礦山廢石制備砂石骨料的現狀研究綜述?

張曉剛 ，宋少民 ，劉楓 ，劉娟紅 ，吳瑞東

（1.中鐵建設集團有限公司，北京100040； 2.北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京102616；3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京100083）

0 引言

隨著國民經濟的高速發展，礦產資源需求量和開采量逐年增加，礦山尾礦和廢石的堆積量隨之激增。其中，礦山廢石指的是礦產資源開采過程中伴隨產生的大量不含礦的圍巖和夾石，其堆積存放所占用的空間較大，不僅浪費了土地資源，還將影響當地生態環境，若不妥善處理將是巨大隱患［1］。尤其在冶金和煤電產業等工業聚集的京津冀地區，處理固廢的成本逐年增加，大大阻礙了區域經濟的發展。據統計，僅在京津冀地區就堆存有200 多億噸尾礦和廢石，并且該存量還在每年以數十億噸的數量增加［2］。

另一方面，國家基礎建設不斷開展，混凝土用量逐年增加，2021 年商品混凝土的產量高達33億立方米。砂石骨料作為混凝土的原料消耗量十分巨大，隨著環保要求的不斷提高，國家嚴格限制天然骨料的開采。我國已形成了機制骨料為主，天然骨料為輔的砂石市場格局。機制骨料需求量巨大，部分地區已出現供不應求的現象。尋找新的機制骨料料源，緩解砂石市場缺口迫在眉睫。

多數廢石具備強度高、力學性能穩定的優點，是可用來制成砂石骨料的優質資源［3］。因此，利用礦山廢石制備機制骨料，既可以消納廢石存量，消除廢棄物堆存的隱患，又可以有效緩解機制骨料市場工藝短缺問題。國家相繼出臺相關鼓勵支持政策支持礦山廢石資源的加工再利用，2019 年出臺的《關于推進機制砂石行業高質量發展的若干意見》 中明確指出［4］： 鼓勵利用廢石以及鐵、鉬、釩鈦等礦山的尾礦生產機制砂石； 到2025 年，利用尾礦、廢石、建筑垃圾等生產的機制砂石占比明顯提高，產量占比達30%。因此，礦山廢石制備砂石骨料已經成為學者們的研究熱點。本文介紹了我國礦山廢石資源排放和砂石骨料供應現狀，總結了在我國機制砂供應的現狀下，部分專家學者與企業對礦山廢石制備砂石骨料的積極探索與實踐結果，提出了礦山廢石制備砂石骨料過程存在的一些問題，為礦山廢石制備砂石骨料的資源化利用方式提供借鑒。

1 我國礦山廢石資源排放和砂石骨料供應現狀

1.1 礦山廢石資源排放現狀

目前，我國的礦山廢石表現出堆存量大、排放增長速度快、排放強度高的特點。我國作為全球重要的礦業大國之一，不僅僅礦產品產量居全球首位，同時排出的廢棄物也居全球首位［5］。據統計，目前我國非煤礦山開采每年產生約40 億噸廢石，歷史累積堆存量超過700 億噸，各類廢石年增長量和累計堆存量見表1［6］。如此龐大的增長量和堆存量，是源于我國巨大的礦產資源需求量和低品位、多共生伴生礦的分布特點［7］。此外，我國礦產開采的采剝比相對較大也是形成這一局面的重要原因，有色金屬礦山采剝比較非金屬礦山更大，一般質量比可達1 ∶（2～8），最高可以達到1 ∶14［8］。這些復雜的礦產資源的特征，使得礦產品加工利用難度大，資源利用水平整體不高，不同礦種廢石利用率可見圖1。此外，由于我國90%以上的礦山企業仍為小型及以下礦山，為了追求短期利潤最高，礦山企業亂采濫挖、采富棄貧、選主棄副的掠奪式開采現象較為普遍［9］，導致廢石資源浪費現象嚴重。近年來，隨著采選綜合利用技術、工藝和礦產開發利用水平的不斷提高，我國廢石排放量的增長速度持續下降［10］。據統計，“十三五” 期間我國礦山廢石排放強度為11 噸／噸精礦，其中重要的20 種礦產平均廢石利用率達17.77%，相比“十二五” 期間提高了6.01%［11］。由此可見，我國的廢石利用率已在逐年提升，但是相比于礦山廢石巨大的堆存量和增長量仍然相形見絀，礦山廢石的資源化利用的道路任重而道遠［10］。

