鐵礦尾礦綜合利用效益評價研究：以攀西某鐵礦為例

楊四福，康小兵，駱茂林

(1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059；2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059)

改革開放以來，中國的鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速。以生鐵和粗鋼產量計算，1978年生鐵和粗鋼產量分別為3 479萬t和3 178萬t，而2019年達到80 936.5萬t和99 634.2萬t[1]。與此同時，鐵尾礦排放量由1985年的1億t增至2017年的5億t，鐵尾礦在工業(yè)固體廢棄物中的占比越來越大，2016年鐵尾礦占工業(yè)固體廢棄物總量的20.82%，而鐵尾礦利用量僅占工業(yè)固體廢棄物利用總量的9.2%。目前，四川省、云南省、安徽省、河北省和內蒙古自治區(qū)等中國主要的鐵礦石產區(qū)，已形成了以鐵尾礦為主要工業(yè)固體廢棄物的堆積區(qū)[2]。

隨著國家經濟結構的調整和經濟發(fā)展理念的轉變，針對礦山環(huán)境恢復治理與綠色礦山建設過程中的尾礦問題，原國土資源部和財政部2010年共同組織實施了礦產資源節(jié)約和綜合利用專項及金屬尾礦綜合利用規(guī)劃，提出了開采回采率、選礦回收率和綜合利用率等“三率”的最低指標要求；2019年1月11日國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部在《關于推進大宗固體廢棄物綜合利用產業(yè)集聚發(fā)展的通知》中強調對尾礦(共伴生礦)、冶金渣和廢石等為主的大宗固體廢棄物的綜合利用。

基于尾礦的資源屬性，趙軍偉等[3]認為實現高效益的鐵尾礦綜合利用是一個多目標的決策問題，同樣受經濟、社會、生態(tài)環(huán)境、技術、國家產業(yè)結構變化以及經濟發(fā)展理念等因素的影響。多指標的綜合評價一直是礦產資源綜合利用的評價研究的主要內容，其中最主要的兩個方面是代表性指標選擇和量化和合適的評價數學方法構建。曹進成等[4]基于采取模糊綜合評判方法、灰色關聯評價方法、層次分析法等多種礦產綜合利用評價方法，提出來指標加權平均值匯總(mineral explore level)的單礦山利用水平值法；劉興旺等[5]基于層次分析法(AHP)構建遞階層次結構評價決策模型，運用Expert Choice軟件計算評價了東江湖流域尾礦綜合利用項目的成熟度；莫曉蘭等[6]利用模糊數學模型評價了10座以銅為主的多金屬尾礦綜合利用程度；王曉雷等[7]對唐山地區(qū)鐵尾礦綜合利用及產業(yè)化程度評級進行了研究。多指標量化和多方法耦合的綜合評價在礦產資源綜合利用評價方面已經相對普遍。相關的方法研究結果表明層次分析和模糊數學理論在尾礦及礦產資源綜合利用評價方面適用性好且成熟度高。

本文通過相關文獻調研并結合實例提出鐵尾礦綜合利用效益評價指標，并對指標進行量化分級，利用層次分析法求得各指標權重，結合模糊數學理論構建鐵尾礦綜合利用效益的評價模型；將層次分析法和模糊數學理論相結合，評價了攀西某鐵礦尾礦綜合利用效益，以期為以TFe為主的多金屬礦山地質環(huán)境修復治理與礦山綠色循環(huán)經濟發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

攀西某鐵礦位于四川省攀枝花市米易縣境內，屬于釩鈦磁鐵礦。根據攀西某鐵礦二期評估報告，TFe品位57%，TiO2品位10.2%，V2O5品位0.73%。礦區(qū)主體工程包括及及坪露天采區(qū)和田家坪露天采區(qū)、萬碾溝尾礦庫、白石堆排土場和松林坪排土場。萬年溝尾礦庫位于及及坪礦區(qū)東北約3.0 km，總庫容為3.26×109m3，屬二等尾礦庫，能滿足及及坪和田家坪兩礦區(qū)的全部尾礦量。

