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          学术交流

          金属尾砂综合利用过程中存在那些问题和对策?

          发布日期:2023-11-29 ??浏览次数:

          金属尾砂综合利用过程中存在那些问题和对策?

           

          编者按:本文针对细粒级尾砂在建筑材料中利用率低的问题,阐述了将尾砂应用于生态胶凝材料、水泥基材料以及混凝土掺合料的方法;探讨了金属尾矿研究中的不足与今后综合利用的对策。在即将在中国上海召开的第八届中国国际砂石骨料大会上,刘娟红教授将会就尾矿综合利用等课题,带来更多最新的研究成果同大家交流探讨,敬请期待。

          细粒级金属尾砂的综合利用及在矿山充填中存在的问题和对策

          刘娟红1 ,2      周在波1(1. 北京科技大学土木与资源工程学院 ,北京 100083;2. 城市地下空间工程北京市重点实验室 ,北京 100083)

          【摘要】基于细粒级尾砂应用现状,结合细粒级尾砂筑坝堆存安全隐患大的问题和国家“十四五”规划的长期目标,探讨了尾砂综合利用及矿山充填中存在的问题和对策 。针对细粒级尾砂在建筑材料中利用率低的问题,阐述了将尾砂应用于生态胶凝材料、水泥基材料以及混凝土掺合料的方法;针对细粒级尾砂浓密后底流浓度低,制备充填材料工作性和力学性能差的问题,提出了改善动态浓密的浓密增效剂,改善泌水的固水材料,改善力学性能的晶核材料以及研究了减水剂与微珠对输送性能的改善效果,并阐述了作用机理;探讨了金属尾矿研究中的不足与今后综合利用的对策。分析结果为细粒级金属尾砂的综合利用及解决矿山充填中存在的问题提供了技术和理论支撑。

          【关键词】细粒级尾砂   建筑材料   充填材料   工作性   力学性能

          Comprehensive Utilization of Ultra-fine Metal Tailings and Its Problems and Countermeasures in the Application of Backfill Materials

          LIU Juanhong1 ,2       ZHOU Zaibo1(1. College of Civil and Resource Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083 ,China;2. Beijing Key Laboratory of Urban  Underground Space Engineering ,Beijing 100083 ,China )

          Abstract:Based on the present  situation of the application of fine-grained tailings ,combined with the big hidden danger of dam construction and storage of fine-grained tailings and the long-term goal of the  14th Five-year Plan ,the comprehensive u- tilization of ultra-fine metal tailings and its problems and countermeasures in the application of backfill materials are discussed.  In view of the low utilization rate of fine tailings in building materials ,this paper expounds the methods of applying tailings to ecological cementitious materials ,cement-based materials and concrete admixtures. In view of the problems of low thickening concentration of the fine-grained tailings , poor workability and mechanical of backfilling materials ,the dense  synergist , anti- bleeding material and crystal  nuclear  material  are  put  forward , and the  improvement  effect  of water  reducing  agent  and  mi- crobeads on transport  performance was  studied. Meanwhile , their  action  mechanism  is  expounded. The  deficiency  in  the  re- search of metal tailings and the countermeasures of comprehensive utilization in the future are discussed. It provides technical and theoretical support for comprehensive utilization of fine-grained metal tailings and solving the problems existing in mine backfilling.

          Keywords:ultra-fine tailing,building materials ,backfill materials ,workability ,mechanical properties

          随着土木工程、汽车制造、电子电器等行业的发展,我国对铁、铝、铜等金属的需求不断增加[1-2]。现阶段我国矿产资源呈现“贫、细、杂”的特点,资源开发难度较大。为提高资源利用率和有用矿物解离度,需在矿石选别前应用超细粉磨工艺,由此产生大量细粒级尾砂[3-4]。金属矿山传统的尾砂处理方法以筑坝堆存为主。目前,我国的尾矿库数量超过12600座,尾矿累计堆存量达231亿t,其中金属尾砂占90%以上[5]。尾矿坝需要足够的粗颗粒含量以抬高堤坝,而细粒级尾砂中粗颗粒含量较少,抗剪强度低、渗透性差、承载能力低,因而将细粒级尾砂进行筑坝堆存具有较高的安全隐患[6]。国内外尾矿库的溃坝事故时有发生,2008年山西省襄汾“9.8”尾矿库溃坝事故,造成了281人死亡[7];2010年9月紫金矿业锡矿尾矿库发生溃坝事件,导致22人死亡[8];2019年巴西“1.25”尾矿库溃坝事故造成270人死亡或失踪[9]??杉?,尾矿的堆存可能造成严重的环境和安全问题。鉴于此,安全管理机构将尾矿坝列为安全生产的9个重大灾害危险源之一,评价其危害性甚至大于火灾[10]。

