我國尾礦資源綜合利用研究進展與展望

吳 浩

(中鐵十九局集團礦業投資有限公司，北京 100161)

尾礦是原礦經碎磨、選別后的產物，是選出有用礦物后的剩余部分。據統計，截至2020年我國尾礦總儲量已超過600億t。尾礦庫占用大量的土地資源，同時還會對周圍的環境造成嚴重的污染。尾礦中殘留的選礦藥劑、超標的重金屬離子、砷化物等，經雨水沖刷及風化，會滲透到土壤當中，導致土壤污染、種植功能退化、植被死亡。尾礦粒度較細，多為0.150～0.075 mm，干燥后會形成飄塵，造成空氣污染。此外，大量堆積的尾砂具有較高的勢能，一旦發生潰壩會產生泥石流，可能對其下游居民和設施安全造成嚴重的威脅。

近期受到骨料礦山產能整合等政策的影響，傳統砂石骨料的短缺使更多學者認識到尾礦潛在的資源屬性。此外，國家應急管理部要求，自2020年起，在保證緊缺和戰略性礦產礦山正常建設開發的前提下，全國尾礦庫數量原則上只減不增。因此，尾礦進行資源化、減量化、無害化利用勢在必行。

1 尾礦的綜合利用方式

目前國內尾礦主要利用方式有充填地下采礦區、有價元素再選、制備建筑材料及土地復墾等。以上利用方式各有優缺點：尾礦再選可節約磨礦成本，但回收率低、回報甚微且尾礦消耗量小；充填采空區可大量消耗尾礦，但耗用大量水泥，成本較高；尾礦用作建筑材料原料，成本低，消納量大，但受制于建筑材料運輸半徑、有害物質超標及缺乏相關配套規范及標準等因素限制，很難大規模應用。

2 尾礦用于采空區充填

尾礦用于充填采空區，可有效抑制地表沉陷和圍巖崩落，有效避免地表下沉和巷道破壞，改善地下應力環境，達到地壓管理的目的，同時也減少了尾礦堆存占用土地，有助于實現無尾礦山。普通硅酸鹽水泥是國內礦山主流充填膠凝材料，但水泥使用量大，成本較高，充填過程會排放產生較多CO2，強度低，特別是尾砂粒度較細時膠結作用更弱。

趙英良等人以招遠黃金蠶莊金礦尾礦為原料，通過聚合反應制作膠凝材料[1]。在堿熔溫度650 ℃、NaOH用量10%、堿熔時間40 min的條件下，膠結充填材料的28 d抗壓強度可達2.74～5.80 MPa，滿足充填采礦的要求。

膏體充填采礦法是近年來充填采礦法的研究熱點，具有 “一廢治兩害”的功用，其主要技術指標有原材料粒度組成、膏體的泌水率、沉縮性能、塌落度、屈服應力、固化膏體力學性能等。于潤滄院士總結了各種采礦方法充填體單軸抗壓強度的選擇范圍(表1)，單軸抗壓強度值應在0.2～5 MPa范圍內。國內外的研究成果以及多個礦山實踐表明，適合泵送的全尾砂膏體塌落度值為18～26 cm，膏體屈服應力合理范圍為100～200 Pa，膏體凝結時間應大于8 h[2]。

夏自峰等對大尹格莊金礦尾礦開展了分級尾砂、全粒級尾砂膠結充填體抗壓強度試驗。符合充填強度要求的充填配比有：①分級尾砂灰砂質量比1∶6、料漿質量分數68%、70%；②分級尾砂灰砂質量比1∶8、料漿質量分數70%；③全粒級尾砂灰砂質量比1∶6、料漿質量分數70%[3]。趙風文等以磷石膏充填料為對象，利用生石灰堿基作為激活劑，得到的充填體最佳配合比為：磷石膏質量分數20%，水泥與尾礦質量比1∶6，料漿質量分數80%，生石灰質量分數1%[4]。

3 尾礦有價元素再選

因早期選礦設備、選礦工藝落后，造成了大量的有價元素和有用成分棄存于尾礦中，因此尾礦具有潛在的資源屬性。尾礦總量大，種類多，本文選取鐵尾礦為例進行論述。

鐵尾礦中的鐵礦物嵌布粒度細，傳統的選礦技術難以分離回收。磁化焙燒-磁選和預富集-磁選-反浮選是兩種較常用的鐵尾礦再選工藝，尤其適用于品位低、嵌布粒度細的鐵尾礦。

馬鋼羅河礦尾礦鐵品位12.90%，具有再選價值。吳新義等人首先采用磁浮聯合流程對尾礦進行預富集，隨后將預富集精礦進行磁化焙燒-磁選，在最佳條件下，最終可獲得Fe品位64.30%、回收率45.90%、S品位0.110%的精礦[5]。

