楊志強，王永前，高 謙，陳得信，王 虎

(1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083;2.金川集團股份有限公司，甘肅金昌 737100)

0 引言

礦產(chǎn)資源開發(fā)和利用是國民經(jīng)濟建設與發(fā)展的基礎。資源開發(fā)和利用伴隨著大量尾砂、廢石、礦渣以及配套工業(yè)產(chǎn)出的廢渣等廢棄物排放。固體廢棄物堆放不僅污染環(huán)境，而且存在潛在潰壩、滑坡等地質(zhì)災害。因此，廢棄物資源化綜合利用備受關注，國內(nèi)外均開展了大量的研究與探索。充填采礦技術的創(chuàng)新與發(fā)展，為固體廢棄物資源化與規(guī)?；瘧锰剿鞒鲆粭l道路［1－3］。

利用選礦尾砂作為充填料進行充填法采礦，不僅是固體廢棄物資源化利用和環(huán)境保護的必由之路，而且也是降低充填采礦成本和提高采礦效益的有效途徑。由于全尾砂充填料細顆粒含量多，采用水泥作為膠凝材料導致充填體強度極低。因此，為了提高充填體強度不得不采用分級尾砂或與粗骨料混合或提高灰砂比，既增加了充填工藝，又提高了充填成本。近年來，隨著中國充填法開采鐵礦日趨增加，已經(jīng)開展了全尾砂新型充填膠凝材料的開發(fā)和利用研究，并且已經(jīng)取得工業(yè)化生產(chǎn)［4］。徐文彬等針對超細全尾砂充填材料，開展了膠凝成巖機理試驗研究［5］。陳超等人針對冀東地區(qū)鐵礦全尾砂充填料物化特性，開展了全尾砂膠結充填體強度增長規(guī)律試驗研究［6］。鐘海斌、杜聚強和李茂輝等開展了鐵礦全尾砂新型充填膠凝材料開發(fā)以及流變試驗研究，已經(jīng)在東凱礦業(yè)實現(xiàn)工業(yè)化應用［7－9］。

礦井掘進與采礦伴隨大量廢石排出，這是礦山另一類大宗固體廢棄物。廢石作為充填料應用于充填采礦是值得關注的問題。前蘇聯(lián)早在20世紀80年代開展了廢石在充填采礦的應用研究。廢石用作充填材料，可節(jié)省膠結充填料制備的部分費用和廢石運出礦坑的費用，從而降低了充填成本。因此前蘇聯(lián)和其它國家在充填礦山越來越廣泛地使用膠結充填料或固結漿和廢石進行充填［10］。根據(jù)采礦技術條件及對充填體的強度和變形要求，目前可分為“同時輸送固結漿或膠結充填料和廢石”、“分別輸送廢石和固結漿進行分層充填”和“先用廢石充填采空礦房，然后壓注固結漿”等三種廢石充填工藝。1997年中國首次在深部銅礦針對礦房礦柱兩步回采工藝，采用廢石進行二步礦房的充填技術研究［11］。隨后在新橋鐵礦、崇義章源鎢礦、板溪銻礦以及紅透山銅鋅礦等礦山先后進行了與上述充填工藝相類似的廢石充填技術研究［12－15］。嚴慶文等在會澤鉛鋅礦進行了膏體—廢石聯(lián)合充填技術及應用研究，但仍采用先廢石充填，后采用膏體料漿覆蓋的充填工藝［16］。目前中國廢石廢棄物的規(guī)模化利用，廢石充填料漿的管道輸送充填技術與工藝是其關鍵技術，有待于開展深入研究和工程實踐。

