铁矿尾矿综合利用效益评价研究：以攀西某铁矿为例

杨四福，康小兵，骆茂林

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059；2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

改革开放以来，中国的钢铁工业发展迅速。以生铁和粗钢产量计算，1978年生铁和粗钢产量分别为3 479万t和3 178万t，而2019年达到80 936.5万t和99 634.2万t[1]。与此同时，铁尾矿排放量由1985年的1亿t增至2017年的5亿t，铁尾矿在工业固体废弃物中的占比越来越大，2016年铁尾矿占工业固体废弃物总量的20.82%，而铁尾矿利用量仅占工业固体废弃物利用总量的9.2%。目前，四川省、云南省、安徽省、河北省和内蒙古自治区等中国主要的铁矿石产区，已形成了以铁尾矿为主要工业固体废弃物的堆积区[2]。

随着国家经济结构的调整和经济发展理念的转变，针对矿山环境恢复治理与绿色矿山建设过程中的尾矿问题，原国土资源部和财政部2010年共同组织实施了矿产资源节约和综合利用专项及金属尾矿综合利用规划，提出了开采回采率、选矿回收率和综合利用率等“三率”的最低指标要求；2019年1月11日国家发展和改革委员会、工业和信息化部在《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》中强调对尾矿(共伴生矿)、冶金渣和废石等为主的大宗固体废弃物的综合利用。

基于尾矿的资源属性，赵军伟等[3]认为实现高效益的铁尾矿综合利用是一个多目标的决策问题，同样受经济、社会、生态环境、技术、国家产业结构变化以及经济发展理念等因素的影响。多指标的综合评价一直是矿产资源综合利用的评价研究的主要内容，其中最主要的两个方面是代表性指标选择和量化和合适的评价数学方法构建。曹进成等[4]基于采取模糊综合评判方法、灰色关联评价方法、层次分析法等多种矿产综合利用评价方法，提出来指标加权平均值汇总(mineral explore level)的单矿山利用水平值法；刘兴旺等[5]基于层次分析法(AHP)构建递阶层次结构评价决策模型，运用Expert Choice软件计算评价了东江湖流域尾矿综合利用项目的成熟度；莫晓兰等[6]利用模糊数学模型评价了10座以铜为主的多金属尾矿综合利用程度；王晓雷等[7]对唐山地区铁尾矿综合利用及产业化程度评级进行了研究。多指标量化和多方法耦合的综合评价在矿产资源综合利用评价方面已经相对普遍。相关的方法研究结果表明层次分析和模糊数学理论在尾矿及矿产资源综合利用评价方面适用性好且成熟度高。

本文通过相关文献调研并结合实例提出铁尾矿综合利用效益评价指标，并对指标进行量化分级，利用层次分析法求得各指标权重，结合模糊数学理论构建铁尾矿综合利用效益的评价模型；将层次分析法和模糊数学理论相结合，评价了攀西某铁矿尾矿综合利用效益，以期为以TFe为主的多金属矿山地质环境修复治理与矿山绿色循环经济发展提供参考。

1 研究区概况

攀西某铁矿位于四川省攀枝花市米易县境内，属于钒钛磁铁矿。根据攀西某铁矿二期评估报告，TFe品位57%，TiO2品位10.2%，V2O5品位0.73%。矿区主体工程包括及及坪露天采区和田家坪露天采区、万碾沟尾矿库、白石堆排土场和松林坪排土场。万年沟尾矿库位于及及坪矿区东北约3.0 km，总库容为3.26×109m3，属二等尾矿库，能满足及及坪和田家坪两矿区的全部尾矿量。

2 研究方法

本文基于矿产资源综合开发利用水平及效益的评估方法，研究方法步骤如下：①选择和确定影响因素，建立铁尾矿综合利用效益评价指标体系；②分析铁尾矿综合利用效益涉及的要素，确定各要素评价指标性质；③构建评价指标隶属函数进行指标量化，通过层次分析法(AHP)建立递阶层次结构，通过因素成对比较，导出因素相对重要性；④使用AHP-模糊数学法计算指标权重和不同等级效益隶属度，实现铁尾矿综合利用效益的评价。为运算方便，具体指标权重、一致性分析采用MATLAB软件完成。

