煤矸石

煤矸石的资源化利用研究
摘要：在介绍煤矸石的来源，对环境的影响的基础上，论述了煤矸石的资源化利用，充分利用了煤矸石，达到变废为宝的目的。

关键词：煤矸石环境资源化
一、煤矸石的来源
我国是世界最大的煤炭生产国和消费国，在煤炭开采过程中，必然会产生大量的煤矸石，包括露天矿的剥离物，矿井建设和生产过程中产生的矸石，根据有关部门统计，目前我国历年累计堆放的煤矸石总积存量约为45亿t，年排出量3亿t,其中每年排放的可用于发电的煤矸约2亿t。

煤矸石的堆积排放，既浪费了国家资源，又占压了大量土地，使矿区的生态环境受到了污染和破坏。

所以，煤矸石的综合利用是建设“绿色矿区”最有效的方法和途径。

煤矸石是在煤炭开采、选洗加工过程中所产生的固体废物。

目前，累计堆有煤矸石山1 500多座，，占地1.3万hm2以上，而且每年约以1亿t的速度递增，形成新增占地400多hm2。

煤矸石己经成为我国累计存量和占用场地最多的工业废弃物。

煤矸石是在成煤过程中与煤共同沉积的有机化合物和无机化合物混合在一起的岩石，通常呈薄层和在煤层中或煤层顶、底板岩石，是在煤矿建设和煤炭采掘、洗选加工过程中，产生的数量较大的矿山固态排弃物。

煤矸石按主要矿物含量，分为黏土岩类、砂石岩类、碳酸盐类、铝质岩类。

按来源及最终状态，煤矸石可分为掘进矸石、选煤矸石和自然矸石三大类。

煤矸石排放量根据煤层条件、开采条件和洗
选工艺的不同有较大差异，一般掘进矸石占原煤产量的10% 左右，选煤矸石占入选原煤量的12%~18%。

二、煤矸石对环境的影响
到目前为止.煤矸石的利用力度还不够大。

技术不完善，地区发展不平衡，对环境的影响依然很严重，主要表现在下述几个方面。

1、影响土地资源的利用
煤矸石堆场多位于井口附近，大多紧邻居民区，煤矸石的大量堆放一方面占用大量的土地面积，另一方面还在影响着比堆放面积更大的土地资源，使得周围的耕地变得贫瘠，不能被利用。

2、污染大气
煤矸石露天堆放会产生大量扬尘，这主要是由于在地面堆放的煤矸石受到长时间的日晒雨淋后，将会风化粉碎;另外，煤矸石吸水后会崩解，从而很容易产生粉尘。

在风力的作用下，将会恶化矿区大气的质量。

此外，煤矸石中含有残煤、碳质泥岩和废木材等可燃物，其中C,S 可构成煤矸石自燃的物质基础。

煤矸石野外露天堆放，日积月累，矸石山内部的热量逐渐积累。

当温度达到可燃物的燃烧点时，矸石堆中的残煤便可自燃。

自燃后，矸石山内部温度为800~1 000o C，使矸石
融结并放出大量的CO,CO
2,SO
2
,H
2
S , NOx等有害气体，其中以SO
2
为主。

一座矸石山自燃可长达十余年甚至几十年。

这些有害气体的排放，不仅降低矸石山周围的环境空气质量，影响矿区居民的身体健康，还常常影响周围的生态环境，使树木生长缓慢、病虫害增多，农作物减产甚至死亡。

3、危害水土
煤矸石除含有粉尘、SiO
2，A1
2
O
3
以及Fe，Mn等常量元素外，
还有其他微量重金属元素，如Pb，Sn，As，Cr等，这些元素为有毒重金属元素。

当露天堆放的煤矸石山经雨水淋蚀后，产生酸性水，污染周围的土地和水体。

当矸石堆场的矸石堆放不合理时，矸石堆易发生边坡失稳，从而导致矸石堆的崩塌、滑移，特别在暴雨季节，这种现象在山区尤为常见，易发生泥石流，从而殃及下游的农田、河流及人员安全。

