煤矸石的相关概述及利用

煤矸石的相关概述及利用

肖峰

(华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

摘要:煤矸石是煤矿常见的一种固体废弃物，本文综合煤矸石的各类相关分析及现状，总结归纳了煤矸石的几种主要利用方法与途径，旨在倡导变废为宝，资源有效利用。

关键词:煤矸石；概述；利用；方法

Relevant Overview and Utilization of Coal Gangue

XIAO Feng

（North China Institute of Science and Technology,Yanjiao,101601,China）

Abstract:Coal gangue is a common solid waste, this paper analyzes various treatment methods and current situation, then summarizes several major ways and means of utilizing coal gangue, aims to promote turning waste into treasure and efficient use of resources.

Key words:Gangue; Overview;Utilization; Method

1 引言

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低(20%～30% )、比煤坚硬的黑灰色岩石。包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。约占煤炭产量的l5％左右，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2013年，我国煤矸石产生量约7.5 亿吨，综合利用量4.8 亿吨，同比增长7.6%。煤矸石综合利用率为64%。目前，我国煤矸石累计堆放量约为45亿吨，规模较大的煤矸石山达2600多座，占地面积达 。并且排放量仍在逐年增长，矸石山几乎成为我国煤矿的“标志”。

2 煤矸石的组成及分类

2.1 煤矸石的化学组成

煤矸石发热量一般为800～1500卡/克,其无机成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属。其化学成分组成的百分率为：SiO2为52～65；Al2O3为16～36；Fe2O3为2.28～14.63；CaO为0.42～2.32；MgO为0.44～2.41；TiO2为0.90～4.0；P2O5为0.007～0.24；K2O+Na2O为1.45～3.9；V2O5为0.008～0.03。

2.2 煤矸石的分类

以矿物组成为基础，结合岩石的外观、构造、开采特点等因素，一般有以下几种分类方法。

(1) 以外观颜色分类法可分为：红矸、灰矸、白矸、黑矸。

(2) 按Al2O3和Al2O3/SiO2比值将煤矸石分为:高铝质、黏土岩质和砂岩质矸石三大类。

(3) 根据矿物成分的不同，可以将煤矸石分为四类: 黏土类、砂岩类、碳酸盐类和铝质岩类。

(4) 按自燃程度分类可分为: 自燃矸石、未自燃矸石、干馏矸石。

(5) 以煤矸石产出方式为依据，并采用生产中一些习惯叫法命名，可分为: 洗矸、煤巷矸、岩巷矸、手选矸、剥离矸。

(6) 按排出地点进行分类可分为: 全岩掘进矸石、半煤岩掘进矸石、露天煤矿剥离矸石、手选矸石、洗选矸石、浮选矸石。

(7) 按煤矸石产出层位分可分为: 顶板矸、夹石矸等。

3 煤矸石对环境的影响

3.1 对矿区大气环境的污染

煤矸石在提升、运输、堆放过程中，会形成一种粉尘颗粒，在风速达 4.8m/s 时，颗粒就会飞起并悬浮于大气中。粉尘中含有很多对人体有害的元素如：Hg、Cd、Cr、Cu、As、Mn、Zn、A1等。小于 5μm的颗粒会被人体吸入肺部，导致各种疾病。大于5μm 的颗粒也会留在人的鼻腔中，导致鼻腔感染。若进入眼中，会引起各种眼疾。另外，粉尘颗粒悬浮于大气中，破坏了大气的正常透光率，易形成雾霾。

3.2 对土壤和水体的污染

煤矸石在露天堆放过程中，经雨水淋溶后部分物质被溶解，并随雨水形成地表径流进入土壤、地表水体或地下水体中，造成土壤、地表水及地下水的污染。当人们饮用被污染的地下水时，其中的重金属等有害物质会严重危害人体健康，甚至危及生命。地表体长期受这种淋溶水污染时，会使水质逐渐酸化。当用来养殖时，会造成水生物的死亡，破坏水生生态环境。当淋溶水随雨水形成地表径流进入土壤，破坏了土壤中重金属的本底值和平衡关系，同时也破坏了土壤的养分，并对土壤中微生物的活动产生影响。这些有害成分的存在，不仅有碍植物根系的 发育和生长，而且还会在植物有机体内积蓄，通过食物链危及人体健康。

