尾矿资源综合利用的研究进展

引言

推进大宗固废的综合利用是我国高质量发展的重要环节。目前，我国大宗固废累计堆存量约600亿t，年新增堆存量近30亿t，年利用率约55%，预计到2025年，新增大宗固废综合利用率可达到60%。

 

尾矿是指金属、非金属矿山开采出的矿石，经选矿厂选出有价值的精矿后产生的固体废物，是我国7个品类的大宗固废之一。我国尾矿年产生量约10亿t，综合利用率仅为32.5%左右。尾矿的堆积占用了大量土地，不仅严重污染土壤、水和大气环境，危害人类健康，还会造成资源浪费。此外，尾矿库还是具有高势能的危险源，一旦发生溃坝，容易导致重大人员伤亡和财产损失。

目前，我国共有尾矿库近8000座，总量居世界第一，其中“头顶库”991座。自2020年起，在保证紧缺和战略性矿产矿山正常建设开发的前提下，全国尾矿库数量原则上只减不增，不再产生新的“头顶库”，严格控制加高扩容。这就意味着如果不解决尾矿的综合利用问题，将影响选矿生产。以上数据表明，急需对尾矿进行规模化综合利用。 

尾矿的主要综合利用措施包括：回采提取有价组分、利用尾矿生产建筑材料、充填采空区等。由于经济高速发展，我国建筑材料用量长期保持高水平。2022年，我国水泥产量21.3亿t，全国砂石产量174.2亿t，资源供需矛盾日益突出，而将尾矿用于制备建筑材料则是实现尾矿规模化利用的有效途径。我国相关政策鼓励使用尾矿生产砂石、水泥原料或其他建筑材料。尾矿用于建筑材料也是我国落实“碳达峰、碳中和”决策的重要措施。本文综述了近年来在尾矿综合利用方面的研究进展、方法和应用，特别关注了尾矿在建筑材料制备方面的应用。

一、尾矿处理和利用现状概述

目前，我国主要采用以下方式对尾矿进行处理和利用：回收有价组分、充填采空区、尾矿再选、利用尾矿制备材料，以及对尾矿进行无害化处理。

1.回收有价组分

尾矿中可能含有有价值的矿物或金属，通过相应的技术和流程，可以对有价组分进行提取和回收。陈兰兰等总结了多种方法，包括焙烧、浸出和浮选等，用于回收黄金尾矿中的金、银、铜、锌和铁等有价元素；冷玲倻等通过浮选分离可行性试验回收了四川某稀土尾矿中的萤石；叶开凯等采用硫酸浸出工艺浸出铀铍浮选尾矿中的铀；赵强等进行磨矿、磁选、正浮选、反浮选试验，从钨尾矿中回收SiO2；李俊旺等采用浮选工艺从安徽铁尾矿中回收云母；刘文丽等采用混合浮选—混合尾矿预选→高梯度磁选→强磁精选工艺流程回收白云鄂博矿稀土浮选尾矿中的铌；李纪等采用逆流浮选柱回收湖北某磁选尾矿中的铜。

 

2.充填采空区

由于我国地下矿山采空区数量庞大，这对矿山的安全生产造成了严重影响。对矿山采空区进行回填是一种常用的治理手段，旨在降低地面塌陷、地震活动、水体渗漏等地质灾害的风险，维护矿山周边环境的稳定性和安全性。在实际应用中，董晓舟采用将干尾砂与胶凝材料搅拌制成料浆的方法，通过地表钻孔对河南省某金矿的采空区进行了充填。欧任泽等针对某铜矿存在的因尾矿库容不足、采矿损失而导致矿石贫化严重以及充填输送距离过长等难题，通过全尾砂充填材料试验，确定了最优的絮凝剂类型和最佳料浆浓度，并综合比较技术性、经济性，选定了将高浓度尾砂一级加压输送至3200m建站充填料浆泵送胶结的充填方案，同时使用将高浓度尾砂输送至充填站的方案。矿山已按照该方案进行了系统建设，各项技术指标均达到要求。

2020年，我国工程建设标准化协会还发布了协会标准T/CECS10091—2020《尾矿充填固化剂》，该标准详细规定了尾矿充填固化剂的组成与材料、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输与储存等方面的内容。

3.尾矿再选

尾矿再选是一种通过物理或化学方法处理尾矿的方式来提高矿石品位和回收率的方法。林锦等通过生命周期评价对比分析了不同的工艺方案，优化了回收精钨矿的方法，降低了环境影响。陈小艳等在选矿试验中引入了较高磁场强度的自卸式盘式尾矿回收机，提高了铁矿物的回收效果。陶恒畅等采用预先分级→粗粒再磨→浮选工艺，有效回收了铜尾矿中的铜。付金涛等通过尾矿再选试验方法，发现混合浮选工艺可高效回收锡铁山铅锌矿浮选尾矿中的硫、金、银，大幅提高了综合回收率。上述研究表明，尾矿再选对于优化回收方案、提高回收率和降低环境影响具有重要意义。

