河北某铁矿固体废物综合利用研究

吕小焕 李金朋

（河钢集团矿山设计有限公司）

目前，矿山废石及尾矿是我国产生量最大的固体废物，受资源品位低、利用成本高、经济效益差、利用技术缺乏等问题地制约，目前排土场废石及尾矿仍以堆存为主［1-2］。针对国家对环保和安全的要求，现有排土场和尾矿库属于安全隐患和公益污染项目。因此，本研究旨在通过对固体废物进行再选、生产建筑材料、回填、复垦等途径，推动和实现矿山固体废物资源综合利用技术的进步和推广应用，同时消除重大危险源，恢复当地生态环境，利国利民。

1 矿山现状

河北某铁矿于1989年建成并投入使用，设计生产能力年采剥总量550万t，选矿厂年处理矿石150万t，年产铁精粉68万t。2012年该矿主体资源枯竭，露天开采闭坑，矿山停产。该矿排土场位于露天采场的西北方向，占地面积770亩，自1989年投入使用以来，共计堆放岩土量5 178万t，排土场最高堆置标高137.2 m，地表标高72 m。尾矿库位于排土场西侧，坝顶标高76.0 m，最大堆积高度30.5 m，总库容1 448万m3。2014年5月，该尾矿库通过了闭库安全设施竣工验收。排土场与尾矿库位置关系见图1。

2 排土场固体废物利用

2017年以来，该矿所在地及周边地区砂石行业经历了前所未有的环保督查风暴，清除了不合规企业、非法企业，砂石矿全部停产，审批一律暂停，导致砂石市场供应量减少，尤其是20～30 mm、10～20 mm、6～10 mm粒级石砟更是供不应求。该矿排土场堆放的废石主要为混合花岗岩、黑云斜长混合花岗岩、钾长混合花岗岩，含部分表土，岩石中含部分低品位矿石。根据砂石行业要求，该排土场岩石可破碎成工程用石砟，同时在生产石砟过程中经干选可回收低品位矿石，为矿山后期复垦工程考虑，对排土场中的表土进行单独堆存。

2.1 开挖工艺

排土场地表标高72 m，考虑后期土地复垦工作，此次研究拟开挖排土场68 m以上的岩土，总量3 118万t，其中上部堆有120万t表土，排土场开挖主体采用自上而下分层开挖，挖掘机和前装机装载自卸卡车运输。开挖台阶高度5 m，最小工作平台宽度不小于30 m。工作时台阶坡面角45°，开挖采用缓帮方式作业，挖掘机最小工作平台宽度30 m，工作线长度150～200 m。依据挖掘机和前装机的作业方式及排土场台阶高度情况，采用不同的铲装方式。在台阶高度超过5 m时，只允许先用液压挖掘机对排土场台阶进行挖掘，配合自卸汽车铲装；挖掘高度不大于5 m，待挖掘出一定的工作面后，工作面空间不小于30 m×30 m，形成不高于5 m的分台阶，前装机通过分段道路进入，分台阶进行装载作业。在台阶高度不大于5 m时，采用挖掘机和前装机均可作业，挖掘机采用反装方式作业，前装机采用正装方式作业。

2.2 破碎工艺

用装载机将剥离出的废石（500～0 mm）给入原料仓。在仓底通过带有预先分级的棒条振动给料机给入颚式破碎机（PE600 mm×900 mm），给料机筛下细粒级物料及颚式破碎机产品输送至电振筛进行分级，筛上物料给入锤式破碎机（PC1 200 mm×1 800 mm）；筛下物料及锤式破碎机产品输送至圆振动筛（3YAH2460，三层筛网）进行筛分作业，第1层筛上物料（粗）返回至锤式破碎机，第2层筛上物料（中）和第3层筛上物料（细）分别给入干式磁选机进行选别，得到10～20 mm石砟产品和10～20 mm磁性矿石及6～10 mm石砟产品和6～10 mm磁性矿物；筛下物料给入磁选机（CTS1230）进行磁选作业，磁选精矿自流至沉降池；磁选尾矿自流至XSD3016轮斗式洗砂机，经过连续两次选砂作业，得到0～6 mm砂子；尾矿泥自流至采坑回填。破碎工艺流程见图2。

2.3 产品方案

排土场固体废弃物经破碎—筛分—选别—洗砂工艺，可获得0～6 mm砂、6～10 mm石砟、10～20 mm石砟及磁性矿物，其中磁性矿物可单独销售或进入选厂选别系统，各粒级石砟可用于建筑用砂。

3 尾矿库固体废物利用

为了缓解人地矛盾，增加有效耕地面积，提高土地质量，亟需加大土地复垦力度，同时根据国家对安全和环保要求，需对该铁矿尾矿库进行资源综合利用，恢复当地生态环境［3-4］。

