杨志强，王永前，高 谦，陈得信，王 虎

(1.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083;2.金川集团股份有限公司，甘肃金昌 737100)

0 引言

矿产资源开发和利用是国民经济建设与发展的基础。资源开发和利用伴随着大量尾砂、废石、矿渣以及配套工业产出的废渣等废弃物排放。固体废弃物堆放不仅污染环境，而且存在潜在溃坝、滑坡等地质灾害。因此，废弃物资源化综合利用备受关注，国内外均开展了大量的研究与探索。充填采矿技术的创新与发展，为固体废弃物资源化与规模化应用探索出一条道路［1－3］。

利用选矿尾砂作为充填料进行充填法采矿，不仅是固体废弃物资源化利用和环境保护的必由之路，而且也是降低充填采矿成本和提高采矿效益的有效途径。由于全尾砂充填料细颗粒含量多，采用水泥作为胶凝材料导致充填体强度极低。因此，为了提高充填体强度不得不采用分级尾砂或与粗骨料混合或提高灰砂比，既增加了充填工艺，又提高了充填成本。近年来，随着中国充填法开采铁矿日趋增加，已经开展了全尾砂新型充填胶凝材料的开发和利用研究，并且已经取得工业化生产［4］。徐文彬等针对超细全尾砂充填材料，开展了胶凝成岩机理试验研究［5］。陈超等人针对冀东地区铁矿全尾砂充填料物化特性，开展了全尾砂胶结充填体强度增长规律试验研究［6］。钟海斌、杜聚强和李茂辉等开展了铁矿全尾砂新型充填胶凝材料开发以及流变试验研究，已经在东凯矿业实现工业化应用［7－9］。

矿井掘进与采矿伴随大量废石排出，这是矿山另一类大宗固体废弃物。废石作为充填料应用于充填采矿是值得关注的问题。前苏联早在20世纪80年代开展了废石在充填采矿的应用研究。废石用作充填材料，可节省胶结充填料制备的部分费用和废石运出矿坑的费用，从而降低了充填成本。因此前苏联和其它国家在充填矿山越来越广泛地使用胶结充填料或固结浆和废石进行充填［10］。根据采矿技术条件及对充填体的强度和变形要求，目前可分为“同时输送固结浆或胶结充填料和废石”、“分别输送废石和固结浆进行分层充填”和“先用废石充填采空矿房，然后压注固结浆”等三种废石充填工艺。1997年中国首次在深部铜矿针对矿房矿柱两步回采工艺，采用废石进行二步矿房的充填技术研究［11］。随后在新桥铁矿、崇义章源钨矿、板溪锑矿以及红透山铜锌矿等矿山先后进行了与上述充填工艺相类似的废石充填技术研究［12－15］。严庆文等在会泽铅锌矿进行了膏体—废石联合充填技术及应用研究，但仍采用先废石充填，后采用膏体料浆覆盖的充填工艺［16］。目前中国废石废弃物的规模化利用，废石充填料浆的管道输送充填技术与工艺是其关键技术，有待于开展深入研究和工程实践。

1 概况及物化特性

1.1 矿山固体废弃物概况

环境资源、矿产资源和生物资源等自然资源统称为一次资源。人类生产和生活所排放和丢弃的大量“废水”、“废气”和“废固”在目前技术经济条件下暂时不用，人类完全有能力将这些废物变成新的二次资源。金川镍矿是中国最大、世界上位居前列的超大型硫化铜镍矿床。经过55年来的开发利用，已经排放大量的“三废”资源。尤其是选厂尾砂、矿井废石、冶炼厂水淬渣以及生产生活锅炉粉煤灰等固废排放量尤为突出。

1.1.1 金川矿山选矿尾砂

金川镍矿石选矿尾砂产率在85%以上，自1965年起到2012年底，尾砂排放量超过1.1亿t，储存在金川矿山的3个尾矿库中。按照矿山发展规划，2015年矿石生产能力将达到1 000万t，每年产生尾砂达到850万t。

