煤矸石的产生及组成
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发布时间：2022-04-21 23:49
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时间：2023-07-23 01:56
一、煤矸石的产生
我国煤炭资源储量丰富，煤种齐全，目前已探明原煤储量近15000×108t，主要分布在山西、陕西、内蒙古、新疆、山东、河南、江苏以及黑龙江等干旱、半干旱区域。2008年，我国煤炭产量由2000年的9.98×108t增至27.16×108t，年均增加近3×108t，成为世界煤炭生产第一大国。为保证我国国民经济的正常发展，预计到2020年煤炭仍占一次性能源的70%左右，是我国最主要能源，而且这种能源结构在相当长时间内不会改变。煤炭资源的开发对我国经济建设和社会发展起到了重要的支撑作用，但是煤炭的开采和利用也引发了一系列的生态环境问题，煤矿区已经成为典型的、严重受损的生态系统，并成为制约煤矿区可持续发展乃至区域生态安全的重大隐患。因此，煤矿区生态环境治理迫在眉睫。
煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板和底板及煤层中的夹矸以及洗煤过程中排出的矸石。作为煤炭开采和加工过程中的必然产物，煤矸石是我国目前工业排出的固体废弃物中数量最大的一种，也是矿区环境污染和生态恶化的主要原因之一。
多年来，我国煤炭开采过程中排放的煤矸石、粉煤灰、剥离物等固体废弃物累计达74×108t，占压土地8×104hm2，其中，煤矸石是排放量最大的一种固体废弃物。从煤炭开采来看，我国每年生产1×108t煤炭，排放矸石1400×104t左右；从煤炭洗选加工来看，每洗选1×108t炼焦煤，排放矸石量2000×104t，每洗1×108t动力煤，排放矸石量1500×104t。据不完全统计，目前，全国仅国有重点煤矿就有矸石山1700多座，堆积量50×108t以上（占全国工业固体废物排放总量的40%以上）。而且随着我国经济发展规模的扩大和对能源需求的不断增长，以及煤炭储量的逐年减少和产量的不断提高，煤矸石占煤炭产量的比例呈不断上升趋势。由此可见，由煤矸石引起的生态环境问题形势十分严峻，煤矸石的环境治理、生态重建和资源化利用显得十分必要。
煤矸石是聚煤盆地煤层沉积过程的产物，是成煤物质与其他物质相结合而成的可燃性矿石。聚煤盆地的沉降运动的变化，引起植物遗体堆积速度和沼泽水面上升速度之间出现“不足补偿”。如沼泽水面上升速度大于植物遗体堆积速度，沼泽水面加深，沼泽环境变化，引起泥炭作用减弱或停止，低含炭泥层或泥砂层沉积，在其后的地质作用下，形成了煤层的顶板、底板或煤层中间的含碳质泥岩或其他成分的岩层。
一般来讲，煤矸石是煤炭开采带出来的碳质泥岩、碳质砂岩，但在煤矿实际生产过程中，煤矸石是煤矿建井和生产过程中排出来的一种混杂岩体。它包括煤矿在井巷掘进时排出的矸石、露天煤矿开采时剥离的矸石和洗选加工过程中排出的矸石。夹在煤层中间的岩层层数有多有少，有厚有薄，其中最常见的岩石有粘土岩、碳质泥岩、砂质泥岩、砂岩等。产生于煤层中的煤矸石煤层的顶板，常见的岩石有粘土岩、砂岩及铝矾土。在岩浆发育的煤田中，有的煤层顶底板或煤层中间有岩浆岩侵入。我国煤矸石主要来自于石炭系、二叠系晚期、侏罗至早白垩系等含煤地层。它是由碳质页岩、碳质泥岩、砂岩、页岩、粘土等岩石组成的混合物。
