一种细粒尾砂基质材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于尾矿库技术和生态复垦技术领域，具体涉及一种细粒尾砂基质材料及其制备方法和矿山生态复垦中应用。


背景技术：

2.尾矿库是矿山企业生产中用于贮存选矿后尾矿的重要设施，也是潜伏巨大安全隐患的危险源，其不仅关系到矿山的正常生产运行，同时还关系到下游人民群众的生命及财产安全。
3.在尾矿库工程中，如尾砂粒径较细，易导致坝基承载力不足，尾砂固结速度较慢，坝体稳定性及抗震能力相对较弱，尾矿库溃坝风险较大，故此尽量减少细粒尾矿筑坝。
4.据统计，截至2017年底，我国现有非煤矿山数量44998座，这些矿山在采矿和加工过程中产生了大量的尾矿。为贮存这些尾矿，配套有7793座尾矿库，目前尾矿的堆积总量已超过2.0
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107kt。尾矿作为目前产出量最大、堆存量最多的固体废弃物，所带来的环境问题和安全隐患，严重制约了矿业经济和矿业城市的可持续发展。尾矿中除了重金属外，还含有一些可供植物生长的矿质元素，经适当处理可作为植被基质材料，综合利用尾矿，不仅可“变废为宝”，还可有效缓解资源和环境压力，并最终减轻或消除尾矿库的安全隐患。
5.优质土壤是矿山修复工作中，特别是在尾矿库闭库工程中，用于植被复绿的常用材料，但由于需求量大、取土和运土费用高、同时会对取土点造成严重环境破坏。因此，近年来寻找优质土壤的替代材料一直是矿山修复工作研究的热点问题。经前期通过对尾砂进行一定的研究，认为尾砂在一定程度上具备了植被基质材料的特征，但其土壤电导率偏高，存在高浓度的游离离子，干旱时返盐板结，营养元素含量相对匮乏。因此，研究细尾矿作为矿山生态复垦土壤的替代基质材料的可行性很有必要。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的是提供细粒尾砂在矿山生态复垦中的一种应用方法，先将细粒尾砂从尾矿中分级分离出，然后通过合理配比少量土壤改良基材、保水剂和粘结剂，提高细粒尾砂的持水、保肥能力，以达到充分利用细粒尾砂作为土壤的替代基质材料进行矿山绿化复垦的目的，克服了常规矿山生态复垦需大量挖土而造成生态破坏的缺点，同时能提高尾矿综合利用率，减少进入尾矿库的细粒尾矿量。
7.为实现上述目的，本发明提供一种细粒尾砂基质材料的制备方法，所述制备方法包括以下具体步骤：
8.(1)采用尾砂分级设备对尾矿进行分级，得到沉砂和溢流砂浆；
9.(2)将所得溢流砂浆通过压滤机压滤后，得到细粒尾砂和压滤滤液；可将所得旋流器沉砂输送至尾矿库堆存；具体地，可使用陶瓷过滤机进行压滤；
10.(3)将所得细粒尾砂加入水调成浓度为30％～50％的浆状；可将所得压滤滤液返回选厂回用，减少滤液排放量；
11.(4)用碱将所得细粒尾砂浆调节ph至7～9；具体地，所述碱可以用石灰；
12.(5)向细粒尾砂浆中添加土壤改良基材、保水剂和粘结剂，搅拌均匀，最后加入草籽，搅拌，得到含草籽的细粒尾砂基质材料。
13.发明人在前期经过大量实验研究发现，将尾矿直接用于矿山复垦，虽然无法长出茂密的植被，但是仍然长出了一定的植被，该部分植被生长到一定程度后，容易枯黄，或容易在连续几天不浇水的情况下萎蔫或死去，说明尾矿除了含有矿物质元素外，还具有部分植被所需要的其它营养成分，但是其锁水性差、营养相对匮乏，无法保证植被生长充足的水分和养分。另外，目前尾矿均需要另外花费用进行处理，没有进行综合利用，基本无经济效益可言。因此，发明人通过进一步试验，将尾矿中细粒尾砂进行分离和综合利用，得到本技术技术方案，先利用旋流器将尾矿中的细粒尾砂通过溢流分离出来，可降低重金属量，然后用陶瓷过滤机进行过滤，去除细粒尾砂中的大部分盐分，再加入适当的水进行搅拌成浆状，通过加入适量的石灰将浆料调节成弱碱性，可有效降低可溶性的铅、锌、铜等的浓度，使重金属迁移受到限制，最后加入少量土壤改良基材、保水剂和粘结剂，不仅可以解决细粒尾砂中营养匮乏和保水性难的问题，还可提高其粘结性，不易被雨水冲刷流失，同时加入适当的草籽，得到的细粒尾砂基质材料，可直接喷播到矿山采坑、排土场以及矿山边坡等用于矿区生态修复。
