鄭 競，程 波，楊 武，劉 朋，陳士超

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗室 河南洛陽 471039

長 期以來，我國礦山尾礦排放量巨大，2019 年全國尾礦排放量為 12.72 億 t，尾礦綜合利用總量約為 4.13 億 t，綜合利用率約為 32.5%。盡管尾礦綜合利用率呈逐年上升趨勢，但每年仍有約 70% 的尾礦未得到有效利用，加之以前尾礦堆存數(shù)量巨大，尾礦規(guī)模化利用的潛力很大[1]。

尾礦排放占用大量土地資源，形成尾礦庫。含有重金屬元素的尾礦對礦區(qū)的水土資源造成巨大威脅[2-5]，破壞礦山的生態(tài)環(huán)境。尾礦庫的長期運(yùn)作及維護(hù)耗費(fèi)大量的資金，給企業(yè)帶來了沉重的負(fù)擔(dān)；同時，它是一個高勢能風(fēng)險源[6-7]，且存在潰壩的風(fēng)險。

隨著“十四五”規(guī)劃的開展，國家重視礦山產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革，施行綠色礦山和資源循環(huán)利用的可持續(xù)性發(fā)展規(guī)劃，陸續(xù)發(fā)布大宗固體廢棄物排放和利用的政策、法律、法規(guī)，尾礦排放成本越來越高。尤其是《中華人民共和國長江保護(hù)法》和《中華人民共和國黃河保護(hù)法(草案)》的實(shí)施，嚴(yán)禁在長江和黃河流域擴(kuò)建和新建尾礦庫，大多數(shù)礦山面臨無法擴(kuò)容、甚至無尾礦庫可用的狀況?？梢?，開展尾礦處理和綜合利用技術(shù)研究既是環(huán)境保護(hù)所需，也是提高礦山企業(yè)效益、發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求。

1 產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀

尾礦處理和綜合利用技術(shù)有很多，綜合來看，主要可以分為三大類，即減量化、資源化、無害化，具體如圖 1 所示。

圖1 尾礦處理和綜合利用技術(shù)的分類Fig.1 Classification of technology about tailings treatment and comprehensive utilization

1.1 減量化

減量化是指礦山企業(yè)在設(shè)計和產(chǎn)品規(guī)劃上，減少尾礦的排放，主要包括 3 個方面，主要礦物再選、回收伴生有價礦物、尾礦充填采空區(qū)。

1.1.1 主要礦物再選

隨著選礦技術(shù)的發(fā)展和選礦廠管理水平的提高，很多選礦廠對主要礦物進(jìn)行再選，一般以鐵礦選廠為主，如首鋼水廠鐵礦選廠[8]、梅鋼梅山鐵礦[9]、研山鐵礦[10]、昆鋼大紅山鐵選礦廠[11]、本鋼歪頭山選廠[12]等，分別利用新工藝或新設(shè)備在原有尾礦中回收鐵精礦，提高了鐵礦的回收率；其他礦山，如江西某金礦[13]、阿舍勒銅礦[14]、新疆某稀有金屬公司[15]等，也對尾礦進(jìn)行了再磨再選實(shí)踐，提高了資源利用水平。從尾礦中回收主要礦物，可以避免資源的浪費(fèi)，減少尾礦排放，還能提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1.1.2 回收伴生有價礦物

我國礦產(chǎn)資源具有品位低、嵌布粒度細(xì)、伴生礦物多等特征，許多礦石除了主要礦物外，還伴生有其他許多有價組分。在尾礦中回收伴生的有價礦物，是尾礦減量化的重要途徑之一。

洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)三道莊礦區(qū)從鉬尾礦中回收低品位白鎢礦[16]和黃銅礦[17]，規(guī)模相當(dāng)于一個大型的鎢礦選廠，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。金堆城鉬業(yè)汝陽東溝選廠利用“盤式磁選機(jī)+滾筒磁選機(jī)+淘洗機(jī)”全磁流程，從浮鉬尾礦中回收超低品位的磁鐵礦[18]，獲得了品位為 63% 的鐵精礦，年創(chuàng)收約 3 000萬元。安慶銅礦[19]通過磁選、脫硫浮選的工藝流程獲得了磁黃鐵礦，年產(chǎn)量達(dá)到 200 萬 t，效果顯著。鄭曄等人[20]研究了從黃金尾礦中回收貴重金屬，實(shí)踐表明，黃金尾礦中常含有可回收的貴重金屬，可通過不同的選礦工藝進(jìn)行回收。雖然從尾礦中回收伴生有價礦物的技術(shù)難度較高，且回收率往往較低，但是其需要的磨礦能耗較少，成本較低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。隨著新的選礦技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，人們還可以從已閉庫或正在排放的尾礦中選出其中的有用組分，提高資源的利用效率。