4.利用尾矿制备材料

（1）利用尾矿制备微晶玻璃

通过烧结法，利用铁尾矿、萤石尾矿、煤矸石、石棉尾矿等尾矿制备微晶玻璃。此外，杨博宇等以包头铁尾矿、金矿尾矿为主要原料，以白云鄂博矿尾矿中含有的Fe2O3和CaF2为形核剂，采用玻璃熔制?微波热处理方法制备微晶玻璃。

（2）利用尾矿制备陶瓷

余超等利用石灰岩尾矿，通过高温热处理方法制备多孔陶瓷。王凯文等以钨尾矿为原料，以高岭土和氧化钙为辅料，通过添加造孔剂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制备多孔陶瓷。汪劲刚等以江西宜春钽铌尾矿为主要原料，以碳化硅为发泡剂，辅以钠长石、高岭土等原料，制备了发泡陶瓷试样。李泽华等以高炉矿渣、铁尾矿、硅藻土、方解石和高岭土为原料，同样以碳化硅为发泡剂，通过二阶段高温烧结方法制备了开孔发泡陶瓷。赵庆朝等以斑岩型铜矿尾矿、高岭土、玻璃粉为主要原料，采用高温熔融黏结工艺制备连通孔陶瓷透水材料。代卫丽等以铁尾矿和Al2O3为主要原料，采用常压烧结方法制备莫来石?石英复相陶瓷。吴冀等利用锂尾矿为主要原料，并添加高岭土、长石、方解石等陶瓷原料，制备了发泡陶瓷。吴浩等以铝矾土尾矿、低品位长石为主要原料，添加轻烧镁粉、SiC，制备了发泡陶瓷。此外，还可利用尾矿制备路基材料、保温墙板材、高强轻集料、造纸填料级高岭土、微晶发泡墙材、免烧砖、混凝土骨料、水泥、砂浆及其他材料。

5.尾矿无害化

（1）清除有害物质

HJ943—2018《黄金行业氰渣污染控制技术规范》中规定了黄金行业在储存、运输、脱氰处理、利用和处理等过程中有关污染控制及监测的制度要求，以控制和监测氰渣污染。吴为荣等比较了直接处理和调浆后处理2种工艺，结果表明调浆后处理能更有效地处理氰化尾矿浆中的总氰化物和总砷元素。夏洪波等利用铁尾矿进行加工、精准分离和无害化处理，将约80%的铁尾矿制成建筑用材料，剩余约20%的无害化尾渣可用于生产纳米生态缓释肥料和纳米?亚微米生态修复材料。

（2）利用尾矿库造林复垦

自20世纪90年代起，首钢开始利用尾矿库进行造林复垦，目前已有53.3公顷的尾矿库被绿树覆盖。张庆欣等在杨家杖子尾矿库坝体植被恢复工作中，采用了营养杯育苗造林方法，显著提高了尾矿库造林的成活率。王博文总结了一系列处理措施和造林方法，进一步巩固了辽西北地区矿山3大区域植被恢复工程的成果，并为其他地区提供了经验和方法。

二、尾矿用于建筑材料的进展

1.利用尾矿制备混凝土

（1）尾矿砂再生混凝土制备

杜颜胜等采用尾矿砂作为细骨料，制作矩形截面尾矿砂再生混凝土柱，其具有良好的抗震性能和变形能力。何兆芳等利用细度模数为1.7左右的马钢铁矿的尾矿，取代部分天然砂细骨料来生产预拌混凝土，其力学性能和耐久性能优于天然砂混凝土。孙书武等采用质量分数分别为30%、70%的铁尾矿砂和天然粗砂混合制作混凝土，提高了混凝土的物理力学性能及耐久性能。陶亚平等利用铁尾矿砂替代天然砂制备再生混凝土，发现铁尾矿砂最佳取代率为50%，其在抗压、抗折和劈裂抗拉强度、结构致密性和抗碳化等性能方面表现最佳。

（2）新型塑性混凝土防渗材料

黄杰等采用尾矿砂配置的新型塑性混凝土防渗材料满足工程要求，其抗压强度和弹性模量随砂率和水泥掺量的变化而改变。

（3）绿色混凝土的制备

张海霞等使用机制砂和铁尾矿砂制备绿色混凝土。机制砂与铁尾矿砂最佳质量比为8∶2，其工作性能、力学性能以及耐久性能均满足设计要求。该技术自2013年9月已大范围应用于我国建筑工程中。

（4）尾矿砂聚合物钢纤维混凝土

黄志强等研究了尾矿砂聚合物钢纤维混凝土的基本力学性能，发现最佳配比如下：尾矿砂替代率为50%，钢纤维掺量为1.5%，聚灰比为10%。

 

2.利用尾矿制备免烧砖

李峰等利用钼尾矿、水泥和粉煤灰通过压制成型法制备免烧砖。李燕怡等利用商洛本地的铁尾矿、河砂、水泥和添加剂制备免烧砖。周鑫等将焙烧后的石棉尾矿与水泥混合，采用压制成型法制备免烧砖。周龙等以铅锌尾矿、石膏、石粉和水泥通过压制成型法制备免烧砖。汪宗文等利用K1胶结材料与某金矿尾矿复合制作干压免烧砖。