3.3 生态污染

导致矿区生态污染的原因是多方面的，矸石山自燃、淋溶污染、矸石山风蚀扬尘是主要原因。As、Cr、Hg、Cd等 22 种有害微量元由于自燃、淋滤、风化等作用而逸出，污染大气、土壤、植物和水环境。煤矸石自燃矿区周边区域往往树木枯萎，农作物严重减产甚至绝收。矸石中微量元素含量一般高于煤层，并高于地壳丰度值，而且随距离煤矸石堆由近而远，土壤中微量元素浓度呈降低趋势。1991年对山东某矿矸石堆周围土壤环境中的Hg的分析表明，Hg在被污染土壤中

的浓度是对照点浓度的3.5-5.7倍。

3.4 占地问题

我国煤矸石综合利用率低，随着煤矸石持续堆放，每年新增占地400hm2以上。矸石山占地状况对于2/3为山地、人口占世界1/4、人均占耕地0.084 hm2 、不及世界人均占地0.366 hm2的1/4的我国而言，危机严重。

3.5 自燃问题

水和氧是矸石山自燃的必要条件，煤矸石中的硫铁矿和碳元素是矸石山自燃的物质前提。在水的作用下，硫铁矿产生硫酸水溶液，并伴随放出大量的热，促进煤的水解；在有氧供应条件下，硫铁矿低温氧自燃，并放出热量，从而引起含碳物质的燃烧。

3.6 爆炸问题

煤矸石山一般灰分为 70%-80%，发热量为3350-6280J，硫含量较高，煤矸石堆积后内部自燃。当产热速率大于散热速率时，矸石维持燃烧，温度升高(可达 800-1200℃)时，自燃产生的SO2、CO2、CO、CH4、C2H4、NH3、N2、H2及水蒸气聚集，增大了矸石山自燃区内部的压力，从而形成一个内部高温高压的环境。根据热力学理论，当其内部温度和压力达到一定程度时就会发生爆炸，并引起崩塌、滑坡，形成连锁灾害。矸石山爆炸是我国煤矿常见的地质灾害，曾多次造成多人员伤亡。例如，2005年5月15日晚河南平顶山四矿一座绝对高度将近百米的矸石山突发喷爆崩塌，100m外18间民房被冲毁，有8人遇难，6人重伤。

3.7 矸石山崩塌和滑坡

矿区矸石山多为大量粒径不等，形状不同的颗粒以不同的排列方式自然堆积而成，结构疏松，在本质上说是不连续的，为散体材料。同时，受矸石中炭分的自燃、有机质的灰化及硫分的离解挥发等作用，矸石山的稳定性普遍较差，极易发生崩塌、滑坡。

3.8 矸石泥石流

山区煤矿大都直接将煤矸石堆于沟谷中，成为泥石流的物质源。堆积区的沟谷有一定的汇水面积和适宜的坡度，在雨季一旦降雨量达到 60 mm/h 即可爆发泥石流。

4 煤矸石利用的研究

4.1 煤矸石在农业方面的应用

4.1.1 利用煤矸石改良土壤

煤矸石中含有钾、钙、磷、镁、铁、锰、锌、硼、硫、钼、硅等10多种植物生长所需要的元素，其中钾、磷是植物生长必需的矿质元素，而镁、钼、硫元素能给土壤微生物提供营养，改善土壤结构，促进土壤保肥能力，加速有机质分解，提高土壤渗透性。一般将煤矸石破碎后直接使用，含有机制较多的矸石多烧