大冶市尾礦資源特征及綜合利用建議

阮業東， 劉孟合， 吳昌雄， 劉冬勤， 王 磊， 沈 軍， 楊栩玥

(湖北省地質局 第一地質大隊，湖北 大冶 435100)

尾礦是指選礦廠在特定的經濟技術條件下，選取礦石中有用成分后排放的廢棄物[1]。由于受不同時代科技水平與選礦條件的限制，許多有用成分仍殘留在尾礦中。尾礦庫是通過筑壩攔截谷口或圍地構成的，用以堆存金屬或非金屬礦山排出的尾礦或其他工業廢渣的場所。長期以來，大冶市境內因礦產資源的大規模采掘開發，遺留下大量尾礦庫。開展大冶市尾礦資源綜合利用示范研究，對提高該地區礦產資源節約和綜合利用水平，推動礦山生態環境修復，實現生態環境保護與經濟社會發展共贏局面具有重要意義，并將產生巨大的經濟、環境和社會效益。

1 尾礦庫分類及分布特征

大冶市尾礦庫共有165座，總庫容量約7 577.31×104m3。尾礦庫多位于礦山周邊，修建在山谷、山麓處，少部分位于崗地間。尾礦庫面積小的僅幾百平方米，大的幾十萬平方米；庫容量也不等，少則僅幾萬立方米，多則達數千萬立方米。

1.1 尾礦庫分類特征

1.1.1依據庫容量分類

依據各尾礦庫現有庫容量進行劃分，以1 000×104m3、100×104m3、10×104m3為界，分為大型、中型、小型及微型尾礦庫(表1)。據此分類，大冶市現有大型尾礦庫3座，中型尾礦庫5座，小型尾礦庫31座，微型尾礦庫126座，總庫容量分別為5 564.13×104m3、696.90×104m3、835.92×104m3、480.36×104m3。

表1 大冶市尾礦庫庫容類型劃分表Table 1 Classification table of tailings storage capacity in Daye City

1.1.2依據原礦類型分類

依據形成尾礦的主要原礦類型進行劃分，可分為鐵礦、銅礦、金礦、其他礦種等4種類型(表2)。其中鐵礦類指以鐵為主要礦種的鐵礦和鐵銅礦等；銅礦類指以銅為主要礦種的銅礦、銅鐵礦、銅金礦、銅鉬礦等；金礦類指以金為主要礦種的金礦、金銅礦等；其他類為未包含以上礦種的其他礦種，主要有銅鎢鉬礦、鎢礦等。

如表2所示，全市共有鐵礦類尾礦庫113座，銅礦類尾礦庫47座，金礦類尾礦庫4座，其他類尾礦庫1座。可以看出大冶市尾礦庫以鐵礦類、銅礦類為主，兩者占尾礦庫總數的96.96%。

表2 大冶市尾礦庫礦種類型劃分表Table 2 Table of classification of tailing reservoir mineral types

1.1.3依據尾礦庫運行狀態分類

依據尾礦庫的運行狀態進行劃分，可分為未閉庫、已閉庫兩大類。其中未閉庫尾礦庫泛指所有未辦理閉庫手續的尾礦庫，含運行、停用、廢棄三類；已閉庫尾礦庫可分為閉庫未復墾、閉庫后復墾、閉庫后再利用三類。根據實地調查情況來看，多數已閉庫尾礦庫的植被較為茂盛，部分已閉庫尾礦庫零散種植了果蔬等，難以區分是否復墾，故本次調查中把閉庫未復墾和閉庫后復墾尾礦庫合并為閉庫尾礦庫。在本次調查的尾礦庫中，有運行尾礦庫12座、停用尾礦庫2座、廢棄尾礦庫2座、閉庫尾礦庫146座、閉庫后再利用尾礦庫3座。

1.2 尾礦庫分布特征

大冶市尾礦資源分布廣，主要分布在還地橋、金山店、金湖、大箕鋪、陳貴、靈鄉等地(表3)。其中保安鎮2座、陳貴鎮15座，大箕鋪鎮21座，還地橋鎮41座，金湖街辦26座，金山店鎮42座，劉仁八鎮2座，靈鄉鎮16座。

表3 大冶市尾礦庫地理分布表Table 3 Geographical distribution table of tailings reservoir in Daye City