14.进一步的，步骤(1)中，所述尾矿满足或优于第ⅰ类一般工业固体废弃物标准。由于工业固体废弃物标准中限定了一般污染物的最高允许排放浓度，为了防止未达标尾矿直接暴露于环境中造成环境的污染，本发明只选择优于或能达到第ⅰ类一般工业固体废弃物标准的尾矿进行综合利用，不会对环境造成污染。
15.进一步的，步骤(1)中，所述尾砂分级设备为旋流器或双螺旋分级机。
16.进一步的，步骤(2)中，所述细粒尾砂中粒径-400目的量占比≥65％，粒径-200目的量占比≥90％。本技术方案中通过控制细粒尾砂的粒度，可一定程度地增加细粒尾砂的保水性和透气性，有利于后续生态修复中植被的生长。
17.进一步的，步骤(5)中，所述细粒尾砂浆中添加土壤改良基材的量为1.0～5.0kg/m3。本技术方案中的土壤改良基材含有60％以上的有机质，水分含量不超过30％，可以是发酵秸秆、发酵园林废弃物、发酵餐厨废弃物等发酵基质；通过加入土壤改良基材为细粒尾砂提供植被生长的有机质、腐殖酸等营养物质，提高细粒尾砂的肥力和通气性。
18.进一步的，步骤(5)中，所述细粒尾砂浆中添加保水剂的量为0.1～0.2kg/m3。本技术方案中的保水剂为高吸水性树脂，可以是丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物，如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵中的任一种，吸收能力强，可反复吸水、释水，且维持时间长，可提高细粒尾砂的保水性以适用于矿山生态修复。
19.进一步的，步骤(5)中，所述细粒尾砂浆中添加粘结剂的量为0.1～0.2kg/m3。本技术方案中的粘结剂为黏土类或合成树脂类，也可以是糯米粉，通过在细粒尾砂中加入适量的粘结剂，提高细粒尾砂粘结性保水、防雨水冲刷的同时，还可为植被生长提供一定的营养成分。
20.进一步的，步骤(5)中，所述细粒尾砂浆中添加草籽的量为0.2～0.4kg/m3。本技术方案中的草籽为多年生黑麦草、高羊茅、狗牙根等禾本科植物草籽和白三叶、紫花苜蓿、紫穗槐、多花木兰等豆科植物草籽的中两种及以上；通过将草籽进行混播，增加物种的多样
性，不仅可以防止水土流失，而且还能够长期保持植被群落的稳定性。
21.进一步的，所述细粒尾砂基质材料中细粒尾砂的重量占总重量的99％以上。本发明所分离的细粒尾砂比重1立方米在1.2-1.5吨左右，而加入的土壤改良基材、保水剂、粘结剂和草籽的总量在1.4-5.8kg/m3，加入的助剂占比很少，还是以细粒尾砂为主要原料，在满足植物生长的同时可充分利用细粒尾砂作为土壤的替代基质材料，减少环境污染，达到“以废治废”的目的。
22.本发明还提供一种由上述细粒尾砂基质材料的制备方法制得的细粒尾砂基质材料。
23.本发明还提供一种由上述制备方法制得的细粒尾砂基质材料在矿山生态复垦中的应用，通过使用喷播机将所述细粒尾砂基质材料喷播到矿山采坑、排土场、矿山边坡进行生态复垦。
24.进一步的，所述细粒尾砂基质材料喷播前在常温放置1-3d后再进行喷播。本技术方案中通过将制备后的细粒尾砂基质材料在常温放置一段时间，相当于对草籽进行催芽处理，提高草籽的发芽率，可根据当时环境温度调整放置时间。
