鲁中矿业尾矿综合利用的探索与实践

鲁中矿业有限公司为国有大型黑色冶金矿山企业，是我国比较典型的地下开采金属矿山之一。公司本部铁矿资源地质储量2.74亿t，原设计采用无底柱分段崩落法采矿工艺，本部选矿厂目前原矿处理能力480万t/a，尾矿和废石排放接近300万t/a，实施尾矿综合利用具有重要意义。

1 科技需求

从尾矿综合利用的角度来看，鲁中矿业面临两重大科技需求。一是降低尾矿中有价金属的流失、提高资源回收率的需求；二是解决尾矿减排的需求。

1.1 尾矿有价金属流失的问题

鲁中矿业本部原矿中主要金属矿物为磁铁矿，其次为赤铁矿，少量水赤铁矿、自然铜、褐铁矿，微量黄铁矿、黄铜矿、辉铜矿。选矿厂一期工程于1985年9月建成投产，原矿处理能力为210万t/a。选矿厂采用磁选—重选—浮选选矿工艺分别对磁铁矿、赤铁矿及铜矿物进行回收，该工艺在投产初期能够取得较好的选别指标。近几年，随着矿石开采不断深入，矿石品位和矿物组成都发生了变化，导致整个选矿工艺出现以下几个技术难题：①细粒赤铁矿回收率低。赤铁矿集中在弱磁选尾矿中，其嵌布粒度很细，一般为7~30μm，用原有的弱磁—重选流程难以有效回收，导致较大部分铁进入尾矿，回收率损失严重。②铜精矿品位低，仅有5%左右。铜矿物浮选中，由于后期原矿中的黄铁矿含量提高，并进入铜精矿中导致浮选中铜精矿品位大幅下降，严重影响产品质量。③弱磁选尾矿中含有少量铜钴矿物，原工艺流程中仅对铜矿物进行回收，后来由于矿石性质的变换，浮选铜精矿的回收率和品位也都不断下降。因此，为减少有价金属流失，必须研究和实施新的选矿工艺，从而提高尾矿中有价金属的回收。

1.2 尾矿排放问题

    鲁中矿业本部御驾泉尾矿库由原鞍山黑色冶金设计研究总院设计，初期坝为多种土质透水坝，最低标高255m，子坝采用上游法机械筑坝，最终设计标高为350m，在可能情况下，允许堆至370m，总库容分别是3600万m³和5300万m³。现在子坝顶标高338m，到坝前泥面的高差7m，到水面的高差8.5m。从331m标高到370m标高筑坝可增库容3150万m³。按目前选矿厂480万t/a的原矿处理能力、300万t/a的废石和尾矿排放计算，该尾矿库筑至370m标高最多可服务17年。因此，为保证矿山的可持续发展，减少尾矿排放显得尤为紧迫。

2 探索与实践

尾矿综合利用应充分结合各自尾矿性质、特点来实现。目前，按照尾矿综合利用方式和加工制成产品用途来分析，可归纳为 ：①尾矿再选回收多种有价金属；②尾矿加工制成多种建筑材料；③尾矿作矿山采空区充填料；④尾矿制作农用化肥，改良土壤等^【2】。鲁中矿业对此进行了广泛的探索与实践。

2.1 尾矿再选

开展尾矿再选，从尾矿中回收有价成分，是提高资源利用率的重要措施^[1]。尾矿再选回收多种有价金属，一方面可以使矿山企业增产创收,另一方面减少了尾矿的排放,进而减少了占地面积,延长尾矿库的服务年限,减少尾矿排放对环境的影响。

我们应该辩证的看待尾矿再选的实现形式。在实施尾矿再选的过程中，只要是以研究尾矿中有价金属的回收为出发点，工程实施后能够提高矿产资源的利用率，就能达到尾矿再选的目的。国内矿山尾矿再选常用的方法，按尾矿再选加工工艺和措施的特点可分为3种类型： ①增加再选设备与利用主厂房闲置设备相结合；②增加再选设备与利用主厂房原有流程相结合； ③建立单独的尾矿再选厂^【2】。在上世纪90年代中期，鲁中矿业实业公司曾对尾矿单独回收，方法是从尾矿管线开口引出尾矿，通过强磁简单回收，可得到tfe品位40%左右的精矿，但不能作为最终产品销售，且产率不高，效果不好，运行一段时间就关掉了。目前，鲁中矿业尾矿再选比较成功的是以研究和实施弱磁选尾矿中有价金属的回收出发，通过增加强磁设备，与改造原有工艺流程相结合来实现的。

