1、专题部分煤矸石的特征及综合利用研究摘要：煤矸石是工业固体废弃物中排放和堆存量最大的一种，若不加以利用，长期堆放于地表，不仅占用大量土地、影响自然景观、破坏小区内的生活环境，而且还会造成大气、土壤、水体污染及地质灾害的发生。大力加强煤矸石的综合利用是保护环境、实施可持续发展战略的双重要求。本文利用先进的分析方法重点研究了煤矸石的理化性能、成分特征以及主要岩石组成，对煤矸石利用途径进行了探讨。研究煤矸石目前的主要利用途径为:制造水泥、建材、用于筑路、用做燃料发电、采选伴生矿物、生产有机肥料等等。这些都是很好的煤矸石利用途径，可以消耗掉大量的煤矸石，且符合在煤炭矿区发展循环经济的要求，实现矿业生产的
2、可持续发展。在矸石制砖新配方试验中，考虑了作为原料的矸石和粉煤灰的主要物化性质、粉煤灰的添加比例、焙烧温度等主要因素，得出了制造煤矸石-粉煤灰砖的最佳配料比例。通过对作为动力燃料用来发电的煤矸石进行固硫实验研究，论证了用石灰岩和白云岩作为固硫剂进行固硫的可行性，得出固硫的最佳实验条件。关键词:煤矸石 理化性能 利用 制砖新工艺 固硫 1 绪论 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，煤炭在我国总能源结构中的比例占到70%以上。在煤炭开采和洗选加工过程中，排放出大量的煤矸石。 煤矸石是煤炭开采和加工过程中排放的废弃物，主要有三种类型:煤层开采产生的煤矸石，由煤层中的夹矸
3、、混入煤中的顶底板岩石如炭质泥(页)岩和粘土岩组成；岩石巷道掘进(包括井筒掘进)产生的煤矸石，主要由煤系地层中的岩石如砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩、岩浆岩等组成；煤炭洗选时产生的煤矸石(即洗矸)，主要由煤层中的各种夹石如粘土岩、黄铁矿结核等组成。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。目前我国煤矸石的积存量已达41亿吨以上，并且仍以每年亿吨以上的速度递增。矸石山侵占着大量的土地，其中大部分为耕地。 煤矸石是工业固体废弃物中排放和堆存量最大的一种。若不加以利用，长期堆放于地表，不仅占用大量土地、影响自然景观、破坏小区内的生活环境，而且还会造成大气、土壤、水体污染
4、及地质灾害的发生。煤矸石若加以充分利用，则将变“废”为宝，化害为益。1.1 煤矸石的社会及环境问题 在以前较长的一段时间内，煤矸石在采煤、选煤过程中只有被剔除而丢弃，所以几乎所有的煤炭矿区的煤矸石都堆积如山。而且我国对煤矸石的治理思想从环境卫生角度考虑较多，而环境保护意识似乎还不够，处置方法是以消极的堆放保存为主。这种以堆贮为主的煤矸石治理方法付出的代价是相当大的，而且已经带来了诸多的社会和环境问题。1.1.1 占用大量耕地 堆贮煤矸石需要占用大量土地，截止到2000年底，全国有煤矸石山1500多座，占地约22万多公顷。土壤是很难再生的资源，地球上要形成1cm厚的土壤，需经300500年的漫长
5、岁月。中国是一个耕地资源非常紧缺的国家，人均耕地占有量只有1.51亩，仅为世界人均水平的45%；我国以占世界7%的耕地要养育占世界22%的人口，耕地资源十分宝贵，而随着煤矸石排放量的增加，占地面积还将进一步扩大。对于像我国这样一个人多地少的国家而言，其前景不堪设想。所以，煤矸石的大量排放对社会和经济发展造成的影响己不容忽视，必须加快对煤矸石的综合利用。1.1.2 矸石山对环境的影响 煤矸石山对周围环境的污染主要表现在以下几个方面： (l)破坏自然景观：矸石风化物的矿物组成和化学成分与土壤接近，故多年后也能生长少量的植物。植物以草本为主，也有极少量的木本植物。生物生长一般都正常，但植被覆盖率较低
