乌龙泉矿尾矿分类及特性研究

毛静民,高大峰,刘 捷,刘 浪

(1.武汉工程职业技术学院冶金工程系，湖北 武汉 430080；2.武汉工程职业技术学院土木工程系，湖北 武汉 430080)

随着矿产开发，矿产资源不断消耗而日益枯竭，工业废弃物到处排放，人类环境遭受破坏。国家提出以“科学发展观”，发展 “绿色、循环经济”，同时，由于技术的进步，许多尾矿都能找到合理的用途，尾矿过去是工业固体废弃排放物，现在被认为是“放错地方的资源”。武钢矿业公司乌龙泉矿大洪山尾矿库,经过40多年的尾矿堆放，现已接近设计库容，并且尾矿库的位置妨碍了矿床的后续开采。为了解决该问题，同时，利用该尾矿库中的尾矿制作墙体材料，需要通过调研、取样、分析等手段摸清理尾矿情况。

乌龙泉矿选矿后排出的尾矿砂浆，通过管道从选厂输送到尾矿库沉淀，库中存在大量的水、泥浆，取样工作受到限制。乌龙泉矿开采过程中,矿石来源在变，选矿工艺及设备也在改进，因而，矿石组分变化，尾矿沉积物、粒径分布以及沉积厚度各不相同，必须考虑样品代表性的问题，这增加了布点取样的难度以及取样分析的成本代价。综合这些要求，也考虑尾矿后续利用工作需要对乌龙泉矿尾矿有一个合理而简单的分类，本文研究如何划分尾矿类别，如何按照制作墙体材料的要求设计取样点，获取相应类别的尾矿。进而，对尾矿样品及相关类别进行了直观判断、粒径测试、化学检验、密度分析、泥含量分析、击实试验等工作[1]。

1 尾矿分类

尾矿库中尾矿沉积规律性差，尾矿颗粒宏观上具有下粗上细、坝前粗库尾细的一般特征。但是，由于尾矿粒度、矿浆成分、浓度、流量等变化，使尾矿沉积层出现粗细相间的夹层、互层、交错、透镜体、千层饼等现象，结构上表现为不均一性和各向异性。

根据规范[2]将乌龙泉矿尾矿划分为:①尾中砂、②尾细砂、③尾粉砂、④尾亚砂、⑤尾轻亚黏土、⑥尾重亚黏土、⑦尾矿泥等七种类型，颗粒分析见表1。

表1 尾矿颗粒分析表

将七种类型尾矿粒径和各粒径下的含量用三角坐标表示,见图1。发现数据点聚集在3个区域：①②③三种类型尾矿的颗粒组成相近，试归并为尾砂类；④⑤⑥三种分类尾矿的颗粒组成相近，试归并为尾土类；⑦为尾矿泥，黏粒比例较大，在尾矿中占比为21.74％，在采样中夹杂在细粒料中，很难直接获取或从细粒料中分离，因此，从取样操作和利用尾矿制作墙体材料的角度看，尾矿泥⑦不宜单独作为一类，应归并到尾土类。

图1 尾矿颗粒组成的三角坐标图

根据以上分析，尾矿总体上可分为两大类：尾砂和尾土泥。两类尾矿的比例分别为49.61％、50.39％，几乎各占一半。尾砂包括：尾中砂、尾细砂、尾粉砂；尾土泥包括：尾亚砂、尾轻亚黏土、尾重亚黏土、尾矿泥。七类尾矿归并过程如表2所示，括号中数字为该类尾矿比例。

表2 尾矿分类表

2 取样及分析

2.1 取样

利用尾矿制作墙材，需要考虑尾矿成分、粒径、含泥量等因素对墙材的影响，尾矿样品应该是包含这些因素的典型代表。应用尾矿分类的结果指导取样，应该取粗、细两类等量尾矿。实际过程分三次取样，编号依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。第Ⅰ、Ⅱ次采样点为平面布局，每次沿尾矿浆流向直线布置取样点，取样点连线垂直于尾矿坝轴线，由坝前向坝尾延伸5～6个点，每个点由尾矿干滩向下挖深为0.5m以上，挖取该断面上下多层尾矿，编号分别为Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4、Ⅱ-5。采样点如图2所示。考虑到前两次取样点挖深所涉及的沉积年限少了，第Ⅲ次采样点布置在5m深的探槽断面上，这些尾矿沉积层能够覆盖尾矿库堆放运行的各个年代。

