矿区煤矸石的综合利用研究

摘要：煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中产生的固体废弃物，也是我国目前排放和堆放量最大的工业固体废弃物之一。它占用土地，危害生态环境，污染大气、土壤、水体、引发地质灾害。大力加强煤矸石的综合利用是节能降耗，延伸煤炭产业链实施可持续发展战略的双重要求。鉴于此，本文对矿区煤矸石的综合利用进行了探讨。

关键词：煤矸石；综合利用；环境

一、前言

我国是一个煤炭生产和消费大国，每年的煤炭生产和消费总量均达亿吨级，在煤炭开采和洗选加工过程中，排放出大量的煤矸石。煤矸石产出量一般要占到煤炭产量的 10%左右，约占全国工业废渣排放量的 1/4。煤矸石是工业固体废弃物中排放和堆放量最大的一种，若不加以利用，长期堆放于地表，不仅占有大量土地，影响自然景观，而且还会造成大气、土壤、水体污染和地质灾害的发生。目前我国煤矸石的积存量已达45 亿 吨以上，并且仍以每年亿吨的速度递增。矸石山侵占着大量的土地，其中大部分为耕地。因此加强对煤矸石的综合利用已经势不容缓。

二、煤矸石性能分析

煤矸石的性能决定了煤矸石的利用范围和利用方式，是评价其品质的重要依据，也是煤矸石综合利用的基础。下面从物理性能和化学危害两方面对煤矸石性能进行分析。

1、煤矸石的物理性能

（1）可塑性。煤矸石必须经过细碎后才有塑性，矸石中砂岩塑性较页岩差。（2）粘性。随着煤矸石颗粒的比表面增大，矸石泥团基本可以塑性成型时，泥浆粘度在 1.1 P 左右，可用于注浆成型。（3）硬度。含砂岩煤矸石的真比重和硬度较含页岩煤矸石的大，含页岩多的矸石硬度在 2～3 摩氏硬度之间，含砂岩多的矸石硬度在 4～5 摩氏硬度之间。（4）收缩性。煤矸石塑性比较低，收缩性也就比较小，一般线收缩在 2.5%～3.0%，烧结后的线收缩在 2.2%～2.4%，相应吸水率在 17%～19%之间。（5）烧结温度范围。煤矸石的烧结温度一般在 1050℃左右，900℃为一次膨胀，1120℃至 1160℃时收缩量小，温度继续上升至 1160℃以上时产生二次膨胀，由固相转为固液相或完全熔融。（6）脱炭温度。煤矸石的脱炭温度一般总是低于最佳烧结温度，最佳脱炭温度常发生在 1000℃上下，最低脱炭时间为 200～250min，在整个脱炭过程中，应保持氧化气氛。

2、煤矸石的化学危害

煤矸石中含有的有害杂质主要是硫化物和碳酸盐类混合物，以及汞、砷、氟、氯等微量元素。矿区煤中硫含量一般小于 0.5%，所以矿区煤矸石中硫含量较低，通常以有机硫和无机硫两种形式存在。主要来源于黄铁矿（FeS2）和石膏（CaSO4）矿物。黄铁矿在煤层中呈透镜状、结核状和细分散状。硫化物易氧化生成 SO2，SO2再经氧化并与空气中水分作用形成雾状硫酸，对煤矿周围的设备、建筑、人畜和植物危害都很大，煤矸石中的硫酸盐以石膏、硬石膏和半水化合物形式存在，往往沿层面或裂缝以微小晶粒可见，属后生矿物。煤矸石中的碳酸盐类分布极广，主要是方解石和菱铁矿，其次还有白云石等。方解石呈薄膜状充填于裂缝及层面中。

三、煤矸石的综合利用途径

1、煤矸石制砖

煤矸石烧结砖是以煤矸石为主要原料生产的一种新型建筑砌体材料，是利废、节能、保护土地和绿色环保的工业产品。用于制作煤矸石烧结砖的原料的化学组成主要有二氧化硅和三氧化二铝，同时含有少量的碱土金属及碱金属氧化物，例如氧化铁、氧化钙、氧化镁及氧化钠、氧化钾等。传统的全煤矸石烧结砖虽然可大量利用煤矸石，节约烧砖用煤，但对煤矸石的粉碎颗粒有严格的要求。煤矸石需粉碎到小于 1mm 的颗粒占总重量的 75%左右才能制砖，所以增加了破碎、粉碎、除尘费用，电耗高，机械易磨损。即使考虑到节约用煤的经济效益，煤矸石砖的生产成本也常高于粘土砖，且制空心砖在成型时很容易出现烂角、泥条、坯体内壁厚薄不均等问题。用煤矸石粉压制成的砖坯，要求塑性指数在 7～17 之间，塑性指数过低，砖坯易弯曲，为此要掺入瘦化剂。煤粉燃烧后失去结合水的粉煤灰，塑性指数偏低，一般小于6，是理想的瘦化剂。矸石电厂粉煤灰是采用静电除尘法收集的，颗粒极小，粒径几乎全部小于 0.3mm，如用作制砖燃料，则可省去粉碎费用。因此，在有一定塑性指数的煤矸石粉中掺入一定比例的粉煤灰，烧制煤矸石/粉煤灰烧结砖，对降低煤矸石砖的生产成本有着重要意义。

