某釩鈦磁鐵礦采場棄巖渣資源化利用研究

劉博銳 吳豐祥

（重鋼西昌礦業有限公司）

某釩鈦磁鐵礦區是攀西四大釩鈦磁鐵礦區，屬特大型多金屬伴生的釩鈦磁鐵礦床，礦物中有用成分以鐵、鈦、釩為主，含銅、鈷、鎳、鈧、鎵等稀貴金屬。礦床為晚期巖漿分異礦床，含礦巖體為輝長巖型，礦體由下至上分成中粗粒輝長巖相帶、流層狀輝長巖相帶和中粒輝長巖相帶。根據含礦品位高低可劃分成工業入選礦和低品位礦，其中低品位礦由于鐵、鈦金屬品質較低，在現有技術和市場經濟條件下，低品位礦不宜直接入選，常與剝離巖土混合外送至排土場堆存。在全球礦產資源供應緊張的形勢下，開發利用好長期累積的棄巖渣，是我國礦業可持續發展的必然選擇，為充分利用礦產資源，建立“低能耗、高產出、少排放、能循環、可持續”的冶金礦山循環經濟發展模式，對某釩鈦磁鐵礦露天礦山采場剝離棄巖渣資源化利用途徑進行研究。

1 剝離棄渣特性

1.1 露天采區地層特征

據現場調查及鉆孔揭露，某釩鈦磁鐵礦露天采場包含地層主要有填土層（Q4ml）、第四系全系統坡積（Q4dl）及洪積（Q4pl）等松散堆積層、第四系中上更新統冰水堆積層（Q2-3fgl）、第四系下更新統冰水沉積堆積層（Q1fgl）、昔格達組（NQx）、三疊系丙南組（T3bn）、輝長巖（U）［1］。

1.2 表土層（冰磧土）特性

采場邊坡巖體主要構成為厚層冰磧土（Q2+3gl）、輝長巖（U）。在東邊和北邊，冰磧土和基巖呈覆蓋接觸，接觸面與邊坡面傾向相反；西邊冰磧土與基巖面斷層接觸，接觸面與邊坡面傾向相反；南邊冰磧土和基巖呈覆蓋接觸，接觸面與邊坡面傾向基本一致。冰磧土體沉積會受到原始地形控制，厚度變化較大，形成的冰磧土邊坡高度差別較大。按照設計邊坡角，東部冰磧土邊坡垂直厚度23～27 m，坡高占總坡高的13%～20%；南部冰磧土邊坡垂直厚度92～229 m，坡高占總坡高的24.3%～38.3%；西部冰磧土邊坡垂直厚度110～254 m，坡高占總坡高的31%～49%；北部冰磧土邊坡垂直厚度71～132.4 m，坡高占總坡高的17%～35%。

經現場地質踏勘，綜合礦山歷次探礦資料和補充勘察結果，得出冰磧土結構特性：

（1）冰磧土中的（漂）礫石主要為輝長巖、花崗巖、玄武巖、粉砂巖等，質地堅硬。礫石形狀不一，有扁平狀、次棱角狀、次圓狀等。礫徑不等，土粒主要為粉質黏土和粉砂土［2］。

（2）冰磧土的共同特點是都含有黏土和冰磧土或漂礫，根據現場調查和鉆孔巖心判定，從形成年代上看，冰磧土由新到老可分為第四系全新統松散堆積層、第四系上更新統冰水堆積層和第四系中更新統冰水堆積層，強度由弱變強；從含石量的多寡可將冰磧土分作冰磧含礫（粉質）黏土層（含石量5%～15%）、冰磧礫石夾黏土（礫石或漂礫，含石量20%～45%）和冰磧碎石土層（礫石或漂礫，含石量55%～70%）；從密實度上看，有松散、稍密、中密和密實4 種狀態。在冰磧土層中，多呈透鏡狀分布，且礫石含量變化及形態，常呈聚群狀出現，導致冰磧土巖性和結構在空間上的規律性迥異，離散型較大。

（3）磧土的礫石粒徑分布范圍廣泛，直徑一般為2～120 cm，最大達3 m 以上，呈中密—密實狀態；而基質材料不僅含量變化大（44%～95%），粒徑變化也很大，從粉質黏土至粗砂，孔隙比e變化在0.336～0.773，呈可塑—硬塑狀，膠結程度有強有弱。由此可以推斷，在礫（漂）石含量高的地層，冰磧土抗剪強度由礫石間摩擦強度控制，而在礫（漂）石含量較低的地層，是由黏土控制土體抗剪強度，對整個冰磧土來說，由于礫石含量分布的隨機性，決定其強度也具有高度的不確定性。