25.本发明具有的有益效果是：
26.本发明选用工业固体废弃物为主要原料，将分级、压滤后的细粒尾砂作为土壤的替代基质材料，可实现固体废弃物的资源化利用，有效降低尾矿的处理成本，减少环境污染，达到“以废治废”的目的。
27.本发明采用旋流器或双螺旋分级机对尾矿进行分级，可使尾砂中绝大多数重金属一并进入沉砂中，大幅减少溢流砂浆(细粒尾砂)中的重金属含量。
28.本发明在尾矿浆中添加碱，调节浆液ph值至7～9，使其呈弱碱性，可降低可溶性的铅、锌、铜等的浓度，使重金属迁移受到限制。
29.本发明通过添加少量土壤改良基材、保水剂和粘结剂，提高细粒尾砂的持水、保肥能力，以及耐雨水冲刷能力，提高植被群落的稳定性，达到生态修复的目的。
30.本发明充分利用细尾矿作为土壤的替代基质材料，将其应用于矿山采坑、排土场、矿山边坡的生态复垦，提高矿山尾矿的综合利用率的同时，可大幅节约矿山生态修复成本，具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
31.图1为本发明细粒尾砂基质材料的制备方法和生态复垦工艺流程图；
32.图2为本发明矿山边坡生态复垦植被生长情况图。
具体实施方式
33.下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。下述实施例涉及的原料若无特别说明，均为普通市售品，皆可通过市场购买获得。
34.图1为本发明的细粒尾砂基质材料的制备方法和生态复垦工艺流程图，具体包括：选择满足第ⅰ类一般工业固体废弃物标准的尾矿，采用fx250水力旋流器或双螺旋分级机对其进行分级，其中沉砂输送至尾矿库堆存，溢流砂浆通过过滤机进行压滤，得到的压滤滤液返回选厂回用，得到的细粒尾砂(粒径-400目的量占比≥65％，粒径-200目的量占比≥
90％)加入水调节成固含量为30～50％的尾矿浆，加入碱(石灰)调节尾矿浆的ph至7～9，然后依次按每立方米加入1.0～5.0kg土壤改良基材、0.1～0.2kg保水剂、0.1～0.2kg粘结剂混匀，最后加入0.2～0.4kg草籽，混合后将得到含草籽的细粒尾砂基质材料喷播到矿山采坑、排土场、矿山边坡进行生态复垦。
35.下面结合实施例对本发明作进一步详细描述：
36.实施例1
37.一种细粒尾砂基质材料的制备方法，所述制备方法包括以下具体步骤：
38.(1)采用fx250旋流器对尾矿进行分级，得到旋流器沉砂( 200目≥80％)和旋流器溢流砂浆；
39.(2)将所得旋流器沉砂输送至尾矿库堆存；
40.(3)将所得旋流器溢流砂浆通过陶瓷过滤机压滤，得到细粒尾砂(-200目为90％，-400目为75％)和压滤滤液；
41.(4)将所得压滤滤液返回选厂回用；
42.(5)将所得细粒尾砂加入水调成浓度为50％的浆状；
43.(6)在所得细粒尾砂浆中添加2.0kg左右的石灰，调节浆液ph至7.5；
44.(7)向细粒尾砂浆中按每立方米添加2.0kg土壤改良基材、0.2kg保水剂和0.1kg粘结剂，搅拌均匀，最后加入0.4kg草籽，搅拌，得到含草籽的细粒尾砂基质材料。
45.实施例2
46.一种细粒尾砂基质材料的制备方法，所述制备方法包括以下具体步骤：
47.(1)采用双螺旋分级机对尾矿进行分级，得到沉砂( 200目≥80％)和溢流砂浆；
48.(2)将所得沉砂输送至尾矿库堆存；
49.(3)将所得溢流砂浆通过陶瓷过滤机压滤，得到细粒尾砂(-200目为92％，-400目为80％)和压滤滤液；
50.(4)将所得压滤滤液返回选厂回用；
51.(5)将所得细粒尾砂加入水调成浓度为40％的浆状；