6、，一般植物覆盖率仅1030%，黑色地面大部分还是暴露的。在酸性较强的矸石山上就寸草不生。巨大且表面裸露的矸石山严重影响矿区自然景观，矸石山已成为煤炭矿区的不良标志。 (2)形成扬尘：矸石堆积成山后，表面矸石半年至一年后会产生一层风化层，风化层约10cm左右，可十几年保持不变。随着时间推移风化层颗粒逐渐变细，原矸石都是较大的石块，经风化后，颗粒变小。颗粒由石块(5mm-10mm)逐渐风化成粗砾(2mm5mm)、砂粒(0.5mm2.0mm)，以及更细的颗粒。因此，煤炭矿区在有风的天气情况下，常常形成扬尘。距矸石山越近扬尘越严重，如距矸石山5m处比200m处扬尘大515倍。扬尘与风速有一定的正相关，
7、同风速下扬尘与颗粒细度有关。 (3)污染地表水和地下水:矸石山的风化物无粘结性，矿物颗粒可随降水而移动，风化物中某些成分可随降水进入水域。矸石风化过程中可分解出部分可溶盐，据山西阳泉矿务局测定矸石中cl-、HC03-、Mg2+、Ca十、K+、Na+组成和含量与内陆盐渍土的盐分组成和含量相似，呈斑状分布，可随水移动。矸石中还含有多种重金属元素，如:铅、锅、汞、砷、铬等，可造成水污染，污染程度取决于这些元素含量和淋溶量。风化和自燃使矸石风化物由中性变酸性，酸性最强时，pH可达到3，由矸石山流出的水呈现酸性，对周围环境与水域会造成污染和影响。 (4)污染土壤：大气和水携带的矸石风化物细粒可漂撒在周围
8、土地上，污染土壤，矸石山的淋溶水进入潜流和水系，也可影响土壤。 (5)地面高温：矸石一般呈黑色或红色，表面吸热极强，夏日中午矸石地表温度常可达40，因此可使矿区气温增高。 (6)污染大气：因煤矸石主要由炭质页岩组成，其中还混有少量的煤和黄铁矿(FeS2)等可燃物。而且矸石山上矸石大量堆积，体积大、着火点低，矸石堆置中产生的空隙为矸石自燃提供所需的氧气，这些内因和外因促使矸石的自燃。自燃时会弥散大量的S02、CO和H2S等有害气体以及NOx、苯并(a)花等有毒害的气体，大量S02、NOx进入大气，是造成酸雨的源头之一。 综上所述，如何解决煤矸石的利用问题已经迫在眉睫。大力加强煤矸石的综合利用是保
9、护环境、实施可持续发展战略的双重要求。煤矸石综合利用可行性评价研究的目的是为了使煤矸石综合利用更加合理，既满足技术要求，同时又具有较高的经济效益和社会效益。从长远的角度出发，使煤炭工业走上一条可持续发展的良性循环道路。通过大量资料的分析，找出一套切实可行的、科学的评价方法，使得评价工作更准确、更可靠，可为煤矸石综合利用提供科学依据。1.2 国内外煤矸石综合利用现状 世界各国都很重视煤矸石的处理和利用。自上世纪60年代开始，煤矸石综合利用就已经引起很多国家重视，到70年代，国外部分矿区煤矸石利用率已达到100%。英国将煤矸石的综合利用，特别是将热电转换引入到过程集成节能技术及应用方面进行了系统研
10、究，其他产煤大国也有不少技术人员介入到这一领域，开展了专项研究工作。英国煤管局在1970年成立了煤矸石管理处；波兰和匈牙利联合成立了海尔得克斯矸石利用公司，这些机构是专门从事煤矸石处理和利用的。近年来，国外越来越广泛地利用煤矸石生产建筑材料。原苏联在顿巳斯、库兹巴斯、卡拉干达等产煤地区广泛选用煤矸石作原料，采用挤出法或半干法成型，生产实心或空心砖。苏联建工研究所介绍，利用煤矸石制砖，燃料消耗可以减少80%，产品成本降低19%20%。法国、德国等的煤矸石利用率已达30%50%。我国自第六个五年计划以来，环境意识越来越强，煤炭系统每年都投入大量人力和财力进行矸石山的治理，也取得了一些较为成熟的经验
11、。到目前为止，消化和利用矸石的主要途径有：(1)充填塌陷区矸石充填是一种重要的复恳方式。利用煤矸石作为塌陷区充填材料，可大量地消耗煤矸石，这样可减少煤矸石对矿山环境的污染(占地、污染水源、污染大气、影响环境卫生等)，在充分利用矿区固体废物的同时，解决塌陷地的复恳问题，因而具有一举多得的效果。(2)发电采煤过程中排出的废弃物大多含有一定量有机质，可以利用煤矸石在沸腾炉中燃烧供暖或发电，燃烧后的灰渣可用以生产水泥等建筑材料。近年来，我国煤矸石发电方面进展很快，其兴起和发展是与我国流化床燃烧技术的开发与发展密切相关的，随着我国对鼓泡流化床、循环流化床、加压流化床、煤泥发电和油页岩发电锅炉等新技术的研