1 概況及物化特性

1.1 礦山固體廢棄物概況

環(huán)境資源、礦產(chǎn)資源和生物資源等自然資源統(tǒng)稱為一次資源。人類生產(chǎn)和生活所排放和丟棄的大量“廢水”、“廢氣”和“廢固”在目前技術經(jīng)濟條件下暫時不用，人類完全有能力將這些廢物變成新的二次資源。金川鎳礦是中國最大、世界上位居前列的超大型硫化銅鎳礦床。經(jīng)過55年來的開發(fā)利用，已經(jīng)排放大量的“三廢”資源。尤其是選廠尾砂、礦井廢石、冶煉廠水淬渣以及生產(chǎn)生活鍋爐粉煤灰等固廢排放量尤為突出。

1.1.1 金川礦山選礦尾砂

金川鎳礦石選礦尾砂產(chǎn)率在85%以上，自1965年起到2012年底，尾砂排放量超過1.1億t，儲存在金川礦山的3個尾礦庫中。按照礦山發(fā)展規(guī)劃，2015年礦石生產(chǎn)能力將達到1 000萬t，每年產(chǎn)生尾砂達到850萬t。

1.1.2 金川冶煉爐渣

金川公司自1963年冶煉系統(tǒng)投產(chǎn)至2011年，累計產(chǎn)出銅鎳渣2 900萬t，每年鎳銅系統(tǒng)產(chǎn)出冶煉爐渣246 萬 t。

1.1.3 銅鎳水淬渣提鐵后尾砂

借鑒國內(nèi)外先進經(jīng)驗，金川礦山啟動了“110萬t/年銅爐渣選礦工程化項目”。采用“破碎、半自磨+球磨、浮選和脫水”的選礦工藝以及大型、高效和節(jié)能型設備，對爐渣進行處理，每年產(chǎn)生銅渣尾砂100萬t。

1.1.4 粉煤灰和脫硫灰渣

金川礦山現(xiàn)有熱電廠1座，在建熱電廠1座，電廠每年回收粉煤灰和脫硫灰渣超過11.5萬t。

1.1.5 二水磷石膏

位于金昌河西堡的甘肅甕?；す?，排放7 000萬t二水磷石膏露天堆放，并且每年還以400萬t的速度排放。

1.1.6 礦井廢石

金川礦山在開拓、掘進和采礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量廢石。自建礦投產(chǎn)以來，已經(jīng)產(chǎn)生數(shù)億噸廢石露天堆放，并以每年10%的速度遞增。僅2011年礦山產(chǎn)出廢石202.5 萬 t。

1.2 廢棄物物化特性

1.2.1 金川選廠尾砂

金川選礦尾砂的物化特性、粒度分析以及質(zhì)量分析結果見表1－表3。由此可見，金川選礦尾礦細度細，其中－0.074 mm粒徑占73%，孔隙率為57.5%。化學組成以SiO2和MgO為主，沒有膠結活性，屬于惰性材料。

表1 金川礦山全尾砂物性與粒徑分析結果Table 1 The analysis results of the physical properties and particle diameter of the tailing in Jinchuan mine

1.2.2 金川冶煉爐渣尾砂

金川銅鎳渣尾砂成分分析結果見表4。由此可見，銅鎳渣尾砂的主要成分是FeO和SiO2，次要成分是CaO、MgO、Fe3O4、Al2O3、Cu2S、FeS 等。金川銅鎳渣尾砂屬于FeO－Fe2O3－SiO2三元渣系，主要礦物組成是2FeO·SiO2。根據(jù)銅鎳渣尾砂的XRD圖譜和SEM電鏡掃描圖顯示，銅鎳渣尾砂有較多的鈣鎂橄欖石、鋁黃長石、鈣(鎂)鋁榴石以及普通(透)輝石等。銅鎳渣尾砂中的玻璃相與結晶體相間分布，硅(鋁)氧四面體或以玻璃網(wǎng)狀結構相連接，或以晶體格子狀質(zhì)點結構相連接，或以晶界過度狀結構相連接的物質(zhì)。根據(jù)化學成分獲得銅鎳堿性系數(shù)＜1.0。可見，金川銅鎳渣尾砂為酸性渣。銅鎳渣的質(zhì)量系數(shù)為0.25，活性系數(shù)為0.03，表明銅鎳渣尾砂質(zhì)量很差，渣中氧化鈣含量低，基本無活性。