2.1.1 弱磁选尾矿中微细粒赤铁矿的强化回收

为查明铁金属流失的根本原因，对现场的原矿、总尾矿进行了工艺矿物学研究，并与往年的数据对比分析。原矿多元素分析见表1，原矿铁物相分析见表2，总尾矿铁物相分析见表3。

表1  原矿（分级机溢流）多元素含量分析结果（%）

元素	tfe	feo	sio2	al2o3	cao	mgo	s	p	cu	烧损
1991年	41.68	10.46	20.00	5.18	3.10	5.50	0.118	0.105	0.0566	4.60
2003年	39.65	11.13	16.30	4.26	5.36	7.09	0.062	0.028	0.08	6.96
2005年	35.33	8.86	20.46	6.10	5.74	6.80	0.070	0.038	0.10	7.52

表2  原矿（分级机溢流）铁物相分析结果(%)

矿物名称		磁性铁	硅酸铁	碳酸铁	赤褐铁矿	硫化铁	合计
2003 年	含量	26.42	0.88	0.40	7.44	0.08	35.22
	占有率	75.01	2.50	1.14	21.12	0.23	100.00
2005 年	含量	24.40	1.34	0.40	9.09	0.16	35.33
	占有率	69.07	3.79	0.96	25.73	0.45	100.00

表3  总尾矿铁物相分析结果(%)

矿物名称		磁性铁	硅酸铁	碳酸铁	赤褐铁矿	硫化铁	合计
2005 年	含量	3.10	1.94	0.70	10.22	0.06	16.02
	占有率	19.35	12.11	4.37	63.08	0.37	100.00

表1给出了1991、2003和2005年的原矿多元素分析数据。分析数据得知，随着时间的推移原矿tfe品位不断下降，尤其是2003年至2005年，tfe品位降幅比较大，由39.65%降低至35.3%，这对整体选矿指标将产生不利影响。表2和表3是原矿及总尾矿的铁物相分析结果。数据显示，与2003年相比，原矿中磁性铁的占有率下降了5.94%，而赤褐铁矿的占有率却提高了4.64%。由于赤铁矿可选别性能较差，原来的溜槽摇床流程无法对其有效的回收，这是造成现场铁回收率降低的主要原因。总尾矿物相分析进一步验证了铁损失主要是赤铁矿，占有率为63.80%，通过计算可得，现场的选矿流程对磁铁矿的回收率为92.37%，赤铁矿的回收率仅为19.41%。

总尾矿的筛水析结果见表4，表5。

表4  总尾矿筛水析结果

粒径（mm）	产率		铁品位	铁占有率
	个别	负累计		个别	负累计
+0.076	29.30	100.00	12.53	22.22	100.00
0.076~0.037	21.08	70.70	18.55	23.67	77.78
0.037~0.019	23.09	49.62	22.21	31.05	54.11
0.019~0.010	11.50	26.53	15.96	11.14	23.06
-0.010	15.03	15.03	13.13	11.92	11.92
合计	100.00		16.52	100.00

表5  各粒径的铁回收率

粒级（mm）	+0.076	0.076~0.037	0.037~0.019	0.019~0.010	-0.010	合计
回收率（%）	85.05	80.33	65.92	43.83	29.35	72.50

表4，表5数据表明，尾矿中-0.037mm粒径以下占有率较高，但是回收率较低（<66%），根据磁力脱水槽的选别特性和原矿矿石性质可以推断尾矿中主要损失的是微细粒级的赤铁矿。

显然，鲁中矿业本部选矿厂所选原矿石比以前更为复杂，微细粒赤铁矿的损失是铁回收率低下的主要原因，若能强化回收弱磁尾矿中微细粒赤铁矿是提高回收率的关键所在。对此，鲁中矿业进行了一系列试验，结果表明：针对弱磁尾矿中的微细粒赤铁矿，采用单一的选矿工艺，是无法得到满意的选矿指标，只有强磁选--离心--摇床三种选矿工艺组合使用时，才能得到最佳指标。综合考虑铁精矿的品位和回收率，优选采用一段强磁选--离心--摇床工艺作为最终工业生产流程。

2.1.2 弱磁选尾矿中铜钴矿物的高效回收及分离

为了有效回收弱磁尾矿中有价金属，必须对弱磁尾矿进行强磁选预富集得到强磁精矿，然后对强磁精矿进行浮选分离。强磁精矿的主要化学成分含量见表6.

