尾矿的特性、灾害及其资源潜力——山东科技大学王昆等

矿业是经济社会发展和生态文明建设的重要物质基础。为实现本世纪中叶全球净零排放目标，预计到2040年，矿产品需求量将比2020年增长约6倍。当前，高品位、易开采矿体逐渐消耗殆尽，在先进采选技术的推动下，低品位矿体的高强度开采与利用将成为长期发展趋势，这也意味着矿石采选后所产生的尾矿废弃物体量将长期处于高位。我国尾矿累计堆存量已超过200亿吨，现有尾矿库近5000座，其中上游式尾矿坝和“头顶库”数量众多，灾害防控形势严峻。与此同时，我国尾矿综合利用率仍不足30%，其资源潜力亟待充分释放。山东科技大学王昆等以尾矿的基本物理化学特性、排放堆存方式、尾矿库溃坝灾害与环境影响、尾矿资源化利用潜力为主线，系统梳理了尾矿废弃物领域的国内外研究进展与发展态势，旨在为研究者和工业界更系统、全面地重新审视尾矿废弃物问题、尾矿安全处置及矿产资源可持续开发提供启示。

Fig. 1 尾矿排放堆存至尾矿库内

尾矿的特性

尾矿的化学组分以、Al、CaO、MgO、KO、Na等为主，根据成分含量可将其分为高硅型、钙镁质、铝硅质、铁硅质等类型。尾矿的物理性质，如粒径和密度，与其渗透性、导水率、固结性、压缩性、液化性等密切相关。尾矿的粒度差异较大，难以统一概括，通常采用曲率系数、不均匀系数、分形维数、形状因子和表面粗糙度等参数来描述其颗粒分布及形态特征。根据粒度与塑性指数，尾矿可分为砂性（+74 μm颗粒占比＞50%）、粉性（+74 μm颗粒占比≤50%且塑性指数≤10）和黏性（塑性指数＞10）三大类。若发生溃坝，细粒尾矿在地表河流等介质中传播距离更远，且因其比表面积大、更易被氧化，从而释放所吸附的污染物元素。此外，细粒尾矿排水固结能力差，堆存时易引发坝体病害，且浓缩沉降困难，不利于井下充填材料的制备与输送。由于细粒尾矿迁移扩散能力更强、潜在危害更大、利用难度更高，因此已成为尾矿堆存、灾害防控与资源利用等多个环节的关注热点

Fig. 2 某黄金矿山尾矿试样粒径分布

尾矿库作为具有高势能的人造泥石流重大危险源，其安全风险不容忽视。据对全球18401座尾矿库的不完全统计，尾矿坝的溃坝事故率约为1.2%，较常规蓄水坝高出两个数量级。有国外学者基于对143起尾矿库事故发生时点与矿产品价格周期的相关性分析，指出事故数量峰值通常滞后于矿产品价格峰值（即矿业繁荣期）2~2.5 a。推测原因主要包括：（1）矿业繁荣期矿产开发强度大，尾矿排放量持续处于高位；（2）经济利益驱动企业在高风险、高难度区域进行开采；（3）矿产品价格回落期间，企业为维持经营往往扩大生产并压缩安全管理投入。联合国环境规划署（UNEP）和国际大坝协会（ICOLD）均指出，尾矿库在运营管理中缺乏连续性的资金支持与有效监管是导致溃坝事故频发的主要原因，而多数事故本身是可预防的。自2019年以来，金、铜等矿产品价格持续回升，企业与监管部门需警惕未来因市场波动可能引发的尾矿库安全风险。

我国尾矿库总量庞大，其中防控基础薄弱的中小型库占比较高。应重点加强尾矿库溃坝危害的超前评估、新型智能化监测与巡检装备研发、临灾预警决策模型构建、灾中应急减灾策略优化以及灾后恢复与治理模式完善等方面的理论探索、技术开发与工具配套，从而进一步提升在地震、极端天气等复杂条件下尾矿库溃坝灾害的预防与应急处置能力

尾矿的资源潜力

推进尾矿综合利用是从源头上化解其安全与环境风险的根本途径。我国尾矿综合利用率已从“十二五”时期的18.7%提升至“十三五”期间的27.6%，然而受技术装备水平、投入成本高以及处理效率低等因素制约，目前每年仍有约70%的尾矿未能得到有效利用，资源潜力巨大。当前研究热点主要集中在以下方面：

• 尾矿采空区充填

将尾矿与胶凝剂、水混合制成充填材料，并输送至井下采空区，有助于维持围岩稳定、提高资源回收率，并减少地表堆存量，已成为当前尾矿利用的主要方式之一。尾矿充填仍面临诸多挑战，主要包括充填成本高（尤其胶凝材料成本）、尾砂充填体脱水效率低、深井充填输送难度大以及细粒尾砂利用率低等。当前该领域的研究重点集中在充填流变力学、充填体支撑机理、充填材料制备工艺和充填浆体输送等方面。在矿渣基低成本胶凝材料研发、细粒尾矿絮凝沉降机理与设备改进、浆体或膏体流变特性与深井管道输送理论、充填配比优化、外加剂应用及充填体力学性能提升等方面已取得显著进展，有力推动了尾矿充填理论、技术发展和工业应用推广。