2 研究方法

本文基于礦產資源綜合開發(fā)利用水平及效益的評估方法，研究方法步驟如下：①選擇和確定影響因素，建立鐵尾礦綜合利用效益評價指標體系；②分析鐵尾礦綜合利用效益涉及的要素，確定各要素評價指標性質；③構建評價指標隸屬函數進行指標量化，通過層次分析法(AHP)建立遞階層次結構，通過因素成對比較，導出因素相對重要性；④使用AHP-模糊數學法計算指標權重和不同等級效益隸屬度，實現鐵尾礦綜合利用效益的評價。為運算方便，具體指標權重、一致性分析采用MATLAB軟件完成。

3 綜合利用效益評價

3.1 指標體系構建

結合礦產資源綜合利用水平評估方法研究、礦區(qū)循環(huán)經濟評價指標體系及鐵尾礦綜合利用等相關文獻的查閱分析并咨詢相關專家[8-11]，篩選整合適宜的指標，構建鐵尾礦綜合利用效益評價經濟效益因素、社會效益因素及生態(tài)環(huán)境效益因素3個一級指標，結合目前鐵尾礦綜合利用的形勢，確定11個二級指標，鐵尾礦綜合利用效益評價的AHP層次結構見圖1，評價指標劃分標準見表1。

表1 評價指標劃分標準Table 1 Criteria for the classification of evaluation indicators

圖1 鐵尾礦綜合利用效益評價的AHP層次結構Fig.1 AHP hierarchy chart of comprehensive utilization benefit evaluation of iron tailings

3.2 評價指標解釋及分級

3.2.1 潛在資源價值(C11)

尾礦整體利用可獲得的經濟價值，如形成相關產品的總價值或有價組分利用的總價值。尾礦資源的不同性質，決定了尾礦綜合利用的方式，進而在尾礦資源潛在總價值的估算中差異較大。結合攀西某鐵礦區(qū)以及其他地區(qū)鐵尾礦，富含多金屬且品位達到再選標準的尾礦潛在資源價值最大，結合部分礦區(qū)對尾礦潛在資源價值估算數據，本文將該指標分為5級。

3.2.2 綜合利用率(C12)

綜合利用率是表征尾礦綜合利用程度的重要指標。根據中國資源綜合利用年度報告統計數據，2012年鐵尾礦綜合利用率為4.98%，2016年鐵尾礦綜合利用率為23.47%[12]。根據歷年鐵尾礦綜合利用率平均值數據統計，如圖2所示，結合截至2017年1月公布的30個礦種的“三率”指標標準中四川釩鈦磁鐵礦對鈦、釩和鉻(紅格南區(qū))的綜合利用率標準，將該指標分為5個等級。

圖2 2008—2016年全國鐵尾礦綜合利用數據統計Fig.2 Statistics on comprehensive utilization of iron tailings in China from 2008 to 2016

3.2.3 投資回報率(C13)

投資回報率是指尾礦綜合利用工程項目的利潤總額與固定資產投資比值。本文參考相關尾礦利用項目的研究結果，目前，尾礦綜合利用項目中投資回報率平均值約為25%。結合實際尾礦利用項目的數據統計，將該指標分為5級。

3.2.4 尾礦各利用方向產值(C14)

尾礦各利用方向產值是指實際利用項目中尾礦各利用方向相關產品的產值(有價組分再選、綠色建筑材料、采空區(qū)回填和復合新肥料等)。在相關的研究中，尾礦綜合利用效益對經濟效益考慮僅選擇潛在資源價值。但由于尾礦綜合利用中涉及利用方式的難易程度，考慮到所需的技術支持復雜程度等其他因素，潛在資源價值不能實際體現尾礦綜合利用項目實際的經濟效益，故本文引入尾礦綜合利用項目實際運行后，根據其利用方向差異及其產生的實際價值。從相關數據統計可知[13]，尾礦中回收有價組分約占尾礦利用總量的3%，產值在1.5億～4.3億元之間；生產建筑材料約占尾礦利用總量的43%，產值在0.2億～1.3億元之間；回填礦山采空區(qū)約占尾礦利用率總量的53%，產值約在0.2億元；其他途徑利用約占1%。不同利用方向產值存在較大差異，本文將該指標分為5級。

