一种铜尾砂力学-化学固化综合方法与流程

本发明涉及一种铜尾砂及采矿废石等矿冶废弃物资源化的方法，通过化学和力学固化技术的综合运用，将这些固体废弃物加工成工程填筑材料，属于环境岩土、冶金、建筑材料技术领域，尤其涉及一种铜尾砂力学-化学固化综合方法。

背景技术

铜矿冶炼通常采用的生产工艺为：铜硫混合浮选-混精再磨-铜硫分离-浮尾磁选工艺回收铜、金、银、硫、铁等有价组分。选矿过程中产生大量含有固体悬浮物、浮选药剂的高碱废水，汇集于尾矿矿浆，选厂尾矿经分级，粗砂用于井下充填，微细粒尾矿采用浓缩-高效压滤-滤饼干排堆存，溢流和滤液，送至尾矿库。

在铜矿开采到冶炼的全过程产生大量固体废弃物，包括：1)采矿剩余的碎石料；2)多金属硫化矿尾砂。特别是大量细颗粒铜尾砂被堆放在尾矿库无法较好处置，既占用了大量农田耕地，容易对周边环境造成危害。

对于这些冶炼全过程产生的各类废料，如何进行减量化处置，并进行资源化，特别是考虑环境影响安全条件下高效资源化利用，是亟待解决的难题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种速度快、处理量大、科学合理的资源化综合方法，通过混合废料击实的力学方法与化学固化方法相结合，旨在将多金属硫化矿生产全过程的固体废弃物综合利用，是一种对铜矿开采及冶炼全过程废弃物进行综合处置的减量化方案。

为解决上述技术问题，本发明采用了这样一种铜尾砂力学-化学固化综合方法，其特征在于：本方法用于将铜矿冶炼生产过程中产生的尾砂和碎石回收再加工，使两者形成一种工程填筑材料，其步骤包括：步骤一，尾砂和碎石最优配比的确定：根据尾砂与碎石的混合料中各重金属元素含量在国标控制范围内的原则，选取合适的碎石质量百分比m1，根据尾砂与碎石的混合料中尾砂粒径大于0.075mm的粒组含量超过50％的原则，选取合适的碎石质量百分比m2，取m1和m2的最大值作为尾砂与碎石的混合料中的碎石控制质量百分比；步骤二，工程填筑材料的制备：在铜尾砂与碎石混合料中添加一定量的固化剂(低强度硅酸盐水泥)，并混合均匀后摊铺，并在最优含水率13％～17％条件下，分层压实形成工程填筑材料，并保证合理养护时间(一般为7d)。步骤三，取与工程填筑材料同样配比的试样，进行淋滤试验对比。通过不同酸碱度的溶液冲淋试样获浸出溶液，以测试浸出溶液重金属元素浸出浓度与国家标准对比，确保使用过程中的环境安全问题。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤一中，采用浸出实验水平振荡法获取尾砂与碎石的混合料中各重金属元素含量。

在本发明的一种优选实施方案中，碎石中的各种重金属含量远低于国家标准，尾砂中的部分重金属含量超过国家标准。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤一中，采用激光粒度分析仪分析获取尾砂的粒径分布。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤一中，碎石需要初步破碎，控制其最大粒径不超过20mm。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤一中，碎石的平均粒径在5mm以内为宜。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤一中，所述固化剂为低强度硅酸盐类水泥(终凝时间6h以上)。

在本发明的一种优选实施方案中，所述硅酸盐类水泥的剂量占混合料的剂量4％～8％。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤二中，应采用湿法碾压击实，控制尾砂碎石混合料的含水量在最优含水量13％～17％(13％～17％)条件下分层击实。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤二中，尾砂碎石混合料均匀后分层击实形成工程填筑材料，每层压实厚度不超过100mm。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤二中，碾压时采用推土机静压→震动压路机震动碾压→静压的碾压工艺。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤三中，选择与工程填筑配比一致的尾砂碎石混合料为试样，进行淋滤试验，以测试浸出溶液重金属元素浸出浓度，与国家标准对比，确保使用过程中的环境安全问题。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤三中，以pvc管为淋滤管的主要原料，自制试验装置。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤三中，选择不同击实次数的试样做平行对比。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤三中，淋滤溶液分别选用纯水和用so4^2－：no3^－＝9：1(质量比)配制ph＝5.6的酸性溶液模拟降雨用水。

在本发明的一种优选实施方案中，步骤三中，根据本地区统计最大降雨强度换算并控制淋滤速度。

本发明的有益效果是：

1.本发明中的方法采用的两种主要原材料均来自铜矿开采到冶炼生产全过程，都属于生产过程中被动产生的两种废料，并不具备再生、循环利用等条件，如果大量堆放，还会造成环境、生态等综合影响和隐患。通过本方法，则有机结合两种废料各自力学特性和材料特性，巧妙地把两者整合成一体，作为工程填筑材料的替代物，实现铜矿冶炼生产全过程中固体废弃物减量化要求，变废为宝，同时也可避免大量工程回填土方需求对耕地的占用，变害为利。

