尾礦減量化、資源化和無害化實踐狀況與思考

鄭 競，程 波，楊 武，劉 朋，陳士超

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

長 期以來，我國礦山尾礦排放量巨大，2019 年全國尾礦排放量為 12.72 億 t，尾礦綜合利用總量約為 4.13 億 t，綜合利用率約為 32.5%。盡管尾礦綜合利用率呈逐年上升趨勢，但每年仍有約 70% 的尾礦未得到有效利用，加之以前尾礦堆存數量巨大，尾礦規模化利用的潛力很大[1]。

尾礦排放占用大量土地資源，形成尾礦庫。含有重金屬元素的尾礦對礦區的水土資源造成巨大威脅[2-5]，破壞礦山的生態環境。尾礦庫的長期運作及維護耗費大量的資金，給企業帶來了沉重的負擔；同時，它是一個高勢能風險源[6-7]，且存在潰壩的風險。

隨著“十四五”規劃的開展，國家重視礦山產業結構改革，施行綠色礦山和資源循環利用的可持續性發展規劃，陸續發布大宗固體廢棄物排放和利用的政策、法律、法規，尾礦排放成本越來越高。尤其是《中華人民共和國長江保護法》和《中華人民共和國黃河保護法(草案)》的實施，嚴禁在長江和黃河流域擴建和新建尾礦庫，大多數礦山面臨無法擴容、甚至無尾礦庫可用的狀況。可見，開展尾礦處理和綜合利用技術研究既是環境保護所需，也是提高礦山企業效益、發展綠色循環經濟的要求。

1 產業技術現狀

尾礦處理和綜合利用技術有很多，綜合來看，主要可以分為三大類，即減量化、資源化、無害化，具體如圖 1 所示。

圖1 尾礦處理和綜合利用技術的分類Fig.1 Classification of technology about tailings treatment and comprehensive utilization

1.1 減量化

減量化是指礦山企業在設計和產品規劃上，減少尾礦的排放，主要包括 3 個方面，主要礦物再選、回收伴生有價礦物、尾礦充填采空區。

1.1.1 主要礦物再選

隨著選礦技術的發展和選礦廠管理水平的提高，很多選礦廠對主要礦物進行再選，一般以鐵礦選廠為主，如首鋼水廠鐵礦選廠[8]、梅鋼梅山鐵礦[9]、研山鐵礦[10]、昆鋼大紅山鐵選礦廠[11]、本鋼歪頭山選廠[12]等，分別利用新工藝或新設備在原有尾礦中回收鐵精礦，提高了鐵礦的回收率；其他礦山，如江西某金礦[13]、阿舍勒銅礦[14]、新疆某稀有金屬公司[15]等，也對尾礦進行了再磨再選實踐，提高了資源利用水平。從尾礦中回收主要礦物，可以避免資源的浪費，減少尾礦排放，還能提高企業經濟效益。

1.1.2 回收伴生有價礦物

我國礦產資源具有品位低、嵌布粒度細、伴生礦物多等特征，許多礦石除了主要礦物外，還伴生有其他許多有價組分。在尾礦中回收伴生的有價礦物，是尾礦減量化的重要途徑之一。

洛陽欒川鉬業集團三道莊礦區從鉬尾礦中回收低品位白鎢礦[16]和黃銅礦[17]，規模相當于一個大型的鎢礦選廠，取得了良好的技術經濟指標。金堆城鉬業汝陽東溝選廠利用“盤式磁選機+滾筒磁選機+淘洗機”全磁流程，從浮鉬尾礦中回收超低品位的磁鐵礦[18]，獲得了品位為 63% 的鐵精礦，年創收約 3 000萬元。安慶銅礦[19]通過磁選、脫硫浮選的工藝流程獲得了磁黃鐵礦，年產量達到 200 萬 t，效果顯著。鄭曄等人[20]研究了從黃金尾礦中回收貴重金屬，實踐表明，黃金尾礦中常含有可回收的貴重金屬，可通過不同的選礦工藝進行回收。雖然從尾礦中回收伴生有價礦物的技術難度較高，且回收率往往較低，但是其需要的磨礦能耗較少，成本較低，經濟效益顯著。隨著新的選礦技術和設備的發展，人們還可以從已閉庫或正在排放的尾礦中選出其中的有用組分，提高資源的利用效率。