根据煤矸石的产生和来源，一般露天矿剥离岩石及采煤岩石巷道掘进排出的煤矸石称为白矸，约占总矸石排放量的45%；采煤过程中产生的普通矸石约占总矸石排放量的35%；选煤厂排出的选矸约占总矸石的20%（表1-1）。
表1-1 煤矸石来源及产生情况
随着煤炭生产的不断扩展，煤矸石的产生量与日俱增，2011年煤炭产量达35.2×108t，煤矸石产生量按原煤产量的15%计算，每年煤矸石至少增加5.28×108t，历年积存下来的煤矸石已超过50×108t，占地30万亩以上，而且仍在继续增加。这样大量的煤矸石已经严重地污染了环境，并侵占了大量的土地和农田，破坏了土地资源，如不加紧有效利用，将影响煤炭工业的正常发展，影响周围环境质量。煤矸石的产生与分布与原煤产量有直接的关系。目前，我国煤矸石年排放量达400×104t的省份有山西、黑龙江、内蒙古、山东、河北、陕西、安徽、河南、新疆等。另外，四川和其他省、自治区也排放有大量的煤矸石。可见，煤矸石排放比较多的地区主要集中在北方。
露天煤矿产生的煤矸石主要是剥离和煤层顶板及上覆岩层的岩石，其岩性主要是砾岩、砂岩和泥岩；地下采煤的开拓巷由于资源回收、减少损失等原因一般布置在煤层底板岩层中，掘进排矸是岩石矸。因此，此类矸石一般是不具有燃烧值的白矸。露天煤矿回采过程中排出的煤矸石主要是煤中夹石层，一般是含炭砂岩、炭质泥岩等，此类煤矸石含有一定热值。地下采煤的准备巷道和回采巷道根据煤层多少和巷道位置的不同，产生的煤矸石含炭的多少不定，部分为具有低燃烧值的矸石。选煤厂排出的矸石是混入原煤中的伪顶和夹矸层，岩性主要是伴生硫铁矿、粉砂岩、炭质泥岩和粘土岩等，这类矸石具有一定的块度、粒度，在其化学组成上含炭、硫、铁、铝等，因此具有一定的热值，在一定的条件下极易发生自燃，这也是煤矸石山自燃的重要原因。
二、煤矸石的主要组成
煤矸石的组成随产地、层位、成因、开采方式等不同而各异，不同产地甚至同一产地的矸石，由于煤层的生成年代、成煤条件和开采等情况不同，矸石的组成和特性也不相同。因此，了解煤矸石的主要组成特征后，可以根据矸石类型确定其处理处置措施及加工利用工艺方向，制定综合处理利用方案，把矸石对环境的影响减为最小或回用转化为有用物质。
1.岩石组成
煤矸石的岩石与煤田地质条件有关，也与采煤技术密切相关。煤矸石的岩石组成变化范围大，成分复杂，主要由页岩（炭质页岩、泥质页岩、粉砂质页岩），泥岩类（泥岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩）、砂质岩（泥质粉砂岩、砂岩）、碳酸盐类（泥灰岩、灰岩）及煤粒、硫结核等组成。
2.矿物组成
不同地区的矸石由不同种类矿物组成，其含量相差也很悬殊。一般来讲，煤矸石中的主要矿物有硅酸盐类矿物（石英、长石类、闪石类、辉石类）、粘土矿物（高岭土类、膨润土类、蒙脱石、伊利石、水云母类）、碳酸盐矿物（方解石、白云石、菱铁矿）、硫化物（硫铁矿和白铁矿）、铝土矿（一水硬铝矿、一水软铝矿和三水铝矿）和其他矿物（石膏、磷灰石和金红石）。
3.化学组成
煤矸石的化学组成随产地、层位、成因、开采方式等不同而各异，根据煤矸石的化学成分，可用于生产烧结及非烧结砖、混凝土制品、砌筑砂浆材筑路等的骨料；有的煤矸石含硅较高，可作为硅质原料制作水泥等。煤矸石中常含有炭粒和黄铁矿结核，具有较高的发热量（表1-2～表1-4）。
表1-2 阳泉矿区洗选煤矸石化学分析单位：%
表1-3 我国其他部分煤矿煤矸石化学组成单位：%
