細粒級金屬尾砂的綜合利用及在礦山充填中存在的問題和對策

劉娟紅 周在波

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;2.城市地下空間工程北京市重點實驗室,北京 100083)

隨著土木工程、汽車制造、電子電器等行業的發展，我國對鐵、鋁、銅等金屬的需求不斷增加[1-2]。現階段我國礦產資源呈現“貧、細、雜”的特點，資源開發難度較大。為提高資源利用率和有用礦物解離度，需在礦石選別前應用超細粉磨工藝，由此產生大量細粒級尾砂[3-4]。金屬礦山傳統的尾砂處理方法以筑壩堆存為主。目前，我國的尾礦庫數量超過12 600座，尾礦累計堆存量達231億t，其中金屬尾砂占90%以上[5]。尾礦壩需要足夠的粗顆粒含量以抬高堤壩，而細粒級尾砂中粗顆粒含量較少，抗剪強度低、滲透性差、承載能力低，因而將細粒級尾砂進行筑壩堆存具有較高的安全隱患[6]。國內外尾礦庫的潰壩事故時有發生，2008年山西省襄汾“9.8”尾礦庫潰壩事故，造成了281人死亡[7];2010年9月紫金礦業錫礦尾礦庫發生潰壩事件，導致22人死亡[8];2019年巴西“1.25”尾礦庫潰壩事故造成270人死亡或失蹤[9]。可見，尾礦的堆存可能造成嚴重的環境和安全問題。鑒于此，安全管理機構將尾礦壩列為安全生產的9個重大災害危險源之一，評價其危害性甚至大于火災[10]。

開發細粒級金屬尾砂的多途徑利用方法，提高金屬尾砂的利用率，是目前研究工作的重點。近年來，金屬尾砂在建筑材料中的應用有了長足的發展，主要體現在利用尾礦廢石加工生產建設用碎石和機制砂，以北京為例，30%以上的建設用砂石為密云、承德等地的尾礦廢石所制備。但是，細粒級金屬尾砂屬于細砂、特細砂或細粉范疇，不能作為骨料應用于混凝土中。因此，尾礦實現綜合利用的關鍵在于找到細粒級尾砂大量且持續的利用和消納途徑。細粒級金屬尾砂通常含有SiO2、Al2O3、CaO等化學成分，但活性較差，因而在混凝土、砂漿等建筑材料中摻量較低;同時，隨著細粒級尾砂摻量的增加，試件孔隙率增大且強度明顯降低，對混凝土的耐久性產生較大的不利影響[11]。因此，細粒級尾砂在建筑材料領域的規模化高效應用有待進一步研究。在“雙碳”背景下，細粒級尾砂規模化應用的研究方向是微粉摻合料，尾砂微粉摻合料在混凝土和砂漿中的常態化應用將成為主渠道，也將是未來發展的方向和客觀要求。

將細粒級尾砂用于采空區充填是最便捷的途徑，具有顯著的生態和環境效益。尾砂充填主要包括尾砂濃密、充填材料制備、充填材料輸送、充填材料的硬化等過程。由于細粒級尾砂的比表面積較大，在濃密過程中存在沉降速度慢、料漿濃度低等問題，導致制備的充填材料力學性能較差，且容易出現泌水現象[12]。因此，實現細粒級尾砂大宗化應用于礦山充填，如何進一步改善充填材料的工作與力學性能亟需得到關注和研究。

本文對細粒級金屬尾砂在建筑材料和礦山充填等領域中的應用進行綜合評述，分析了細粒級金屬尾砂在應用中存在的問題與不足。結合筆者所在課題組的研究成果，提出了細粒級金屬尾砂在應用中的建議和對策，為細粒級尾砂高附加值和大宗化的應用提供技術和理論支撐。