1.1.2 金川冶炼炉渣

金川公司自1963年冶炼系统投产至2011年，累计产出铜镍渣2 900万t，每年镍铜系统产出冶炼炉渣246 万 t。

1.1.3 铜镍水淬渣提铁后尾砂

借鉴国内外先进经验，金川矿山启动了“110万t/年铜炉渣选矿工程化项目”。采用“破碎、半自磨+球磨、浮选和脱水”的选矿工艺以及大型、高效和节能型设备，对炉渣进行处理，每年产生铜渣尾砂100万t。

1.1.4 粉煤灰和脱硫灰渣

金川矿山现有热电厂1座，在建热电厂1座，电厂每年回收粉煤灰和脱硫灰渣超过11.5万t。

1.1.5 二水磷石膏

位于金昌河西堡的甘肃瓮福化工公司，排放7 000万t二水磷石膏露天堆放，并且每年还以400万t的速度排放。

1.1.6 矿井废石

金川矿山在开拓、掘进和采矿生产过程中产生大量废石。自建矿投产以来，已经产生数亿吨废石露天堆放，并以每年10%的速度递增。仅2011年矿山产出废石202.5 万 t。

1.2 废弃物物化特性

1.2.1 金川选厂尾砂

金川选矿尾砂的物化特性、粒度分析以及质量分析结果见表1－表3。由此可见，金川选矿尾矿细度细，其中－0.074 mm粒径占73%，孔隙率为57.5%。化学组成以SiO2和MgO为主，没有胶结活性，属于惰性材料。

表1 金川矿山全尾砂物性与粒径分析结果Table 1 The analysis results of the physical properties and particle diameter of the tailing in Jinchuan mine

1.2.2 金川冶炼炉渣尾砂

金川铜镍渣尾砂成分分析结果见表4。由此可见，铜镍渣尾砂的主要成分是FeO和SiO2，次要成分是CaO、MgO、Fe3O4、Al2O3、Cu2S、FeS 等。金川铜镍渣尾砂属于FeO－Fe2O3－SiO2三元渣系，主要矿物组成是2FeO·SiO2。根据铜镍渣尾砂的XRD图谱和SEM电镜扫描图显示，铜镍渣尾砂有较多的钙镁橄榄石、铝黄长石、钙(镁)铝榴石以及普通(透)辉石等。铜镍渣尾砂中的玻璃相与结晶体相间分布，硅(铝)氧四面体或以玻璃网状结构相连接，或以晶体格子状质点结构相连接，或以晶界过度状结构相连接的物质。根据化学成分获得铜镍碱性系数＜1.0。可见，金川铜镍渣尾砂为酸性渣。铜镍渣的质量系数为0.25，活性系数为0.03，表明铜镍渣尾砂质量很差，渣中氧化钙含量低，基本无活性。

1.2.3 粉煤灰和脱硫灰渣

金川矿山粉煤灰的物化特性以及粒径分析结果见表5和表6。通常有湿法和干法或半干法两种脱硫工艺。湿法脱硫产生的副产品是二水石膏。干法或半干法脱硫灰渣主要是以亚硫酸钙和飞灰为主。

表2 金川矿山全尾砂化学成分分析结果Table 2 The analysis results of the chemical composition of tailing in Jinchuan mine

表3 金川矿山全尾砂质量分析结果Table3 The analysis results of the quality of the tailing in Jinchuan mine

表4 金川铜镍渣尾砂成分分析结果Table 4 The analysis results of chemical composition of the copper and nickel slag tailing in Jinchuan mine

表5 金川矿山粉煤灰物理性质与粒径分布Table 5 The analysis results of the physical properties and particle diameter of the flyash in Jinchuan mine

表6 金川矿山粉煤灰化学成分分析结果Table 6 The analysis results of the chemical composition of the flyash in Jinchuan mine

1.2.4 二水磷石膏

甘肃瓮福磷石膏化学成分与磨细的粒径分析结果见表7和表8。由此可见，瓮福二水磷石膏的CaO在30%左右，SO3含量＞40%，不满足水泥厂生产熟料对其技术指标的限制，难以应用于水泥材料的生产。对瓮福磷石膏进行烘干和磨细的粒度分布特征参数见表8。

