鄂东南金属矿山尾矿基本特征及开发利用

尹　伟, 张　娅, 潘　潇, 李　红, 姚　燕, 刘忠明

(湖北省地质科学研究所,湖北 武汉　430034)

0　引言

尾砂是一类潜力巨大的矿产资源,由于受不同时代科技水平与选矿条件的限制,许多有用组分被残留在尾矿砂中,随着资源的枯竭和科技的发展,其中的有用组分,将陆续被分离利用,成为实现资源循环利用国策最典型的实践项目。并将产生巨大的经济、环境效益和社会效益。

2011年国土资源部《矿产资源节约与综合利用“十二五”规划》明确要求在十二五期间开展矿山尾矿和固体废弃物综合利用工作。

早在2006年—2008年,湖北省地质科学研究所实施了省科技攻关项目《鄂东南尾矿(砂)资源调查及开发利用研究》和湖北省地质矿产勘查开发局科研项目《鄂东南尾矿有用组分综合利用研究》,并开展了《鄂东南尾矿资源调查评价》工作(2007年—2008年)。对尾矿资源有了一个较清晰的认识。

鄂东南处于长江中下游成矿带上，是中国重要的铁铜金生产基地。长期的矿山开采,留下了大大小小数百座尾矿库。

1　尾矿分布

1.1　尾矿库规模划分

在充分调查鄂东南尾矿库的基础上,根据尾矿库的规模和服务年限,笔者提出了一个尾矿库规模的划分方案(表1)。

1.2　尾矿库分布和数量

鄂东南尾矿主要分布在鄂州市、黄石市、大冶市和阳新县,据统计有大大小小尾矿库500多座,其中又以大冶市占主导地位,有尾矿库300多座。

表1　金属矿山尾矿库规模划分

从区域分布上看,北部有程潮—铁山—金山店大型铁矿尾矿库；中部有灵乡小型铁矿尾矿库、铜绿山大中型铜矿尾矿库、赤马山中小型铜矿尾矿库；南部有封山洞—鸡笼山大型铜金矿尾矿库(图1)。

从尾矿库类型上看,北部是武汉钢铁集团的钢铁生产基地,尾矿库以铁矿尾矿库为主,主要与北部程潮、铁山、金山店等大型铁矿的开采有关。中部和南部是大冶有色金属公司和中金黄金股份有限公司的生产基地,尾矿库以铜矿尾矿库为主,金矿尾矿库次之。

1.3　库容及总库容

库容,有设计库容和现库容,以及与现库容密切相关的尾矿年排放量(年入库量)。其计量单位均为万m3。而从选矿厂角度,即矿山统计的尾矿年排放量一般以万吨计。

70座规模以上的尾矿库,截至2006年底库容总量过亿m3。其中,41座实地调查过的尾矿库现库容总量近亿m3。又其中,铁矿山尾矿库12座,4 000多万m3；铜矿山尾矿库17座,近5 000万m3；钨铜钼矿尾矿库2座,200多万m3；金矿山尾矿库7座,近700万m3；铅锌矿山尾矿库1座,近20万m3；另有无对口矿山选矿厂尾矿库2座,近30万m3。

2　尾矿基本特征

2.1　尾矿沉积物特征

2.1.1尾矿沉积物构造—水平层理

除堆积坝尾矿经人工扰动外,尾矿沉积物普遍见到水平层理。野外宏观水平层理单层厚度一般10～30 cm,属中厚层状。层理多由泥质薄层或富含赤铁矿的泥质薄层显示,其中偶见较多云母类矿物。中厚层状层理中常常可见纹层。尾矿库从进水口向出水口,重砂矿物会逐渐减少,成分也会随比重不同而变化；矿物颗粒也会由大变小。

图1　鄂东南金属矿山尾矿库分布图

2.1.2尾矿沉积物结构和物理性质

尾矿沉积物呈松散砂状。所谓“砂”,是原矿经人工机械破碎—磨矿的碎屑。碎屑主要为矿物碎屑,少量岩屑。按机械沉积物结构标准,尾矿沉积物结构可以碎屑大小和碎屑形状两个方面表述。

碎屑大小:在磨矿细度200目(0.074 mm)和400目(0.038 5 mm)情况下,尾矿碎屑粒度可从0.001 mm到0.6 mm,但以0.01～0.25 mm居多,属细粒结构和微粒结构。其中,占主体的是0.01～0.1 mm的碎屑,即微粒结构。

