煤矸石分类体系
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发布时间：2022-04-25 23:55
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时间：2023-10-19 15:26
一、煤矸石的分类
1.煤矸石分类的意义
我国目前煤矸石堆积量达50×108t以上，每年至少增加1.8×108t。而且煤矸石占用了大量的土地，严重污染环境。因此，世界上许多国家，如美国、德国、波兰、日本、澳大利亚等都很重视煤矸石的资源化利用和对煤矸石的治理。在对煤矸石进行利用或处置之前，掌握煤矸石的组成、特征及分类是基本的前提条件。
对煤矸石进行科学分类的意义具体表现为以下几个方面：①充分合理地利用、处置煤矸石。根据煤矸石的理化特征、化学组成确定其加工利用方向，能最大限度地利用煤矸石中有用成分。②通过煤矸石的科学分类，可初步提出煤矸石的加工利用方向。③对煤矸石进行科学分类，有利于对煤矸石的归类，有利于指导开发煤矸石新的利用途径。通过对煤矸石及煤矸石山进行科学合理的分类，有利于在复垦过程中了解煤矸石表层风化土壤的有关特性，为煤矸石山的综合复垦方向、选择煤矸石山绿化树种及其栽培方式和煤矸石山绿化的后期养护管理等提供依据。④对煤矸石及煤矸石山进行科学分类，有利于了解煤矸石堆积后可能产生的环境效应，特别是煤矸石堆积后是否产生酸性污染、是否自燃，为煤矸石山的环境治理和自燃的防治提供依据和指导。
2.煤矸石分类现状
煤矸石的分类是综合利用煤矸石的基础性工作，也是一项综合性较强的工作。由于不同地区的煤矸石成分、物理化学特性各异，煤矸石不同利用方向对其的化学成分及物理化学特性要求不一样，使得国内外至今对煤矸石的分类和命名没有一个完整统一的方案。目前，我国煤炭生产部门经常用颜色来对煤矸石分类命名，如黑矸、灰矸、白矸、红矸等；也有用煤矸石产出层位来分类命名，如顶板矸、夹矸等；也有用岩石类型来分类命名，如粘土岩矸石、砂岩矸石等。这些分类方案由于不能反映煤矸石自身的化学成分和物理化学特征，因此也不能根据这些分类方案制定煤矸石的利用方向。
针对煤矸石分类存在的上述问题，国内外学者对煤矸石分类进行了尝试。煤炭科学研究院重庆分院提出了煤矸石的*分类命名法。中国矿业学院1986年曾对华东地区煤矸石进行了分类研究。焦作矿业学院葛宝勋、刘大锰同志对平顶山煤矸石进行了二级分类。在国外也有对煤矸石分类的研究报道。前苏联将煤矸石的来源、特征、成分等不同指标分等级列出“分类符号”。然后根据矸石在工业利用方面的质量要求，填入所需要的分类符号。根据这些分类符号，就可以选择矸石的利用方向了。
3.煤矸石分类
（1）煤矸石大类的划分
依据我国煤矸石来源情况，以煤矸石产出方式作为划分依据，并采用生产中一些习惯叫法命名，将煤矸石分为煤巷矸、岩巷矸、自燃矸、洗矸、手选矸和剥离矸6大类。
1）煤巷矸。煤巷矸为在煤炭开采过程中沿煤层掘进工程所排出的煤矸石。煤巷矸主要由采动煤层的顶板、夹层与底板岩石组成，一般排量大，且含有一定的含碳量及热值。
2）岩巷矸。岩巷矸为在煤矿建设与岩巷掘进过程中，凡是不沿煤层掘进的工程所排出的煤矸石。岩巷矸岩石种类复杂，排出量较集中，基本不含碳，基本无热值。
3）自燃矸。自燃矸为经过自燃的煤矸石。自燃矸一般呈红褐色、灰*及灰色。岩石种类以粉砂质泥岩及泥岩居多，其烧失量低，且有一定的活性。
4）手选矸。手选矸是混在原煤中产出，在井口或选煤厂拣出的煤矸石。手选矸具有一定的粒度，排量小，热值变化较大。