1.2.5 金川矿井废石

金川镍矿体赋存于含矿超基性岩体的中下部，富矿于主矿体中心，贫矿位于四周。矿体围岩顶板主要为二辉橄榄岩，其次为大理岩。底板也以二辉橄榄岩为主，其次为橄榄辉石岩、绿泥片岩、大理岩。矿体顶板主要为二辉橄榄岩，占60%;其次为大理岩，占15%。底板也以二辉橄榄岩为主，占35%;其次为橄榄辉石岩、蛇纹透闪绿泥片岩、大理岩，各占约10%。金川镍矿废石的物化特性测试结果见表9和表10。

表7 甘肃瓮福公司的磷石膏化学成分分析结果Table 7 The analysis results of the chemical composition of the phosphogypsum in Wengfu company 单位:%

表8 甘肃瓮福公司的磷石膏粒径分析结果Table 8 The analysis results of particle diameter of the phosphogypsum in Wengfu company

表9 金川矿山岩石物理性质分析结果Table 9 The analysis results of the physical properties and particle diameter of the rock in Jinchuan mine

表10 金川矿山废石化学成分分析结果Table 10 The analysis results of the chemical composition of the gob in Jinchuan mine 单位:%

2 “三废”二次资源综合利用研究现状

金川矿山固体废弃物排放不仅占用大量土地，而且还污染环境，并潜在着严重的安全隐患。因此，作为中国资源综合利用的三大基地之一，金川矿山重视二次资源综合利用研究与工程应用研究［17－19］。尤其“十一五”以来，金川矿山积极推进科技创新，大力实践循环经济，在资源综合利用和节能减排等方面取得了显著成效。同时，金川集团公司逐步加大环境保护力度，自2009年以来，已经投资23.18亿元，建立了完备的环保设施，对部分废水、废气和废渣进行资源化利用和无害化处理，极大地改善了金川矿区的大气环境和空气质量。目前已经建成7套冶炼烟气回收系统，每年生产硫酸252万t;2套低浓度烟气回收系统，每年产亚硫酸钠15万t;建成年产110万t的铜炉渣选矿工程，实现对铜渣资源的二次回收利用。目前已经打通了尾砂酸浸工艺流程，为尾矿和贫矿资源化利用提供了技术支撑;金川二矿区还开展了废石粗骨料胶结充填技术攻关研究，从而拉开了利用井下废石进行矿山充填的序幕。

2.1 选矿厂尾砂资源回收研究

金川镍矿多年来一直在探索尾矿资源回收与综合利用途径，曾开展了尾矿再选、微生物浸出、酸浸、尾矿库生态复垦、尾矿充填和生产建材等方面的技术攻关［20－23］。虽然取得了一定的成果，但总体上来看尾砂综合利用率很低。2000年新建一套尾砂处理系统，部分尾砂经旋流器分级，产出粗颗粒的分级尾砂，然后制备成高浓度尾砂浆进行尾砂胶结充填，每年利用尾砂仅10万t左右。另外，金川集团实业公司每年利用10万t尾矿用于制作复合模板、井盖和井圈。2006—2008年，金川镍矿与中国矿业大学合作，利用旋流静态微泡浮选柱，分别进行了尾砂再选半工业试验、机—柱联合浮选半工业试验和浮选柱全流程分选半工业试验，其中浮选柱直接选别尾矿和替代二段浮选机选别取得了较好效果。

2010年金川镍矿开展了金川尾矿酸浸试验，经过两年多的实验室研究和工业化现场试验，取得了初步研究成果，尾矿镍铜金属的浸出率达到75%以上［24－26］，但酸浸工艺仅适用于经过长时间自然氧化后的第一尾矿库中的尾矿。由于第二尾矿库尾矿氧化时间较短，酸浸尾砂的金属浸出率＜35%，很难应用于工业化生产。虽然金川镍矿在固体废弃物资源化综合利用方面取得了显著成效，但由于受技术和成本的限制，矿山废弃资源的综合利用不仅规模小而且附加值低，从而导致大量尾砂、废石和废渣等固体弃物堆放。尤其矿山尾矿、铜渣以及废石等大宗固体废弃物的大量堆积，不仅给矿山环境造成严重影响，而且也对二次资源造成极大浪费。开展对金川矿山尾砂、铜渣、废石、粉煤灰以及脱硫灰渣等二次资源的综合利用的技术攻关研究，并实现工业化生产，是金川矿山目前以及今后一段时期所面临的最迫切和最艰巨的研究课题。

