矿业固体废物处理与利用

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1、矿业固体废物处理与利用摘要：矿业废物是“矿业固体废物”的简称，指开采和选洗矿石过程中产生的废石和尾矿。 矿业废物产量大，处理处置困难，对环境造成严重破坏。本文针对煤矿和有色金属矿，从矿 业废物的产生和特点，污染和危害，目前采用的处理方法以及研究状况与最新进展等方面， 进行了简略介绍。关键字：煤矸石，尾矿，矸石回填，综合利用。、，- 、前言目前，矿业面临的环境问题是在废弃物的处理和资源化以及矿业废弃地的生态恢复与重 建等问题上表现出来。矿山固体废物的主要来源是采矿后产生的废石和矿山选矿产生的尾 矿。矿山废石的堆积和尾矿坝的构筑,不仅侵占大量土地和农田,而且大量的矿山废石、尾矿 的排放,会严重破坏

2、土地资源的自然生态环境,破坏自然景观,并且因其成分复杂,含有多种有 害成分甚至放射性物质,严重污染水源和土壤,污染矿区和周围环境。因此,如何对矿山固体废 物进行综合处理,既改善矿山生态环境, 又充分利用矿山固体废物中的有用成分,变废为宝,缓 解矿产资源供需紧张矛盾,是人类社会面临的重要课题。1 矿业固体废物的产生和特点1.1 矿业固体废物的产生矿业废物是“矿业固体废物”的简称，指开采和选洗矿石过程中产生的废石和尾矿。矿 石开采过程中，需剥离围岩，排出废石，采得的矿石亦需经选洗，提高品位，排出尾矿。我国是世界采矿大国，现有各类矿山企业约 15.3 万个，其中国有矿山 7650 个，集体 企业 6

3、.9 万个，私营及个体企业 5.8 万个，余为其他经济类型企业，开采矿产 143 种。伴 随各类矿产资源的开发利用，产出了大量的固体废弃物。这些固体废弃物的存量既是我国千 百年矿业开发的历史积累，也是矿产资源利用不合理的结果，其主要的四种物质来源为：尾 矿、废石、煤矸石和粉煤灰，尤以废石为多。我国矿山废弃物的累计数量也相当巨大，且逐 年增多，一个省份的矿山尾矿和固废物总量可达几亿至几十亿吨。可以预见的是，随着矿石 开采量的上升和品位的下降，每年矿山固废物的排放量还将不断增加。各种金属和非金属矿石均与围岩共同构成。煤矸石约占煤炭产量的 1015，是我 国排放量最大的工业固体废弃物。开采 1 吨煤

4、，一般要排出200公斤左右煤矸石。煤电生产 过程中排除大量的粉煤灰也成为煤矿固体废弃物。据有关部门统计，截止到 2004 年底，全 国有矸石山 1500 多座，占地约 22 万多公顷。目前，我国煤矸石的存积量已达 41 亿 t 以 上，随煤炭产量的逐年增加，煤矸石排放量也不断增长，按照我国目前的煤炭年产量 25 亿 t 计算，排矸量在仍在以每年 45 亿 t 左右的速度增长。大量矸石堆积，造成了严重的环 境损坏，成为影响煤炭工业可持续发展的一大难题。有色金属矿山每采出1 t矿石平均约产 生1. 25 t废石，废石年产生量高达1. 06亿t,建国以来累计量高达21. 5亿t。尾矿是从矿 石中分选

5、出有用矿物后,剩余的含有用矿物很少的废渣,习惯上称为尾砂。有色金属矿山每采 出1 t矿石平均约产出0. 92 t尾砂，尾砂年产生量达7 780万t,累计量约11亿t,利用率 仅为 6% ,占地约 8 000 hm2。随着工业生产的发展，总的趋势是富矿日益减少，金属、非金属生产越来越多地使用贫 矿，如20世纪初，开采的铜矿一般含铜率为3，后来开采的铜矿一般含铜率为 1左右， 这就导致矿业废物数量迅速增加，全世界每年约排放矿业废物300多亿吨。大量的矿业废物 造成环境的严重污染。1.2 矿业固废的特性1.2.1 煤矸石的物理、化学成分及特性煤矸石是多种矿物混合组成的沉积岩，主要由高岭土、石英、蒙脱

