尾矿综合回收利用及充填配比优化试验研究.pdf

有有色色矿矿冶冶NON-FERROUS MINING AND METALLURGY第 40 卷第 2 期2024 年 4 月Vol.40No.2April 2024文章编号：1007-967X（2024）02-59-05尾矿综合回收利用及充填配比优化试验研究*杜久华1，梁超1，刘霞2，张峥3，王昆3*，陈志翔4（1.中矿金业股份有限公司，山东 烟台 265400；2.山东金都冶炼股份有限公司，山东 烟台 265400；3.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；4.山东省科技服务发展推进中心，山东 济南 250101）摘要：为促进尾矿综合回收利用，化解尾矿地表堆存难题，实现“无尾矿山”，以山东某金矿为工程背景，测试分析尾矿矿物组成、粒级分布，确定长石矿物提取与细粒尾矿充填协同处理技术路线。开展尾矿再选试验与再选流程设计，细筛分级、强磁选除杂可得到白度 54.15%、Fe2O3含量 0.212的高质量长石精矿，预期产生经济效益 5 800 万元。试验研究细粒尾矿充填配比对其强度、胶凝时间影响规律，优选确定 PO42.5 水泥、63%浓度、不小于 1：8 灰砂比充填配比方案，提出添加减水剂、研究膏体充填工艺等方法提高充填浓度。研究结论可为相似金矿尾矿综合回收利用及充填设计提供参考。关键词：尾矿综合利用；长石；金矿；细粒充填；尾矿资源化利用中图分类号：TD926文献标识码：A尾矿是在特定经济技术条件下没有回收利用价值的选矿废弃材料，用以堆存尾矿而建造的尾矿库是具有高势能的人造泥石流重大危险源1，溃坝事故可造成严重的环境污染。近年来尾矿库事故频繁发生，例如，2021 年我国伊春鹿鸣尾矿库泄露，造成呼兰河 340 km 河道被污染；2019 年巴西布鲁马迪纽市一处尾矿库泄露造成 270 人死亡2。各级管理部门采取措施加强尾矿库安全管理，严格控制尾矿库数量。然而，尾矿是矿山采选的必然产物，如何安全高效处理尾矿，提高尾矿利用效率，疏解尾矿库排放堆存压力，日益成为研究关注的焦点35。目前，尾矿主要通过井下采空区充填、有价矿物的重新提取、制作建筑材料等途径实现综合利用。腾高礼等6对某矿进行分级尾砂胶结充填试验研究，该项目有效提高了固废处置能力；杨志强等7认为利用新型胶凝材料制备尾砂浆料充填空区将有效推动尾砂资源化利用；赵英良等8综述金尾矿回收金、银、铅、石英砂、长石、白钨矿等有价金属及矿物的案例；刘玉林等9综述尾矿可用于制备水泥熟料、烧结砖、泡沫混凝土、免烧砖、建筑用砂等材料。综上所述，各矿山需根据所产出尾矿基本特性，优选处理方案以真正实现无尾排放。本文以山东省某金矿为工程案例，通过开展尾矿矿物组成与粒级测试、尾矿再选试验与再选流程设计、细粒尾矿充填配比优化试验，研究提出长石矿物提取与细粒尾矿充填的尾矿综合利用路径。研究结论可为相似金矿尾矿综合回收利用及充填设计提供参考。1工程背景山东某金矿选矿厂处理能力为 2 000 t/d，每天产生尾砂为 1 900 t/d，尾砂产率为 95%，正在面临尾矿库服务年限不足、井下采空区体积增大等难题，亟需开展尾矿综合利用与充填工艺优化研究。由选矿厂现场取样分别开展尾矿矿物组成与粒级测试。1.1尾矿矿物组成经测试，尾矿主要金属矿物有氧化铁、少量的磁铁矿、机械铁；主要脉石矿物有长石、石英、方解石、白云石、辉石、闪石等，其中长石为主要有价矿物，氧化铁为主要杂质。1.2尾矿粒级组成尾矿粒级组成对矿山充填输送工艺与充填质量的影响显著10，11。一方面影响充填体的胶结性能和胶凝材料消耗量，另一方面决定充填料浆在井下采场脱水效率。采用马尔文 MS3000 型激光衍射粒度分析仪测定尾矿粒级，结果如图 1 所示。尾矿平均粒径 15.47 m，中值粒径 10.88 m，小于 38 m 颗粒占 90，属于极细粒级尾矿。不均匀系数=7.948，*收稿日期：2023-08-15作者简介：杜久华（1989），男，研究生学历，采矿工程师，主要从事井建及采矿工艺研究。通讯作者：王昆（1991），男，博士，讲师，主要从事尾矿处置与矿山安全方面研究工作。Email:60有色矿冶第 40 卷颗粒分布较为均匀。开展尾矿再选试验后需进一步研究细颗粒尾矿充填配比优化方案，以保障细粒尾矿胶结充填的输送与充填质量。图 1细颗粒尾砂粒度分布图Fig.1Particle size distribution of fine tailings2尾矿综合利用全流程工艺试验原矿筛分试验结果见表 1 所列，原料有极少量粗砂颗粒，-30+300 目产率为 72.43%，-300 目细泥产率为 24.79%。全流程试验工艺流程如图 2 所示，最终试验流程结果见表 2 所列。经过细筛分级后，-30300 目原矿经以上再选工艺流程可得产率为63.58%、Fe2O3为 0.212、白度为 54.15%的长石精矿，以及产率为 10.91%、Fe2O3为 0.586、白度为31.56%的细泥精矿。