某钒钛磁铁矿采场弃岩渣资源化利用研究

刘博锐 吴丰祥

（重钢西昌矿业有限公司）

某钒钛磁铁矿区是攀西四大钒钛磁铁矿区，属特大型多金属伴生的钒钛磁铁矿床，矿物中有用成分以铁、钛、钒为主，含铜、钴、镍、钪、镓等稀贵金属。矿床为晚期岩浆分异矿床，含矿岩体为辉长岩型，矿体由下至上分成中粗粒辉长岩相带、流层状辉长岩相带和中粒辉长岩相带。根据含矿品位高低可划分成工业入选矿和低品位矿，其中低品位矿由于铁、钛金属品质较低，在现有技术和市场经济条件下，低品位矿不宜直接入选，常与剥离岩土混合外送至排土场堆存。在全球矿产资源供应紧张的形势下，开发利用好长期累积的弃岩渣，是我国矿业可持续发展的必然选择，为充分利用矿产资源，建立“低能耗、高产出、少排放、能循环、可持续”的冶金矿山循环经济发展模式，对某钒钛磁铁矿露天矿山采场剥离弃岩渣资源化利用途径进行研究。

1 剥离弃渣特性

1.1 露天采区地层特征

据现场调查及钻孔揭露，某钒钛磁铁矿露天采场包含地层主要有填土层（Q4ml）、第四系全系统坡积（Q4dl）及洪积（Q4pl）等松散堆积层、第四系中上更新统冰水堆积层（Q2-3fgl）、第四系下更新统冰水沉积堆积层（Q1fgl）、昔格达组（NQx）、三叠系丙南组（T3bn）、辉长岩（U）［1］。

1.2 表土层（冰碛土）特性

采场边坡岩体主要构成为厚层冰碛土（Q2+3gl）、辉长岩（U）。在东边和北边，冰碛土和基岩呈覆盖接触，接触面与边坡面倾向相反；西边冰碛土与基岩面断层接触，接触面与边坡面倾向相反；南边冰碛土和基岩呈覆盖接触，接触面与边坡面倾向基本一致。冰碛土体沉积会受到原始地形控制，厚度变化较大，形成的冰碛土边坡高度差别较大。按照设计边坡角，东部冰碛土边坡垂直厚度23～27 m，坡高占总坡高的13%～20%；南部冰碛土边坡垂直厚度92～229 m，坡高占总坡高的24.3%～38.3%；西部冰碛土边坡垂直厚度110～254 m，坡高占总坡高的31%～49%；北部冰碛土边坡垂直厚度71～132.4 m，坡高占总坡高的17%～35%。

经现场地质踏勘，综合矿山历次探矿资料和补充勘察结果，得出冰碛土结构特性：

（1）冰碛土中的（漂）砾石主要为辉长岩、花岗岩、玄武岩、粉砂岩等，质地坚硬。砾石形状不一，有扁平状、次棱角状、次圆状等。砾径不等，土粒主要为粉质黏土和粉砂土［2］。

（2）冰碛土的共同特点是都含有黏土和冰碛土或漂砾，根据现场调查和钻孔岩心判定，从形成年代上看，冰碛土由新到老可分为第四系全新统松散堆积层、第四系上更新统冰水堆积层和第四系中更新统冰水堆积层，强度由弱变强；从含石量的多寡可将冰碛土分作冰碛含砾（粉质）黏土层（含石量5%～15%）、冰碛砾石夹黏土（砾石或漂砾，含石量20%～45%）和冰碛碎石土层（砾石或漂砾，含石量55%～70%）；从密实度上看，有松散、稍密、中密和密实4 种状态。在冰碛土层中，多呈透镜状分布，且砾石含量变化及形态，常呈聚群状出现，导致冰碛土岩性和结构在空间上的规律性迥异，离散型较大。

（3）碛土的砾石粒径分布范围广泛，直径一般为2～120 cm，最大达3 m 以上，呈中密—密实状态；而基质材料不仅含量变化大（44%～95%），粒径变化也很大，从粉质黏土至粗砂，孔隙比e变化在0.336～0.773，呈可塑—硬塑状，胶结程度有强有弱。由此可以推断，在砾（漂）石含量高的地层，冰碛土抗剪强度由砾石间摩擦强度控制，而在砾（漂）石含量较低的地层，是由黏土控制土体抗剪强度，对整个冰碛土来说，由于砾石含量分布的随机性，决定其强度也具有高度的不确定性。