碎屑形状:以次棱角状结构为主,其次是棱角状结构和他形粒状结构。经常可见某些矿物的自形晶体结构。

2.1.3尾矿有用组分

按伴生组分最低要求,尾矿中的伴生有用组分是:Fe(铁矿砂)、Cu、Au、Ag、Co、Mo、W、Cd、Se、Pt、Pd和S[1]。

2.2　铁矿尾矿基本特征

2.2.1矿山分类

铁矿山包括铁矿和铁铜矿两个亚类。铁铜矿亚类以大冶铁矿(铁山铁铜矿)为代表。铁矿亚类中又有三种金属矿物组合:赤铁矿(石英)组合、磁铁矿+赤铁矿组合和磁铁矿+黄铁矿组合,分别以西山雷山铁矿、刘家畈铁矿和程潮铁矿(及金山店铁矿)为代表。

2.2.2矿山尾矿砂中有用组分特征

铁矿山两个亚类尾矿可能存在的有用组分,其共同特征是:TFe、Co含量高。有所区别的是:铁矿亚类S高Cu低,Pt+Pd较高；铁铜矿亚类S较低,Cu高,Pt+Pd高,As较高。个别样品TFe特高(如雷山选矿厂尾矿库等),与该矿矿石中赤铁矿含量高、选矿工艺流程不尽合理有关。

2.2.3尾砂中金属矿物组合

铁矿山两个亚类尾矿中的铜矿物,在铁铜矿亚类尾矿种类稍多(黄铜矿、斑铜矿),含量稍高,而在铁矿亚类尾矿中种类单一(黄铜矿),含量很低。

2.2.4尾砂中脉石矿物组合

铁矿山尾矿中的非金属矿物计有十几—二十种,还有含量不等的岩屑。非金属矿物以硅酸盐类和碳酸盐类为主,偶见硫酸盐类(硬石膏、石膏)和磷酸盐类(磷灰石)。岩屑以中酸性岩浆岩、矽卡岩和大理岩白云岩为主,偶见硅质岩和粉砂岩。

占主体的非金属矿物呈现两种“组合”:一种是铁矿亚类磁铁矿+黄铁矿组合中的斜长石、钾长石、透辉石和石英“组合”,另一种是铁矿亚类磁铁矿+赤铁矿组合和铁铜矿亚类中的方解石、白云石和石英“组合”。据岩屑种类判断,两种“组合”的出现,与矿石中脉石矿物种类关系密切。

2.2.5尾矿中较重要的金属矿物特征及单体解离度

赤铁矿:多呈不规则状—他形粒状—半自形粒状假晶,交代于磁铁矿边缘及裂隙中,或在赤铁矿中见磁铁矿交代残余。粒度多在0.03～0.40 mm,其中程潮铁矿尾矿中赤铁矿粒度较细≤0.01～0.12 mm。单体解离度：雷山选矿厂尾矿70%(连生体30%),洪山溪尾矿库尾矿40%(连生体60%)。

磁铁矿:他形—半自形粒状,粒度多在0.02～0.25 mm。单体解离度：程潮铁矿尾矿90%,洪山溪尾矿库尾矿65%。

菱铁矿:主要见于洪山溪尾矿库。他形粒状,粒度0.01～0.25 mm。

黄铜矿:次棱角状—他形粒状,粒度0.01～0.15 mm,单体解离度65%～70%。程潮铁矿尾矿中可见部分黄铜矿与黄铁矿、磁铁矿成连生体。

黄铁矿:棱角状、次棱角状—半自形粒状,个别立方体状。粒度多在0.05～0.38 mm。单体解离度90%～95%。

2.3　铜矿尾矿基本特征

2.3.1矿山分类

铜矿山包括铜铁矿、铜钼矿和铜矿三个亚类。其中,铜铁矿亚类和铜钼矿亚类分别以铜绿山铜铁矿和铜山口铜矿(及封山洞铜矿)为代表。而铜矿亚类中有两种金属矿物组合:黄铜矿+斑铜矿+辉铜矿组合和黄铜矿+黄铁矿组合,分别以赤马山铜矿和白云山铜矿为代表。

2.3.2尾矿砂中有用组分特征

铜矿山三个亚类尾矿中可能存在的有用组分,其共同特征是含Cu高—较高。比较三个亚类尾矿各具特色的是:铜铁矿亚类TFe较高,S低,Pt+Pd较高；铜钼矿亚类TFe低,S较低,Mo高,Se高；铜矿亚类TFe较低,S低,As较高。

总体看来,铜绿山铜铁矿尾矿库中的铜矿物以硫化物类铜矿物—黄铜矿、斑铜矿和辉铜矿为主,自下而上种类从多至少,含量从高至低。孔雀石普遍见到,微量。现场观察似乎深部要多一些,可见肾状孔雀石集合体。