3.2.5 行業(yè)政策形勢條件(C21)

行業(yè)政策形勢條件是指政府相關部門針對尾礦利用出臺的政策以及行業(yè)市場中產品的銷售半徑、銷路以及市場前景。本文依據歷年《中國大宗工業(yè)固體廢物處理利用行業(yè)年發(fā)展報告》，結合礦區(qū)的交通便利條件、目前尾礦利用技術的研究方向以及市場的需求情況，將該指標分為5級。

3.2.6 就業(yè)增加程度(C22)

就業(yè)增加程度是指尾礦利用項目建設期和運營期增加的就業(yè)人員。結合四川釩鈦磁鐵礦區(qū)相關鐵尾礦釩鈦等有價金屬再選回收項目以及相關綠色礦山建設項目中的就業(yè)人員增加數據統計，尾礦綜合利用項目就業(yè)人員增加數量普遍在75～100人之間，本文根據需要，將該指標分為5級。

3.2.7 財政收入貢獻量(C23)

財政收入貢獻量是指當地政府因尾礦利用項目增加的財政收入。根據先前研究資料，針對尾礦綜合利用效益的評估中，大多使用年度項目收益核算，但未考慮因不同地區(qū)行業(yè)結構對地區(qū)財政收入的影響，本文以財政收入貢獻量計算。結合實際尾礦利用項目的數據統計，將該指標分為5級。

3.2.8 區(qū)域水土污染減少程度(C31)

區(qū)域水土污染減少程度是指尾礦利用過程中減少的揚塵、尾礦庫溢流水以及重金屬離子等對大氣、水和土壤環(huán)境造成的污染。礦山周邊區(qū)域的水土污染主要由廢石、尾礦堆置及排土場等“固廢”堆置場地在天然淋濾作用下有毒有害物質富集、滲漏和遷移，導致區(qū)域環(huán)境承載能力超負荷，產生了水環(huán)境、土壤環(huán)境惡化問題。故本文以尾礦綜合利用項目運行后，“消耗固廢”后減少的占地面積與未實施尾礦綜合利用前“固廢堆置”占地面積之比(P1)作為該指標分級的標度[13]。

3.2.9 降低尾礦庫安全隱患(C32)

降低尾礦庫安全隱患指標是指尾礦庫尾礦利用后減少對周邊區(qū)域居民及環(huán)境影響的程度。尾礦庫潛在的安全隱患主要表現為堆存的尾礦將成為泥石流或山洪的固體物質來源，遇特大暴雨時容易形成山洪或泥石流，對下游區(qū)域及居民及生態(tài)環(huán)境造成破壞。根據《尾礦庫安全風險等級分級標準》中的評審項目，較于庫高程、庫容、壩高及結構和排洪系統等項目，庫中尾礦體量是最為本質性的要素，故本文以減少尾礦量與尾礦堆置量之比(P2)作為該指標分級的標度。

3.2.10 二次污染(C33)

尾礦綜合利用過程造成的環(huán)境污染，主要為廢氣、廢水和廢渣污染的問題。廢氣和廢水的排放在依據《鐵礦采選工業(yè)污染物排放標準》的同時，參考礦山地下水、土壤、地表水體以及環(huán)境評價中涉及的空氣污染及噪聲污染等項目。本文一方面根據排放物達標、未達標以及超標情況,另一方面根據排放量和潛在污染區(qū)域的生態(tài)環(huán)境風險，將尾礦綜合利用過程中的二次污染指標分級。

