甘肅某鐵尾礦工藝礦物學與綜合利用途徑研究*

李華坦 趙海波 趙琳興 歐立鵬 祁堯剛 李得忠

（1.中國地質調查局西寧自然資源綜合調查中心；2.青海大學土木水利學院）

尾礦是礦石經分選提取有用礦物或有用成分后排出的固體廢棄物，是礦石加工、利用過程中產生的有價成分含量較低的部分，是礦山固體廢棄物的重要組成部分［1-2］。尾礦的積存不僅會對堆存地及其周邊的植被、土地、水源等生態環境造成破壞，同時，尾礦庫的崩塌、泥石流等地質災害事故還會給庫區下游帶來重大損失甚至災難［3］。

隨著科技的進步，人們對尾礦的認識正在發生變化。大量的研究表明，尾礦是一類“放錯位置的資源”，其綜合利用已經受到廣大學者的關注，世界各國對尾礦資源的態度已逐漸由消極處理向積極利用轉變［4］。以鐵尾礦為例，目前的綜合利用，除對有二次回收價值的鐵及伴生硫、鈷、鎳和稀土等成分進行回收，還利用鐵尾礦的化學成分和礦物組成與水泥、砂石、燒結磚等多種建材成分較相似的特點，進行低成本的建材化利用，從而實現大宗消納［5］。

甘肅省白銀市是我國著名的礦冶生產基地，數十年來，區域內堆存的大量有色和黑色金屬礦尾礦引發的生態環境問題較嚴重［6-11］。在全國倡導開展綠色礦山和生態文明建設的今天，對尾礦資源開展詳細的礦物學特性研究，是實現其高效、低成本綜合利用的前提。本研究將以該市某尾礦庫內鐵尾礦為對象，以樣品的礦物組成、主要礦物的粒度分布及嵌布特征等工藝礦物學特性研究成果為依據，開展綜合利用研究。

1 尾礦庫基本情況與樣品采集

現場尾礦庫屬四等庫，庫南北長1.9 km、東西寬1.4 km，占地2.75 km2，庫容2 027萬m3，壩頂與壩底相對高差17.5 m，壩長245 m，壩頂寬8.0 m，分四級邊坡，每級平臺寬3.5～5.0 m，坡面全部用碎石壓蓋。庫內堆存尾礦約5 000萬t，尾礦砂密度為2.82 t/m3。

根據尾礦庫實地調查情況，通過鉆孔取樣方式獲得該尾礦綜合樣1件，作為本研究的對象。

2 樣品的工藝礦物學研究

2.1 粒度組成

樣品粒度組成見表1。

從表1 可以看出，樣品粒度較粗，+0.074 mm 占40.76%。

2.2 礦物組成

樣品的礦物組成見表2。

從表2 可以看出，樣品中的主要礦物為石英，含量高達59.49%；其次是綠泥石、黃鐵礦、絹云母、褐鐵礦，含量分別為12.72%、9.25%、5.93%和5.89%；其余礦物含量均較低。

該尾礦樣品中有2 種敏感礦物：其一是黃鐵礦，黃鐵礦易發生氧化反應，在雨水的淋濾作用下會形成酸性廢水，處理不當將對當地的生態環境造成較大的危害［12］；其二是云母礦物，在將該尾礦作為混凝土原料使用時，由于云母礦物的大量存在，會導致混凝土拌和物的和易性、混凝土強度、耐久性等指標顯著降低［13］。因此，該鐵尾礦的綜合利用過程中必須關注這2 種礦物。從這2 種礦物的特性看，浮選是剔除這2種礦物的有效手段。

