李華坦 趙海波 趙琳興 歐立鵬 祁堯剛 李得忠

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西寧自然資源綜合調(diào)查中心；2.青海大學(xué)土木水利學(xué)院）

尾礦是礦石經(jīng)分選提取有用礦物或有用成分后排出的固體廢棄物，是礦石加工、利用過程中產(chǎn)生的有價(jià)成分含量較低的部分，是礦山固體廢棄物的重要組成部分［1-2］。尾礦的積存不僅會(huì)對(duì)堆存地及其周邊的植被、土地、水源等生態(tài)環(huán)境造成破壞，同時(shí)，尾礦庫(kù)的崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害事故還會(huì)給庫(kù)區(qū)下游帶來重大損失甚至災(zāi)難［3］。

隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)尾礦的認(rèn)識(shí)正在發(fā)生變化。大量的研究表明，尾礦是一類“放錯(cuò)位置的資源”，其綜合利用已經(jīng)受到廣大學(xué)者的關(guān)注，世界各國(guó)對(duì)尾礦資源的態(tài)度已逐漸由消極處理向積極利用轉(zhuǎn)變［4］。以鐵尾礦為例，目前的綜合利用，除對(duì)有二次回收價(jià)值的鐵及伴生硫、鈷、鎳和稀土等成分進(jìn)行回收，還利用鐵尾礦的化學(xué)成分和礦物組成與水泥、砂石、燒結(jié)磚等多種建材成分較相似的特點(diǎn)，進(jìn)行低成本的建材化利用，從而實(shí)現(xiàn)大宗消納［5］。

甘肅省白銀市是我國(guó)著名的礦冶生產(chǎn)基地，數(shù)十年來，區(qū)域內(nèi)堆存的大量有色和黑色金屬礦尾礦引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題較嚴(yán)重［6-11］。在全國(guó)倡導(dǎo)開展綠色礦山和生態(tài)文明建設(shè)的今天，對(duì)尾礦資源開展詳細(xì)的礦物學(xué)特性研究，是實(shí)現(xiàn)其高效、低成本綜合利用的前提。本研究將以該市某尾礦庫(kù)內(nèi)鐵尾礦為對(duì)象，以樣品的礦物組成、主要礦物的粒度分布及嵌布特征等工藝礦物學(xué)特性研究成果為依據(jù)，開展綜合利用研究。

1 尾礦庫(kù)基本情況與樣品采集

現(xiàn)場(chǎng)尾礦庫(kù)屬四等庫(kù)，庫(kù)南北長(zhǎng)1.9 km、東西寬1.4 km，占地2.75 km2，庫(kù)容2 027萬m3，壩頂與壩底相對(duì)高差17.5 m，壩長(zhǎng)245 m，壩頂寬8.0 m，分四級(jí)邊坡，每級(jí)平臺(tái)寬3.5～5.0 m，坡面全部用碎石壓蓋。庫(kù)內(nèi)堆存尾礦約5 000萬t，尾礦砂密度為2.82 t/m3。

根據(jù)尾礦庫(kù)實(shí)地調(diào)查情況，通過鉆孔取樣方式獲得該尾礦綜合樣1件，作為本研究的對(duì)象。

2 樣品的工藝礦物學(xué)研究

2.1 粒度組成

樣品粒度組成見表1。

從表1 可以看出，樣品粒度較粗，+0.074 mm 占40.76%。

2.2 礦物組成

樣品的礦物組成見表2。

從表2 可以看出，樣品中的主要礦物為石英，含量高達(dá)59.49%；其次是綠泥石、黃鐵礦、絹云母、褐鐵礦，含量分別為12.72%、9.25%、5.93%和5.89%；其余礦物含量均較低。

該尾礦樣品中有2 種敏感礦物：其一是黃鐵礦，黃鐵礦易發(fā)生氧化反應(yīng)，在雨水的淋濾作用下會(huì)形成酸性廢水，處理不當(dāng)將對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成較大的危害［12］；其二是云母礦物，在將該尾礦作為混凝土原料使用時(shí)，由于云母礦物的大量存在，會(huì)導(dǎo)致混凝土拌和物的和易性、混凝土強(qiáng)度、耐久性等指標(biāo)顯著降低［13］。因此，該鐵尾礦的綜合利用過程中必須關(guān)注這2 種礦物。從這2 種礦物的特性看，浮選是剔除這2種礦物的有效手段。