1 細粒級金屬尾砂應用現狀和面臨的問題

1.1 細粒級尾砂應用現狀

目前，將平均粒徑Dp介于0.019～0.03 mm，同時滿足+0.075 mm粒級含量＜10%且+0.037 mm的含量≤30%的尾砂稱為細粒級尾砂[13]。金屬礦開采剩余的尾砂中細粒級尾砂已經占較高的比例。如金川選銅尾渣d90=69.18 μm，年產量達到120萬t;水銀洞金礦尾砂平均粒徑僅為22.03 μm，其中粒徑小于20 μm的尾砂占66.13%[14];凡口鉛鋅礦的溢流尾砂粒徑皆小于100 μm，平均粒徑為25.31 μm，小于20 μm粒徑的尾砂占47.15%，年產量也超過100萬t[15]。隨著礦石品位的降低，細粒級尾砂的產出率將越來越高。

我國每年產生超過300萬t細粒級尾砂，由于細粒級尾砂含有大量細粉及黏土質組分，利用難度較大，目前利用率不足5%。如何安全、經濟地處置這些細粒級尾砂是亟待解決的問題。目前國家出臺了眾多法律法規，支持和鼓勵尾礦、煤矸石、建筑垃圾等大宗固廢的資源化利用[10]。國家發展和改革委員會等部門聯合印發的《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》提出，到2025年煤矸石、尾礦(共伴生礦)等大宗固廢的綜合利用能力顯著提升，新增大宗固廢綜合利用率達到60%。在國家政策的推動下，2018年我國尾礦的綜合利用率已達27.69%，并且近幾年綜合利用率在不斷提高，但是還遠遠達不到理想的開發利用力度。

1.2 細粒級尾砂堆存面臨的主要問題

將細粒級尾砂進行筑壩堆存是目前公認的相對經濟且比較成熟的尾砂處理方式，但是尾砂堆存仍然面臨大量問題:

(1)細粒級金屬尾砂堆存嚴重影響生態環境。金屬尾礦一般是未經處理就堆存，部分尾礦中含有過量重金屬，長期堆存將嚴重污染河流及地下水源，對周圍生態環境造成嚴重的危害。如2017年7月湖南省花垣縣尾礦庫泄漏造成嚴重的重金屬污染，谷物檢測鉻元素超標率為100%，鉛元素超標6倍;土壤檢測鎘和鋅超標率為100%，鎘元素超標87.8倍。

(2)細粒級金屬尾砂堆存的安全風險高。尾礦庫堆存是我國尾礦處置的主要途徑，而低濃度排放(20%～30%)是目前主要的處置方式。尾礦庫的使用年限一般為50 a，當前大部分尾礦庫企業缺乏風險意識，安全風險管控措施制定不科學或者落實不到位，如遭遇洪水、地質等方面的災害，極易引發尾礦庫的潰壩事故，且細粒級尾砂進行筑壩堆存具有更高的安全隱患。

(3)尾礦庫新批、新建、擴容困難。我國多地雖未正式出臺停止新批新建尾礦庫的管理辦法，但實際上多數新建尾礦庫的申請難以獲批。2020年，應急管理部正式印發的《防范化解尾礦庫安全風險工作方案》，嚴禁批準“頭頂庫”以及運行狀況與設計不符的尾礦庫加高擴容項目，提出“在保證緊缺和戰略性礦山礦產正常建設開發的前提下，全國尾礦庫數量原則上只減不增”的目標。

(4)對尾砂的資源化利用認識不足。尾砂在建材、陶瓷、玻璃的制備工藝中都有廣泛的研究，但企業對尾砂的潛在價值認識不足，尾砂的科研成果轉化率較低。同時，由于國家對尾砂的利用扶持政策不完善，且建材產品的低附加值和運輸費用高等的問題，礦山企業能夠對尾砂進行資源化利用的較少。

