尾矿堆积问题的解决办法——以九江城门山铜矿为例

刘 轩 任莉莉 杨 航 金海东 刘 洋 刘 毅 刘方华 胡 巧

0 引言

十四五规划指出，要牢固树立和贯彻落实绿水青山就是金山银山的理念，促进人与自然和谐相处，加大对矿山生态环境的治理。提高自然资源开发和保护程度，巧妙推进矿区土地节约集约利用和耕地保护，引导形成有效的矿业投资，激发矿山企业开发的内生动力，发展绿色矿业，建设绿色矿山。根据国家最新出台的《防范化解尾矿库安全风险工作方案》和《长江流域保护法》，国家提倡对尾矿进行就地处置。自2020年起，对传统的稀缺性、战略性矿产矿山进行确认，保证其正常开发的前提下，理论上全国尾矿库数量只减不增，到2022年底，尾矿库安全风险管理责任完全落实，坚决遏制非不可抗力因素造成的溃坝事故。但是，如果企业不能解决堆积问题，不能应对不断增加的尾矿，不能有效防止溃坝事故的发生，就需要停止生产经营。因此，有效解决尾矿问题已成为当前矿山企业最重要的问题。现在最常用的尾矿处理方式就是通过绝大多数的企业处理尾矿的方式是将产生的铜尾矿通过堆积的方式出存在尾矿库中，但是在关于印发防范化解尾矿库安全风险工作方案的通知中，《防范化解尾矿库安全风险工作方案》明确指出严格控制尾矿库的数量，强化综合施策，切实减少尾矿库存量。此方案中提出的要求使得一些无法处理尾矿的企业可能要面临停产停业的风险。尾矿的堆积不仅会占用大量的土地资源，长时间的累计还会带来一定的环境污染，引发多类灾害问题灾害如尾矿库溃坝等，无论是从短期利益还是长期利益来企业对于生产的尾矿处理迫在眉睫。

1 矿山企业现有处理方式

尾矿是指将矿石经破碎、筛分、研磨、分级、再经重选、浮选、氛化等选矿工艺流程，选出有价值的精矿石后的剩余部分[1]，随着国内外对稀有金属的需求量日益增加，因此尾矿处理问题成了重要的研究对象。目前有以下几种处理方式，一是传统尾矿存堆技术，将尾矿作为固体废弃物堆积在尾矿库中，二是尾矿干堆技术，是以精矿沉降浓缩、过滤脱水的技术为基础，将尾矿砂的含水率降低到10%左右后进行干式堆存，三是尾矿回填，是通过用尾砂废料来填补已经开采完的区域，尾砂经过处理后重新填回开采完的区域的方法，可以保护地貌、减少尾矿坝成本等。

2 企业处理尾矿的主要问题

一是缺乏高价值再生产品，尾矿的综合利用缺少高附加值产品，且市场缺乏市场竞争力。二是处理大量尾矿成本过高，且目前的技术也还很难继续二次提取二级尾矿，所以这不是一个很好的解决方案。三是对于铜尾矿用于制备混凝土，缺乏成套的制备工艺、潜在活性成分无法高效激发、铜尾矿制备混凝土性能不达标。四是尾矿回填对技术和回填的材料都有一定的要求。张琳琳[2]等在填充采矿技术应用发展及存在问题研究中提到有盲目的选择废石进行矿山回填，导致矿区的生产效率降低了很多。目前的技术水平还有待进一步的提高，存在着一定的局限性。

3 城门山铜矿处理现状

3.1 城门山铜矿背景

江西省位于中国东南部，自然资源丰富，尤其是矿产资源。目前全省共发现各类有益矿产160种，有5000 多个矿区。其中，已核实储量的有101 种，列入储量表的有96种，已有1106个矿区。江西省的铜矿主要分布在江西省九江市城门山铜硫铁矿区、江西省瑞昌市乌山铜硫铁矿区、江西省德兴市铜厂铜矿区等多个地区，铜矿储量占全国的五分之一。其中，城门山铜矿是中国最重要的露天铜工业矿之一。[3]1979年国家建设江西铜基地的时候将城门山铜矿纳入统一发展规划中。城门山铜矿资源丰富，是一座以铜、硫为主，共生钼、铁、锌，伴生金、银、铼、铊、硒等多金属矿床，矿石储量达2.2亿吨，其中含铜165万吨、硫3768万吨。矿区通过近些年来不断提升扩建，发展有员工800多人。随着实施资源控制战略、加快二次创业，已完成扩建城门山铜矿二期工程，矿区日综合生产能力达到17000吨，业务不断发展壮大。但同时尾矿问题正逐步严重，据统计，2015年中国国内尾矿堆积量为173 亿吨，尾矿堆积量呈快速攀升趋势，截至2020年尾矿堆积量增长到222.6 亿吨，尾矿问题已逐步演变成亟待解决的突出环境问题之一。