-300 目原矿通过电磁浆料机得到的产品白度较低，含杂质也较高，且该步骤耗电量较大、设备投资较大。因此，筛分后-30300 目原矿用于提取优质长石，-300 目的细粒尾矿用于井下充填。根据再选试验产率，结合市场行情预估长石再选利用项目平均年净利润可达 290 万元。表 1尾矿筛分试验结果（%）Table 1Results of tailings screening test（%）产品名称产率+30目2.78-30+200目62.40-200+300目10.03-300+500目4.18-500目20.61图 2全流程试验工艺流程Fig.2Full-flow test process表 2全流程试验结果Table 2Results of full-flow test产品名称平板立环1立环2分级浆料1浆料2+30 目粗砂原矿精矿尾矿精矿尾矿精矿尾矿长石精矿细泥精矿尾矿精矿尾矿产率（%）95.381.8490.055.3384.685.3763.5821.1014.736.3710.913.822.78100.00全元素分析项目（%）SiO268.769/69.644/69.894/71.83866.28967.708/67.886/67.211Fe2O30.627/0.448/0.403/0.2121.1590.774/0.586/0.820TiO20.151/0.127/0.109/0.0940.2130.151/0.107/0.160Al2O313.425/13.380/13.056/12.54115.65215.101/14.267/13.319Na2O3.729/3.795/3.737/3.7413.4563.601/3.614/3.699K2O5.573/5.506/5.449/5.3306.4126.345/6.225/5.461CaO1.420/1.238/1.178/1.0441.6981.293/1.044/1.488白度（%）/44.06/54.15/24.32/31.56/13.923尾矿胶结充填配比优化试验为满足采矿方法与充填工艺要求，解决采充平衡管理难度大，细粒尾矿处置难的问题，系统开展细粒尾矿胶结充填体配比强度与浆料凝结时间试验，为胶凝材料优选、灰砂比与料浆浓度优化提供依据。3.1胶结充填配比优化强度试验选用 PO42.5、PO32.5 普通硅酸盐水泥、高效胶固粉三种胶凝材料，分别按 1 4、1 8、1 12、1 14、1 20 灰砂比制作充填试块，设置 63%、61%、59%三种第 2 期杜久华等：尾矿综合回收利用及充填配比优化试验研究料浆浓度。每组试验养护 3 d、7 d 两个龄期后开展单轴抗压强度测试。采用规格 7.07 cm7.07 cm7.07 cm 三联金属试模，按设计的灰砂配比和质量浓度称量拌成均匀砂浆，浇筑脱水脱模后在恒温恒湿养护箱养护至规定龄期。试验结果见表 3表 5 所列。由表可知：（1）1 4 灰砂比配比情况下，高效胶固粉尾砂胶结充填试块强度比普通硅酸盐水泥略高，但低灰砂时高效胶固粉效果最差，部分试样出现 3 d 未凝固现象，PO 42.5 水泥尾砂胶结充填试块 3 d、7 d 强度整体最优；（2）采用 PO 42.5 水泥、灰砂比为 1 4、浓度为63%，3 d 强度 0.84 MPa，7 d 强度 1.38 MPa，可满足充填采矿工艺需求。建议该金矿细粒尾砂胶结充填灰砂比不应小于 1 8，实际生产应用尽量调整尾矿分级产率、提高尾矿粒径，在控制成本的前提下尽可能提高充填体强度。图 3胶结充填试块制作Fig.3Cemented filling specimens preparation表 3PO42.5 水泥尾砂胶结充填试块强度试验结果Table 3Strength test results of PO42.5 cement tailingsconsolidated filling specimens序号123456789101112131415灰砂比1 41 41 41 81 81 81 121 121 121 151 151 151 201 201 20浓度63%61%59%63%61%59%63%61%59%63%61%59%63%61%59%3 d 强度（MPa）0.840.580.510.380.270.210.30.20.170.220.180.140.210.140.117 d 强度（MPa）1.381.010.880.550.440.360.380.280.230.270.210.180.230.160.14表 4PO32.5 水泥尾砂胶结充填试块强度试验结果Table 4Strength test results of PO32.5 cement tailingsconsolidated filling specimens序号123456789101112131415灰砂比1 41 41 41 81 81 81 121 121 121 151 151 151 201 201 20浓度63%61%59%63%61%59%63%61%59%63%61%59%63%61%59%3 