绿色矿山尾砂综合利用技术研究

摘要：四川某铅锌矿为建成无尾矿排放绿色矿山，将尾矿无害化处理，对其进行尾矿综合全利用研究。通过踏勘调研矿山技术条件，试验分析尾矿特性，拟定了全尾砂充填和分级细尾砂充填（粗尾砂建材化处理）2个方案。由于矿物磨矿碎胀性影响，采矿产生的采空区空间不能满足充填处置全部尾砂的需求，确定将全尾砂进行分级处理，分级界线74 μm，粗粒级尾砂产率39.5 %，以粗粒级尾砂脱水作为建筑用砂物料，细粒级尾砂浓密脱水作为充填骨料，从而实现尾矿零排放。根据细粒级尾砂特性，优选膏体仓储浓密机进行高效浓密脱水，并采用附近水泥厂的胶固粉进行分级细尾砂胶结充填。对2 种利用方案进行经济成本分析可知，分级细尾砂充填每天可节省3 422.1元，效果显著。该研究成果可为类似矿山建设无尾绿色矿山提供借鉴。

关键词：绿色矿山；膏体；尾矿；综合利用；充填；建材化利用；经济效益

中图分类号：TD926.4 文章编号：1001-1277（2024）09-0008-04

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20240902

引 言

四川某铅锌矿选矿厂产生的尾矿全部进入尾矿库，经过多年采选，尾矿库库容即将消耗殆尽，而申请新建尾矿库的条件苛刻、流程困难，同时也增加了矿山投资。日后产生的尾矿如何处置成为该矿山亟须解决的问题。在目前的技术条件下，将尾矿制备成充填料浆输送至井下充填采空区是大量消耗尾矿的途径之一。

就选矿厂产出的尾砂而言，尾砂充填包括全尾砂充填、分级粗尾砂充填和分级细尾砂充填［1］。全尾砂充填是将选矿厂产出的全粒级尾砂制备成充填料浆充填到井下采空区，形成的充填体性能较好，但是由于矿石经破碎后的碎胀性，其尾砂消耗率只有40 %～50 %，剩余全尾砂将排进尾矿库；分级粗尾砂充填是将经过旋流器分级后的粗尾砂用来充填，分级后的细尾砂排放尾矿库，分级粗尾砂形成的充填体性能最好，但是尾矿库采用分级细尾砂筑坝，会增加尾矿库安全风险；分级细尾砂充填是将经过旋流器分级后的细尾砂用来充填采空区，分级后的粗尾砂进行建材化利用，如制砖、建筑用砂等，但分级细尾砂难以浓密和固化是该方法面临的问题。

通过上述分析可知，分级细尾砂充填是目前实现矿山无尾排放的最优途径，同时在近几年的充填技术革新下，科研工作者和工程技术人员已经突破了分级细尾砂充填所面临的技术难题，包括通过研发高效浓密设备和新型胶凝材料，既能将分级细尾砂浆浓密到较高浓度，又能实现对分级细尾砂经济有效固结［2-3］。因此，本文根据四川某铅锌矿的尾砂特性和周边条件，针对该矿山尾砂开展充填试验研究，提出适合该铅锌矿的尾砂综合利用方案。

1 尾砂综合利用方案

1.1 尾砂性质分析

对全尾砂进行物理化学性质分析，全尾砂真密度为2.83 g/cm3，-74 μm粒级占比39.3 %，-35 μm粒级占比26.5 %，-19 μm粒级占比19.8 %，平均粒径为130.4 μm。根据国内矿山充填常用的尾砂分类方法，若-19 μm粒级占比小于20 %，或者平均粒径大于74 μm的尾砂属于粗粒级尾砂［4］。利用德国BRUKER S1 TITAN MODEL 600光谱仪对全尾砂化学成分进行分析，结果如表1所示。由表1可知：该尾砂主要化学成分为CaO、SiO2和MgO。

1.2 尾砂消耗量计算

矿山日采选能力为400 t，矿石密度为3 t/m3。

1）井下日平均产生采空区体积为：

QR=Ad/ρk（1）

式中：QR为井下日平均产生采空区体积（m3/d）；Ad为矿山日采选能力（t/d）；ρk为矿石密度（t/m3）。

经计算：井下日平均产生采空区体积为133.33 m3。

2）矿山日平均充填量为：

Qd=ZK1K2QR（2）

式中：Qd为矿山日平均充填量（m3/d）；Z为采充比，取1；K1为充填体沉缩率，取1.1；K2为充填料浆流失系数，取1.05。

经计算：矿山日平均充填量为154 m3。当充填不均衡系数取1.3时［5］，矿山日最大充填量为200.2 m3。

3）尾砂选充平衡。

选矿厂每日矿石处理量为400 t，尾砂产率70 %，当矿山采选完全达到设计能力时每日可产生尾砂约280 t。不同工况尾砂消耗计算结果如表2所示。由表2可知，矿山每天充填可以消耗的全尾砂量为210 t，则每天有70 t全尾砂需要处理。

