选矿厂尾矿综合利用途径及应用
李国栋，贺爱平，张晋
湖北冶金地质研究所（中南冶金地质研究所）
摘要：选矿尾矿是一种含有微量金属矿物和大量非金属矿物的二次资源，为实现选矿尾矿的综合利用，对其造成的不利影响以及综合利用研究现状进行了综述。目前根据尾矿的物理与化学性质，以尾矿为主要原料可开发的产品包括：建筑用砖、胶凝材料、混凝土集料与骨料、水泥、矿山采空区的充填料、微晶玻璃、建筑陶瓷、隔热保温材料等。经过多年努力，我国的尾矿整体利用水平已取得了很大进步。
关键词：选矿尾矿；影响；二次资源；综合利用
引言
矿产资源是人类赖以生存的重要生产资料之一，目前我国90%以上的能源和80%左右的工业原料都来源于矿产资源。矿产资源主要有金属矿及非金属矿，我国矿产资源主要特点是矿石种类多、品质差，且单一品种的矿产资源较少，共、伴生矿较多，矿石元素组成复杂，可直接通过单一选矿方法进行选别的矿产资源较少。这就造成大部分矿山在进行单一选矿后，产生大量可以进行综合利用的尾矿。资料显示，化学、黑色金属矿山中尾矿占比达到矿石总量的50%～80%，有色金属矿山尾矿占总量的70%～95%，而黄金、铝、钨、坦、铌等稀有金属矿山尾矿量更是高达99%。
1 选矿尾矿的影响
1.1 造成资源浪费
在传统选矿方式下，产生的大量尾矿基本都输送至尾矿库，处于废弃状态。但是实际上尾矿中还有很多有用成分，如果不对其进行充分利用，会造成大量的资源浪费。比如攀钢、鞍钢、金川镍矿等大型企业，尾矿资源浪费非常严重；大冶铜矿尾矿中，含铜量达6.3 万吨，含金量达3373kg，含银量达56175kg，含铁量达276.85 万吨，显示出尾矿资源浪费严重的现实。
1.2 污染环境
选矿尾矿中通常会含有有害物质，并且入选矿石经粗碎细磨后，其粒度大多小于0.075mm，所以将其堆存在尾矿坝、河道、山谷、低地等地方，难免会渗流或溢出，或在风力作用下会造成扬尘，造成水污染、大气污染和土壤污染。例如金属矿山尾矿所造成酸性水污染，不仅污染水源和土壤，还影响生态平衡；尾矿中氰化物、黄药、黑药、松节油、酚类化合物等化学物质如果不恰当处理，也会造成极大的安全威胁。
1.3 占用土地
目前，国内大部分矿山尾矿通常被当成工业废弃物排入尾矿库，建设尾矿库需要征地并采取各种工程措施，不仅增加矿山投资，还占用大量的农田、林地，同时又给矿区周边增加了安全隐患。一些大型尾矿坝，如鞍山铁矿尾矿坝，其占地面积已经达到15km2， 白云鄂博矿山尾矿坝占地面积达到11km2。
2 选矿尾矿综合利用方法研究及应用
2.1 尾矿制备建筑材料
2.1.1 尾矿制备胶凝材料
工业废渣是水泥的常用混合材，常用的工业废渣有水淬高炉矿渣、粉煤灰、煤矸石等，部分尾矿经粉磨后也可用作混合材。不同粉磨方式对尾矿混合材活性指数影响很大，李北星等人研究了混合粉磨、单独粉磨、梯级粉磨这三种粉磨方式对铁尾矿-矿渣基胶凝材料性能的影响。结果表明：在粉磨能耗相等的条件下，梯级粉磨制备的铁尾矿-矿渣基胶凝材料的粒级分布、强度、水化进程及孔结构优于混合粉磨和单独粉磨；另外，利用梯级粉磨制得的铁尾矿-矿渣基胶凝材料配制的砂浆28天抗折强度、抗压强度分别达到了24.4MPa和97.0MPa。
近年来，有不少研究者利用尾矿制备出了高强水泥熟料，如朱建平等人[4]采用铅锌尾矿和页岩配制高C3S硅酸盐水泥熟料并应用XRD对水泥熟料中的C3S进行了研究。结果表明：1500℃下可以制备出C3S含量高达74.52%的熟料，而普通硅酸盐水泥中C3S的含量仅占55%左右。并且，在回转窑正常煅烧温度下，铅锌尾矿和页岩所配高C3S硅酸盐水泥熟料可以烧成，最高C3S含量可达70.71%。熟料中加入4%的石膏制得水泥，其性能可以达到52.5R硅酸盐水泥的强度要求。掺加20%尾矿粉后水泥可达到普通水泥42.5R的强度要求，掺加30%尾矿粉后水泥可达到普通水泥32.5R的强度要求。
