鐵礦廢石綜合利用研究進(jìn)展

劉文寶， 張昊， 劉文剛， 王振， 佟柯霖

1. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819； 2. 96854部隊(duì)工程項(xiàng)目管理室，遼寧 沈陽 110819

鋼鐵被廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、道路、制造業(yè)和家電等各行業(yè)，是一種重要的金屬材料，而鋼鐵工業(yè)的發(fā)展水平也被視為是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力高低的重要標(biāo)志[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，作為鋼鐵冶金原材料的鐵礦石其年均使用量已達(dá)到全球金屬礦石總量的95%[2]。我國(guó)是鐵礦開采及生產(chǎn)大國(guó)，當(dāng)前已探明的鐵礦石儲(chǔ)量占全球比例約13%，其產(chǎn)量長(zhǎng)期穩(wěn)居世界第一[3-4]。在鐵礦開采的過程中，無論是露天開采還是井下開采，都將產(chǎn)生大量的礦體表面圍巖與不能作為礦石使用的夾石，即鐵礦廢石[5]。而我國(guó)鐵礦資源“貧、細(xì)、雜”的特點(diǎn)則進(jìn)一步加劇了鐵礦廢石的排放問題[6]。根據(jù)中國(guó)國(guó)土資源經(jīng)濟(jì)研究院發(fā)布的《中國(guó)礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用報(bào)告(2015)》顯示，中國(guó)廢石堆存量達(dá)到438億t，這對(duì)周邊自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞[7]。當(dāng)前，我國(guó)鐵礦開采產(chǎn)生的廢石主要堆存在礦山的排土場(chǎng)內(nèi)，而排土場(chǎng)的建造往往會(huì)消耗大量的人力和物力，也占用了大量的土地資源；同時(shí)，廢石在排土場(chǎng)內(nèi)的堆存還帶來了一系列的安全與環(huán)境問題，其主要表現(xiàn)在排土場(chǎng)泥石流、植被破壞、土地退化、沙漠化、粉塵污染以及水體污染等[8-9]。

2018年，我國(guó)自然資源部發(fā)布的《冶金行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》中明確提出，礦山企業(yè)應(yīng)對(duì)露天剝離的廢石等固體廢棄物進(jìn)行資源化利用，安全處置率需達(dá)到100%，另外，要建全資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的采礦方式，最大程度地減輕對(duì)自然環(huán)境的破壞，嚴(yán)格遵守減量化、再利用和資源化的原則，科學(xué)利用以廢石為代表的固體廢棄物，努力發(fā)展礦山循環(huán)經(jīng)濟(jì)。由此可見，廢石堆存造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境危害等問題已引起我國(guó)政府的高度重視，開展礦山廢石資源化利用已成為礦山企業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

1 我國(guó)鐵礦廢石的基本概況

一般而言，鐵礦廢石主要包括花崗質(zhì)條帶狀混合巖、混合花崗巖、輝長(zhǎng)巖、麻巖和部分細(xì)粒閃長(zhǎng)巖、大理巖等，力學(xué)性能穩(wěn)定且強(qiáng)度較高，具有較大的利用潛能[10]。在鐵礦開采的過程中，不可避免地產(chǎn)生了大量的鐵礦廢石，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每生產(chǎn)1 t鐵精粉平均需要排出5.82 t左右的采礦廢石[11]。這些廢石主要集中在鞍本地區(qū)、攀西地區(qū)、冀東地區(qū)和包白地區(qū)等重要的鐵礦生產(chǎn)基地，目前，我國(guó)對(duì)于鐵礦廢石的利用仍處于較低水平，以2018年為例，我國(guó)共排放出鐵礦廢石約83 087.69萬t，年利用廢石約23 202.08萬t，平均廢石利用率僅為27.92%，存在較大的提升空間[12]。

2 鐵礦廢石綜合利用技術(shù)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外對(duì)于鐵礦廢石的綜合利用主要包括采空區(qū)充填、工程應(yīng)用、回收鐵礦石以及制備砂石骨料等多種方式[13-14]。當(dāng)前，已有不少礦山企業(yè)通過以上方式對(duì)鐵礦廢石的綜合利用進(jìn)行積極的探索與實(shí)踐，并取得較為豐碩的成果。

2.1 采空區(qū)充填

自充填工藝誕生以來，以廢石作為充填料進(jìn)行采空區(qū)充填的技術(shù)工藝經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：一是將廢石就近直接充填于采空區(qū)的干式充填階段；二是以廢石作為充填體粗骨料的膠結(jié)充填階段；三是以廢石-尾砂膠結(jié)充填為代表的高濃度充填階段[15-17]。