2、煤矸石筑路

近年来各种工业废渣的利用也越来越引起人们的重视，在各种工业废渣中，煤矸石产量最大，性能适于用作公路填料，也为煤矸石的再次利用找到了一条合适的途径。而且把煤矸石作为道路基层材料用于筑路工程，有着明显优势：（1）对煤矸石的种类和品质没有特殊要求，对有害成分含量的限制要求不高，适用于多种类型煤矸石。（2）煤矸石在道路工程中的应用具有耗渣量大，无需进行特殊处理及采用特殊技术的优点，是一种利用煤炭工业废料，减少环境污染的有效途径。因此对煤矸石的应用研究，特别是在道路工程中的应用，具有较大的经济效益和社会效益。（3）矿区煤矸石的化学性能比较适合作为路基，煤矸石含有硅、铝、铁、钙、镁、硫等氧化物和固定碳，其活性物质（SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeS）的含量一般在 80%以上。是一种典型的碱性矿渣，经水解辗压后，在一定温度下，产生“火山灰反应”，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙，同时产生部分碳酸钙而形成板体，对路基的稳定极为有利。（4）煤矸石的压碎值为 30%，正好满足路基填料的要求；高速公路的填料最大强度要求为 8%，煤矸石的承载比正好满足安全要求；煤矸石的吸水量略大于碎石吸水量，正好满足路基抗冻性强、水稳定性好、分散能力强的特点，因此用煤矸石作中期路基填料能有效防止冻胀和翻浆。

3、利用煤矸石发电

利用煤矸石、煤泥、中煤等低热值燃料建设煤矸石电厂符合国家产业政策。它有利于节约资源，改善环境质量。一方面解决了矿区煤矸石的出路问题，另一方面发出的电又可供应矿区生产，化害为利，变废为宝。同时，可取代矿区内现有煤耗高，热效率低的各种中、小型锅炉，减少烟尘和 SO2的排放量，改善矿区环境条件。根据国家产业政策，适合于实行集中供热，热电联产，以提高整体效益。在矿区建设煤矸石电厂，可以充分利用矿区的煤矸石、煤泥和中煤，而且，发电过程中产生的废渣、粉煤灰等可以供给砖厂、水泥厂使用；它不仅可以满足供热负荷日益增长的需要，而且可以适当增加供电负荷，提高矿区供热安全性和可靠性，对矿区经济发展起到促进作用。利用煤矸石作为燃料发电，可分为两种情况，一种是全部用煤矸石，另一种是用煤矸石、煤泥、中煤混合。在用煤矸石、煤泥、中煤的混合物做燃料时，要求煤矸石的收到基热值在5020 kJ /kg 以上。在煤炭开采和洗选加工过程中，排放一定的煤矸石，其中一部分热值较高可以直接利用，用于煤矸石电厂发电。电厂的灰渣其物、化性能好是生产建材的活性填料和辅料；生成的粉煤灰也可以作为水泥厂的原料；另外灰渣也是塌陷区的填料，为矿区复垦造田创造了前提条件。

4、煤矸石制水泥

水泥是一种无机水硬性胶凝材料，它加水成浆状态，既能在空气中硬化，又能在潮湿介质或水中继续硬化，并能把沙、石等材料牢固地胶结在一起形成人工石材。采用煤矸石生产水泥，要求煤矸石中 SiO2 、Al2O3和 Fe2O3含量较高，三者的总含量要求在 80%以上。可以利用煤矸石生产少熟料或无熟料水泥等，煤矸石无熟料水泥是以煅烧煤矸石为主要原料，有时也掺入少量熟料作激发剂，生产这种水泥方法简单、投资少、收效快、成本低、规模可大可小。煤矸石熟料水泥也是以煤矸石为主要原料制成，是用熟料代替石灰作为主要原料之一。它与熟料水泥相比，具有凝结快、早期强度高、劳动条件好、简化工艺等特点，生产工艺流程是用煅烧煤矸石、石灰加少量熟料或少量熟料水泥。煤矸石的技术要求与做混料生产火山灰水泥基本相同。要求含炭量低、活性高、成分稳定，煅烧温度在 650℃～1000℃之间。近年来许多地方采用沸腾炉煅烧法，掺入量根据煅烧煤矸石的活性、石膏和石灰（或熟料）的质量确定，一般占 60%～70%。

三、结语

总之，过去矿区煤矸石在采选过程中只有被丢弃，处置方法是以堆放为主，这种以堆放为主的煤矸石治理方法付出的代价是相当大的，大量堆积的煤矸石形成矸石山，侵占大量土地，构成了对生态、环境、安全的三重破坏和威胁，已经带来诸多的社会和环境问题。因此必须加强对矿区煤矸石的综合利用的研究。

参考文献

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