2.1.2 尾矿制作高强度混凝土
利用铁尾矿制备高强混凝土，不仅可以解决极细粒尾矿难以利用的难题，还能够解决尾矿制品附加值低、市场范围受运输距离限制的难题，从而解决制约我国铁尾矿大宗髙值利用的瓶颈问题，与传统水泥生产工艺相比还具有节能的优点。倪文等人采用分级方法将首钢密云铁矿尾矿分为+0.08mm和-0.08mm两部分，其中，-0.08mm粒级尾矿与水泥熟料、脱硫石膏通过三级混磨形成胶凝材料，然后将胶凝材料与作为骨料的+0.08mm粒级尾矿混合，并加入减水剂制备成高强混凝土材料。制得的铁尾矿混凝土材料28天抗压强度高达97.63MPa，制品中铁尾矿掺量达到70%。
倪文等人研究表明：不同养护方式对铁尾矿混凝土的强度有较大影响，以未磨的鞍钢齐大山铁尾矿为骨料，以铁尾矿、高炉矿渣、水泥熟料和天然石膏3级梯级混磨产品为胶凝材料制成铁尾矿混凝土试块，先蒸汽养护比直接标准养护更有利于提髙铁尾矿混凝土的早期强度。先56℃蒸汽养护还能提高铁尾矿混凝土的后期强度，但先90℃蒸汽养护对铁尾矿混凝土的后期强度有负面影响。
2.1.3 尾矿制作公路工程用材料
尾矿砂可用作公路的路基、路面材料。赵学远的测算表明：每利用1000m3尾矿砂，可减少路基填筑取土（取土深1.5m）用地1亩，可减少尾矿砂占地（尾矿砂堆积高度3m）0.5亩，代替石屑做基层可节约矿山资源920m3，降低工程造价2万元以上，社会效益和经济效益十分显著，在地方道路及乡村道路大有推广应用前景。
刘小明等人研究了石棉尾矿用作高速公路水泥稳定基层集料的可行性，研究表明：石棉尾矿的表观密度为2.65kg/cm3，压碎值小于12%，磨耗值小于23%，完全满足水泥稳定基层集料的基本性能要求。配合比设计结果表明：石棉尾矿水泥稳定基层的最优水泥用量为4%，其无侧限抗压强度达到3.17MPa，满足水泥稳定基层的要求；对石棉尾矿级配碎石形成机理研究，发现其颗粒呈立方体状，能够形成良好的嵌挤结构。 因此得出石棉尾矿具有良好的嵌挤性和适宜的抗压强度，是较好的水泥稳定基层集料原材料。
2.1.4 尾矿制作建筑用砖
建筑砖在生产过程中大量消耗土地资源，而我国人均耕地不足，可利用的地表黏土资源越来越少，部分省份已经明确不得生产和使用黏土砖，行业生存危机越来越明显，亟需寻求替代原料，大量赋存的各类尾矿成为首选替代资源。利用尾矿不仅可以制普通烧结砖和蒸压砖，还可以制地面装饰砖和免蒸免烧砖等。
张一敏等人以鄂西硅质页岩为骨料，采用压制成型方法制备鄂西高磷赤铁矿尾矿免烧免蒸砖，对赤铁矿尾矿与页岩的用量进行了配比试验，并考察了成型水分、成型压力对制品抗压强度的影 响。结果表明：在尾矿掺量78%、页岩10%、水泥10%和石膏2%的配比下，成型水分15%、成型压力20MPa的最佳条件下，制作的免烧免蒸砖制品抗压强度达到15.15MPa，密度小于1600kg/m3，可满足《非烧结垃圾尾矿砖》（JC/T 422—2007）的强度要求。
2.2 尾矿用作矿山采空区的充填材料
对于大部分井下开采的矿山，选矿尾矿可以作为矿井有效充填材料，其充填费用仅为碎石水力充填费用的10%-25%。尾矿充填不仅解决了尾矿排放问题，减少了企业的经济负担，还具有良好的社会效益。凡口铅锌矿、焦家金矿等利用尾矿作采空区充填料，尾矿利用率分别达到95%和50%以上，效果明显。