1.1.3 尾礦充填采空區

利用尾砂作為礦山充填料的膠結充填技術已廣泛應用于國內外礦山，一般應用在使用階段充填法[21]的礦山，是尾礦大量減排的主要措施之一。尾礦充填不僅能夠控制礦山地壓活動，避免地表塌陷，保障采礦安全，還能夠消耗大量的固體廢棄物[22]。常用的尾礦充填工藝有 2 種，一是粗尾砂充填，它投資少，易于管理，充填體強度相對較高；二是全尾砂充填，該充填工藝復雜，對生產管理要求較高，投資和運行成本更高，但是有條件實現采充平衡和礦山零排放[23]。目前，全尾砂充填技術為主流充填技術，已成功應用于李樓鐵礦[24]、冬瓜山銅礦、白象山鐵礦、會寶嶺鐵礦、崇禮紫金金礦、香爐山鎢礦、阿舍勒銅礦、喀拉通克銅礦、薩熱克銅礦、金川鎳礦、銅綠山銅礦、會澤鉛鋅礦、謙比希銅礦、伽師銅礦等多個礦山采空區治理[25]。尾礦充填的關鍵技術在于充填料體積分數的控制，它不僅影響膠結粉的用量，還影響著充填體的強度和養護時間等。在滿足充填礦漿順利輸送的條件下，通過深錐濃密機或者立式砂倉等設備，輔以先進的自動化控制手段，將充填體積分數提高至 60%～65%，是尾礦充填的重要工作。

尾礦減量化可大幅消納尾礦和廢石，是尾礦處理和綜合利用的首要選擇。尾礦再選與回收有價元素的經濟效益顯著，近年來，在尾礦回收工藝技術和回收設備上都有很大進展，但該利用途徑受尾礦本身特性及回收技術的影響較大，需要因地制宜地進行深入研究，而且再選和回收有價元素后，仍然會產生大量尾礦或二次污染。尾礦充填工藝技術成熟，但大部分礦山的選礦比較高，難以在采空區和全部尾礦之間實現充填平衡，且露天開采的礦山不具備充填條件，必須聯合其他尾礦利用技術，才能從根本上解決尾礦排放的問題。

1.2 資源化

我國尾礦的物化性質復雜，需要因地制宜地制定不同的資源化方案。尾礦資源化利用的主要途徑是以尾礦為原料生產建材產品。目前成熟的資源化產品可分為兩大類，一是燒制產品，如微晶玻璃、發泡陶瓷、燒結磚、陶瓷粒、水泥等；二是免燒產品，主要是免燒磚、蒸氣磚、混凝土骨料等。

尾礦的種類和物質組成雖然千差萬別，但是基本組分中大多含有 SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O 等，其綜合利用途徑是有規律可循的[26]。一般來說，根據尾礦的化學成分和礦物組成，除去有毒有害物質，調整尾礦摻入比例，添加合適的輔助材料，通過適當的工藝，以尾礦為原料生產燒制產品的技術可行性較高。

1.2.1 燒制產品

尾礦燒制建材產品的代表是微晶石(也稱微晶玻璃)，微晶石的主要成分是 SiO2，與許多尾礦成分相似。據實驗室初步研究結果，尾礦在微晶玻璃原料中可以占到 25%～36%[27]。中國地質科學院尾礦綜合利用研究中心利用其專利技術，推廣實施了多個綜合利用尾礦制造微晶石項目，如在新疆、陜西鳳縣和洛南縣、山西浮山縣等[28]。在燒結磚方面，梅山選礦廠[29-30]根據其尾礦的特有性質，開展了尾礦制造燒結磚試驗和半工業試驗研究，尾礦摻量達到 75%，免燒磚抗壓強度達到 24.89 MPa，并且項目得以成功工業化。馬冬陽[31]的研究表明，鋁土礦尾礦制造耐火材料從工藝技術上是可行的，但到目前為止，尾礦制造耐火磚項目的工業實踐較少。發泡陶瓷是一種具有保溫、防火、隔音的墻材[32-33]，經過改良后，發泡陶瓷已經發展成為復合微晶發泡陶瓷，其主要生產工藝路線為：利用尾礦、陶瓷廢料制成微晶石顆粒，然后將細粒級微晶顆粒研磨至 -200 目約 70% 之后，加入發泡劑和裝飾材料，再經過二次燒制成型，最終生產出復合微晶發泡陶瓷。微晶發泡陶瓷既有發泡陶瓷的性能，又具有裝飾外墻的作用[34]，已逐漸被用作裝配式建筑外墻，在河南、江西、山東等地成功應用[35]，是一種發展前景良好的墻材產品。