圖1 不同礦種廢石利用率［12］Fig.1 Waste rock utilization rate of different ore species

表1 全國廢石年增量和累計堆存量Table 1 Annual increment of waste rock and accumulated stockpile in China

這些數量龐大的礦山廢石被長期堆放在廢石庫、尾礦庫或礦山周圍的排土場，形成“二次礦山” （圖2、3），占用了大量土地資源（圖4）。

圖2 河北保定淶源某礦區鐵礦廢石及尾礦庫［23］Fig.2 Iron ore waste rock and tailings pond in laiyuan mining area，Baoding，Hebei province

圖3 河北張家口某礦區鐵礦廢石及尾礦庫［23］Fig.3 Iron ore waste rock and tailings pond of a mining area in Zhangjiakou，Hebei

圖4 廢石、尾礦堆積占用礦山開發破壞的土地資源占比［24］Fig.4 Proportion of land resources occupied by waste rock and tailings accumulation in mine development and destruction

當這些固體廢棄物堆積高度和坡度逐漸增大，且降雨充足時，固廢和周圍環境中含水量增加，極易導致滑坡、泥石流等地質災害的發生［13，14］。我國曾發生多起因礦山固廢堆存失穩引發的地質災害，傷亡數百人［15－18］，嚴重影響到企業和國家的利益。此外，大量學者的調查與研究都證實了礦山固體廢棄物的堆棄將大氣［19－20］、水環境和土壤［21－22］造成嚴重污染。通常治理這些地址災害與環境污染難度較大，且付出高昂的代價有時甚至超過開采礦產品的價值。但是受限于綜合利用技術，礦山廢石的綜合利用率很低。因此，有效的消耗這些堆存的礦山固體廢棄物對改善礦山生態環境，維護礦山安全有重要意義。

1.2 我國機制砂石骨料供應現狀

雖然我國擁有以河砂、鵝卵石、湖砂、山砂等為主要形態的豐富天然骨料資源，但自改革開放以來，基礎設施、商業住宅大規模建設，消耗了大量的天然骨料，又由于長期的超負荷開采使得天然骨料保有量驟降。為保護和恢復生態環境，國家加大生態環境管控措施，越來越嚴格限制河道采砂。受國家相關政策力度和骨料本身資源量下降等影響，依靠天然骨料供給砂石的傳統格局已被打破。

我國砂石骨料年需求量從2007 年一路攀升，到2014 年達到頂峰，隨后中國的砂石需求總量呈增長趨勢但逐漸趨于平穩［25］，見圖5 。據統計2020 年全球砂石需求量約為500 億噸，而中國的骨料需求量就占到了全世界40%［26］。為滿足建筑工程市場的龐大的需求，通過機制砂代替天然砂成為主要砂源，成為當下解決河砂短缺問題的必然選擇［27］。關于機制砂的特性及對混凝土性能的影響已有大量學者對其進行了研究［27－33］，以機制砂為主要細骨料制備的混凝土被逐步應用于建筑與交通水利工程中，且應用效果理想。