廢石干式充填技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，其憑借能在處理采礦廢石的基礎(chǔ)上一定程度地提升礦石開采率，而得到廣泛地應(yīng)用與推廣[16-18]。甘肅七角井鐵礦區(qū)通過合理有效的生產(chǎn)調(diào)度，將2 020 m中段及2 085 m礦山深部?jī)?yōu)先采掘產(chǎn)生的廢石就近充填至采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)了將鐵礦廢石全部回填至井下采空區(qū)的目標(biāo)[19]。東大山鐵礦針對(duì)分段采礦法及礦體形態(tài)復(fù)雜造成的礦石回收率低等問題，提出了上向水平分層廢石干式充填法并進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),通過采場(chǎng)短溜井向布置在穿脈內(nèi)的礦車輸送采掘廢石，與之前的充填方式相比，東大山鐵礦回采率從49.25%～55%提高到83.6%以上，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益[20]。某鐵礦通過相似模擬試驗(yàn)分析充填散體結(jié)構(gòu)及流動(dòng)特性，由此確定出最佳充填井尺寸為3.5 m，散體自然安息角為33.2°,合理充填井間距為20 m,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廢石干式充填，使采空區(qū)圍巖承載能力得到加強(qiáng)，有效解決圍巖冒落問題，增強(qiáng)頂板巖體的穩(wěn)固性，保障了頂板礦石安全性和高效的回采[21]。但是，廢石干式充填法所具有的勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)能力不足的缺陷使其難以滿足采礦業(yè)高速發(fā)展的需求，而低成本、工藝簡(jiǎn)單和高效率的膠結(jié)充填技術(shù)逐步走進(jìn)人們的視野[16-17，22]。

從充填體構(gòu)成材料的角度出發(fā)，膠結(jié)充填方式一般有尾砂膠結(jié)充填與廢石膠結(jié)充填。廢石膠結(jié)充填最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代的澳大利亞和前蘇聯(lián)等國(guó)，該技術(shù)主要通過向采空區(qū)內(nèi)注入鐵礦廢石與水泥漿從而形成廢石膠結(jié)充填體[23]。與尾砂膠結(jié)充填相比，廢石膠結(jié)充填體具有更高的抗壓強(qiáng)度，其強(qiáng)度通常在 5～10 MPa以上，適用于一些鐵礦石品位較高、尾礦產(chǎn)量較少的礦山[24-26]。烏克蘭Pivdenno-Bilozerske礦區(qū)基于原先充填體強(qiáng)度不足及成本過高的情況，于2001年起采用廢石作為粗骨料，以冶煉爐渣代替硅酸鹽水泥對(duì)采空區(qū)進(jìn)行膠結(jié)充填，這種充填方式不僅大幅提升地下充填體的強(qiáng)度，還減少了采礦廢石的傾倒量，實(shí)現(xiàn)了高品位鐵礦石的高效開采[26]。國(guó)內(nèi)也有部分礦山使用此法進(jìn)行鐵礦采空區(qū)充填，如高陽鐵礦及蒼山鐵礦[27]。值得注意的是，雖然廢石膠結(jié)充填在成本、工藝以及充填體強(qiáng)度等方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前膠結(jié)充填重要的發(fā)展方向之一[23]，但也存在著一些問題，如適用范圍小、充填體接頂困難、對(duì)充填體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性缺少有效的監(jiān)測(cè)方式與評(píng)價(jià)手段等，需要更多的專家學(xué)者在力學(xué)理論模型及充填模式方面開展進(jìn)一步的研究工作[22]。

隨著充填技術(shù)的發(fā)展，為了進(jìn)一步滿足回采工藝要求及采礦成本與環(huán)境保護(hù)的需要，在膠結(jié)充填基礎(chǔ)上，廢石-尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在20世紀(jì)80～90年代應(yīng)運(yùn)而生[16-18]。廣山鐵礦探索了同步和分步兩種廢石-尾砂膠結(jié)填充方式，研究表明，兩種廢石-尾砂膠結(jié)物的強(qiáng)度要高于分層尾砂膠結(jié)物強(qiáng)度，該技術(shù)使得廣山鐵礦回采率由70%提升至93%，貧化率由30%降至5%以下，大幅度延長(zhǎng)了礦山的服務(wù)年限[28]。結(jié)合我國(guó)鐵礦石“貧、細(xì)、雜”的特點(diǎn)，廢石-尾砂膠結(jié)充填相較于膠結(jié)充填在我國(guó)具有更強(qiáng)的適用性[6]，其充填料漿具有良好的穩(wěn)定性、流動(dòng)性和可輸送性，形成的充填體強(qiáng)度滿足采礦工藝要求，而粗粒級(jí)廢石骨料的應(yīng)用則可有效減少膠結(jié)劑的用量，降低充填成本[23]。