九江城门山铜矿的年产尾矿量在国内的矿山中比较适中，且城门山铜矿的尾矿库的使用年限已经达到了极限，如果不能处理掉尾矿的堆积问题，企业就要停产停业，加之城门山铜矿地靠长江，水运十分的方便为出货提供了便利的条件，因此九江城门山铜矿是一个非常好的试点，在城门山铜矿已经建立了一条设计处理尾矿量250万吨/年的生产线。

3.2 项目特点

一是新型建材原料，尾矿再生资源化。该项目将城门山铜尾矿作为建材原料，大宗固体变废为宝，有效解决尾矿堆积难题。二是新型建设用地再开发，项目建设在城门山已闭库的尾矿库上，增加当地建设用地有效供给，推进工业用地改造升级和集约利用。三是工艺先进环保。根据原料特点，定制的建材工艺流程简单，产出的产品性能优异，附加值高，打造适合全国的“江西样板”。四是项目具有示范带头作用，与城门山铜矿形成一条完整的绿色环保生态产业链，推动建筑行业革新，是江西省传统产业转型升级绿色发展的典范，具有重大的经济和社会意义。

3.3 已拥有成熟的生产线

城门山铜矿有着一整套的工艺流程，首先分级筛选库中的铜尾矿，压滤浓缩后，送至脱水车间进行真空负压脱水，控制含水量在8%以下。将脱水后的铜尾矿进行高效碾磨，制备成具有高活性的铜尾矿超细粉。采用废弃铜尾矿主要制备出两类产品，一类产品是制备成铜尾矿砂，可作为原材料进行出售也可以制成透水砖、加气砌块等混凝土制品进行销售，产品成本降低25%-37.5%的同时，性能提升12%左右；第二类产品是制备成铜尾矿超细粉，可替代水泥、粉煤灰等掺合料制备商品混凝土，产品性能及价格跟市面上的二级粉煤灰相比价格便宜40%左右，性能提升10%左右，可以很好的消纳铜尾矿。

图1 处理尾矿工艺流程

3.4 粗、中、细砂的解决

张振环等人也做过相关的实验，铜尾矿主要成分为SiO2，将铜尾矿砂的比表面积磨细到200 目(75μm)时可以很好的发挥掺合料的填充效应，可以很好的改善工作性能。取代200～250 kg 砂掺配时，降低砂率取代可保持3d强度比基准提高20%，但7d强度相差不大，28d 强度略低于基准;外加剂掺量不变，28d抗压强度略高于基4MPa;在同坍落度下进行等量取代，分别增加9%与28%的外加剂用量,结果显示28d强度略低于基2～4MPa，但极大的提高了工作性能。结合成本以及性能考虑取代200～250kg砂掺配为最佳。[3]

粗砂可用于搅拌站中，可以代替很大部分的机制砂或是天然河砂，中砂可用于加气砖厂，作为铜尾矿粉来代替粉煤灰，并且没有泥是可以比粉煤灰有更好的效果，细砂的用量很小，并且也可用建筑垃圾等其他更便宜以及从更方便运输的地方去取材料进行替代，且用细砂做出的成品的性能与其他建筑垃圾等对比并没有明显的提升，所以对于细砂的处理目前还是以干堆为主，对于细砂的处理还是一个急需解决的问题。

3.5 主要产品

（1）混凝土和砂浆用新型超细矿物掺合料：宋军伟教授所带领的团队与万铜环保有限公司合作，采用国内先进的粉磨生产工艺，通过机械力-化学双重激发，制备出铜尾矿超细粉，是一种可用于混凝土和砂浆的新型矿物掺合料。[5][6]

（2）蒸压加气混凝土制品专用硅质原料：铜尾矿作为高硅质原料，可制备蒸压加气混凝土砌块或板材。

（3）高强预应力混凝土管桩：铜尾矿作为高硅质原料，可制备高强预应力混凝土管桩。

（4）免烧砖：为响应国家禁止使用黏土砖和页岩砖的号召，采用铜尾矿制备实心砖、多孔砖、市政吸水砖、生态护坡砖等新型免烧环保墙体材料。

（5）PC 砖：采用独特的生产工艺，将铜尾矿进行资源化合理利用，制备具有仿石效果的PC砖。

（6）超高性能混凝土（UHPC）：用于制备UHPC井盖、排水沟盖板、桥梁、外挂装饰板、城市雕塑等。

（7）微晶玻璃、发泡陶瓷：用于制备高性能装饰微晶玻璃或A级防火发泡陶瓷。

（8）水泥原料：铜尾矿主要成分为SiO2，可满足水泥熟料需要，其微量元素具有矿化作用，可降低水泥烧成温度。

4 结论

江西作为矿产大省也有着非常严重的尾矿堆积问题，随着国家对环保对绿色矿山的重视，不能增加尾矿库以及减少尾矿库成为了最为关键的问题，从问题的缘由出发也就是要解决大量尾矿，通过用低成本处理不同粗细的铜尾矿砂，不仅可用于代替天然河砂或是粉煤灰，更是可以制备成pc砖、免烧砖等产品，从而达到对尾矿的高效利用，对于九江城门山铜矿的堆积问题做出了很大的改善，这一套处理方法为全省全国的矿山企业做出了一个很好的示范，在尾矿处理问题上迈出了极大的一步。