3.2.11 礦山環(huán)境改善程度(C34)

礦山環(huán)境改善程度是指尾礦綜合利用項目運行后礦山環(huán)境(固體堆棄物占用土地、礦山荒地復墾及綠化)的改善程度，是國家生態(tài)建設以及“既要金山銀山，又要綠水青山”等生態(tài)經濟發(fā)展理念、綠色礦山等理念落實的重要體現之一。 依據《關于加強礦山地質環(huán)境恢復和綜合治理的指導意見》中關于改善礦山環(huán)境的要求、2018年自然資源部頒布的《冶金行業(yè)綠色礦山建設規(guī)范》中對于鐵礦礦山綠色礦山建設要求規(guī)范以及2012年來歷年《中國礦產資源報告》數據。目前減少耕地占用、土地復墾和新增綠地是礦山環(huán)境改善程度的重要表征[14-16]。為避免礦山規(guī)模本身存在的掩蔽效應，本文選擇耕地占用減少率、土地復墾率和綠化率的和對礦山環(huán)境改善程度分級。

3.3 綜合利用效益評價模型建立

鐵尾礦綜合利用效益評價涉及多方面的因素，且各因素對綜合利用效益的影響程度各不相同。為實現評價結果更客觀和科學，對比分析尾礦綜合利用及礦山環(huán)境綜合治理評價中運用比較成熟且最常用的模型[17-18]，本文選取了層次分析-模糊數學綜合評價法，構建各級模糊集合后，分別對定量和定性指標采用梯形分布隸屬函數計算指標隸屬度構建模糊矩陣，采用AHP法進行指標權重計算(表2)，最后根據構建的方法評價。

表2 AHP法的權重計算和相關參數Table 2 Weight calculation and related parameters of AHP method

3.4 評價結果效益等級

鐵尾礦綜合利用效益等級分級標準見表3。 Ⅰ級為鐵尾礦綜合利用效益差； Ⅱ級為鐵尾礦綜合利用效益較差；Ⅲ級為鐵尾礦綜合利用效益中等；Ⅳ級為鐵尾礦綜合利用效益較高；Ⅴ級為鐵尾礦綜合利用效益高。

表3 鐵尾礦綜合利用效益等級分級Table 3 Classification of comprehensive utilization benefit of iron tailings

4 基于構建評價模型的鐵礦尾礦綜合利用效益評價實例

4.1 評價結果

本文根據文中評價模型中指標的分級標準，結合四川地區(qū)攀西某鐵礦開發(fā)工程的評價，各指標量化結果見表4。

表4 實例指標量化Table 4 Index quantification of real examples

根據礦區(qū)因素集中各指標的量化及隸屬函數確定各指標模糊子集，再結合AHP計算權重，分別計算各級模糊關系矩陣和模糊綜合評價矩陣。由經濟效益(R1)、社會效益(R2)和環(huán)境效益(R3)的二級指標最大隸屬度結果組成的綜合評判模糊關系矩陣分別為式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

經濟效益、社會效益、環(huán)境效益各指標模糊綜合評價分別為式(4)～式(6)。

B1=C1×R1=

{0.00 0.07 0.75 0.18 0.00}

(4)

B2=C2×R2=

{0.00 0.30 0.60 0.10 0.00}

(5)

B3=C3×R3=

{0.11 0.58 0.08 0.23 0.00}

(6)

一級模糊綜合評價的單因素類模糊關系矩陣為式(7)。

(7)

根據計算結果礦區(qū)的級模糊綜合評價矩陣為式(8)。

B=C×R={0.03 0.23 0.56 0.18 0.00}

(8)