廢石充填具有工藝簡(jiǎn)單和成本低等特點(diǎn)，但因受到井下掘進(jìn)量的限制，充填能力難以滿足大規(guī)模開采的需求，因此常常作為其它充填方式的補(bǔ)充工藝[27]。滇北鐵礦二期工程23#礦體采用尾砂膠結(jié)與廢石混合充填的方式，在廢石充填時(shí)，兩側(cè)流出2～3 m的空間進(jìn)行尾砂膠結(jié)充填，經(jīng)估算該充填方式每年可節(jié)約水泥用量1.8萬t，尾砂用量14.3萬t[29]。太平山鐵礦對(duì)坡度較緩的區(qū)域進(jìn)行了全尾砂膠結(jié)充填，而對(duì)于坡度較大，可以利用廢石自身重力勢(shì)能的區(qū)域進(jìn)行了廢石充填，從而大幅提升了工作效率，降低充填成本[30]。大冶鐵礦獅子山采區(qū)為解決尾砂不足的問題，在采空區(qū)實(shí)施廢石充填與全尾砂膠結(jié)充填交替進(jìn)行的充填方案，在保障充填效果的同時(shí)節(jié)省尾砂使用量，取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益[31]。

2.2 工程應(yīng)用

鐵礦廢石在工程中的應(yīng)用主要有修筑廢石壩、尾礦壩、道路工程施工和填海造陸等。

2.2.1 修筑廢石壩和尾礦壩

利用鐵礦廢石修筑廢石壩和尾礦壩，不僅可以在一定程度上就近緩解廢石堆存的問題，同時(shí)還能解決尾礦的排放問題。

舞陽鐵礦利用鐵山廟采場(chǎng)廢石，在尾礦庫(kù)下游地區(qū)修筑了高于地面35 m的廢石壩，該壩服務(wù)年限可達(dá)3 a左右，用以堆積600萬m3的采礦廢石，在一定程度上解決了該礦山廢石處理的問題[32]。袁家村鐵礦根據(jù)當(dāng)?shù)貪裣菪渣S土及毗鄰排土場(chǎng)等的特點(diǎn)，開發(fā)出一套集濕陷性黃土筑壩工藝和滲流控制技術(shù)等為一體的全壽命廢石筑壩技術(shù)，截至2013年堆存尾礦1 700萬m3，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[33]。鞍鋼集團(tuán)利用齊大山鐵礦山廢石積極開展尾礦壩擴(kuò)容及筑壩工藝的試驗(yàn)研究，成功將風(fēng)水溝尾礦庫(kù)由140 m加高至155 m，并修筑副壩十座；同時(shí)利用該工藝將大孤山球團(tuán)廠尾礦壩由150 m加高至180 m，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅大孤山球團(tuán)廠尾礦庫(kù)就消耗廢石360萬m3，節(jié)省征地及工程費(fèi)用近千萬元[34]。

2.2.2 道路工程施工

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，各類道路的總里程飛速增長(zhǎng)，而不容忽視的是我國(guó)對(duì)于路基材料，尤其是碎石的需求量也持續(xù)攀升。鐵礦廢石成本低廉,力學(xué)性能優(yōu)良，在作為路基材料方面應(yīng)用潛力巨大。

孫超銓最先探究礦山廢石在道路工程上應(yīng)用的可行性，指出礦山廢石可在物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)等檢測(cè)合格的基礎(chǔ)上用以生產(chǎn)修建高速公路所需的路基材料[36]。宋殿林等對(duì)遷安磨盤山鐵礦廢石進(jìn)行破碎處理后，將其中產(chǎn)率占24%的-70+40 mm粒級(jí)物料用作鋪路石渣[37]。李柏山通過振動(dòng)給料篩對(duì)程潮鐵礦廢石進(jìn)行篩分處理，將其中40 cm以下的廢石經(jīng)PFQ1210反擊破碎機(jī)破碎為小塊碎石、小石子和瓜米石后充作鋪設(shè)鐵軌的鐵路道渣，達(dá)到了廢石利用的目的[38]。鞍鋼集團(tuán)利用齊大山鐵礦廢石作為路基材料鋪設(shè)了兩條試驗(yàn)路，結(jié)果表明，該試驗(yàn)路可滿足300～360 t電動(dòng)輪自卸卡車頻繁停車和起動(dòng)，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足坡道和彎道上行駛安全的要求,此外，該礦山還建成一座道路混鋪塊碎石加工基地，年產(chǎn)量75萬t，約33萬m3左右，滿足了該礦山及周邊地區(qū)道路工程對(duì)于合格路基碎石的需求[35]。