表1-4 我国部分煤矿煤矸石污染物质组成单位：mg/kg
煤矸石的化学成分比较复杂，所包含的元素可多达数十种。一般以碳、硅、铝为主要成分，其无机成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属，如铅、铜、锌、镉、铬、钛、钒、钴、镓等。其化学成分组成的百分率：SiO2为30～65；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；P2O5为0.007～0.24；K2O+Na2O为1.45～3.9；V2O5为0.008～0.03。
三、煤矸石的特性
1.颗粒大小
颗粒大小是煤矸石重要的物理性质，煤矸石的颗粒大小对矸石的筛分处理和资源化利用有很大的影响，而且不同粒径煤矸石的含硫量与发热量也是有所不同的。根据煤矸石颗粒大小可分为粗粒矸石（粒径＞25mm）、中粒矸石（粒径为25～1mm）和细粒矸石（粒径＜1mm）。
2.孔隙率
煤矸石山渗透率的大小表明了煤矸石山供氧条件的好坏，它与煤矸石的粒径分布、粒度及形状有关，更主要的是取决于煤矸石山孔隙率。
3.发热量
发热量是煤矸石最重要的质量指标，是煤矸石作为能源的使用价值高低的体现。一般煤矸石发热量的大小随着挥发分和固定碳含量的增加而增加，随灰分含量的增加而降低。根据发热量的高低可分为：低发热量矸石（发热量＜2092kJ/kg）、中发热量矸石（发热量为3347.2～8368kJ/kg）和高发热量矸石（发热量＞8338kJ/kg）。低发热量矸石用作一般建材原料，中发热量以上矸石用作沸腾炉的燃料，高发热量矸石可进行气化。
4.熔融特性
矸石在某种气氛下加热，随着温度升高，产生软化、熔化现象，称为熔融性；在规定条件下测得，随着加热温度而变化的煤矸石灰堆变形、软化和流动的特性，称为“灰熔点”。煤矸石灰熔点的高低影响到矸石利用的工艺与设备。如一些固定床热处理设备的热处理温度将取决于灰熔点，若床层的温度过高则有可能造成设备停车事故。根据熔融特性，灰熔点或软化区范围可分为难熔矸石（灰熔点为1400～1450℃）、中熔矸石（灰熔点为1250～1400℃）和低熔矸石（灰熔点＜1250℃）。
5.膨胀性
膨胀性一般是指矸石在一定温度和气氛下锻烧时，产生体积膨胀的现象，轻质陶粒的生产就是利用这种特性。根据膨胀性（膨胀系数）可分为：微膨胀矸石（膨胀系数＜0.2%）、中等程度膨胀矸石（膨胀系数为0.2%～1.6%）和激烈膨胀矸石（膨胀系数＞1.6%）。有膨胀性的矸石可烧制轻骨料。
6.可塑性
煤矸石的可塑性是指矸石粉和适当比例的水混合均匀制成任何几何形状，当除去应力后泥团能保持该形状，这种性质称为可塑性。煤矸石可塑性大小主要和矿物成分、颗粒表面所带离子、含水量及细度等因素有关。按可塑性可分为低可塑性矸石、中等可塑性矸石和高可塑性矸石可塑性。中等以上的可塑性矸石适合制矸石砖。
7.活性
在使用煤矸石生产水泥和烧结砖等建材时，其强度和性能在很大程度上取决于煤矸石的活性。煤矸石经过燃烧，其烧渣属人工火山灰类物质而具有活性，根本原因是煤矸石受热矿物相发生了变化。作为煤矸石主要矿物组分的粘土类矿物和云母类矿物的受热分解与玻璃化是煤矸石活性的主要来源。煤矸石的活性依赖于煤矸石煅烧温度和制品的养护条件，这是煤矸石综合利用时应当重视的问题。
8.含硫量
煤矸石中含硫量的多少直接决定了其处置和利用方向。由于含硫高的煤矸石具有自燃的可能性，因此，此类煤矸石要进行安全处置，预防其自燃。