1.1.3 尾礦充填采空區(qū)

利用尾砂作為礦山充填料的膠結(jié)充填技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外礦山，一般應(yīng)用在使用階段充填法[21]的礦山，是尾礦大量減排的主要措施之一。尾礦充填不僅能夠控制礦山地壓活動，避免地表塌陷，保障采礦安全，還能夠消耗大量的固體廢棄物[22]。常用的尾礦充填工藝有 2 種，一是粗尾砂充填，它投資少，易于管理，充填體強(qiáng)度相對較高；二是全尾砂充填，該充填工藝復(fù)雜，對生產(chǎn)管理要求較高，投資和運(yùn)行成本更高，但是有條件實(shí)現(xiàn)采充平衡和礦山零排放[23]。目前，全尾砂充填技術(shù)為主流充填技術(shù)，已成功應(yīng)用于李樓鐵礦[24]、冬瓜山銅礦、白象山鐵礦、會寶嶺鐵礦、崇禮紫金金礦、香爐山鎢礦、阿舍勒銅礦、喀拉通克銅礦、薩熱克銅礦、金川鎳礦、銅綠山銅礦、會澤鉛鋅礦、謙比希銅礦、伽師銅礦等多個礦山采空區(qū)治理[25]。尾礦充填的關(guān)鍵技術(shù)在于充填料體積分?jǐn)?shù)的控制，它不僅影響膠結(jié)粉的用量，還影響著充填體的強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)時間等。在滿足充填礦漿順利輸送的條件下，通過深錐濃密機(jī)或者立式砂倉等設(shè)備，輔以先進(jìn)的自動化控制手段，將充填體積分?jǐn)?shù)提高至 60%～65%，是尾礦充填的重要工作。

尾礦減量化可大幅消納尾礦和廢石，是尾礦處理和綜合利用的首要選擇。尾礦再選與回收有價元素的經(jīng)濟(jì)效益顯著，近年來，在尾礦回收工藝技術(shù)和回收設(shè)備上都有很大進(jìn)展，但該利用途徑受尾礦本身特性及回收技術(shù)的影響較大，需要因地制宜地進(jìn)行深入研究，而且再選和回收有價元素后，仍然會產(chǎn)生大量尾礦或二次污染。尾礦充填工藝技術(shù)成熟，但大部分礦山的選礦比較高，難以在采空區(qū)和全部尾礦之間實(shí)現(xiàn)充填平衡，且露天開采的礦山不具備充填條件，必須聯(lián)合其他尾礦利用技術(shù)，才能從根本上解決尾礦排放的問題。

1.2 資源化

我國尾礦的物化性質(zhì)復(fù)雜，需要因地制宜地制定不同的資源化方案。尾礦資源化利用的主要途徑是以尾礦為原料生產(chǎn)建材產(chǎn)品。目前成熟的資源化產(chǎn)品可分為兩大類，一是燒制產(chǎn)品，如微晶玻璃、發(fā)泡陶瓷、燒結(jié)磚、陶瓷粒、水泥等；二是免燒產(chǎn)品，主要是免燒磚、蒸氣磚、混凝土骨料等。

尾礦的種類和物質(zhì)組成雖然千差萬別，但是基本組分中大多含有 SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O 等，其綜合利用途徑是有規(guī)律可循的[26]。一般來說，根據(jù)尾礦的化學(xué)成分和礦物組成，除去有毒有害物質(zhì)，調(diào)整尾礦摻入比例，添加合適的輔助材料，通過適當(dāng)?shù)墓に嚕晕驳V為原料生產(chǎn)燒制產(chǎn)品的技術(shù)可行性較高。