          开发细粒级金属尾砂的多途径利用方法,提高金属尾砂的利用率,是目前研究工作的重点。近年来,金属尾砂在建筑材料中的应用有了长足的发展,主要体现在利用尾矿废石加工生产建设用碎石和机制砂,以北京为例,30%以上的建设用砂石为密云、承德等地的尾矿废石所制备。但是,细粒级金属尾砂属于细砂、特细砂或细粉范畴,不能作为骨料应用于混凝土中。因此,尾矿实现综合利用的关键在于找到细粒级尾砂大量且持续的利用和消纳途径。细粒级金属尾砂通常含有SiO2、Al2O3、CaO等化学成分,但活性较差,因而在混凝土、砂浆等建筑材料中掺量较低;同时,随着细粒级尾砂掺量的增加,试件孔隙率增大且强度明显降低,对混凝土的耐久性产生较大的不利影响[11]。因此,细粒级尾砂在建筑材料领域的规?;咝вτ糜写徊窖芯?。在“双碳”背景下,细粒级尾砂规?;τ玫难芯糠较蚴俏⒎鄄艉狭?,尾砂微粉掺合料在混凝土和砂浆中的常态化应用将成为主渠道,也将是未来发展的方向和客观要求。

          将细粒级尾砂用于采空区充填是最便捷的途径,具有显著的生态和环境效益。尾砂充填主要包括尾砂浓密、充填材料制备、充填材料输送、充填材料的硬化等过程。由于细粒级尾砂的比表面积较大,在浓密过程中存在沉降速度慢、料浆浓度低等问题,导致制备的充填材料力学性能较差,且容易出现泌水现象[12]。因此,实现细粒级尾砂大宗化应用于矿山充填,如何进一步改善充填材料的工作与力学性能亟需得到关注和研究。

          本文对细粒级金属尾砂在建筑材料和矿山充填等领域中的应用进行综合评述,分析了细粒级金属尾砂在应用中存在的问题与不足。结合笔者所在课题组的研究成果,提出了细粒级金属尾砂在应用中的建议和对策,为细粒级尾砂高附加值和大宗化的应用提供技术和理论支撑。

          1 细粒级金属尾砂应用现状和面临的问题

          1.1细粒级尾砂应用现状

          目前,将平均粒径Dp介于0.019~0.03mm,同时满足+0.075mm粒级含量<10%且+0.037mm的含量≤30%的尾砂称为细粒级尾砂[13]。金属矿开采剩余的尾砂中细粒级尾砂已经占较高的比例。如金川选铜尾渣d90=69.18μm,年产量达到120万t;水银洞金矿尾砂平均粒径仅为22.03μm,其中粒径小于20μm的尾砂占66.13%[14];凡口铅锌矿的溢流尾砂粒径皆小于100μm,平均粒径为25.31μm,小于20μm粒径的尾砂占47.15%,年产量也超过100万t[15]。随着矿石品位的降低,细粒级尾砂的产出率将越来越高。

          我国每年产生超过300万t细粒级尾砂,由于细粒级尾砂含有大量细粉及黏土质组分,利用难度较大,目前利用率不足5%。如何安全、经济地处置这些细粒级尾砂是亟待解决的问题。目前国家出台了众多法律法规,支持和鼓励尾矿、煤矸石、建筑垃圾等大宗固废的资源化利用[10]。国家发展和改革委员会等部门联合印发的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》提出,到2025年煤矸石、尾矿(共伴生矿)等大宗固废的综合利用能力显著提升,新增大宗固废综合利用率达到60%。在国家政策的推动下,2018年我国尾矿的综合利用率已达27.69%,并且近几年综合利用率在不断提高,但是还远远达不到理想的开发利用力度。

          1.2细粒级尾砂堆存面临的主要问题将细粒级尾砂进行筑坝堆存是目前公认的相对经济且比较成熟的尾砂处理方式,但是尾砂堆存仍然面临大量问题:

          (1)细粒级金属尾砂堆存严重影响生态环境。金属尾矿一般是未经处理就堆存,部分尾矿中含有过量重金属,长期堆存将严重污染河流及地下水源,对周围生态环境造成严重的危害。如2017年7月湖南省花垣县尾矿库泄漏造成严重的重金属污染,谷物检测铬元素超标率为100%,铅元素超标6倍;土壤检测镉和锌超标率为100%,镉元素超标87.8倍。

          (2)细粒级金属尾砂堆存的安全风险高。尾矿库堆存是我国尾矿处置的主要途径,而低浓度排放(20%~30%)是目前主要的处置方式。尾矿库的使用年限一般为50a,当前大部分尾矿库企业缺乏风险意识,安全风险管控措施制定不科学或者落实不到位,如遭遇洪水、地质等方面的灾害,极易引发尾矿库的溃坝事故,且细粒级尾砂进行筑坝堆存具有更高的安全隐患。

          (3)尾矿库新批、新建、扩容困难。我国多地虽未正式出台停止新批新建尾矿库的管理办法,但实际上多数新建尾矿库的申请难以获批。2020年,应急管理部正式印发的《防范化解尾矿库安全风险工作方案》,严禁批准“头顶库”以及运行状况与设计不符的尾矿库加高扩容项目,提出“在保证紧缺和战略性矿山矿产正常建设开发的前提下,全国尾矿库数量原则上只减不增”的目标。

          (4)对尾砂的资源化利用认识不足。尾砂在建材、陶瓷、玻璃的制备工艺中都有广泛的研究,但企业对尾砂的潜在价值认识不足,尾砂的科研成果转化率较低。同时,由于国家对尾砂的利用扶持政策不完善,且建材产品的低附加值和运输费用高等的问题,矿山企业能够对尾砂进行资源化利用的较少。

          总体上看,有必要为尾砂和尾矿粉找到大的消纳出口,同时国家给予政策引导和扶持,这是低碳发展的客观需求。

          2 细粒级金属尾砂的综合利用2.1制备水泥和生态胶凝材料普通硅酸盐水泥是常用的水硬性胶凝材料之一,每生产1t水泥,需要消耗1.55t生料,大约排放0.55t二氧化碳,消耗110kg标准煤,排放大量二氧化硫、氮氧化物。2021年我国每年的水泥产量超过23亿t,消耗了大量的资源。金属尾砂主要成分为SiO2、Fe2O3、Al2O3等氧化物,矿物成分主要为石英、长石、云母及赤铁矿等,可以将尾砂作为水泥制备过程中的补铁材料或者提供硅的材料。LUO等[16]证实可以使用金属尾砂替代黏土制备水泥熟料,在生料中加入尾砂有利于改善粉磨性能,促进烧结进程,如在熟料粉磨时加入尾砂可以降低胶凝材料的水化热。尾砂掺量为10%时,对水泥矿物相形成影响较小,在1420℃烧制1h,胶凝材料的抗压强度可以达到P·O42.5水泥强度标准,尾砂的掺量越高,胶凝材料的强度越低[17]。王长龙等[18]将钼尾砂与水泥熟料、矿渣和脱硫石膏复配(质量比4∶2∶3∶1),粉磨80min后28d抗压强度可以达到52.1MPa。尾砂中的SiO2和Al2O3含量对胶凝材料强度有较大影响,不同尾砂的氧化物含量不同,制备胶凝材料的过程中可以通过尾砂与Al2O3或者铝含量高的尾砂(赤泥)、矿粉复配使用,提高尾砂的胶结性能。

          在制备水泥和生态胶凝材料方面,细粒级尾砂因其具有更高的细度,能够降低粉磨成本,使用细粒级尾砂制备胶凝材料可以为水化反应提供更多的成核位点,促进水化反应的进程,同时细粒级尾砂的火山灰活性可以促进胶凝材料长期强度的发展[19]。细粒级尾砂应用于胶凝材料的研究重点在于烧制温度和尾砂中SiO2含量。细粒级尾砂烧制熟料时,烧结温度可以降低100~150℃,控制烧结温度的同时应该考虑烧结温度对尾砂活性的影响,通过对熟料品质及尾砂活性的耦合研究,最大化发挥尾砂价值[20];尾砂中的微量元素及特殊矿物能够促进C3S的形成,提高胶凝材料的力学性能,但是SiO2和杂质氧化物含量高的尾砂不能用于熟料生产,因此应该明确尾砂中氧化物含量对胶凝材料性能的影响[21]。