2.2.3 填海造陸

作為一種新型的鐵礦廢石處理方式，利用鐵礦廢石進(jìn)行填海造陸近些年來在我國(guó)的冀東以及海南地區(qū)進(jìn)行了探索與實(shí)踐。

海南省礦產(chǎn)資源較為豐富，已探明的礦種多達(dá)56種，擁有大型礦床67處，據(jù)海南省自然資源廳調(diào)查顯示，鐵礦是海南礦山廢石排放量較大的主要礦種之一，其中，僅昌江縣石碌鐵礦排放的廢石就達(dá)數(shù)億噸之多[39]。為解決海南省廢石堆存日益嚴(yán)重的問題，同時(shí)也為改善該省圍填海石料嚴(yán)重不足的局面，石碌鐵礦對(duì)廢石進(jìn)行了物理機(jī)械性能檢測(cè)、放射性強(qiáng)度測(cè)試以及《圍填海工程填充物質(zhì)成分限值》校核，結(jié)果表明，鐵礦廢石飽和抗壓強(qiáng)度基本在120 MPa以上，飽和抗剪切強(qiáng)度及抗腐蝕性能良好，伽瑪照射量率一般在 3.0 nc/kg·h以內(nèi)，滿足《天然石材放射性防護(hù)分類控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的范圍，符合圍海工程填充物質(zhì)的基本要求[40]。司家營(yíng)鐵礦為解決礦山排土場(chǎng)內(nèi)鐵礦廢石大量堆存的問題，通過與當(dāng)?shù)卣畢f(xié)商，建設(shè)了一條集采場(chǎng)內(nèi)汽車運(yùn)輸、巖石破碎站、膠帶運(yùn)輸、巖石轉(zhuǎn)運(yùn)站、裝車系統(tǒng)、火車運(yùn)輸、終端卸載站和填海造地為一體的完整體系，經(jīng)由遷(安)-曹(妃甸)鐵路向唐山市曹妃甸沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)供應(yīng)填海造陸所需石料，這一系統(tǒng)的建成不僅能夠減少排土場(chǎng)占地410萬km2，還能為礦山獲取每噸廢石0.5元的資源費(fèi)(僅2019年就創(chuàng)收1 050萬元)，同時(shí)也極大程度地解決了曹妃甸沿海工業(yè)區(qū)填海造陸的石料來源問題[13,41]。

2.3 有價(jià)元素的回收

2.3.1 鐵的回收

當(dāng)前，我國(guó)鋼鐵行業(yè)仍面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)。一方面，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鐵礦石遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足鋼鐵企業(yè)的需求，需要大量進(jìn)口鐵礦石，對(duì)外依存度高[3]；另一方面，我國(guó)鐵礦資源“貧、細(xì)、雜”的特點(diǎn)導(dǎo)致了大量的鐵礦被排放到廢石堆中，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[6,42]。因此，對(duì)廢石中的鐵礦回收利用就顯得尤為必要。

當(dāng)前，對(duì)于廢石中鐵元素的回收主要有干式預(yù)選及階段磁選兩種方式。干式預(yù)選是指對(duì)廢石預(yù)先進(jìn)行干式磁選，再將干選精礦返回選礦廠進(jìn)行二次選別。干式預(yù)選具有工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，處理量大等特點(diǎn)，因而在廢石回收鐵元素的過程中得到了廣泛地運(yùn)用。本鋼南芬鐵礦利用CTDG1216大粒度干選機(jī)對(duì)排土場(chǎng)內(nèi)-400 mm的廢石進(jìn)行了磁選，回收的鐵礦石品位可達(dá)20%左右[43]。磁海鐵礦將排土場(chǎng)廢石破碎至-12 mm后，使用3臺(tái)LCG1021粉礦干選機(jī)對(duì)廢石進(jìn)行磁選，經(jīng)干式磁選機(jī)磁選后的廢石其磁性鐵含量由原來的18.76%～22.17%提升至25.86%～31.63%，磁性鐵回收率達(dá)到了87.68%～91.63%[44]。本鋼歪頭山鐵礦通過廢石粗選及粗精礦再選試驗(yàn)對(duì)原有廢石預(yù)選回收工藝進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果表明，采用廢石篩分-篩下預(yù)選拋尾-篩分-篩下干選的生產(chǎn)工藝可使粗精礦鐵品位提高9.85個(gè)百分點(diǎn)，精礦電耗降低5.23 kWh/t，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著[45-47]。

