鄂東南金屬礦山尾礦基本特征及開發(fā)利用

尹　偉, 張　婭, 潘　瀟, 李　紅, 姚　燕, 劉忠明

(湖北省地質(zhì)科學(xué)研究所,湖北 武漢　430034)

0　引言

尾砂是一類潛力巨大的礦產(chǎn)資源,由于受不同時代科技水平與選礦條件的限制,許多有用組分被殘留在尾礦砂中,隨著資源的枯竭和科技的發(fā)展,其中的有用組分,將陸續(xù)被分離利用,成為實現(xiàn)資源循環(huán)利用國策最典型的實踐項目。并將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟、環(huán)境效益和社會效益。

2011年國土資源部《礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用“十二五”規(guī)劃》明確要求在十二五期間開展礦山尾礦和固體廢棄物綜合利用工作。

早在2006年—2008年,湖北省地質(zhì)科學(xué)研究所實施了省科技攻關(guān)項目《鄂東南尾礦(砂)資源調(diào)查及開發(fā)利用研究》和湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局科研項目《鄂東南尾礦有用組分綜合利用研究》,并開展了《鄂東南尾礦資源調(diào)查評價》工作(2007年—2008年)。對尾礦資源有了一個較清晰的認(rèn)識。

鄂東南處于長江中下游成礦帶上，是中國重要的鐵銅金生產(chǎn)基地。長期的礦山開采,留下了大大小小數(shù)百座尾礦庫。

1　尾礦分布

1.1　尾礦庫規(guī)模劃分

在充分調(diào)查鄂東南尾礦庫的基礎(chǔ)上,根據(jù)尾礦庫的規(guī)模和服務(wù)年限,筆者提出了一個尾礦庫規(guī)模的劃分方案(表1)。

1.2　尾礦庫分布和數(shù)量

鄂東南尾礦主要分布在鄂州市、黃石市、大冶市和陽新縣,據(jù)統(tǒng)計有大大小小尾礦庫500多座,其中又以大冶市占主導(dǎo)地位,有尾礦庫300多座。

表1　金屬礦山尾礦庫規(guī)模劃分

從區(qū)域分布上看,北部有程潮—鐵山—金山店大型鐵礦尾礦庫；中部有靈鄉(xiāng)小型鐵礦尾礦庫、銅綠山大中型銅礦尾礦庫、赤馬山中小型銅礦尾礦庫；南部有封山洞—雞籠山大型銅金礦尾礦庫(圖1)。

從尾礦庫類型上看,北部是武漢鋼鐵集團的鋼鐵生產(chǎn)基地,尾礦庫以鐵礦尾礦庫為主,主要與北部程潮、鐵山、金山店等大型鐵礦的開采有關(guān)。中部和南部是大冶有色金屬公司和中金黃金股份有限公司的生產(chǎn)基地,尾礦庫以銅礦尾礦庫為主,金礦尾礦庫次之。

1.3　庫容及總庫容

庫容,有設(shè)計庫容和現(xiàn)庫容,以及與現(xiàn)庫容密切相關(guān)的尾礦年排放量(年入庫量)。其計量單位均為萬m3。而從選礦廠角度,即礦山統(tǒng)計的尾礦年排放量一般以萬噸計。

70座規(guī)模以上的尾礦庫,截至2006年底庫容總量過億m3。其中,41座實地調(diào)查過的尾礦庫現(xiàn)庫容總量近億m3。又其中,鐵礦山尾礦庫12座,4 000多萬m3；銅礦山尾礦庫17座,近5 000萬m3；鎢銅鉬礦尾礦庫2座,200多萬m3；金礦山尾礦庫7座,近700萬m3；鉛鋅礦山尾礦庫1座,近20萬m3；另有無對口礦山選礦廠尾礦庫2座,近30萬m3。

2　尾礦基本特征

2.1　尾礦沉積物特征

2.1.1尾礦沉積物構(gòu)造—水平層理

除堆積壩尾礦經(jīng)人工擾動外,尾礦沉積物普遍見到水平層理。野外宏觀水平層理單層厚度一般10～30 cm,屬中厚層狀。層理多由泥質(zhì)薄層或富含赤鐵礦的泥質(zhì)薄層顯示,其中偶見較多云母類礦物。中厚層狀層理中常常可見紋層。尾礦庫從進水口向出水口,重砂礦物會逐漸減少,成分也會隨比重不同而變化；礦物顆粒也會由大變小。