（4）據勘察資料，冰磧土地下水位埋深2.00～12.00 m，多為上層滯水。注水試驗結果表明，冰磧含礫粉質黏土平均滲透系數K變化在（3.9～63）×10-5cm/s，冰磧礫含漂礫平均滲透系數K變化在（5.4～320）×10-4cm/s，均屬弱透水—微透水介質。冰磧土的透水性弱透水性質決定了其坡體內部水位降低緩慢，靜水壓力和飽水狀態可能長期作用于邊坡并影響其強度指標，而黏性土透鏡體的存在，使坡體上長期保留零星的上層滯水，在旱季，采場內已形成的邊坡表面基本處于干燥狀態。

綜合冰磧土的性質，從局部看，冰磧土體中礫石尺寸、礫石和黏土含量的空間分布與形態和含水量呈現高度的隨機性；從總體上看，冰磧土體性態的高度隨機性恰恰表現為宏觀均勻性。因此，本模擬實驗研究把冰磧土體試樣看成礫-土組成展布形態與工程性質均勻的同性體。

1.3 剝離棄巖渣中的低品位礦資源量

某釩鈦磁鐵礦采選擴建項目露天開采項目服務年限內，累計采剝總量達47 458萬t，其中可采出工業入選礦石11 943 萬t，其余均為露天采場采出大宗固體廢棄物。采掘出的剝離棄巖渣中，有表層土（含冰磧土）8 886 萬t，低品棄巖渣26 629 萬t（含Te 10%～20%的低品位礦石量約10 700 萬t）。擴建過渡期達產期5 a，擴建過渡期間共計將采掘出工業入選礦石3 090 萬t，采掘出剝離棄巖渣12 142 萬t，仍需安全堆存高達11 142 萬t 采掘剝離棄渣，其中表層土（含冰磧土）約2 400 萬t。據現有地質資料，低品位礦石地質品位全鐵平均14%左右（10%～17%）、二氧化鈦5%～7.5%、五氧化二釩0.1%～0.2%，被視作巖土棄置的低品位礦資源量達到剝離棄巖渣總量的40%。

1.4 其他棄巖渣的特性與性能

某露天采場地處康滇地軸中北段，區內構造活動強烈，巖漿活動頻繁而廣泛，沉積巖分布相對較少，剝離棄渣以沉積巖為主。巖性主要為第四系冰磧層、坡積層、沖積層［3］。

巖石種類主要有黏土質砂礫石、花崗巖、輝長巖、玄武巖及以礦石地層共生的砂巖漂礫。其中黏土砂礫巖、漂礫巖含量65%～70%；花崗巖、輝長巖、玄武巖含量20%～25%。

針對廢石渣的巖性特征，進行密度、抗壓強度、軟化系數等性能試驗測試，測試結果見表1，可以得出廢石渣屬非軟化巖石，抗凍性能強、抗風化能力較大、水穩性較好，滿足尾礦庫工程填筑料材質要求。

2 剝離棄渣資源化利用方向研究

2.1 表層土（冰磧土）資源化利用方向

據相關研究資料，要形成超過30 cm 厚適宜耕作層需要長達百年甚至上千年時間，在農業種植及綠化復墾過程中需要適宜耕作層，僅依靠綠化或種植豆類植物促成土壤快速熟化不現實，簡單熟化即開始農業化耕作極有可能產生更大的區域生態污染。露天采場表土層（冰磧土）可作為適宜耕作層，江蘇儀征市礦山排土場區域特點決定無法借土耕作層，復墾之所以快速形成效益，主要是采用借土方案（覆土厚1.2 m、再覆耕作層土壤30 cm），豐富的剝離表層土可完全作為覆蓋土資源。表土覆蓋完成后不但可以縮短熟土期，而且還可以同期利用自產的砂石料修建完善溝渠和道路，為創建新價值鏈的新型現代化農業奠定基礎。

2.2 剝離棄巖渣中低品位礦資源化利用方向

2.2.1 低品位礦資源綜合利用技術推廣應用實效

攀西地區是我國重要的釩鈦戰略資源富集區［4］，釩鈦磁鐵礦資源儲量巨大，資源保有儲量超過90 億t。釩鈦資源已被國家列為戰略資源，盡管資源豐足，但多為貧雜、多金屬共伴生的低品質釩鈦磁鐵礦，其中低品質資源儲量占資源總儲量的30%以上。由于低品質釩鈦磁鐵礦直接入選會極大增加選礦比，造成生產成本增加，礦山企業不得不將低品質釩鈦磁鐵礦石作為廢石廢料拋棄。攀西戰略資源創新開發試驗區科技攻關規劃中把低品質釩鈦磁鐵礦綜合利用技術作為高效清潔的攀西釩鈦磁鐵礦的采選新技術重點科技攻關內容之一。