（4）据勘察资料，冰碛土地下水位埋深2.00～12.00 m，多为上层滞水。注水试验结果表明，冰碛含砾粉质黏土平均渗透系数K变化在（3.9～63）×10-5cm/s，冰碛砾含漂砾平均渗透系数K变化在（5.4～320）×10-4cm/s，均属弱透水—微透水介质。冰碛土的透水性弱透水性质决定了其坡体内部水位降低缓慢，静水压力和饱水状态可能长期作用于边坡并影响其强度指标，而黏性土透镜体的存在，使坡体上长期保留零星的上层滞水，在旱季，采场内已形成的边坡表面基本处于干燥状态。

综合冰碛土的性质，从局部看，冰碛土体中砾石尺寸、砾石和黏土含量的空间分布与形态和含水量呈现高度的随机性；从总体上看，冰碛土体性态的高度随机性恰恰表现为宏观均匀性。因此，本模拟实验研究把冰碛土体试样看成砾-土组成展布形态与工程性质均匀的同性体。

1.3 剥离弃岩渣中的低品位矿资源量

某钒钛磁铁矿采选扩建项目露天开采项目服务年限内，累计采剥总量达47 458万t，其中可采出工业入选矿石11 943 万t，其余均为露天采场采出大宗固体废弃物。采掘出的剥离弃岩渣中，有表层土（含冰碛土）8 886 万t，低品弃岩渣26 629 万t（含Te 10%～20%的低品位矿石量约10 700 万t）。扩建过渡期达产期5 a，扩建过渡期间共计将采掘出工业入选矿石3 090 万t，采掘出剥离弃岩渣12 142 万t，仍需安全堆存高达11 142 万t 采掘剥离弃渣，其中表层土（含冰碛土）约2 400 万t。据现有地质资料，低品位矿石地质品位全铁平均14%左右（10%～17%）、二氧化钛5%～7.5%、五氧化二钒0.1%～0.2%，被视作岩土弃置的低品位矿资源量达到剥离弃岩渣总量的40%。

1.4 其他弃岩渣的特性与性能

某露天采场地处康滇地轴中北段，区内构造活动强烈，岩浆活动频繁而广泛，沉积岩分布相对较少，剥离弃渣以沉积岩为主。岩性主要为第四系冰碛层、坡积层、冲积层［3］。

岩石种类主要有黏土质砂砾石、花岗岩、辉长岩、玄武岩及以矿石地层共生的砂岩漂砾。其中黏土砂砾岩、漂砾岩含量65%～70%；花岗岩、辉长岩、玄武岩含量20%～25%。

针对废石渣的岩性特征，进行密度、抗压强度、软化系数等性能试验测试，测试结果见表1，可以得出废石渣属非软化岩石，抗冻性能强、抗风化能力较大、水稳性较好，满足尾矿库工程填筑料材质要求。

2 剥离弃渣资源化利用方向研究

2.1 表层土（冰碛土）资源化利用方向

据相关研究资料，要形成超过30 cm 厚适宜耕作层需要长达百年甚至上千年时间，在农业种植及绿化复垦过程中需要适宜耕作层，仅依靠绿化或种植豆类植物促成土壤快速熟化不现实，简单熟化即开始农业化耕作极有可能产生更大的区域生态污染。露天采场表土层（冰碛土）可作为适宜耕作层，江苏仪征市矿山排土场区域特点决定无法借土耕作层，复垦之所以快速形成效益，主要是采用借土方案（覆土厚1.2 m、再覆耕作层土壤30 cm），丰富的剥离表层土可完全作为覆盖土资源。表土覆盖完成后不但可以缩短熟土期，而且还可以同期利用自产的砂石料修建完善沟渠和道路，为创建新价值链的新型现代化农业奠定基础。

2.2 剥离弃岩渣中低品位矿资源化利用方向

2.2.1 低品位矿资源综合利用技术推广应用实效

攀西地区是我国重要的钒钛战略资源富集区［4］，钒钛磁铁矿资源储量巨大，资源保有储量超过90 亿t。钒钛资源已被国家列为战略资源，尽管资源丰足，但多为贫杂、多金属共伴生的低品质钒钛磁铁矿，其中低品质资源储量占资源总储量的30%以上。由于低品质钒钛磁铁矿直接入选会极大增加选矿比，造成生产成本增加，矿山企业不得不将低品质钒钛磁铁矿石作为废石废料抛弃。攀西战略资源创新开发试验区科技攻关规划中把低品质钒钛磁铁矿综合利用技术作为高效清洁的攀西钒钛磁铁矿的采选新技术重点科技攻关内容之一。

