浅谈煤矸石的组成特征及综合利用途径

第５期　矿产保护与利用　№．５　２００７年１０月　ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＵＴＩＬＩＺＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＭＩＮＥ１　ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ　Ｏｃｔ．２ＯＯ７　浅谈煤矸石的组成特征及综合利用途径　卞孝东　（中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，郑州，４５０００６）　摘要：煤矸石堆积如山，难以利用且污染环境。论述了煤矸石的产出和组成特征，提出了煤矸石从产矸源头　分装、分排、分放的措施，以及综合利用和无污染化处理的方法。　关键词：组成特征；利用途径；煤矸石　中图分类号：ＴＤ８４９　．５文献标识码：Ａ文章编号：１００１—００７６（２００７）０５—００５１—０４　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｉｎｔｏ　Ｃｏｕｓｔｉｔｕｔｉｏｕｓ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｇａｎｇｕｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　Ｕ锄ｚａｔｉｏｎ　ＢＩＡＮ　Ｘｉａｏ—ｄ０　（Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉｐｕｒｐｏｓｅ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｉｎｅｒａｌ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＣＡＧＳ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５ＯＯＯ６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｎｏｒｍｏｕｓ　ｃｏａｌ　ｇａｎｇｕｅ　ｉｓ　ｄｉｉｆｃｕｌｔ　ｔｏ　ｕｓｅ　ａｎｄ　ｃａｕｓｅｓ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ａｕ－　ｔｈｏｒ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｇａｎｇｕｅ，ｔｈｅｎ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｅｐａｒａｔｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｉｎｇ，ｓｅｐａｒａｔｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｉｌｉｎｇ，　ａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｗａｙｓ；ｃｏａｌ　ｇａｎｇｕｅ　煤矸石是煤炭开采和加工过程中排放出的废弃　１．１　煤矸石的成因　岩石。