通常情況下，鐵礦廢石中鐵品位較低，其所含鐵礦的回收工藝常常面臨著效益較低的問題。因此，干式預(yù)選常常被作為其他利用方式(尤其是制備砂石骨料)的輔助工藝對(duì)廢石中的鐵礦石進(jìn)行回收。遷安磨盤山鐵礦廢石經(jīng)顎式破碎機(jī)處理后通過磁滑輪選別出產(chǎn)率為3%、品位為22%～26%的鐵礦石返回選礦廠回收[37]。溪石鐵礦廢石在顎式破碎機(jī)破碎后進(jìn)入磁滑輪進(jìn)行選別，可以有效回收混料中的磁鐵礦礦石[48]。研山鐵礦在廢石制砂工藝的中碎作業(yè)后設(shè)置了干式磁選機(jī)，其中干選精礦返回選礦廠重新選別，而其余廢石則進(jìn)入后續(xù)制砂工藝，增加了經(jīng)濟(jì)效益[49]。大石河鐵礦將細(xì)碎后10～20 mm以及小于10 mm粒級(jí)的廢石進(jìn)行干式磁選處理，由此獲得產(chǎn)率為3.96%、全鐵品位為18.34%的鐵礦石，成為該礦山新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)[50]。

此外，部分鐵礦山根據(jù)廢石鐵品位較高的特點(diǎn)開發(fā)出集磁選、磨礦和浮選等選別手段為一體的富集工藝。該工藝能夠最大程度地將廢石中的鐵元素選別出來，實(shí)現(xiàn)鐵礦資源的高效利用。徐州鐵礦對(duì)下屬鎮(zhèn)北和吳莊兩處鐵礦廢石開展了磨礦細(xì)度、弱磁選條件和強(qiáng)磁選條件探索試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定了一條干式磁選—磨礦—弱磁選—強(qiáng)磁選—脫水的廢石磁選富集工藝，該工藝最終可獲得產(chǎn)率3.50%、鐵品位65%的弱磁選鐵精礦，以及產(chǎn)率5.42%、鐵品位35%的強(qiáng)磁選精礦，年利潤(rùn)總額達(dá)到了262.6萬元[51]。我國(guó)西部某鐵礦對(duì)廢石進(jìn)行了磨礦細(xì)度、磁選以及反浮選的試驗(yàn)，最終確定了干式磁選拋廢—階段磨礦—階段磁選—反浮選的工藝流程，并獲得了鐵品位為62.11%、回收率為61.68%、磷含量為0.05%的鐵精礦，回收效果十分理想[52]。河北司家營(yíng)鐵礦將該礦鐵品位為18.79%的廢石先后經(jīng)干式磁選和濕式磁選拋尾后進(jìn)行兩段磨礦與階段磁選，得到了鐵品位為52.71%、回收率為48.50%的磁選混合精礦，隨后又以NaOH為pH調(diào)整劑、淀粉為抑制劑、CaO為活化劑、MF為反浮選捕收劑，經(jīng)1次粗選1次精選和2次掃選的反浮選，得到了鐵品位65.97%、回收率43.27%的鐵精礦，此研究對(duì)該類鐵礦廢石的回收利用具有一定的指導(dǎo)意義[53]。雖然上述分選能夠最大程度地提升鐵的回收率，但是其復(fù)雜的工藝及廢石中鐵含量不高的特點(diǎn)往往會(huì)造成設(shè)備工藝成本較高，尾礦排放量較大等問題，因此對(duì)于該工藝的使用還需結(jié)合具體情況進(jìn)行具體分析。