某矿山早期采用磁滑轮预抛尾或粉矿干式磁选工艺能回收低品位钒钛磁铁矿中的铁、钛资源，但回收利用效果较差，特别是回收的矿石较难达到常规钒钛磁铁矿选铁技术流程入选物料质量标准，特别是对矿物晶粒较细和嵌布难以解离的低品位矿石来说效果更差，不能高效盘活低品位废弃钒钛磁铁矿资源。

矿山2015 年后优化工艺，低品位钒钛磁铁矿经高压辊磨超细碎后再采用湿式弱磁选工艺能回收满足常规钒钛磁铁矿选铁流程的经济入选物料的质量标准，且铁金属回收率能达到65%以上；经弱磁选选铁后的尾矿再经强磁选工艺，能回收产率约27%，二氧化钛含量符合常规钒钛磁铁矿选钛流程入选原料要求，钛金属回收可达到30%以上。

要有效盘活低品位废弃钒钛磁铁矿资源，实现铁、钛资源的高效回收，实施低品位钒钛磁铁矿综合回收铁、钛资源时；宜将高压辊磨超细碎工艺技术、湿式磁选铁工艺技术、湿式强磁选钛工艺技术有效整合，方能形成集成创新的资源化综合利用工艺技术流程。项目研究组经过详细的分析论证后，研发了“三段一闭路破碎+磁滑轮抛废+（抛废渣破碎筛分规格石料）+高压辊磨超细碎+湿式弱磁选+湿式强磁选+分级制砂工艺”的创新工艺技术流程。低品位钒钛磁铁矿石经破碎机粗碎、中碎、细碎后闭路筛分，筛下物经磁化轮抛废，抛废回收矿石经高压辊磨超碎后再经弱磁、强磁选流程高效回收铁、钒、钛资源作为选矿厂精选矿石。磁滑轮抛废后废弃料破碎成规格环保型石料，弱磁、强磁废渣经分级制砂流程制取符合国家标准的环保型建设用砂，少量微细粒级污泥粉尘经高效浓缩机浓缩后至尾矿库安全堆存。2021 年在粗粒磁选尾矿后增设强磁选工艺回收粗钛精矿，隔粗隔渣的尾矿通过强磁筛分，弱磁扫铁，次铁尾矿经二段强磁得到强磁粗精矿，粗钛精矿精选流程成熟的选钛技术流程进一步增加钛资源回收。

该应用集成再创新技术流程，已高效实现铁品位10%～17%的低品位钒钛磁铁矿资源综合利用。每年可盘活并增加资源储量27%以上，提升铁（钒）资源回收率技术指标3.5%（钒钛磁铁矿铁选矿回收率达到72%以上），提升钛综合利用率技术指标5%（钒钛磁铁矿中钛综合利用率达到30%以上）；抛废废渣制取建筑石料产率超过35%；磁选回收铁、钒、钛后的尾砂制取建设用砂产率超过20%；资源开采过程中弃置土减量55%，工业废渣资源化率超过90%。

2.2.2 低品位矿采场直接配矿入选的应用实效

某矿山过去在入选矿石地质品位TFe＞30%的条件下，生产的钒钛铁精矿TFe53.5%（铁选矿回收率63%左右）、高钛精矿TiO247%（选铁尾再选回收，由于前端磨选性能制约以及入选规模过小，尽管可全粒级浮选，钛综合利用率仅15%左右）。近几年来，矿山通过集成整合创新，将“低品位矿综合利用、高压辊磨超细碎、钒钛矿脱磁、选铁尾矿回收钛铁矿方法、全粒级钛铁矿浮选、矿浆浓缩分级”等专有技术融入“钒钛磁铁矿三段闭路破碎+阶磨阶选”传统流程，形成了更高效的钒钛资源创新开发利用新技术流程，在入选矿石地质品位TFe 平均25%的条件下，磨选效率和资源采选三率指标得到快速提升，产品质量效率迅速改善。钒钛资源回采率由92%提升至96%，钒钛铁精矿产品TFe55%（铁选矿回收率68%，在TFe/TiO2＞2.9 条件超国土资源部规定标准3%）、TiO211.5%（钛更多流向选钛流程），生产的高钛精矿TiO247.15%（钛综合利用率34%，超试验区发展目标13%）。