三、煤矸石的组成和性质
通过对煤矸石进行化学分析可知，其化学组成主要是一些氧化物，如一氧化硅、氧化铝、三氧化一铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠等，其矿物组成中主要是高岭石、石英、钾云母、长石等。

煤矸石属劣质燃料，其发热量低，碳含量低，硬度大，矿物含量高，有机质含量低。

掘进矸石一般含碳量低，热值也较低;选煤矸石含碳量较高，有一定的热值，常常混有煤及煤泥，其特点是排放集中，粒度较小，可利用性较高，但硫、铁含量较多;自燃矸石为多年堆积引起自燃后煤矸石，因已经过一定的燃烧过程，而具有一定的火山灰活性和化学活性，但其热值不高。

四、煤矸石资源化利用的评价
煤矸石的性质决定着煤矸石资源化的途径，因此对煤矸石的组分及性质进行分析和评价，将有利于选择最佳的资源化利用途径，更好、更有效地利用煤矸石资源。

按照煤矸石的岩石特征分类，可以分成高岭石泥岩(高岭石含量>60% )、伊利石泥岩(伊利石含量>50% )砂质泥岩、砂岩及石灰岩。

主要利用途径为:高岭石泥岩、伊利石泥岩一生产多孔烧结料、煤矸石砖、建筑陶瓷、含铝精矿、硅铝合金、道路建筑材料;砂质泥岩、砂岩一生产建筑工程用的碎石、混凝土密实骨料;石灰岩一生产胶凝材料、建筑工程用的碎石、改良土壤用的石灰。

煤矸石中的铝硅比(A1
2O
3
/ SiO
2
)也是确定一般煤研石综合利用
途径的因素。

铝硅比>0. 5的煤矸石，铝含量高，硅含量较低，其矿物成分以高岭石为主，有少量伊利石、石英，质点粒径小，可塑性好，有膨胀现象，可作为制造高级陶瓷、煅烧高岭土及分了筛的原料。

煤矸石中的碳含量是选择其工业利用方向的依据。

按煤矸石中碳的含量多少可分为四类:一类< 4%，二类4%~6%，三类6%~ 20%，四类>20%。

四类煤矸石发热量较高( 6270 ~12550kJ/kg)，一般宜用作为燃料，三类煤矸石(2090 6270kJ/ kg)可用作生产水泥、砖等建材制品，一类、二类煤矸石(2090 kJ/ kg以下)可作为水泥的混合材、混凝土骨料和其他建材制品的原料，也可用于复垦采煤塌陷区和回填矿井采空区。

在煤矸石的化学成分中，全硫含量一是决定了矸石中的硫是否具有回收价值，二是决定了煤矸石的工业利用范围。

按硫含量的多少也可将煤矸石分为四类:一类<0. 5%，二类0. 5%~3%，三类3%~ 6%，四类>6%。

全硫量达6%的煤矸石即可回收其中的硫精矿，对于用煤矸石作燃料的要根据环保要求，采取相应的除尘、脱硫措施，减少烟尘和二氧化硫的污染。

五、煤矸石的利用途径
我国煤田分布广，成煤时代全，在含煤岩层和煤层中，共生有丰富的其他矿产资源。

共生资源主要是指煤矸石。

根据每年的煤炭产量和洗精煤产量的不同，中国煤矸石年排放量大约在1. 2~ 1. 8亿t之间。

预测全国煤矸石累计堆存量34亿t,占地约1. 3万h m2，是中工业固体废气物中产量和累积存量最大的固体废物。

由于一般矸石还可能自燃，因此这样既浪费了宝贵的矿产资源，又占用农田，污染环境，成为矿区一害。

要高度重视煤矸石资源的利用，开辟多种利用途径，因地制宜，因矸制宜，确定煤矸石的综合加工利用方向。

1、热值利用
煤矸石因含碳，具有一定热值，尤其是选煤矸石发热量一般在 6 2701kJ/kg以上，把它加工成粒径<13mm，水分<10%的煤矸石，与洗选过程中产生的热值较低的劣质煤一起配置成发热量为10 000~13 000kJ/kg的煤，可作为发电厂流化床锅炉的燃料，也可用于小型流化床锅炉做燃料供热用。