2.2 冶炼水淬渣资源回收研究

为了利用冶炼厂水淬渣二次资源，金川开展了水淬铜渣有价金属回收利用以及微晶玻璃制备研究［27－29］。在借鉴国内外先进经验的基础上，已经开始实施了铜炉渣选矿工程。选矿工程采用破碎、半自磨+球磨、浮选和脱水选矿工艺对水淬铜炉渣进行处理，每年处理110万t铜炉渣。铜炉渣资源回收伴随着铜渣尾砂废弃物的产出。由于铜渣尾砂特性以及矿物成分目前还没有得到充分认识，目前还未探索出资源化利用的有效途径。镍渣—高炉矿渣微晶玻璃的室内研究虽然取得理论研究成果，但由于市场和成本等问题目前还难以实现工业化推广应用。

2.3 矿井废石利用

金川矿山早在1997年就开始了废石充填工业实践研究［30］，将掘进中的废石直接充填采场，从而减少废石提升工艺和费用。由于这种废石充填不仅充填体强度低，而且充填工艺复杂，难以实现工业化推广应用。为此，近年来开展了破碎废石的粗骨料胶结料浆管道输送充填技术的研究和工业化试验，由此取得显著成效［31－33］。但仍存在诸多问题亟待进一步研究。

2.4 粉煤灰与脱硫灰渣利用

目前金川公司热电厂每年产生11.5万t的粉煤灰和脱硫灰渣。粉煤灰由金昌水泥集团公司无偿使用，用作水泥活性添加料。脱硫灰渣目前尚无固定用户，矿山周边砖厂、建筑工地等拉运少部分，其余大部分运至金川公司的安全环保部指定地点倾倒堆放处置，每年仅运输费就达到300多万元。金川集团实业公司采用炉渣和粉煤灰制作空心砖用量3.6万t，同时还开展了粉煤灰替代水泥的工业化生产研究，矿山充填每年利用粉煤灰和炉渣5万多吨［34－35］。

3 综合利用关键技术

综合金川矿山固体废弃物物化特性分析和充填试验研究成果，将固体废弃物分为两大类:一类是可以用于充填料的全尾砂、废石和工业垃圾等固体废弃物;另一类是可以用于开发充填胶凝材料的冶炼水淬渣、粉煤灰、脱硫灰渣等固体废弃物。由于金川固体废弃物所固有的物化特性以及金川充填采矿对充填强度和工艺的要求，两类固体废弃物资源化利用亟待解决以下关键技术:

3.1 金川新型充填胶凝材料研发技术

实现矿山水淬渣、粉煤灰和脱硫灰渣等固体废弃物的资源化和规模化应用，最核心技术是开发满足于金川矿山充填法开采所需要的新型充填胶凝材料。现有研究已经显示，金川地区的脱硫灰渣、粉煤灰和电石渣等固体废弃物具有潜在的活性。在激发剂激发环境中产生水化反应，能够形成以钙矾石为主的硅酸盐胶体［36－37］。因此，需要对充填骨料及胶凝材料种类选择、混合骨料及胶凝材料最佳配比进行深入分析和研究，获得以金川矿山全尾砂、废石、工业垃圾、脱硫灰渣、粉煤灰和电石渣等固体废弃物为原料的新型充填胶凝材料，实现资源回收利用，减小废弃物的排放，保护矿山周边环境，建设绿色矿山。