开采煤炭时，从煤层的顶板夹石层或底板部　位，以及在开拓掘进中从煤层周围挖掘和爆破出来　地壳运动将植物的遗体长期压在地壳深处，在　的各类岩石。煤矸石在采煤、选煤过程中被剔除而　温度和压力作用下而形成了煤，煤矸石就是在形成　丢弃，一般煤矸石综合排放量占原煤产量的１５％一　过程中，由于沉积速度不均衡和沉积基底不平，在煤　２０％。我国每年煤矸石排放量近亿吨，目前已累计　层中沉积的泥沙层就是夹矸层，煤层上部的覆盖层　堆积３０多亿吨，形成了１　５００多座矸石山，占地约　就是煤层的顶板，煤层的下伏地层就是煤层的底板。　１．２７Ｙ　ｈｍ　。　随煤层所在的地层不同，煤矸石中含有各种不同的　煤矸石长期堆积，不仅占用大量土地，而且由于　岩石。　自燃和污水渗漏，造成大气和地下水的污染。煤矸　１．２煤矸石的矿物组成　石利用是资源综合利用的重要组成部分，大力开展　含煤岩系是特定的古地理环境和古气候条件的　煤矸石综合利用可以增加煤炭企业的经济效益，改　产物，是以灰色、灰黑色和灰绿色为主的沉积岩系，　善煤矿生产结构，改善环境质量。　主要由砾岩、各种粒度的砂岩、泥岩、炭质泥岩、粘土　１煤矸石的组成特征　岩、可采和不可采煤层组成，石灰岩也比较常见。在　含煤岩系中还经常见到铝土矿、耐火粘土、油页岩、　＋，收稿日期：２００７—０２—２１；修回日期：２００７—０４—１０　作者简介：卞孝东（１９６４一）男，河南民权人，副教授，学士，现从事矿产资源地质勘探和研究工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com 矿产保护与利用　２００７拄　菱铁矿、黄铁矿等。含煤岩系形成过程中，若附近有　火山喷发，煤系中就会有相应的火山碎屑岩分布。　若含煤岩系遭到岩浆侵人，煤系中还会见到各种岩　浆岩。　１．３煤矸石的化学组成　化学组成是评价某一矿物性质，并决定其工业　用途的一项重要指标。作为天然固态岩石集合体，　煤矸石是由无机质和少量有机质组成的混合物，主　要是Ｓｉ０２（含量波动在３７％～６８％），其次是Ａ１　０，　粘土岩类，主要组成为粘土矿物，其次为石英、　长石、云母、岩屑等碎屑矿物，再其次为黄铁矿、碳酸　盐等自生矿物，此外，往往还含有丰富的植物化石。　粘土岩类在煤矸石中占的比例最大，尤其是泥质页　岩、炭质页岩、粉砂质页岩等更为常见。　砂岩类，是含有大量砂粒的碎屑沉积物，可视为　碎屑矿物和胶结物二部分组成，根据碎屑物的粒径　大小又可分为砂岩和粉砂岩。在砂岩中，碎屑矿物　多为石英、长石、云母；石英往往被碳酸盐所融蚀和　交代，云母矿物碎屑一般以白云母为主，长石碎屑往　往易风化为粘土矿物或被碳酸盐交代；胶结物一般　为炭质浸染的粘土矿物，以及含有碳酸盐的粘土矿　物或其它化学沉积物。在粉砂岩中，碎屑矿物多为　石英、白云母；胶结物比较复杂，通常为粘土质、硅　质、腐殖质、钙质等；我国石灰二迭纪煤系地层中粉　砂岩含有丰富的植物化石和菱铁矿结核。　碳酸盐类，多属石灰岩，以方解石、菱铁矿为主，　其次还有白云石、霞石等，往往还混有较多的粘土矿　物、有机物、黄铁矿等。　铝质岩类均含有高铝矿物，以三水铝石、一水软　铝石、一水硬铝石为主，而粘土矿物退居次要地位，　但常常含有石英、玉髓、褐铁矿、白云石、方解石等矿　物。　一般而言，煤矸石中含有多种岩石，其基质大都　由粘土矿物组成，夹杂着数量不等的碎屑矿物和炭　质，因此，可以将煤矸石看成是一种硬质粘土矿物，　其中杂质主要是铁钛氧化物。