使用这种燃料，不仅能节约大量的优质煤，而且还能减少环境污染。

2、矿物成分的利用
以煤矸石、矸石沸腾炉灰及高灰煤泥为原料或填料生产矸石砖、砌砖、水泥等。

开发煤矸石生产轻质、高强度及具有特殊性能的新型建筑材料。

从煤矸石中提取有用的化工产品及有用矿物。

3、应用于建筑行业及制品。

(1)煤矸石制砖的技术要求
①煤矸石制烧结砖
利用煤矸石全部或部分代替黏土，采用适当烧制工艺生产烧结砖的技术在我国己经成熟，这是大量利用煤矸石的主要途径。

生产烧结
砖对煤矸石原料的化学组成要求:SiO
2为55%~70%, A1
2
O
3
为
15%~25%, Fe
2O
3
为2%~8%, Ca0≤2%,MgO≤3%, SO2≤l%。

可塑性
指数7~15，热值为2090 4180 kJ/ kg,煤矸石的放射性符合《掺工业废渣建筑材料产品放射性物质控制标准》( GB9196一88)标准。

煤矸石制烧结砖的工艺比黏土制砖工艺增加了一道粉碎工序。

根据煤矸石的硬度和粒径，可选用颚式或锤式破碎机、球磨机等分别进行粗、中、细碎，并对原料进行陈化，以增加塑性。

煤矸石烧结砖采用内燃型，尽量避免超内燃。

煤矸石烧结砖多采用一次码烧隧道窑，也可以来用轮窑等窑炉，并利用窑炉的余热设立干燥室。

其产品符合《中华人民共和国国家标准烧结普通砖》( GB5101-
93)、《建筑材料用工业废渣放射性物质限制标准》(GB6763一86)标准。

②煤矸石制烧结空心砖和空心砌块
以煤矸石为主要原料，煤矸石化学成分同煤矸石制烧结砖，但对粉碎要求较高，水分一般在13%~17%，利用高压挤出机成型，隧道窑一次码烧即成，产品质量参照《中华人民共和国国家标准烧结多孔砖》( GB13544- 92)、《中华人民共和国国家标准烧结空心砖和空心砌块》( GB13545 - 92)和GB6763- 86标准。

(2)煤矸石制水泥
①煤矸石代黏土烧制硅酸盐水泥熟料
在烧制硅酸盐水泥熟料时，掺入一定比例的煤矸石，部分或全部代替黏土配制生料。

煤矸石主要选用洗矸，岩石类型以泥质岩石为主，砂岩含量尽量少。

所配生料的化学成分要满足生产高质量水泥熟料的要求，一些有害成分的含量必须控制在一定范围内，产品应符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175- 92）标准。

②以煤矸石作混合材磨制各种水泥
我国大多数过火矸以及经中温活性区锻烧后的煤矸石均属于优质
火山灰活性混合材，可掺入5%~50%的作混合材，以生产不同种类的水泥制品。

用作水泥混合材的煤矸石要求是炭质泥岩和泥岩、砂岩、石灰岩(CaO含量>70% )，通常选用过火或锻烧过的煤矸石。

煤矸石的活性应符GB12957- 92标准，放射性应符合GB9196- 88标准，火山灰质硅酸盐水泥应符合GB1344- 92标准。

( 3)煤矸石轻集料混凝土小型空心砌块的技术要求
以煤矸石轻集料(粗料25%~30%，细料40%一45%)为骨料，水泥(8%~16%)为胶结料，加水(10%~15%)，并可加入少量外加剂，搅拌均匀后，经振动成型、自然养护后即可制成煤矸石轻集料混凝土小型空心砌块。

这种砌块的密度、强度、相对含水率、抗冻性、碳化系数、软化系数等技术要求应符合GB15229- 94标准的要求;其放射性应符合GB6763- 86标准的规定。

( 4)煤矸石加气混凝土的技术要求
煤矸石加气混凝土主要是以过火煤矸石等为硅铝质材料、水泥和石灰等钙质材料以及石膏为原料，按一定配比后，加水研磨搅拌成糊状物，再加入铝粉发泡剂，然后注入坯模，待坯体硬化后切割加工成型，再用饱和蒸汽蒸养而成。