1.2.3 粉煤灰和脫硫灰渣

金川礦山粉煤灰的物化特性以及粒徑分析結果見表5和表6。通常有濕法和干法或半干法兩種脫硫工藝。濕法脫硫產(chǎn)生的副產(chǎn)品是二水石膏。干法或半干法脫硫灰渣主要是以亞硫酸鈣和飛灰為主。

表2 金川礦山全尾砂化學成分分析結果Table 2 The analysis results of the chemical composition of tailing in Jinchuan mine

表3 金川礦山全尾砂質(zhì)量分析結果Table3 The analysis results of the quality of the tailing in Jinchuan mine

表4 金川銅鎳渣尾砂成分分析結果Table 4 The analysis results of chemical composition of the copper and nickel slag tailing in Jinchuan mine

表5 金川礦山粉煤灰物理性質(zhì)與粒徑分布Table 5 The analysis results of the physical properties and particle diameter of the flyash in Jinchuan mine

表6 金川礦山粉煤灰化學成分分析結果Table 6 The analysis results of the chemical composition of the flyash in Jinchuan mine

1.2.4 二水磷石膏

甘肅甕福磷石膏化學成分與磨細的粒徑分析結果見表7和表8。由此可見，甕福二水磷石膏的CaO在30%左右，SO3含量＞40%，不滿足水泥廠生產(chǎn)熟料對其技術指標的限制，難以應用于水泥材料的生產(chǎn)。對甕福磷石膏進行烘干和磨細的粒度分布特征參數(shù)見表8。

1.2.5 金川礦井廢石

金川鎳礦體賦存于含礦超基性巖體的中下部，富礦于主礦體中心，貧礦位于四周。礦體圍巖頂板主要為二輝橄欖巖，其次為大理巖。底板也以二輝橄欖巖為主，其次為橄欖輝石巖、綠泥片巖、大理巖。礦體頂板主要為二輝橄欖巖，占60%;其次為大理巖，占15%。底板也以二輝橄欖巖為主，占35%;其次為橄欖輝石巖、蛇紋透閃綠泥片巖、大理巖，各占約10%。金川鎳礦廢石的物化特性測試結果見表9和表10。

表7 甘肅甕福公司的磷石膏化學成分分析結果Table 7 The analysis results of the chemical composition of the phosphogypsum in Wengfu company 單位:%

表8 甘肅甕福公司的磷石膏粒徑分析結果Table 8 The analysis results of particle diameter of the phosphogypsum in Wengfu company

表9 金川礦山巖石物理性質(zhì)分析結果Table 9 The analysis results of the physical properties and particle diameter of the rock in Jinchuan mine

表10 金川礦山廢石化學成分分析結果Table 10 The analysis results of the chemical composition of the gob in Jinchuan mine 單位:%

2 “三廢”二次資源綜合利用研究現(xiàn)狀

金川礦山固體廢棄物排放不僅占用大量土地，而且還污染環(huán)境，并潛在著嚴重的安全隱患。因此，作為中國資源綜合利用的三大基地之一，金川礦山重視二次資源綜合利用研究與工程應用研究［17－19］。尤其“十一五”以來，金川礦山積極推進科技創(chuàng)新，大力實踐循環(huán)經(jīng)濟，在資源綜合利用和節(jié)能減排等方面取得了顯著成效。同時，金川集團公司逐步加大環(huán)境保護力度，自2009年以來，已經(jīng)投資23.18億元，建立了完備的環(huán)保設施，對部分廢水、廢氣和廢渣進行資源化利用和無害化處理，極大地改善了金川礦區(qū)的大氣環(huán)境和空氣質(zhì)量。目前已經(jīng)建成7套冶煉煙氣回收系統(tǒng)，每年生產(chǎn)硫酸252萬t;2套低濃度煙氣回收系統(tǒng)，每年產(chǎn)亞硫酸鈉15萬t;建成年產(chǎn)110萬t的銅爐渣選礦工程，實現(xiàn)對銅渣資源的二次回收利用。目前已經(jīng)打通了尾砂酸浸工藝流程，為尾礦和貧礦資源化利用提供了技術支撐;金川二礦區(qū)還開展了廢石粗骨料膠結充填技術攻關研究，從而拉開了利用井下廢石進行礦山充填的序幕。