根據評價模型對實際數據的計算，結合最大隸屬度原則，該礦區(qū)尾礦綜合利用項目效益程度為中等，尾礦綜合利用效益等級屬Ⅲ級。

4.2 評價結果分析

根據構建的模型評價，攀西某礦區(qū)鐵尾礦綜合利用項目中，一級指標經濟效益模糊綜合評價B1為(0.75)，屬Ⅲ級；一級指標社會效益模糊綜合評價B2為(0.60)，屬Ⅲ級；一級指標生態(tài)環(huán)境效益模糊綜合評價B3為(0.58)，屬Ⅱ級。經濟效益二級指標(R1)結果表明，綜合利用率(C12)屬Ⅱ級，隸屬度為0.54，其余指標都屬Ⅲ級，隸屬度分別為0.86、0.72和0.77；社會效益二級指標(R2)結果表明，就業(yè)增加程度(C22)屬Ⅱ級，隸屬度為0.52，其余指標都屬Ⅲ級，隸屬度分別為0.50和0.87；環(huán)境效益二級指標(R3)結果表明，降低尾礦庫安全隱患(C32)和礦山環(huán)境改善程度(C34)屬Ⅱ級，隸屬度分別為0.85和0.64，區(qū)域水土污染減少程度(C31)屬Ⅲ級，隸屬度為0.85，二次污染(C33)屬Ⅳ級，隸屬度為1.00。根據二級指標綜合評判結果，攀西某礦區(qū)綜合利用項目中，經濟效益和社會效益相對穩(wěn)定，對礦區(qū)的總體利用效益影響較小，而生態(tài)環(huán)境效益中二級指標浮動較大。

結合礦區(qū)開發(fā)評估報告，礦區(qū)擬建排土場數量減少進而增大單個排土場容積及占地面積，已封閉的排土場綠化、復墾程度低；萬年溝尾礦庫正處服役年限中期，針對尾礦庫安全隱患的工程措施僅滿足環(huán)評要求，兩個露天采區(qū)正處服役中期，對裸露跡地的覆土種草，恢復植被措施還未實施。模型評價結果結合礦區(qū)實際情況的分析，為實現礦區(qū)更大的綜合利用效益、礦區(qū)地質環(huán)境修復治理與礦山綠色循環(huán)經濟建設取得進一步發(fā)展，在穩(wěn)定經濟效益和社會效益的同時，針對生態(tài)環(huán)境效益的措施應作為未來礦區(qū)綜合利用項目的擴展重點。

5 結 論

1) 選取以經濟效益、社會效益、環(huán)境效益為一級指標和涉及11個二級指標構建的鐵尾礦綜合利用效益評價指標體系。 其中，經濟效益和環(huán)境效益所占的權重最大，分別為0.637 0和0.258 3；在11個二級指標中，經濟效益中尾礦各利用方向產值與投資回報率相對于總目標的權重最大，分別為0.449 9和0.271 6；社會效益中就業(yè)增加程度和財政收入貢獻量相對于總目標的權重最大，分別為0.558 4和0.319 6；環(huán)境效益中降低尾礦庫安全隱患、二次污染和區(qū)域水土污染減少程度，分別為0.545 5、0.229 1和0.146 7。對比于先前研究表明：尾礦綜合利用產生的最直接的、最重要的效益是減少污染和帶來的投資收益。說明隨著國家經濟發(fā)展理念的轉變，尾礦綜合利用產生的效益已經更多的涉及社會和環(huán)境效益。

2) 將構建的評價模型應用于攀西某礦區(qū)鐵尾礦綜合利用項目，其結果為：該礦區(qū)鐵尾礦綜合利用效益等級屬中等(Ⅲ級)；總體上，綜合二級指標評判結果與一級指標隸屬等級，根據模型評價的結果與礦區(qū)鐵尾礦綜合利用現實特征相一致。生態(tài)環(huán)境效益較于經濟效益和社會效益，礦區(qū)鐵尾礦綜合利用項目中生態(tài)環(huán)境效益較低，生態(tài)環(huán)境效益是制約尾礦綜合利用效益的最主要短板，應當在礦區(qū)尾礦利用項目擴展過程中重點關注。