2 尾礦物質組成特征

不同類型尾礦的物質組成差異較大，而相同類型尾礦的成分也因原礦成分、選礦工藝等不同而有所差異。

2.1 鐵礦類尾礦

鐵礦類尾礦中金屬礦物主要為黃鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦和極少量的黃銅礦、褐鐵礦等，主要呈棱角—次棱角狀，粒度多為0.03～0.15 mm。非金屬礦物主要為長石、石英、方解石、角閃石等，多呈棱角狀、次棱角狀、他形粒狀，粒度0.03～0.4 mm。

以同和尾礦庫尾礦(表4、表5)為例，尾礦中非金屬礦物主要為片狀的金云母(20.76%)及綠泥石(12.37%)，并含有較多石英(9.88%)、滑石(7.39%)、鈉長石(7.09%)、鎂鐵閃石(6.38%)、蛇紋石(6.31%)、方解石(6.31%)及正長石(5.98%)。金屬礦物主要為黃鐵礦(6.07%)，少量為磁鐵礦(1.19%)等，偶見菱鐵礦、赤鐵礦、黃銅礦、榍石、金紅石及鈦鐵礦等。尾礦中化學元素成分主要為：O(42.81%)、Si(21.58%)、Fe(9.58%)、Mg(8.21%)，并含少量Al、Ca、S、K，含量分別為4.25%、3.96%、3.48%、3.06%。

表4 同和尾礦庫尾礦的礦物組成表Table 4 Mineral composition of Tonghe tailings reservoir

表5 同和尾礦庫尾礦的化學元素成分表Table 5 Chemical constituents of Tonghe tailings reservoir

2.2 銅礦類尾礦

以周家園尾礦庫尾礦(表6、表7)為例，尾礦中金屬礦物主要為黃鐵礦(2.06%)、磁鐵礦(0.60%)、褐鐵礦(0.39%),輝鉬礦、黃銅礦、菱鐵礦等含量低得多，主要呈棱角—次棱角狀，粒度多為0.03～0.33 mm。非金屬礦物主要為方解石(22.86%)、長石(16.66%)、石英(15.62%)、白云石(8.18%)、透輝石(7.62%)等，多呈棱角狀、次棱角狀、他形粒狀，粒度0.02～1 mm。尾礦中化學元素成分主要為：O(46.22%)、Si(19.78%)、Ca(14.41%)，另含少量Fe、C、Mg、Al、K等。

表6 周家園尾礦庫尾礦的礦物組成表Table 6 Mineral composition of Zhoujiayuan tailings reservoir

表7 周家園尾礦庫尾礦的化學元素成分表Table 7 Chemical composition of Zhoujiayuan tailings reservoir

以石頭咀老尾礦庫的表層尾礦為例，金屬礦物主要為黃鐵礦、黃銅礦、赤鐵礦，少量為磁鐵礦、褐鐵礦等，呈棱角—次棱角狀，粒度多為0.01～0.14 mm。非金屬礦物主要為絹云母、石英、高嶺石等，多呈小鱗片狀、棱角狀、次棱角狀、他形粒狀，粒度0.01～0.4 mm。

由上述可知銅礦類尾礦中，非金屬礦物主要為石英、長石、方解石、絹云母等，金屬礦物主要為磁鐵礦、赤鐵礦、黃銅礦、褐鐵礦等。

2.3 金礦類尾礦

以大青山尾礦庫尾礦(表8、表9)為例，尾礦中非金屬礦物主要為方解石(24.62%)、石英(8.25%)、黑云母(6.69%)、高嶺石(6.00%)、綠簾石(4.09%)、鐵白云石(3.80%)等，并含有較多的綠泥石、鉀長石、伊利石、鈣鐵榴石、輝石、石膏等。金屬礦物主要為菱鐵礦(13.29%)、黃鐵礦(7.67%)、磁鐵礦(3.67%)及赤鐵礦(2.21%)等。尾礦中化學元素成分主要為：O(40.63%)、Fe(19.45%)、Ca(14.73%)、Si(9.90%)、S(4.63%)，另含少量Al、Mg、K、Mn等。

2.4 鎢礦類尾礦

以龍角山尾礦庫尾礦為例，金屬礦物主要為黃鐵礦、磁鐵礦和少量的赤鐵礦、黃銅礦、褐鐵礦，斑銅礦、輝銅礦、白鎢礦等礦物少見，金屬礦物主要呈他形粒狀、棱角—次棱角狀，粒度多為0.005～0.25 mm。非金屬礦物主要為方解石、石榴子石、透輝石、石英等，多呈棱角狀、次棱角狀、他形粒狀，粒度0.01～0.12 mm。

