霍邱地区低品位矿山尾矿综合利用介绍

1霍邱地区低品位矿山尾矿综合利用项目介绍陈贤树1王东2刘长志31中国新型建材设计研究院，杭州31003；2安徽金德威建筑材料有限责任公司，霍邱2373743山东恒远利废技术发展有限公司，潍坊262600摘要：尾矿综合回收利用是国家矿山资源开发的必然途径，充分利用不可再生的资源，采用新技术新工艺新装备，提高尾矿的附加值，解决了尾矿资源的排放问题。同时通过具体的生产实践，取得了良好的经济效益和社会效益。关键词：尾矿；综合利用；充填胶凝材料；改性尾砂1.概述安徽省霍邱县是我国重要的新兴铁矿石资源基地之一，目前已探明的铁矿石储量约17亿吨，远景储量达30亿吨。霍邱县铁矿石资源的共同特点是品位较低，均埋藏于地表100-200m以下。由于受区域地质构造作用影响，矿床上部均覆盖有100m以上的第四系冲积层，在第四系冲积层中分布有多层流砂层。矿区地表为淮河冲积平原，土地肥沃，人口相对较多，地面均为良田、池塘，村庄及交通线路密集。矿床的上述赋存条件决定了只能采用地下开采方式，矿山所采用的是垂直深孔阶段出矿嗣后充填采矿方法。在矿床地下开采过程中，一方面必然产生大量采空区，另一方面由于矿石品位低，必须排弃大量废弃物，主要是选矿厂尾砂和掘进废石。根据计算，每采出一吨矿石，将产生0.3m3左右的井下采空区，排放0.15~0.18吨废石及0.5~0.55吨尾砂。尾矿中含有的重金属离子、有毒的残留浮选药剂以及剥离废石中含硫矿物引发的酸性废水，对矿山及其周边地区环境造成污染和生态破坏，其影响将是持久的。尾矿长期堆放在尾矿库中占据了大量的农用、林用土地,导致尾矿库所在地区的土地资源失去了平衡。同时由于霍邱地区矿区地处平原地带，相对于山区而言，尾矿库占地面积更大且对周边环境破坏更为严重。生产实践表明,尾矿处理设施结构复杂、投资巨大，其建设投资占到整个采选总费用的5%~40%。尾矿库的维护更需要消耗大量资金，据有关资料统计，我国冶金矿山每吨尾矿需尾矿库基建费1~3元，经营管理费3~5元。随着尾矿数量的不断增加，尾矿坝体高随之增加,安全隐患日益增大。所以在对霍邱地区大量开采矿石的同时，对产生的尾矿进行消化和再利用也势在必行，尾矿的综合利用和环境治理已经迫在眉睫。尾矿综合利用是国家矿山资源开发的必然途径，充分利用不可再生的资源，采用新技术新工艺新装备，生产有市场需求和一定附加值的产品，是积极保护国家矿产资源的一种行之有效的办法。随着人口的增加和经济的发展，我国某些矿产资源供需矛盾已日益突出，为了合理利用有限的矿产资源，使其发挥最佳效益，就必须考虑资源的优化配置。资源的开发利用要体现科学性、经济性、合理性，既要考虑当前利益，又要考虑长远利益，同时还要服从于国家的整体利益。2.尾矿的综合利用途径铁尾矿是一种复合矿物原料，除了含少量金属组分外,其主要矿物组分是脉石矿物，如石英、辉石、长石、石榴石、角闪石及其蚀变矿物；其化学成分主要以铁、硅、镁、钙、铝的氧化物为主，并伴有少量的磷、硫等。目前，我国铁尾矿的利用途径主要包括：制作水泥的原料和混合材，免烧砖和加气块等墙体材料，干粉砂浆原料，路基建筑材料和尾矿充填等。22.1水泥的原料生产普通硅酸盐水泥的原料主要有:石类质原料(主要提供氧化钙)、粘土质原料(主要提供氧化硅、氧化铝和少量氧化铁)、铁质校正原料。由于粘土质原料一般氧化铝较高,含氧化铁不足,原料中须补充氧化铁。铁矿尾矿含有铁、二氧化硅、氧化钙、三氧化二铝，可充当水泥配料，提供有益组分。2.2改性后做活性混合材尾砂的主要成分为硅、钙、铝，具有一定的潜在活性，尾砂经烘干处理后，通过机械力化学激发，最大限度的激发尾砂活性，替代粉煤灰用于水泥行业的活性混合材和生产充填专用胶凝材料。不仅可以改善胶凝材料的质量，同时可以降低其生产成本。2.3尾砂替代河砂和机制砂用于生产干粉砂浆我国普通干粉砂浆生产中细集料主要为天然河砂，颗粒级配良好的河砂无疑是生产干粉砂浆的最好骨料。