5）剥离矸。剥离矸为煤矿在开采或基建时，煤系上覆岩层因剥离而排出的矸石。剥离矸的特点是岩石种类复杂，一般无热值，目前多用来填沟造地。
（2）煤矸石亚类的划分
亚类的划分主要依据煤矸石的化学组分、矿物成分及其理化特性来确定。划分的目的是确定煤矸石的利用方式，使煤矸石物尽其用。根据全国的煤矸石资料，采用煤矸石类型、岩石类型、有机碳含量、全硫、Al2O3/SiO2的比值、Fe2O3的含量、灰熔点等项指标作为亚类划分的依据，并使用不同的代号表示，同时将此七项指标用阿拉伯数字表示等级次序，然后根据煤矸石的综合利用方向选择合适的数值列为一个亚类，这样共划分20多个煤矸石亚类（表2-1）。
1）煤矸石的岩石学特性及矿物组成特征。按此标准将煤矸石分为：高岭石泥岩（高岭石含量大于50%）、伊利石泥岩（伊利石含量大于50%）、砂质泥岩（或粉砂岩）、砂岩及灰岩。
2）有机质碳含量。有机质碳含量决定了煤矸石工业利用方向。按照煤矸石中有机质碳量，将煤矸石分为四类：一类碳含量4%，二类为4%～6%，三类为6%～20%，四类为20%。碳含量大于20%时，煤矸石具有较大的能源潜力（＞8.36 MJ/kg），可以用作燃料；有机碳含量在6%～20%时，其发热量介于3.34～8.86MJ/kg，可以作为矿物燃料掺和料。
3）全硫量。全硫量决定了热加工的工艺方式及工业利用范围。煤矸石在综合利用时，有两条界线是需要考虑的。一是硫资源回收的最低界线；另一是煤矸石在利用过程中，多数制品对矸石硫含量的最高允许值。基于这两条界线，可将硫含量分为：①＜0.5%；②0.5%～3%；③3%～5%；④＞5%。全硫含量达5%的可从洗矸中回收硫铁矿。
4）铁含量。铁含量也影响煤矸石的热加工工艺方式和工业利用范围。按铁化合物含量分为：①少铁的＞0.1%；②低铁的0.1%～1.0%；③中铁的1.0%～3.5%；④次高铁的3.5%～8.0%；⑤高铁的8%～18%；⑥特高铁的＞18%。
5）煤矸石无机成分。煤矸石无机成分中铝硅比可以作为矸石亚类划分的主要依据。铝硅比不仅反映了煤矸石无机成分特征，也可决定着一般煤矸石的综合利用方式。
铝硅比大于0.5。这类煤矸石含铝量高，含硅量相对较低，矿物成分主要为高岭石，有少量伊利石、石英等。此类煤矸石可塑性好，具有膨胀现象，可作为陶瓷、4A分子筛的原料。
铝硅比在0.5～0.3之间。这类煤矸石铝、硅含量适中，矿物成分主要为高岭石、伊利石，含有少量的石英、长石、方解石等。此类煤矸石可作为生产聚合铝的原料。
铝硅比＜0.3。这类煤矸石硅含量比铝含量相对高得多，矿物成分主要是石英、长石、方解石、菱铁矿等，含少量粘土矿物。质点粒径大，可塑性差。
总之，煤矸石的科学分类，为其综合利用与处置提供了方向。
表2-1 煤矸石分类大类
二、煤矸石山分类
1.煤矸石山的分类现状及意义
目前在煤矸石山的分类方面的理论和实践研究较少，而且大部分都是局域性煤矸石山分类，例如*柏等通过调查阜新地区煤矸石山的植被，根据煤矸石山的排矸年限、堆放高度和土壤风化层厚度对煤矸石山进行了分类，认为煤矸石山随着停止排矸年限增加，风化物养分状况逐渐改善。认为在排矸年限7年之内的煤矸石山上先锋植物处于优势地位；在排矸年限7～15年的煤矸石山上除生长先锋植物外，又出现适于山坡或草地生长的糙隐子草、丛生隐子草等多年生中旱生草本植物；在排矸年限15～25年的煤矸石山上先锋植物逐渐减少，逐渐出现了适合中生立地类型的植被。但是这种分类方式只是针对阜新地区的煤矸石山，根据煤矸石山已有的植被覆盖状况来研究的，对煤矸石山的地理位置、区域条件、山体构成等影响煤矸石山生态重建的因素缺乏综合的考虑。
