矿业废物的利用

第三节　矿业废物的利用

矿业废物主要指开矿和选矿过程中产生的废石、尾矿及建矿井或封闭工作面所弃置的坑木、金属框架等物料。各种非金属和金属矿石均与围岩共同构成。在开采矿石时，必须剥离围岩，排出废石；采得的矿石通常也要经过洗选以提高品位，因而排出尾矿。例如，开采1吨煤，一般要排出200千克左右的煤矸石；提炼1吨铁、锌、铝，需要矿石3～5吨；而生产1吨铜，则要200吨矿石。这些尾矿大都排入环境。目前全世界每年约排放矿业废物300多亿吨，它们都有利用价值。例如，石灰岩、大理岩等，可做水泥原料；石英砂岩、白云岩等，可制玻璃、耐火材料、陶瓷等；含铜、钼、钴、锰等元素的尾矿，可做微量元素肥料；含SiO₂量大于75%的尾矿，可做混凝土配料、建筑骨料、砖瓦材料、铺路物料等。在各种矿业废物中以煤矸石和某些尾矿的利用研究较多。

一、煤矸石

煤矸石指洗煤厂的洗矸、煤炭生产中的手选矸、丰煤巷和岩巷掘进中排出的煤和岩石以及与之一起堆放的煤系之外的白矸等的混合物。所谓矸，又称矸子，特指和煤混存的石块。煤矸石的特点是它有相当大的发热量（800～1500卡/克）。其主要化学成分为：SiO₂52%～65%，Al₂O₃16%～36%，Fe₂O₃2.28%～14.63%，CaO 0.42%～2.32%，MgO 0.44%～2.41%，TiO₂0.90%～4.0%，K₂O＋Na₂O 1.65%～3.9%，少量磷、钒的氧化物和某些稀有金属。我国积存的煤矸石达10亿吨以上，每年还将排出1亿吨。煤矸石弃置除占用大片土地外，其中的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体；矸石山还会自燃酿成火灾，或在雨季崩塌，淤塞河道。为了消除这些消极影响，并积极开发这一资源，从20世纪60年代起，很多国家开始重视它的处理和利用，我国近年来已取得很大进展。

回收其中的煤炭用于火力发电，这是煤矸石的第一大用途。通过简易洗选工艺可从煤矸石中选出好煤、洗混煤和中煤，再经筛选可得劣质煤。我国已用沸腾炉燃烧洗中煤和洗矸的混合物发电；日本有10多座这种电厂，所用的中煤和矸石混合物，每千克发热量达1.5万千焦；德国和荷兰把煤矿自用电厂和选煤厂建在一起，以利用中煤、煤泥和煤矸石发电。制造建筑材料是煤矸石的第二大用途。它可部分或全部代替黏土生产普通水泥，已有专门厂家生产；煤矸石用来烧结轻骨料，可代替黏土烧砖，建筑物可减重20%，且烧制时可利用它本身的燃料以节约煤炭；发电时烧尽煤矸石后剩下的炉渣可生产炉渣砖和炉渣水泥；自燃或人工燃烧过的煤矸石有一定活性，可用做水泥的活性混合材料，生产常用硅酸盐水泥（搀量小于20%）、火山灰质水泥（搀量为20%～50%）和少熟料水泥（搀量大于50%）；煤矸石还可直接与石灰、石膏以适当的配比，磨成无熟料水泥，可作为胶结料，以沸腾炉渣做骨料或以石子、沸腾炉渣做粗细骨料制成混凝土砌块或混凝土空心砌块；英国、比利时等国有专用煤矸石代替硅质原料生产各种建筑材料的。

从煤矸石中提取化工原料也是它的一大用途。经筛选取出煤炭后即可拣出黄铁矿，也可从选煤用的跳汰机——平面摇床流程中回收。含铝量高、含铁量低的煤矸石经熔烧或在沸腾中燃烧，可使没有活性的高岭土（Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）转变成具有相当化学活性的煅烧高岭土（Al₂O₃·2SiO₂），其中的Al₂O₃易于与酸反应。用硫酸浸取可得硫酸铝［Al₂（SO₄）₃］，用盐酸浸取即得结晶氯化铝。它们都是良好的絮凝剂，为水处理所必需。浸取后的残渣，主要成分为二氧化硅，可做生产橡胶用的填料和湿法生产水玻璃的原料。剩余母液内含有多种稀有元素如锗、镓、钒、铀等，价值均很高。

二、尾矿

尾矿是一种重要的矿业固体废物，常指选矿厂选剔金属矿石后留下的残余脉石。黑色金属矿石的尾矿一般占矿石总量的50%～70%，有色金属矿石的尾矿量在90%以上。如1吨铜矿石，有时含铜不到7千克。尾矿的主要化学成分除含有相当量的目标成分及其地质伴生物外，一般还含大量的SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、CaO、MgO等，有的还含有色金属和稀有金属以及选矿时剩余的化学试剂。尾矿的粒度一般为0.001～1毫米，0.074毫米以下颗粒的含量有的高达85%。我国目前每年约排出尾矿4亿多吨。

近年来许多国家都在研究共生矿尾矿的回收利用，如从铜尾矿中回收铜和钼，从铀尾矿中提取钒和铀，从钒钛磁铁矿中提取钛和钒等。尾矿可作为炼制玻璃的原料，尤其适于炼制棕色瓶及某些器皿玻璃和信号玻璃。尾矿的另一重要用途是制造各种建筑材料，列举如下。

1.尾矿砖：以50%左右尾矿加4%～8%石灰、30%～45%高炉水渣和10%左右重矿渣粒，拌和后加压成型，蒸汽养护，可制取75～100号砖；利用85%～95%尾矿和5%～15%黏土拌和，在1300℃左右焙烧，可制成150～300号砖。

2.水泥原料：铝尾矿含有70%左右二氧化硅，搀30%石灰可作为硅酸盐水泥配料，利用尾矿时还可减少粉磨电耗和煅烧能源。

3.加气混凝土制品：以48%～52%尾矿搀16%～18%水泥和32%～34%高炉水渣粉，经蒸压养护后，可制取加气混凝土，用于一般工业和民用建筑的围护结构、间隔墙和屋面工程。

尾矿的另一重要处理方法或应用方式是筑坝堆存。1897年德国别列鲍勒苏打厂在查阿拉河滩地上建立了尾矿坝，并用尾矿加高坝体。近年来，各国都在改善高坝建筑以增加尾矿吸收量。主要有以下几个办法：

1.将尾矿分级，以粗粒为主做成边坡，矿泥堆存在尾矿池中央；

2.尾矿池内建设完善的排水设施，保持水面相对稳定，确保地下排水管线安全可靠；

3.保护坝面，防止雨水浸蚀和尾矿粉飞扬，办法是在坝面铺土，种植植被等。