表6  强磁精矿的主要化学成分含量（%）

成分	cu	co	ni	pb	zn	fe	ti	s
含量	0.16	0.017	0.024	0.020	0.038	28.99	0.32	0.40
成分	sio2	al2o3	cao	mgo	k2o	na2o	c	as
含量	22.57	7.67	7.30	9.92	0.27	0.30	1.05	0.0079

化学分析结果：强磁精矿中的铜含量为0.16%，钴含量为0.017%，铁的含量为28.99%，硫的含量为0.40%。

由铜钴混合浮选—铜钴再磨分离工艺闭路试验可知，在最优条件下，全流程闭路试验可得到铜品位25.83%、作业回收率为65.36%的铜精矿和钴品位0.22%、作业回收率为7.97%的钴精矿。

研究结果表明，相对于原有工艺，铜钴矿物高效回收新工艺可以使铜精矿的铜品位得到大幅提高，铜品位由原来的5%左右提高至25.83%，回收率为35.14%，同时增加了对钴矿物的回收，得到了含钴0.22%的钴精矿，整体选矿指标得到较大改善。

2.1.3 工程实施

鲁中矿业选矿厂于2010进行扩能改造后，原矿处理能力提高至480万t/a，前面所述项目的研究成果在该厂扩大产能改造后投入工业应用。投产以来，生产运行稳定，随着生产管理水平的不断进步，生产技术经济指标越来越好。

1）弱磁选尾矿在铁品位为13.36%的条件下，通过弱磁尾矿--中磁—强磁—再磨--中磁—强磁—离心—摇床新工艺选别，可得到产率6.59%、品位56.74%、回收率28.00%的赤褐铁矿精矿。2012年选厂全铁回收率增加4.46%，铁精粉增加9.39万t。

2）通过“强磁精矿—再磨--铜钴混合浮选—铜钴浮选分离”工艺，铜钴矿物得到高效回收，工艺投产后，铜精矿的铜品位得到大幅提高，由原来的5%左右，提高至24.80%，铜回收率由改造前的6%提高到32.15%，同时还回收了含钴0.23%左右的钴精矿，回收率为5.01%，整体选矿指标平稳。选厂全年产铜精矿约3662t，钴精矿5205t，经济效益非常可观。

2.2 尾矿充填

矿山采空区回填是直接利用尾矿最行之有效的途径之一^[1]。充填法是随着充填新工艺、新技术、新设备的逐步推广而发展起来的高效采矿方法，近年来，对于上部不允许陷落，品位较高，有自燃自爆可能的金属矿山使用充填采矿法逐年增加。鲁中矿业本部所属的三个矿山，均属于高温热液矽卡岩型磁铁矿床。由于矿岩软弱破碎，采矿生产比较困难，在进行多种采矿方法试验研究的基础上，原设计确定采用无底柱分段崩落法的采矿工艺。但是随着开采的深入，种种原因的使然，一些上部不允许陷落的部位和矿体选择了采用充填法采矿。

充填法采矿的充填料为重量浓度70%左右的膏体，骨料优选鲁中选矿厂强磁ⅰ尾矿分级后的粗粒。选矿厂规模为480万t/a，产强磁ⅰ尾矿约180万t/a，尾砂密度2.81t/m³，用旋流器分出粗粒，送往充填站立式砂仓，剩余尾矿送往尾矿库。

2.2.1 小官庄矿区充填

鲁中矿业本部所属的三个矿山，采用三矿联合开采，矿石通过井下运输，全部从小官庄主井提升。2002年4月对小官庄矿1号主、副井井筒进行实测，结果表明，在开采影响下，主副井井筒及井塔楼均出现了变形，而且目前仍在发展过程中。因此，公司与河北大学开展了以控制小官庄铁矿主副井变形为主要研究内容的深部地下铁矿开采岩体移动对竖井影响及其控制的研究。