2.1 選礦廠尾砂資源回收研究

金川鎳礦多年來一直在探索尾礦資源回收與綜合利用途徑，曾開展了尾礦再選、微生物浸出、酸浸、尾礦庫生態(tài)復墾、尾礦充填和生產(chǎn)建材等方面的技術攻關［20－23］。雖然取得了一定的成果，但總體上來看尾砂綜合利用率很低。2000年新建一套尾砂處理系統(tǒng)，部分尾砂經(jīng)旋流器分級，產(chǎn)出粗顆粒的分級尾砂，然后制備成高濃度尾砂漿進行尾砂膠結充填，每年利用尾砂僅10萬t左右。另外，金川集團實業(yè)公司每年利用10萬t尾礦用于制作復合模板、井蓋和井圈。2006—2008年，金川鎳礦與中國礦業(yè)大學合作，利用旋流靜態(tài)微泡浮選柱，分別進行了尾砂再選半工業(yè)試驗、機—柱聯(lián)合浮選半工業(yè)試驗和浮選柱全流程分選半工業(yè)試驗，其中浮選柱直接選別尾礦和替代二段浮選機選別取得了較好效果。

2010年金川鎳礦開展了金川尾礦酸浸試驗，經(jīng)過兩年多的實驗室研究和工業(yè)化現(xiàn)場試驗，取得了初步研究成果，尾礦鎳銅金屬的浸出率達到75%以上［24－26］，但酸浸工藝僅適用于經(jīng)過長時間自然氧化后的第一尾礦庫中的尾礦。由于第二尾礦庫尾礦氧化時間較短，酸浸尾砂的金屬浸出率＜35%，很難應用于工業(yè)化生產(chǎn)。雖然金川鎳礦在固體廢棄物資源化綜合利用方面取得了顯著成效，但由于受技術和成本的限制，礦山廢棄資源的綜合利用不僅規(guī)模小而且附加值低，從而導致大量尾砂、廢石和廢渣等固體棄物堆放。尤其礦山尾礦、銅渣以及廢石等大宗固體廢棄物的大量堆積，不僅給礦山環(huán)境造成嚴重影響，而且也對二次資源造成極大浪費。開展對金川礦山尾砂、銅渣、廢石、粉煤灰以及脫硫灰渣等二次資源的綜合利用的技術攻關研究，并實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是金川礦山目前以及今后一段時期所面臨的最迫切和最艱巨的研究課題。

2.2 冶煉水淬渣資源回收研究

為了利用冶煉廠水淬渣二次資源，金川開展了水淬銅渣有價金屬回收利用以及微晶玻璃制備研究［27－29］。在借鑒國內(nèi)外先進經(jīng)驗的基礎上，已經(jīng)開始實施了銅爐渣選礦工程。選礦工程采用破碎、半自磨+球磨、浮選和脫水選礦工藝對水淬銅爐渣進行處理，每年處理110萬t銅爐渣。銅爐渣資源回收伴隨著銅渣尾砂廢棄物的產(chǎn)出。由于銅渣尾砂特性以及礦物成分目前還沒有得到充分認識，目前還未探索出資源化利用的有效途徑。鎳渣—高爐礦渣微晶玻璃的室內(nèi)研究雖然取得理論研究成果，但由于市場和成本等問題目前還難以實現(xiàn)工業(yè)化推廣應用。