3 综合利用效益评价

3.1 指标体系构建

结合矿产资源综合利用水平评估方法研究、矿区循环经济评价指标体系及铁尾矿综合利用等相关文献的查阅分析并咨询相关专家[8-11]，筛选整合适宜的指标，构建铁尾矿综合利用效益评价经济效益因素、社会效益因素及生态环境效益因素3个一级指标，结合目前铁尾矿综合利用的形势，确定11个二级指标，铁尾矿综合利用效益评价的AHP层次结构见图1，评价指标划分标准见表1。

表1 评价指标划分标准Table 1 Criteria for the classification of evaluation indicators

图1 铁尾矿综合利用效益评价的AHP层次结构Fig.1 AHP hierarchy chart of comprehensive utilization benefit evaluation of iron tailings

3.2 评价指标解释及分级

3.2.1 潜在资源价值(C11)

尾矿整体利用可获得的经济价值，如形成相关产品的总价值或有价组分利用的总价值。尾矿资源的不同性质，决定了尾矿综合利用的方式，进而在尾矿资源潜在总价值的估算中差异较大。结合攀西某铁矿区以及其他地区铁尾矿，富含多金属且品位达到再选标准的尾矿潜在资源价值最大，结合部分矿区对尾矿潜在资源价值估算数据，本文将该指标分为5级。

3.2.2 综合利用率(C12)

综合利用率是表征尾矿综合利用程度的重要指标。根据中国资源综合利用年度报告统计数据，2012年铁尾矿综合利用率为4.98%，2016年铁尾矿综合利用率为23.47%[12]。根据历年铁尾矿综合利用率平均值数据统计，如图2所示，结合截至2017年1月公布的30个矿种的“三率”指标标准中四川钒钛磁铁矿对钛、钒和铬(红格南区)的综合利用率标准，将该指标分为5个等级。

图2 2008—2016年全国铁尾矿综合利用数据统计Fig.2 Statistics on comprehensive utilization of iron tailings in China from 2008 to 2016

3.2.3 投资回报率(C13)

投资回报率是指尾矿综合利用工程项目的利润总额与固定资产投资比值。本文参考相关尾矿利用项目的研究结果，目前，尾矿综合利用项目中投资回报率平均值约为25%。结合实际尾矿利用项目的数据统计，将该指标分为5级。

3.2.4 尾矿各利用方向产值(C14)

尾矿各利用方向产值是指实际利用项目中尾矿各利用方向相关产品的产值(有价组分再选、绿色建筑材料、采空区回填和复合新肥料等)。在相关的研究中，尾矿综合利用效益对经济效益考虑仅选择潜在资源价值。但由于尾矿综合利用中涉及利用方式的难易程度，考虑到所需的技术支持复杂程度等其他因素，潜在资源价值不能实际体现尾矿综合利用项目实际的经济效益，故本文引入尾矿综合利用项目实际运行后，根据其利用方向差异及其产生的实际价值。从相关数据统计可知[13]，尾矿中回收有价组分约占尾矿利用总量的3%，产值在1.5亿～4.3亿元之间；生产建筑材料约占尾矿利用总量的43%，产值在0.2亿～1.3亿元之间；回填矿山采空区约占尾矿利用率总量的53%，产值约在0.2亿元；其他途径利用约占1%。不同利用方向产值存在较大差异，本文将该指标分为5级。

3.2.5 行业政策形势条件(C21)

行业政策形势条件是指政府相关部门针对尾矿利用出台的政策以及行业市场中产品的销售半径、销路以及市场前景。本文依据历年《中国大宗工业固体废物处理利用行业年发展报告》，结合矿区的交通便利条件、目前尾矿利用技术的研究方向以及市场的需求情况，将该指标分为5级。

3.2.6 就业增加程度(C22)

就业增加程度是指尾矿利用项目建设期和运营期增加的就业人员。结合四川钒钛磁铁矿区相关铁尾矿钒钛等有价金属再选回收项目以及相关绿色矿山建设项目中的就业人员增加数据统计，尾矿综合利用项目就业人员增加数量普遍在75～100人之间，本文根据需要，将该指标分为5级。

3.2.7 财政收入贡献量(C23)

财政收入贡献量是指当地政府因尾矿利用项目增加的财政收入。根据先前研究资料，针对尾矿综合利用效益的评估中，大多使用年度项目收益核算，但未考虑因不同地区行业结构对地区财政收入的影响，本文以财政收入贡献量计算。结合实际尾矿利用项目的数据统计，将该指标分为5级。

