灰岩砂石矿山尾矿综合利用研究

颜锦凯，付海波，徐 亮

灰岩砂石矿山尾矿综合利用研究

颜锦凯1，付海波2，徐 亮1

(1.中国电建集团华东勘察设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.云南省水利水电投资有限公司，云南 昆明 650051)

砂石加工产生的尾矿以石屑、石粉为主。石屑一般可替代细骨料与碎石混合作建筑物基础填料，也可经磨细与石粉同时资源化处理;灰岩石粉可根据其物理、化学性能加以利用，如作为混凝土、水泥及PC构件掺合料，也可作电厂脱硫和冶金高钙溶剂。除建筑行业，灰岩砂石矿山尾矿在化工、冶金甚至农业、医药行业均有一定应用。

砂石矿山;尾矿;灰岩;综合利用;石屑;石粉

0 引 言

矿山开采加工产生的尾矿，传统的最常用的处理方法之一是设立尾矿库进行贮存。尾矿库通常选择一处山坳或者洼地，建一个有一定高度的挡渣坝（堰），以形成具有一定容积的贮存场。近年来，随着矿业工程的迅速发展，采矿及矿石生产规模加大、生产期加长，尾矿渣的排放量大幅增加。

尾矿库不仅占用大量土地，脱水不彻底的尾渣堆存后，对环境造成污染、生态造成破坏，同时尾矿库的稳定问题也日益突出，对矿山安全带来严重挑战。另外，尾矿并不是完全无用的废料，往往含有可作其他用途的组分，可以综合利用。尾矿是有待挖潜的宝藏，我国矿业循环经济当前的任务就是要开发利用长期搁置的大量尾矿[1]。

近年来，全国各地均大力关停小矿山，把废弃矿山治理复绿与地质灾害隐患消除、土地整理复垦等工作结合起来，在节约集约、拓展用地空间的同时，加快矿业转型升级，深入推进“绿色矿山”建设。根据国土资源部《国家级绿色矿山基本条件》要求，“国家级绿色矿山”的要求就包括资源综合利用、节能减排、环境保护、技术创新、土地复垦在内的9个方面，其中资源综合利用、环境保护是绿色矿山建设的工作核心；技术创新、节能减排和土地复垦是绿色矿山建设的保障措施[2-3]。

灰岩是一种沉积岩，主要成分是碳酸钙和碳酸镁等。本文根据灰岩砂石矿山尾矿特性，对石屑、石粉进行综合利用研究，切实符合国家建设“绿色矿山”的倡议，为砂石企业在矿山开采及加工过程中的尾矿处理提供新的解决思路，变废为宝，以缓解尾矿库占地大、环境污染等问题，促进资源综合利用、节能减排。

1 石屑综合利用

砂石骨料加工及生产过程中产生的石屑，经过进一步整形筛分后，大部分可作为混凝土细骨料利用，但仍有少量的石屑因其石粉含量和针片状粒形颗粒较多，而不能作为混凝土细骨料利用，由此成为尾矿。

在部分建筑工程中，常利用这部分石屑替代天然砂和碎石混合后作为工程基础[4]。在目前大量江河天然砂禁采的情况下，可谓是一种高效经济的地基处理方法。不仅强度高、压缩性低、消散上部附加应力能力强，而且造价低、施工简单、节约资源，已取得了显著的经济效益和社会效益。

除此之外，还可考虑石屑与石粉同时资源化处理，如磨细后作为混凝土掺合料、混凝土预制件等，最大程度地使石屑得以利用。

2 石粉综合利用

石粉是指建砂石骨料加工过程中产生的粒径小于0.075 mm（水工混凝土中定义粒径小于0.16 mm）的粉状颗粒物。综合利用石粉因其母岩的岩性及性能不同而不同。

2.1 混凝土掺合料

石灰石粉在混凝土行业的应用研究已有较长时间，作为尾矿的主要成分，如何利用石灰石粉作为混凝土掺合料，已成为当今国内混凝土行业热点和发展趋势。

石灰石粉属于惰性掺合料，作为混凝土掺合料，石灰石粉有着显著的优势和可行性：一是石灰石粉的掺加可加速水泥水化；二是石灰石粉的颗粒具有形态效应和填充效应，不仅能增大拌合物的流动性，改善胶凝材料体系的颗粒级配情况，而且能改善混凝土的孔隙结构；三是石灰石粉具有活性效应[5]。

近年来，我国相继出台了国家和地方标准，如《石灰石粉在混凝土中应用技术规范》（JGJT318—2014）、《重庆市石灰石粉在水泥混凝土中应用技术规程》（DBJ50/T-179-2014）等，对石灰石粉资源化利用给予了肯定与规范。

作为混凝土掺合料，从长远看石灰石粉具有广阔的市场和良好的社会效益、经济效益。

2.2 装配式构件掺合料

新型装配式构件体系具有建造速度快、质量易于控制、节省材料、构件外观质量好、耐久性好以及减少现场湿作业、有利环保等优点。在装配式构件领域，尾矿中的大量石灰石粉同样可作为混凝土和水泥掺合料，《预制混凝土构件质量控制标准》（DB11/T 1312—2015）要求：预制混凝土选用石灰石粉等矿物掺合料时，其性能应分别符合相关标准要求。有研究表明，在免振自密实预制混凝土构件制作中，石灰石粉能有效提高混凝土流动性、抗分离性，对混凝土成型作用效果明显，解决了原材料不足等问题。除上述灰岩石粉外，性能和灰岩接近的白云岩、花岗岩石粉也可以作为混凝土、水泥的掺和料。

