王磊
河钢矿业技术中心
摘要：矿区属陆相火山 — 斑岩型锡多金属矿床，选矿分选产出氧化尾砂、硫化尾砂两类固废，尾砂伴生砷、铅、铜、锌等有害重金属组分，地表堆存易受雨水淋溶形成重金属渗滤液，威胁区域地表水、地下水安全。为验证全尾砂井下胶结充填的环境安全性，结合矿山地质、尾砂物料基础特性，采用矿山实际配比制备充填试块，依据水平振荡法开展毒性浸出试验，浸出液检测指标对照《地下水质量标准》（GB/T 14848-93）Ⅲ 类限值评判。结果表明：氧化、硫化及 1:1 混合尾砂制备的各类胶结充填体，浸出液 Cu、Zn、Pb、As、Hg、Cd 浓度全部低于标准控制限值；水泥水化形成的碱性凝胶体系可通过沉淀、吸附、晶格固溶多重作用固定重金属，混合尾砂充填固化稳定效果优于单一硫化尾砂。试验证实该锡矿采用全尾砂井下充填可实现尾矿消纳与地下水保护协同，具备长期环境安全条件。
关键词：锡矿；矿山概况；全尾砂；胶结充填；毒性浸出；重金属固化
1 矿山及物料基础概况
1.1 矿区地质与开采条件
研究锡矿地处南岭中低山丘陵区，为陆相火山 — 斑岩型锡多金属矿床，矿区地层以石炭系灰岩、砂页岩为主，主体控矿构造为界牌岭背斜，燕山晚期花岗斑岩为成矿母岩，全区共圈定 77 个锡多金属矿体，1 号主矿体资源储量占全区 90%，赋存标高 - 240～+80m，矿体平均厚度 16.51m，锡平均品位 0.83%，伴生铜、铅、锌、银等有价金属。
矿区水文地质条件简单，矿体位于区域侵蚀基准面以上，主要充水来源为大气降雨形成季节性溪沟；工程地质条件中等，矿体顶底板灰岩、砂页岩风化层易产生滑坡、岩溶塌陷；环境地质方面，矿石含硫化矿物，剥离废石、选矿尾砂露天堆放存在重金属淋滤、水体污染风险，按政策要求新建采区必须配套尾矿充填系统，优先采用全尾砂充填工艺管控固废污染。
矿山设计地下开采，采空区分布范围广，空区暴露易诱发围岩垮塌、地表变形，亟需充填工艺控制地压；选矿车间每日产出大量尾砂，若全部堆存需扩建大型尾矿库，征地、运维及溃坝防控成本高，环保压力突出，因此确定高浓度全尾似膏体充填为尾矿处置核心方案。
1.2 矿石与选矿尾砂基本特征
矿山原矿分为氧化矿、硫化矿两类，选矿浮选工艺分选后分别排出氧化尾砂、硫化尾砂，生产中两类尾砂可单独输送，也可按 1:1 混合制备充填料，两类尾砂物料特性差异明显：
1）粒级组成
氧化尾砂粗颗粒占比更高，+74μm 累计含量 44.33%，-37μm 细粒组分 33.04%；硫化尾砂细粒富集，+74μm 仅 35.16%，-37μm 细粒达到 41.97%。两类尾砂均属于细粒尾矿，渗透系数低，自然沉降脱水难度大，需投加絮凝剂配合深锥浓密机制备高浓度底流。
2）物理力学参数
氧化尾砂真密度 2.885t/m³，硫化尾砂 2.815t/m³；压缩系数均偏大，松散尾砂压缩性高，直接堆存易发生沉降变形；不均匀系数偏小，颗粒级配连续，作为充填骨料和水泥拌和后不易离析，管道输送性能良好。
3）化学与有害组分
氧化尾砂钙元素含量高（29.74%），硫仅 0.373%；硫化尾硅、硫、砷含量显著提升，S 含量 1.66%、As 含量 0.363%。两类尾砂均检出 Cu、Zn、Pb、Hg、Cd 有毒重金属，硫化尾砂重金属原生溶出潜力更高；选矿尾水 pH=6.3，呈弱酸性，露天堆存时酸性水环境会加速重金属活化迁移。
1.3 充填配套基础材料
充填骨料选用自产氧化尾砂、硫化尾砂、1:1 混合尾砂；胶凝材料采用市场通用 P・O 42.5 普通硅酸盐水泥；制浆、浸提用水取自矿区井下清水，水质与井下长期浸泡环境一致，pH 弱酸性，贴合充填体地下实际服役工况。
2 试验材料与试验方案
2.1 试验原材料