图2 乌龙泉矿尾矿库取样点平面布置图

2.2 样品分析

2．2．1 直观判断

对Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4、Ⅱ-5的含泥量、颗粒粗细、颜色做直观判断，样本直观判断情况见表3。结合表2的尾矿分类，通过直观判断，有助于从中分离尾砂、尾土泥。

第Ⅲ次采样布点，从尾矿干滩表面到5m以下深度，考虑了尾矿历史排放情况，其代表性较好，在预处理时混合作为综合样，是前两次样品的补充。

2．2．2 化学分析

尾矿化学分析结果见表4。尾矿的主要化学成分为CaCO3，其次为MgCO3，化学组分较为单一。其他化学成分SiO2、Al2O3、S、K2O、Na2O、有机C等成分含量少，对尾矿砖的性能影响甚小，可以忽略不计。矿物组成主要有深色石灰、浅色石灰、白云石，其次还有围岩中的燧石灰岩、矽质灰岩、闪长岩。化学和矿物成分是墙材制作中胶凝材料的设计依据，在后续研究中，选择合理的添加材料，实现设计墙体材料所需的性能。

表3 样本直观判断情况

表4 尾矿化学分析/％

2．2．3 土工分析

土工试验结果如表5、表6所示。土工试验分析了尾矿密度、含泥量、粒径、空隙率、最优含水量，这是墙材成型设计的重要依据。

表5 密度、含泥量、粒径试验结果

综合各方面分析、判断，可以对第Ⅰ、Ⅱ次取样样品作归并，表中含泥量是应用尾矿分类成果的另一个参数。第Ⅰ、Ⅱ次采样样本中,将含泥量<32％的Ⅰ-1、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅱ-1、Ⅱ-4等5个样本归并为尾砂，典型代表是Ⅱ-1；第Ⅰ、Ⅱ次采样样本中,将含泥量≥32％的Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-5等6个样本归并为尾土泥，典型代表是Ⅰ-4；第Ⅲ次采样样本——“Ⅲ综”作为全尾矿，是综合成分的代表。

尾矿空隙率在40％～48％，通过一定手段排出尾矿中空气，形成尾矿的密实结构，能大大改善尾矿制作墙材的性能。击实试验结果如表6所示，尾矿的最大干密度为2.01～2.15g/cm3，这为尾矿进一步压实成致密结构提供了可能性。成型密度与成型压力有关系，当前国内成型设备成型压力小，难以达到这一成型密度，在后续成型试件的相关试验，所用成型压力必须考虑这一因素。在尾矿固化块，合理的水掺量既是胶凝材料水化反应的需要，又是实现固化块密实成型的条件，击实试验是设计尾矿固化块合理的水掺量的基础。

表6 击实试验

3 结论

按照尾砂、尾土泥的类别对尾矿样品归类，反映了尾矿的粗、细特征，增加综合样，是对前两类尾矿的合理补充。利用乌龙泉矿尾矿制作墙体材料，就是研究尾砂、尾土泥和综合样的尾矿物理化学性质，以此为依据设计乌龙泉矿尾矿的胶凝、固化材料和成型工艺参数，再检测和考察3种尾矿固化块的固化、耐久性能。对乌龙泉矿尾矿合理分类、并研究其尾矿性能，有助于减少固化试验样本数量，降低试验成本。尾砂、尾土泥和综合样3类样品的获取和性能研究,为利用尾矿制作墙体材料研究提供了依据。

1) 尾矿样品中考虑了不同化学、矿物成分，指导了胶凝材料设计。

2) 尾矿研究对象包含了尾砂、尾土泥和综合样3类样品中不同的粒径、含泥量，通过后续固化试验，能够考察3类样品尾矿对固化性能的影响。

3) 尾矿样品中包含了粗、细、综合样等不同尾矿的密度、空隙率特征，尾矿轻、重型击实试验给出了配料、成型设计的参数范围。

[1]毛静民.利用石灰石白云石尾矿制作墙体材料应用技术的研究[R].武钢矿业责任有限公司，2010.

[2]冶金工业部基本建设局，中国有色金属工业总公司基本建设部.YBJ11-86.上游法尾矿堆积坝工程地质勘察规程[S].1986.