3.利用尾矿制备墙体材料

张丛香等以铁尾矿泡沫混凝土为基体材料，辅以纤维、网格布等增强材料，制备轻质保温墙板材，该板材达到建筑使用要求，具有优良的性能指标。胡明玉等［69］以铜尾矿为主要原料，制备高物理力学性能的铜尾矿免烧墙体材料，其具有较高的强度和耐水性。邹智秀等以红土镍尾矿与页岩制备烧结墙体材料，其符合国家标准，红土镍尾矿的最佳掺量为40%。喻振贤等利用铁尾矿、聚苯乙烯(polystyrene，PS))泡沫和激发剂制备阻燃型轻质保温墙体材料，具有较高的活性和抗压强度。

4.利用尾矿制备胶凝材料

李建刚等通过机械研磨法活化铁尾矿，制备了水泥?铁尾矿胶凝材料，并研究了各因素对胶凝材料强度的影响，得到最佳配合比。张豪等通过煅烧法将高镁磷尾矿中的白云石煅烧成氧化镁和碳酸钙，利用氧化镁和硫酸镁等原料制备硫氧镁胶凝材料，研究了原料比例和柠檬酸掺量对材料强度的影响，确定了最佳配比。李峰等利用钼尾矿制备地聚物胶凝材料，并研究了各因素对材料性能的影响，确定了最佳制备条件。王浩等以锑尾矿微粉为原料，制备锑尾矿粉基复合胶凝材料，并研究了配合比和活化剂对材料性能的影响。

5.利用尾矿制备水泥

许宁源利用铜矿尾矿替代砂岩制备水泥熟料，并研究了铜矿尾矿对水泥熟料性能的影响，结果显示在较高温度下替代更易烧成，但熟料强度较低。高锦城等利用铅锌尾矿替代黏土配料煅烧水泥熟料，结果表明采用铅锌尾矿制备的水泥熟料强度低，但符合标准，重金属浸出浓度远小于国家标准。

6.利用尾矿制备砂浆

李青霄等利用铁尾矿砂作为骨料，以α、β石膏为基料，添加适量外加剂，制备了石膏基自流平砂浆，并研究了不同因素对其性能的影响以及最优配合比。毕军军等利用尾矿砂替代天然河砂制备普通干混砂浆，并研究了尾矿砂石粉含量和人工砂中亚甲蓝（MB）测定值对砂浆性能的影响，结果显示石粉含量为15%时砂浆性能最佳。刘洪波等利用石墨尾矿替代部分砂，掺入粉煤灰和钢纤维制备砂浆，结果显示掺入10%的石墨尾矿和钢纤维后砂浆的力学性能得到提高。李鹏飞等利用低硅铁尾矿制备抹面砂浆，并研究了不同因素对其性能的影响，确定了最佳配合比和试验最优条件。马军涛等利用萤石尾矿替代细砂制备水泥砂浆，结果表明萤石尾矿的掺入可以改善水泥砂浆的流动性，并提高其强度。萤石尾矿在水泥砂浆中的作用主要是颗粒堆积和填充。谢红波等利用锡尾矿替代河砂制备水泥砂浆，研究了锡尾矿掺量对其性能的影响，发现锡尾矿适宜替代量为20%。

三、存在的问题

作为一种工业副产物，虽然在对尾矿的实际利用方面取得了一些进展，但仍存在许多问题需要解决。首先，尾矿的整体开发价值尚未得到充分挖掘，其潜在的经济效益尚未明确体现。这可能与尾矿的特性和利用方法等因素有关。其次，尾矿的利用率相对较低，尤其是在尾矿再选回收方面的效率较低，同时尾矿的消耗量也相对较小。尾矿种类繁多且混杂，在不同领域针对不同种类尾矿的利用方式需要进行深入研究和创新。这需要跨学科的合作和全方位的思考，以找到更有效的尾矿利用途径。此外，尾矿的开采活动往往伴随着大面积的环境破坏，尤其是一些中小型企业的环保意识不足。尾矿开采所造成的环境问题需要得到解决，需采取有效的环保措施来降低环境影响。

四、结束语

尾矿的储存量巨大，这赋予了尾矿规模化利用的巨大潜力。特殊的物化性质使得尾矿能够在一定程度上替代传统的原材料，从而实现资源的可持续利用。尾矿的种类繁多，且来源复杂，其化学和物理性质各异。因此，在尾矿的利用过程中需要针对不同的尾矿种类制定相应的处理和利用方案，充分考虑其特点和适用性。尾矿综合利用需要不断的技术创新和方法探索。各种分析、测试和加工技术的发展将有助于更好地开发出尾矿的潜力，提高其在建筑材料中的应用价值。此外，需要深入研究尾矿的综合利用对环境的影响。在开采和利用过程中，要注意降低对环境的不良影响，确保资源的可持续利用以及环境的协调发展。