某礦山早期采用磁滑輪預拋尾或粉礦干式磁選工藝能回收低品位釩鈦磁鐵礦中的鐵、鈦資源，但回收利用效果較差，特別是回收的礦石較難達到常規釩鈦磁鐵礦選鐵技術流程入選物料質量標準，特別是對礦物晶粒較細和嵌布難以解離的低品位礦石來說效果更差，不能高效盤活低品位廢棄釩鈦磁鐵礦資源。

礦山2015 年后優化工藝，低品位釩鈦磁鐵礦經高壓輥磨超細碎后再采用濕式弱磁選工藝能回收滿足常規釩鈦磁鐵礦選鐵流程的經濟入選物料的質量標準，且鐵金屬回收率能達到65%以上；經弱磁選選鐵后的尾礦再經強磁選工藝，能回收產率約27%，二氧化鈦含量符合常規釩鈦磁鐵礦選鈦流程入選原料要求，鈦金屬回收可達到30%以上。

要有效盤活低品位廢棄釩鈦磁鐵礦資源，實現鐵、鈦資源的高效回收，實施低品位釩鈦磁鐵礦綜合回收鐵、鈦資源時；宜將高壓輥磨超細碎工藝技術、濕式磁選鐵工藝技術、濕式強磁選鈦工藝技術有效整合，方能形成集成創新的資源化綜合利用工藝技術流程。項目研究組經過詳細的分析論證后，研發了“三段一閉路破碎+磁滑輪拋廢+（拋廢渣破碎篩分規格石料）+高壓輥磨超細碎+濕式弱磁選+濕式強磁選+分級制砂工藝”的創新工藝技術流程。低品位釩鈦磁鐵礦石經破碎機粗碎、中碎、細碎后閉路篩分，篩下物經磁化輪拋廢，拋廢回收礦石經高壓輥磨超碎后再經弱磁、強磁選流程高效回收鐵、釩、鈦資源作為選礦廠精選礦石。磁滑輪拋廢后廢棄料破碎成規格環保型石料，弱磁、強磁廢渣經分級制砂流程制取符合國家標準的環保型建設用砂，少量微細粒級污泥粉塵經高效濃縮機濃縮后至尾礦庫安全堆存。2021 年在粗粒磁選尾礦后增設強磁選工藝回收粗鈦精礦，隔粗隔渣的尾礦通過強磁篩分，弱磁掃鐵，次鐵尾礦經二段強磁得到強磁粗精礦，粗鈦精礦精選流程成熟的選鈦技術流程進一步增加鈦資源回收。

該應用集成再創新技術流程，已高效實現鐵品位10%～17%的低品位釩鈦磁鐵礦資源綜合利用。每年可盤活并增加資源儲量27%以上，提升鐵（釩）資源回收率技術指標3.5%（釩鈦磁鐵礦鐵選礦回收率達到72%以上），提升鈦綜合利用率技術指標5%（釩鈦磁鐵礦中鈦綜合利用率達到30%以上）；拋廢廢渣制取建筑石料產率超過35%；磁選回收鐵、釩、鈦后的尾砂制取建設用砂產率超過20%；資源開采過程中棄置土減量55%，工業廢渣資源化率超過90%。

2.2.2 低品位礦采場直接配礦入選的應用實效

某礦山過去在入選礦石地質品位TFe＞30%的條件下，生產的釩鈦鐵精礦TFe53.5%（鐵選礦回收率63%左右）、高鈦精礦TiO247%（選鐵尾再選回收，由于前端磨選性能制約以及入選規模過小，盡管可全粒級浮選，鈦綜合利用率僅15%左右）。近幾年來，礦山通過集成整合創新，將“低品位礦綜合利用、高壓輥磨超細碎、釩鈦礦脫磁、選鐵尾礦回收鈦鐵礦方法、全粒級鈦鐵礦浮選、礦漿濃縮分級”等專有技術融入“釩鈦磁鐵礦三段閉路破碎+階磨階選”傳統流程，形成了更高效的釩鈦資源創新開發利用新技術流程，在入選礦石地質品位TFe 平均25%的條件下，磨選效率和資源采選三率指標得到快速提升，產品質量效率迅速改善。釩鈦資源回采率由92%提升至96%，釩鈦鐵精礦產品TFe55%（鐵選礦回收率68%，在TFe/TiO2＞2.9 條件超國土資源部規定標準3%）、TiO211.5%（鈦更多流向選鈦流程），生產的高鈦精礦TiO247.15%（鈦綜合利用率34%，超試驗區發展目標13%）。

