尾礦綜合利用研究進展及工程實踐

施燦海，劉明生，程立家，藍 蓉

（昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650231）

0 引 言

大宗工業固體廢物是指我國各工業領域生產活動中年產生量在1 000萬t以上、對環境和安全影響較大的固體廢物，主要包括尾礦、煤矸石、粉煤灰、冶煉渣、工業副產石膏、赤泥和電石渣等[1]。大宗工業固體廢物具有的共性環境問題為大量原礦開采導致源頭生態破壞、大量不規范堆存造成場地污染。而且一旦發生場地污染，其表現出的隱蔽性、長期性、復雜性都增加了未來修復的難度和成本[2]。尾礦作為一種特殊的大宗工業固體廢物，其堆存量逐年增加。根據中國礦業聯合會統計數據，2015—2020年，我國尾礦堆存量分別為146億t、168億t、195億t、207億t、220億t、231億t。

金屬尾礦產生量巨大，可占到我國工業固體廢物產生總量的一半以上。金屬尾礦主要包括黑色金屬尾礦、有色金屬尾礦和稀貴金屬尾礦，其中，有色金屬尾礦主要包括銅尾礦、鉛鋅尾礦、鎳尾礦、錫尾礦等。有色金屬尾礦含有多種殘余有色金屬，并包括硫化物，石英、長石、云母等氧化礦物和硅酸鹽類礦物。對于周邊環境來說，有色金屬尾礦大都是潛在的重金屬污染源，砷、鉛污染控制難度大。大部分有色金屬尾礦由于含有較多的硫化礦物，也是礦山酸性廢水的潛在發生源[3]。

近十年來，諸多學者和礦山企業對尾礦綜合利用開展了大量的研究和實踐[4-8]，但我國尾礦綜合利用率仍處于低于30%的水平[9]，約70%的尾礦未得到有效利用[10]。因此，通過分析全國和云南省尾礦庫相關數據，進一步梳理尾礦產生量、綜合利用情況及典型經驗，為尾礦綜合利用提供指導和借鑒。

1 重點省份尾礦庫情況

2021年，我國共有尾礦庫7 000余座，總量仍居世界第一位。尾礦庫數量居全國前10位的省份分別為河北省、遼寧省、內蒙古自治區、云南省、湖南省、河南省、山西省、陜西省、廣西壯族自治區、四川省（圖1），合計占比約65%。

圖1 2021年全國部分重點省份尾礦庫數量Fig.1 Number of tailings ponds in some key provinces in China in 2021

在我國7 000余座尾礦庫中有“頭頂庫”（系指下游1 km〈含〉距離內有居民或重要設施的尾礦庫）1 112座，“頭頂庫”因數量多、安全基礎薄弱，易引發生產安全事故，受到各級應急部門和礦山企業的高度重視。與此同時，尾礦對生態環境的影響也是尾礦堆存面臨的主要矛盾之一。我國長江流域共有尾礦庫1 641座，其中1 618座已完成污染治理，完成率98.60%。長江流域上游干流尾礦庫主要分布于云貴川地區，如攀枝花市（金沙江）共有38座，以黑色金屬尾礦、有色金屬尾礦為主；長江流域中下游尾礦庫主要分布于湖北省、安徽省等地，如安徽省馬鞍山市共有12座；長江支流尾礦庫主要分布于陜南地區，以商洛市、漢中市、安康市為主，數量分別為134座、71座、40座。長江流域尾礦庫存在的問題主要有以下方面。①歷史堆存量大，區域跨度大，經濟發展不均衡。長江流域在用尾礦庫主要集中于經濟欠發達地區，地區經濟結構對資源依賴性顯著，地區尾礦綜合利用壓力大。②尾礦長期堆存，安全風險和環境風險并存。長江中上游及支流部分尾礦庫分布于沿江不足3 km范圍內，部分停用時間超三年且未做相關閉庫措施，安全風險和生態污染風險長期存在。以云南省為例，2020—2022年尾礦庫數量分別為588座、523座和489座，總體上呈遞減趨勢，但總量仍接近500座，堆存尾礦種類主要有鉛鋅尾礦、銅尾礦、鐵尾礦、鈦尾礦和錫尾礦五種（圖2）。