12、究和开发，矸石发电也创造了许多成功经验。35吨/小时循环流化床锅炉得到广泛使用，75吨/小时循环流化床锅炉已完成完善化工作。“九五”期间新建煤矸石电厂基本采用了35吨/小时或75吨/小时循环流化床锅炉，有些企业还增加了电除尘和脱硫设备。135吨/小时循环流化床锅炉正在煤矸石电厂进行示范。到2000年底，全国煤矿有煤矸石、煤泥等低热值燃料电厂120余座，总装机容量184万千瓦，年发电87亿千瓦时，其中“九五”期间建设的煤矸石电厂有35座，新增装机容量45万千瓦，分别占煤矸石电厂座数和总装机量的29%和25%。到2005年，煤矸石电厂装机容量将发展到550万千瓦，新增装机容量360万千瓦。制砖未经
13、自燃的矸石可用以配料制砖，并且可以利用其中所含有机物的自燃，从而节约原料煤，这种方法投资不大，方法简单，己广泛使用。同时自燃过的矸石可供制砖。煤矸石制砖技术和装备取得重大突破，制造技术达到国际先进水平。黑龙江省双鸭山市东方工业公司和山东省新汉矿业集团公司，分别引进法国和美国先进的制砖设备，消化吸收生产的JEK双级真空半硬塑挤砖机和JEK系列双级真空硬塑挤砖机成套设备，改变了传统的制砖工艺和落后的设备，降低了工业成本。到2000年底，全国煤矸石砖厂已达240余座，生产能力22亿块标准砖。为了适应发展新型墙体材料的需要，“九五”期间我国共建设煤矸石新型墙体材料生产线10条，年生产能力达6亿块标准砖
14、；不仅在规模上，而且在品种和质量上都有很大提高。预计到2005年，煤矸石砖生产量将由22亿块标准砖增加到100亿块标准砖。研究区现已建成4座矸石砖厂，年产矸石砖1.7亿块，年消耗煤矸石45万吨。(4)生产建筑材料用矸石生产轻骨料，代替石子生产轻型建筑材料，这一方法较之配方制水泥、制砖等工艺稍复杂，也需投入一定设备，目前国内外采用较为普遍。(5)其它采用配方制陶器、回收其中稀有金属、生产渣棉等保温材料、生产铸石品、改造盐碱地等。煤矸石高附加值利用和大用量利用技术也取得了新进展。“九五”时期开发了利用煤矸石生产增白和超细高岭土，以煤矸石为载体生产无机复合肥料等技术；完善了利用煤矸石生产氯化铝，聚合
15、氯化铝等化工产品，岩棉及其制品，特种硅铝铁合金等技术。煤矸石复垦在充填、水土保持、作物种植等技术上均取得了较大突破，并在煤矸石复垦塌陷区的开发利用中取得了较好的社会效益和环境效益，有效的提高了土地的利用率。2000年，全国煤矸石综合利用量已经达到6600万吨，比1995年增加1000万吨；综合利用率由1995的38%上升到43%，提高了5个百分点，结束了“八五”时期在38%左右长期徘徊的局面。五年累计综合利用煤矸石3.1亿吨，年均增长率为为4%：累计节约能源折合标准煤约3300万吨，节约土地1万多亩。预计到2005年，全国煤矸石综合利用量可以增加到8000万吨，综合利用率由43%提高到60%。
16、但是当前煤矸石综合利用工作中仍然存在一些问题，主要是:(1)综合利用总体水平不高。主要表现在技术装备落后，企业规模小，竞争能力弱，一些技术含量高的煤矸石综合利用技术还未得到广泛应用。(2)地区发展不平衡。在能源相对短缺的地区，煤矸石综合利用发展较快，而山西、山东等产煤大省综合利用率仅为27%，潜力还很大。2 煤矸石岩石学特征及矿物组成2.1煤矸石岩石学特征2.1.1煤矸石主要来源研究区煤矸石的主要来源有:井筒和岩石巷道掘进过程中开凿排出的岩石，由本区石炭-二叠纪山西组和太原组岩石组成，主要岩石有泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、砾岩和石灰岩。煤层开采和煤层巷道掘进过程中，由煤层中的夹矸或削下部分煤层的顶板和底板组成，本区主要岩性为炭质泥(页)岩、高岭石粘土岩、粉砂岩、硅质岩；煤炭洗选过程中排出的矸石，主要由煤层中的各种夹石如高岭石