煤矸石中最常见的粘　土矿物种类有高岭石类、水云母类、蒙脱石类、绿泥　石类，其中地质条件不同，煤矸石有的以高岭石为　主，有的则以水云母为主，有的试样中还含有少量的　绢云母。据有关资料介绍，我国的煤矸石以高岭石　为主的占２／３强，以水云母为主的占１／３弱。煤矸　石中的粘土矿物成分，经过适当温度煅烧，便可获得　与石灰化合成新的水化物的能力，所以，煤矸石又可　视为一种火山灰活性｝昆合材料，其活性大小的衡量　标准是粘土矿物含量。由于炭质页岩、泥质页岩和　砂质页岩占煤矸石的绝大部分，因此，在利用煤矸石　时，要对这三种岩石分别进行研究。　（含量平均波动在１１％～３６％），其它依次Ｃ为　２Ｏ％～３Ｏ％，Ｆｅ２０３为２％～１Ｏ％，ＣａＯ为１％～４％，　ＭｇＯ为１％～３％，Ｎａ２０和Ｋ２０分别为１％～２％，　ＳＯ　和Ｐ　０　分别为０．５％～１％，还有少量Ｎ和Ｈ　等。此外，也常含有极少量的钡、锰、铍、钴、铜、镓、　钼、镍、铅等金属元素，煤矸石的化学成分不稳定，不　同地区的煤矸石成分变化较大。　２煤炭开采与加工所产煤矸石及装运　特点　２．１　煤炭开采与Ｎ－ｒ所产煤矸石岩性特征　露天煤矿剥离的煤层顶板及上覆岩层的岩性主　要是砾岩、砂岩和泥岩；回采过程中排出的煤中夹石　层，一般是炭质砂岩、炭质泥岩，这类煤矸石具有一　定热值。　选煤厂排矸是混人原煤中的伪顶和夹矸层，岩　性主要是炭质泥岩、粘土岩、粉砂岩和伴生硫铁矿　等，有一定的块度，含炭、硫、铁、铝等，具有一定的热　值。　地下采煤排矸以掘进矸石为主，一般将井巷分　为开拓巷道、准备巷道和回采巷道。开拓巷道和各　种硐室，由于施工断面大、服务年限长，为了减少维　护量、减少煤柱损失、提高资源回收率、避免自燃发　火等等，均布置在煤层底板岩层中，掘进排矸排出的　是岩石矸。准备巷道根据可采煤层层数、煤层层间　距不同，掘进排矸有所不同。开采单一煤层一般沿　煤层掘进，排出的是掘进原煤，主要有煤、含有部分　顶、底板岩石。开采多煤层，各煤层回采时共用一套　采区生产系统，准备巷道布置在煤层底板岩层中，掘　进排出的是底板岩石。若掘进岩层中夹有薄煤层、　炭质页岩，排矸则是含有低热值的煤矸石。石门和　各种穿层联络巷，掘进产出的是所穿过的各种相邻　岩石及薄煤层的混合煤矸石。回采巷道基本是沿各　可采煤层掘进，排出物大量是煤，含有破顶或破底的　部分岩石，是掘进原煤还是有低热值煤矸石则视含　炭多少而论。由于含煤岩系的区域变化，掘进回采　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　卞孝东：浅谈煤矸石的组成特征及综合利用途径　也具有区域性和阶段性，所以，同一矿井排出煤矸石　的组成是随时间变化的。开拓阶段排出岩矸石较　多，准备和回采阶段排出含炭矸石较多。掘进含有　某种伴生矿物的层段时，排出的煤矸石具有深加工　了协庄、华丰两座矸石热电厂。总装机容量３６　ＭＷ，年发电１．８亿ｋＷ・ｈ，实现年利税２　８８１．３万　元，年利用矸石３２．７２万吨，同时安置人员７８０人。　为了治理煤矸石燃烧释放的ＳＯ　，两个矸石电厂均　价值。但该层段掘进完成后，这一阶段不再产生这　采用了循环流化床锅炉，燃烧中脱硫效率较高，同时　种煤矸石。　２．２煤矸石的装运特点　露天煤矿剥采工程中的破岩工艺，多采用钻孑Ｌ　爆破，铲斗机械装运矸石，煤层中夹石层也一同装运　到排土场。所以，排出堆存的为混合煤矸石。　地下掘进井巷总的可分为岩巷、煤巷和半煤岩　巷。