d 强度（Mpa）0.230.140.120.120.10.090.050.040.030.050.040.030.050.040.037 d 强度（MPa）0.440.330.290.230.140.130.160.120.10.120.090.080.110.090.07表 5胶固粉尾砂充填试块强度试验结果Table 5Strength test results of cement powder tailingsconsolidated filling specimens序号123456789101112131415灰砂比1 41 41 41 81 81 81 121 121 121 151 151 151 201 201 20浓度63%61%59%63%61%59%63%61%59%63%61%59%63%61%59%3 d 强度（Mpa）0.750.640.680.160.050.040.020.01未凝固0.01未凝固未凝固未凝固未凝固未凝固7 d 强度（MPa）1.371.241.120.40.260.220.110.10.080.080.060.050.080.050.043.2胶结充填配比优化凝结时间试验试验设计采用 PO 42.5 普通硅酸盐水泥，浓度63%、61%和 59%，灰砂比 1 4、1 8、1 12、1 15 和 120。将搅拌制成充填料浆盛入图 4（a）所示圆锥体试模中，放入养护室中 2 h 后放至图 4（b）所示维卡仪试验台下测定其凝结时间。降低维卡仪试针与充填料浆表面接触，观察试针停止下沉或释放试针 30s 时指针度数。当试针沉至距离底板 4 mm1 mm时，视为充填料浆达到初凝状态，由水泥全部加入水中至初凝状态的时间，为充填料浆的初凝时间。完6162有色矿冶第 40 卷成初凝时间测定后，放入湿气养护箱中养护，临近终凝时间每隔 15 min 测定一次，当试针沉入试体 0.5mm 时，视为料浆达到终凝状态。试验结果见表 6。图 4尾砂充填料浆凝结时间试验装置（a）圆锥体试模；（b）维卡仪Fig.4Experimental apparatus for the solidification timeof tailings flilling slurry（a）Cone-shaped test mold；（b）Viscoamylograph表 6充填料浆凝结时间试验结果Table 6Test result of gelation time of filling slurry序号123456789101112131415灰砂比1 41 41 41 81 81 81 121 121 121 151 151 151 201 201 20浓度63%61%59%63%61%59%63%61%59%63%61%59%63%61%59%初凝时间（h）19.7520.520.752121.7522.2521.2522.252322.2523.524.752525.7526.75终凝时间（h）24.752627.528.529.2530.52930.531.7531.2533.534.7535.536.2537.75由表 6 可知，1 4 灰砂比 PO42.5 水泥充填料浆初凝时间 19.7520.75 h，终凝时间 24.7527.5 h；18 灰砂比充填料浆初凝时间 2122.25 h，终凝时间28.530.5 h；1 12 灰 砂 比 充 填 料 浆 初 凝 时 间21.2523 h，终凝时间 2931.75 h；1 15 灰砂比充填料浆初凝时间 22.2524.75 h，终凝时间 31.2534.75 h；1 20 灰砂比充填料浆初凝时间 2526.75h，终凝时间 35.537.75 h。凝固时间普遍过长，在满足充填管路输送的前提下，应尽可能提高充填料浆浓度。建议矿山可通过添加减水剂、泵送剂、研究改造膏体充填工艺等途径提高充填料浆浓度，在保证正常管路输送的前提下，缩短其在采场的凝结时间，缓解脱水压力，以尽早形成满足采矿工艺需求的早期强度。4结论（1）尾矿再选工艺流程试验表明，该金矿尾矿经 过 细 筛 分 级 进 行 强 磁 选 除 杂 后 可 得 到 白 度54.15%、Fe2O3含量 0.212的高质量长石精矿，平均年净利润可达 290 万元，服务年限 20 年内预期可产生经济价值 5 800 万元。（2）系统开展胶结充填配比优化强度与凝结时间试验，优选确定 PO42.5 水泥、63%浓度、不小于 18 灰砂比充填配比方案。针对充填料浆浓度低、采场易出现脱水速度慢、早期强度不足等问题，提出通过添加减水剂、泵送剂、研究改造膏体充填工艺等途径提高充填料浆浓度。（3）尾矿再选长石利用与胶结充填综合回收利用，既可实现长石优质资源回收利用、提升资源利用率、创造经济效益，又可及时处理矿山采空区、满足矿山充填开采需要的同时，解决细尾砂处理难的问题，实现尾矿全部资源化利用、无尾排放。研究结论可为相似金矿尾矿综合回收利用及充填设计提供参考。参考文献：1 王昆，杨鹏，HUDSON-EDWARDS K，等.