圖1　鄂東南金屬礦山尾礦庫分布圖

2.1.2尾礦沉積物結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)

尾礦沉積物呈松散砂狀。所謂“砂”,是原礦經(jīng)人工機械破碎—磨礦的碎屑。碎屑主要為礦物碎屑,少量巖屑。按機械沉積物結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),尾礦沉積物結(jié)構(gòu)可以碎屑大小和碎屑形狀兩個方面表述。

碎屑大小:在磨礦細(xì)度200目(0.074 mm)和400目(0.038 5 mm)情況下,尾礦碎屑粒度可從0.001 mm到0.6 mm,但以0.01～0.25 mm居多,屬細(xì)粒結(jié)構(gòu)和微粒結(jié)構(gòu)。其中,占主體的是0.01～0.1 mm的碎屑,即微粒結(jié)構(gòu)。

碎屑形狀:以次棱角狀結(jié)構(gòu)為主,其次是棱角狀結(jié)構(gòu)和他形粒狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)?？梢娔承┑V物的自形晶體結(jié)構(gòu)。

2.1.3尾礦有用組分

按伴生組分最低要求,尾礦中的伴生有用組分是:Fe(鐵礦砂)、Cu、Au、Ag、Co、Mo、W、Cd、Se、Pt、Pd和S[1]。

2.2　鐵礦尾礦基本特征

2.2.1礦山分類

鐵礦山包括鐵礦和鐵銅礦兩個亞類。鐵銅礦亞類以大冶鐵礦(鐵山鐵銅礦)為代表。鐵礦亞類中又有三種金屬礦物組合:赤鐵礦(石英)組合、磁鐵礦+赤鐵礦組合和磁鐵礦+黃鐵礦組合,分別以西山雷山鐵礦、劉家畈鐵礦和程潮鐵礦(及金山店鐵礦)為代表。

2.2.2礦山尾礦砂中有用組分特征

鐵礦山兩個亞類尾礦可能存在的有用組分,其共同特征是:TFe、Co含量高。有所區(qū)別的是:鐵礦亞類S高Cu低,Pt+Pd較高；鐵銅礦亞類S較低,Cu高,Pt+Pd高,As較高。個別樣品TFe特高(如雷山選礦廠尾礦庫等),與該礦礦石中赤鐵礦含量高、選礦工藝流程不盡合理有關(guān)。

2.2.3尾砂中金屬礦物組合

鐵礦山兩個亞類尾礦中的銅礦物,在鐵銅礦亞類尾礦種類稍多(黃銅礦、斑銅礦),含量稍高,而在鐵礦亞類尾礦中種類單一(黃銅礦),含量很低。

2.2.4尾砂中脈石礦物組合

鐵礦山尾礦中的非金屬礦物計有十幾—二十種,還有含量不等的巖屑。非金屬礦物以硅酸鹽類和碳酸鹽類為主,偶見硫酸鹽類(硬石膏、石膏)和磷酸鹽類(磷灰石)。巖屑以中酸性巖漿巖、矽卡巖和大理巖白云巖為主,偶見硅質(zhì)巖和粉砂巖。

占主體的非金屬礦物呈現(xiàn)兩種“組合”:一種是鐵礦亞類磁鐵礦+黃鐵礦組合中的斜長石、鉀長石、透輝石和石英“組合”,另一種是鐵礦亞類磁鐵礦+赤鐵礦組合和鐵銅礦亞類中的方解石、白云石和石英“組合”。據(jù)巖屑種類判斷,兩種“組合”的出現(xiàn),與礦石中脈石礦物種類關(guān)系密切。

2.2.5尾礦中較重要的金屬礦物特征及單體解離度

赤鐵礦:多呈不規(guī)則狀—他形粒狀—半自形粒狀假晶,交代于磁鐵礦邊緣及裂隙中,或在赤鐵礦中見磁鐵礦交代殘余。粒度多在0.03～0.40 mm,其中程潮鐵礦尾礦中赤鐵礦粒度較細(xì)≤0.01～0.12 mm。單體解離度：雷山選礦廠尾礦70%(連生體30%),洪山溪尾礦庫尾礦40%(連生體60%)。