          2.2制备砂浆及混凝土等水泥基材料高性能混凝土及砂浆离不开优质的矿物掺合料和骨料。将细粒级尾砂用作矿物掺合料和细骨料制备砂浆或者混凝土已经取得了较多研究成果。ISMAIL等[22]、ZHAO等[23]均证实将平均粒径介于1~5mm的金属尾砂用作细骨料是可行的,但尾砂掺量越高,试件强度越低。尾砂替代细骨料掺量不超过40%,尾砂对混凝土的影响较小,当尾砂掺量为20%时,混凝土28d抗压强度可以提高17.4%。细粒级尾砂比表面积较大,用作混凝土骨料时,建议将替代比例控制在5%~10%,一定比例的细粒级尾砂可以发挥级配效应,减少有害孔数量,提高浆体与骨料之间的密实度,提高混凝土及砂浆的耐久性。但细粒级尾砂更适合用作混凝土掺合料,细粒级尾砂可以提供晶核,促进水化反应的进行[24-25]。吴瑞东[26]通过大量微观分析证实细尾砂表面存在大量Si—O、Al—O断键,尾砂比表面积越大,断键数量越多,在碱性条件下,断键会发生重聚,提高水泥基材料的力学性能和耐久性,细粒级尾砂的掺入可以优化孔结构,提高抗冻性和抗侵蚀性能。此外,为提高细粒级尾砂在水泥基材料中应用的附加值,可以将细粒级尾砂制备水泥基灌浆材料和压浆料。

          使用细粒级尾砂制备水泥基材料的研究重点大多在力学性能的提升,对于混凝土及砂浆的工作性能研究较少。细粒级尾砂中含有一定量的黏土组分,添加细粒级尾砂后混凝土坍落度下降,黏聚性及保水性能提高[27]。因此,为了提高细粒级尾砂在水泥基材料中的利用率,有必要加强不同种类超塑化剂对细粒级尾砂制备混凝土的工作及力学性能的耦合研究,明确不同种类尾砂适宜的超塑化剂种类及掺量。

          2.3与矿渣粉复合制备混凝土复合掺合料矿物掺合料已经成为现代混凝土必不可少的组分。随着我国基础设施建设的大规模进行,混凝土的需求量不断增加,粉煤灰、矿渣粉等优质掺合料逐渐减少,致使矿物掺合料供应不足、价格飞涨。为弥补粉煤灰、矿渣等传统掺合料资源的供应不足,利用细粒级金属尾矿制备混凝土复合掺合料具有重大的环保和经济意义。HAN等[28-31]在铁尾矿细粉制备混凝土复合掺合料方面进行了大量的研究,结果表明:当铁尾矿细粉掺量不超过胶凝材料质量的30%时,对水泥胶砂抗压强度的影响较??;高温促进含矿渣和铁尾矿粉复合胶凝材料的水化放热,总放热量随矿渣掺量的增大而增加;掺入铁尾矿细粉可明显改善硬化浆体后期的孔结构,水化后期含矿渣和铁尾矿细粉的硬化浆体最可几孔径和累计孔体积显著低于纯水泥试样,在低水胶比时这种现象更明显;掺入石膏能明显提高含铁尾矿细粉复合胶凝材料的早期胶砂强度,且增加后期硬化浆体中C—S—H凝胶的钙硅摩尔比和硫硅摩尔比,但对铝硅摩尔比没有影响。铁尾矿细粉颗粒与水泥、矿渣颗粒形成良好的级配,可使硬化浆体的结构更加致密,铁尾矿细粉和矿渣粉制备混凝土复合掺合料可改善混凝土的耐久性。

          2.4活化制备混凝土掺合料金属矿尾砂主要矿物组成为石英、长石、方解石等,结晶度较高,活性较低,直接将细粒级尾砂用作掺合料可行性较小[32]。但可以通过化学激发或表面改性等手段使尾砂活性指数提高到80%以上,且达到混凝土用Ⅱ级粉煤灰指标要求,可以替代粉煤灰用作矿物掺合料[33]。金属尾砂的活化方式主要有热活化、机械活化和化学活化以及复合活化。