3 高端产品开发

品位较高的灰岩砂石矿山，可以用于开发纳米碳酸钙、熔剂用高钙粉、火电厂脱硫用石灰石粉等高端产品。

3.1 纳米碳酸钙

碳酸钙可分为轻质碳酸钙和重质碳酸钙。轻质碳酸钙是将石灰石等原料煅烧生成石灰（主要成分为氧化钙）和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳（主要成分为氢氧化钙），然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀，最后经脱水、干燥和粉碎而制得。

为了与轻质碳酸钙区别，常把天然方解石、石灰石、大理石、白垩及贝壳等碳酸盐岩类为原料，经机械粉碎制成的矿粉称为重质碳酸钙（重钙）。它们被广泛应用于建材、橡胶、塑料、涂料、造纸、油墨、食品、医药等行业。特别是采用天然碳酸盐矿物如方解石、大理石、石灰石和白垩等，经机械粉碎至一定细度的超细重质碳酸钙使用更是日趋广泛[6]。

碳酸钙产品是一种粉体，根据碳酸钙粉体平均粒径的大小，可以将碳酸钙分为微粒碳酸钙(>5 µm)、微粉碳酸钙(1 µm<≤5 µm)、微细碳酸钙(0.1 µm<≤1 µm)、超细碳酸钙0.02 µm<≤0.1 µm)和超微细碳酸钙(≤0.02 µm)[7-8]。

重质碳酸钙粉体取代轻质碳酸钙粉体的步伐正在加快，国外发达国家的重钙轻钙应用比例为10:1，而国内的应用比例约2:1[9]。生产过程中重钙生产要比轻钙生产对环境的影响小，成本低。因此，重质碳酸钙粉体取代轻质碳酸钙粉体是必然趋势，伴随着需求增加，重钙粉体的价格也会随之上涨。

重质碳酸钙深加工技术主要有表面改性和精细分级[8,10]：表面改性是最主要的深加工技术之一，表面改性可降低产品的吸油值、改善重质碳酸钙与有机树脂的相容性和在树脂中的分散性，可以增大重质碳酸钙的填充量和减少或节约填充高分子材料中树脂的用量，具有巨大的市场需求，是专用重质碳酸钙产品的主要生产技术之一；精细分级技术可以提高重质碳酸钙在油墨、涂料等领域中的应用性能，是专用重质碳酸钙产品的重要生产技术 之一。

3.2 脱硫用石粉

为控制二氧化硫的排放，我国已进行了多种脱硫技术的研究及应用，目前石灰石脱硫因技术成熟、运行稳定，是我国电厂烟气脱硫最主要的方法。石灰石粉/石膏法脱硫工艺是用石灰石粉做吸附剂，将石灰石粉溶于水中形成浆液，在吸收塔内与二氧化硫发生反应产生硫酸氢钙，在空气作用下氧化生成石膏，从而达到减少二氧化硫的作用。

正常情况下，石灰石粉脱硫效率一般可达95%以上[11]，且效果稳定。但石灰石粉的品质对脱硫效果影响较大[12]，通常要求其碳酸钙的质量含量高于85%。在我国石灰石分布范围广阔，资源丰富，许多地区石灰石品位较高，碳酸钙含量在90%以上，优者可达95%以上，完全可满足电厂脱硫要求。

脱硫技术的使用能够有效解决环保问题，大多数电厂都采用石灰石细粉作为脱硫剂，提升脱硫效率。砂石矿山加工过程中产生的石灰石粉经过进一步研磨加工，能有效降低电厂脱硫工艺成本，为尾矿石灰石粉变废为宝提供了良好的市场。

3.3 熔剂用高钙粉

高钙石灰石粉在冶金行业得到广泛应用。在黑色冶金中，高钙粉的作用是将铁矿石中的脉石和燃料中的灰分以及其他有害杂质转化为炉渣排除，以利于提取有用的铁金属；炼钢过程中，石灰石将磷和硫排入炉渣，提高钢的质量。有色金属冶炼中，石灰石作为氧化矿石和金属的还原剂。

随着铁矿资源市场变化，生石灰强化烧结的作用逐步减弱[13]，同时国内钢铁市场下行，各大钢企面临巨大压力，均为熔剂结构优化创造了有利条件。如，安钢在原溶剂材料中配加石灰石粉和白云石粉后，烧结矿质量较为稳定而熔剂成本大幅降低，取得了较大的经济效益和社会效益[14]；济钢在烧结生产中配加1.66%左右的石灰石粉替代生石灰，结果表明对烧结矿产质量及经济指标无负面影响，而且可以降低熔剂成本，提高碱度稳定率[15]。

目前，钢铁厂烧结熔剂已普遍采用高钙石粉替代部分生石灰，以降低烧结成本。熔剂用高钙石粉主要指标要求为CaO（50±2%），粒度3 mm以下，且粒度≤3 mm的石粉需达到90%以上。炼钢对石灰石质量要求最严，要求活性好、成分稳定、杂质含量低（尤其是磷、硫）、粒度合适。黑色冶金用溶剂石要求见表1，有色冶金用熔剂石要求见表2。

表1 黑色冶金熔剂石灰岩化学成分一般要求

表2 有色冶金熔剂石灰岩化学成分一般要求

4 结 论

作为建筑骨料生产的尾矿，无论是石屑还是石粉，经过相应处理均可以直接或者间接地成为各行业生产的原料或辅料。在对尾矿的利用上，研究和开发正在不断深入，尾矿利用的前景将会更加 宽广。

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[14] 赵德义.安钢降低烧结熔剂成本试验研究及应用[J].河南冶金,2013, 21(6).

[15] 夏世元.济钢烧结配加石灰石粉的试验研究及应用[J].河南冶金, 2013,21(1).

(2019-12-19)

颜锦凯(1989—)，男，湖北十堰人，硕士，工程师，主要从事砂石矿山开采技术研究，E-mail: yan_jk@ ecidi.com。