尾矿库溃坝灾害防控现状及发展J.工程科学学报，2018，40（5）：526-39.2 王昆，张俊阳，杨修志，等.考虑精细地形的尾矿库溃坝外泄泥流运移规律研究J.中国安全科学学报，2022，32（12）：95-101.3 迟崇哲，翟菊彬，兰馨辉，等.黄金尾矿综合利用分析J.黄金，2022，43（2）：100-103.4 肖志，何桂春，汪劲刚，等.钽铌尾矿综合利用研究进展与展望J.金属矿山，2023（6）：127-133.5 李杰，翟旭东，王勇，等.新疆某金矿选矿厂老尾矿回收金试验研究J.黄金，2021，42（9）：99-102.6 滕高礼，石宏伟，王彬，等.云南某矿山尾矿库分级尾砂用于矿山充填试验研究J.有色金属（矿山部分），2020，72（3）：99-103.7 杨志强，陈得信，高谦，等.金川充填胶凝材料研究进展与废弃物综合利用展望J.福州大学学报（自然科学版），2017，45（4）：610-616.8 赵英良，邢军，孙晓刚，等.黄金尾矿资源化利用研究现状与进展J.有色金属（矿山部分），2016，68（3）：1-4，8.9 刘玉林，刘长淼，刘红召，等.我国矿山尾矿利用技术及开发利用建议J.矿产保护与利用，2018（6）：140-144，150.10金爱兵，王杰，陈帅军，等.基于不同粒径分布尾砂的充填体强度及损伤特性研究J .岩土力学，2022，43（11）：3083-3093.11张震，陈超，马姣阳，等.尾砂粒径对胶结充填体抗压强度的影响J.华北理工大学学报（自然科学版），2022，44（1）：9-15，23.（下转第 58 页）58有色矿冶第 40 卷5.2燃油系统液位信号处理当液位在达到高限位或者低限位时，由于机械原因，限位开关呈剧烈抖动状态，会导致油泵、阀门在限位处频繁启停，鉴于此，本方案中，通过程序内部，延时 10 s 确认接受液位开关反馈信号，信号稳定后才会接受确认反馈信号，系统 PLC 输出 DO 点不会频繁输出，这样就防止在限位到达时设备频繁启停动作，保证控制系统的稳定性。6结语通过燃油控制系统方案的设计，构建了中色非矿燃油输送自动化控制系统，实现了油料输送自动控制，该方案具有联锁与安全保护和相关设备状态监测报警、数据记录、查询等功能，通过本系统的应用，达到无人值守，所有油罐、设备、阀门等数据都可在上位机实时监控，可以显著提高自动化水平，减少操作人员的工作强度。该方案根据工艺生产过程需要而设计的全套燃油输送自动化控制系统，采用成熟的硬件配置与软件，在矿山燃油输送系统生产流程应用中，在提高生产效率、输送质量、节能降耗、提升燃油系统现代化科学管理和数字化管理能力、降低工人劳动强度等方面，带来显著的经济效益与社会效益。参考文献：1 陈祥光，余向明.机场加油自动控制系统的设计与应用 J.微计算机信息，2000，（5）：20-21.2 张宗仁，张鲁国.飞机加油场计算机集中控制系统的设计 J.微计算机信息，2001，（4）：14，19.3 刘思华.PLC 在油库自动售油系统中的应用 J.微计算机信息2002，18（12）：1-2.4 胡学林.可编程控制器教程（基础篇）M.北京：电子工业出版社，2003.11.5 殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护 M.北京：机械工业出版社，2003.Design of Fuel Control System for NFCAWANG A-min（NFC Africa Mining PLC，Chambishi 22592，Zambia）Abstract:With the improvement of mine automation,the traditional way of manually handling oil barrels in large mines can no longer meet the complex and huge fuel system control requirements.Aiming at the shortcomings of heavy mine production tasks,various transportation equipment,complex types of fuel,and difficulty in manual handling of oil barrels,a set of efficient,reliable,andhighly automated fuel control system has been designed.Using this system in mine production operations can greatly improve theautomation and intelligence level of fuel system control,greatly reduce the hoisting system time occupied by oil