其产品卞要有砌块或板材两种。

对过火
煤矸石的化学成分要求：SiO
2≥50%，A1
2
O
3
≥20%，Fe
2
O
3
≤15%，
SiO
3
≤2%，烧失率<10%。

煤矸石加气混凝土砌块及板材的规格质量和技术要求要分别符合《蒸压加气混凝土砌块》( GB11968- 89)标准和《蒸压加气混凝土板》(JC351- 62)标准的规定。

由于煤矸石在组成上与黏土相近，因而煤矸石加土生产砖瓦可以使制砖不用土或少用土，烧砖不用煤或少用煤，节省耕地，减少污染，
创造利润。

煤矸石中SiO
2、A1
2
O
3
.、Fe
2
O
3
的含量较高，总量在
80%以上，是一种天然黏土质原料，可代替黏土配料，作水泥硅、铝质组分的主要来源生产水泥，例如:利用煤矸石可生产煤矸石普通硅酸盐水泥、煤矸石火山灰水泥、煤矸石无熟料水泥等。

煤矸石和生石灰、石膏等材料混合可制造混凝土空心砌块。

由于煤矸石化学成分与一般陶瓷土相近，因而还可作为原料生产陶管、釉面砖、卫生陶瓷、日用陶瓷、包装陶瓷等。

以煤矸石为主要原料可生产两种类型的轻骨料，一种是用烧结机烧制的烧结型煤矸石多孔烧结料;一种是用回转窑十产的膨胀型煤矸石陶米粒。

2008年8月29日.河南永煤集团年产1亿块矸石砖项目顺利投产，年可消耗煤矸石和电厂灰渣30多万t 。

永煤集团煤泥和洗矸利用率己经达到了100% ,污染环境的煤矸石、煤泥和劣质煤经所属热电厂适合于低热值劣质煤的循环流化床燃烧，产生的粉煤灰、炉渣也成为了生产水泥或制砖的材料。

4、从煤矸中回收有用矿物。

有些矸石中往往混入发热量较高的煤、硫铁矿。

可以采用适当的加工方法回收有用矿物，提高其品位，使其作为燃料或原料使用。

国外如美、英、法、日、波、匈等国部建立了从矸石中回收煤的工厂。

我国硫铁矿资源比较丰富，其中一半以上是与煤共生或伴生的形式存在。

据不完全统计，我国煤系硫铁矿主要产地204处，保有储量346 334. 66⨯104t,资源总量(预测储量)为136 605. 1⨯104t。

我国I工业硫67. 64%来自硫铁矿，其直接用途是制取硫酸和烧制硫磺。

硫的用途非常广泛，传统用途有:生产化肥、化学农药，以及十产塑料、化纤等;还用于
冶金、石油、化工及医药等工业;在国防、原子能工业也有应用。

硫的新用途有:硫泡沫保温材料，硫混凝土、硫一沥青铺路材料，交通划线油漆，表而喷涂材料，彩管用硫粉，高像带磁粉，制太阳能电池等。

因此，从矸石中回收硫铁矿，使资源得到合理利用，减少硫磺进口，具有显著的经济效益和社会效益。

5、从矸石中提取化工产品。

煤矸石作为化工原料，主要是用于生产无机盐类的化工产品。

我国的煤系高岭岩矿石质量普遍较好。

近年来调查统计结果表明，我国煤系高龄岩资源量巨人，现已探明的储量在16. 73t 4
10⨯以上，远景储量达56810⨯t ，由此可见，煤系高龄岩是我国重要的优势资源，随着世界范围内的高岭土资源的日益减少，它将愈来愈被世界所瞩日。

高岭岩在一定的物理、化学条件下经深加工,高岭岩矿物可转变成结晶的或无定形的单晶相或多晶相产品，生产硫酸铝、聚合氯化铝、氢氧化铝、氧化铝.4A 分子筛、莫来石砂、白炭黑，铵明矾等系列化工产品。