2.3 主要礦物的粒度組成及單體解離度

2.3.1 粒度組成

樣品中石英、黃鐵礦和褐鐵礦的粒度組成見圖1。

從圖1 可以看出，石英的粒度較黃鐵礦、褐鐵礦粗，其次是黃鐵礦，褐鐵礦的粒度明顯較細；黃鐵礦的粒度較粗有利于浮選回收脫硫，褐鐵礦的粒度較細不利于回收利用。

2.3.2 單體解離度

樣品中石英、黃鐵礦和褐鐵礦的單體解離度見表3。

從表3 可以看出，黃鐵礦的單體解離度最高，為90.31%；石英次之，為87.48%；褐鐵礦的單體解離度較低，僅為58.30%。黃鐵礦較高的單體解離度有利于浮選回收；褐鐵礦較低的單體解離度不利于回收。

2.4 主要礦物的嵌布特征

（1）黃鐵礦。電子能譜分析表明，黃鐵礦的純度較高，主要組成成分為鐵和硫。黃鐵礦多呈不規則島狀晶形（圖2）；粒度較粗（圖3），多在75 μm 左右；單體解離程度較高（圖4），未單體解離的黃鐵礦多與石英等礦物連體（圖5），綜合利用潛力較大。

（2）褐鐵礦。電子能譜分析表明，褐鐵礦的主要成分是鐵，硫、硅少量。褐鐵礦可分為2類，一類多為不規則狀晶形（圖6），粒度較粗，多已單體解離（圖7），部分內部具有多孔狀結構；另一類多為葡萄狀集合體（圖8），粒度較粗，多與黃鐵礦等礦物連生（圖9），推測是黃鐵礦的氧化產物。大部分褐鐵礦已單體解離，可回收性需試驗確定。

（3）其他金屬礦物。樣品中除了主要金屬礦物黃鐵礦、褐鐵礦，尚有少量方鉛礦（圖10）、黃銅礦（圖11）、硫砷銅礦（圖12）等金屬礦物，這些金屬礦物粒度普遍較細，多與黃鐵礦連生，因此，在浮選回收黃鐵礦時可有效同步浮出，從而降低尾礦主體硫、鉛、砷等有害成分含量，對生態環境保護起到積極的作用。

（4）主要非金屬礦物。石英多呈他形粒狀晶形（圖13），粒度較粗（圖14），多已單體解離，是該資源中綜合利用價值較大的礦物。綠泥石作為黏土礦物，粒度微細，多以集合體形式存在（圖15）。樣品中還有少量絹云母，多以集合體形式存在（圖16）。

3 尾礦資源的綜合利用探究

3.1 黃鐵礦的回收

黃鐵礦回收的原則流程：粗粒嵌布的黃鐵礦一般采用單一重選法回收；嵌布粒度較細的變質型、熱液型及后期接觸交代型黃鐵礦一般采用單一浮選法回收；嵌布粒度粗細不均勻的黃鐵礦一般采用重-浮聯合法回收［14］。張超達等［15］為回收某鐵尾礦（含硫7.40%、含鐵17.91%）中的硫和鐵，采用重選預先拋尾、重選粗精礦再磨浮硫、浮硫尾礦磁選回收鐵的工藝流程，獲得了硫品位42.20%、回收率91.93%的硫精礦，鐵品位61.42%、回收率30.42%的鐵精礦，極大地提高了尾礦資源的利用效率。李茂林等［16］使用旋流器處理浮選獲得的黃鐵礦粗精礦，在合適工藝參數條件下，旋流器沉砂硫品位達46.5%以上，可作為制備硫酸的原料；旋流器溢流經1粗1精浮選流程處理，可獲得硫品位大于47%的細粒精礦，該工藝流程具有高效、穩定、生產成本低等優點。冉銀華等［17］利用浮選—磁選—再磨—浮選聯合流程處理某以磁黃鐵礦為主的硫鐵尾礦，最終硫精礦硫回收率達93.74%，鐵精礦含鐵63.88%、含硫1.66%、鐵回收率23.29%。

基于上述研究與實踐，并結合研究對象中黃鐵礦嵌布粒度較細且粗細不均、堆放時間較長的特點，建議采用重選工藝預富集黃鐵礦，再采用浮選工藝精選，獲得黃鐵礦精礦，實現資源中硫、鐵的綜合回收利用。