總體上看，有必要為尾砂和尾礦粉找到大的消納出口，同時國家給予政策引導和扶持，這是低碳發展的客觀需求。

2 細粒級金屬尾砂的綜合利用

2.1 制備水泥和生態膠凝材料

普通硅酸鹽水泥是常用的水硬性膠凝材料之一，每生產1 t水泥，需要消耗1.55 t生料，大約排放0.55 t二氧化碳，消耗110 kg標準煤，排放大量二氧化硫、氮氧化物。2021年我國每年的水泥產量超過23 億t，消耗了大量的資源。金屬尾砂主要成分為SiO2、Fe2O3、Al2O3等氧化物，礦物成分主要為石英、長石、云母及赤鐵礦等，可以將尾砂作為水泥制備過程中的補鐵材料或者提供硅的材料。LUO等[16]證實可以使用金屬尾砂替代黏土制備水泥熟料，在生料中加入尾砂有利于改善粉磨性能，促進燒結進程，如在熟料粉磨時加入尾砂可以降低膠凝材料的水化熱。尾砂摻量為10%時，對水泥礦物相形成影響較小，在1 420 ℃燒制1 h，膠凝材料的抗壓強度可以達到P·O 42.5水泥強度標準，尾砂的摻量越高，膠凝材料的強度越低[17]。王長龍等[18]將鉬尾砂與水泥熟料、礦渣和脫硫石膏復配(質量比4∶2∶3∶1)，粉磨80 min后28 d抗壓強度可以達到52.1 MPa。尾砂中的SiO2和Al2O3含量對膠凝材料強度有較大影響，不同尾砂的氧化物含量不同，制備膠凝材料的過程中可以通過尾砂與Al2O3或者鋁含量高的尾砂(赤泥)、礦粉復配使用，提高尾砂的膠結性能。

在制備水泥和生態膠凝材料方面，細粒級尾砂因其具有更高的細度，能夠降低粉磨成本，使用細粒級尾砂制備膠凝材料可以為水化反應提供更多的成核位點，促進水化反應的進程，同時細粒級尾砂的火山灰活性可以促進膠凝材料長期強度的發展[19]。細粒級尾砂應用于膠凝材料的研究重點在于燒制溫度和尾砂中SiO2含量。細粒級尾砂燒制熟料時，燒結溫度可以降低100～150 ℃，控制燒結溫度的同時應該考慮燒結溫度對尾砂活性的影響，通過對熟料品質及尾砂活性的耦合研究，最大化發揮尾砂價值[20];尾砂中的微量元素及特殊礦物能夠促進C3S的形成，提高膠凝材料的力學性能，但是SiO2和雜質氧化物含量高的尾砂不能用于熟料生產，因此應該明確尾砂中氧化物含量對膠凝材料性能的影響[21]。

2.2 制備砂漿及混凝土等水泥基材料

高性能混凝土及砂漿離不開優質的礦物摻合料和骨料。將細粒級尾砂用作礦物摻合料和細骨料制備砂漿或者混凝土已經取得了較多研究成果。ISMAIL等[22]、ZHAO等[23]均證實將平均粒徑介于1～5 mm的金屬尾砂用作細骨料是可行的，但尾砂摻量越高，試件強度越低。尾砂替代細骨料摻量不超過40%，尾砂對混凝土的影響較小，當尾砂摻量為20%時，混凝土28 d抗壓強度可以提高17.4%。細粒級尾砂比表面積較大，用作混凝土骨料時，建議將替代比例控制在5%～10%，一定比例的細粒級尾砂可以發揮級配效應，減少有害孔數量，提高漿體與骨料之間的密實度，提高混凝土及砂漿的耐久性。但細粒級尾砂更適合用作混凝土摻合料，細粒級尾砂可以提供晶核，促進水化反應的進行[24-25]。吳瑞東[26]通過大量微觀分析證實細尾砂表面存在大量Si—O、Al—O斷鍵，尾砂比表面積越大，斷鍵數量越多，在堿性條件下，斷鍵會發生重聚，提高水泥基材料的力學性能和耐久性，細粒級尾砂的摻入可以優化孔結構，提高抗凍性和抗侵蝕性能。此外，為提高細粒級尾砂在水泥基材料中應用的附加值，可以將細粒級尾砂制備水泥基灌漿材料和壓漿料。