圖5 2007－2020 年我國砂石需求量Fig.5 Demand for sand and stone in China from 2007 to 2020

多數礦山廢石都具備強度高、力學性能穩定的特點，以鐵礦廢石為例，鐵尾礦剝離圍巖中主要包含花崗質條帶狀混合巖、混合花崗巖、輝長巖、麻巖和部分細粒閃長巖、大理巖等［34］。這些大多未經風化和變質的巖石，力學性能較好，可以通過粉碎、篩分、整形等工藝，可制成不同種類的砂石骨料［23］。不僅可以解決廢石占用土地資源以及影響當地生態環境等問題，還能減輕商品混凝土站供料緊張的壓力。因此利用便宜和存貯量龐大的采礦廢石加工機制骨料已經成為一種新思路。

2 礦山廢石制備砂石骨料的現狀

2.1 政策支持

從2003 年起，河北省、黑龍江省、浙江省就開始了對綠色礦山建設的萌芽探索，2011 年確定了首批國家級綠色礦山試點單位至今，我國的綠色礦山建設工作已經取得了一定的成效［9］。為促進綠色礦山建設規范化、推進砂石行業高質量發展，近幾年來，國家也相繼出臺相關鼓勵支持政策支持礦山廢石資源的加工再利用，見表2，砂石骨料行業在礦山廢石綜合利用等方面進展明顯。

表2 部分支持礦山廢石資源綜合利用的國家政策［4，35－37］Table 2 National policies supporting comprehensive utilization of mine waste rock resources

2.2 礦山廢石制備砂石骨料的相關實踐

目前，國內礦山廢石主要依靠破碎—篩分—整形的工藝流程，來制備不同用途的建筑原材料，而在碎石生產過程中產生的粉末可以在經過水洗等處理后制成機制砂［38］。鐵礦廢石作為利用率最高的廢石種類之一，已有大量學者及礦山企業對鐵礦廢石制備砂石骨料進行了積極的探索與實踐，并取得一定的成績。

龔樹峰等［34］按照圖6 的工藝流程，利用鐵尾礦剝離圍巖廢石制備建筑用石。該設備的特點在于物料； 在進入顎式破碎機前，直徑大于500 mm的廢石將進行機械破碎前處理，直徑小于150 mm的部分將直接篩下，這樣既保證了進入顎式破碎機的物料均勻，還提高了破碎效率。此外振動篩處還配備了單機袋式除塵設備，可將產生的粉塵收集后作為瀝青填充料以及路基墊層料等被二次利用，有效降低生產環境中的粉塵含量。張大勇等［39］采用粗碎—預篩分—干選—篩分—風選工藝干法制砂，以較低的生產成本將河北遷安大石河鐵礦堆棄的廢石變廢為寶，工藝流程如圖7。其優勢在于采用中碎、細碎兩步破碎作業，減少針片狀骨料的產生； 缺點在于對物料含水率的要求較高，當廢石含水高表面包裹泥質物較多時，會嚴重影響機制砂產品質量。張以河等［40］將鐵礦廢石破碎、篩分后，按粒級分為粗骨料、中骨料、細骨料、超細骨料和鐵礦廢石粉末。通過各粒級骨料配級使用，研制出了透水磚、3D 打印建筑材料及石塑板材等產品，進而實現廢石礦山的生態復墾。北京路星［41］以北京密云地區的鐵礦廢石作為原料生產機制砂石，不僅解決了首都地區大量固廢堆積的難題，還在短時間內獲取了可觀的經濟收益； 舞陽礦業［38］應用圍巖廢石建成年產百萬立方量的建筑用砂石廠； 中鋼集團［42］蒼山鐵礦通過將廢石拋售給下游的砂石企業，可回收可觀的經濟效益。

圖7 大石河鐵礦廢石制備建筑砂石產線工藝流程［39］Fig.7 Process flow of construction sand production line from waste rock in Dashihe Iron Mine