6、煤矸石作为充填材料及用做筑路基材
矸石作为井下充填材料。

掘进和维修巷道的矸石以及选煤矸石，可作为井下充填材料，解决建筑物下的煤柱回采、巷道维护、复杂顶板管理及自然煤层的开采问题。

煤矸石作为充填塌陷坑和填沟造地的材料。

可将排矸的路轨铺向塌陷区或山沟，用小型架线电机车运往塌陷区或山沟直接倾卸，如果是山沟或没有水的塌陷区，则分层压实，并覆盖黄土使之密封。

作为筑路材料。

煤矸石作为修筑公路、铁路路基或其他建筑物地基等的材料是大量处理矸石的一种途径。

7、用煤矸石制造肥料
有的煤矸石有机质含量在15%~25 % ,甚至25%以上，并含有植物十长所必需的B、Cu、Mo、Mn等微量元素和较大的吸收容量，这种煤矸石适宜于生产肥料。

煤矸石有机复合肥料可增加土壤疏松、透气性，改善土壤结构，提高土壤肥力，达到增产的目的。

生产煤矸石有机复合肥一般用化学活化法。

即选用含有机质较高的破碎煤矸石粉与过磷酸钙按一定比例混合，加入适量的活化添加剂，搅匀，加入适量水，堆沤活化即成。

还可在活化后掺入N,K和微量元素等制成全养分创石肥料。

利用煤矸石生产农用肥料，在国外已有应用英国曾在小块土地上播种冬小麦前试施浮选矸石制成的肥料，结果增产7%~10%。

在美国、前苏联施用矸石肥料，使农作物产量提高10%~40%。

我国煤矸石肥料研制和推广应用工作取得较大进展。

曾开发的全养分矸石肥料，是以煤矸石为主要原料，经粉碎后加入改性物质，经陈化后掺入适量氮、磷、钾和微量元素制成的一种有机一无机复合肥料，田间实验表明，西瓜、苹果等经济作物施用这种专用矸石肥料后，一般可增产15%~20%煤矸石的应用途径广泛，但各地产的煤矸石在热值、化学组成和特性方而各不相同，其资源利用途径和方向各异。

8、用煤矸石发电
煤矸石虽然对环境造成危害，但是如果加以适当的处理和利用，仍是一种有用的资源。

对于煤创石的综合利用，美国、英国等西方国家的总利用率己达到90%以上。

而我国截至2004年，煤矸石利用率只有54%，规模生产仅局限在制砖业等产业，缺乏高附加值产品。

近年来，随着经济的发展和世界能源现状而临的严峻挑战，利用煤矸石发电，提取化工产品，回收有益矿物以及生产农用化肥、微生物肥料等方而，有了较大的发展。

煤矸石发电利用煤矸石发电是利用其蕴含热量的主要形式。

热值>4 180 kJ/kg的煤矸石通过简易洗选，热值6 270 kJ/kg的煤矸石可不经过洗选就近用作流化床锅炉的燃料。

产生的热量既可发电，也可用作采暖供热。

2008年12月16日，我国目前最大的煤矸石发电厂一黄陵矿业集团2⨯300 MW煤矸石电厂开工奠基仪式在黄陵县双龙镇举行。

该项目建成投产后每年可消耗黄陵矿业集团一号煤矿选煤厂产出的低热值煤创石、煤泥、中煤260 x 104 t，同时可大大改善一号煤矿矿井及选煤厂工业场地的通风、采暖、供热条件，每年可节约燃煤1.28⨯104 t，减排SO
:72 t,烟尘:19 t，NOx: 130 t。

另外灰渣通过除灰系统和除渣系统处2
理，作为黄陵矿业集团粉煤灰蒸压砖厂原料循环使用.资源得以充分利用。

六、结语
煤矸石的长期堆存，破坏生态平衡，给人类生存环境带来极大的危害，但是煤矸石又是丰富的人然资源，在工业、农业和建筑业中有着广阔的应用前景。

综合利用煤矸石，不仅可以缓解我国耕地紧缺的现状，而且可以使煤矸石变成人们可以利用的一种资源，解决当前面临的资源紧缺问题，同时还可以改善人们生存的环境和减少自然灾害的发生。

在我国全面建立“资源节约型、环境友好型”社会的进程中，我们只有通过多种途径开展煤矸石的综合利用，才能获得良好的经济、社会和环境效益，从而实现矿区的可持续发展。

参考文献
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