3.2.8 区域水土污染减少程度(C31)

区域水土污染减少程度是指尾矿利用过程中减少的扬尘、尾矿库溢流水以及重金属离子等对大气、水和土壤环境造成的污染。矿山周边区域的水土污染主要由废石、尾矿堆置及排土场等“固废”堆置场地在天然淋滤作用下有毒有害物质富集、渗漏和迁移，导致区域环境承载能力超负荷，产生了水环境、土壤环境恶化问题。故本文以尾矿综合利用项目运行后，“消耗固废”后减少的占地面积与未实施尾矿综合利用前“固废堆置”占地面积之比(P1)作为该指标分级的标度[13]。

3.2.9 降低尾矿库安全隐患(C32)

降低尾矿库安全隐患指标是指尾矿库尾矿利用后减少对周边区域居民及环境影响的程度。尾矿库潜在的安全隐患主要表现为堆存的尾矿将成为泥石流或山洪的固体物质来源，遇特大暴雨时容易形成山洪或泥石流，对下游区域及居民及生态环境造成破坏。根据《尾矿库安全风险等级分级标准》中的评审项目，较于库高程、库容、坝高及结构和排洪系统等项目，库中尾矿体量是最为本质性的要素，故本文以减少尾矿量与尾矿堆置量之比(P2)作为该指标分级的标度。

3.2.10 二次污染(C33)

尾矿综合利用过程造成的环境污染，主要为废气、废水和废渣污染的问题。废气和废水的排放在依据《铁矿采选工业污染物排放标准》的同时，参考矿山地下水、土壤、地表水体以及环境评价中涉及的空气污染及噪声污染等项目。本文一方面根据排放物达标、未达标以及超标情况,另一方面根据排放量和潜在污染区域的生态环境风险，将尾矿综合利用过程中的二次污染指标分级。

3.2.11 矿山环境改善程度(C34)

矿山环境改善程度是指尾矿综合利用项目运行后矿山环境(固体堆弃物占用土地、矿山荒地复垦及绿化)的改善程度，是国家生态建设以及“既要金山银山，又要绿水青山”等生态经济发展理念、绿色矿山等理念落实的重要体现之一。 依据《关于加强矿山地质环境恢复和综合治理的指导意见》中关于改善矿山环境的要求、2018年自然资源部颁布的《冶金行业绿色矿山建设规范》中对于铁矿矿山绿色矿山建设要求规范以及2012年来历年《中国矿产资源报告》数据。目前减少耕地占用、土地复垦和新增绿地是矿山环境改善程度的重要表征[14-16]。为避免矿山规模本身存在的掩蔽效应，本文选择耕地占用减少率、土地复垦率和绿化率的和对矿山环境改善程度分级。

3.3 综合利用效益评价模型建立

铁尾矿综合利用效益评价涉及多方面的因素，且各因素对综合利用效益的影响程度各不相同。为实现评价结果更客观和科学，对比分析尾矿综合利用及矿山环境综合治理评价中运用比较成熟且最常用的模型[17-18]，本文选取了层次分析-模糊数学综合评价法，构建各级模糊集合后，分别对定量和定性指标采用梯形分布隶属函数计算指标隶属度构建模糊矩阵，采用AHP法进行指标权重计算(表2)，最后根据构建的方法评价。

表2 AHP法的权重计算和相关参数Table 2 Weight calculation and related parameters of AHP method

3.4 评价结果效益等级

铁尾矿综合利用效益等级分级标准见表3。 Ⅰ级为铁尾矿综合利用效益差； Ⅱ级为铁尾矿综合利用效益较差；Ⅲ级为铁尾矿综合利用效益中等；Ⅳ级为铁尾矿综合利用效益较高；Ⅴ级为铁尾矿综合利用效益高。

表3 铁尾矿综合利用效益等级分级Table 3 Classification of comprehensive utilization benefit of iron tailings

4 基于构建评价模型的铁矿尾矿综合利用效益评价实例

4.1 评价结果

本文根据文中评价模型中指标的分级标准，结合四川地区攀西某铁矿开发工程的评价，各指标量化结果见表4。

表4 实例指标量化Table 4 Index quantification of real examples

根据矿区因素集中各指标的量化及隶属函数确定各指标模糊子集，再结合AHP计算权重，分别计算各级模糊关系矩阵和模糊综合评价矩阵。由经济效益(R1)、社会效益(R2)和环境效益(R3)的二级指标最大隶属度结果组成的综合评判模糊关系矩阵分别为式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