          热活化是将尾砂进行热处理,使其具有火山灰活性。热活化对含有高岭石、云母等黏土矿物的尾砂效果尤为明显,在高温煅烧的过程中玻璃相含量增加[34-35]。易忠来等[35]研究了不同活化温度对铁尾砂胶凝活性的影响,通过测试活化后铁尾砂的胶砂强度,确定活化温度为700℃时,胶砂强度最高。但热活化存在能耗大、成本高、工艺复杂等问题。

          机械活化是对尾砂进行粉磨,减小粒径尺寸,增加尾砂的比表面积。尾砂在机械力的作用下具有较高的表面能,能量存储过程使尾砂处于高能活化状态,尾砂的结构会发生相应的变化,同时增加了尾砂表面的化学活性位点,使尾砂更容易与其他材料相互作用[19,36]?;祷罨部蟮幕鹕交一钚运娣勰ナ奔涞难映ざ鸾ピ銮縖37]。YAO等[25]研究发现,机械活化后,尾砂中铝硅酸盐矿物表现出火山灰活性,但机械活化后尾砂的活性指数较低,远低于高炉矿渣粉的活性指数。对于细粒级尾砂来说,继续粉磨提高比表面积的难度较大。

          化学活化是通过添加不同种类的化学试剂来提高尾砂的反应活性。最常使用的活化剂是氢氧化物或者碱性盐类,如NaOH、KOH、Na2SiO3等[38-39]。碱性活化的材料与硅酸盐水泥相比,具有更优异的力学性能,硬化体的孔隙率较低,抗侵蚀性能好[40-41]。碱性活化剂的浓度对活化效果有较大的影响:浓度较低,延缓活化反应进程;浓度较高,会导致收缩增大,强度降低,有可能会出现“泛碱”现象[42]。由于碱激发材料中活化剂的掺量较高,活化剂的制备消耗大量资源,相应增加了碳排放。

          目前,对于尾砂活性的研究多以全尾砂为主,细粒级尾砂本身具有的活性优势未被研究者所重视。细粒级尾砂在选矿超细粉磨的过程中,表面已经具有较多的Si—O和Al—O断键,LIU等[43]通过红外分析,证实Si—O键向低波数方向移动,表明细粒级尾砂在合适的液相环境中具有一定的自胶结性能。因此,细粒级金属尾砂可以通过化学激发或表面改性等手段,制备混凝土掺合料。

          针对金属尾矿掺合料,我国2014年颁布第一部地方标准,即福建省地方标准《用于水泥和混凝土中的铅锌、铁尾矿微粉》(DB35/T1467—2014);2020年颁布实施中国工程建设标准化协会标准《用于水泥和混凝土中的铅锌、铁尾矿微粉》(T/CECS10103—2020)和《铅锌、铁尾矿微粉在混凝土中应用技术规程》(T/CECS732—2020)。今后会有更多的标准编制和实施,不久的将来,金属尾矿掺合料将成为继石灰石粉后另一种常规的混凝土掺合料。

          2.5制备充填材料为了实现尾砂的大宗化、绿色化利用,使用金属尾砂制备充填材料对采空区进行回填是金属尾砂资源化利用的常用方法[44]。金欣矿业钼铅锌多金属矿已建成单系统充填能力500m3/h,日充填能力1.8万m3的充填系统,日均消耗约2万t尾砂[45]。井下充填不仅可以提高尾砂的利用率,消除尾砂对环境的影响,同时可以降低采空区的安全隐患,提高矿产资源的开采率[46-47]。井下充填是将选矿厂排放的低浓度尾砂料浆经过浓密机脱水后,在充填站与活性胶凝材料及水均匀搅拌制备充填材料,通过自流或者泵压输送至指定采空区[48]。为了保证开挖及采矿的稳定性,要求充填材料28d抗压强度不低于1MPa;用于顶板支撑时,要求充填材料28d抗压强度不低于4MPa;为了使充填材料能够管道输送,要求充填材料的流动度控制在15~27cm,屈服应力在100Pa以上,充填材料的泌水率不超过5%[12,48-51]。研究表明[52-53],在浓密沉降过程中,尾砂越细,沉降速度越慢,深锥浓密机底流浓度越低;随着细粒级尾砂掺量的增加,充填材料养护28d后总孔隙率增加[54];较低的底流浓度以及较高的孔隙率,使细粒级尾砂制备的充填材料力学性能较差,发生泌水、离析的可能性增大。由于细粒级尾砂的比表面积较大,需水量较高,尾砂形状不规则,颗粒之间的摩擦力较大,细粒级尾砂掺量越高,充填材料工作性越差[55]。目前,水银洞金矿利用细粒级尾砂成功进行了充填,由于尾砂比表面积较大,通过系列试验确定充填材料固相浓度为50%时,充填材料性能最优,但在灰砂比1∶6时充填材料硬化体的28d抗压强度仅达到0.42MPa[14]。使用细粒级尾砂制备充填材料保证工作性的同时,要满足力学性能,则胶凝材料用量增加,充填成本增加。