2.2.3 低品位矿资源化利用方向

选矿厂工业入选地质品位的拓宽畅通了低品位钒钛磁铁矿综合利用途径。一是可在露天采场内直接配矿入选部分低品位钒钛磁铁矿，该技术流程中融合了“高压辊磨超细碎技术和全粒级钛铁矿浮选技术”等专有技术，高压辊磨超细碎技术融入传统选别流程，能高效借用高压辊磨来充分解离难选低品位钒钛磁铁矿矿物晶粒和脉石，破解磨矿工序效率低和低品位矿不能实现经济利用的瓶颈，畅通采选流程，重构钒钛磁铁矿资源采选流程价值创造链，能有效调控钒钛资源在选别流程中走向，为选铁后全粒级再选回收钛铁矿创造有利的要素条件；二是将高压辊磨超细碎技术同步融入低品位钒钛磁铁矿综合利用技术流程，不但解决了大量低品位钒钛磁铁矿资源化再利用问题，而且缓解了大宗工业废渣堆存处置带来安全环境风险，增加了工业入选矿石资源保障、盘活存量资源，为绿色生态矿山建设和可持续发展提供了强有力支撑。

2.3 弃岩渣制取混凝土

某钒钛磁铁矿山岩体为辉长岩，辉长岩密度一般为2.8～3.3 g/cm3，具有很小的孔隙度，一般压缩强度为190～290 MPa，耐久性高，结构构造均匀，岩体组成较稳定，废渣集料的来源和质量匀有保障。

通过对物料的来源和物理性能多年研究，得出露天钒钛磁铁矿矿山采矿弃岩渣废石可作为工程建设中的普通混凝土粗细集料。露天采场弃岩渣的性能达到Ⅰ类建设用砂石的质量要求，废石、尾矿制砂表观密度比普通集料高10%左右；废石集料堆积密度比普通集料高3%～7%［5］。按《普通混凝土配合比设计规程》规定对废石集料混凝土进行混合配料，攀西钒钛磁铁矿采选废石集料混凝土具有优秀的力学性能及耐久性。

研究表明采用废石集料可以配制出强度等级为C60的混凝土，废石集料混凝土的性能具有良好的抗氯离子渗透性、抗冻性、抗腐蚀性，废石集料混凝土耐久性不会低于普通集料混凝土，废石集料混凝土收缩率比普通集料混凝土低30%左右，全废石集料泵送混凝土的密度比普通集料混凝土高10%左右，同时满足普通混凝土表观密度的要求。

研究发现攀西钒钛磁铁矿露天废（弃）石集料混凝土配合比设计、配制及应用技术路线；配制的混凝土具有良好的长期性和耐久性，其收缩性能指标优于普通集料混凝土，利用该采矿弃石及选矿尾砂作砂石集料，无须采取特殊技术措施，可按普通混凝土配合比设计规程及相关规范配制出C10～C60 的普通混凝土，钒钛磁铁矿采选废渣集料混凝土及其制品可用于一般建设工程。金属矿山在长期开采生产过程中，矿山产生大量的废石、尾矿，利用这些废渣资源完全可替代天然砂石骨料。

2.4 弃岩渣在尾矿库坝体堆筑中应用

2.4.1 昔格达易滑地层性质及处置

攀西地区最为常见的地层为新生代昔格达地层。昔格达地层形成于第三世纪上新世（N1）—第四纪下更新世（Q1）的湖相沉积物，主要由黏土层、粉细砂层呈韵律互层组成，是国内外极为典型的半成岩地层（N2X—Q1X）。昔格达地层在形成过程中时代新、成岩胶接作用差、岩层结构松、具崩解性和一定的膨胀性，工程特性差，是我国著名的易滑地层［6］。地层在饱水和受扰动条件易软化和泥化，且暴露于空气中易风化，工程力学性质急剧变差。据相关研究资料，昔格达地层临塑荷载通常为300～500 kPa，极限荷载可达到1 000～1 500 kPa，作为工程持力层，地基承载力要综合考虑胶结物质、节理裂隙、风化程度、受水条件等综合因素［7］。地层物化工程特性见表2。

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由表2可以看出，地基岩土具有一定的抗压强度和抗剪强度，压缩性低、中等；粉质黏土属弱微透水介质，因天然含水量较高，没节理和裂隙的情况下，应该能成为隔水和保水层。但昔格达地层具有遇水软化，强度降低明显的特征，具有较强的崩解性和较差的水稳性，其黏土及亚黏土有遇水易软化崩解、强度降低形成软弱地基层的特性，是影响尾矿库建设的最不利工程地质条件。