• 尾矿制备材料

尾矿制备材料是缓解原料紧缺、实现固废资源化利用的有效途径之一，但目前仍面临以下主要问题：（1）各矿山所产尾矿成分波动较大，导致材料配方、生产工艺及相关设备缺乏普适性，难以实现规模化推广；（2）多数矿区位置偏远，周边建材市场需求有限，致使尾矿原料及其产成品物流成本较高；（3）尾矿制备材料的力学性能、化学稳定性及环保指标往往难以满足目标应用领域的技术标准。

为保障尾矿原料的稳定供应，建议围绕尾矿制备各类材料的工艺流程，系统研究并制定基于尾矿粒度、矿物组成、危害程度及化学稳定性等指标的原料分类体系，加强尾矿材料化利用的基础理论研究与成套装备开发，提升企业和社会认可度，激发矿区及其周边市场潜力。此外，尾矿在复合颜料、分子筛等高附加值产品方面的制备与应用，也是当前该领域的研究热点之一。

• 有价金属二次提取

尾矿中伴生的矿物元素含量丰富，其赋存形态多样。在矿业采选与清洁能源技术革新，以及全球政治经济格局变化等多重因素驱动下，部分尾矿库中堆存的尾矿所含矿物已达到当前技术经济条件下的工业品位，使得历史遗留尾矿的二次开发利用潜力逐渐受到重视。我国尾矿堆存具有体量大、时间跨度长、矿种类型多等特点，二次资源利用潜力巨大。有必要从顶层设计入手，加强统筹规划，围绕不同矿种尾矿的资源勘查、安全回采、二次利用、高效提取以及残余废弃物处置等关键环节，系统开展基础理论研究与技术研发。

• 超积累植物金属回收

超富集植物能够通过根系超量吸收重金属并转运至地上部分，同时实现修复与回收的双重目标。其界定标准为：地上部分重金属含量为普通植物的100倍以上（Zn、Mn≥10 000 mg/kg，Ni、Cu、Pb≥1 000 mg/kg），富集系数与转移系数均大于1，并具备对重金属的耐受性。

在阿尔巴尼亚地区，某超富集植物品种经过5 a田间试验，镍提取量优化至105 kg/公顷；墨西哥某尾矿库开展的现场试验中，施加改良剂促进了植物对金的吸收，叶片、根部和茎部的平均金浓度分别达到15 mg/kg、16 mg/kg和21 mg/kg，经评估已具备经济可行性。

超富集植物主要通过生物质焚烧（从灰分中回收重金属）和化学浸出（采用酸或络合剂）实现金属回收；高温厌氧降解过程还可副产生物油与生物气，从而降低整体环境影响。该类技术在尾矿库周边土壤重金属治理、溃坝泄漏事故的灾后修复以及闭库复垦阶段的土壤修复中展现出良好应用前景。目前，超富集植物吸收重金属的生理与分子机制尚不明确，其在吸收、积累和耐受金属过程中的生物学机制、遗传特性及影响因素仍需深入解析，以进一步筛选和改良植物材料，提高重金属回收效率并减少环境风险，最终满足工业化应用要求。

• 尾矿固碳

矿物固碳技术具备长期稳定性与安全性优势。地表堆存的尾矿颗粒细、比表面积大、经济价值低且存量巨大，其中铁镁质尾矿可与CO₂发生反应，生成性质稳定的碳酸盐矿物，形成一种潜力巨大的“以废治废”固碳路径。超镁铁质尾矿参与固碳反应还能增加尾矿孔隙中的胶结物含量，在实现CO₂封存的同时提升尾矿库的力学稳定性，兼具固碳与增强坝体结构的双重效益。目前该技术仍主要处于理论探索与实验室研究阶段，要实现大规模工业化应用，仍需进一步解决经济可行性、固碳效率及潜在环境负担等关键问题。

王 昆

山东科技大学

副教授

北京科技大学与埃克塞特大学联合培养博士，现任山东科技大学能源与矿业工程学院副教授、系副主任、硕士生导师，主要从事尾矿库安全、矿山无人机遥感技术、矿山固废充填理论与技术等科研与教学工作，任《金属矿山》青年编委。主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目18项，在国内外学术期刊上发表学术论文30余篇，出版学术专著3部，牵头制定标准2项。

KAREN A.HUDSON-EDWARDS

埃克塞特大学

教授

博士，英国埃克塞特大学可持续采矿教授、博士生导师，地球化学学会Fellow，Goldschmidt 2025会议联合召集人，《Frontiers in Geochemistry》期刊栏目编辑，《Frontiers in Earth Sciences》期刊栏目副主编。主要从事可持续采矿与循环经济、矿山废弃物污染物循环机制、尾矿库安全与灾害防控等研究。主持国际重大科研项目10余项，发表学术论文120余篇，包括《Science》期刊文章3篇。

张 峥

武汉理工大学

博士生

武汉理工大学资源与矿业工程学院在读博士生。主要从事尾矿库安全、矿山智能调度、智能矿山学科交叉研究。参与国家重大专项、国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目4项；在国内外学术期刊上发表学术论文7篇。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

供稿：曾文旭

编排：余思晨

审核：王小兵

利用提供参考依据。

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