綠色礦山尾砂綜合利用技術研究

摘要：四川某鉛鋅礦為建成無尾礦排放綠色礦山，將尾礦無害化處理，對其進行尾礦綜合全利用研究。通過踏勘調研礦山技術條件，試驗分析尾礦特性，擬定了全尾砂充填和分級細尾砂充填（粗尾砂建材化處理）2個方案。由于礦物磨礦碎脹性影響，采礦產生的采空區空間不能滿足充填處置全部尾砂的需求，確定將全尾砂進行分級處理，分級界線74 μm，粗粒級尾砂產率39.5 %，以粗粒級尾砂脫水作為建筑用砂物料，細粒級尾砂濃密脫水作為充填骨料，從而實現尾礦零排放。根據細粒級尾砂特性，優選膏體倉儲濃密機進行高效濃密脫水，并采用附近水泥廠的膠固粉進行分級細尾砂膠結充填。對2 種利用方案進行經濟成本分析可知，分級細尾砂充填每天可節省3 422.1元，效果顯著。該研究成果可為類似礦山建設無尾綠色礦山提供借鑒。

關鍵詞：綠色礦山；膏體；尾礦；綜合利用；充填；建材化利用；經濟效益

中圖分類號：TD926.4 文章編號：1001-1277（2024）09-0008-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240902

引 言

四川某鉛鋅礦選礦廠產生的尾礦全部進入尾礦庫，經過多年采選，尾礦庫庫容即將消耗殆盡，而申請新建尾礦庫的條件苛刻、流程困難，同時也增加了礦山投資。日后產生的尾礦如何處置成為該礦山亟須解決的問題。在目前的技術條件下，將尾礦制備成充填料漿輸送至井下充填采空區是大量消耗尾礦的途徑之一。

就選礦廠產出的尾砂而言，尾砂充填包括全尾砂充填、分級粗尾砂充填和分級細尾砂充填［1］。全尾砂充填是將選礦廠產出的全粒級尾砂制備成充填料漿充填到井下采空區，形成的充填體性能較好，但是由于礦石經破碎后的碎脹性，其尾砂消耗率只有40 %～50 %，剩余全尾砂將排進尾礦庫；分級粗尾砂充填是將經過旋流器分級后的粗尾砂用來充填，分級后的細尾砂排放尾礦庫，分級粗尾砂形成的充填體性能最好，但是尾礦庫采用分級細尾砂筑壩，會增加尾礦庫安全風險；分級細尾砂充填是將經過旋流器分級后的細尾砂用來充填采空區，分級后的粗尾砂進行建材化利用，如制磚、建筑用砂等，但分級細尾砂難以濃密和固化是該方法面臨的問題。

通過上述分析可知，分級細尾砂充填是目前實現礦山無尾排放的最優途徑，同時在近幾年的充填技術革新下，科研工作者和工程技術人員已經突破了分級細尾砂充填所面臨的技術難題，包括通過研發高效濃密設備和新型膠凝材料，既能將分級細尾砂漿濃密到較高濃度，又能實現對分級細尾砂經濟有效固結［2-3］。因此，本文根據四川某鉛鋅礦的尾砂特性和周邊條件，針對該礦山尾砂開展充填試驗研究，提出適合該鉛鋅礦的尾砂綜合利用方案。

1 尾砂綜合利用方案

1.1 尾砂性質分析

對全尾砂進行物理化學性質分析，全尾砂真密度為2.83 g/cm3，-74 μm粒級占比39.3 %，-35 μm粒級占比26.5 %，-19 μm粒級占比19.8 %，平均粒徑為130.4 μm。根據國內礦山充填常用的尾砂分類方法，若-19 μm粒級占比小于20 %，或者平均粒徑大于74 μm的尾砂屬于粗粒級尾砂［4］。利用德國BRUKER S1 TITAN MODEL 600光譜儀對全尾砂化學成分進行分析，結果如表1所示。由表1可知：該尾砂主要化學成分為CaO、SiO2和MgO。

1.2 尾砂消耗量計算

礦山日采選能力為400 t，礦石密度為3 t/m3。

1）井下日平均產生采空區體積為：

QR=Ad/ρk（1）

式中：QR為井下日平均產生采空區體積（m3/d）；Ad為礦山日采選能力（t/d）；ρk為礦石密度（t/m3）。

經計算：井下日平均產生采空區體積為133.33 m3。

2）礦山日平均充填量為：

Qd=ZK1K2QR（2）

式中：Qd為礦山日平均充填量（m3/d）；Z為采充比，取1；K1為充填體沉縮率，取1.1；K2為充填料漿流失系數，取1.05。

經計算：礦山日平均充填量為154 m3。當充填不均衡系數取1.3時［5］，礦山日最大充填量為200.2 m3。

3）尾砂選充平衡。

選礦廠每日礦石處理量為400 t，尾砂產率70 %，當礦山采選完全達到設計能力時每日可產生尾砂約280 t。不同工況尾砂消耗計算結果如表2所示。由表2可知，礦山每天充填可以消耗的全尾砂量為210 t，則每天有70 t全尾砂需要處理。