表8 大青山尾礦庫尾礦的礦物組成表Table 8 Mineral composition of Daqingshan tailings reservoir

表9 大青山尾礦庫尾礦的化學元素成分表Table 9 Chemical composition of Daqingshan tailings reservoir

尾礦中化學元素成分主要為：Fe2O3(22.68%)、SiO2(28.46%)、CaO(29.84%)，S(1.97%)、WO3(0.301%)較少，另含少量Al、Mg、K、Mn等。

3 尾礦有用元素特征

3.1 鐵礦類尾礦

鐵礦類尾礦中，TFe平均品位>10%，Co平均品位一般可達0.01%，均具有一定的開發利用潛力。而Cu、Au等其他元素含量較低，達不到綜合利用的標準。

3.2 銅礦類尾礦

銅礦類尾礦中，Cu平均品位>0.1%，TFe平均品位>10%，其他金屬元素的含量不一，與原礦伴生元素含量有關(如周家園尾礦庫尾礦的Mo含量為0.11%)，均具有一定的開發利用潛力。

3.3 金礦類尾礦

金礦類尾礦中，Au平均品位一般<0.13 g/t，Cu平均品位一般<0.035%，含量均較低，回收利用價值較小。但是個別尾礦，如大青山尾礦庫的Cu等元素具有一定的回收利用價值。

3.4 其他類尾礦

其他類尾礦中，個別尾礦中WO3、TFe、Cu等品位較高，均具有綜合回收利用價值，但Au、Ag等貴金屬元素含量難見富集，不具綜合利用價值。

4 尾礦中稀有、稀散、稀土元素特征

4.1 稀有元素

所有類型尾礦中稀有元素含量均較低，經與《礦產資源工業要求手冊(2014年修訂本)》[2]對比分析，一般低于最低工業(邊界)品位1～2數量級，難以進行綜合利用。

4.2 稀散元素

Ga在銅綠山尾礦庫、許家咀尾礦庫的尾礦中含量均較高，平均品位分別為29.1×10-6、38.9×10-6，達到Ga伴生元素最低工業指標要求(22×10-6)。In在大青山尾礦庫尾礦中含量均較高，平均品位為2.03×10-6，接近In伴生元素最低工業指標要求(5×10-6)。Te在大青山尾礦庫、許家咀尾礦庫的尾礦中含量均較高，平均品位分別為2.66×10-6、1.19×10-6，達到或接近Te伴生元素最低工業指標要求(2×10-6)。Ge在銅綠山尾礦庫尾礦中含量均較高，平均品位為22.2×10-6，達到Ge伴生元素最低工業指標要求(20×10-6)。其他元素在尾礦中含量均較低，達不到可回收利用的最低工業品位。

綜上所述，Ga、In、Te、Ge等元素在大冶地區的尾礦中含量較高，可綜合利用。

4.3 稀土元素

大冶地區尾礦中，稀土元素總量為60.5×10-6～272.3×10-6，平均為156.0×10-6，且以Ce、La、Nd等輕稀土元素為主。根據《稀土礦產地質勘查規范》[3](DZ/T D204—2002)要求，獨居石砂礦邊界品位為100～200 g/m3。本次評價的尾礦中除周家園尾礦庫尾礦外，大多超過該邊界品位(其中錫冶山尾礦庫尾礦含量最高)，平均品位為269.5×10-6，均具一定的綜合回收利用價值。

5 綜合利用建議

面對日益減少的礦產資源，科學利用和合理開發尾礦資源顯得尤為重要[4-6]。根據大冶市尾礦資源特征，提出7個方面的尾礦綜合利用建議。

5.1 回收有價金屬元素

大冶市尾礦中有價金屬元素豐富，例如龍角山尾礦中WO3遠超工業指標，達到了中型礦床的規模，還有Fe、Cu等其他有價金屬元素，其綜合開發價值極高。據估算，大冶地區中型以上規模的尾礦庫的尾礦開發價值就超百億元。大冶地區尾礦中還含有Ga、Re、Ge、Te等稀有金屬元素，開發利用尾礦資源時必須考慮回收這部分稀有金屬礦產。總之，進行尾礦綜合利用時，應首先評價其中有價金屬元素的含量和資源量，評估可利用價值，以取得最大經濟效益[7-10]。