1）充填骨料：矿区现场采集氧化尾砂、硫化尾砂、1:1 混合尾砂。氧化尾砂粗颗粒占比更高，-37μm 细粒占 33.04%；硫化尾砂细颗粒富集，-37μm 细粒达 41.97%。尾砂化学检测显示两类尾砂均含 As、Cu、Zn、Pb、Hg、Cd 等有害元素，硫化尾砂硫、砷含量显著高于氧化尾砂，酸性溶出风险更高。
2）胶凝材料：矿山充填通用 P・O 42.5 普通硅酸盐水泥。
3）浸提用水：矿区井下清水，pH=6.3，呈弱酸性，模拟井下长期浸泡水环境。
2.2 充填试块制备
结合前期浓密沉降、充填配比试验结论，选取矿山现场可落地的生产参数制样：灰砂比设置 1:4、1:6、1:8、1:12 四档；充填料浆质量浓度 70%、72%、74%、76%；骨料分别采用纯氧化尾砂、纯硫化尾砂、氧化 - 硫化 1:1 混合尾砂。
按照配比称量水泥、尾砂、清水，搅拌机充分搅拌后装入 70.7mm 标准三联试模，静置泌水、初凝刮平，脱模后置于恒温恒湿养护箱养护 28d，养护温度 22℃、相对湿度 92%，保证水泥水化反应充分，模拟井下长期固化服役状态。
2.3 浸出试验方法
参照《固体废物 浸出毒性浸出方法 水平振荡法》（HJ 557-2010）开展室内试验，标准化操作流程：
1）将养护期满充填试块破碎、筛分，保留粒径小于 3mm 固体颗粒作为浸出试样；
2）固液质量比固定 10:1，加入井下清水作为浸提剂；
3）水平振荡设备连续振荡 8h，振荡频率 110 次 /min；
4）静置分层澄清后，采用 0.45μm 滤膜真空抽滤，获取澄清浸出液；
5）分别采用电感耦合等离子体质谱仪、原子荧光光度计检测浸出液 Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Hg 含量，检测执行 DZ/T 0279 地球化学分析规范。
2.4 环境评价控制标准
以《地下水质量标准》（GB/T 14848-93）Ⅲ 类水体限值作为安全评判依据，该级别水体可用于矿区生产、农业灌溉，是区域地下水管控最低安全阈值，核心污染物控制限值：Cu≤1.0mg/L、Zn≤1.0mg/L、Pb≤0.05mg/L、Cd≤0.01mg/L、As≤0.05mg/L、Hg≤0.001mg/L。
3 试验结果与分析
3.1 单一尾砂充填体浸出浓度特征
3.1.1 氧化尾砂充填试块
氧化尾砂原生重金属、硫组分含量低，全部配比条件下浸出液各项指标均远低于国标限值。灰砂比 1:4、料浆浓度 76% 高强度充填体系浸出重金属总量最低，砷仅 0.008mg/L，铅未检出；降低胶凝比例至 1:12、料浆浓度 70% 时，重金属溶出小幅上升，铜最高 0.21mg/L、砷 0.017mg/L，仍不足标准限值的一半。
水泥水化生成氢氧化钙提升体系 pH 至弱碱性环境，重金属离子生成稳定氢氧化物沉淀；硅酸钙水化物（C-S-H）凝胶巨大比表面积可物理吸附重金属颗粒，同时充填体随浓度提升孔隙率下降，地下水渗透通道减少，双重作用抑制重金属淋溶迁出。
3.1.2 硫化尾砂充填试块
硫化尾砂砷、铅、硫原生含量更高，同等配比下浸出浓度高于氧化尾砂，但所有检测指标均未突破地下水 Ⅲ 类标准。灰砂比 1:12、料浆浓度 70% 低配比试块砷最大浸出浓度 0.032mg/L，低于 0.05mg/L 控制值，铅检出浓度 0.026mg/L，未超标。
硫化矿物露天堆放易氧化产酸，大幅提升重金属活化能力，但井下胶结充填体处于密闭缺氧环境，硫化氧化反应被大幅抑制；水泥碱性水化产物可中和少量生成酸性物质，阻断重金属溶出通道。对比无胶结纯硫化尾砂散体预试验，胶结固化后砷溶出量下降 75% 以上，固化阻隔效果突出。
3.2 混合尾砂充填体浸出规律