2.3.2 其他有價(jià)元素的回收

除了回收鐵元素，部分選廠還對(duì)鐵礦廢石中所含有的磷、硫、銅、釩和鈦等元素進(jìn)行了回收利用，并取得了一定的研究成果。河北冀東地區(qū)形成了集釩、鈦和磷等元素為一體的鐵礦資源綜合利用示范基地，該基地的建成對(duì)于周邊地區(qū)磷鐵礦及釩鈦磁鐵礦的綜合利用具有一定的示范引導(dǎo)作用[54]。紀(jì)瑩華等對(duì)承德某鐵礦干選廢石進(jìn)行磁選和浮選探索試驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)廢石中-0.5 mm粒級(jí)的細(xì)顆粒進(jìn)行“一粗二精一掃”開路選別后可回收P2O5品位為32.50%的磷精礦，實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用[55]。王炬對(duì)某鐵礦干式磁選拋廢廢石進(jìn)行預(yù)先富集、跳汰選別、銅硫混合浮選和銅硫分離浮選等綜合試驗(yàn)后，最終分別獲得了鐵品位為 65.02%的鐵精礦、硫品位為45.44%的硫精礦以及銅品位為18.80%的銅精礦，對(duì)于同行業(yè)鐵礦山廢石中有價(jià)元素的回收利用具有一定的借鑒意義[56]。此外，在美國(guó)阿迪朗達(dá)克高地的氧化鐵磷灰石礦床的廢石中還檢測(cè)出了高濃度的稀土礦元素，其回收仍有待進(jìn)一步地探究[57]。

2.4 生產(chǎn)砂石骨料

砂石骨料是生產(chǎn)生活中消耗量?jī)H次于水的第二大天然材料，是混凝土等建筑材料中最重要的原材料，被廣泛運(yùn)用于建筑、道路、橋梁和水利等各大領(lǐng)域，截止2019年，全球砂石骨料產(chǎn)量已達(dá)到500億t，中國(guó)是全球砂石骨料第一大生產(chǎn)國(guó)，2019年已達(dá)到188億t[58-59]。根據(jù)原材料來源的不同，砂石骨料可被分為機(jī)制砂與天然砂兩種類型。當(dāng)前，由于受到環(huán)境保護(hù)和資源儲(chǔ)量等多方面因素的限制，天然砂逐漸難以支撐起我國(guó)每年近200億t的砂石骨料需求量[60]。因此，混凝土行業(yè)必須找到新的原料來替代天然砂，而便宜和存貯量龐大的采礦廢石就具備良好的應(yīng)用前景[61]。

與天然骨料相比，鐵礦廢石儲(chǔ)量大、強(qiáng)度高且力學(xué)性能穩(wěn)定，因此在對(duì)鐵礦廢石各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)合格的基礎(chǔ)上將其用于制備砂石骨料，這不僅可以緩解天然骨料的供應(yīng)壓力，還能在一定程度上解決廢石堆存過剩的難題，其具備較高的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

早在21世紀(jì)初我國(guó)就有專家學(xué)者對(duì)于將鐵礦廢石用于砂石骨料的制備開展了相關(guān)研究。張雷通過對(duì)高村鐵礦廢石的普氏硬度系數(shù)、密度及松散系數(shù)等物理和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量后，提出該鐵礦圍巖可用于生產(chǎn)混凝土粗骨料的設(shè)想，為鐵礦廢石的綜合利用指明新的途徑[62]。龔樹峰等總結(jié)了鐵礦廢石常見的自然類型，指出對(duì)于鐵礦廢石物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)的檢測(cè)可具體到含泥量、化學(xué)成分、堅(jiān)固性、強(qiáng)度和密度等方面，并據(jù)此提出基于鐵礦圍巖性能檢測(cè)的生產(chǎn)0～10、10～20和20～40 mm粒級(jí)石料的碎石加工工藝，為鐵礦廢石制備砂石骨料技術(shù)的研究與應(yīng)用提供借鑒和指導(dǎo)[10]。

與此同時(shí)，越來越多的企業(yè)針對(duì)鐵礦廢石制備砂石骨料技術(shù)進(jìn)行了積極地探索與實(shí)踐。洛陽大華機(jī)械廠與北京路星公司以首鋼密云鐵礦廢石為原料，開發(fā)出一條兩段兩閉路的機(jī)制砂石的生產(chǎn)流程，該流程利用該公司自行研發(fā)的PFQ系列強(qiáng)力反擊式破碎機(jī)和PL立式?jīng)_擊破碎機(jī)，將350 mm以下的鐵礦廢石加工成40～0.15 mm粒級(jí)的各種用途的砂石骨料，不僅降低了人工砂石的生產(chǎn)成本，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且還解決了廢石堆存占地引發(fā)的環(huán)境和安全等問題，為我國(guó)節(jié)約了大量的石料和土地資源[63]。舞陽礦業(yè)基于鐵古坑和鐵山廟兩處鐵礦廢石建成了年產(chǎn)100萬m3的石子廠，該廠可生產(chǎn)5～10、10～20和20～31.5 mm粒級(jí)粗骨料及0.3～4和4～5 mm粒級(jí)機(jī)制砂，并在機(jī)制砂生產(chǎn)工藝中加入了水洗流程，較好地解決了石粉含量過高的問題，使鐵礦廢石成為該公司新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)[33]。