楊曉峰等采用“二段磁選預富集-懸浮磁化焙燒-磁浮聯合工藝”和“二段磁選預富集-懸浮磁化焙燒-單一磁選工藝”處理某細粒難選赤鐵礦。試驗表明，預富集可將尾礦品位提高2.17倍，磁化焙燒過程中強磁性礦物轉化率為87.23%，最終可獲得品位63%以上的鐵精礦[6]。

4 尾礦用于建筑材料

尾礦用作建材原料可大量消耗尾礦，同時也可固化/穩定有害物質，阻止有害物質的遷移。在建材方面，目前尾礦主要用于混凝土制備、制作免燒磚及混凝土砌塊、制作陶瓷及玻璃等。

4.1 尾礦用于替代混凝土材料

尾礦的化學成分、粒度、形狀等特征對混凝土性能有顯著影響。尾礦的礦物組成復雜，通常含有硅、鋁、鈣等成分，這些成分在制備混凝土時有助于水泥的水化反應。但由于選別過程要求有用礦物充分解離，尾礦粒徑普遍不滿足細骨料級配要求。

國內外學者在尾礦用作混凝土粗、細骨料、膠凝材料以及摻合料等方面進行了研究。

王宇琨以鐵尾礦粉、水泥、膠粉為原料制造尾礦球并用作混凝土的粗骨料。合成的尾礦球粒徑9.5～16 mm，級配連續性較差，孔隙度較高。強度約35 MPa，壓碎值與堅固性高于天然卵石骨料，吸水率較高，基本符合混凝土粗骨料的各項指標要求，可用于拌和C40等級的混凝土[7]。

朱志剛等分別用密云鐵礦尾砂、遷安鐵礦尾砂、石英砂、河砂作細骨料制備UHPC(Ultra-High Performance Concrete，超高性能混凝土)和砂漿，并對比性能差異。試驗結果顯示，兩種鐵礦尾砂均滿足建筑用砂性能要求，未篩分的鐵尾砂制備的砂漿試塊強度低于河砂試塊。篩除小于0.15 mm細粒級后制備的UHPC強度遠高于河砂，但稍低于石英砂。試驗說明鐵尾砂可替代河砂用作細骨料[8]。

4.2 尾礦用于制作免燒磚及混凝土砌塊

劉俊杰等以包頭某鐵尾礦為主要原料，標準砂、熟石灰、水泥為輔料，采用加壓成型、蒸汽養護的方式制備免燒磚。在最優配比下制備的免燒磚，7 d抗壓強度為12.14 MPa，符合MU10的強度等級要求，鐵尾礦摻量達60.98%[9]。

曾興華等以江西某地銅尾礦為原料制備蒸壓加氣混凝土砌塊，研究了蒸壓養護工藝參數、尾砂取代比例、尾礦細度等因素對砌塊力學性能的影響。結果表明尾礦取代比例增高會導致砌塊抗壓強度降低，尾礦細度越細砌塊強度密度比越大，抗壓強度越高[10]。

4.3 尾礦用于制作陶瓷及玻璃

多孔陶瓷具有高氣孔率、耐熱、耐腐蝕、比表面積大等性質，廣泛應用于流體過濾、保溫隔熱、吸聲等領域。

楊潔等以某鋰輝石浮選尾礦、高嶺土、CMC-Na為原料制備多孔陶瓷材料。在最優條件下，制備的多孔陶瓷的抗彎強度、抗壓強度、表觀孔隙率和吸水率分別為5.6 MPa、4.66 MPa、52.48%和 44.32%，對甲基藍的吸附量高達0.7 mg/g。具有孔隙度高、吸水率高的優點，尾礦用量可達80%[11]。

尾礦用作建筑材料是消耗量較大的一種利用方式，其運輸半徑與建筑材料價值密切相關。國內外已有不少的成功案例，在條件適宜的地方應積極推廣，這不僅可減少尾礦堆存，同時具有變廢為寶的功效。

5 結語與展望

我國尾礦產量巨大，尾礦的堆存占用了大量土地資源，同時也引發一系列環保和安全問題，但全國尾礦總體利用率較低，主要利用方式為礦山采空區回填、生產建筑材料及回收有價金屬。

近年來尾礦研究取得了一定的進展，尾礦綜合利用技術不斷豐富和發展，但仍然存在一些問題。如：尾礦用作建筑材料受運輸半徑、有害物質超標及缺乏相關配套規范及標準等因素限制，難以大規模應用；尾礦再選回報甚微且消耗量小；用于充填采礦需耗用大量水泥、成本較高，且難以實現全尾砂充填。

未來仍需要加大研發投入，加強理論研究，研發關鍵技術裝備，結合礦山實際情況，豐富尾礦綜合利用途徑，同時也需要政府給予政策保障和稅收優惠等，以促進科研成果向生產應用轉化，推動和規范尾礦綜合利用產業鏈的良性發展。