6、石、长石、伊利石、 石灰石、硫化铁、氧化铝和少量的稀有金属氧化物组成。主要的岩石种类由黏土岩类、砂岩 类、碳酸盐类和铝质岩类，在不同地域的煤矸石还含其他盐类及重金属盐类。煤矸石中的部 分盐类可溶于水。煤矸石的化学成分复杂，主要成分为氧化硅、氧化铝、硫化铁。煤矸石经 过高温煅烧可具有表面活性。1.2.2 尾矿的成分及特性由于矿种不同，成矿地质条件不同，产生的尾矿成分也就相应不同。例如银山铅锌尾矿 中 SiO2、Al2O3、K2O 占总成分的 80%以上，主要矿物为石英和绢云母，其中石英含量为 5154%，绢云母含量为2934%，且大部分绢云母呈单体形状，粒度较细；而新墨西哥圣马 苟尔地区佩克斯选

7、厂铅锌硫化矿浮选尾矿主要元素组成为:Au 1.75g/t、Ag 22.5g/t、Cu 0.44%、 Pb 0.54%、 Zn 0.68%、 Fe 12.6%、 S 10.2%。具体情况以实际检测为准。2 矿业固体废物的污染和危害冶金矿山固体废物的危害是多方面的，主要可以分为占据土地，产量持续增加，污染水 资源和土壤，污染大气环境，造成塌方、滑坡、泥石流等地质灾害，可能含有砷、镉或其他 放射性元素以及尾砂危害等。2.1占据土地，产量续增废石和尾矿的堆存占据了大片土地。美国哈尔鲁斯特矿是世界著名的露天矿，预计采完 后，会留下300亿t的尾矿。这些尾矿如堆成4.6m高，将占地1610km2。假使这些

8、尾矿找 不到用途，堆存的方法又不改善，那么将要在明尼苏达北部出现一个新的撒哈拉沙漠。到 1988年末，中国63个主要有色冶金矿山已堆存废石和尾矿为主的固体废物4.5亿t，占用土 地63km2,自1989年起，每年平均净增2500万t固体废物，新占土地350万m2。铁矿山中， 仅大孤山，西果园、南芬、姑山矿的尾矿库就占地810万m2,自1989年起，中国每年还要 增加9000万t以上的铁尾矿。2.2污染水资源和土壤固体废物中含有的有害物质还污染水资源和土壤。矸石山表层暴露于空气，经雨水的浸 渍、阳光暴晒下分解产生可溶矿物、煤矸石本身所含的可溶性矿物随天然降水和地表径流进 入江河湖泊、开采沉陷积水

9、区。矸石山扬尘在风力作用下携带有害物质进入地表水体。或随 渗流沥水进入附近土壤渗入地下水，矸石山流出的水PH值可达到3,并且携带镁、钠、 钾离子及铅、砷、铬等有害重金属离子，造成地区和区域性的地表水与地下水污染。位于阳 泉一矿北头村东平沟煤矸石山自燃后，矸石山下原有的一个山泉积水池失去引用价值，泉水 颜色改变，生物绝迹。据村委会调查，全村120户人家490人中，有10人患癌症，其中 肺癌4人，食道癌2人，喉癌1人，肠癌1人，膀胱癌1人，骨癌1人。矸石山在长 期的淋滤作用下，相应的元素运移至地表，被土壤吸附而富聚到表土层中。而土壤是由多种 细菌、真菌组成的生态系统，有害成份进入土壤，能杀死土壤中

10、的微生物，使土壤腐解能力 降低或丧失、土壤肥力丧失。破坏了植物适应的环境，导致土地产力下降，甚至草木不生。2.3污染大气环境煤矿矸石造成的大气污染可分为固体微粒悬浮物污染和有毒有害气体污染。造成的堆积 成山的表面矸石在半年到一年后产生约10厘米厚的风化层，随时间的推移和风化程度的加 深而变细。据统计，当发生4级以上风力时，直径在11.5cm的粉尘将从矸石山表面剥 离。形成扬尘悬浮物进入大气，其飘扬的高度在2050m以上，造成矿区大气污染。“灰 尘满天，污水横流，地面设施一片黑”成为很多矿区的典型写照。矸石山自燃、矸石发电产 生会产生大量的CO、SO2、H2S、NH3等有毒有害气体和烟雾污染进入

11、大气层造成严重的大气环境污染。例如，陕西省铜川市由于煤矸石自燃产生的S02量每天达37t。矿区大气 污染使附近居民慢性气管炎和气喘病的患者增多，周围数目落叶，庄稼减产。尾矿和粉尘随 风飞扬，污染矿区和周围环境。堆存不当的废石和尾矿，暴雨时可能塌方、滑坡、形成泥石 流，冲毁下游的村镇，造成人畜伤亡。2.4造成地质灾害煤矸石也可造成地质危害。随煤炭工业的发展，矸石堆积量不断增加，使潜在的矸石山 滑坡威胁增加，特别是矸石山的自燃加剧了滑坡崩塌的可能性。对矸石山附近居民住所、矿 区交通系统造成威胁。美国韦尔斯的阿伯芬发生了一次废石滑坡事故，造成一次伤亡800 多人的惨案。日本去泽矿山中泽尾矿坝1936