尾礦組分中有黏土、石灰石、鐵(全鐵品位一般大于 20%)、SiO2等，當其中一個的含量較高時，可以用作水泥原料。山東昌樂縣特種水泥廠、山東沂南磊金股份有限公司分別將銅尾礦和金尾礦摻入水泥原料中，在滿足國家標準的情況下，降低了水泥生產成本。山東鋁廠也用生產氧化鋁的泥渣來制造高標號水泥[36]。

尾礦燒制產品的附加值一般較高，但是尾礦利用率較低，利用量較少。此外，生產過程中需要將燒制溫度提高到 1 000 ℃ 以上，能耗較大，不符合“碳達峰、碳中和”的長期發展目標，而且容易產生二次污染，難以大規模推廣。

1.2.2 免燒產品

尾礦制造免燒的建筑材料不需要高溫燒結，制造過程一般不會產生二次污染，是一種綠色環保、低能耗、廉價的資源化方法。尾礦生產的免燒產品主要有免燒磚、混凝土骨料、粗細砂、蒸汽磚等。免燒磚又稱非燒結磚或新型墻磚，它是指一大類不經燒結的，符合利廢、節土、節能、綠色環保、可持續發展方向的，符合建筑墻體承重、安全、耐久技術要求的，新型實心或空心墻體磚[37]。免燒磚又分為標準磚塊、透水磚、仿生石材磚、路沿石、護坡磚等等。

尾礦生產免燒磚已經成功應用在大線溝金礦[38]，不但消納了尾礦，還產生了良好的經濟效益和社會效益。商洛市華潤建材化工工貿有限公司以鉬尾礦為主要原料，投資建設屋面瓦、馬路磚、墻體磚的生產線及配套設施，每年可處理尾礦 6 萬 t，年產值達到 2 000 萬元，利潤達到 450 萬元[39]。事實上，免燒磚的制造對尾礦原料的組分要求較低，鐵[40]、銅[41]、鉛鋅[42]、鉬[43]、黃金等尾礦均可生產符合國家建筑標準的免燒磚，但是由于市場需求小和運輸距離短等原因，實施項目并不多見。

尾礦做混凝土骨料是最簡單的尾礦綜合利用方式之一，主要以 0.1 mm 以上粒級的中粗尾礦為主，如鐵礦預先選別的尾礦和一些粒度較粗的有色金屬礦。在實際應用方面，馬鞍山姑山鐵礦[44]、安鋼集團舞陽礦業公司[45]、北京密云鐵礦[46]、南京梅山鐵礦、蕪湖和成礦業等，都將預先選別的粗粒級尾礦用于建筑用砂，取得了良好的經濟效益。此外，根據尾礦的粒度特性，3～20 mm 的尾礦還可以用作路基材料[47]。

免燒產品對尾礦化學成分要求較低，只要不含放射性元素和重金屬離子等有毒有害物質即可，其產品生產規模大，尾礦利用量較大，缺點是產品附加值較低，產品運輸距離短。

1.3 無害化

尾礦無害化主要分為兩方面，一是尾礦消除重金屬和放射性元素等有害物質之后，用于土壤改良劑或無機緩釋肥[48]等；二是尾礦堆存之后進行復墾，以避免環境污染或發生重大安全事故。

河南煤化集團與北京海達華尾礦資源公司合作的“鉬尾礦無害化農用產品項目”，研發出土壤調理劑及鉬尾礦緩釋肥，并完成了尾礦無害化處理農用的全部工作[49]。在實際應用過程中，雖然尾礦用于無機肥料在工藝技術上可行，卻難以大面積推廣，實踐較少。其原因是尾礦中的成分比較復雜，還需要加入其他材料進行改良，工藝成本、尾礦處理成本和運輸成本均較高。

經過減量化和資源化后，還有大量的尾礦需要處理。當前主流的尾礦處理方法：一是尾礦庫濕式堆存；二是尾礦經過濃密和壓濾后干式堆存[50]；三是在高體積分數的尾礦中加入膠結劑，實現固結排尾。濕式堆存法包括低體積分數礦漿和膏體堆存；尾礦干堆在國內外的應用案例較多，主要集中在黃金礦山[51]，該方法可以減少黃金尾礦中的有毒物質對土壤和地下水的污染[52]；固結排尾的總成本低于尾礦庫排尾[53]，但該技術在推廣應用中還不成熟，需要進一步的實踐研究。