磁鐵礦:他形—半自形粒狀,粒度多在0.02～0.25 mm。單體解離度：程潮鐵礦尾礦90%,洪山溪尾礦庫尾礦65%。

菱鐵礦:主要見于洪山溪尾礦庫。他形粒狀,粒度0.01～0.25 mm。

黃銅礦:次棱角狀—他形粒狀,粒度0.01～0.15 mm,單體解離度65%～70%。程潮鐵礦尾礦中可見部分黃銅礦與黃鐵礦、磁鐵礦成連生體。

黃鐵礦:棱角狀、次棱角狀—半自形粒狀,個別立方體狀。粒度多在0.05～0.38 mm。單體解離度90%～95%。

2.3　銅礦尾礦基本特征

2.3.1礦山分類

銅礦山包括銅鐵礦、銅鉬礦和銅礦三個亞類。其中,銅鐵礦亞類和銅鉬礦亞類分別以銅綠山銅鐵礦和銅山口銅礦(及封山洞銅礦)為代表。而銅礦亞類中有兩種金屬礦物組合:黃銅礦+斑銅礦+輝銅礦組合和黃銅礦+黃鐵礦組合,分別以赤馬山銅礦和白云山銅礦為代表。

2.3.2尾礦砂中有用組分特征

銅礦山三個亞類尾礦中可能存在的有用組分,其共同特征是含Cu高—較高。比較三個亞類尾礦各具特色的是:銅鐵礦亞類TFe較高,S低,Pt+Pd較高；銅鉬礦亞類TFe低,S較低,Mo高,Se高；銅礦亞類TFe較低,S低,As較高。

總體看來,銅綠山銅鐵礦尾礦庫中的銅礦物以硫化物類銅礦物—黃銅礦、斑銅礦和輝銅礦為主,自下而上種類從多至少,含量從高至低。孔雀石普遍見到,微量?，F(xiàn)場觀察似乎深部要多一些,可見腎狀孔雀石集合體。

2.3.3尾砂中金屬礦物組合

銅鉬礦亞類和銅礦亞類中的黃銅礦+黃鐵礦組合,金屬礦物占主體的基本上都是黃鐵礦、赤鐵礦和黃銅礦,而后者中還有少量金紅石,前者中還有少量磁鐵礦。微量礦物中,前者以輝鉬礦和斑銅礦為其特征。

2.3.4尾砂中脈石礦物組合

銅礦山尾礦中的非金屬礦物,呈現(xiàn)兩種明顯不同的“組合”。且在微量非金屬礦物的種類數(shù)量、礦物以至巖屑等成分上都有明顯差別。

一種是方解石、白云石、(長石)和石英“組合”。見于銅鐵礦亞類和銅鉬礦亞類,可能還有銅礦亞類中的黃銅礦+斑銅礦+輝銅礦組合。

另一種是絹云母、石英“組合”。見于銅礦亞類中的黃銅礦+黃鐵礦組合。其非金屬礦物種類相對較少(15種)。

2.3.5尾礦中較重要的金屬礦物特征及單體解離度

磁鐵礦:他形—半自形—自形粒狀,偶見立方體狀和五角十二面體自形晶。大都被赤鐵礦不同程度交代。粒度多在0.02～0.20 mm。單體解離度：銅綠山銅鐵礦尾礦70%,白云山銅礦尾礦(微量)多為連生體。

赤鐵礦:棱角狀,他形—半自形粒狀及微脈浸染狀,粒度多在<0.01～0.05 mm。多為連生體,單體解離度40%；僅白云山銅礦尾礦中單體解離度達85%。

黃銅礦:次棱角狀—他形粒狀,粒度多在0.01～0.20 mm。單體解離度一般50%～55%,僅白云山銅礦尾礦達92%。

輝鉬礦:見于周家園尾礦庫。呈針片狀集合體,非均質(zhì)性強,粒度0.002～0.02 mm；

金紅石:見于白云山銅礦老尾礦庫,砂光片中含量2%(淘精系數(shù)0.002)。棕色柱狀,粒度0.03×0.08 mm～0.06×0.16 mm,多數(shù)成單體。