3.2 建材化利用

（1）作為水泥摻合料。鐵尾礦一般含鐵豐富，可部分或全部代替水泥生產原料之一的鐵粉，在水泥生產中可作為礦化劑和鐵源使用［18］，不僅在簡化生料配方、節約能耗等方面發揮著積極的作用，同時還有利于消納尾礦、保護環境，一舉多得［19］。徐迅等［20］利用含硫鐵尾礦生產硅酸鹽水泥熟料，并將有害成分硫固化在水泥中，生產中摻入3%的尾礦，通過1 000 ℃左右的煅燒得到水泥熟料，制作的水泥砂漿早期強度較高，后期強度增長穩定，且固硫效果好。羅力等［21］以鐵尾礦、石灰石等為原料制備硅酸鹽水泥熟料，在1 350 ℃燒結過程中，f-CaO（游離氧化鈣）含量迅速降低，C3S（硅酸三鈣）大量生成，制備的水泥強度等級滿足相關要求，表明該鐵尾礦可作為制備硅酸鹽水泥熟料的原料。鄭永超等［22］在制備貝利特硫鋁酸鹽水泥的研究中發現，鐵尾礦、礬土等生料在合適配比條件下，通過1 350 ℃煅燒，可制備出礦物成分以C4A3S（無水硫鋁酸鈣）、C2S（硅酸二鈣）、C4AF（鐵鋁酸四鈣）為主，f-CaO含量小于1.5%的鐵尾礦貝利特硫鋁酸鹽水泥熟料，制備的水泥膠砂均達到較高的抗壓強度。

（2）作為燒結建材原料。鐵尾礦中一般含有一定量的黏土礦物，因此，利用鐵尾礦等固體廢棄物制備建筑用磚將是未來建筑用磚的一大發展方向［23-24］，在當前生態保護和禁止使用黏土制磚的政策背景下，國內許多學者對于鐵尾礦制磚的可行性與效果進行了研究評價。陳永亮等［25］以鄂西某赤鐵礦尾礦為主要原料制備燒結磚，結果表明，在原料最佳配比和燒結溫度下，制備的輕質保溫墻體材料的體積密度為1.229 g/cm3、抗壓強度為7.6 MPa、顯氣孔率為45.54%、導熱系數為0.293 W/（m·K），且該燒結材料內部晶體發育完善，玻璃相含量和顯氣孔率適中，具備良好的綜合性能。周偉倫等［26］開展了以鐵尾礦、粉煤灰等為原料制備燒結磚的研究，結果表明，在理想工藝技術條件下，燒結磚的抗壓強度達124 MPa、吸水率為4.6%，且燒結磚的Cu、Pb、Zn 等重金屬浸出濃度均低于標準閾值。李潤豐等［27］以北京密云地區某鐵尾礦為原料，采用水基料漿泡沫注凝成形—無壓燒結工藝研究了燒結溫度對多孔陶瓷產品孔隙率、密度、物相組成、抗壓強度、顯微結構和孔徑分布的影響，為該鐵礦的資源化利用奠定了基礎。

分析前人關于鐵尾礦制備建筑材料的研究成果，認為現場鐵尾礦作為建材原料具有良好的應用潛力，具體應用工藝及應用效果將通過后續試驗研究確定，為該鐵尾礦的大宗資源化利用提供依據。

4 結論

（1）甘肅某鐵尾礦中的主要礦物為石英，其次是綠泥石、黃鐵礦和褐鐵礦，分別占59.49%、12.72%、9.25%和5.89%。黃鐵礦粒度較粗，單體解離度較高，可考慮進行回收利用，褐鐵礦粒度較細，單體解離度較低，回收利用困難。

（2）分析該鐵尾礦的工藝礦物學特性，并參考前人的研究成果，提出了重選-浮選聯合工藝回收黃鐵礦，回收后的尾砂作為建材原料進行大規模消納的綜合利用思路。

（3）該鐵尾礦作為建材原料的具體應用工藝及效果將通過后續試驗研究確定。