研究表明：①小官庄铁矿目前所采用的是无底柱分段崩落法开采，由于客观上允许地表陷落，因此，这种方法所引起的移动变形量较大。②若-400m以下由崩落法改用部分充填法的开采技术方案对控制井筒变形有重要作用。为此，针对地下开采工程实际，提出对上部矿体采用分段崩落法、-400m中段以下矿体采用部分充填法开采的综合开采方案，这样既可最大限度的回收铁矿资源，又可有效的保护矿山竖井安全运行，确保安全生产。

小官庄铁矿充填站建在小官庄铁矿主副井附近，系统已于2010年年底建成，设计可满足小官庄铁矿充填法采矿15~30万t的采矿能力。

2.2.2 港里矿1号矿体的充填

鲁中矿业张家洼铁矿负责张家洼矿床和港里矿床的开采。由于多年的开采，张家洼铁矿矿量急剧减少，所剩矿量多集中在分支矿体中，而分支矿体形态、产状复杂多变，矿岩又软弱破碎，采矿难度越来越大，矿山面临大幅度减产的严重局面。该矿山产量的下滑将对公司的经济效益产生严重的影响。为缓解产量衔接矛盾，公司决定对港里矿区1号矿体进行开采。但在该计划实施过程中，存在一些技术上的难题，对工程造成影响。

港里1号矿体地质储量c+d级1268.29万t，本次开采范围内(-96m~-196m)地质储量c+d级1132.87万t。港里1号矿体上部矿区地势平坦，地面标高190~220m。港里河(汇河)在港里1号矿体上部流经，港里河为大汶河支流，水源短流急的间歇性河流，全长46km，流域面积144km²，历年最大洪峰流量为180.6m³/s。由于港里河的存在导致港里1号矿体无法正常开采，要么改造河道，崩落法开采；要么不改造河道，充填法开采。

经过多方案论证，从稳定性角度考虑，选择不改造河道进行充填法开采。采用充填法开采可以有效地减缓地压的危害，控制地表塌陷，减少损失贫化现象。充填站布置在港里1号矿体进风井附近，充填管道敷设在进风井中。充填料将经进风井的管道下放到-96m水平和-146m水平，然后接水平充填管路到达采场。

港里1号矿体充填系统2013年底基本建成，现正在调试。港里1号矿体充填系统可满足港里1号矿体设计矿石产量60万t/a采矿的充填能力。

2.3 尾矿制建材

尾矿的主要组分是富含sio₂、al₂o₃、caco₃等资源的非金属矿物，可以通过现有的成熟工艺生产一种或若干种建筑材料，可大大减少尾矿堆存^[1]。近几年，鲁中矿业对此也进行了一些探索。先后委托某矿山研究院进行了制作免烧马路砖、免烧砌块的实验，委托北京某建材研究所进行了建筑用陶瓷材料、微晶玻璃等试验。因鲁中矿业尾矿性质局限的原因，试验结果都不太理想。2012年开始，公司又委托山东工业陶瓷研究设计院对尾矿制造烧结砖进行了一系列试验，试验经历了小试、中试和工业试验，取得了较好的效果。

尾矿制造烧结砖原料为全尾，颜色呈浅褐色，塑性指数7.5 ，颗粒较细，原料经放射性检测，符合国家标准要求，可以作为制砖的主要原料，原料全尾成分分析见表7。从表7中看出，原料中ca、mg的含量较高，因此，第一次试验，制品放置吸潮后出现石灰爆裂现象，第二次试验，制品经防爆裂处理后没有出现石灰爆裂现象。

表7  原料全尾成分分析检测（%）

项目	cao	mgo	k2o	na2o	fe2o3	sio2	ai2o3	tio2	烧损
结果	14.93	7.48	0.20	0.28	15.18	36.35	9.52	0.43	15.23

工业试验在前两次实验室试验基础上，采用二次码烧工艺，在不同隧道窑上多方案、多温度进行烧结试验。

工艺：全尾--脱水—混料—制坯—烧结—防爆裂处理—成品；配料，三种方案选择比较：①尾矿93%+煤粉7%，②尾矿83%+煤粉7%+骨料10%，③尾矿63%+煤粉7%+骨料30%，按照使用全尾的愿望，期望方案①能够可行。