冶炼矿渣、粉煤灰和脱硫灰渣是具有不同特性的火山灰质的活性材料，由于矿渣种类、冶炼稳定以及处理方式的不同，其活性材料的质量、形态与活性存在较大差异。金川矿山全尾砂、废石、工业垃圾等废弃物，在化学成分及颗粒粒径上也存在较大差异。这些复杂的物理化学条件使它们用于井下充填存在较大困难。因此，需要对上述固体废料进行严格的物理化学特性分析及质量评价，筛选出合适的材料及研发组合，采用物理物料研磨到激发和化学碱或盐类或复合激发剂，进行大量的室内胶砂试验研究，研发出高强度、低成本、环境友好型矿山充填材料。

3.2 尾砂—废石新型充填胶凝材料高浓度管道充填技术

高浓度管道充填技术是实现充填材料顺利高效充入井下采场的关键技术，其对充填材料的物理特性有严格的要求，充填材料在满足充填体强度的前提下，还要满足管道充填技术要求。由于金川选矿厂尾砂细，含泥量高，因此需要开展尾砂—废石混合充填料的高浓度料浆管道输送充填采矿技术研究，使尾砂—废石混合充填料满足高浓度料浆管道输送技术指标，实现尾砂、废石用于矿山井下充填，这不仅可以实现选厂尾砂和废石等废弃物的资源化和规模化利用，而且还能够提高充填体强度，降低充填采矿成本。

尾砂和废石是两种物理力学性质相差悬殊的充填料，混合充填料的不同混合比，关系到充填体强度和料浆输送特性，同时也影响废石破碎成本。由于混合充填料中废石颗粒大，在管道输送过程中对管道磨损严重，也会直接影响粗骨料在充填采矿中安全与经济性。因此，需要对粗骨料与全尾砂混合充填料浆的优化配比、工作特性、输送特性以及与充填体力学特性和整体稳定性进行研究，选择合适的配比与粒径级配从而减小料浆对管道的磨损;并开展充填管道修复技术研究，从而延长管道使用寿命，提高充填采矿生产能力。

3.3 混合充填料新型胶凝材料的早强剂研究

金川矿山采用下向分层进路胶结充填法采矿，要求较高的早期强度(R3≥1.5 MPa、R7≥2.5 MPa)。研究开发早期强度较高的新型胶凝材料，是能否实现水淬渣和粉煤灰等活性材料及固体废弃物在金川矿山井下充填的关键技术。

现有研究结果表明，基于水淬渣和粉煤灰等活性材料开发的充填胶凝材料，存在的主要问题是水化反应慢，导致充填体的早期强度低。而为了增大充填体强度采用的高浓度充填料浆，会使充填料浆输送阻力也随之增大。因此，需要开展胶凝材料外加剂选型试验研究，提高充填体早期强度，又改善高浓度充填料浆的流变特性，从而满足金川矿山充填法采矿对早期强度的要求。并根据金川矿山不同采区的充填倍线，研究充填体强度与充填料浆浓度之间的关系，从而制备出满足充填体强度和管道输送条件下的最优料浆浓度。

4 结语

随着中国对环境保护的高度关注，矿产资源开发和固废物综合利用已经成为中国国民经济发展的必然趋势。针对中国最大的硫化铜镍矿山，金川镍矿在勘探、开发和利用方面开展了大量的研究工作，尤其在固体废弃物在充填采矿中的资源化利用和研究也走在前列。

随着金川矿床开采深度的增加、地压增大，采矿技术条件更为不利。因此，在充填采矿技术中综合利用固体废弃物资源，不仅降低充填采矿成本，而且还保护矿山环境。本文综合论述了金川矿山的固体废弃物种类、利用现状以及关键技术，为金川矿山充填采矿固废利用提供参考。

目前，金川矿山正在开发适用于金川矿山充填法采矿的新型充填胶凝材料。这种充填胶凝材料主要是利用金川附近的水淬渣、脱硫灰、粉煤灰和电石渣等固废物。与此同时，金川二矿区一直在开展井下废石作为粗骨料的充填体采矿技术和工业化应用研究。固体废弃物在金川矿山的工业化应用，不仅实现金川固体废弃物的资源化利用，而且也势必带动或影响国内充填法采矿技术的发展。

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