黃鐵礦:次棱角狀為主,少數(shù)半自形粒狀。粒度多在0.02～0.20 mm。單體解離度高78%～95%。

3　鄂東南尾礦綜合利用現(xiàn)狀

近十年來,鄂東南金屬礦山尾礦開發(fā)利用已經(jīng)提到議事日程。2006年—2008年,由于金屬價格的上漲,鄂東南出現(xiàn)了尾礦開發(fā)熱,至少有50座以上大大小小的尾礦庫在開采,主要開采者為集體和個人,國營礦山大中型尾礦庫保護較好。這些尾礦庫的開采可以說是低技術(shù)水平的利用,單一提取鎢、銅、鐵、金等,造成了尾礦資源的嚴(yán)重浪費和地質(zhì)環(huán)境的污染。從選礦方式上看,主要有磁選、重選和浮選。磁選主要用于磁鐵礦,重選主要用于白鎢礦、金礦,浮選主要用于銅礦。

3.1　鐵礦尾礦利用

鐵山鐵礦洪山溪尾礦庫作過選冶試驗。主要回收組分為Fe、Cu、Au、Ag、Co(伴生)。Se和Pt、Pd可在冶煉中回收。

圖2　尾礦綜合利用工藝流程

選礦試驗是武鋼礦業(yè)公司設(shè)計研究所(現(xiàn)武鋼開圣科技有限責(zé)任公司)在上世紀(jì)八九十年代做的,試驗規(guī)模(類型)不詳；同時做了物質(zhì)組成查定。資料現(xiàn)存該公司。

據(jù)朱江(2001年)[2]報道,物質(zhì)組成主要特點有三:尾礦樣品中赤、褐鐵礦和菱鐵礦占鐵礦物的70%左右；銅礦物中60%左右為游離氧化銅和結(jié)合氧化銅；尾礦粒度組成很細(xì),特別是-8 μm粒級的含量高達35%～45%,鐵、銅、硫大部分分布于該粒級中。

通過多項試驗,推薦采用泥砂分選方案。其工藝流程為,尾礦在調(diào)漿至15%濃度條件下用泵輸送到水力旋流器分級作業(yè),對礦泥部分采用弱磁選—高梯度磁選流程回收鐵礦物；對礦砂采用磨礦—銅硫浮選—弱磁選—強磁選流程選別,回收鐵、銅、鈷、硫等有價組分。試驗結(jié)果表明,獲得的弱磁鐵精礦、強磁鐵精礦、銅精礦、硫鈷精礦的總產(chǎn)率達29.41%,各有價組分的回收率見表2。其中硫鈷精礦品位S 42.03%(含Co 0.267%)。

從表2看,各有價組分回收率普遍偏低,特別是Cu,僅11.37%。選礦的難點已由物質(zhì)組成查定揭示。

綜觀鄂東南含鐵、銅、硫等主要有用組分的5座鐵礦山尾礦庫,或許還有某些銅鐵礦山尾礦庫,其尾礦選礦難點都有某些相似之處。由此看來,深入研究探索洪山溪尾礦庫尾礦選冶利用途徑是有一定示范意義的。特別是在經(jīng)過了近二十年之后、選冶工藝技術(shù)已經(jīng)有了長足進步的今天,有必要在對該尾礦庫系統(tǒng)勘查的同時,重新進行尾礦選冶試驗研究。

靈鄉(xiāng)鐵礦尾礦庫含鐵較高,用強磁選別方法回收尾礦中的鐵效果很好。

表2　洪山溪尾礦庫選礦試驗有價組分回收率

3.2　銅礦尾礦利用

大冶有色金屬公司開采了銅綠山銅鐵礦尾礦庫,選礦可回收組分為Cu、Fe、Au、Ag(伴生)。Se和Pt、Pd可在冶煉中回收。選礦試驗是廣州有色金屬研究院做的。1990年撰有《銅綠山強磁尾礦綜合回收銅、金、銀和鐵試驗報告》。試驗規(guī)模從可選性試驗—工業(yè)試驗。據(jù)孔勝武(2002年)[3]報道,廣州有色金屬研究院推薦的選礦工藝流程為:再磨—硫化浮選—磁選。其工業(yè)試驗指標(biāo)見表3。

表3　尾礦選礦工業(yè)試驗指標(biāo)