使用細粒級尾砂制備水泥基材料的研究重點大多在力學性能的提升，對于混凝土及砂漿的工作性能研究較少。細粒級尾砂中含有一定量的黏土組分，添加細粒級尾砂后混凝土坍落度下降，黏聚性及保水性能提高[27]。因此，為了提高細粒級尾砂在水泥基材料中的利用率，有必要加強不同種類超塑化劑對細粒級尾砂制備混凝土的工作及力學性能的耦合研究，明確不同種類尾砂適宜的超塑化劑種類及摻量。

2.3 與礦渣粉復合制備混凝土復合摻合料

礦物摻合料已經成為現代混凝土必不可少的組分。隨著我國基礎設施建設的大規模進行，混凝土的需求量不斷增加，粉煤灰、礦渣粉等優質摻合料逐漸減少，致使礦物摻合料供應不足、價格飛漲。為彌補粉煤灰、礦渣等傳統摻合料資源的供應不足，利用細粒級金屬尾礦制備混凝土復合摻合料具有重大的環保和經濟意義。HAN等[28-31]在鐵尾礦細粉制備混凝土復合摻合料方面進行了大量的研究，結果表明:當鐵尾礦細粉摻量不超過膠凝材料質量的30%時，對水泥膠砂抗壓強度的影響較小;高溫促進含礦渣和鐵尾礦粉復合膠凝材料的水化放熱，總放熱量隨礦渣摻量的增大而增加;摻入鐵尾礦細粉可明顯改善硬化漿體后期的孔結構，水化后期含礦渣和鐵尾礦細粉的硬化漿體最可幾孔徑和累計孔體積顯著低于純水泥試樣，在低水膠比時這種現象更明顯;摻入石膏能明顯提高含鐵尾礦細粉復合膠凝材料的早期膠砂強度，且增加后期硬化漿體中C—S—H凝膠的鈣硅摩爾比和硫硅摩爾比，但對鋁硅摩爾比沒有影響。鐵尾礦細粉顆粒與水泥、礦渣顆粒形成良好的級配，可使硬化漿體的結構更加致密，鐵尾礦細粉和礦渣粉制備混凝土復合摻合料可改善混凝土的耐久性。

2.4 活化制備混凝土摻合料

金屬礦尾砂主要礦物組成為石英、長石、方解石等，結晶度較高，活性較低，直接將細粒級尾砂用作摻合料可行性較小[32]。但可以通過化學激發或表面改性等手段使尾砂活性指數提高到80%以上，且達到混凝土用Ⅱ級粉煤灰指標要求，可以替代粉煤灰用作礦物摻合料[33]。金屬尾砂的活化方式主要有熱活化、機械活化和化學活化以及復合活化。

熱活化是將尾砂進行熱處理，使其具有火山灰活性。熱活化對含有高嶺石、云母等黏土礦物的尾砂效果尤為明顯，在高溫煅燒的過程中玻璃相含量增加[34-35]。易忠來等[35]研究了不同活化溫度對鐵尾砂膠凝活性的影響，通過測試活化后鐵尾砂的膠砂強度，確定活化溫度為700 ℃時，膠砂強度最高。但熱活化存在能耗大、成本高、工藝復雜等問題。

機械活化是對尾砂進行粉磨，減小粒徑尺寸，增加尾砂的比表面積。尾砂在機械力的作用下具有較高的表面能，能量存儲過程使尾砂處于高能活化狀態，尾砂的結構會發生相應的變化，同時增加了尾砂表面的化學活性位點，使尾砂更容易與其他材料相互作用[19，36]。機械活化尾礦的火山灰活性隨粉磨時間的延長而逐漸增強[37]。YAO等[25]研究發現，機械活化后，尾砂中鋁硅酸鹽礦物表現出火山灰活性，但機械活化后尾砂的活性指數較低，遠低于高爐礦渣粉的活性指數。對于細粒級尾砂來說，繼續粉磨提高比表面積的難度較大。