除鐵礦廢石外，部分金屬礦山廢石與石材礦山廢石也在尋求廢石制備建筑砂石骨料的新思路。目前，凡口鉛鋅礦堆存了大量以石灰石為主的廢石，占地已達86×104m3，這些廢石經過顧敏等人將智能選礦和淘汰分選脫除廢石中的鉛、鋅和硫，然后經過無害化處理生產成為符合規定的砂石材料［43］。西昌礦業公司太和礦區在釩鈦磁鐵礦開采過程中，剝離出大量巖石和低品位表外礦，這些礦石在經過破碎、干式磁選、高壓輥磨機超細碎、濕式粗粒磁選等步驟后被制成碎石和中砂［44］。戶寧等［45］通過技術改造對某石灰石廢石生產線進行資源綜合利用，大大提高了產品的生產效率，制得的機制砂產品也完全能夠滿足GB／T 14684－2011 《建筑用砂》 中Ⅱ類建筑用砂的各項指標要求。李貝［46］研究了銻尾礦廢石的巖石力學性能、化學組成和骨料特性，證實了銻尾礦廢石用于混凝土粗骨料的可行性。

將采礦廢石資源化利用制備混凝土砂石骨料，不僅解決了廢石大量堆存可能造成的環境問題，還能緩解混凝土砂石供應緊缺的局面，此外，還可以充分利用采礦廢石減少砂石料采礦權的設置，使得采礦廢石的循環利用具有廣闊的前景。但從目前的加工工藝流程來看，廢石制備機制砂石加工系統的智能控制水平不足?，F有生產過程的控制技術已不滿足于綠色、環保、節能、智能的發展需求。廢石加工智能化發展被提出，即將計算機和網絡技術應用于砂石加工生產中，極大地降低繁雜的生產勞動力和預警設備保養、檢修項目的實施要素，具體可通過應用智能化裝備、視覺技術以及智能化生產技術等方面來實現智能控制。

2.3 礦山廢石制備砂石骨料在混凝土中的運用

選取無有害物質且力學性能與穩定性較佳的廢石制備砂石骨料，并運用于混凝土生產已經得到了廣泛的關注。吳瑞東［47］研究發現石英巖型鐵尾礦廢石粉表面的硅氧斷鍵在堿性條件下發生重聚，生成了復鹽礦物和類凝膠物質，導致廢石粉凈漿試樣強度遠大于石灰巖型石粉凈漿試樣，且廢石作粗骨料的混凝土強度比普通石灰巖型粗骨料混凝土強度高。劉佳［48］利用鐵尾礦砂和鐵尾礦廢石研發的綠色高性能混凝土強度可達98.54 MPa，在抗壓強度、抗凍融性能和抗硫酸鹽侵蝕方面均優于同水膠比水泥天然骨料混凝土。李斌斌等［49］研究發現，鐵礦砂石粉含量高、細度模數小、吸水能力強的特性導致混凝土拌合物流動性差； 同時鐵礦石顆粒級配差、表觀密度高，導致混凝土拌合物出現離析泌水和骨料下沉現象。最終通過摻入酯類外加劑、粘度調節劑復配的外加劑，成功利用鐵礦廢石制備出工作性與力學性能俱佳的C30混凝土疊合板，為工業固廢大摻量制備裝配式預制構件奠定了應用基礎。西昌礦業公司利用釩鈦磁鐵礦采選廢石、尾砂制備的砂石骨料制備混凝土時，也出現了拌合物分層、泌水等和易性差的現象。最終通過廢渣機制砂與天然河砂復配，或使用高增粘減水劑來改善混凝土拌合物和易性，制得的混凝土強度等級達到C60，且具有良好的耐久性［44］。

綜合礦山廢石制備砂石骨料在混凝土中的應用情況，可以看出廢石制備的砂石骨料力學性能較穩定，可完全代替天然骨料配制高強度、高耐久性的混凝土。但廢石制備的砂石骨料級配較差，導致所配制的混凝土和易性較差，易出現離析泌水等問題，可通過部分替代天然河砂或外加劑復配技術，來調整混凝土拌合物的工作性能。