圖2 2020—2022年云南省不同類型金屬尾礦庫數量Fig.2 Number of different types of metal tailings ponds in Yunnan Province from 2020 to 2022

2 尾礦產生量情況

隨著經濟的發展、浮選技術的提升及有色金屬需求的增加，我國礦石處理量處于快速增長階段。2011—2021年，我國尾礦的產生量始終圍繞15（±3）億t波動（圖3）。2018年供給側改革初顯成效，大量小礦山關停，尾礦產生量出現最大降幅，而后逐年回升。2021年，受全球貨幣政策寬松、金屬工業品需求旺盛及新冠肺炎疫情等因素影響，工業品價格全年處于高位運行，高利潤是礦山保持高效生產的核心驅動力，因此，各類尾礦產生量均出現普遍性增長。

圖3 2011—2021年我國尾礦綜合利用情況Fig.3 Comprehensive utilization of tailings in China from 2011 to 2021

2021年，我國尾礦總產生量14.19億t，同比增長9.58%[11]。其中，鐵尾礦產生量約6.11億t，占比43.06%；銅尾礦產生量約3.92億t，占比27.63%；黃金尾礦產生量約1.61億t，占比11.35%；其他金屬尾礦產生量約1.35億t，占比9.50%；非金屬尾礦產生量約1.20億t，占比8.46%。

3 尾礦綜合利用情況

3.1 綜合利用研究進展

尾礦綜合利用研究關注點為尾礦作為二次資源再選和尾礦的整體利用[12]。比如從鎢鉬尾礦中綜合回收鎢、鉬、鉍、銅、鋅，從多金屬硫化尾礦中綜合回收絹云母、鐵、硫、鉛、鋅、銀、銻[13]；整體利用包含尾礦制建筑材料、尾礦代替水泥鐵質校正材料等[14]。尾礦綜合利用研究主要涉及鐵尾礦、石棉尾礦、含鈮尾礦、鉬尾礦、銅尾礦、鎢尾礦、磷尾礦、黃金尾礦、稀土尾礦、錫尾礦、釩鈦磁鐵礦尾礦、菱鎂礦尾礦等[15-27]，其中，值得重點關注的研究成果有石棉尾礦制備高純超細氫氧化鎂和高純超細高比表面積白炭黑是一種技術上可行、經濟效益明顯的路線[28]；鉬尾礦合成制造金云母、玻璃、混凝土小型空心砌磚等建筑材料；鉬尾礦還可以用作農業肥料。綜合分析，尾礦綜合利用途徑集中于有價元素回收、建筑材料、充填、復墾等方面。

但上述綜合利用途徑均存在一定問題，如從尾礦中提取有價元素，多為選礦工藝相對落后的歷史堆積尾礦；尾礦建材化雖有一定進展，但受到環境安全、工藝穩定性和產業化等因素制約，未得到持續性的發展；尾礦制作農用肥料和主流的肥料生產企業相比，整體效益不足以支撐該模式下的投入。這些問題也是導致在國家政策層面大力支持尾礦固廢資源化，但利用率僅為30%左右的主要原因。

在區域尾礦資源綜合利用方面，鈦尾礦、鐵尾礦利用潛力較大。其中，鈦尾礦因采礦工藝為地表水采，且選礦工藝多為磁選和重選，其尾礦為土壤顆粒的水力沉積，因此，鈦尾礦土壤化具有較大的市場前景。銅尾礦、鉛鋅尾礦、黃金尾礦的規模化利用仍然面臨較大的挑戰，究其原因，與礦石的成礦機理和選礦工藝有直接關系。礦石選別過程中工藝選擇、藥劑的添加成分及比例直接影響固體廢物屬性，從而間接影響規模化固體廢物綜合利用。

