基新型生態(tài)修復(fù)材料能夠滿足礦坑充填材料各項相關(guān)指標要求。該技術(shù)的合理推廣，可以解決流域遺留礦坑修復(fù)材料短缺的問題，推進流域生態(tài)修復(fù)工作，改善流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。
1）回采方式：露天開采。
2）回采范圍：結(jié)合《磷石膏庫安全技術(shù)規(guī)程》（AQ 2059—2016）要求及工程實際，壩前150.0 m范圍作為禁采區(qū)，不考慮回采。回采分為南區(qū)和北區(qū)，交替實施。
3）回采工藝：南區(qū)、北區(qū)回采時，總體由庫尾向壩前方向進行。放礦時，將放礦管設(shè)置在壩體上，由壩前向尾部進行放礦。南區(qū)和北區(qū)回采工藝相同，僅分區(qū)內(nèi)帶寬南區(qū)為40.0 m，北區(qū)為60.0 m。
4）產(chǎn)品方案：回采出的磷石膏作為磷石膏基新型生態(tài)修復(fù)材料的原材料，磷石膏基新型生態(tài)修復(fù)材料作為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)示范項目的充填材料使用。
5）生產(chǎn)能力：磷石膏的生產(chǎn)（回采）能力為240.0萬m3/a。
6）實施總結(jié)：磷礦生態(tài)修復(fù)區(qū)域由4個礦坑組成，生態(tài)修復(fù)面積102.66 hm2。4個礦坑進行相應(yīng)的地表清理、防滲處理后采用磷石膏基生態(tài)修復(fù)材料進行回填，回填后表面做阻隔防滲處理，覆土并恢復(fù)為農(nóng)用地及林地。磷石膏的回采意義在于減少固廢堆存量、降低安全風(fēng)險，同時可有效解決區(qū)域（流域）歷史遺留礦山邊坡垮塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，景觀損毀區(qū)域的植被生態(tài)恢復(fù)等，突出緩減了企業(yè)固廢處置場的建設(shè)成本，尤其是在當前基本農(nóng)田、公益林等用地審批難度大的背景下。與此同時，也能積極推進當?shù)卣鋵崥v史遺留礦山生態(tài)修復(fù)工作。因此，該案例應(yīng)用場景為廢棄礦山治理下的固廢規(guī)?；幚硖峁┝诵碌耐緩?。
3.4.2高濃度細粒級全尾砂充填技術(shù)
1）技術(shù)簡介。高濃度細粒級全尾砂充填技術(shù)已列入金屬尾礦綜合利用先進實用技術(shù)目錄，采用特殊的立式砂倉脫水，可將極細粒級全尾砂（-20μm全尾砂約占40%）直接制備成高濃度（74%以上）砂漿，并聯(lián)合深井開采全尾砂高濃度充填料漿自流管輸降壓技術(shù)及采場泄水技術(shù)，實現(xiàn)立式砂倉流態(tài)化全尾砂高濃度連續(xù)充填，解決深部高大采場嗣后充填問題。
尾砂充填和排放工藝中的關(guān)鍵設(shè)備是新型高效全尾砂濃縮貯存裝置。結(jié)合傳統(tǒng)的立式砂倉，通過合理的活化設(shè)施布置，將選礦廠全尾砂直接泵入尾砂濃縮貯存裝置，經(jīng)高效沉淀、澄清脫水，采用高壓水/氣活化尾砂等流程，直接制備出高濃度全尾砂料漿或膏體，用于充填或者干式堆放。低成本、穩(wěn)定、高濃度的尾砂脫水和給料是保障尾砂充填及排放工藝正常生產(chǎn)的關(guān)鍵。
該技術(shù)通過合理的噴咀設(shè)施造漿技術(shù)，以及噴咀布置，將選礦廠全尾砂直接泵（注）入砂倉，經(jīng)高效沉淀、澄清脫水，采用高壓水/氣活化尾砂，直接制備出高濃度全尾砂料漿或膏體，全部用于充填。