工业试验结果：①砖坯干燥收缩较小，干燥效果良好，均未出现开裂、变形现象。②制成品，颜色泛红，敲击声音清脆，外观平整细腻，密度1.6g/cm³。③制成品，经过防爆处理的，放置一段时间，均未出现石灰爆裂现象；未经防爆处理的，经过放置一段时间，未添加骨料的部分出现了爆裂现象，添加骨料的出现爆裂现象较少。④方案①制成品，经检测抗压强度平均值达到19.1mpa，接近mu20强度等级普通烧结砖水平，若再提高强度等级，可采用添加骨料的方案。⑤从技术上来看，鲁中矿业本部尾矿全尾制烧结砖是可行的。

3 尾矿综合利用的思路

总体思路：立足矿山实际，积极探索和实践，大力倡导资源节约，重视生态平衡和环境保护，不断提高矿山铁金属和伴生金属的回收率，多管齐下实现尾矿减排和综合利用，确保能够延长尾矿库服务年限，实现矿山持续发展的美好愿望。

根据鲁中矿业实际情况，可考虑：①继续开展尾矿中有价金属回收的研究，提高资源利用率。鲁中矿业生产简报，2014年3月中旬报显示，今年尾矿平均tfe品位10.33%，说明：虽然实施了弱磁尾矿再选工艺，取得了一系列成果，但是尾矿铁金属流失仍较严重，究其原因仍是微细粒赤铁矿损失较多造成的。对于赤铁矿尾矿的再回收,在技术上依然是一个难题, 有待深入研究^【3】。目前，除常用的物理法回收弱磁性矿外，把非磁性的铁矿石处理成磁铁矿石，再利用磁选法进行选矿也时有报道，比如磁化焙烧法、磁种磁化法等。近期众多对弱磁性矿物回收的研究，也充分说明各矿山企业对弱磁性矿回收的重视。加强尾矿中有价成分回收研究，应是鲁中矿业长期坚持的战略举措。②通过矿山尾矿干排和尾矿充填，实施地面塌陷区复垦和有条件的矿区井下采空区的充填。一是加快尾矿干排研究，工程实施后可用于地面塌陷区复垦和干排堆存；二是充分利用小官庄铁矿和港里矿1号矿体充填系统对矿区采空区进行尾矿充填，既可以解决不允许地面塌陷矿区的塌落问题，又可以对一些保安矿柱残矿进行回收，提高资源回收率，还可以实现尾矿减排，一举多得。初步规划通过矿山尾矿干排和尾矿充填实现每年减排尾矿50~60万t，远景规划要把通过尾矿干排实施对地面塌陷区复垦和对有条件的矿区井下采空区进行尾矿充填作为尾矿减排的主要力量。③采用成熟技术，实施尾矿制建材。为了切实解决尾矿排放问题，可考虑采用比较成熟的技术，规划建设规模年产2亿块左右标准普通烧结砖的生产线，同时加强一系列尾矿制高附加值建材产品的研究，可以实现近期尾矿减排50~60万t。

实施上述规划期望达到：①通过加强尾矿再选的研究，能够进一步降低了尾矿品位，提高资源利用率；②通过矿山尾矿干排和尾矿充填以及实施尾矿制建材，近期可减排尾矿100~120万t，大大缓解尾矿库容的压力；③要把开展尾矿干排用于塌陷区复垦和堆存、井下采空区尾矿充填作为今后尾矿减排的重要发展方向。

4 结语

虽然金属尾矿综合利用难度大、牵涉面广，但是为了矿山能够实现可持续发展，我们必须引起足够重视。

近几年，鲁中矿业对尾矿综合利用进行了一系列探索和实践。在尾矿再选方面，对弱磁选尾矿中有价金属回收进行了一系列研究和实施，取得了阶段性成果，获得了较大的经济效益；在尾矿充填方面，利用尾矿充填采空区，既可以解决不允许地面塌陷矿区的塌落问题，又可以对一些保安矿柱残矿进行回收，提高资源回收率，还可以实现尾矿减排，突破了无底柱分段崩落法的采矿工艺，实现了多种方法采矿；在尾矿制建材方面，探索了制作普通烧结砖，结果表明：在技术上是可行的，可作为实现尾矿减排一种新途径。

鲁中矿业可望通过多种途径实现尾矿的综合利用。届时，可极大提高矿山资源的利用率，大大缓解尾矿库容的压力，实现矿山的可持续发展。同时也应看到：尾矿综合利用技术仍需要认真探索和研究，任重而道远。

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