但是我国许多地方由于长年无序开采河砂，导致大量河道砂源基本接近枯竭，严重破坏生态环境平衡，因此许多地方政府已经禁止河道捞砂。这种环境下，建筑干粉砂浆行业必须寻找天然河砂以外的用砂途径。利用铁矿尾矿生产人工砂，可用于配制建筑砂浆、商品混凝土。目前，在民用住宅、工业厂房等工程中使用了尾矿人工砂。根据我国国家标准(建筑用砂)GB/T14684-2001,已明确人工砂作为一种建筑用砂,并规定了人工砂的技术要求、试验方法、检验规则，为尾矿人工砂的利用提供了技术依据。GB/T14684-2001中对人工砂的技术指标。如人工砂的细度模数和有害物质含量有相应的标准要求。根据铁矿尾矿粒度分析，大部分粒度很细,细度模数小，不能直接作为混凝土用砂。通过采用相应方法进行分级处理，可以提高细度模数，达到国家标准规定的粗砂、中砂、细砂的细度模数要求。尾矿砂取代天然河砂来配制干粉砂浆，在技术是完全可行的。尾矿砂取代天然河砂，既可以解决尾矿砂对污染环境以及占用土地的问题，又提高了资源利用率，形成综合效益。2.4尾砂做墙体材料1、尾砂制砖当前,建筑用砖仍是建筑业用量最大的建材产品之一,而国家为了保护农业生产,制定了一系列的保护耕地的措施,所以利用铁尾矿制造建筑用砖则不失为一条很好的途径。除此以外,铁尾矿还可用以制造更多种类的尾矿砖产品,也有很好的前景,例如彩色地板砖、路面砖、釉面砖等。2、尾砂制作加气混凝土制品加气混凝土制品作为墙体材料革新与建筑节能的重要组成部分，其可利用电厂粉煤灰、矿山尾矿等硅、铝质工业废弃物及石灰等碱性材料，加水泥、石膏等辅料，经铝粉发气、蒸压养护而制成。其作为围护结构的填充材料具有保温隔热、质轻、吸音、易加工等优点，而被广泛地应用于建筑中。2.5尾矿充填目前的新型矿山一般采用采用充填采矿法――采用全尾砂胶结充填。一方面可将尾砂大量充填于井下，从而大幅度减少尾砂排放，减少土地占用和保护环境；另一方面高质量的充填体可对井下采空区起到良好的支撑，避免采空区围岩的塌落，从而使矿区地表得到切实有效的保护。根据霍邱地区典型矿山进行分析计算，当采用空场法或崩落法开采工艺，每采出1亿吨铁矿石，由于井下采空区塌陷将导致地表1500~2000亩土地遭到破坏，将堆存尾砂约5000~5500万t，废石1500~1800万t，尾砂及废石堆存占地将达2000~2500亩。而当采用充填采矿法时，采空区既得到及时充填，矿3区地表又可得到有效保护，而尾砂充填利用量可达3000万t，剩余尾砂堆存量减少至2000~2500万t，堆存占地670~834亩。由此可见，充填采矿法不但消除了采空区对地表的破坏还使尾砂得到了最大限度地利用，从而可使矿区及周边环境得到最大限度的保护。充填采矿法的另一优点是能提高地下矿石资源回收率。高质量的充填可为采矿作业提供良好的条件，能有效地控制采场及矿山地压，采矿方法更能适应于矿体赋存条件的变化，所以地下矿石资源可得到更有效的回收利用。与其它采矿方法相比，采用充填采矿法，地下矿石资源总回收利用率可提高10～20%以上，从而可显著地延长矿山服务年限。3.尾矿的综合利用产业化实施项目安徽金德威建筑材料有限责任公司是内蒙古众兴集团下属的内蒙古大中矿业股份有限公司投资设立的全资子公司，公司位于安徽省金日盛矿业有限公司内。公司主要利用金日盛矿业有限公司的尾矿进行综合利用，变废为宝，提供尾矿的附加值，力争把公司打造成以尾矿为主要原料的新材料产业基地。公司目前已经投入1.4亿多元进行尾矿综合利用项目的实施，目前已经建成的项目有年产90万吨的以尾砂和矿渣为主要原料的充填专用胶凝材料生产线；年产40万吨的活性尾砂替代粉煤灰作为活性混合材项目。3.1年产90万吨矿山充填专用胶凝材料项目3.1.1概述采用尾砂胶结充填。一方面可将尾砂大量充填于井下，从而大幅度减少尾砂排放，减少土地占用和保护环境；另一方面高质量的充填体可对井下采空区起到良好的支撑，避免采空区围岩的塌落，从而使矿区地表得到切实有效的保护。