化學活化是通過添加不同種類的化學試劑來提高尾砂的反應活性。最常使用的活化劑是氫氧化物或者堿性鹽類，如NaOH、KOH、Na2SiO3等[38-39]。堿性活化的材料與硅酸鹽水泥相比，具有更優異的力學性能，硬化體的孔隙率較低，抗侵蝕性能好[40-41]。堿性活化劑的濃度對活化效果有較大的影響:濃度較低，延緩活化反應進程;濃度較高，會導致收縮增大，強度降低，有可能會出現“泛堿”現象[42]。由于堿激發材料中活化劑的摻量較高，活化劑的制備消耗大量資源，相應增加了碳排放。

目前，對于尾砂活性的研究多以全尾砂為主，細粒級尾砂本身具有的活性優勢未被研究者所重視。細粒級尾砂在選礦超細粉磨的過程中，表面已經具有較多的Si—O和Al—O斷鍵，LIU等[43]通過紅外分析，證實Si—O鍵向低波數方向移動，表明細粒級尾砂在合適的液相環境中具有一定的自膠結性能。因此，細粒級金屬尾砂可以通過化學激發或表面改性等手段，制備混凝土摻合料。

針對金屬尾礦摻合料，我國2014年頒布第一部地方標準，即福建省地方標準《用于水泥和混凝土中的鉛鋅、鐵尾礦微粉》(DB35/T 1467—2014);2020年頒布實施中國工程建設標準化協會標準《用于水泥和混凝土中的鉛鋅、鐵尾礦微粉》(T/CECS 10103—2020)和《鉛鋅、鐵尾礦微粉在混凝土中應用技術規程》(T/CECS 732—2020)。今后會有更多的標準編制和實施，不久的將來，金屬尾礦摻合料將成為繼石灰石粉后另一種常規的混凝土摻合料。

2.5 制備充填材料

為了實現尾砂的大宗化、綠色化利用，使用金屬尾砂制備充填材料對采空區進行回填是金屬尾砂資源化利用的常用方法[44]。金欣礦業鉬鉛鋅多金屬礦已建成單系統充填能力500 m3/h，日充填能力1.8萬m3的充填系統，日均消耗約2 萬t尾砂[45]。井下充填不僅可以提高尾砂的利用率，消除尾砂對環境的影響，同時可以降低采空區的安全隱患，提高礦產資源的開采率[46-47]。井下充填是將選礦廠排放的低濃度尾砂料漿經過濃密機脫水后，在充填站與活性膠凝材料及水均勻攪拌制備充填材料，通過自流或者泵壓輸送至指定采空區[48]。為了保證開挖及采礦的穩定性，要求充填材料28 d抗壓強度不低于1 MPa;用于頂板支撐時，要求充填材料28 d抗壓強度不低于4 MPa;為了使充填材料能夠管道輸送，要求充填材料的流動度控制在15～27 cm，屈服應力在100 Pa以上，充填材料的泌水率不超過5%[12，48-51]。研究表明[52-53]，在濃密沉降過程中，尾砂越細，沉降速度越慢，深錐濃密機底流濃度越低;隨著細粒級尾砂摻量的增加，充填材料養護28 d后總孔隙率增加[54];較低的底流濃度以及較高的孔隙率，使細粒級尾砂制備的充填材料力學性能較差，發生泌水、離析的可能性增大。由于細粒級尾砂的比表面積較大，需水量較高，尾砂形狀不規則，顆粒之間的摩擦力較大，細粒級尾砂摻量越高，充填材料工作性越差[55]。目前，水銀洞金礦利用細粒級尾砂成功進行了充填，由于尾砂比表面積較大，通過系列試驗確定充填材料固相濃度為50%時，充填材料性能最優，但在灰砂比1∶6時充填材料硬化體的28 d抗壓強度僅達到0.42 MPa[14]。使用細粒級尾砂制備充填材料保證工作性的同時，要滿足力學性能，則膠凝材料用量增加，充填成本增加。

對細粒級尾砂制備充填材料的研究難點在于以下2個方面:一是如何提高深錐濃密后的細粒級尾砂料漿的底流濃度;二是如何利用低濃度的細粒級尾砂料漿制備成本較低，而力學性能和工作性又能滿足工程要求的充填材料。因此，后續應將研究重點集中在細粒級尾砂底流濃度的改善和充填料漿工作性的提高這兩方面。

