尾礦綜合利用研究進(jìn)展及工程實踐
作者：施燦海,劉明生,程立家,藍(lán)蓉
單位：昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司
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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(jìn)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。
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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)、四川省（圖1），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(jì)發(fā)展不均衡。長江流域在用尾礦庫主要集中于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，地區(qū)經(jīng)濟(jì)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
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尾礦產(chǎn)生量情況
隨著經(jīng)濟(jì)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%。
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尾礦綜合利用情況
3.1綜合利用研究進(jìn)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(xì)氫氧化鎂和高純超細(xì)高比表面積白炭黑是一種技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jī)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(jìn)展，建成充填系統(tǒng)，將浮選尾礦振動篩分，中細(xì)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(jì)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(jìn)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(dá)到5.00億t，利用率達(dá)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(jì)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(jī)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)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(jìn)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(tuán)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(biāo)準(zhǔn)的制定與實施體現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的成熟度。現(xiàn)行尾礦綜合利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)21項，其中，推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)3項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8項（黑色冶金方向7項，建材方向1項）、地方標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(tuán)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(jìn)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(biāo)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(jìn)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?；夭煞譃槟蠀^(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(jìn)行。放礦時，將放礦管設(shè)置在壩體上，由壩前向尾部進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)當(dāng)?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)模化處理提供了新的途徑。
3.4.2高濃度細(xì)粒級全尾砂充填技術(shù)
1）技術(shù)簡介。高濃度細(xì)粒級全尾砂充填技術(shù)已列入金屬尾礦綜合利用先進(jìn)實用技術(shù)目錄，采用特殊的立式砂倉脫水，可將極細(xì)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(jī)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(jī)、礦用混凝土泵、礦用濕噴機(jī)、礦用清倉機(jī)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(xì)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(jì)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(jìn)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(rèn)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。
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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(jìn)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(biāo)因子采用植物或者微生物的方式控制，并使其轉(zhuǎn)變?yōu)橥粒驳V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(lán)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(jìn)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.