基于昔格达地层的物理力学特性，只要对昔格达地层采取不扰动、不破坏、不出露、不使水浸入等工程措施，其水平荷载条件仍满足堆筑大型尾矿坝的要求。尾矿库初期坝基落在易滑昔格达地层上层，即漂卵石或黏土岩层；坝基建设时全部采用剥离石料堆筑，形成极强透水通道，防止水大量下浸对昔格达地层的破坏，保持昔格达地层承载力在200 kPa以上；坝基施工前，摒弃全线开挖和爆破开挖方式，分段独立与坝基堆筑同步施工，最大限度避免易滑地层被水浸泡，影响坝基持力层承载力。

2.4.2 应用方案

某二等尾矿库设计初期坝（透水堆筑坝）体标高1 650 m 及坝体上游迎水面大于5 m 宽的部位填筑较好的堆石料，石料含土量不宜大于5%，石料粒径小于2 cm 的应不大于5%，石料粒径大于20 cm 的应占总量的60%～70%以上，最大粒径不超过碾压厚度，并尽可能减少大块石料上坝，防止架空现象，石料的饱和抗压强度不应小于30 MPa，软化系数不低于0.75，碾压后其堆石料的孔隙率小于35%，堆石干密度达到1.85 t/m3以上；坝体其余部位采用一般的废石料，石料含土量不宜大于40%，上坝土石料须进行碾压，坝体压实度不小于0.95，压实后干密度应达到1.7 t/m3以上，土石料宜尽可能以级配良好的土夹砾石为主。

坝体填筑过程中主要选用花岗岩、辉长岩、玄武岩作堆石料填筑区；黏土质砂砾石、漂砾岩则用于透水要求相对低的废石料填筑区。筑坝石料含泥量、粒径可用2次分选工艺控制，首先采场剥离的同时采用挖机、装载机或推土机对石料含泥量作初步筛选，按含泥量小于5%和小于40%的石料分区堆放；石料运走之前再对石料进行二次分选，根据设计石料粒径要求，配备2，20 cm 型号的圆滚筛，再根据一定比例混合二次分选石料，最终达到设计含泥量及粒径的控制要求。

筑坝石料含泥量、粒径可用2 次分选工艺控制，首先采场剥离的同时采用挖机、装载机或推土机对石料含泥量作初步筛选，按含泥量小于5%和小于40%的石料分区堆放；石料运走之前再对石料进行二次分选，根据设计石料粒径要求，配备2，20 cm 型号的圆滚筛，再根据一定比例混合二次分选石料，最终达到设计含泥量及粒径的控制要求。

3 结 论

（1）钒钛磁铁矿创新开发利用新技术流程整合了现有的低品位矿综合利用、高压辊磨超细碎、钒钛矿脱磁、选铁尾矿回收钛铁矿方法、全粒级钛铁矿浮选、矿浆浓缩分级等专有技术成果资源，并将其融入“钒钛磁铁矿三段闭路破碎+阶磨阶选”传统流程，形成了更高效的钒钛资源创新开发利用新技术流程，入选矿石地质品位从资源开发利用方案中30%降低至23%，利于在露天采场内高效开采并配矿入选。

（2）有效利用剥离表层土覆盖进行复垦及现代农业种植，破解了短期无处借土覆土绿化复垦的制约，为快速复垦和矿区生态恢复与保护治理奠定了坚实基础，为持续绿色矿山建设规划落实创造条件。

（3）根据采场剥离弃渣固有特性和堆筑压实后优异的饱和性能和耐崩解性，资源化利用并外销剥离弃岩渣作为工程填筑料，拓宽矿山企业供给侧深化改革思路，助降矿产品成本，提升企业核心竞争力。

（4）攀西钒钛磁铁矿采矿弃石及选矿尾砂可以用作普通混凝土砂石集料，其性能可达到建设用砂石的质量要求，利用采矿弃石及选矿尾砂作砂石集料，无须采取特殊技术措施，配制的混凝土具有良好的长期性和耐久性，其收缩性能指标优于普通集料混凝土。

（5）剥离弃岩渣应用于尾矿库坝体堆筑物料，可保障建设工程顺利推进，缓解露天采场扩建剥离弃岩渣无处安全堆存的困境，能强力支持防范长江源头水土流失。