2.2.3 低品位礦資源化利用方向

選礦廠工業入選地質品位的拓寬暢通了低品位釩鈦磁鐵礦綜合利用途徑。一是可在露天采場內直接配礦入選部分低品位釩鈦磁鐵礦，該技術流程中融合了“高壓輥磨超細碎技術和全粒級鈦鐵礦浮選技術”等專有技術，高壓輥磨超細碎技術融入傳統選別流程，能高效借用高壓輥磨來充分解離難選低品位釩鈦磁鐵礦礦物晶粒和脈石，破解磨礦工序效率低和低品位礦不能實現經濟利用的瓶頸，暢通采選流程，重構釩鈦磁鐵礦資源采選流程價值創造鏈，能有效調控釩鈦資源在選別流程中走向，為選鐵后全粒級再選回收鈦鐵礦創造有利的要素條件；二是將高壓輥磨超細碎技術同步融入低品位釩鈦磁鐵礦綜合利用技術流程，不但解決了大量低品位釩鈦磁鐵礦資源化再利用問題，而且緩解了大宗工業廢渣堆存處置帶來安全環境風險，增加了工業入選礦石資源保障、盤活存量資源，為綠色生態礦山建設和可持續發展提供了強有力支撐。

2.3 棄巖渣制取混凝土

某釩鈦磁鐵礦山巖體為輝長巖，輝長巖密度一般為2.8～3.3 g/cm3，具有很小的孔隙度，一般壓縮強度為190～290 MPa，耐久性高，結構構造均勻，巖體組成較穩定，廢渣集料的來源和質量勻有保障。

通過對物料的來源和物理性能多年研究，得出露天釩鈦磁鐵礦礦山采礦棄巖渣廢石可作為工程建設中的普通混凝土粗細集料。露天采場棄巖渣的性能達到Ⅰ類建設用砂石的質量要求，廢石、尾礦制砂表觀密度比普通集料高10%左右；廢石集料堆積密度比普通集料高3%～7%［5］。按《普通混凝土配合比設計規程》規定對廢石集料混凝土進行混合配料，攀西釩鈦磁鐵礦采選廢石集料混凝土具有優秀的力學性能及耐久性。

研究表明采用廢石集料可以配制出強度等級為C60的混凝土，廢石集料混凝土的性能具有良好的抗氯離子滲透性、抗凍性、抗腐蝕性，廢石集料混凝土耐久性不會低于普通集料混凝土，廢石集料混凝土收縮率比普通集料混凝土低30%左右，全廢石集料泵送混凝土的密度比普通集料混凝土高10%左右，同時滿足普通混凝土表觀密度的要求。

研究發現攀西釩鈦磁鐵礦露天廢（棄）石集料混凝土配合比設計、配制及應用技術路線；配制的混凝土具有良好的長期性和耐久性，其收縮性能指標優于普通集料混凝土，利用該采礦棄石及選礦尾砂作砂石集料，無須采取特殊技術措施，可按普通混凝土配合比設計規程及相關規范配制出C10～C60 的普通混凝土，釩鈦磁鐵礦采選廢渣集料混凝土及其制品可用于一般建設工程。金屬礦山在長期開采生產過程中，礦山產生大量的廢石、尾礦，利用這些廢渣資源完全可替代天然砂石骨料。

2.4 棄巖渣在尾礦庫壩體堆筑中應用

2.4.1 昔格達易滑地層性質及處置

攀西地區最為常見的地層為新生代昔格達地層。昔格達地層形成于第三世紀上新世（N1）—第四紀下更新世（Q1）的湖相沉積物，主要由黏土層、粉細砂層呈韻律互層組成，是國內外極為典型的半成巖地層（N2X—Q1X）。昔格達地層在形成過程中時代新、成巖膠接作用差、巖層結構松、具崩解性和一定的膨脹性，工程特性差，是我國著名的易滑地層［6］。地層在飽水和受擾動條件易軟化和泥化，且暴露于空氣中易風化，工程力學性質急劇變差。據相關研究資料，昔格達地層臨塑荷載通常為300～500 kPa，極限荷載可達到1 000～1 500 kPa，作為工程持力層，地基承載力要綜合考慮膠結物質、節理裂隙、風化程度、受水條件等綜合因素［7］。地層物化工程特性見表2。

