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1、第34章选矿厂尾矿综合利用及环境保护年评傅平丰 邹安华孙春宝倪 文北京科技大学土木与环境工程学院矿物加工工程系矿山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，其主要成分为造岩矿物，如石英、长石、云母类、石榴子石、角闪石、粘土、辉石及方解石、白云石等硅酸盐矿物、碳酸盐矿物等，某些矿山尾矿中也含有大量金属矿物，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。不同类型矿种、矿石其矿物成分不同。根据尾矿的物理与化学性质，目前以尾矿为主要原料可开发的产品如下：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1。近年来为
2、了提高尾矿综合利用率，国家工信部及多个部门已联合编制了金属尾矿综合利用专项规划(20102015)，从国家决策层面做出尾矿利用规划。经过多年努力，我国在尾矿整体利用上已取得了很大进展。选矿过程中产生的废渣、废水、废气（简称“三废”）会挤占大量土地、农田，破坏景观和植被，造成环境污染，给人类生产和生活带来严重影响。多年来，经过矿山工作者以及相关行业人员不断努力，通过持续提高资源综合利用工艺技术及对 “三废”处置关键技术、设备的开发，加强环保监督管理，矿山环境得到逐步改善，相继出现了一批示范性绿色矿山。34.1 尾矿综合利用34.1.1尾矿制备建筑材料34.1.1.1 尾矿制备胶凝材料工业废渣是水
3、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的混合材活性指数影响很大，李北星等2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-矿渣基胶凝材料的颗粒群分布、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28d抗折强度、抗压强度分别达到了24.4Mpa和97.0MPa。 朱明等3以铁尾矿为掺合料，按照铁尾矿20%、水淬高炉矿渣53.5%、水泥熟料20%、二水石膏6%、早强剂氯化钠0
4、.5%的配比，制备出具有一定力学强度的胶凝材料，其强度达到32.5标号的通用硅酸盐水泥的要求，可替代低标号水泥，又可作为充填采矿的充填胶结材料。 铁尾矿活性较低，孙恒虎等4发现经热处理可提高铁尾矿的水化胶凝活性，以马鞍山姑山铁尾矿为原料，热处理可使铁尾矿中高岭石发生分解，当高岭石完全分解时，铁尾矿胶凝活性最好，随着活化温度的进一步升高，方解石分解产生的CaO会消耗高岭石分解产生的活性SiO2和活性Al2O3，导致胶凝活性下降；在实验条件中，700热活化处理的铁尾矿水化胶凝活性最好。 碱激发胶凝材料主要包括碱矿渣水泥、碱激发粉煤灰水泥、碱激发火山灰水泥等，而铝土矿选矿尾矿的化学组成主要为SiO2
5、和Al2O3，其矿物中含有一定量的高岭石，因此在一定程度上可满足碱激发胶凝材料的原料要求。叶家元等5在低碱、常温条件下制备得到以煅烧铝土矿选矿尾矿为主要原料的碱激发胶凝材料砂浆，其28d抗折强度10.0MPa、抗压强度60.0MPa，分别经3%的Na2SO4和Mg2SO4溶液浸泡28d后，没有发生强度降低现象，不仅外观保持完整而且强度略有上升，其结构致密，长期稳定性好。 刘文永等6研究了不同铁尾矿掺加量对胶凝材料性能的影响，将尾矿、石灰石、铝矾土、煤灰等混合煅烧制成胶凝材料，与GB/175-2007通用硅酸盐水泥标准对照, 铁尾矿掺量为6%的胶凝材料强度达到了52.5硅酸盐水泥标准；铁尾矿掺量
6、为10%的胶凝材料的强度达到了42.5硅酸盐水泥标准；铁尾矿掺量为15%的胶凝材料强度达到了32.5硅酸盐类水泥的标准。 近年来，也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7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
7、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。 无论是金属尾矿或非金属尾矿，在经过物理化学改性激发后，都可以具备很好的水化活性，并且性能优越，质量稳定。当作为水泥混合材使用时，金属尾矿混合材会在水泥水化中参与二次反应，也就是尾矿中的活性物质与熟料水化生成物进一步作用，溶解度降低的水化硅酸钙、水化铝酸钙等具有胶凝作用的矿物得以生成，从而提高了水泥强度。在熟料中按不同的配比掺加6种金属尾矿并对水泥所表现出的强度进行研究时，倪明江等8发现当尾矿掺配比为15%25%时，尾矿水泥强度的递减幅度较小，呈现U型变化规律；另外，还发现水泥的28d强度递减速率较3d强
8、度递减速率降低，认为是由于随着水化时间的延长，尾矿潜在活性组份与熟料生成物反应更加充分，水泥强度得到更大发挥。 尾矿自身的化学组成和活性决定了它的特殊性，当被用做水泥原料时，是有最佳掺量范围的，一般只有在这个掺量范围内掺加，才能给水泥生产带来最大的利益。在对磁铁矿尾矿作水泥混合材的研究中，毛裕均等9在实验过程中固定混合材总量为30%，分别用5%、10%、15%、20%、25%的尾矿替代石煤渣矿渣配制成水泥进行强度检验。其结果表明，尾矿取代石煤渣掺量在20%或以下时，水泥的3d强度和28d强度基本保持平稳，当尾矿掺量为25%时，3d抗压强度下降7.2%，而28d抗压强度下降12.5%；尾矿替代矿