3 細粒級金屬尾砂制備充填材料與性能優化

3.1 細粒級金屬尾砂充填料漿底流濃度與改善

尾砂濃密是將低濃度的尾砂料漿(質量分數低于20%)，在絮凝劑的作用下，通過濃密機脫水，獲得較高濃度的底流料漿(質量濃度高于60%)的過程[48]。細粒級尾砂沉降速度慢，相同的沉降時間內，料漿底流濃度較低。如某銅礦充填用細粒級尾砂，-75 μm粒級顆粒含量為64%，經過深錐濃密機濃密脫水后，料漿質量分數為62%[56];楊紀光等[57]使用-75 μm粒級含量為95.63%、-37 μm粒級含量為85.15%的細粒級尾砂，在某金礦現場進行半工業濃密試驗，在泥層高度達到6 m時，底流質量濃度為59%;史繼佳等[58]針對貴州華金礦業丫他金礦-19 μm粒級含量為70%以上的超細尾砂，設計研發了一套用于解決超細尾砂充填的充填工藝與系統，超細尾砂經濃密后，料漿濃度達到了58%～60%。在絮凝劑的種類和摻量對全尾砂料漿濃度的影響研究方面，專家學者們考察了絮凝劑的種類、入料體積分數、絮凝劑單耗等因素對沉降速度和尾砂料漿流變等的影響[59-61]，相同單耗條件下，給料濃度越低，沉降速度越快，但是給料濃度降低會造成底流濃度偏低[59];絮凝劑單耗對濃密也有較大影響，絮凝劑單耗不足，難形成密實的網狀結構，影響底流濃度;絮凝劑單耗過大，增加料漿的屈服應力和塑性黏度，增加了輸送難度[61-62]。目前對細粒級尾砂料漿濃度提高方面的研究，主要集中在泥層高度、料漿在濃密機中的停留時間、絮凝劑的種類和摻量，對于細粒級尾砂料漿而言，傳統添加絮凝劑的辦法無法將絮團內部的水完全釋放。因此，不能從根本上提高細粒級尾砂料漿的濃度。

提高細粒級尾砂濃密過程中的底流濃度，除了從濃密機的結構、泥層高度、絮凝劑的添加量等方面考慮外，還可以采取化學與物理相結合的措施，利用添加濃密增效劑等方法，來提高料漿的底流濃度。劉娟紅等[63]研發了濃密增效劑，通過將絡合組分、胺類組分與水溶性高分子聚合物組分復合，降低固液界面能，通過靜電斥力、空間位阻、潤滑作用，打開絮團，釋放自由水，提高流變性能。添加濃密增效劑后底流濃度可以提高3～5個百分點，屈服應力降低6.68～12.85 Pa，充填材料硬化體的抗壓強度提高[53]。筆者所在課題組對-15 μm粒級含量為55.78%、-38 μm粒級含量為79.26%、-75 μm粒級含量為93.06%的馬鞍山白象山細粒級尾砂，通過深錐濃密機模型進行細粒級尾砂料漿的動態濃密試驗，研究添加濃密增效劑前后料漿底流濃度的變化，結果表明:料漿絮凝沉降60、120、180 min時，添加濃密增效劑的尾砂料漿底流濃度提高了2.7、3.3、3.4個百分點，料漿濃度從45.7%提高到49.1%;并通過CT掃描以及三維重構技術對比有/無添加濃密增效劑細粒級尾砂料漿孔隙率變化。通過計算得出，未添加濃密增效劑的料漿孔隙率為91.6%，而添加濃密增效劑后的料漿三維孔隙率降至86.9%，孔隙率降低幅度達4.7個百分點。