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由表2可以看出，地基巖土具有一定的抗壓強度和抗剪強度，壓縮性低、中等；粉質黏土屬弱微透水介質，因天然含水量較高，沒節理和裂隙的情況下，應該能成為隔水和保水層。但昔格達地層具有遇水軟化，強度降低明顯的特征，具有較強的崩解性和較差的水穩性，其黏土及亞黏土有遇水易軟化崩解、強度降低形成軟弱地基層的特性，是影響尾礦庫建設的最不利工程地質條件。

基于昔格達地層的物理力學特性，只要對昔格達地層采取不擾動、不破壞、不出露、不使水浸入等工程措施，其水平荷載條件仍滿足堆筑大型尾礦壩的要求。尾礦庫初期壩基落在易滑昔格達地層上層，即漂卵石或黏土巖層；壩基建設時全部采用剝離石料堆筑，形成極強透水通道，防止水大量下浸對昔格達地層的破壞，保持昔格達地層承載力在200 kPa以上；壩基施工前，摒棄全線開挖和爆破開挖方式，分段獨立與壩基堆筑同步施工，最大限度避免易滑地層被水浸泡，影響壩基持力層承載力。

2.4.2 應用方案

某二等尾礦庫設計初期壩（透水堆筑壩）體標高1 650 m 及壩體上游迎水面大于5 m 寬的部位填筑較好的堆石料，石料含土量不宜大于5%，石料粒徑小于2 cm 的應不大于5%，石料粒徑大于20 cm 的應占總量的60%～70%以上，最大粒徑不超過碾壓厚度，并盡可能減少大塊石料上壩，防止架空現象，石料的飽和抗壓強度不應小于30 MPa，軟化系數不低于0.75，碾壓后其堆石料的孔隙率小于35%，堆石干密度達到1.85 t/m3以上；壩體其余部位采用一般的廢石料，石料含土量不宜大于40%，上壩土石料須進行碾壓，壩體壓實度不小于0.95，壓實后干密度應達到1.7 t/m3以上，土石料宜盡可能以級配良好的土夾礫石為主。

壩體填筑過程中主要選用花崗巖、輝長巖、玄武巖作堆石料填筑區；黏土質砂礫石、漂礫巖則用于透水要求相對低的廢石料填筑區。筑壩石料含泥量、粒徑可用2次分選工藝控制，首先采場剝離的同時采用挖機、裝載機或推土機對石料含泥量作初步篩選，按含泥量小于5%和小于40%的石料分區堆放；石料運走之前再對石料進行二次分選，根據設計石料粒徑要求，配備2，20 cm 型號的圓滾篩，再根據一定比例混合二次分選石料，最終達到設計含泥量及粒徑的控制要求。

筑壩石料含泥量、粒徑可用2 次分選工藝控制，首先采場剝離的同時采用挖機、裝載機或推土機對石料含泥量作初步篩選，按含泥量小于5%和小于40%的石料分區堆放；石料運走之前再對石料進行二次分選，根據設計石料粒徑要求，配備2，20 cm 型號的圓滾篩，再根據一定比例混合二次分選石料，最終達到設計含泥量及粒徑的控制要求。

3 結 論

（1）釩鈦磁鐵礦創新開發利用新技術流程整合了現有的低品位礦綜合利用、高壓輥磨超細碎、釩鈦礦脫磁、選鐵尾礦回收鈦鐵礦方法、全粒級鈦鐵礦浮選、礦漿濃縮分級等專有技術成果資源，并將其融入“釩鈦磁鐵礦三段閉路破碎+階磨階選”傳統流程，形成了更高效的釩鈦資源創新開發利用新技術流程，入選礦石地質品位從資源開發利用方案中30%降低至23%，利于在露天采場內高效開采并配礦入選。

（2）有效利用剝離表層土覆蓋進行復墾及現代農業種植，破解了短期無處借土覆土綠化復墾的制約，為快速復墾和礦區生態恢復與保護治理奠定了堅實基礎，為持續綠色礦山建設規劃落實創造條件。

（3）根據采場剝離棄渣固有特性和堆筑壓實后優異的飽和性能和耐崩解性，資源化利用并外銷剝離棄巖渣作為工程填筑料，拓寬礦山企業供給側深化改革思路，助降礦產品成本，提升企業核心競爭力。

（4）攀西釩鈦磁鐵礦采礦棄石及選礦尾砂可以用作普通混凝土砂石集料，其性能可達到建設用砂石的質量要求，利用采礦棄石及選礦尾砂作砂石集料，無須采取特殊技術措施，配制的混凝土具有良好的長期性和耐久性，其收縮性能指標優于普通集料混凝土。

（5）剝離棄巖渣應用于尾礦庫壩體堆筑物料，可保障建設工程順利推進，緩解露天采場擴建剝離棄巖渣無處安全堆存的困境，能強力支持防范長江源頭水土流失。