3 礦山廢石制備砂石骨料存在的主要問題

3.1 礦山廢石原料的遴選與檢測不足

現階段，在大多數企業在實際探索的過程中［44，50，51］，常 按 照GB／T 14684—2011 《建 設 用砂》、GB／T 14685—2011 《建設用卵石、碎石》 和GB 6566—2010 《建筑材料放射性核素限量》［52－54］等相關標準對終端的砂石產品進行檢測，而忽視了生產前對廢石原料的遴選與檢測。其中，礦山廢石能否作為機制砂石的制備原料，提前是對廢石原料中是否含有大量有害物質，如重金屬、放射性元素等進行檢測。同時，生產制備過程必須依據《中華人民共和國環境保護法》，確保礦山廢石進行安全、環保的處理，對環境無二次污染，對人類健康不造成嚴重威脅。此外，對于廢石原料的物理、化學、加工屬性的研究較少，可能會導致后工藝設計中破碎方式選用不合理、砂石產品形貌差、質量不合格等問題，給企業帶來不利經濟損失。還有部分廢石應嚴禁用于制備砂石骨料，例如云母含量高的風化巖廢石、含有膨脹性黏土的廢石、富含凝灰巖、泥質灰巖、泥質板巖、頁巖等母巖的廢石。這些由于母巖發育與風化程度的區別、雜質含量的差異，制備生成的砂石骨料具有不完全惰性、吸附膨脹性且含有有害物質，用于混凝土生產中將留下巨大質量與安全隱患。

目前，利用礦山廢石制備建筑砂石雖然得到了國家政策的大力支持和部分企業的積極探索實踐，但關于廢石原料的遴選條件和標準，均未有專屬標準和規范文件可供參考。

3.2 制備工藝的不足

雖然廢石制備砂石骨料已經取得了一系列的進展，但在工藝制備上仍存在大量問題。工藝制備的缺陷將不僅會降低生產效率與收益，更會影響到砂石成品的質量。通過對目前礦山廢石制備砂石骨料的現狀，總結了以下幾點制備工藝存在的主要問題。

（1） 對礦料開采與綠色優質制備認識不足，缺乏礦料均質化處理技術。礦山開采的礦石，受地質結構、水文氣象、開采工藝的影響，不同部位或不同時段開采的礦石母巖特性、粒徑粒級、含水率等屬性差異較大。在砂石生產過程中，由于堆存離析、氣候環境影響，調節料倉（含半成品倉） 各下料點礦石的粒徑粒級、含水含泥等也存在較大差異。國內外機制砂石生產線，基本采用同一固化生產線，導致礦產資源較大浪費或砂石產品質量低劣，這也是國內砂石生產線能耗較高、產品質量波動大的根本原因所在。

（2） 尚未形成高效破碎整形調級工藝技術，末端整形調級能耗高、環保性能差。傳統砂石生產制備工藝技術，強調末端整形調級控制，而忽視了前端整形調級的重要性。由于前段開采、制備工序中未嚴格控制，進入末端的產品粒徑粒級偏差過大，末端需要承擔整形和粒級調配等工序的調控工作，致使末端工藝流程繁復，控制環節參數多。目前國內新建的高標準砂石生產線，通常購置成本高昂的制砂樓等末端整形調級設備，導致建設投入高、生產運行能耗高、且工藝效果差。

（3） 傳統定點砂石骨料生產線不適用于區域性強的礦山廢石處置生產中。雖然我國礦產資源豐富，但各地區廢石堆存量不同，造成部分地區能用于制備砂石的原料并不多。在這樣的情況下若仍每座尾礦或廢石堆存點都建立起傳統的定點機制砂石生產線，其投入與產出將無法平衡。其次，傳統的大規模生產線往往針對某一特定地區的機制骨料料源，保證產品穩定，但缺乏靈活機動性。如果礦山廢石為非單一料源，傳統大規模生產線及裝備將難以滿足需求。因此可考慮采取游牧式移動裝備生產線，如圖8，根據廢石堆積現場情況以及物料、粒型等要求對移動破碎站與制砂設備進行定制，靈活組合。游牧式移動裝備生產線即可以滿足自然資源部印發的《綠色礦山評價指標》 中提倡的短流程、低能耗、高效率的骨料生產流程，還可以因地制宜最大程度的實現廢石制備砂石骨料的可能性。