2.3 主要礦物的粒度組成及單體解離度

2.3.1 粒度組成

樣品中石英、黃鐵礦和褐鐵礦的粒度組成見圖1。

從圖1 可以看出，石英的粒度較黃鐵礦、褐鐵礦粗，其次是黃鐵礦，褐鐵礦的粒度明顯較細(xì)；黃鐵礦的粒度較粗有利于浮選回收脫硫，褐鐵礦的粒度較細(xì)不利于回收利用。

2.3.2 單體解離度

樣品中石英、黃鐵礦和褐鐵礦的單體解離度見表3。

從表3 可以看出，黃鐵礦的單體解離度最高，為90.31%；石英次之，為87.48%；褐鐵礦的單體解離度較低，僅為58.30%。黃鐵礦較高的單體解離度有利于浮選回收；褐鐵礦較低的單體解離度不利于回收。

2.4 主要礦物的嵌布特征

（1）黃鐵礦。電子能譜分析表明，黃鐵礦的純度較高，主要組成成分為鐵和硫。黃鐵礦多呈不規(guī)則島狀晶形（圖2）；粒度較粗（圖3），多在75 μm 左右；單體解離程度較高（圖4），未單體解離的黃鐵礦多與石英等礦物連體（圖5），綜合利用潛力較大。

（2）褐鐵礦。電子能譜分析表明，褐鐵礦的主要成分是鐵，硫、硅少量。褐鐵礦可分為2類，一類多為不規(guī)則狀晶形（圖6），粒度較粗，多已單體解離（圖7），部分內(nèi)部具有多孔狀結(jié)構(gòu)；另一類多為葡萄狀集合體（圖8），粒度較粗，多與黃鐵礦等礦物連生（圖9），推測(cè)是黃鐵礦的氧化產(chǎn)物。大部分褐鐵礦已單體解離，可回收性需試驗(yàn)確定。

（3）其他金屬礦物。樣品中除了主要金屬礦物黃鐵礦、褐鐵礦，尚有少量方鉛礦（圖10）、黃銅礦（圖11）、硫砷銅礦（圖12）等金屬礦物，這些金屬礦物粒度普遍較細(xì)，多與黃鐵礦連生，因此，在浮選回收黃鐵礦時(shí)可有效同步浮出，從而降低尾礦主體硫、鉛、砷等有害成分含量，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到積極的作用。

（4）主要非金屬礦物。石英多呈他形粒狀晶形（圖13），粒度較粗（圖14），多已單體解離，是該資源中綜合利用價(jià)值較大的礦物。綠泥石作為黏土礦物，粒度微細(xì)，多以集合體形式存在（圖15）。樣品中還有少量絹云母，多以集合體形式存在（圖16）。

3 尾礦資源的綜合利用探究

3.1 黃鐵礦的回收

黃鐵礦回收的原則流程：粗粒嵌布的黃鐵礦一般采用單一重選法回收；嵌布粒度較細(xì)的變質(zhì)型、熱液型及后期接觸交代型黃鐵礦一般采用單一浮選法回收；嵌布粒度粗細(xì)不均勻的黃鐵礦一般采用重-浮聯(lián)合法回收［14］。張超達(dá)等［15］為回收某鐵尾礦（含硫7.40%、含鐵17.91%）中的硫和鐵，采用重選預(yù)先拋尾、重選粗精礦再磨浮硫、浮硫尾礦磁選回收鐵的工藝流程，獲得了硫品位42.20%、回收率91.93%的硫精礦，鐵品位61.42%、回收率30.42%的鐵精礦，極大地提高了尾礦資源的利用效率。李茂林等［16］使用旋流器處理浮選獲得的黃鐵礦粗精礦，在合適工藝參數(shù)條件下，旋流器沉砂硫品位達(dá)46.5%以上，可作為制備硫酸的原料；旋流器溢流經(jīng)1粗1精浮選流程處理，可獲得硫品位大于47%的細(xì)粒精礦，該工藝流程具有高效、穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。冉銀華等［17］利用浮選—磁選—再磨—浮選聯(lián)合流程處理某以磁黃鐵礦為主的硫鐵尾礦，最終硫精礦硫回收率達(dá)93.74%，鐵精礦含鐵63.88%、含硫1.66%、鐵回收率23.29%。

基于上述研究與實(shí)踐，并結(jié)合研究對(duì)象中黃鐵礦嵌布粒度較細(xì)且粗細(xì)不均、堆放時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)，建議采用重選工藝預(yù)富集黃鐵礦，再采用浮選工藝精選，獲得黃鐵礦精礦，實(shí)現(xiàn)資源中硫、鐵的綜合回收利用。