近年來，從單純的尾礦作為充填材料、路基材料等砂石材料利用模式，逐步轉化成大量利用尾礦中的高含量元素Ca、Mg和主要元素Si、Al制備輕質、隔熱、耐火等多功能高附加值材料利用模式[29]。河南省嵩縣柿樹底金礦在尾礦綜合利用方面取得了實質進展，建成充填系統，將浮選尾礦振動篩分，中細粒徑尾砂用于井下采空區充填，粗粒徑尾砂脫水后，可作為建筑石料對外銷售，將“廢品”變成資源，實現了生態效益和經濟效益相統一[30]。

綜上所述，尾礦綜合利用規模化、無害化既是整個產業中的難點，也是科技進步和技術應用的痛點。

3.2 利用量及利用方向

根據工業固廢網[31]統計數據，2021年我國尾礦綜合利用量達到5.00億t，利用率達到35.24%，同比增長了3.47%（圖3）。目前，尾礦綜合利用的方式有有價組分回收、礦山井下充填、生產建筑用砂、輕質砌塊和條板、路基墊層料、礦山植被復墾、填海造地等途徑。綜合利用占比最大的方式是尾礦洗砂和尾礦充填，占比約為84.5%[32]。

1）建筑材料。尾礦中含有Si、Al等元素，將尾礦用作建材原料可以減少傳統建筑材料開發，實現尾礦的大宗消納，產生一定的經濟效益和社會效益。目前，在建筑材料方面，尾礦主要應用于分選機制砂、生產加氣塊、加氣條板、免燒磚、透水磚、干混預拌砂漿、特種砂漿、混凝土摻合料、微晶玻璃、發泡陶瓷、陶粒輕骨料及路基等領域。

2）尾礦充填。尾礦充填可以大量消納尾礦，是極其有效的尾礦減量化利用技術之一[33]。礦山的充填經歷了干式充填、水力充填、膠結充填以及膏體充填等階段。近年來，隨著新一輪找礦戰略突破行動，以及礦業作為國民經濟基礎產業的作用日益突出，礦石價格回升和技術發展同時促進了充填采礦技術的迅速發展，其中具有代表性的是全尾砂膠結充填技術和高水固結全尾砂充填技術，近年來新建的礦山多采取充填采礦技術進行開采，真正實現了“無尾礦山”。

3）二次分選及有價組分回收。由于特定時期工藝和設備等原因，選礦后排出的尾礦仍有多種共伴生有價組分未被完全提取與回收，目前主要集中于鐵、銅、金、銀、鈦等有價金屬和云母、石英等非金屬礦物的回收方面，提取方法主要有磁選、浮選、反浮法、重選耦合等多種選礦法。

4）農業領域。目前，尾礦用于農業領域主要有三個方向：一是利用尾礦中含有的Zn、Mn、Cu、Mo、P等植物生長必備微量元素，經處理將其制成化肥，以達到提高土壤肥力的作用；二是土壤改良劑，尾礦中的有效組分與土壤有害物質反應，達到以廢制廢、修復土壤環境的目的；三是采用微生物法或者生物法進行尾礦庫復墾。

3.3 存在問題及解決途徑

1）存在問題。我國尾礦處理目前存在的主要問題有：①歷史存量尾礦量大，占用大量的土地；②尾礦堆存存在潰壩和污染生態環境的風險；③尾礦入庫堆存仍然是新增尾礦的主要處置方式。

2）現有技術。尾礦處置以尾礦庫堆存及綜合利用為主。專利的申請和授權能夠有效展示研究熱度及技術前沿，尾礦綜合利用相關專利申請及授權情況如圖4所示。

圖4 2021年尾礦綜合利用相關專利申請與授權情況Fig.4 Patent applications and authorizations related to comprehensive utilization of tailings in 2021