3.1 尾矿砂成分分析及综合利用可行性分析

尾矿样多元素化学分析、铁物相分析、粒级分析、光谱分析、重金属含量分析结果见表1～表5，典型尾矿放射性分析结果见表6。

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由表1、表2可知，尾矿全铁含量5.40%，其中磁铁矿占20.88%，应首先对尾矿进行再选，回收有价元素，提高资源回收和综合利用率。

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一般建筑用砂要求含泥量<5%（<0.08 mm的粉矿），由表3可知，该铁矿尾矿满足上述要求。

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建材行业标准《硅酸盐建筑制品用砂》（JC/T622—1996）规定，生产硅酸盐建筑制品对原料化学成分要求SiO2质量分数≥65%，K2O+Na2O质量分数≤5%，硫化物及硫酸盐质量分数≤2%。生产加气混凝土、蒸压灰砂砖、免蒸免烧砖等建筑制品对铁尾矿化学成分要求SiO2≥65%，Fe2O3≤15%，K2O+Na2O≤5%，MgO＜5%。由表4可知，该铁矿尾矿中SiO2质量分数在70%以上，Fe2O3、K2O、Na2O、MgO质量分数均符合要求。

注：使用γ谱仪按照国标标准测量。

由表5可知，该矿山尾矿中各种重金属含量很低，符合国家相关建材产品标准要求。

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由表6可知，该尾矿的天然放射性核素镭-226、钍-232、钾-40放射性比活度检测结果符合国家《建筑材料放射性核素限量》（GB6566-2001）标准，用于生产的建筑主体材料和装饰材料，其产销与使用范围不受限制。

鞍钢矿业研究所在试验室进行了从尾矿中分选提取石英矿物的探索性试验，结果表明，其SiO2综合回收品位可达95%，指标接近玻璃原料（三类）标准（SiO2含量大于96%），该铁矿为鞍山式沉积变质铁矿床，其尾矿性质与鞍钢矿业尾矿相似，且石英矿物粒度较粗，在尾矿中单体解离度较高，因此可借鉴鞍钢矿业试验研究成果，虽与生产高附加值高纯石英砂标 准（SiO2含 量9.90%～99.99%，Fe2O3含 量 小 于0.001%）还有一定差距［5］，但可进一步开展从尾矿中提取高纯度石英砂的研究工作。

尾矿砂呈不规则的棱角状，质量稳定、洁净，与山砂、河砂相比，用尾矿砂配制的混凝土其性能优于用圆形的山砂和河砂配制的混凝土，且尾矿砂加工成本很低，因此具有广阔的发展前景。

3.2 尾矿砂回采

尾矿库最终复垦标高为+67 m，该设计拟将尾矿库回采至+66.7 m，再用土回填至+67 m达到复垦要求，尾矿库+66.7 m以上尾矿量约536万m3，约为800万t。尾矿库内尾矿砂回采分为干式和湿式回采［6］。该项目拟采用湿式回采（船采）的方法。湿式回采用水枪、采砂船或浮球式潜水泵等方式对尾矿进行水力回采。根据尾矿库回采的规划及顺序（先内后外，先库后坝，先上后下，分层开采），由于现有尾矿库上层已种植植被，前期用铲运机需将采坑水经泵送至尾矿库造浆，造浆后经采砂船泵送至尾矿打捞机进行回收，精矿经沉淀后单独销售或进入选别系统，打捞机尾矿通过筛分分选出合格粒级的砂子。

3.3 尾矿砂选别

采用先打捞再洗砂的工艺流程，见图3。

3.4 产品方案

尾矿库尾矿经回采—打捞—洗砂工艺可获得磁性矿物、尾矿砂，其中磁性矿物可单独出售或进入选厂选别系统，各粒级石砟可用于建筑用砂，尾矿砂可通过制作尾矿砖、加工建筑用砂、生产高纯度石英砂等途径综合利用。

4 结 语

（1）河钢某排土场固体废弃物经破碎—筛分—选别—洗砂工艺可获得0～6 mm砂、6～10 mm石砟、10～20 mm石砟及磁性矿物；尾矿库尾矿经回采—打捞—洗砂工艺可获得磁性矿物、尾矿砂，其中磁性矿物可单独出售或进入选厂选别系统，各粒级石砟可用于建筑用砂，尾矿砂可通过制作尾矿砖、加工建筑用砂、生产高纯度石英砂等途径综合利用。

（2）尾矿的综合开发利用可代替天然矿物资源，大幅减少非金属矿物资源的开发，为非金属产业，特别是建材行业提供现成的原料来源。

（3）对现有尾矿库尾砂资源综合利用后，可达到提高矿产资源综合利用率及减少尾矿库安全隐患的双重目的，同时，为尾矿库生态恢复提供基础条件，社会效益显著。