1.3 綜合利用方案

若采用全尾砂充填，礦山每天有四分之一的尾砂仍待處置。因此，本次尾砂綜合利用方案設計采用以74 μm粒級為界線的分級細尾砂進行充填，同時對分級后的粗尾砂進行建材化利用。

由試驗得出，分級細尾砂的充填質量濃度為66 %～68 %。由表2可知：當礦山采用分級細尾砂進行充填時，礦山每天充填可以消耗的尾砂量為158 t，每天將有122 t分級粗尾砂需要處理。水力旋流器的分級效率一般為70 %，那么水力旋流器針對該礦山全尾砂的分級比例為39.5 %，其與全尾砂-74 μm粒級占比基本吻合［6-7］。因此，針對該礦山“細尾砂充填，粗尾砂外售”的尾砂綜合利用方案在理論上是可行的。

2 尾砂充填配比試驗

為進一步驗證該礦山“細尾砂充填，粗尾砂外售”的尾砂綜合利用方案在實際上是可行的，以該礦山74 μm粒級以下的分級細尾砂為研究對象，開展充填強度配比試驗。

本次試驗考慮該礦山暫時沒有充填站，根據充填料漿流動性試驗設計泵壓輸送和自流輸送2種方式，供礦山選擇，因此充填質量濃度設計66 %和68 % 2個水平。本次試驗采用礦山附近水泥廠的膠固粉作為膠凝材料，分級細尾砂作為骨料，配比試驗各因素及水平如表3所示，對各因素、水平開展全面試驗［8］。各齡期單軸抗壓強度測試結果如表4所示。

由表4可知：當充填質量濃度為68 %時，灰砂比1∶12的充填體強度可以滿足采礦要求；當充填質量濃度為66 %時，灰砂比1∶10的充填體強度可以滿足采礦要求。由此可得，該礦山分級細尾砂可以實現膠結充填。

同時，考慮到目前細尾砂充填的另一個難題是細尾砂濃密，即如何將細尾砂漿濃密到高濃度。解決該難題的途徑之一就是借助高效的濃密裝備。目前，用于尾砂濃密的裝備有砂倉、深錐濃密機和膏體倉儲式濃密機等。

傳統的砂倉系統包括立式砂倉和臥式砂倉。其中，立式砂倉由于結構簡單投資少而應用更廣。但是，由于砂倉主要利用尾砂顆粒在重力作用下的自然沉降來提高濃度，粗顆粒尾砂沉降快，細顆粒尾砂沉降慢，在尾砂濃密過程中，溢流水中攜帶了大量細顆粒尾砂，因此傳統砂倉不適合細尾砂濃密。深錐濃密機是從國外引進的濃密技術裝備，其結構外形由圓柱筒體加錐形底組成，內部包含中心液壓傳動裝置、絮凝沉降裝置、耙架和過載保護裝置等，國內礦山經過近十幾年對技術的消化吸收，深錐濃密技術已經較為成熟。同時，也暴露出了深錐濃密機的一些應用局限，其在濃密偏粗尾砂時容易發生壓耙事故，在濃密偏細尾砂時放砂濃度波動較大，一般適用于大型礦山的大采場大流量充填。由于尾砂不能長時間在深錐濃密機中存留，所以其尾砂的存儲能力不足，不能滿足“采-選-充”的時空差異問題［9］。

為了滿足無尾礦山不同工況下的充填，選擇膏體倉儲式濃密機，其是在前幾代濃密裝備的基礎上進行的優化創新，外部結構主要由平底式的圓筒體組成，內部結構包括中心絮凝裝置、階梯式排水系統、倉儲系統、均質化造漿系統和放砂系統。該濃密裝備的主要優點是內部無耙架，系統能耗極低；適用范圍廣，不同粒徑范圍的尾砂都可以處理；尾砂處理能力大，處理能力可達1.2～1.4 t/（m2·h）；擁有均質化造漿技術，既防止尾砂板結，又能保證底流放砂濃度穩定；倉內可以保持較高的泥層高度，底流濃度可有效提高；優化后的絮凝沉降技術可使溢流水含固量小于300×10-6；平底結構安裝方便、占地面積小，同時系統建設投資低［10］。

3 尾砂建材化利用方案

在目前的市場環境和技術環境下，分級細尾砂較分級粗尾砂建材化利用的難度更大。當前分級細尾砂的利用途徑有制作陶瓷、微晶玻璃、自流平及特種材料等，但是上述利用途徑對細尾砂的化學成分、粒徑及安全環保等方面的要求較為嚴格，同時需求量較小。相對而言，粗尾砂對技術要求較低，因此分級粗尾砂的可利用空間很大，如可以作為大宗建筑材料（建筑細砂、加氣磚和灰砂磚等）的原材料［11］。隨著國家對河砂和采石場的管控，建筑用河砂及機制砂的成本將越來越高，而以礦山尾砂為原材料的建筑用砂將成為建筑行業材料消耗的新途徑之一，同時也是尾礦資源化利用的熱門研究方向，可以預見未來會涌現出更多的尾砂利用新技術和新方法。