          对细粒级尾砂制备充填材料的研究难点在于以下2个方面:一是如何提高深锥浓密后的细粒级尾砂料浆的底流浓度;二是如何利用低浓度的细粒级尾砂料浆制备成本较低,而力学性能和工作性又能满足工程要求的充填材料。因此,后续应将研究重点集中在细粒级尾砂底流浓度的改善和充填料浆工作性的提高这两方面。

          3 细粒级金属尾砂制备充填材料与性能优化3.1细粒级金属尾砂充填料浆底流浓度与改善尾砂浓密是将低浓度的尾砂料浆(质量分数低于20%),在絮凝剂的作用下,通过浓密机脱水,获得较高浓度的底流料浆(质量浓度高于60%)的过程[48]。细粒级尾砂沉降速度慢,相同的沉降时间内,料浆底流浓度较低。如某铜矿充填用细粒级尾砂,-75μm粒级颗粒含量为64%,经过深锥浓密机浓密脱水后,料浆质量分数为62%[56];杨纪光等[57]使用-75μm粒级含量为95.63%、-37μm粒级含量为85.15%的细粒级尾砂,在某金矿现场进行半工业浓密试验,在泥层高度达到6m时,底流质量浓度为59%;史继佳等[58]针对贵州华金矿业丫他金矿-19μm粒级含量为70%以上的超细尾砂,设计研发了一套用于解决超细尾砂充填的充填工艺与系统,超细尾砂经浓密后,料浆浓度达到了58%~60%。在絮凝剂的种类和掺量对全尾砂料浆浓度的影响研究方面,专家学者们考察了絮凝剂的种类、入料体积分数、絮凝剂单耗等因素对沉降速度和尾砂料浆流变等的影响[59-61],相同单耗条件下,给料浓度越低,沉降速度越快,但是给料浓度降低会造成底流浓度偏低[59];絮凝剂单耗对浓密也有较大影响,絮凝剂单耗不足,难形成密实的网状结构,影响底流浓度;絮凝剂单耗过大,增加料浆的屈服应力和塑性黏度,增加了输送难度[61-62]。目前对细粒级尾砂料浆浓度提高方面的研究,主要集中在泥层高度、料浆在浓密机中的停留时间、絮凝剂的种类和掺量,对于细粒级尾砂料浆而言,传统添加絮凝剂的办法无法将絮团内部的水完全释放。因此,不能从根本上提高细粒级尾砂料浆的浓度。

          提高细粒级尾砂浓密过程中的底流浓度,除了从浓密机的结构、泥层高度、絮凝剂的添加量等方面考虑外,还可以采取化学与物理相结合的措施,利用添加浓密增效剂等方法,来提高料浆的底流浓度。刘娟红等[63]研发了浓密增效剂,通过将络合组分、胺类组分与水溶性高分子聚合物组分复合,降低固液界面能,通过静电斥力、空间位阻、润滑作用,打开絮团,释放自由水,提高流变性能。添加浓密增效剂后底流浓度可以提高3~5个百分点,屈服应力降低6.68~12.85Pa,充填材料硬化体的抗压强度提高[53]。笔者所在课题组对-15μm粒级含量为55.78%、-38μm粒级含量为79.26%、-75μm粒级含量为93.06%的马鞍山白象山细粒级尾砂,通过深锥浓密机模型进行细粒级尾砂料浆的动态浓密试验,研究添加浓密增效剂前后料浆底流浓度的变化,结果表明:料浆絮凝沉降60、120、180min时,添加浓密增效剂的尾砂料浆底流浓度提高了2.7、3.3、3.4个百分点,料浆浓度从45.7%提高到49.1%;并通过CT扫描以及三维重构技术对比有/无添加浓密增效剂细粒级尾砂料浆孔隙率变化。通过计算得出,未添加浓密增效剂的料浆孔隙率为91.6%,而添加浓密增效剂后的料浆三维孔隙率降至86.9%,孔隙率降低幅度达4.7个百分点。