经济效益、社会效益、环境效益各指标模糊综合评价分别为式(4)～式(6)。

B1=C1×R1=

{0.00 0.07 0.75 0.18 0.00}

(4)

B2=C2×R2=

{0.00 0.30 0.60 0.10 0.00}

(5)

B3=C3×R3=

{0.11 0.58 0.08 0.23 0.00}

(6)

一级模糊综合评价的单因素类模糊关系矩阵为式(7)。

(7)

根据计算结果矿区的级模糊综合评价矩阵为式(8)。

B=C×R={0.03 0.23 0.56 0.18 0.00}

(8)

根据评价模型对实际数据的计算，结合最大隶属度原则，该矿区尾矿综合利用项目效益程度为中等，尾矿综合利用效益等级属Ⅲ级。

4.2 评价结果分析

根据构建的模型评价，攀西某矿区铁尾矿综合利用项目中，一级指标经济效益模糊综合评价B1为(0.75)，属Ⅲ级；一级指标社会效益模糊综合评价B2为(0.60)，属Ⅲ级；一级指标生态环境效益模糊综合评价B3为(0.58)，属Ⅱ级。经济效益二级指标(R1)结果表明，综合利用率(C12)属Ⅱ级，隶属度为0.54，其余指标都属Ⅲ级，隶属度分别为0.86、0.72和0.77；社会效益二级指标(R2)结果表明，就业增加程度(C22)属Ⅱ级，隶属度为0.52，其余指标都属Ⅲ级，隶属度分别为0.50和0.87；环境效益二级指标(R3)结果表明，降低尾矿库安全隐患(C32)和矿山环境改善程度(C34)属Ⅱ级，隶属度分别为0.85和0.64，区域水土污染减少程度(C31)属Ⅲ级，隶属度为0.85，二次污染(C33)属Ⅳ级，隶属度为1.00。根据二级指标综合评判结果，攀西某矿区综合利用项目中，经济效益和社会效益相对稳定，对矿区的总体利用效益影响较小，而生态环境效益中二级指标浮动较大。

结合矿区开发评估报告，矿区拟建排土场数量减少进而增大单个排土场容积及占地面积，已封闭的排土场绿化、复垦程度低；万年沟尾矿库正处服役年限中期，针对尾矿库安全隐患的工程措施仅满足环评要求，两个露天采区正处服役中期，对裸露迹地的覆土种草，恢复植被措施还未实施。模型评价结果结合矿区实际情况的分析，为实现矿区更大的综合利用效益、矿区地质环境修复治理与矿山绿色循环经济建设取得进一步发展，在稳定经济效益和社会效益的同时，针对生态环境效益的措施应作为未来矿区综合利用项目的扩展重点。

5 结 论

1) 选取以经济效益、社会效益、环境效益为一级指标和涉及11个二级指标构建的铁尾矿综合利用效益评价指标体系。 其中，经济效益和环境效益所占的权重最大，分别为0.637 0和0.258 3；在11个二级指标中，经济效益中尾矿各利用方向产值与投资回报率相对于总目标的权重最大，分别为0.449 9和0.271 6；社会效益中就业增加程度和财政收入贡献量相对于总目标的权重最大，分别为0.558 4和0.319 6；环境效益中降低尾矿库安全隐患、二次污染和区域水土污染减少程度，分别为0.545 5、0.229 1和0.146 7。对比于先前研究表明：尾矿综合利用产生的最直接的、最重要的效益是减少污染和带来的投资收益。说明随着国家经济发展理念的转变，尾矿综合利用产生的效益已经更多的涉及社会和环境效益。

2) 将构建的评价模型应用于攀西某矿区铁尾矿综合利用项目，其结果为：该矿区铁尾矿综合利用效益等级属中等(Ⅲ级)；总体上，综合二级指标评判结果与一级指标隶属等级，根据模型评价的结果与矿区铁尾矿综合利用现实特征相一致。生态环境效益较于经济效益和社会效益，矿区铁尾矿综合利用项目中生态环境效益较低，生态环境效益是制约尾矿综合利用效益的最主要短板，应当在矿区尾矿利用项目扩展过程中重点关注。