從專利授權領域看，尾礦專利授權集中在尾礦充填、尾礦制備建材、有價組分回收、農業等領域，其中，尾礦充填方向占比42%，尾礦制備建材方向占比33%，有價組分回收占比19%，農業領域占比3%，其他領域占比3%（圖5）。

圖5 2021年尾礦綜合利用相關授權專利涉及主要領域Fig.5 Main areas covered by authorized patents related to comprehensive utilization of tailings in 2021

從申請人看，2021年昆明理工大學獲得尾礦綜合利用相關專利授權18件，主要集中在尾礦協同脫硫、鈍化重金屬、有價組分提取及尾礦制備建材等方向；其次為鞍鋼集團礦業有限公司，獲得相關專利授權4項，主要集中在尾礦制備吸附劑和絮凝劑方向。

技術標準的制定與實施體現相關技術的成熟度。現行尾礦綜合利用相關標準21項，其中，推薦性國家標準3項、行業標準8項（黑色冶金方向7項，建材方向1項）、地方標準10項（河北省4項，江西省2項，青海省、安徽省、福建省、吉林省各1項）。現行標準主要集中在用于水泥、混凝土中的摻合料，礦山修復及治理，制備燒結磚及加氣混凝土砌塊方面。

3）解決途徑。區域尾礦資源處置的建議：①采用原位封存及植被生態恢復技術實施尾礦庫生態閉庫，使其與周邊自然環境融為一體；②研發“安全+生態”集成技術，突破應急主管部門或生態主管部門單向管控尾礦庫的現狀；③尾礦實現資源處置的關鍵在于選礦環節產生尾礦的減量化。

3.4 重點技術及應用案例

結合工作實踐，部分項目成功實施并取得了較為突出的生態效益、社會效益和經濟效益。本文主要介紹兩種重點技術及應用情況。

3.4.1 磷石膏回采技術

為解決某歷史遺留磷礦區生態修復充填材料來源困難的問題，由多家企業、高校合作成立了新型礦山生態修復充填材料專項研發團隊，針對采用磷石膏作為主要原料生產礦山生態修復充填材料進行了研究與開發，所得磷石膏基新型生態修復材料能夠滿足礦坑充填材料各項相關指標要求。該技術的合理推廣，可以解決流域遺留礦坑修復材料短缺的問題，推進流域生態修復工作，改善流域生態環境質量現狀。

1）回采方式：露天開采。

2）回采范圍：結合《磷石膏庫安全技術規程》（AQ 2059—2016）要求及工程實際，壩前150.0 m范圍作為禁采區，不考慮回采。回采分為南區和北區，交替實施。

3）回采工藝：南區、北區回采時，總體由庫尾向壩前方向進行。放礦時，將放礦管設置在壩體上，由壩前向尾部進行放礦。南區和北區回采工藝相同，僅分區內帶寬南區為40.0 m，北區為60.0 m。

4）產品方案：回采出的磷石膏作為磷石膏基新型生態修復材料的原材料，磷石膏基新型生態修復材料作為礦區生態修復示范項目的充填材料使用。

5）生產能力：磷石膏的生產（回采）能力為240.0萬m3/a。

6）實施總結：磷礦生態修復區域由4個礦坑組成，生態修復面積102.66 hm2。4個礦坑進行相應的地表清理、防滲處理后采用磷石膏基生態修復材料進行回填，回填后表面做阻隔防滲處理，覆土并恢復為農用地及林地。磷石膏的回采意義在于減少固廢堆存量、降低安全風險，同時可有效解決區域（流域）歷史遺留礦山邊坡垮塌、滑坡等地質災害，景觀損毀區域的植被生態恢復等，突出緩減了企業固廢處置場的建設成本，尤其是在當前基本農田、公益林等用地審批難度大的背景下。與此同時，也能積極推進當地政府落實歷史遺留礦山生態修復工作。因此，該案例應用場景為廢棄礦山治理下的固廢規模化處理提供了新的途徑。