          3.2细粒级金属尾砂充填料浆管道输送性能与改善高浓度的尾砂料浆制备高强度的充填体,需要提高胶凝材料的用量或者降低用水量。但提高胶凝材料用量,会大幅增加充填成本,降低用水量则会导致输送性能变差。添加外加剂可以在保证输送性能的条件下减少用水量,是提高充填体强度比较经济的方法。减水剂可以显著改善充填料浆的流动性,其中聚羧酸减水剂和萘系减水剂具有较好的效果,随着减水剂掺量的提高,充填材料流动度增大[64-65];粉煤灰为球形颗粒,具有滚珠效应,添加后可以优化充填材料的颗粒级配,填充孔隙,改善工作性[66-67]。

          细粒级尾砂需水量较高,充填料浆质量浓度较低,在输送和硬化过程中有可能会发生尾砂下沉、料浆上浮,从而导致泌水和离析现象,进而发生堵管[68];且在硬化过程中易发生泌水,需要增设排水设备,影响充填效率,增加工程成本[12]。王洪江等[69]对全尾砂充填料浆的泌水性能进行了研究,结果表明,尾砂颗粒级配对泌水率影响较大,随着颗粒半径的增大,颗粒表面吸附水量急剧下降,粒度为20~98μm的颗粒对浆体的泌水率影响最大。目前,对于泌水率的控制大多以混凝土体系为主,通过添加膨润土或者增稠剂改善泌水率,对于细粒级尾砂充填材料泌水率的改善研究较少[70]。

          为改善细粒级尾砂充填料浆的流动性,ZHOU等[71]研究了超塑化剂的种类、掺量、质量浓度、粉煤灰的掺量对马鞍山张庄矿细粒级尾砂充填材料流动性和抗压强度的影响。结果表明,超塑化剂不仅可以吸附在尾砂表面,发挥静电斥力效果,破坏絮团,释放自由水,而且可以在早期促进钙矾石的发育,使钙矾石从针状晶体发育为短棒状晶体,减小摩擦力,提高流动性;萘系和聚羧酸超塑化剂对改善流动性的效果最好,但是聚羧酸减水剂掺量过高会降低早期强度;控制充填料浆流动性相同的条件下,加入0.5%萘系减水剂和6%粉煤灰后质量浓度可以提高4个百分点,抗压强度提高55%。萘系超塑化剂和粉煤灰的协同作用可以显著改善充填料浆的流动性和强度,降低充填成本。

          利用低浓度尾砂料浆制备充填体时必须保证泌水率符合标准要求。LIU等[12]针对铁尾矿充填料浆的泌水特征,研发了一种适用于低浓度尾砂充填料浆的高固水添加剂,并考察了添加剂掺量对充填料浆8h泌水率的影响。结果表明,添加胶固粉总质量5%的固水材料,泌水率可以降低10个百分点、初始黏度降低30%、2h黏度降低53%、28d抗压强度提高20%?;矸治鼋峁砻?,添加固水材料后,充填材料中引入了大量微小气泡,结构变得松散,微小气泡增加了“储水空间”,为后期钙矾石和凝胶类物质的生成提供H2O;同时微小气泡可以发挥滚珠作用,降低颗粒之间的摩擦阻力,使输送性能和抗压性能提高。添加固水材料会促进水化反应进程,生成大量钙矾石,钙矾石生成消耗大量自由水,降低泌水率,钙矾石与凝胶状物质相互搭接,从而进一步提高硬化体的密实度。