transportation,effectively reduce operating intensity,save energy consumption,and improve production efficiency.Key words:fuel control system;automation;intelligent专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专专（上接第 62 页）Experimental Research on Tailings Comprehensive Utilization and BackfillProportion OptimizationDU Jiu-Hua1，LIANG Chao1，LIU Xia2，ZHANG Zheng3，WANG Kun3*，CHEN Zhi-xiang4（1.Zhongkuang Gold Industry Co.，Ltd.，Yantai 265400，China；2.Shandong Jindu Smelting Co.，Ltd.，Yantai 265400，China；3.College of Energy and Mining Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；4.Promotion Center for Scientific and Technical Service Development of Shandong Province，Jinan 250101，China）Abstract:To promote the comprehensive recovery and utilization of tailings,resolve the challenges associated with surface storageof tailings,and achieve the goal of a tailings-free mine,this study,set against the backdrop of a gold mine in Shandong,examinesand analyzes the mineral composition and particle size distribution of tailings.It establishes a collaborative processing techniqueroute for the extraction of feldspar minerals and the filling of fine tailings.Through the undertaking of tailings re-selection experiments and the design of re-selection processes,a high-quality feldspar concentrate with a whiteness of 54.15%and an Fe2O3contentof 0.212%was obtained through fine screening and strong magnetic separation for impurity removal,with an anticipated economicbenefit of 58 million yuan.The study investigates the influence of the fine tailings filling ratio on its strength and setting time,optimally selecting a filling ratio scheme of PO42.5 cement,a concentration of 63%,and a minimum ash-to-sand ratio of 18.It proposes the addition of water-reducing agents and the study of paste filling processes as methods to increase the filling concentration.The conclusions of this research may serve as a reference for the comprehensive recovery and utilization of tailings and filling designfor similar gold mines.Key words:tailings comprehensive utilization;feldspar;gold mine;fine-grained filling;resource utilization of tailings