9、渣掺量在25%或以下时，水泥的3d强度基本保持平稳，28d抗压强度随尾矿掺量的增加而逐级下降，掺量25%时下降达18.2%。尾矿煅烧水泥时是有最佳温度的，温度过低则导致熟料矿物质量差，温度过高则影响生产设备的寿命且不利于节能。按质量比掺加5%的尾矿作矿化剂和铁质原料并在实验室高温炉不同温度条件下进行水泥熟料煅烧试验，施正伦等10在对熟料样品的f-CaO和XRD进行了分析，结果表明，1200煅烧得到的熟料样品C3S含量较低，但1300烧成的熟料样品中，C3S含量大大增加，而相应的C2S质量分数降低，f-CaO也基本被吸收掉，但当温度继续升高至1400 时，熟料各矿物的质量分数变化很小，并且和某厂
10、实际生产出的熟料十分接近，但烧成温度较该厂降低了100150。由此可见，采用该尾矿进行水泥煅烧时，要在传统水泥烧成温度上适当降低。34.1.1.2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，市场范围受运输限制的难题，从而解决制约我国铁尾矿大宗高值利用的瓶颈问题，与传统水泥生产工艺相比还具有节能的优点11。倪文等12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
11、成高强混凝土材料。制得的铁尾矿混凝土材料28d抗压强度高达97. 63MPa，制品中铁尾矿掺量达到70%。徐丽等13等研究了微磨球效应对铁尾矿制作混凝土的影响，利用梯级混磨产生的不同物料之间的微磨球效应，制备出了超高强铁尾矿混凝土，制品尾矿掺量达到70%，抗压强度达到109.13MPa，抗折强度达到15.53MPa, 并具有良好的安定性和耐久性。另外，倪文等14 采有齐大山铁尾矿为主要原料制备了人工鱼礁混凝土，掺加70%铁尾矿的人工鱼礁混凝土在标准养护28d情况下的抗压强度为47.3MPa，抗折强度为8.6MPa，达到了人工鱼礁的力学性能要求，海水浸泡实验表明，尾矿人工鱼礁材料是一种海洋相容性
12、良好的胶凝材料。 倪文等15 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高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。 倪文等16 研究了高效减水剂对铁尾矿混凝土性能影响，结果表明聚羧酸系高效减水剂对新拌混凝土的工作性能最有利，掺入UNF- 5的硬化混凝土各龄期的抗压强度最高, 28d强度已经达到80MPa。 陈杏婕等17以密云地区铁矿废石为粗骨料和铁尾矿
13、为细骨料，将铁尾矿与矿渣水泥熟料、脱硫石膏通过梯级混磨得到混合料，与单独磨细的钢渣粉混合为胶凝材料，加入减水剂和水后制备成高强混凝土材料，该混凝土的固废总比例达到91%，使用废石代替天然石子，铁尾矿代替天然砂子，其天然砂石替代率达到100%，制得的混凝土试块28d抗压强度达到75.92MPa。34.1.1.3尾矿制作公路工程用材料 尾矿砂可用于公路的路基、路面材料。赵学远18的测算表明，每利用1000m3尾矿砂，可减少路基填筑取土（取土深1.5米）用地1 亩，可减少尾矿砂占地（尾矿砂堆积高度3 米）0.5亩，代替石屑做基层可节约矿山资源920 m3，可降低工程造价2 万元以上，社会效益和经济效
14、益十分显著，在地方道路及乡村道路大有推广应用前景。 易生龙等19研究了金山店铁尾矿用于高速公路路面基层材料，以无侧限抗压试验结果(试件中水泥、碎石、铁尾矿和改性生物酶的质量比为5:30:68:2)为基础，研究聚丙烯纤维掺量对路面基层材料的力学性能和耐久性能的影响。结果表明，在聚丙烯纤维掺量为1.5g/m3的情况下，试件的劈裂抗拉强度达到0.396MPa，抗弯拉强度达1.641MPa，抗弯拉强度与无侧限抗压强度之比为0.27，冻融循环和干湿循环情况下的无侧限抗压强度均大于5MPa，抗冻系数大于0.80，水稳系数大于0.88，试件冲刷率为0.139g/min，质量损失比为1.92%，各项力学性能、
15、耐久性能均满足高速公路和一级公路的要求，说明铁尾矿作为高速公路路面基层材料的主要成分是可行的。 刘小明等20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。 徐帅21研究了鞍钢齐大
16、山铁尾矿替代部分砂石，作为填料应用于低等级公路。结果表明，石灰含量为 30% 以上的石灰稳定铁尾矿砂的抗压强度能满足 JTJ 0342000公路路面基层施工技术规范（低等级公路基层强度要求0.8 MPa）强度要求，即可满足二级或二级以下道路基层要求，通过比较石灰稳定铁尾矿与常用的水泥稳定砂砾应用于低等级公路基层材料的经济性，石灰稳定铁尾矿砂的费用为71.91元/m3，而水泥稳定砂砾的费用为112.30元/m3，表明无机结合料中加入铁尾矿砂后能够降低道路工程造价。刘炳华等22研究了尾矿砂填筑公路路基的物理力学性质, 遵化地区的尾矿砂级配比较均匀,在掺加量15%时适宜作为路基填料并具有足够的稳定性，可以替代粉煤灰、钢渣等路堤填料。34.1.