          3.3细粒级金属尾砂充填料浆力学性能与改善因细粒级尾砂浓密效果差、底流料浆浓度低,制备的充填材料强度低。对于充填材料力学性能改善方面的研究,大多是针对全尾砂充填材料。FALL等[49]研究了硫酸盐及温度对充填材料力学性能的耦合影响,在硫酸盐浓度为15g/L、环境温度为20℃时,充填材料后期强度提高;当硫酸盐浓度增大至25g/L时,充填材料强度降低。CHEN等[72]通过大量试验也得出相似结论,当Na2SO4掺量为4%时,充填材料孔隙率最低,强度最高;当Na2SO4掺量提高时力学性能变差。硅烷偶联剂也可以改善充填材料的力学性能,乙烯基三甲氧基硅烷改善效果优于甲基三甲氧基硅烷,当乙烯基三甲氧基硅烷掺量为1%时,与空白组相比,28d抗压强度可以提高64%,但是乙烯基三甲氧基硅烷与聚羧酸减水剂会存在竞争吸附,影响减水剂减水效果[73]。

          笔者所在课题组研究制备了活性高硅纳米材料及晶核型添加剂,将两者复配使用(质量比为123∶1),替代5%的水泥,能够显著改善细粒级尾砂充填材料的力学性能。相同料浆浓度条件下,使用纳米材料和晶核添加剂替代水泥后,充填材料各龄期抗压强度提高30%以上,最高可以提高86%;灰砂比为1∶4,固相浓度为58%时,使用纳米材料和晶核材料后,各龄期抗压强度超过了灰砂比为1∶3充填材料的强度;单方充填材料可以节约胶凝材料55kg以上,综合成本降低。对于其他灰砂比,也有相似规律。

          4 细粒级金属尾矿综合利用的对策和发展趋势(1)开展对金属尾矿固体废物的全面摸底调查工作,建立大数据平台。从尾矿的产生、收集、储存、运输、利用、处置全过程进行监控,矿山企业如实申报尾矿的种类、数量、尾矿的赋存状态以及利用现状,实现数据和信息的快速更新、调用与分析,科学合理地制定相关产业政策和布局区域产业结构。

          (2)金属尾矿综合利用的研究需聚焦于尾矿坝中的尾矿资源。因为这才是必须消纳和利用的主体,不能大量“吃掉”尾矿坝中的尾矿资源,尾矿综合利用就不可以说取得重大进展。

          (3)充分考虑不同尾矿的物理和化学属性差异,加强相关方向科研经费的投入和成果的转化。鼓励开展多学科的交叉性研究,加强在技术和装备方面的研发,以及人才的引进。建立典型金属尾矿利用的中试研究和生产基地,推动示范性项目建设,打造示范工程,发挥大型示范工程的引领作用。

          (4)根据市场需要,确定综合利用主流产品。金属尾矿综合利用必须明确主渠道,关注规?;捎τ?,将研究和应用的焦点放在尾矿微细砂和矿物微粉掺合料这2个方面,将在混凝土、砂浆、矿山填充料中的应用作为尾矿大规模利用的主渠道、主阵地。

          (5)研发改善细粒级尾砂充填性能的添加剂。细粒级尾砂由于独特的物理性能,经过动态浓密后底流浓度低,制备充填材料力学性能差,泌水率严重导致细粒级尾砂在充填材料中利用难度大、利用率低。针对细粒级尾砂存在的问题,可以通过添加外加剂优化尾砂料浆的孔结构,从而提高底流浓度;促进钙矾石的生成,消耗自由水,降低泌水率;使用晶核材料和纳米材料改善力学性能。

          (6)加大对金属尾矿综合利用产业的政策引导和财政支持。从中央政府到地方部门,应加大对金属尾矿资源综合利用的政策支持力度,要求矿山企业配套尾矿开发利用的相关资金,加大对尾矿综合利用技术的研发和投入。拓宽融资渠道,积极引进大型企业的资金,鼓励引导企业及社会资金加入到尾矿开发利用项目中去。通过严格管控尾矿库的新批新建,倒逼企业重视尾矿的处置问题。

          (7)建立和完善科学合理的标准体系。标准要敢于破除传统理念和观点的羁绊,即应当有“天变不足畏,祖训不足法,人言不足恤”的精神。敢于创新,为金属尾矿的综合利用服务。尾矿的资源化利用是关乎我国资源与环境安全的一项战略性课题,也是低碳发展的客观要求,是重大挑战,也是重大机遇。实现尾矿资源大规模的利用,需要政府、行业和学术界携手推动,这是时代赋予我们的责任。

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          来源:中国知网

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          中国砂石协会

          2023年11月29日

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