3.2 細粒級金屬尾砂充填料漿管道輸送性能與改善

高濃度的尾砂料漿制備高強度的充填體，需要提高膠凝材料的用量或者降低用水量。但提高膠凝材料用量，會大幅增加充填成本，降低用水量則會導致輸送性能變差。添加外加劑可以在保證輸送性能的條件下減少用水量，是提高充填體強度比較經濟的方法。減水劑可以顯著改善充填料漿的流動性，其中聚羧酸減水劑和萘系減水劑具有較好的效果，隨著減水劑摻量的提高，充填材料流動度增大[64-65];粉煤灰為球形顆粒，具有滾珠效應，添加后可以優化充填材料的顆粒級配，填充孔隙，改善工作性[66-67]。

細粒級尾砂需水量較高，充填料漿質量濃度較低，在輸送和硬化過程中有可能會發生尾砂下沉、料漿上浮，從而導致泌水和離析現象，進而發生堵管[68];且在硬化過程中易發生泌水，需要增設排水設備，影響充填效率，增加工程成本[12]。王洪江等[69]對全尾砂充填料漿的泌水性能進行了研究，結果表明，尾砂顆粒級配對泌水率影響較大，隨著顆粒半徑的增大，顆粒表面吸附水量急劇下降，粒度為20～98 μm的顆粒對漿體的泌水率影響最大。目前，對于泌水率的控制大多以混凝土體系為主，通過添加膨潤土或者增稠劑改善泌水率，對于細粒級尾砂充填材料泌水率的改善研究較少[70]。

為改善細粒級尾砂充填料漿的流動性，ZHOU等[71]研究了超塑化劑的種類、摻量、質量濃度、粉煤灰的摻量對馬鞍山張莊礦細粒級尾砂充填材料流動性和抗壓強度的影響。結果表明，超塑化劑不僅可以吸附在尾砂表面，發揮靜電斥力效果，破壞絮團，釋放自由水，而且可以在早期促進鈣礬石的發育，使鈣礬石從針狀晶體發育為短棒狀晶體，減小摩擦力，提高流動性;萘系和聚羧酸超塑化劑對改善流動性的效果最好，但是聚羧酸減水劑摻量過高會降低早期強度;控制充填料漿流動性相同的條件下，加入0.5%萘系減水劑和6%粉煤灰后質量濃度可以提高4個百分點，抗壓強度提高55%。萘系超塑化劑和粉煤灰的協同作用可以顯著改善充填料漿的流動性和強度，降低充填成本。

利用低濃度尾砂料漿制備充填體時必須保證泌水率符合標準要求。LIU等[12]針對鐵尾礦充填料漿的泌水特征，研發了一種適用于低濃度尾砂充填料漿的高固水添加劑，并考察了添加劑摻量對充填料漿8 h泌水率的影響。結果表明，添加膠固粉總質量5%的固水材料，泌水率可以降低10個百分點、初始黏度降低30%、2 h黏度降低53%、28 d抗壓強度提高20%。機理分析結果表明，添加固水材料后，充填材料中引入了大量微小氣泡，結構變得松散，微小氣泡增加了“儲水空間”，為后期鈣礬石和凝膠類物質的生成提供H2O;同時微小氣泡可以發揮滾珠作用，降低顆粒之間的摩擦阻力，使輸送性能和抗壓性能提高。添加固水材料會促進水化反應進程，生成大量鈣礬石，鈣礬石生成消耗大量自由水，降低泌水率，鈣礬石與凝膠狀物質相互搭接，從而進一步提高硬化體的密實度。

3.3 細粒級金屬尾砂充填料漿力學性能與改善

因細粒級尾砂濃密效果差、底流料漿濃度低，制備的充填材料強度低。對于充填材料力學性能改善方面的研究，大多是針對全尾砂充填材料。FALL等[49]研究了硫酸鹽及溫度對充填材料力學性能的耦合影響，在硫酸鹽濃度為15 g/L、環境溫度為20 ℃時，充填材料后期強度提高;當硫酸鹽濃度增大至25 g/L時，充填材料強度降低。CHEN等[72]通過大量試驗也得出相似結論，當Na2SO4摻量為4%時，充填材料孔隙率最低，強度最高;當Na2SO4摻量提高時力學性能變差。硅烷偶聯劑也可以改善充填材料的力學性能，乙烯基三甲氧基硅烷改善效果優于甲基三甲氧基硅烷，當乙烯基三甲氧基硅烷摻量為1%時，與空白組相比，28 d抗壓強度可以提高64%，但是乙烯基三甲氧基硅烷與聚羧酸減水劑會存在競爭吸附，影響減水劑減水效果[73]。