1.3 综合利用方案

若采用全尾砂充填，矿山每天有四分之一的尾砂仍待处置。因此，本次尾砂综合利用方案设计采用以74 μm粒级为界线的分级细尾砂进行充填，同时对分级后的粗尾砂进行建材化利用。

由试验得出，分级细尾砂的充填质量浓度为66 %～68 %。由表2可知：当矿山采用分级细尾砂进行充填时，矿山每天充填可以消耗的尾砂量为158 t，每天将有122 t分级粗尾砂需要处理。水力旋流器的分级效率一般为70 %，那么水力旋流器针对该矿山全尾砂的分级比例为39.5 %，其与全尾砂-74 μm粒级占比基本吻合［6-7］。因此，针对该矿山“细尾砂充填，粗尾砂外售”的尾砂综合利用方案在理论上是可行的。

2 尾砂充填配比试验

为进一步验证该矿山“细尾砂充填，粗尾砂外售”的尾砂综合利用方案在实际上是可行的，以该矿山74 μm粒级以下的分级细尾砂为研究对象，开展充填强度配比试验。

本次试验考虑该矿山暂时没有充填站，根据充填料浆流动性试验设计泵压输送和自流输送2种方式，供矿山选择，因此充填质量浓度设计66 %和68 % 2个水平。本次试验采用矿山附近水泥厂的胶固粉作为胶凝材料，分级细尾砂作为骨料，配比试验各因素及水平如表3所示，对各因素、水平开展全面试验［8］。各龄期单轴抗压强度测试结果如表4所示。

由表4可知：当充填质量浓度为68 %时，灰砂比1∶12的充填体强度可以满足采矿要求；当充填质量浓度为66 %时，灰砂比1∶10的充填体强度可以满足采矿要求。由此可得，该矿山分级细尾砂可以实现胶结充填。

同时，考虑到目前细尾砂充填的另一个难题是细尾砂浓密，即如何将细尾砂浆浓密到高浓度。解决该难题的途径之一就是借助高效的浓密装备。目前，用于尾砂浓密的装备有砂仓、深锥浓密机和膏体仓储式浓密机等。

传统的砂仓系统包括立式砂仓和卧式砂仓。其中，立式砂仓由于结构简单投资少而应用更广。但是，由于砂仓主要利用尾砂颗粒在重力作用下的自然沉降来提高浓度，粗颗粒尾砂沉降快，细颗粒尾砂沉降慢，在尾砂浓密过程中，溢流水中携带了大量细颗粒尾砂，因此传统砂仓不适合细尾砂浓密。深锥浓密机是从国外引进的浓密技术装备，其结构外形由圆柱筒体加锥形底组成，内部包含中心液压传动装置、絮凝沉降装置、耙架和过载保护装置等，国内矿山经过近十几年对技术的消化吸收，深锥浓密技术已经较为成熟。同时，也暴露出了深锥浓密机的一些应用局限，其在浓密偏粗尾砂时容易发生压耙事故，在浓密偏细尾砂时放砂浓度波动较大，一般适用于大型矿山的大采场大流量充填。由于尾砂不能长时间在深锥浓密机中存留，所以其尾砂的存储能力不足，不能满足“采-选-充”的时空差异问题［9］。

为了满足无尾矿山不同工况下的充填，选择膏体仓储式浓密机，其是在前几代浓密装备的基础上进行的优化创新，外部结构主要由平底式的圆筒体组成，内部结构包括中心絮凝装置、阶梯式排水系统、仓储系统、均质化造浆系统和放砂系统。该浓密装备的主要优点是内部无耙架，系统能耗极低；适用范围广，不同粒径范围的尾砂都可以处理；尾砂处理能力大，处理能力可达1.2～1.4 t/（m2·h）；拥有均质化造浆技术，既防止尾砂板结，又能保证底流放砂浓度稳定；仓内可以保持较高的泥层高度，底流浓度可有效提高；优化后的絮凝沉降技术可使溢流水含固量小于300×10-6；平底结构安装方便、占地面积小，同时系统建设投资低［10］。