3.4.2 高濃度細粒級全尾砂充填技術

1）技術簡介。高濃度細粒級全尾砂充填技術已列入金屬尾礦綜合利用先進實用技術目錄[34]，采用特殊的立式砂倉脫水，可將極細粒級全尾砂（-20 μm全尾砂約占40%）直接制備成高濃度（74%以上）砂漿，并聯合深井開采全尾砂高濃度充填料漿自流管輸降壓技術及采場泄水技術，實現立式砂倉流態化全尾砂高濃度連續充填，解決深部高大采場嗣后充填問題。

尾砂充填和排放工藝中的關鍵設備是新型高效全尾砂濃縮貯存裝置。結合傳統的立式砂倉，通過合理的活化設施布置，將選礦廠全尾砂直接泵入尾砂濃縮貯存裝置，經高效沉淀、澄清脫水，采用高壓水/氣活化尾砂等流程，直接制備出高濃度全尾砂料漿或膏體，用于充填或者干式堆放。低成本、穩定、高濃度的尾砂脫水和給料是保障尾砂充填及排放工藝正常生產的關鍵。

該技術通過合理的噴咀設施造漿技術，以及噴咀布置，將選礦廠全尾砂直接泵（注）入砂倉，經高效沉淀、澄清脫水，采用高壓水/氣活化尾砂，直接制備出高濃度全尾砂料漿或膏體，全部用于充填。

2）應用案例及推廣前景。尾礦空區膏體充填機安全無害處理技術領域的革新和開發，從源頭解決尾礦、煤矸石造成的一系列環保問題和安全問題，自主研發充填工業泵、膏體濃密機、礦用混凝土泵、礦用濕噴機、礦用清倉機等高端環保裝備，已完成的或在建的項目有云南金沙公司因民銅礦、云南保山核桃坪鉛鋅礦、新疆阿希金礦、貴州開陽磷礦、安徽銅陵有色冬瓜山銅礦等。

高濃度細粒級全尾砂充填技術能提高礦山的資源利用率，是充分利用尾礦資源發展節地、節能、節材、環保的直接有效途徑。該項技術經濟效益和社會效益顯著，擁有廣闊的推廣應用前景。

3）實施總結：全尾砂充填的意義在于實現“無尾”礦山，推進無廢“礦山”建設，同時可以有效解決礦山地下開采的采空區治理，均已得到國家、行業、企業的認可。與此同時，將井下充填技術延伸至露天采坑尾礦固結充填領域是行業新技術研發的方向之一。

4 結論及展望

1）綜合分析，尾礦的綜合利用途徑主要為回收有價組分、研發建筑材料或回填料，多功能高附加值材料利用模式也得到了關注和實踐。近年來，云南省在尾礦、磷石膏回采工程中，結合歷史遺留廢棄露天采坑的治理和回填，既解決了歷史遺留廢棄礦山的治理問題，同時又消耗了部分大宗工業固體廢物，但是相比總體工業固體廢物存量，占比仍舊很小。

2）尾礦井下充填為國家鼓勵的新技術，已得到了廣泛應用。工程實踐中仍存在建設成本高、推廣程度不足等問題。在此基礎上，進一步從政策導向和技術開發的角度，研發露天采坑閉坑或政策原因退出（停產）的固體廢物充填技術。

3）對于尾礦綜合利用的研究方向，今后應重點關注以下方面：①尾礦的化學改性技術，使其改性后能夠穩定滿足工程和環保的要求，更多地應用于實際工程；②尾礦中超標因子采用植物或者微生物的方式控制，并使其轉變為土，尾礦成土后將成為一種高價值資源。

4）尾礦綜合利用后的場地生態環境不容樂觀，因此，現有尾礦庫完成回采后的場地污染防控也需要引起重視。