3.2 建材化利用

（1）作為水泥摻合料。鐵尾礦一般含鐵豐富，可部分或全部代替水泥生產(chǎn)原料之一的鐵粉，在水泥生產(chǎn)中可作為礦化劑和鐵源使用［18］，不僅在簡(jiǎn)化生料配方、節(jié)約能耗等方面發(fā)揮著積極的作用，同時(shí)還有利于消納尾礦、保護(hù)環(huán)境，一舉多得［19］。徐迅等［20］利用含硫鐵尾礦生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料，并將有害成分硫固化在水泥中，生產(chǎn)中摻入3%的尾礦，通過1 000 ℃左右的煅燒得到水泥熟料，制作的水泥砂漿早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定，且固硫效果好。羅力等［21］以鐵尾礦、石灰石等為原料制備硅酸鹽水泥熟料，在1 350 ℃燒結(jié)過程中，f-CaO（游離氧化鈣）含量迅速降低，C3S（硅酸三鈣）大量生成，制備的水泥強(qiáng)度等級(jí)滿足相關(guān)要求，表明該鐵尾礦可作為制備硅酸鹽水泥熟料的原料。鄭永超等［22］在制備貝利特硫鋁酸鹽水泥的研究中發(fā)現(xiàn)，鐵尾礦、礬土等生料在合適配比條件下，通過1 350 ℃煅燒，可制備出礦物成分以C4A3S（無水硫鋁酸鈣）、C2S（硅酸二鈣）、C4AF（鐵鋁酸四鈣）為主，f-CaO含量小于1.5%的鐵尾礦貝利特硫鋁酸鹽水泥熟料，制備的水泥膠砂均達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度。

（2）作為燒結(jié)建材原料。鐵尾礦中一般含有一定量的黏土礦物，因此，利用鐵尾礦等固體廢棄物制備建筑用磚將是未來建筑用磚的一大發(fā)展方向［23-24］，在當(dāng)前生態(tài)保護(hù)和禁止使用黏土制磚的政策背景下，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)于鐵尾礦制磚的可行性與效果進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)。陳永亮等［25］以鄂西某赤鐵礦尾礦為主要原料制備燒結(jié)磚，結(jié)果表明，在原料最佳配比和燒結(jié)溫度下，制備的輕質(zhì)保溫墻體材料的體積密度為1.229 g/cm3、抗壓強(qiáng)度為7.6 MPa、顯氣孔率為45.54%、導(dǎo)熱系數(shù)為0.293 W/（m·K），且該燒結(jié)材料內(nèi)部晶體發(fā)育完善，玻璃相含量和顯氣孔率適中，具備良好的綜合性能。周偉倫等［26］開展了以鐵尾礦、粉煤灰等為原料制備燒結(jié)磚的研究，結(jié)果表明，在理想工藝技術(shù)條件下，燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度達(dá)124 MPa、吸水率為4.6%，且燒結(jié)磚的Cu、Pb、Zn 等重金屬浸出濃度均低于標(biāo)準(zhǔn)閾值。李潤(rùn)豐等［27］以北京密云地區(qū)某鐵尾礦為原料，采用水基料漿泡沫注凝成形—無壓燒結(jié)工藝研究了燒結(jié)溫度對(duì)多孔陶瓷產(chǎn)品孔隙率、密度、物相組成、抗壓強(qiáng)度、顯微結(jié)構(gòu)和孔徑分布的影響，為該鐵礦的資源化利用奠定了基礎(chǔ)。

分析前人關(guān)于鐵尾礦制備建筑材料的研究成果，認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)鐵尾礦作為建材原料具有良好的應(yīng)用潛力，具體應(yīng)用工藝及應(yīng)用效果將通過后續(xù)試驗(yàn)研究確定，為該鐵尾礦的大宗資源化利用提供依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）甘肅某鐵尾礦中的主要礦物為石英，其次是綠泥石、黃鐵礦和褐鐵礦，分別占59.49%、12.72%、9.25%和5.89%。黃鐵礦粒度較粗，單體解離度較高，可考慮進(jìn)行回收利用，褐鐵礦粒度較細(xì)，單體解離度較低，回收利用困難。

（2）分析該鐵尾礦的工藝礦物學(xué)特性，并參考前人的研究成果，提出了重選-浮選聯(lián)合工藝回收黃鐵礦，回收后的尾砂作為建材原料進(jìn)行大規(guī)模消納的綜合利用思路。

（3）該鐵尾礦作為建材原料的具體應(yīng)用工藝及效果將通過后續(xù)試驗(yàn)研究確定。