2.3 礦井廢石利用

金川礦山早在1997年就開始了廢石充填工業(yè)實踐研究［30］，將掘進中的廢石直接充填采場，從而減少廢石提升工藝和費用。由于這種廢石充填不僅充填體強度低，而且充填工藝復雜，難以實現(xiàn)工業(yè)化推廣應用。為此，近年來開展了破碎廢石的粗骨料膠結料漿管道輸送充填技術的研究和工業(yè)化試驗，由此取得顯著成效［31－33］。但仍存在諸多問題亟待進一步研究。

2.4 粉煤灰與脫硫灰渣利用

目前金川公司熱電廠每年產(chǎn)生11.5萬t的粉煤灰和脫硫灰渣。粉煤灰由金昌水泥集團公司無償使用，用作水泥活性添加料。脫硫灰渣目前尚無固定用戶，礦山周邊磚廠、建筑工地等拉運少部分，其余大部分運至金川公司的安全環(huán)保部指定地點傾倒堆放處置，每年僅運輸費就達到300多萬元。金川集團實業(yè)公司采用爐渣和粉煤灰制作空心磚用量3.6萬t，同時還開展了粉煤灰替代水泥的工業(yè)化生產(chǎn)研究，礦山充填每年利用粉煤灰和爐渣5萬多噸［34－35］。

3 綜合利用關鍵技術

綜合金川礦山固體廢棄物物化特性分析和充填試驗研究成果，將固體廢棄物分為兩大類:一類是可以用于充填料的全尾砂、廢石和工業(yè)垃圾等固體廢棄物;另一類是可以用于開發(fā)充填膠凝材料的冶煉水淬渣、粉煤灰、脫硫灰渣等固體廢棄物。由于金川固體廢棄物所固有的物化特性以及金川充填采礦對充填強度和工藝的要求，兩類固體廢棄物資源化利用亟待解決以下關鍵技術:

3.1 金川新型充填膠凝材料研發(fā)技術

實現(xiàn)礦山水淬渣、粉煤灰和脫硫灰渣等固體廢棄物的資源化和規(guī)?；瘧?，最核心技術是開發(fā)滿足于金川礦山充填法開采所需要的新型充填膠凝材料?，F(xiàn)有研究已經(jīng)顯示，金川地區(qū)的脫硫灰渣、粉煤灰和電石渣等固體廢棄物具有潛在的活性。在激發(fā)劑激發(fā)環(huán)境中產(chǎn)生水化反應，能夠形成以鈣礬石為主的硅酸鹽膠體［36－37］。因此，需要對充填骨料及膠凝材料種類選擇、混合骨料及膠凝材料最佳配比進行深入分析和研究，獲得以金川礦山全尾砂、廢石、工業(yè)垃圾、脫硫灰渣、粉煤灰和電石渣等固體廢棄物為原料的新型充填膠凝材料，實現(xiàn)資源回收利用，減小廢棄物的排放，保護礦山周邊環(huán)境，建設綠色礦山。

冶煉礦渣、粉煤灰和脫硫灰渣是具有不同特性的火山灰質(zhì)的活性材料，由于礦渣種類、冶煉穩(wěn)定以及處理方式的不同，其活性材料的質(zhì)量、形態(tài)與活性存在較大差異。金川礦山全尾砂、廢石、工業(yè)垃圾等廢棄物，在化學成分及顆粒粒徑上也存在較大差異。這些復雜的物理化學條件使它們用于井下充填存在較大困難。因此，需要對上述固體廢料進行嚴格的物理化學特性分析及質(zhì)量評價，篩選出合適的材料及研發(fā)組合，采用物理物料研磨到激發(fā)和化學堿或鹽類或復合激發(fā)劑，進行大量的室內(nèi)膠砂試驗研究，研發(fā)出高強度、低成本、環(huán)境友好型礦山充填材料。