筆者所在課題組研究制備了活性高硅納米材料及晶核型添加劑，將兩者復配使用(質量比為123∶1)，替代5%的水泥，能夠顯著改善細粒級尾砂充填材料的力學性能。相同料漿濃度條件下，使用納米材料和晶核添加劑替代水泥后，充填材料各齡期抗壓強度提高30%以上，最高可以提高86%;灰砂比為1∶4，固相濃度為58%時，使用納米材料和晶核材料后，各齡期抗壓強度超過了灰砂比為1∶3充填材料的強度;單方充填材料可以節約膠凝材料55 kg以上，綜合成本降低。對于其他灰砂比，也有相似規律。

4 細粒級金屬尾礦綜合利用的對策和發展趨勢

(1)開展對金屬尾礦固體廢物的全面摸底調查工作，建立大數據平臺。從尾礦的產生、收集、儲存、運輸、利用、處置全過程進行監控，礦山企業如實申報尾礦的種類、數量、尾礦的賦存狀態以及利用現狀，實現數據和信息的快速更新、調用與分析，科學合理地制定相關產業政策和布局區域產業結構。

(2)金屬尾礦綜合利用的研究需聚焦于尾礦壩中的尾礦資源。因為這才是必須消納和利用的主體，不能大量“吃掉”尾礦壩中的尾礦資源，尾礦綜合利用就不可以說取得重大進展。

(3)充分考慮不同尾礦的物理和化學屬性差異，加強相關方向科研經費的投入和成果的轉化。鼓勵開展多學科的交叉性研究，加強在技術和裝備方面的研發，以及人才的引進。建立典型金屬尾礦利用的中試研究和生產基地，推動示范性項目建設，打造示范工程，發揮大型示范工程的引領作用。

(4)根據市場需要，確定綜合利用主流產品。金屬尾礦綜合利用必須明確主渠道，關注規模化消納應用，將研究和應用的焦點放在尾礦微細砂和礦物微粉摻合料這2個方面，將在混凝土、砂漿、礦山填充料中的應用作為尾礦大規模利用的主渠道、主陣地。

(5)研發改善細粒級尾砂充填性能的添加劑。細粒級尾砂由于獨特的物理性能，經過動態濃密后底流濃度低，制備充填材料力學性能差，泌水率嚴重導致細粒級尾砂在充填材料中利用難度大、利用率低。針對細粒級尾砂存在的問題，可以通過添加外加劑優化尾砂料漿的孔結構，從而提高底流濃度;促進鈣礬石的生成，消耗自由水，降低泌水率;使用晶核材料和納米材料改善力學性能。

(6)加大對金屬尾礦綜合利用產業的政策引導和財政支持。從中央政府到地方部門，應加大對金屬尾礦資源綜合利用的政策支持力度，要求礦山企業配套尾礦開發利用的相關資金，加大對尾礦綜合利用技術的研發和投入。拓寬融資渠道，積極引進大型企業的資金，鼓勵引導企業及社會資金加入到尾礦開發利用項目中去。通過嚴格管控尾礦庫的新批新建，倒逼企業重視尾礦的處置問題。

(7)建立和完善科學合理的標準體系。標準要敢于破除傳統理念和觀點的羈絆，即應當有“天變不足畏，祖訓不足法，人言不足恤”的精神。敢于創新，為金屬尾礦的綜合利用服務。尾礦的資源化利用是關乎我國資源與環境安全的一項戰略性課題，也是低碳發展的客觀要求，是重大挑戰，也是重大機遇。實現尾礦資源大規模的利用，需要政府、行業和學術界攜手推動，這是時代賦予我們的責任。