1995年建成的27萬t/年尾礦回收系統(tǒng),其工藝流程見圖2。

其工藝條件為(據(jù)張錦瑞等[4]):磨礦細(xì)度0.074 mm>60%；浮選藥劑用量Na2S 200×10-6,丁基黃藥175×10-6,羥肟酸36×10-6,2號浮選油20 ×10-6。

投產(chǎn)后幾年尾礦選銅生產(chǎn)指標(biāo)見表4(孔勝武)。

表4　投產(chǎn)后幾年尾礦選銅生產(chǎn)指標(biāo)

從表3可見,1996年—1999年尾礦選銅生產(chǎn)指標(biāo)提高趨勢明顯。對于尾礦選銅生產(chǎn)指標(biāo)低于工業(yè)試驗指標(biāo),孔勝武認(rèn)為可能是選礦工藝存在一定問題。

利用該工藝平均每年可從尾礦中回收銅200 t,鐵精礦3萬t,黃金10 kg以上,白銀100 kg以上。最終尾礦經(jīng)分級處理用于井下充填。

3.3　金礦尾礦利用

1999年,雞籠山金礦和湖北省黃金公司等決定成立股份公司,建廠開發(fā)綜合回收雞籠山金礦老尾礦庫尾礦,并委托北京某礦山設(shè)計院做了回收方案設(shè)計。后來于2001年建成華中聯(lián)營選礦廠。設(shè)計流程采用銅硫混合浮選—再磨分離浮選—混選尾礦磁選流程。

尾礦開采為水槍加渣漿泵。進入選礦廠后,尾礦先以水力旋流器分級,溢流剔除細(xì)泥,底流攪拌槽調(diào)漿。調(diào)漿后的尾礦進入銅硫混合浮選,所得銅硫混合精礦再磨至-200目>76%,加藥調(diào)漿后再進入分離浮選,得到銅金精礦和硫精礦。混合浮選尾礦經(jīng)磁選得到合格鐵精礦。

投產(chǎn)8年來,雖然該廠受尾礦性質(zhì)多變困擾時開時停,但總體看來仍可劃分為三個階段:初期發(fā)展階段(2001年—2003年),開采的尾礦庫表層尾礦品位較低,選礦指標(biāo)也低。以2002年10—12月為例,入選尾礦品位Cu 0.084%、Au0.45×10-6,所得銅金精礦品位Cu 9.00%、Au 18.00×10-6。隨著開采深度增加,尾礦品位提高,同時還有金屬價格上揚的因素,選礦廠進入盈利階段(2004年—2007年)。據(jù)有關(guān)人員稱,這幾年年利潤總額近百萬元。2008年—2009年受國際金融危機影響,產(chǎn)品滯銷,電價上漲,選礦廠處于半停產(chǎn)狀態(tài)。而停產(chǎn)還導(dǎo)致恢復(fù)生產(chǎn)時的設(shè)備維修和部分設(shè)備更新費用增加。

4　綜合利用建議

盡快出臺地方性《尾礦資源有用組分綜合利用法》,編制《鄂東南金屬礦山尾礦綜合利用總體規(guī)劃》,考察江西德興尾礦綜合利用流程,引進先進的技術(shù)和設(shè)備、全新的設(shè)計理念,建設(shè)國內(nèi)領(lǐng)先的現(xiàn)代化尾礦選(冶)礦廠,并實施科學(xué)管理。加大尾礦有用組分綜合利用資金投入,為礦山尾礦選(冶)礦廠建設(shè)和生產(chǎn)提供資金支持和政策優(yōu)惠。加強尾礦勘查和綜合利用研究,逐步建立尾礦勘查規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。以鄂東南尾礦集中區(qū)為重點,在全國選擇一些代表性尾礦庫,制定尾礦勘查規(guī)范。

致謝：感謝武漢綜合巖礦測試中心張達、毛立音高級工程師為本文作了砂光片及輕砂鑒定。

參考文獻:

[1]劉忠明.鄂東南金屬礦山尾礦物質(zhì)成分初步研究[J].礦冶,2010,19(1):7-1.

[2]朱江.武鋼尾礦資源綜合利用的研究與實踐[J].中國礦業(yè),2001,10(1):50-53.

[3]孔勝武.綜合利用銅綠山尾礦力爭實現(xiàn)廢料零排放[J].礦冶,2002,11(增刊):241-243.

[4]張錦瑞.金屬礦山尾礦綜合利用與資源化[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.