传统的尾矿充填多采用分级脱泥尾砂作为胶结充填的主要骨料，尾砂利用率一般只有50%左右。为了提高尾砂利用率，高浓度全尾砂胶结充填技术取得进展，全尾砂胶结充填技术已在部分有色、黑色金属矿山得到成功应用。
姜薇等人研究了细粒铁尾矿胶结充填体的性能。利用工业粉状废物配制的无水泥固结剂为胶凝材料固化细粒铁尾矿，所得固结体强度和经济性均优于用325号水泥。与325号水泥相比，用量相同时，其固结体抗压强度约高84%以上。在恰当情况下，5种激发剂（水玻璃、氯化钙、三乙醇胺、氯化钠、硫酸钠）单掺、复掺均能对体系活性、水化反应起到激发作用，提髙强度，其中单掺三乙醇胺的技术经济指标最好，当灰砂比为1:5.5、三乙醇胺掺加量为固结剂的0.05%时固结体7天抗压强度增加了约20%，成本约为每吨尾矿33.64元，为细粒铁尾矿井下充填提供了经济适用的技术。
2.3 尾矿制作微晶玻璃
微晶玻璃又称玻璃陶瓷，是一种通过熔融冷淬然后控制析晶制得的多晶材料，由玻璃相和晶相构成，兼具玻璃的基本性能和陶瓷的多晶特征。以金属和非金属尾矿以及炉渣废弃物为原料制备微晶玻璃具有很大的应用潜力，尾矿主要成分一般为SiO2、CaO、Al2O3和MgO，而这些成分也是微晶玻璃生产所需的重要原料，通过适宜的生产工艺利用尾矿制备微晶玻璃是一项“变废为宝”的技术。
2.3.1 金属尾矿制作微晶玻璃
马明生等人研究了以镍渣为主要原料采用熔融法制备建筑用微晶玻璃，以Cr2O3作为晶核剂，分析镍渣微品玻璃成核及晶化过程。通过计算表明，以镍渣为主耍原料制备的基础玻璃在加入质量分数2%的Cr2O3时，其结晶活化能（E）为371.1kJ/mol，结晶动力学参数k(Tp)为0.29。研究结果显示：加入晶核剂的基础玻璃从930℃开始均匀地析出透辉石相晶体；随着温度升高，晶体尺寸也逐渐增大，在温度达到950℃后，对样品进行30min保温热处理，样品中的晶体尺寸达到10-15μm。
2.3.2 非金属尾矿制作微晶玻璃
孙小卫等人利用新疆可可托海锂辉石矿尾矿研制出低膨胀微晶玻璃，并通过实验探讨了低膨胀微晶玻璃的成分、热处理制度与其性能之间的关系。通过控制微晶玻璃的成分和相应的热处理制度可以分别得到不同的微晶玻璃，当主晶相为β-石英固溶体时，可以得到透明微晶玻璃；而当主晶相为β-锂辉石固溶体时，得到不透明微晶玻璃；使用TiO2和ZrO2两种晶核剂，晶化温度不超过820℃，晶化时间不超过2h，得到透明的β-石英固溶体微晶玻璃；当晶化温度超过950℃时，得到不透明的β-锂辉石固溶体微晶玻璃。
2.4 尾矿制作轻质隔热保温材料
建筑保温材料主要分为有机保温材料和无机保温材料两种，有机保温材料具有质轻、保温、隔热性能好的优点，但是存在易燃、易老化、安全性能差等致命缺点。以金属尾矿、废玻璃、粉煤灰、煤矸石等废弃物为主要原料生产的无机建筑保温材料，具有防火性能好、变形系数低、抗老化等优点。无机建筑保温材料主要有泡沫陶瓷、泡沫玻璃、陶粒、泡沫水泥、保温砂浆、加气混凝土砌块、岩棉等产品。
2.4.1 尾矿制备加气混凝土砌块
加气混凝土砌块是一种轻质多孔型的新型材料，具有容重轻、保温性能好、可加工等优良性能，因此被广泛用于工业与民用建筑中，成为新型保温材料中的重要产品。