1.2.1 燒制產(chǎn)品

尾礦燒制建材產(chǎn)品的代表是微晶石(也稱微晶玻璃)，微晶石的主要成分是 SiO2，與許多尾礦成分相似。據(jù)實(shí)驗室初步研究結(jié)果，尾礦在微晶玻璃原料中可以占到 25%～36%[27]。中國地質(zhì)科學(xué)院尾礦綜合利用研究中心利用其專利技術(shù)，推廣實(shí)施了多個綜合利用尾礦制造微晶石項目，如在新疆、陜西鳳縣和洛南縣、山西浮山縣等[28]。在燒結(jié)磚方面，梅山選礦廠[29-30]根據(jù)其尾礦的特有性質(zhì)，開展了尾礦制造燒結(jié)磚試驗和半工業(yè)試驗研究，尾礦摻量達(dá)到 75%，免燒磚抗壓強(qiáng)度達(dá)到 24.89 MPa，并且項目得以成功工業(yè)化。馬冬陽[31]的研究表明，鋁土礦尾礦制造耐火材料從工藝技術(shù)上是可行的，但到目前為止，尾礦制造耐火磚項目的工業(yè)實(shí)踐較少。發(fā)泡陶瓷是一種具有保溫、防火、隔音的墻材[32-33]，經(jīng)過改良后，發(fā)泡陶瓷已經(jīng)發(fā)展成為復(fù)合微晶發(fā)泡陶瓷，其主要生產(chǎn)工藝路線為：利用尾礦、陶瓷廢料制成微晶石顆粒，然后將細(xì)粒級微晶顆粒研磨至 -200 目約 70% 之后，加入發(fā)泡劑和裝飾材料，再經(jīng)過二次燒制成型，最終生產(chǎn)出復(fù)合微晶發(fā)泡陶瓷。微晶發(fā)泡陶瓷既有發(fā)泡陶瓷的性能，又具有裝飾外墻的作用[34]，已逐漸被用作裝配式建筑外墻，在河南、江西、山東等地成功應(yīng)用[35]，是一種發(fā)展前景良好的墻材產(chǎn)品。

尾礦組分中有黏土、石灰石、鐵(全鐵品位一般大于 20%)、SiO2等，當(dāng)其中一個的含量較高時，可以用作水泥原料。山東昌樂縣特種水泥廠、山東沂南磊金股份有限公司分別將銅尾礦和金尾礦摻入水泥原料中，在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，降低了水泥生產(chǎn)成本。山東鋁廠也用生產(chǎn)氧化鋁的泥渣來制造高標(biāo)號水泥[36]。

尾礦燒制產(chǎn)品的附加值一般較高，但是尾礦利用率較低，利用量較少。此外，生產(chǎn)過程中需要將燒制溫度提高到 1 000 ℃ 以上，能耗較大，不符合“碳達(dá)峰、碳中和”的長期發(fā)展目標(biāo)，而且容易產(chǎn)生二次污染，難以大規(guī)模推廣。

1.2.2 免燒產(chǎn)品

尾礦制造免燒的建筑材料不需要高溫?zé)Y(jié)，制造過程一般不會產(chǎn)生二次污染，是一種綠色環(huán)保、低能耗、廉價的資源化方法。尾礦生產(chǎn)的免燒產(chǎn)品主要有免燒磚、混凝土骨料、粗細(xì)砂、蒸汽磚等。免燒磚又稱非燒結(jié)磚或新型墻磚，它是指一大類不經(jīng)燒結(jié)的，符合利廢、節(jié)土、節(jié)能、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展方向的，符合建筑墻體承重、安全、耐久技術(shù)要求的，新型實(shí)心或空心墻體磚[37]。免燒磚又分為標(biāo)準(zhǔn)磚塊、透水磚、仿生石材磚、路沿石、護(hù)坡磚等等。

尾礦生產(chǎn)免燒磚已經(jīng)成功應(yīng)用在大線溝金礦[38]，不但消納了尾礦，還產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。商洛市華潤建材化工工貿(mào)有限公司以鉬尾礦為主要原料，投資建設(shè)屋面瓦、馬路磚、墻體磚的生產(chǎn)線及配套設(shè)施，每年可處理尾礦 6 萬 t，年產(chǎn)值達(dá)到 2 000 萬元，利潤達(dá)到 450 萬元[39]。事實(shí)上，免燒磚的制造對尾礦原料的組分要求較低，鐵[40]、銅[41]、鉛鋅[42]、鉬[43]、黃金等尾礦均可生產(chǎn)符合國家建筑標(biāo)準(zhǔn)的免燒磚，但是由于市場需求小和運(yùn)輸距離短等原因，實(shí)施項目并不多見。