圖8 上海山美重型礦山機械有限公司的PP 系列輪胎移動顎式破碎站和MP－PH 系列履帶移動反擊式破碎站Fig.8 PP series tire moving jaw crushing station and MP－PH series caterpillar mobile counter crushing station of Shanghai Shanmei Heavy Mining Machinery Co.，LTD

3.3 礦山廢石制備砂石骨料的技術體系不完善

想將礦山廢石制備而成的機制砂石用于混凝土中，必須對機制砂石中廣泛存在的級配問題、粒形問題以及石粉問題等進行參數指標限制和分級。目前，還沒有專門針對廢石制備的機制骨料的相關標準，大多數企業與學者的研究大多都借鑒《建設用砂》、《建設用卵石、碎石》 中的技術指標來評價廢石骨料的質量。在2022 年4 月最新獲批的新版規范GB／T 14684－2022 《建設用砂》GB／T 14685－2022 《建設用卵石、碎石》 結合高性能混凝土的需求對砂石技術指標提出了更高要求。對于細骨料提出分計篩余級配要求、機制砂片狀顆粒含量指標及相應試驗方法等； 對于粗骨料增加了碎石泥粉含量的定義，修改了顆粒級配的技術要求等。

從標準的修訂與相關實踐中，我們可以看出廢石制備機制砂石的關鍵技術指標在于顆粒級配、顆粒形狀與石粉含量。相關研究表明，粗骨料針片狀含量超過10%會對混凝土和易性和耐久性有顯著不利影響［55，56］。劉娟紅等［57］利用新疆石灰石尾礦加工的高品質碎石針片狀含量可控制在0.5%，低于卵石及卵石破碎石。宋少民等［32］提出用條形孔篩檢測機制砂針片狀含量的方法，并提出用于混凝土制備所用的機制砂針片狀含量不宜超過20%。想要制備粒形優良的骨料需要前端合理篩選粒徑粒級及后端整形調級共同作用實現。此外，機制砂石粉含量與吸附性也是控制細骨料品質的重要技術指標。有關石粉含量限值的研究眾多，不同的學者得出的石粉最佳含量也不同，但總體而言石粉的最佳含量在10%左右，不宜超過15%［58，59］。針對配制高性能混凝土的骨料可提出應提出更高的要求，建議參考行業標準JG／T 568－2019 《高性能混凝土用骨料》、建筑材料協會標準T／CBMF 38－2018 T／CAATB 001－2018 《高性能混凝土用骨料》。盡早建立健全礦山廢石制備砂石骨料的技術體系，進一步規范砂石產品的品質，是確保廢石制備機制骨料能放心運用于混凝土生產配制的重要一步。

4 結論

目前，基于我國的礦山廢堆存量大、排放增長速度快、排放強度高的特點，結合我國亟需尋求天然砂替代砂源的現狀，將采礦廢石資源化利用制備混凝土砂石骨料，不僅可解決廢石大量堆存可能造成的環境問題，還能緩解混凝土砂石供應緊缺的局面。雖然利用礦山廢石制備建筑砂石得到了國家政策的大力支持，和部分企業的積極探索實踐，但在廢石原料的遴選與檢測以及制備工藝中仍存在的大量問題，也沒有建立完整的技術體系來規范產品的質量。礦山廢石制備砂石骨料仍需要砂石行業以、礦山企業、設備廠家等多方協力推進，不斷規范生產流程，提高產品質量。