閉庫之后的尾礦庫往往會產生揚塵、土壤污染、周圍土質退化等問題，尤其是重金屬中殘留的有毒有害藥劑對庫區周圍農作物和環境也將產生長久的污染[54]。尾礦復墾就是在閉庫后的尾礦庫灘面及坡面上覆土，然后種植農作物或經濟作物等，固定尾礦，使其在自然條件下不被風吹雨淋帶走，減少其對周邊環境的污染。尾礦復墾一般復墾為林地、草地和耕地等，不僅解決了尾礦庫污染和安全問題，具有良好的環境效益，還有一定的經濟效益和社會效益[55]。

無論是濕排還是干堆尾礦庫，其環境治理都是一項復雜的系統工程，需要多專業、多領域的合作，在管理方面需要多部門協同，建立尾礦庫復墾標準和評估體系，持續推進綠色礦山建設。

2 存在的問題和思考

雖然我國持續開展在尾礦處理和綜合利用方面的研究工作，也取得了一些成果，推動了一批項目落地，但是尾礦綜合利用率依然較低，大規模的尾礦利用項目較少，尾礦處理和綜合利用技術尚未實現工程化、產業化，主要原因有以下幾個方面。

(1)經濟效益不明顯，企業投資動力不足 尾礦在工業上的應用，大多為回收尾礦中的有價金屬或直接作為機制砂銷售；利用尾礦生產的高附加值的產品種類較少，成本也較高，市場競爭力不足；尾礦制造免燒磚的生產成本雖然可控，但是由于運輸成本的問題，銷售范圍一般在 300 kW 以內。這些因素導致大規模的尾礦綜合利用項目難以落地。

(2)需要多領域、多專業的協同創新和研究尾礦處理和綜合利用是涉及到采礦、選礦、材料、化學、建筑、環境、農業、地質、生態等多學科的復雜的系統工程，需要多領域的協同和合作研究。而目前尾礦綜合利用的產品種類有限，單一產品的利用量少，也難以在規模上有所突破。

(3)中小型礦山的資源和環保意識不足 中小型礦山的采選工藝落后，資源利用率低，對尾礦多亂堆亂排，缺乏系統性的尾礦處理和綜合利用規劃。目前國內對綜合利用尾礦資源、改善生態環境的呼聲很高，國家也相繼出臺了相關法律、法規，但仍有不少礦山企業對尾礦利用與治理工作缺乏應有的重視，寧肯交納環境污染費，也不愿意投資尾礦的利用與治理。加之這些礦山較多而且分散，地方政府也難以采取有效措施對其進行綜合管理[56]。

(4)缺乏長遠規劃，資金投入不足 長期以來，尾礦利用項目在資金上得不到保證，投入嚴重不足。我國支持資源綜合利用的專項資金較少，融資渠道沒有解決，再加上礦山行業對經濟周期依賴性強，尾礦利用資金籌措困難。這導致了大量的技術研究工作雖然具有實驗室的可行性，但是落地實施的項目較少。這也是我國尾礦利用率不高、礦區土地復墾面積少的重要原因。

綜上所述，尾礦處理和綜合利用產業存在涉及領域廣、處理量大、資源利用容易產生二次污染、尾礦綜合利用產品經濟效益低等問題，在當前的綜合技術水平和社會環境、政策環境中，尾礦綜合利用率達到 100% 的難度較高。建議從政府層面引領尾礦處理和綜合利用產業工作，組織統籌協同多領域、多部門聯合創新和合作；技術上，按照“三化”技術路線，推動產學研有機結合，加快技術向工程化、產業化轉變；監督管理上，建立完善的尾礦處理和綜合利用管理標準和評估體系，從而推動尾礦處理和綜合利用產業又好又快的發展。

2021 年以來，根據《“十四五”規劃和 2035 年遠景目標綱要》對環境保護的總體要求，國家發改委先后下發了《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》和《關于開展大宗固體廢棄物綜合利用示范的通知》，旨在提升尾礦等大宗固體廢棄物的綜合利用水平。

3 結語

尾礦處理和綜合利用產業歷經多年發展，各領域的從業者做了大量的工作，取得了一些成果，但是產業發展規模依然不大，產品種類少、規模小，整個產業尚處于初步發展階段。筆者建議從整個產業大局出發，在技術規劃上，堅持“減量化、資源化和無害化”的技術路線；從礦山設計和生產的角度，減少尾礦的排放量，開展因地制宜的資源化利用；對于不能資源化的尾礦，進行無害化處理，消除環境污染和安全事故風險，進行復墾和土壤改造，合理消納尾礦，建設和諧的綠色礦山。