2.3.3尾砂中金属矿物组合

铜钼矿亚类和铜矿亚类中的黄铜矿+黄铁矿组合,金属矿物占主体的基本上都是黄铁矿、赤铁矿和黄铜矿,而后者中还有少量金红石,前者中还有少量磁铁矿。微量矿物中,前者以辉钼矿和斑铜矿为其特征。

2.3.4尾砂中脉石矿物组合

铜矿山尾矿中的非金属矿物,呈现两种明显不同的“组合”。且在微量非金属矿物的种类数量、矿物以至岩屑等成分上都有明显差别。

一种是方解石、白云石、(长石)和石英“组合”。见于铜铁矿亚类和铜钼矿亚类,可能还有铜矿亚类中的黄铜矿+斑铜矿+辉铜矿组合。

另一种是绢云母、石英“组合”。见于铜矿亚类中的黄铜矿+黄铁矿组合。其非金属矿物种类相对较少(15种)。

2.3.5尾矿中较重要的金属矿物特征及单体解离度

磁铁矿:他形—半自形—自形粒状,偶见立方体状和五角十二面体自形晶。大都被赤铁矿不同程度交代。粒度多在0.02～0.20 mm。单体解离度：铜绿山铜铁矿尾矿70%,白云山铜矿尾矿(微量)多为连生体。

赤铁矿:棱角状,他形—半自形粒状及微脉浸染状,粒度多在<0.01～0.05 mm。多为连生体,单体解离度40%；仅白云山铜矿尾矿中单体解离度达85%。

黄铜矿:次棱角状—他形粒状,粒度多在0.01～0.20 mm。单体解离度一般50%～55%,仅白云山铜矿尾矿达92%。

辉钼矿:见于周家园尾矿库。呈针片状集合体,非均质性强,粒度0.002～0.02 mm；

金红石:见于白云山铜矿老尾矿库,砂光片中含量2%(淘精系数0.002)。棕色柱状,粒度0.03×0.08 mm～0.06×0.16 mm,多数成单体。

黄铁矿:次棱角状为主,少数半自形粒状。粒度多在0.02～0.20 mm。单体解离度高78%～95%。

3　鄂东南尾矿综合利用现状

近十年来,鄂东南金属矿山尾矿开发利用已经提到议事日程。2006年—2008年,由于金属价格的上涨,鄂东南出现了尾矿开发热,至少有50座以上大大小小的尾矿库在开采,主要开采者为集体和个人,国营矿山大中型尾矿库保护较好。这些尾矿库的开采可以说是低技术水平的利用,单一提取钨、铜、铁、金等,造成了尾矿资源的严重浪费和地质环境的污染。从选矿方式上看,主要有磁选、重选和浮选。磁选主要用于磁铁矿,重选主要用于白钨矿、金矿,浮选主要用于铜矿。

3.1　铁矿尾矿利用

铁山铁矿洪山溪尾矿库作过选冶试验。主要回收组分为Fe、Cu、Au、Ag、Co(伴生)。Se和Pt、Pd可在冶炼中回收。

图2　尾矿综合利用工艺流程

选矿试验是武钢矿业公司设计研究所(现武钢开圣科技有限责任公司)在上世纪八九十年代做的,试验规模(类型)不详；同时做了物质组成查定。资料现存该公司。

据朱江(2001年)[2]报道,物质组成主要特点有三:尾矿样品中赤、褐铁矿和菱铁矿占铁矿物的70%左右；铜矿物中60%左右为游离氧化铜和结合氧化铜；尾矿粒度组成很细,特别是-8 μm粒级的含量高达35%～45%,铁、铜、硫大部分分布于该粒级中。

通过多项试验,推荐采用泥砂分选方案。其工艺流程为,尾矿在调浆至15%浓度条件下用泵输送到水力旋流器分级作业,对矿泥部分采用弱磁选—高梯度磁选流程回收铁矿物；对矿砂采用磨矿—铜硫浮选—弱磁选—强磁选流程选别,回收铁、铜、钴、硫等有价组分。试验结果表明,获得的弱磁铁精矿、强磁铁精矿、铜精矿、硫钴精矿的总产率达29.41%,各有价组分的回收率见表2。其中硫钴精矿品位S 42.03%(含Co 0.267%)。

从表2看,各有价组分回收率普遍偏低,特别是Cu,仅11.37%。选矿的难点已由物质组成查定揭示。

综观鄂东南含铁、铜、硫等主要有用组分的5座铁矿山尾矿库,或许还有某些铜铁矿山尾矿库,其尾矿选矿难点都有某些相似之处。由此看来,深入研究探索洪山溪尾矿库尾矿选冶利用途径是有一定示范意义的。特别是在经过了近二十年之后、选冶工艺技术已经有了长足进步的今天,有必要在对该尾矿库系统勘查的同时,重新进行尾矿选冶试验研究。