我国煤矿广泛应用钻眼爆破方法掘进破岩，也　有少数使用掘进机械直接破岩的。井巷施工断面上　的岩石分层或夹有的薄煤层，在破岩时被混杂成为　混合煤矸石，由装岩机装入矿车，再由机车编组运　出。同一矿井中有多条处于不同岩层的井巷同时在　施工，所以，一串机车拉出的是各种岩石碎块组成的　混合煤矸石。穿层巷道如石门、联络巷等在掘进破　岩、装车工序中排岩的已经成为混合煤矸石。顺层　掘进的全岩巷道，在破岩、装车时是岩性较单一的岩　矸石，在编组运出时与其它煤矸石混合排放。顺层　掘进的半煤岩巷道，有煤与岩分破分装和混破混装　的不同情况。为了便于利用不同岩性的煤矸石要尽　可能采用分装分放的原则。　３煤矸石的利用途径　煤矸石综合利用，不外乎是煤矸石发电、生产建　材、无污染化复垦等大宗量利用和高科技、高附加值　的深加工利用。但是，若煤矸石已经混杂堆积，再加　工利用就会增加成本，影响产品质量，甚至无法利　用。因此，应该从产矸源头分装分运分排，为分类利　用创造有利条件。因矿区的装运场地有限，煤矸石　过细的分类分排不切实际，但至少可以分成含炭矸　石和岩矸石两大类进行分运分排。含有伴生矿物、　具有深加工价值及特殊用途的煤矸石也可以单独排　运，以最大限度地提高利用率，减少堆存量。　３．１　用煤矸石发电和造气　一般利用热值大于３　７６８．１２　Ｊ／ｋｇ的中炭至高　炭煤矸石作燃料，通过循环流化床锅炉燃烧发电。　我国已有一批煤矸石电厂在运转之中。如新汶集团　公司自１９９５年以来，先后投资１．９８亿元，相继建成　使用了水膜除尘脱硫工艺，大大减少了矸石燃烧时　对环境的污染。　造气用的煤矸石一般要求炭为７０％一８０％，发　热量为４　１８６．８０—５　０２４．１６　Ｊ／ｋｇ。煤矸石煤气炉造　气原理与一般煤气发生炉基本相同。所得煤气的热　值可达２　９３０．７６—４　６０５．４８　Ｊ／ｍ　。　３．２变废为宝，用煤矸石制砖　岩矸石中的岩浆岩、石灰岩、钙、硅质砂岩砾岩　等，可以破碎筛分，其块、粒、粉均可作为混凝土拌料　和掺合料，生产建材预制件、各种砌块、免烧砖。机　械强度差、易于破碎的岩矸石，如泥岩、泥质砂岩、粘　土岩等，适于制作烧结砖、陶瓷砖。如新汶集团公　司，自１９９７年以来，先后投入资金４　６８０万元，建成　并投入运营煤矸石砖厂２座，主要生产以煤矸石为　原料的多孑Ｌ砖，年生产能力为１．２亿块折标砖，年消　耗煤矸石３２．５万吨。　３．３　用煤矸石制取碱式氯化铝和水玻璃　据研究，可用煤矸石在同一工艺过程中，制取碱　式氯化铝和水玻璃。将煤矸石破碎、煅烧、酸溶和过　滤，滤液中的氯化铝经加碱调整盐基度就可得到合　格的液态碱式氯化铝。滤渣中的ＳｉＯ　与加入ＮａＯＨ　的反应，在１２０—１５Ｏ℃的温度下，在反应釜中反应２　—３　ｈ，然后在贮存池中沉淀，滤去不溶物，滤液浓缩　后便得到水玻璃。该工艺产生的残渣含有大量活性　物质，可用作建筑材料，如作为水泥配料，对于有些　煤矸石原料，还可从残渣中提取金属元素。　３．４煤矸石制取聚合氯化铝　据报道，以煤矸石为原料，用酸溶法制取聚合氯　化铝技术已成熟，其工艺流程可分为破碎、焙烧、连　续酸溶、浓缩结晶、沸腾分解和配水聚合等工序。目　前用该方法生产１　ｔ聚合氧化铝的总成本为７４１．４５　元，税金为１３５元，而市场售价可达１　３５０元，即每吨　产品利润可达４７３．５５元。生产过程中，酸溶产生的　残渣可用作水泥配料，或制成水玻璃等产品。　３．