3.2 尾砂—廢石新型充填膠凝材料高濃度管道充填技術

高濃度管道充填技術是實現(xiàn)充填材料順利高效充入井下采場的關鍵技術，其對充填材料的物理特性有嚴格的要求，充填材料在滿足充填體強度的前提下，還要滿足管道充填技術要求。由于金川選礦廠尾砂細，含泥量高，因此需要開展尾砂—廢石混合充填料的高濃度料漿管道輸送充填采礦技術研究，使尾砂—廢石混合充填料滿足高濃度料漿管道輸送技術指標，實現(xiàn)尾砂、廢石用于礦山井下充填，這不僅可以實現(xiàn)選廠尾砂和廢石等廢棄物的資源化和規(guī)?；?，而且還能夠提高充填體強度，降低充填采礦成本。

尾砂和廢石是兩種物理力學性質(zhì)相差懸殊的充填料，混合充填料的不同混合比，關系到充填體強度和料漿輸送特性，同時也影響廢石破碎成本。由于混合充填料中廢石顆粒大，在管道輸送過程中對管道磨損嚴重，也會直接影響粗骨料在充填采礦中安全與經(jīng)濟性。因此，需要對粗骨料與全尾砂混合充填料漿的優(yōu)化配比、工作特性、輸送特性以及與充填體力學特性和整體穩(wěn)定性進行研究，選擇合適的配比與粒徑級配從而減小料漿對管道的磨損;并開展充填管道修復技術研究，從而延長管道使用壽命，提高充填采礦生產(chǎn)能力。

3.3 混合充填料新型膠凝材料的早強劑研究

金川礦山采用下向分層進路膠結充填法采礦，要求較高的早期強度(R3≥1.5 MPa、R7≥2.5 MPa)。研究開發(fā)早期強度較高的新型膠凝材料，是能否實現(xiàn)水淬渣和粉煤灰等活性材料及固體廢棄物在金川礦山井下充填的關鍵技術。

現(xiàn)有研究結果表明，基于水淬渣和粉煤灰等活性材料開發(fā)的充填膠凝材料，存在的主要問題是水化反應慢，導致充填體的早期強度低。而為了增大充填體強度采用的高濃度充填料漿，會使充填料漿輸送阻力也隨之增大。因此，需要開展膠凝材料外加劑選型試驗研究，提高充填體早期強度，又改善高濃度充填料漿的流變特性，從而滿足金川礦山充填法采礦對早期強度的要求。并根據(jù)金川礦山不同采區(qū)的充填倍線，研究充填體強度與充填料漿濃度之間的關系，從而制備出滿足充填體強度和管道輸送條件下的最優(yōu)料漿濃度。

4 結語

隨著中國對環(huán)境保護的高度關注，礦產(chǎn)資源開發(fā)和固廢物綜合利用已經(jīng)成為中國國民經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢。針對中國最大的硫化銅鎳礦山，金川鎳礦在勘探、開發(fā)和利用方面開展了大量的研究工作，尤其在固體廢棄物在充填采礦中的資源化利用和研究也走在前列。

隨著金川礦床開采深度的增加、地壓增大，采礦技術條件更為不利。因此，在充填采礦技術中綜合利用固體廢棄物資源，不僅降低充填采礦成本，而且還保護礦山環(huán)境。本文綜合論述了金川礦山的固體廢棄物種類、利用現(xiàn)狀以及關鍵技術，為金川礦山充填采礦固廢利用提供參考。

目前，金川礦山正在開發(fā)適用于金川礦山充填法采礦的新型充填膠凝材料。這種充填膠凝材料主要是利用金川附近的水淬渣、脫硫灰、粉煤灰和電石渣等固廢物。與此同時，金川二礦區(qū)一直在開展井下廢石作為粗骨料的充填體采礦技術和工業(yè)化應用研究。固體廢棄物在金川礦山的工業(yè)化應用，不僅實現(xiàn)金川固體廢棄物的資源化利用，而且也勢必帶動或影響國內(nèi)充填法采礦技術的發(fā)展。

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