各類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定及鐵礦廢石各項(xiàng)性質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的提供有著重要意義。Gayana BC等指出應(yīng)對(duì)鐵礦廢石進(jìn)行詳細(xì)地檢測(cè)，確保礦山廢石的各項(xiàng)性能符合建筑工程的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的同時(shí)，還要保障對(duì)環(huán)境及人類無害[64]。Yellishetty等根據(jù)美國(guó)試驗(yàn)材料學(xué)會(huì)制定的ASTM C/109C等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)印度果阿邦鐵礦廢石的級(jí)配曲線、片狀顆粒含量、壓碎指標(biāo)值和吸水率等性能進(jìn)行檢測(cè)，并與天然骨料一同進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)的對(duì)照試驗(yàn)；檢測(cè)結(jié)果表明，粒級(jí)為12.5～20 mm的鐵礦廢石適用于作為混凝土骨料使用，12.5～4.75 mm的細(xì)粒級(jí)廢石則適用于生產(chǎn)建筑工程的砂石；而養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)則顯示，相比于天然骨料，果阿邦鐵礦廢石作為骨料制成的混凝土有著更為優(yōu)良的力學(xué)性能[65]。

四川廣元某超貧磁鐵礦礦山對(duì)廢石的密度和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)后，又根據(jù)公路橋涵技術(shù)規(guī)范JTGTF50-2011對(duì)破碎至16～4.75 mm(碎石)與4.75～0 mm(機(jī)制砂)兩個(gè)粒級(jí)的泥塊含量、針片狀顆粒含量、輕物質(zhì)含量和壓碎指標(biāo)值等進(jìn)行檢測(cè)，最終設(shè)計(jì)出一條包括除泥、破碎、篩分和選粉的廢石加工的工藝流程[66]。

張發(fā)勝對(duì)酒鋼鐵礦廢石進(jìn)行物相、放射性、粒度分布以及化學(xué)成分的檢測(cè)；并根據(jù)JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》、GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)廢石破碎后制成的粗骨料(5～20 mm)與細(xì)骨料(0.16～5 mm)的壓碎指標(biāo)值、堆積空隙率、吸水率和針片狀含量等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，得出該鐵礦廢石可以用作生產(chǎn)粗骨料及機(jī)制砂的結(jié)論[67]。

大石河鐵礦依據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)公司排土場(chǎng)鐵礦廢石進(jìn)行表觀密度、吸水率、含泥量、有害物質(zhì)、堅(jiān)固性、放射性和壓碎指標(biāo)值等指標(biāo)的檢測(cè)，并對(duì)廢石的顆粒級(jí)配進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析；根據(jù)檢測(cè)結(jié)果為大石河鐵礦開發(fā)出一條年處理量732萬t的建筑砂石生產(chǎn)工藝，可生產(chǎn)出4.75～0.15 mm粒級(jí)建筑砂及20～10 mm粒級(jí)的建筑砟[49]。

山東蒼嶧鐵礦利用某礦山的鐵礦廢石資源建成了一條處理量2020t/h的骨料生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線在投產(chǎn)前對(duì)鐵礦廢石進(jìn)行化學(xué)成分及國(guó)標(biāo)GB/T 14685—2011《建設(shè)用碎石》中規(guī)定的各項(xiàng)性能檢測(cè)，并基于該鐵礦廢石SiO2含量及堅(jiān)固性、巖石抗壓強(qiáng)度較高等特性設(shè)計(jì)出采用顎式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)與反擊式破碎機(jī)相結(jié)合的破碎工藝流程。該骨料生產(chǎn)線可生產(chǎn) 20～31.5、10～20和5～10 mm粒級(jí)的粗骨料，并利用生產(chǎn)粗骨料產(chǎn)生的-5 mm粒級(jí)物料經(jīng)篩分、洗砂和磁選后生產(chǎn)0.4～4 mm細(xì)沙及4～5 mm粗砂。該生產(chǎn)線自2017年投產(chǎn)以來，生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的粗骨料及機(jī)制砂，為廢石的綜合利用以及綠色礦山建設(shè)提供了借鑒[68]。