目前，国内外矿山胶结充填中大都用水泥作为唯一或主要胶凝材料，以尾矿(全尾砂或分级尾砂)作骨料和水拌合成可管道输送的混合料（料浆浓度65%~80%)。理论和实践证明：影响这种混合料(胶结充填体)强度的因素主要是胶凝材料用量、充填浓度和尾矿的细度。因此，减少水泥用量、提高胶凝材料固结能力、尽可能提高充填浓度、合理配置尾矿或者废石的细度或粒度是降低矿山充填成本的重要途径，其中水泥或者胶凝材料的用量是影响成本的主要因素之一。如何降低充填成本，尽可能降低水泥或胶凝材料的用量是能否大面积推广胶结充填采矿法的关键。据统计，我国目前采用胶结充填法开采的地下矿山，其充填成本占采矿总成本的40%左右，其中水泥或者胶凝材料几乎占充填成本的一半。目前过高的水泥价格及用量对大面积推广胶结充填采矿法十分不利，同时由于水泥在水化过程中产生大量的水化热，使用水泥胶结充填后，在大体积充填体内部产生的热量无法释放，热量聚集到一定程度后，充填体内部开始膨胀，并使充填体产生裂纹，从而影响充填体的强度和充填效果。因此寻找价格低廉，性能优异的水泥代用品，以减少胶凝材料用量和提高充填质量是推广充填采矿法的主要途径。采用矿渣、尾砂等为主要原料生产的矿山充填胶凝材料，作为水泥替代品用于尾矿胶结充填，通过分析其物理与化学特征及水化反应机理，以及与水泥胶结充填的大量对比试验和在金属矿山尾矿充填的实际使用，证明该材料是一种良好的充填胶凝材料，用于矿山胶结充填时明显降低胶凝材料的用量，同时改善了充填体的质量。3.1.2项目介绍安徽金德威建筑材料有限责任公司于2011年，投资8000多万元，建成一条年产90万吨的新4型充填胶凝材料生产线，该生产线由合肥水泥研究设计院进行设计，于2012年12月已经投入使用。本生产线粉磨系统采用了三台φ3.2×14M高细球磨机；烘干系统采用φ3.0×25M和φ3.6×25M回转式烘干机，并配制高效沸腾炉。混料系统采用高精度的转子计量秤和单卧轴的强力搅拌机。全厂采用了DCS自动化控制系统和完善的在线检测设施，确保产品的质量稳定性。年产90万吨的生产规模，在国内充填专用胶凝材料生产企业中最大。充填胶凝材料的生产原料为：矿渣、水泥熟料、尾砂、石膏、和激发剂等，具体的生产配比如表3-1所示，其中粉煤灰占40%以上。表3-1充填胶凝材料生成配比%原料名称熟料矿渣尾砂石膏激发剂合计基本配比18-2040-4630-355%1-2100主要生产工艺：湿矿渣和湿尾砂采用回转式单筒烘干机烘干，烘干水份≤1.5%，石膏和熟料通过破碎机破碎，破碎后的物料粒度≤10mm。激发剂为粉状物料，直接通过散装罐车泵送入库。由于不同原料的粒度和易磨性差异，生产线采用了分别粉磨的方式，其中熟料、矿渣、石膏为块状物料一起粉磨；尾砂、激发剂为粉状物料一起粉磨。粉磨后物料的比表面积控制在400m2/kg左右。分别粉磨不仅可以很好的控制各种物料要求的细度，同时便于调整磨机研磨体级配，提高粉磨效率，节约能耗，降低生产成本。两组粉磨后的物料分别进入中间仓进行储存，在仓底设置粉料转子秤计量，按照一定比例配制，通过单卧轴强力搅拌机进行混合，入均化库均化后即为成品，再由气力输送设备送至充填站储库备用。基本生产工艺如图1所示。图1充填专用胶凝材料工艺流程图3.1.3产品性能（1）标砂强度将生产的充填胶凝材料与普通的P.C32.5复合硅酸盐水泥，参照国标GB175-2007进行了标准砂强度检测，结果见表3-2所示。表3-2充填胶凝材料与P.C32.5级水泥标砂强度原料名称水灰比抗压强度MPa3天28天充填胶凝材料0.512.5637.45P.C32.5级复合水泥0.514.4336.125从上述结果可以看出，充填胶凝材料的3天强度略低于P.C32.5级水泥，28天强度高于P.C32.5级水泥，主要原因在于由于磨细矿渣和尾砂的水化速度较慢，在掺量较高时，前期强度偏低，后期随着激发剂的作用以及磨细矿渣和尾砂水化速度的加快，强度持续增长，甚至超过水泥。但其强度指标均达到复合硅酸盐水泥标准，因此用充填胶凝材料替代水泥用于井下充填是可行的。（2