5.2 開發成建筑材料

尾礦中金屬礦物含量一般不超過尾礦質量的5%，絕大部分為富含SiO2、Al2O3、CaCO3等的非金屬礦物，因此可以用于生產建筑材料，例如尾礦制磚、水泥摻和料、建筑用砂、混凝土骨料、陶瓷材料、新型玻璃材料等。以尾礦制磚為例，采用尾礦為原料研發的產品有免燒磚、透水磚、蒸壓磚、加氣混凝土切塊磚等，其中免燒磚是以密度較小的細粒石英砂尾礦為主料，經鈣化處理而獲得的一種新型建筑材料；透水磚是由80%左右的高硅尾礦加入一些煤矸石、黏土，經過燒結成型制得的。以硅酸鹽水泥生產為例，其一般需要配一定比例的黏土和鐵，而鐵、銅類尾礦的主要成分與水泥生料所用黏土質原料接近，同時還含有校正原料鐵，完全可以替代水泥生產所需的全部黏土。此外，利用尾礦作混凝土細骨料、鐵路和公路的筑路碎石以及建筑用砂的成功例子較多，因此尾礦的應用較為廣泛。

總之，應充分借鑒建材行業已有的成熟工藝，將尾礦創新地開發成一些建筑材料，搶占市場份額，提高其經濟效益。

5.3 充填礦山采空區

將尾礦用于礦山采空區回填是直接利用尾礦最行之有效的途徑之一，尤其對于無處設置尾礦庫的礦山企業來說，利用尾礦回填采空區更具環境和經濟效益。目前已有成熟的膠結充填采礦技術，可以使地下采礦回采率提高20%～50%，使原來根本無法開采的位于水體、重要交通干線和居民區下面的礦體能夠被開采出來，并可以幾乎完全避免地表塌陷和基本避免地下水失衡造成的重大危害。

隨著中國倡議建設綠色礦山，提高資源綜合利用率、節能減排、環保的礦山模式成為發展趨勢。新型高效的全尾礦膠結充填技術將在這些方面發揮更多優勢，最大限度地利用尾礦資源，并減少環境污染和土地資源浪費。

5.4 用于制作肥料

有些尾礦中含有植物生長所需要的多種微量元素，經過適當處理可制成用于改良土壤的微量元素肥料[11-12]。磷礦尾礦粉被活化后可制成復合肥的填充料[13]。磁化尾礦加入化肥中可制成磁化尾礦復合肥[1]。但目前尾礦用于制作肥料只是停留在對少量尾礦的利用上，還無法減少大宗尾礦的堆存。

5.5 用于制造高附加值產品

(1) 制造新型材料。尾礦的礦物組成和化學元素成分常與一些輕工、無機化工原料較為接近，是一種不完備的天然混合料，可以通過摻入少量其他原料開發成微晶玻璃、建筑陶瓷等新產品。例如利用尾礦制造微晶玻璃屬高層次尾礦利用途徑，國內已有30多年的開發歷史。

(2) 作為土壤改良劑。尾礦中含有大量的微量元素，經過適當處理可制成用于改良土壤的微量元素改良劑。例如長春商金世紀礦業技術開發公司與國外科研機構共同協作，在利用尾礦制作土壤改良劑方面取得了突破性進展[4]。

(3) 制備泡沫混凝土。泡沫混凝土也稱為發泡混凝土，尾礦因具有合理的顆粒級配，是泡沫混凝土理想的填充料。尾礦在泡沫混凝土中起到一定的骨架作用，可以提高混凝土的抗壓強度和耐久性。

5.6 用于土地置換

尾礦庫大多位于城鎮周邊，不僅制約著城鎮的建設發展，更是一個較大的安全隱患。尾礦庫中的尾礦經綜合利用之后，尾礦庫可進行土地置換，用作建設用地、工業用地等。

5.7 作為農田耕地

尾礦中含有植物生長所需要的多種微量元素，經過適當的改造，可作為農田耕地，種植經濟作物、經濟植被等，這樣既能利用植物根系穩固尾礦，提高尾礦庫穩定性，又能合理利用土地資源，獲取經濟效益。

6 建議

大冶市尾礦資源豐富，應以“資源—環境—災害”三位一體的綜合利用框架和“全面摸底—資源勘查—市場調研—工藝確定—市場銷售”鏈條化的開發利用思路為指導，從摸清家底、市場調研、價值評估、合作開發四個方面統籌謀劃尾礦資源的綜合利用，實現尾礦綜合利用產業化，在消除尾礦安全隱患、環境污染問題的同時，變尾礦為二次資源，實現經濟社會和生態效益多贏。當前應大力發展循環經濟，爭取政府支持，加強技術創新，調動市場資本投入尾礦資源綜合利用項目，助力尾礦資源綜合利用產業化。