尾礦做混凝土骨料是最簡單的尾礦綜合利用方式之一，主要以 0.1 mm 以上粒級的中粗尾礦為主，如鐵礦預(yù)先選別的尾礦和一些粒度較粗的有色金屬礦。在實(shí)際應(yīng)用方面，馬鞍山姑山鐵礦[44]、安鋼集團(tuán)舞陽礦業(yè)公司[45]、北京密云鐵礦[46]、南京梅山鐵礦、蕪湖和成礦業(yè)等，都將預(yù)先選別的粗粒級尾礦用于建筑用砂，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，根據(jù)尾礦的粒度特性，3～20 mm 的尾礦還可以用作路基材料[47]。

免燒產(chǎn)品對尾礦化學(xué)成分要求較低，只要不含放射性元素和重金屬離子等有毒有害物質(zhì)即可，其產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模大，尾礦利用量較大，缺點(diǎn)是產(chǎn)品附加值較低，產(chǎn)品運(yùn)輸距離短。

1.3 無害化

尾礦無害化主要分為兩方面，一是尾礦消除重金屬和放射性元素等有害物質(zhì)之后，用于土壤改良劑或無機(jī)緩釋肥[48]等；二是尾礦堆存之后進(jìn)行復(fù)墾，以避免環(huán)境污染或發(fā)生重大安全事故。

河南煤化集團(tuán)與北京海達(dá)華尾礦資源公司合作的“鉬尾礦無害化農(nóng)用產(chǎn)品項目”，研發(fā)出土壤調(diào)理劑及鉬尾礦緩釋肥，并完成了尾礦無害化處理農(nóng)用的全部工作[49]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，雖然尾礦用于無機(jī)肥料在工藝技術(shù)上可行，卻難以大面積推廣，實(shí)踐較少。其原因是尾礦中的成分比較復(fù)雜，還需要加入其他材料進(jìn)行改良，工藝成本、尾礦處理成本和運(yùn)輸成本均較高。

經(jīng)過減量化和資源化后，還有大量的尾礦需要處理。當(dāng)前主流的尾礦處理方法：一是尾礦庫濕式堆存；二是尾礦經(jīng)過濃密和壓濾后干式堆存[50]；三是在高體積分?jǐn)?shù)的尾礦中加入膠結(jié)劑，實(shí)現(xiàn)固結(jié)排尾。濕式堆存法包括低體積分?jǐn)?shù)礦漿和膏體堆存；尾礦干堆在國內(nèi)外的應(yīng)用案例較多，主要集中在黃金礦山[51]，該方法可以減少黃金尾礦中的有毒物質(zhì)對土壤和地下水的污染[52]；固結(jié)排尾的總成本低于尾礦庫排尾[53]，但該技術(shù)在推廣應(yīng)用中還不成熟，需要進(jìn)一步的實(shí)踐研究。

閉庫之后的尾礦庫往往會產(chǎn)生揚(yáng)塵、土壤污染、周圍土質(zhì)退化等問題，尤其是重金屬中殘留的有毒有害藥劑對庫區(qū)周圍農(nóng)作物和環(huán)境也將產(chǎn)生長久的污染[54]。尾礦復(fù)墾就是在閉庫后的尾礦庫灘面及坡面上覆土，然后種植農(nóng)作物或經(jīng)濟(jì)作物等，固定尾礦，使其在自然條件下不被風(fēng)吹雨淋帶走，減少其對周邊環(huán)境的污染。尾礦復(fù)墾一般復(fù)墾為林地、草地和耕地等，不僅解決了尾礦庫污染和安全問題，具有良好的環(huán)境效益，還有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[55]。

無論是濕排還是干堆尾礦庫，其環(huán)境治理都是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多專業(yè)、多領(lǐng)域的合作，在管理方面需要多部門協(xié)同，建立尾礦庫復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)和評估體系，持續(xù)推進(jìn)綠色礦山建設(shè)。

2 存在的問題和思考

雖然我國持續(xù)開展在尾礦處理和綜合利用方面的研究工作，也取得了一些成果，推動了一批項目落地，但是尾礦綜合利用率依然較低，大規(guī)模的尾礦利用項目較少，尾礦處理和綜合利用技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)工程化、產(chǎn)業(yè)化，主要原因有以下幾個方面。