3 尾砂建材化利用方案

在目前的市场环境和技术环境下，分级细尾砂较分级粗尾砂建材化利用的难度更大。当前分级细尾砂的利用途径有制作陶瓷、微晶玻璃、自流平及特种材料等，但是上述利用途径对细尾砂的化学成分、粒径及安全环保等方面的要求较为严格，同时需求量较小。相对而言，粗尾砂对技术要求较低，因此分级粗尾砂的可利用空间很大，如可以作为大宗建筑材料（建筑细砂、加气砖和灰砂砖等）的原材料［11］。随着国家对河砂和采石场的管控，建筑用河砂及机制砂的成本将越来越高，而以矿山尾砂为原材料的建筑用砂将成为建筑行业材料消耗的新途径之一，同时也是尾矿资源化利用的热门研究方向，可以预见未来会涌现出更多的尾砂利用新技术和新方法。

尾砂建材化利用方案实现的途径有2种：一是矿山企业投资建设生产线，同时将产品对外进行销售，这种方法前期投资大，工艺复杂，销售途径和客户需求不确定性较大;二是与附近水泥厂或建材厂合作，利用其现有设备和生产线生产成品，或将分级粗尾砂直接售卖给生产厂家。

综合上述分析，鉴于该矿山年尾矿产出能力不大，适合第二种尾砂利用方式。因此，本次研究对该矿山周边进行了现场调研。经过调研可知，该矿山距离乡镇6.5 km，矿山30 km范围内有2家水泥厂，其中有一家水泥厂有小型制砖生产线。

为进一步落实该矿山尾砂建材化，对该矿山尾砂制作的充填体试块进行浸泡水水质检测试验，验证在胶凝材料的固结作用下，尾砂中的重金属元素是否能够被有效抑制。将达到28 d强度的充填体试块放入密封袋中加水密封，浸泡7 d后取其浸出液进行水质检测。由表1全尾砂化学成分分析结果可知，尾砂中具有潜在环境安全风险的重金属元素有Fe、Pb、Zn、Cu、Cr和Mn等。充填体浸泡水水质检测结果如表5所示［12］。根据GB/T 14848—2017 《地下水质量标准》和GB 8978—1996 《污水综合排放标准》，该浸泡水水质在地下水Ⅲ类水质以上，同时也满足国家污水排放标准要求。在胶凝材料水化过程中，水化产物通过吸附作用和置换作用将重金属离子有效固结在充填体中［12-13］。由此可知，将该矿山分级粗尾砂用于制砖或建筑用砂等途径是可行的。

4 成本分析

本次经济成本分析主要针对该矿山全尾砂充填和分级细尾砂充填（粗尾砂建材化处理）2种方式的成本对比，其主要包括胶凝材料成本、尾矿库排尾成本及尾砂对外销售收益。通过了解，该矿山向尾矿库每排放1 t尾砂的处理成本为10元，本地强度等级42.5水泥售价为350元/t，胶固粉价格为450元/t。由于该地区地理位置及周边需求等因素影响，该矿山分级粗尾砂对外售价约为15元/t。经济成本分析结果如表6所示。由表6可知，采用分级细尾砂充填（粗尾砂建材化处理）的方案比全尾砂充填方案在经济成本上更有优势，每天可以节省3 422.1元。同时，分级细尾砂充填，粗尾砂建材化处理可以实现该矿山无尾矿山的建设。

5 结 论

1）通过分析该矿山尾砂性质，计算得出尾砂充填时尾砂消耗量，结果显示，无论采用全尾砂充填还是分级尾砂充填，都不能将尾砂全部处理掉，从而提出了针对四川某铅锌矿尾砂的“细尾砂充填，粗尾砂外售”的综合利用方案。

2）针对该矿山分级细尾砂展开了一系列充填配比试验，并为矿山选择了适合该矿山尾砂特性的浓密装备。结果显示，采用矿山附近水泥厂的胶固粉可以实现分级细尾砂胶结充填。充填料浆质量浓度为68 %，灰砂比1∶12时，28 d抗压强度为0.59 MPa，满足矿山采矿要求。

3）通过现场调研和试验分析，验证该矿山分级粗尾砂建材化利用是可行的。

4）对全尾砂充填和分级细尾砂充填（粗尾砂建材化处理）2种方式进行成本对比分析，结果显示，后者每天比前者节省3 422.1元。该研究成果可为类似矿山企业建设无尾绿色矿山提供指导与借鉴。

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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