2、该混合集料的各组成部分：尾砂和碎石料，都可以按配比规格在工厂里统一制备好，只需要运到工程现场即可根据工程压实方法，现场拌合压实，能够实现商品化生产。

3、通过大量实验样本的分析，经实践检验证明，本发明方法，可使混合集料的压实强度能达到国标《公路路基设计规范》的指标要求，能满足各等级道路上、下路床强度要求。

4、试验装置可以采用pvc排水管为淋滤管原料，实现自制，自测方法简单方便。经过反复实验检验，本方法试制的混合集料重金属浸出浓度均低于国标要求，其中部分指标远远低于国标(《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(gb5085.3-2007))标准，符合环境保护要求。

5.本发明集成了道路工程、环境评价、土工实验等多种方法，结合机械压实效应和化学固化技术，形成对尾砂碎石混合料中铜等重金属元素的立体化封闭，固化效果较传统方法更好。

6.自制了一部分检测实验装置，提出了一套完整地制备尾砂与采矿碎石混合集料的制备方案。方法简便，易于形成大规模商业化生产，并具有代表性和可推广价值。

附图说明

图1是本发明一种力学-化学联合固化方法用于多金属硫化矿开采-冶炼全过程固体废弃物的生产及工程施工工艺流程图；

图2是本发明一种力学-化学联合固化方法的自制淋滤试验装置示意图；

图3是本发明一种力学-化学联合固化方法的自制淋滤试验装置示意图；

图中：1-支架；2-上承台；3-下承台；4-高位水箱；5-淋滤实验管；6-喷淋结构；7-出水结构；8-卵石垫层；9-滤网；10-淋滤出水量杯；11-溢流管；12-土体快速饱和进水管；13-阀门；14-废液池；15-卡环；16-斜撑；5.1-圆筒部；5.2-漏斗部；6.1-喷淋管；6.2-喷淋阀门；6.3-流量控制开关；7.1-出水管；7.2-出水管阀门。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由说明书附图1所示的一种多金属硫化矿开采-冶炼全过程固体废弃物综合利用方法流程图可知，本发明的技术方案是这样的：

首先进行成分鉴定，采用浸出实验水平振荡法，分别分析开采碎石及冶炼尾砂浸出液中的重金属含量；要求重金属含量不超过国家标准，通常开采碎石中重金属含量远低于国家标准，尾砂则部分指标会超过国标。(具体可根据不同尾砂样本实际测定)

同时，为了达到尾砂与碎石形成的混合物的各种重金属元素含量不超过国标，将尾砂中超过国标的重金属元素，根据其含量超过国标的值，结合碎石料的相应元素含量比，换算出尾砂与碎石的混合料中的碎石质量百分比m1，确保混合料各元素含量在国标控制范围以内。取m1和m2的最大值作为混合料的碎石含量控制指标。

进一步地，采用激光粒度分析仪等方法进行尾砂的粒径分布分析；再将开采碎石破碎至平均粒径在5mm以内为优，控制最大粒径不超过20mm。筛除粒径在0.075mm以下的微粒，其余碎石待用。根据尾砂粒径组成，根据超过控制粒径0.075mm的粒组含量超过50％的原则，换算碎石和尾砂质量比例，得到符合工程填筑材料配比条件的碎石料质量百分比m2。

将尾砂与碎石按上述控制值组成的混合料，在松散的混合料(包括各种粗、中、细粒土)中，掺入适量的低强度硅酸盐水泥(终凝时间6h以上)，一般控制为尾砂碎石混合料的质量比4％-8％，按照技术要求，经拌和摊铺。

将不同击实度条件下的集料经过自制的淋滤实验装置，根据土壤淋溶试验规程，分别在酸、碱、纯水条件下测试重金属元素浸出浓度，浸出浓度低于国家标准的，即为合格集料，可作为道路、市政路基以及建筑回填地基填土极佳的替代物。

将上述混合料作为道路路基工程等填筑混合集料，实际施工时，采用湿法碾压击实，混合料控制在15％±2％(13％～17％)条件下分层击实，每层压实厚度不超过100mm，碾压时采用推土机静压→震动压路机震动碾压→静压的碾压工艺。

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施案例如下：

使用原子吸收光谱仪(型号：gbcavantam)和原子荧光光谱仪(型号：afs-930)对尾砂试样进行化学成分检测，其结果如下表所示

表1铜尾砂元素含量

根据表1，对照《土壤环境质量标准》(gb15618-2008)中二级土壤标准(工业用地)的标准，可以发现除了铜元素有微量超标(超标8％)外，其余的元素都没有超过该标准规定的工业用地标准。

采用激光粒度分析，尾砂的颗粒组成主要分布在0～100um范围内，小于0.075mm的颗粒占95％，几乎完全由微粒组成。

下面具体说明碎石最小配比m的确定。

步骤1(根据降低铜元素百分含量原则计算)：因为采矿废石几乎检测不到铜元素含量，这样为了保障尾砂——碎石混合料中铜含量比不超过上述标准，根据前述方法，换算出尾砂与碎石的混合料中的碎石质量百分比m1<10％。