12、年塌陷死伤多人。2005年5月，平顶山四矿 的矸石山由于自燃发生崩塌事故，造成埋没附近民房烧死8人的重大事故。辽宁本溪也曾 发生过矸石山自燃造成人员中毒伤亡的事故。中国云南锡业公司新冠选矿厂、湖南东波有色 金属矿和陕西金堆城钼业公司、安徽黄梅山铁矿等先后发生过尾矿坝决口的严重事故。2.5尾砂危害尾砂具有颗粒细、体重小、表面积大，具有遇水容易流走、遇风容易飞扬等特点，因此， 尾砂对空气、水体，农田和村庄都是一种潜在的危害。1964年，英国威尔士北部的巴尔克 尾砂坝被洪水冲垮，尾砂流失后毁坏了大片肥沃的草原，其覆盖厚度达0. 5m,使土壤受到 严重污染，牧草大片死亡。1970年9月，赞比亚穆富利拉

13、铜矿尾砂坝的尾砂涌入矿坑内， 导致89名井下工人死亡，彼得森矿区全部被淹没。1986年，中国湖南东坡铅锌矿的尾砂坝 体因暴雨而坍塌，造成了数十人伤亡，直接经济损失达数百万元。2000年11月，广西河池 一尾砂坝倒坍，造成数十人死亡，数十间房屋倒塌，损失惨重。2008年9月8日，山西省 临汾市襄汾县新塔矿业有限公司尾矿库发生特别重大溃坝事故，造成277人死亡、4人失踪、 33人受伤，直接经济损失9619万。这就是震惊全国的9.8尾矿溃坝事件。3 矿业固废处理办法3.1 国内外利用治理现状世界各国都很重视煤矸石的处理和利用。自 20 世纪 60 年代开始，煤矸石的综合利用 就引起很多国家的高度重视

14、。到70年代，法国、德国等国家的煤矸石利用率已达30% 50，部分矿区的煤矸石利用率甚至达到 100。英国煤管局在 1970年成立了煤矸石管理 处，波兰和匈牙利联合成立了海尔得克斯矸石利用公司。这些机构专门从事煤矸石的处理和 利用。英国在 70 年代初开始以法规的形式提出矸石山的治理。 1988 年，英格兰有近 4700hm2的煤矿区废弃土地荒芜，其中93%的需要复垦治理。我国煤矸石处理利用起步较晚，起初对煤矸石处理主要是“以堆为主”，综合利用率较 低，“八五”期间综合利用率一直在 38左右长期徘徊。进入 21 世纪，树立了“因地制 宜，积极利用”的综合利用指导思想和“谁排放谁治理，谁利用谁受

15、益，以用为主”的利用 原则。2000年，全国煤矸石综合利用量已达6600万t,比1995年增加1000万t,综合 利用率由 1995 年的 38提高到 43。 2005 年全国煤矸石综合利用量增加到 8000 万 t， 综合利用率提高到 60。目前，全国 119 处国有重点煤矿，煤矸石综合利用率在 50以 上的有 72 处，占 60以上。其中开滦矿区 2000 年的综合利用率达 92。3.2 矿业固废无害化处理堆置是传统的处置方法：废石运至废石场，剥离岩石送入排土场，尾矿输入尾矿库。堆置就是将固体废弃物直接堆放到预先划定并作好准备的场地上。选择场地应遵循： 保护地下水质，防止地下水因受废石堆排

16、放的浸滤水的影响而变质；保护地表水，防止地 表水因废石堆风化淋蚀而增加泥沙负荷和溶解固体负荷；防止风蚀；保证人类安全，防 止洪水或地震造成灾害。因此选择场地必需对地形、水文地质情况、地震情况、水文情况、 大气情况等进行综合考虑。尾矿堆存要求更特殊，尾矿坝基础材料要有足够的强度，还应具有良好的不透水性。目 前尾矿坝堆放有两种较好的方法：尾矿半干堆垛；粗细残渣的共处置。把固体废物堆放 在堆放场后，可向固体废物堆表层覆盖石块、泥土，种植植物或对其表层进行化学处理，以 使固体废物堆稳定，减少二次污染。为了防止二次污染， 20世纪70年代着手固体废物的无害化处理。常用的处理方法有物 理法、化学法、植物法和土地复原法。（1）物理法。向废石和尾矿喷水、覆盖石灰、泥土、草根、树皮等。防止受水冲刷和 被风吹扬而污染环境。这种方法对铜尾矿最为有效。（2）化学法。利用可与尾矿化合的化学反应