2.5 其他方向的利用

2.5.1 制備高性能混凝土

近年來，部分專家學(xué)者對(duì)利用鐵礦廢石制成的砂石骨料開展了制備高性能混凝土的相關(guān)研究。陳杏婕等以密云地區(qū)鐵礦廢石為粗骨料，以單獨(dú)磨細(xì)的鋼渣為膠凝材料，再配合鐵尾礦、水泥熟料和脫硫石膏磨制的混合料，加入水及堿水劑后制成高強(qiáng)度混凝土材料，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)75.92 MPa[69]。劉佳利用密云地區(qū)鐵礦廢石作為粗骨料，將其與尾礦、粉煤灰、脫硫石膏和水泥熟料等按照一定比例配合制成高性能混凝土材料，該材料在抗凍融及抗硫酸鹽侵蝕等方面具有優(yōu)異的性能[70]。李斌斌等利用遼寧壹立方砂業(yè)提供的鐵礦廢石粗骨料代替天然骨料制備出符合需求且質(zhì)量?jī)?yōu)良的C30混凝土疊合板，證明了鐵礦廢石在預(yù)制構(gòu)件中大摻量應(yīng)用的可行性[71]。

2.5.2 制備環(huán)保材料

近年來，鐵礦廢石在制備環(huán)保材料中的運(yùn)用也取得一定的實(shí)踐。海南紅石鐵礦由于其廢石內(nèi)普遍含有選礦后殘留的廢渣，粉末狀含量較高，因而在分選后將廢渣用以生產(chǎn)環(huán)保磚[39]。Bahareh Sadeghalvad等從伊朗中部的Choghart鐵礦廢石中提取出交代巖并對(duì)其進(jìn)行改性處理，在其基礎(chǔ)上使其分別與Mg-Al及Ni-Al水滑石結(jié)合制成兩種吸附材料，用以吸附污水中的硫酸鹽，結(jié)果表明，兩種吸附材料吸附過程為放熱反應(yīng)，且吸附性能優(yōu)良[72]。Moon Young Jung等對(duì)韓國(guó)Yangyang鐵礦廢石中的重金屬元素含量進(jìn)行了相關(guān)工程試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，重金屬含量合格，在此基礎(chǔ)上利用該廢石代替細(xì)骨料可生產(chǎn)出1級(jí)非燒結(jié)環(huán)保磚，僅在原材料方面就節(jié)約了30%的成本[73]。

2.5.3 制備其他材料

鐵礦廢石還可用作制備塊磚和陶瓷材料等建筑材料。本鋼集團(tuán)現(xiàn)已建成年產(chǎn)量6萬m3的建筑砌塊磚廠，可以生產(chǎn)各種規(guī)格的免燒砌塊磚[74]。楊航等將河北某鐵礦廢石破碎至-2 mm后與發(fā)泡劑和鐵尾礦按照一定比例混合后燒制成型，結(jié)果顯示，當(dāng)廢石用量為45%～60%時(shí)，可以制成發(fā)泡效果優(yōu)良的建筑外墻防火陶瓷保溫材料，這為鐵礦廢石的精細(xì)化利用提供了新的思路[75]。莊駿利用十八胺對(duì)酒泉鋼鐵公司廢石場(chǎng)中的千枚巖廢石樣品進(jìn)行了改性處理，改性后的廢石力學(xué)性能優(yōu)良，且在一定比例下與阻燃劑DBDPE(十溴二苯乙烷)及阻燃協(xié)效劑復(fù)配使用可制成阻燃性塑料填料，其阻燃效果可達(dá)V-0等級(jí)[76]。

3 結(jié)語

目前，我國(guó)對(duì)鐵礦廢石的綜合利用仍處于起步階段,依然存在規(guī)模小、數(shù)量少和規(guī)范性不強(qiáng)等諸多問題。因此，一方面廣大礦山企業(yè)要進(jìn)一步深化和細(xì)化對(duì)鐵礦廢石工藝礦物學(xué)等基礎(chǔ)性質(zhì)的研究，在此基礎(chǔ)上將制備砂石骨料與采空區(qū)回填、工程應(yīng)用等鐵礦廢石利用方式充分結(jié)合起來，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)利用鐵礦廢石研發(fā)和制備高性能材料的力度，并努力把鐵礦廢石的綜合利用與當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)需求和政府發(fā)展戰(zhàn)略等因素結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)鐵礦廢石綜合利用的高值化、規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化。另一方面，政府部門應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)礦山企業(yè)尤其是中小型及偏遠(yuǎn)地區(qū)礦山企業(yè)的扶持力度，在完善相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的同時(shí)給予這些企業(yè)更多資金上的幫扶，力爭(zhēng)將鐵礦廢石綜合利用相關(guān)技術(shù)推廣開來，從而為綠色礦山的建設(shè)添磚加瓦。