５用煤矸石制取硫酸铝　用煤矸石制取硫酸铝的工艺比较简单，主要工　维普资讯 http://www.cqvip.com ・５４・　矿产保护与利用　２００７盎　序是破碎、酸解、过滤提纯、蒸发结晶和脱水烘干。　其成品是十八水硫酸铝（Ａｌ　（ＳＯ　）　・１８Ｈ　０）。目　和长效的特点，适用于各种农作物的土壤。　３．８煤矸石的其它用途　除了上述用途外，煤矸石还被用来生产新型工　前，采用本工艺生产１　ｔ硫酸铝成本为１　５２３元，按售　价２　ｌ０ｏ元计，减去税收２１０元，每吨产品的利润为　３６７元，产品质量符合中华人民共合国化工行业一　级品标准（ＨＧ／Ｔ一９２）。　３．６用煤矸石配制水泥　煤矸石已被广泛用于水泥生产。如河南义马煤　业集团公司水泥厂利用煤矸石代替粘土生产水泥，　水泥中煤矸石含量可达３０％，煤矸石的掺人可使吨　熟料（非标准煤）煤耗由４７５　ｋｇ降至３７８　ｋｇ，每年可　节煤１１　６４０　ｔ。熟料台时产量由６．５４　ｔ提高到８．３３　ｔ，而且吨熟料电耗下降６．９３　ｋＷ・ｈ。１９９７年义马　煤业集团公司使用的煤矸石已超过３．６万吨。再如　新汶集团公司２００２年又建成一条生产水泥熟料３０　万吨的回转窑生产线。现每年集团公司可利用煤矸　石、粉煤灰４４万吨，年水泥总产量达１００多万吨。　煤矸石还可用于配制速凝早强水泥。以煤矸　石、石灰石、萤石、石膏和铁矿粉为原料，采用高铝矸　石加复合矿化剂的配料方案，生产出的速凝早强水　泥已达到国家建材标准（ＪＣ３１４—８２），符合“快凝快　硬硅酸盐水泥”（双快的一１５０）的技术指标。　３．７用煤矸石生产肥料　煤矸石中含有大量的有机质和丰富的、植物生　长所需的稀有元素，也是携带固氮、解磷、解钾等微　生物的理想原料基质和载体。用含岩岩矸石生产的　有机复合肥料和微生物肥料，施于田间可以增强土　壤疏松、透气能力，改善土壤结构，起到一定的增产　效果。如重庆煤炭研究所利用煤矸石制取氨水，产　品除氢氧化铵外，还含有亚硫酸铵、碳酸铵和磷、钾　等，属于复合肥料。北京市勘察院与中国地质大学　合作，利用煤矸石生产高浓度有机复合肥，具有速效　业填料，用于泡沫、人造革、薄膜、橡胶工业制品和涂　料等。可取代轻钙、碳黑和立德粉等。高硫煤矸石　可用于生产硫磺和硫酸；一些煤矸石还可用作陶器　原料和耐火材料。此外，岩矸石暂时不能加工利用　的，可以充填塌陷区或埋填造地。在山区，岩矸石可　以充填山沟，修筑矸石重力大坝，拦泥淤地，既利于　水土保持又可造山间平地。山西阳泉矿务局四矿与　平担镇富山村，工农联合利用废弃煤矸石充填山沟　造地３　ｈｍ　多，每年排矸６０万吨既不需支付购地　费，又使煤矿周围的生态环境得到了改善。　４结论　煤矸石既占用大量土地，又严重污染环境。开　发利用煤矸石具有环境和经济双重意义。目前，我　国已将煤矸石用于发电和造气，生产各种化工产品、　建筑材料和复合肥料等。然而，总的说来，开发利用　煤矸石在我国还属于起步阶段。利用规模还很小，　大约为产出总量的１０％，即每年全国约利用１　０００万　吨煤矸石。因此，必须加强对煤矸石的开发利用工　作，变废为宝，变害为益。随着环境意识的增强和研　究程度的深入，可以预见，煤矸石的应用领域和规模　必将不断扩大。　参考文献：　［１］韩德馨，杨起．中国煤炭地质学［Ｍ］．北京：煤炭工业出　版社．　［２］朱建荣．全国资源综合利用工作会议评述［Ｊ］．煤炭加工　与综合利用，１９９７（１）．　［３］郭廷义，田义．贯彻固体废物污染环境防治法，加速煤矸　石利用［Ｊ］．煤炭加工与综合利用，１９９７（３）．