灵乡铁矿尾矿库含铁较高,用强磁选别方法回收尾矿中的铁效果很好。

表2　洪山溪尾矿库选矿试验有价组分回收率

3.2　铜矿尾矿利用

大冶有色金属公司开采了铜绿山铜铁矿尾矿库,选矿可回收组分为Cu、Fe、Au、Ag(伴生)。Se和Pt、Pd可在冶炼中回收。选矿试验是广州有色金属研究院做的。1990年撰有《铜绿山强磁尾矿综合回收铜、金、银和铁试验报告》。试验规模从可选性试验—工业试验。据孔胜武(2002年)[3]报道,广州有色金属研究院推荐的选矿工艺流程为:再磨—硫化浮选—磁选。其工业试验指标见表3。

表3　尾矿选矿工业试验指标

1995年建成的27万t/年尾矿回收系统,其工艺流程见图2。

其工艺条件为(据张锦瑞等[4]):磨矿细度0.074 mm>60%；浮选药剂用量Na2S 200×10-6,丁基黄药175×10-6,羟肟酸36×10-6,2号浮选油20 ×10-6。

投产后几年尾矿选铜生产指标见表4(孔胜武)。

表4　投产后几年尾矿选铜生产指标

从表3可见,1996年—1999年尾矿选铜生产指标提高趋势明显。对于尾矿选铜生产指标低于工业试验指标,孔胜武认为可能是选矿工艺存在一定问题。

利用该工艺平均每年可从尾矿中回收铜200 t,铁精矿3万t,黄金10 kg以上,白银100 kg以上。最终尾矿经分级处理用于井下充填。

3.3　金矿尾矿利用

1999年,鸡笼山金矿和湖北省黄金公司等决定成立股份公司,建厂开发综合回收鸡笼山金矿老尾矿库尾矿,并委托北京某矿山设计院做了回收方案设计。后来于2001年建成华中联营选矿厂。设计流程采用铜硫混合浮选—再磨分离浮选—混选尾矿磁选流程。

尾矿开采为水枪加渣浆泵。进入选矿厂后,尾矿先以水力旋流器分级,溢流剔除细泥,底流搅拌槽调浆。调浆后的尾矿进入铜硫混合浮选,所得铜硫混合精矿再磨至-200目>76%,加药调浆后再进入分离浮选,得到铜金精矿和硫精矿。混合浮选尾矿经磁选得到合格铁精矿。

投产8年来,虽然该厂受尾矿性质多变困扰时开时停,但总体看来仍可划分为三个阶段:初期发展阶段(2001年—2003年),开采的尾矿库表层尾矿品位较低,选矿指标也低。以2002年10—12月为例,入选尾矿品位Cu 0.084%、Au0.45×10-6,所得铜金精矿品位Cu 9.00%、Au 18.00×10-6。随着开采深度增加,尾矿品位提高,同时还有金属价格上扬的因素,选矿厂进入盈利阶段(2004年—2007年)。据有关人员称,这几年年利润总额近百万元。2008年—2009年受国际金融危机影响,产品滞销,电价上涨,选矿厂处于半停产状态。而停产还导致恢复生产时的设备维修和部分设备更新费用增加。

4　综合利用建议

尽快出台地方性《尾矿资源有用组分综合利用法》,编制《鄂东南金属矿山尾矿综合利用总体规划》,考察江西德兴尾矿综合利用流程,引进先进的技术和设备、全新的设计理念,建设国内领先的现代化尾矿选(冶)矿厂,并实施科学管理。加大尾矿有用组分综合利用资金投入,为矿山尾矿选(冶)矿厂建设和生产提供资金支持和政策优惠。加强尾矿勘查和综合利用研究,逐步建立尾矿勘查规范和技术标准体系。以鄂东南尾矿集中区为重点,在全国选择一些代表性尾矿库,制定尾矿勘查规范。

致谢：感谢武汉综合岩矿测试中心张达、毛立音高级工程师为本文作了砂光片及轻砂鉴定。

参考文献:

[1]刘忠明.鄂东南金属矿山尾矿物质成分初步研究[J].矿冶,2010,19(1):7-1.

[2]朱江.武钢尾矿资源综合利用的研究与实践[J].中国矿业,2001,10(1):50-53.

[3]孔胜武.综合利用铜绿山尾矿力争实现废料零排放[J].矿冶,2002,11(增刊):241-243.

[4]张锦瑞.金属矿山尾矿综合利用与资源化[M].北京:冶金工业出版社,2008.