黄晓燕等人研究了以铜尾矿制备无石灰加气混凝土产品，用铜尾矿-矿渣-水泥熟料-风积砂原料体系制备蒸压加气混凝土，以富钙镁的铜尾矿和矿渣代替传统加气混凝土所需的石灰。以铜尾矿、矿渣、风积砂、水泥熟料、石膏的质量分数分别为30%、35%、20%、10%和5%配合，所制备的B06级蒸压加气混凝土的绝干密度为610.2kg/m3，抗压强度为4.0MPa，达到了《蒸压加气混凝土砌块》 (GB/T11968—2006)规定的A3.5、B06级加气混凝土要求。物相分析显示，所制备的加气混凝土中主要结晶相是板状的托贝莫来石、硬石膏、残留的石英以及来自原始铜尾矿中的残留矿物。
2.4.2 尾矿制作泡沫陶瓷
泡沫陶瓷材料是一种具有高温特性的多孔材料，孔径从纳米级到微米级不等，气孔率在20%-95%，是经高温发泡烧成的密闭气孔材料，具有吸水率低、耐老化等优良性能，在未来的建筑领域里，利用尾矿、煤矸石、粉煤灰等工业废弃物生产的泡沫陶瓷具有广泛的应用前景和广阔的市场价值。泡沫陶瓷制造工艺通常有高温发泡法、添加造孔剂法、有机前驱体浸渍法、注模法、SHS（高温自蔓延合成法）等。
近年来，利用高温发泡法制造泡沫陶瓷已形成规模，山西省介休市安晟科技发展有限公司利用铁尾矿、煤矸石、粉煤灰、陶瓷碎片、玻璃碎片等工业垃圾生产防火保温泡沫陶瓷，建成全国最大的泡沫陶瓷生产线，生产出的产品防火性能达到A级。工程全部投产后，可实现年产值25亿元，利税10亿元，安置1000人就业。该项目实现了废物的循环利用，延伸了产业链，填补了山西节能保温墙体泡沫陶瓷材料缺口。
2.4.3 尾矿制备陶粒
陶粒是一种人造轻质粗集料，一般呈圆形或椭圆形球体，外壳表面粗糙而坚硬，内部多孔，呈蜂窝状，具存质轻、保温、隔热、耐火、抗震等性能，广泛应用于建筑保温材料领域。陶粒一般以页岩、黏土岩等经粉碎、筛分、高温烧结而成。随着工业尾矿、废渣等固体废弃物的与日俱增，用尾矿、粉煤灰、煤矸石等为原料生产陶粒已成为一种必然趋势。
张蔚以煤矸石、高岭土尾矿为主要原料，添加氢氧化钾为助熔剂，在烧成温度为1150℃、氢氧化 钾掺量3%、保温11min的条件下，可以烧制出800级的轻质高强陶粒，其各项性能指标符合GB/T17431.1—2000中规定的人造高强轻粗集料的指标要求。烧成温度对高岭土尾矿、煤矸石烧制陶粒的性能指标影响大，添加适量的氢氧化钾对烧制的性能有所改善，而保温时间对于烧制陶粒的筒压强度影响较大，但对堆积密度及吸水率影响较小。
2.4.4 尾矿制备轻质保温墙体材料
随着我国城镇化的深入、地价的上升、建筑抗震等级的提高，框架结构建筑物比例越来越高，市场对非承重、低容重、隔热保温墙体材料的需求也日益旺盛，掺加尾矿制备的轻质、保温、高力学强度、低成本的保温砖就有了潜力巨大的市场。喻杰等人以水泥为胶凝剂、黄石市灵乡铁矿尾矿为主要原料制备轻质保温墙体材料，研究了轻骨料膨胀珍珠岩、铁尾矿及其碱性激发剂掺量和水灰比对试件抗压强度、容重、导热系数的影响。结果表明：碱性激发剂对铁尾矿的活性有显著激发作用，从而可提高铁尾矿的掺加比例，减少水泥用量；当水泥、铁尾矿、激发剂、膨胀珍珠岩的质量比为1:2.5:0.25:0.63、水灰比为0.8时，试件28天抗压强度大于5MPa，容重小于900kg/m3，导热系数小于0.231W/(m·K)，可满足轻质保温墙体材料的性能要求。
3 结语
选矿尾矿主要成分为造岩矿物，如石英、长石、云母类、石榴子石、角闪石、黏土、辉石及方解石、白云石等硅酸盐矿物、碳酸盐矿物等，某些尾矿中也含大量金属矿物，如褐铁矿、黄铁矿等，也有些尾矿中含有一定量的可回收金属矿物及非金属矿物等。根据尾矿的物理与化学性质的不同，以尾矿为主要原料开发的产品包括：建筑用砖、胶凝材料、混凝土集料与骨料、水泥、矿山采空区充填料、微晶玻璃、建筑陶瓷、隔热保温材料等。经过多年努力，我国选矿尾矿综合利用已取得较大进展。