(1)經(jīng)濟(jì)效益不明顯，企業(yè)投資動力不足 尾礦在工業(yè)上的應(yīng)用，大多為回收尾礦中的有價金屬或直接作為機(jī)制砂銷售；利用尾礦生產(chǎn)的高附加值的產(chǎn)品種類較少，成本也較高，市場競爭力不足；尾礦制造免燒磚的生產(chǎn)成本雖然可控，但是由于運(yùn)輸成本的問題，銷售范圍一般在 300 kW 以內(nèi)。這些因素導(dǎo)致大規(guī)模的尾礦綜合利用項目難以落地。

(2)需要多領(lǐng)域、多專業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新和研究尾礦處理和綜合利用是涉及到采礦、選礦、材料、化學(xué)、建筑、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、生態(tài)等多學(xué)科的復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多領(lǐng)域的協(xié)同和合作研究。而目前尾礦綜合利用的產(chǎn)品種類有限，單一產(chǎn)品的利用量少，也難以在規(guī)模上有所突破。

(3)中小型礦山的資源和環(huán)保意識不足 中小型礦山的采選工藝落后，資源利用率低，對尾礦多亂堆亂排，缺乏系統(tǒng)性的尾礦處理和綜合利用規(guī)劃。目前國內(nèi)對綜合利用尾礦資源、改善生態(tài)環(huán)境的呼聲很高，國家也相繼出臺了相關(guān)法律、法規(guī)，但仍有不少礦山企業(yè)對尾礦利用與治理工作缺乏應(yīng)有的重視，寧肯交納環(huán)境污染費(fèi)，也不愿意投資尾礦的利用與治理。加之這些礦山較多而且分散，地方政府也難以采取有效措施對其進(jìn)行綜合管理[56]。

(4)缺乏長遠(yuǎn)規(guī)劃，資金投入不足 長期以來，尾礦利用項目在資金上得不到保證，投入嚴(yán)重不足。我國支持資源綜合利用的專項資金較少，融資渠道沒有解決，再加上礦山行業(yè)對經(jīng)濟(jì)周期依賴性強(qiáng)，尾礦利用資金籌措困難。這導(dǎo)致了大量的技術(shù)研究工作雖然具有實(shí)驗室的可行性，但是落地實(shí)施的項目較少。這也是我國尾礦利用率不高、礦區(qū)土地復(fù)墾面積少的重要原因。

綜上所述，尾礦處理和綜合利用產(chǎn)業(yè)存在涉及領(lǐng)域廣、處理量大、資源利用容易產(chǎn)生二次污染、尾礦綜合利用產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益低等問題，在當(dāng)前的綜合技術(shù)水平和社會環(huán)境、政策環(huán)境中，尾礦綜合利用率達(dá)到 100% 的難度較高。建議從政府層面引領(lǐng)尾礦處理和綜合利用產(chǎn)業(yè)工作，組織統(tǒng)籌協(xié)同多領(lǐng)域、多部門聯(lián)合創(chuàng)新和合作；技術(shù)上，按照“三化”技術(shù)路線，推動產(chǎn)學(xué)研有機(jī)結(jié)合，加快技術(shù)向工程化、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變；監(jiān)督管理上，建立完善的尾礦處理和綜合利用管理標(biāo)準(zhǔn)和評估體系，從而推動尾礦處理和綜合利用產(chǎn)業(yè)又好又快的發(fā)展。

2021 年以來，根據(jù)《“十四五”規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》對環(huán)境保護(hù)的總體要求，國家發(fā)改委先后下發(fā)了《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》和《關(guān)于開展大宗固體廢棄物綜合利用示范的通知》，旨在提升尾礦等大宗固體廢棄物的綜合利用水平。

3 結(jié)語

尾礦處理和綜合利用產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)多年發(fā)展，各領(lǐng)域的從業(yè)者做了大量的工作，取得了一些成果，但是產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模依然不大，產(chǎn)品種類少、規(guī)模小，整個產(chǎn)業(yè)尚處于初步發(fā)展階段。筆者建議從整個產(chǎn)業(yè)大局出發(fā)，在技術(shù)規(guī)劃上，堅持“減量化、資源化和無害化”的技術(shù)路線；從礦山設(shè)計和生產(chǎn)的角度，減少尾礦的排放量，開展因地制宜的資源化利用；對于不能資源化的尾礦，進(jìn)行無害化處理，消除環(huán)境污染和安全事故風(fēng)險，進(jìn)行復(fù)墾和土壤改造，合理消納尾礦，建設(shè)和諧的綠色礦山。