2）應(yīng)用案例及推廣前景。尾礦空區(qū)膏體充填機安全無害處理技術(shù)領(lǐng)域的革新和開發(fā)，從源頭解決尾礦、煤矸石造成的一系列環(huán)保問題和安全問題，自主研發(fā)充填工業(yè)泵、膏體濃密機、礦用混凝土泵、礦用濕噴機、礦用清倉機等高端環(huán)保裝備，已完成的或在建的項目有云南金沙公司因民銅礦、云南保山核桃坪鉛鋅礦、新疆阿希金礦、貴州開陽磷礦、安徽銅陵有色冬瓜山銅礦等。
高濃度細粒級全尾砂充填技術(shù)能提高礦山的資源利用率，是充分利用尾礦資源發(fā)展節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的直接有效途徑。該項技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益顯著，擁有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
3）實施總結(jié)：全尾砂充填的意義在于實現(xiàn)“無尾”礦山，推進無廢“礦山”建設(shè)，同時可以有效解決礦山地下開采的采空區(qū)治理，均已得到國家、行業(yè)、企業(yè)的認可。與此同時，將井下充填技術(shù)延伸至露天采坑尾礦固結(jié)充填領(lǐng)域是行業(yè)新技術(shù)研發(fā)的方向之一。
4
結(jié)論及展望
1）綜合分析，尾礦的綜合利用途徑主要為回收有價組分、研發(fā)建筑材料或回填料，多功能高附加值材料利用模式也得到了關(guān)注和實踐。近年來，云南省在尾礦、磷石膏回采工程中，結(jié)合歷史遺留廢棄露天采坑的治理和回填，既解決了歷史遺留廢棄礦山的治理問題，同時又消耗了部分大宗工業(yè)固體廢物，但是相比總體工業(yè)固體廢物存量，占比仍舊很小。
2）尾礦井下充填為國家鼓勵的新技術(shù)，已得到了廣泛應(yīng)用。工程實踐中仍存在建設(shè)成本高、推廣程度不足等問題。在此基礎(chǔ)上，進一步從政策導(dǎo)向和技術(shù)開發(fā)的角度，研發(fā)露天采坑閉坑或政策原因退出（停產(chǎn)）的固體廢物充填技術(shù)。
3）對于尾礦綜合利用的研究方向，今后應(yīng)重點關(guān)注以下方面：①尾礦的化學(xué)改性技術(shù)，使其改性后能夠穩(wěn)定滿足工程和環(huán)保的要求，更多地應(yīng)用于實際工程；②尾礦中超標因子采用植物或者微生物的方式控制，并使其轉(zhuǎn)變?yōu)橥?，尾礦成土后將成為一種高價值資源。
4）尾礦綜合利用后的場地生態(tài)環(huán)境不容樂觀，因此，現(xiàn)有尾礦庫完成回采后的場地污染防控也需要引起重視。
出版信息
第一作者簡介
施燦海：男，白族，云南洱源人，高級工程師，主要從事固廢（尾礦）處置及礦山生態(tài)修復(fù)方面的研究工作。單位：昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司。
通訊作者簡介
藍蓉：女，漢族，山東青島人，正高級工程師，主要從事固廢（尾礦）處置及礦山生態(tài)修復(fù)方面的研究工作。單位：昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司。
引用格式
施燦海，劉明生，程立家，等.尾礦綜合利用研究進展及工程實踐[J].中國礦業(yè)，2024，33（2）：107-114.
SHI Canhai，LIU Mingsheng，CHENG Lijia，et al.
Research progress and engineering practice on comprehensive utilization of tailings[J].China Mining Magazine，2024，33（2）：107-114.
免責聲明：本站部分圖片和文字來源于網(wǎng)絡(luò)收集整理，僅供學(xué)習(xí)交流，版權(quán)歸原作者所有，并不代表我站觀點。本站將不承擔任何法律責任，如果有侵犯到您的權(quán)利，請及時聯(lián)系我們刪除。