52.(6)在所得细粒尾砂浆中添加2.5kg左右的石灰，调节浆液ph至8；
53.(7)向细粒尾砂浆中按每立方米添加4.0kg土壤改良基材、0.15kg保水剂和0.15kg粘结剂，搅拌均匀，最后加入0.3kg草籽，搅拌，得到含草籽的细粒尾砂基质材料。
54.实施例3
55.一种细粒尾砂基质材料的制备方法，所述制备方法包括以下具体步骤：
56.(1)采用fx250旋流器对尾矿进行分级，得到旋流器沉砂( 200目≥80％)和旋流器溢流砂浆；
57.(2)将所得旋流器沉砂输送至尾矿库堆存；
58.(3)将所得旋流器溢流砂浆通过陶瓷过滤机压滤，得到细粒尾砂(-200目为95％，-400目为84％)和压滤滤液；
59.(4)将所得压滤滤液返回选厂回用；
60.(5)将所得细粒尾砂加入水调成浓度为30％的浆状；
61.(6)在所得细粒尾砂浆中添加3.0kg左右的石灰，调节浆液ph至9；
62.(7)向细粒尾砂浆中按每立方米添加5.0kg土壤改良基材、0.1kg保水剂和0.2kg粘
结剂，搅拌均匀，最后加入0.2kg草籽，搅拌，得到含草籽的细粒尾砂基质材料。
63.实施例4
64.一种矿山采坑的生态复垦方法：预先将矿山采坑整理平整，然后将实施例1所制备的细粒尾砂基质材料放置1天后，直接喷播于矿山采坑中，其中喷播平均厚度为10-15cm，喷播3天后，遇晴天每2天在傍晚浇水，待草籽长至10cm以上时，浇水次数改为3天一次，随后根据植被的生长，逐渐延长浇水时间。
65.观察复垦过程中植被生长情况：喷播后3天草籽出芽率达到80％以上，初期晴天在1天不浇水的情况下，植被生长良好，成活率达到75％，随着植被的生长，生长致密，最长浇水时间可延长至8天，且不影响植被的正常生长。
66.实施例5
67.一种矿山排土场的生态复垦方法：预先将矿山排土场整理平整，然后将实施例2所制备的细粒尾砂基质材料放置2天后，直接喷播于矿山排土场中，其中喷播平均厚度为10-15cm，喷播3天后，遇晴天每2天在傍晚浇水，待草籽长至10cm以上时，浇水次数改为3天一次，随后根据植被的生长，逐渐延长浇水时间。
68.观察复垦过程中植被生长情况：喷播后2天草籽出芽率达到80％以上，初期晴天在1天不浇水的情况下，植被生长良好，成活率达到73％，随着植被的生长，生长致密，最长浇水时间可延长至7天，且不影响植被的正常生长。
69.实施例6
70.一种矿山边坡的生态复垦方法：预先将矿山边坡整理平整，边坡底部挖有深度为30cm，宽度为2m左右的沟，然后将实施例3所制备的细粒尾砂基质材料放置3天后，直接喷播于矿山边坡中，其中边坡喷播平均厚度为10-15cm，，沟内喷播厚度为10-12cm，并另外撒有喜湿性草籽，边坡喷播2天后，遇晴天每天傍晚浇水，待草籽长至10cm以上时，浇水次数改为2天一次，随后根据植被的生长，逐渐延长浇水时间。其中，2个月后的矿山边坡生态复垦植被生长情况如图2所示。
71.观察复垦过程中植被生长情况：喷播后1天草籽出芽率达到80％以上，初期晴天在每天浇水的情况下，边坡植被生长良好，成活率达到70％，随着植被的生长，生长致密，最长浇水时间可延长至5天，且不影响植被的正常生长，沟内植被后期基本不用另外浇水，成活率达到80％。
72.综上所述，本发明选用工业固体废弃物细粒尾砂为主要原料，经分级和压滤预处理后，通过加入适量水、石灰、土壤改良基材、保水剂和粘结剂后可作为土壤的替代基质材料用于矿山采坑、排土场、矿山边坡的生态复垦，植被正常生长，锁水性好，效果显著，不仅可提高矿山尾矿的综合利用率，减少环境污染，还可节约矿山生态修复成本，具有显著的经济效益和社会效益。
73.最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。