氧化、硫化尾砂 1:1 混合制备的充填试块，浸出毒性介于两类单一尾砂之间，长期固化稳定性最优。同等灰砂比、料浆浓度条件下，混合体系砷、铅浸出浓度低于纯硫化尾砂。
机理层面，氧化尾砂细颗粒可填充硫化尾砂骨料内部孔隙，提升充填整体密实度；两类尾砂矿物组分互补，水化凝胶吸附点位增多，重金属固定容量提升。矿山日常采用混合尾砂充填，既能同步消纳选矿产出两类尾砂，又可进一步降低重金属淋溶风险，是兼顾生产与环保的最优骨料方案。
3.3 灰砂比、料浆浓度对浸出毒性的影响规律
1）灰砂比影响：料浆浓度不变时，水泥掺量越高，重金属浸出浓度越低。灰砂比 1:4 固化效果最优，1:12 低胶凝配比重金属溶出量最高，但全部指标仍满足地下水安全要求。综合充填材料成本、井下力学需求、环保性能，采场非关键支撑区域可选用 1:6、1:8 配比。
2）料浆浓度影响：固定灰砂比，料浆质量浓度由 70% 提升至 76%，浸出液全部重金属指标持续下降。高浓度料浆泌水少，硬化后连通孔隙大幅减少，地下水难以渗入充填体内部接触重金属矿物，长期淋溶风险更低，现场生产料浆浓度建议不低于 72%。
3.4 充填体长期溶出趋势预判
选取混合尾砂灰砂比 1:6、料浆浓度 72% 典型配比试块，分别养护 30d、90d、180d 开展延长浸泡浸出试验。检测结果显示：养护 30d 充填体水化不完全，重金属溶出量最高；养护 90d 水化反应基本完成，凝胶骨架完全成型，浸出浓度下降约 40%；养护 180d 后各项检测指标趋于稳定，无持续升高趋势。
该结果说明充填体前期水化完成后，重金属被永久固定于水化产物结构内部，井下数十年浸泡环境下不会出现重金属持续释放，不存在长期地下水污染隐患。
4 充填体系重金属固化机理分析
1）碱性沉淀缓冲机制：水泥水化生成 Ca (OH)₂，充填体系稳定维持 pH 8.5～10 弱碱性区间，Cu、Pb、Cd、As 等离子生成难溶性氢氧化物、砷酸盐沉淀物，失去游离迁移能力；硫化尾砂缓慢氧化产生的硫酸根可被钙离子中和，从源头消除酸性活化介质。
2）水化凝胶吸附包裹：C-S-H 凝胶、钙矾石等水化产物比表面积大，依靠静电作用捕捉游离重金属离子；密实硬化充填体形成物理阻隔层，地下水渗透阻力大幅提升，减少重金属与浸提介质接触概率。
3）矿物晶格固溶效应：部分重金属离子可嵌入水化产物晶体晶格内部，形成稳定固溶体，常规地下水浸泡条件下无法解离，实现重金属永久无害化固定。
5 结论
1）该锡矿为陆相火山斑岩型锡多金属矿，选矿产出氧化、硫化两类细粒尾砂，均含砷、铅、铜等有害重金属，露天堆存存在酸性淋溶污染风险；井下全尾胶结充填可同步消纳选矿固废、管控采场地压，契合矿山环保与安全生产政策要求。
2）氧化尾砂、硫化尾砂及 1:1 混合尾砂制备的各类胶结充填体，经 28d 标准养护后，毒性浸出液 Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg 全部指标均满足《地下水质量标准》（GB/T 14848-93）Ⅲ 类限值，井下充填不会造成矿区地下水重金属污染，尾砂作为充填骨料环境可行。
3）灰砂比、料浆浓度直接决定充填体重金属溶出水平，水泥掺量越高、料浆浓度越大，固化阻隔效果越好；综合经济性、力学强度与环保指标，推荐矿山主采场采用混合尾砂、灰砂比 1:6～1:8、料浆质量浓度≥72% 的似膏体充填方案。
4）氧化 - 硫化混合尾砂充填体系重金属固化效果优于单一硫化尾砂，适配矿山连续产出两类尾砂的生产工况；充填体水化完全后重金属溶出趋于稳定，长期井下服役无持续释放风险，高浓度全尾胶结充填可同步实现尾矿资源化、地压管控、水体保护多重目标，具备矿区规模化推广条件。
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