尾砂建材化利用方案實現的途徑有2種：一是礦山企業投資建設生產線，同時將產品對外進行銷售，這種方法前期投資大，工藝復雜，銷售途徑和客戶需求不確定性較大;二是與附近水泥廠或建材廠合作，利用其現有設備和生產線生產成品，或將分級粗尾砂直接售賣給生產廠家。

綜合上述分析，鑒于該礦山年尾礦產出能力不大，適合第二種尾砂利用方式。因此，本次研究對該礦山周邊進行了現場調研。經過調研可知，該礦山距離鄉鎮6.5 km，礦山30 km范圍內有2家水泥廠，其中有一家水泥廠有小型制磚生產線。

為進一步落實該礦山尾砂建材化，對該礦山尾砂制作的充填體試塊進行浸泡水水質檢測試驗，驗證在膠凝材料的固結作用下，尾砂中的重金屬元素是否能夠被有效抑制。將達到28 d強度的充填體試塊放入密封袋中加水密封，浸泡7 d后取其浸出液進行水質檢測。由表1全尾砂化學成分分析結果可知，尾砂中具有潛在環境安全風險的重金屬元素有Fe、Pb、Zn、Cu、Cr和Mn等。充填體浸泡水水質檢測結果如表5所示［12］。根據GB/T 14848—2017 《地下水質量標準》和GB 8978—1996 《污水綜合排放標準》，該浸泡水水質在地下水Ⅲ類水質以上，同時也滿足國家污水排放標準要求。在膠凝材料水化過程中，水化產物通過吸附作用和置換作用將重金屬離子有效固結在充填體中［12-13］。由此可知，將該礦山分級粗尾砂用于制磚或建筑用砂等途徑是可行的。

4 成本分析

本次經濟成本分析主要針對該礦山全尾砂充填和分級細尾砂充填（粗尾砂建材化處理）2種方式的成本對比，其主要包括膠凝材料成本、尾礦庫排尾成本及尾砂對外銷售收益。通過了解，該礦山向尾礦庫每排放1 t尾砂的處理成本為10元，本地強度等級42.5水泥售價為350元/t，膠固粉價格為450元/t。由于該地區地理位置及周邊需求等因素影響，該礦山分級粗尾砂對外售價約為15元/t。經濟成本分析結果如表6所示。由表6可知，采用分級細尾砂充填（粗尾砂建材化處理）的方案比全尾砂充填方案在經濟成本上更有優勢，每天可以節省3 422.1元。同時，分級細尾砂充填，粗尾砂建材化處理可以實現該礦山無尾礦山的建設。

5 結 論

1）通過分析該礦山尾砂性質，計算得出尾砂充填時尾砂消耗量，結果顯示，無論采用全尾砂充填還是分級尾砂充填，都不能將尾砂全部處理掉，從而提出了針對四川某鉛鋅礦尾砂的“細尾砂充填，粗尾砂外售”的綜合利用方案。

2）針對該礦山分級細尾砂展開了一系列充填配比試驗，并為礦山選擇了適合該礦山尾砂特性的濃密裝備。結果顯示，采用礦山附近水泥廠的膠固粉可以實現分級細尾砂膠結充填。充填料漿質量濃度為68 %，灰砂比1∶12時，28 d抗壓強度為0.59 MPa，滿足礦山采礦要求。

3）通過現場調研和試驗分析，驗證該礦山分級粗尾砂建材化利用是可行的。

4）對全尾砂充填和分級細尾砂充填（粗尾砂建材化處理）2種方式進行成本對比分析，結果顯示，后者每天比前者節省3 422.1元。該研究成果可為類似礦山企業建設無尾綠色礦山提供指導與借鑒。

［參 考 文 獻］

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Research on comprehensive utilization technology of tailings for green mines

Luo Shiyong1，Lai Wei2

（1.Sichuan Liangshan State-owned Industrial Investment Development Group Co.，Ltd.

;

2.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.）

Abstract：To achieve a green mine with zero tailings discharge，a lead-zinc mine in Sichuan has undertaken a study on the comprehensive and full utilization of tailings after detoxification.Through brief field surveys and investigations of the mine’s technical conditions，along with experimental analysis of tailings characteristics，2 schemes were proposed： ungraded tailings backfill and graded fine tailings backfill （coarse tailings used as building materials）.Due to the swellability of minerals during grinding，the space in the mined-out areas cannot accommodate all the tailings generated during mining.Thus，it is decided that the ungraded tailings be graded，with a grading threshold of 74 μm，resulting in a coarse tailings productivity of 39.5 %.The coarse fraction is dewatered and used as construction sand material，while the fine fraction is thickened and dewatered for use as backfill aggregate，thereby achieving zero tailings discharge.Based on the characteristics of the fine fraction，a paste storage thickener was selected for efficient thickening and dewatering，and the cementing powder from nearby cement factory is used for backfill with cemented graded fine tailings.As can be seen from cost analysis of the 2 utilization schemes，3 422.1 yuan can be saved daily by backfill with graded tailings，showing significant results.The research achievement can be a reference for similar mines when constructing tailings-free green mines.

Keywords：green mine;paste;tailings;comprehensive utilization;backfill;utilization as building materials;economic benefits