步骤2(根据颗粒组成达到工程填筑材料要求计算)：按照道路填筑基层材料的要求，需要增加粗骨料使之成为砂性土填料。因此，根据粒径组成换算，至少要添加粗骨料(大于0.075mm粒径)最小含量m2≥20％。

根据上述分析，选择碎石最小配比m＝20％即碎石料与尾砂控制质量比为20:80，其中碎石料由采矿废石破碎筛分后获取，如图1。

对尾砂与碎石混合料添加化学固化剂的方案

为了保证尾砂——碎石混合料在cbr等力学性能达到规范要求，同时保证混合料形成板结，减小渗透性，从而最大程度减少重金属元素渗出，保护环境。根据该尾砂的特点，结合其作为道路填筑材料的要求，需要混合料在固化后强度大、水稳定性好、板体性好，具有遇雨水不易流失，稳定土层渗透性小，重金属元素不易带走等要求，固结剂选用无机化合物类土壤固化剂如水泥、石灰或石灰粉煤灰等。

本方案拟采用硅酸盐类水泥，优先选用终凝时间较长(6h以上)的低强度水泥。水泥稳定土的强度随水泥剂量的增加而增长，但过多的水泥用量，不经济，易开裂，经试验对比，水泥剂量为4％～8％较为合理。混合料摊铺含水量13％～17％，养护时间为7d。

水泥固化尾砂--碎石混合料工程力学效果验证

对尾砂与碎石按上述配比混合，分层压实，采用试验所用仪器和器材有电动击实仪(型号：stdj-3a)，进行cbr击实实验(平行三组)，其结果如下表。

表2cbr实验结果(平行三组)

根据表2，实测cbr＝7.2，对照《公路路基设计规范》(jtgd30-2015)，根据规范公路路堤、路床填料最小强度要求和压实度要求(如表3和表4)，可知该混合料满足规范要求。

表3路床最小承载比cbr(规范要求值)

表4路堤最小承载比cbr(规范要求值)

尾砂与碎石混合料环境影响效果验证

为了分析尾砂与碎石混合料的环境影响，将混合料进行淋滤实验，实验装置采用工程常用pvc排水管制作，可以根据本方案自制。装置图如图2所示。

将含水率15％的尾砂--碎石混合按不同压实度填入上述试样装置中，然后用淋滤喷头淋滤溶液(纯水的ph值为7；天然降水为模拟用水，用so4^2－：no3^－＝9：1(质量比)的酸母液配制ph＝5.6的酸性溶液)。淋滤速度参考《化学农药环境安全评价试验准则第5部分：土壤淋溶试验》gb/t31270.5-2014，结合本地区日最大降雨量达250.4mm(1954年6月)，一小时最大降雨量达52.2mm，淋滤速度为0.87mm/min，然后用原子吸收光谱仪(仪器型号tas-990)测其重金属的渗出浓度,如下表所示。

表5渗出浓度分析

注：纯水的ph值为7；天然降水为模拟用水，用so4^2－：no3^－＝9：1(质量比)的酸母液配制ph＝5.6的酸性溶液。

除了表5所示的三种重金属元素有渗出以外，其他重金属元素都未渗出。三种元素渗出量非常小，远低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(gb5085.3-2007)标准，对环境影响可以忽略不计。

本发明采用的淋滤装置为一种用于工程材料环境影响检测的淋滤试验装置，其包括支架1，支架1上固接有上承台2和下承台3，上承台2上固接有高位水箱4(用于收集雨水)，下承台3上固接有淋滤实验管5，淋滤实验管5包括相互连通的圆筒部5.1(用于填装工程填筑材料)和漏斗部5.2，圆筒部5.1的上端设置有与高位水箱4连通的喷淋结构6，漏斗部5.2的下端设置有出水结构7，漏斗部5.2的中部设置有卵石垫层8和滤网9，出水结构7的下端设置有淋滤出水量杯10。高位水箱4与淋滤实验管5之间设置有土体快速饱和进水管12，土体快速饱和进水管12一端与高位水箱4连通、另一端与淋滤实验管5连通，土体快速饱和进水管12内设置有阀门13。土体快速饱和进水管12一端与喷淋结构6的喷淋管6.1连通，另一端与淋滤实验管5的漏斗部5.2连通。圆筒部5.1的上端设置有与其连通的溢流管11。溢流管11的下方设置有废液池14。喷淋结构6包括带有喷头的喷淋管6.1、用于启闭的喷淋阀门6.2和流量控制开关6.3，以根据本地区最大降雨强度调整流量和喷淋速度。出水结构7包括出水管7.1和出水管阀门7.2。下承台3上固接有用于连接淋滤实验管5的卡环15。淋滤实验管5为pvc管或玻璃管。支架1与上承台2之间及支架1和下承台3之间设置有斜撑16。

应当理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。