张军等对阜新矿区煤矸石山的调查与分析，以能全面反映煤矸石山生态环境的三个主要因子——停止排矸年限、表层风化碎屑厚度、植物群落组成及盖度作为其生态分类的依据，将这一半干旱地区的煤矸石山的生态环境分为I度风化、Ⅱ度风化、Ⅲ度风化、Ⅳ度风化四种生态类型，并对各类型的特点进行描述，丰富了煤矸石山的分类理论。
通过对煤矸石山进行科学分类，可以掌握煤矸石山基质的物理化学性质和自然环境条件，为有效控制煤矸石环境污染和植被恢复和生态重建，乃至推动煤矸石资源化利用，都具有十分重要的理论和实际意义。
2.分类原则
煤矸石山分类的主要目的是植被恢复和生态重建。因此，在煤矸石山分类中应遵循了以下四个原则。
（1）综合性原则
由于影响煤矸石山生态重建的因素较多，对于煤矸石山的分类要综合考虑影响植物成活和生长的各种因素，使煤矸石山类型的划分能代表煤矸石山的主要特点，并能够在煤矸石山生态重建中指导规划和实践。
（2）可操作性原则
在煤矸石山分类指标选择中，为了能够合理地评价和分类煤矸石山，要选择具有代表性的指标。另外选择的指标要容易获得，以方便确定煤矸石山的类型和在规划中确定煤矸石山生态重建目标，并利于选择合理的工程技术方法。
（3）因地制宜原则
煤矸石山的分类坚持因地制宜的原则，就是要根据各地煤矸石山的实际情况和不同煤矸石山的特点，综合煤矸石山立地条件对植物成活和生长*因子，结合煤矸石山的地形地貌和景观特色，划分煤矸石山的类型。
（4）景观协调原则
生态重建不仅是恢复煤矸石山的生态环境，还要结合煤矸石山的景观环境、人文环境和矿区的发展等创建煤矸石山的风景。因此，煤矸石山的景观特点和协调性作为与煤矸石山生态重建目标有关的重要因素，在分类中要有所体现。
3.煤矸石山分类体系
煤矸石山的分类体系的构建是以煤矸石山的生态重建为最终目标，通过煤矸石山分类体系的建立，能够为制定煤矸石山的生态重建目标、选择合理的工程措施和技术提供理论的支持。我们认为应主要根据煤矸石山的地域分布、堆积和积存过程中的变化、煤矸石山*植物成活和生长的因素等对煤矸石山进行综合分类。
本书的煤矸石山的分类体系包含四个层次，即：以地域分布为依据的分类、以环境条件为依据的分类、以煤矸石山物理化学性状和地形特点为依据的分类和以煤矸石山生态重建*因子为依据的分类。
第一层是以地域分布为依据的分类。地域的不同决定了不同区域有着不同的植被区划、自然环境条件、社会经济和人文环境条件。因此煤矸石山分类体系的第一层次是以煤矸石山的地域分布划分，可以划分为干旱地区煤矸石山、半干旱地区煤矸石山、半干旱半湿润地区煤矸石山、湿润地区煤矸石山（图2-1）。
图2-1 煤矸石山地域分布的分类
第二层次是以山体状况为依据的分类。煤矸石山自身的山体状况是煤矸石山生态重建的基础，决定了煤矸石山生态重建和景观创建的目标，并对煤矸石山生态重建技术措施的选择起着主导作用，影响煤矸石山生态重建工程的施工。因此，第二层次是以煤矸石山在堆积积存过程中发生的与植物定居和重建工程有关的变化为依据划分的。第二层包含了煤矸石山的自燃状况、堆积状况、风化层状况、地形状况等（图2-2）。
图2-2 煤矸石山山体状况的分类
第三层是以煤矸石山物理化学性状和地形特点为依据的分类。其中自燃状况包括发生自燃、部分自燃和无自燃；堆积状况包括堆积方式、位置、年限、高度等；风化层状况包括风化层厚度、土壤养分、土壤水分、酸性、重金属污染等；地形特点包括坡度、山体形状、景观状况等（图2-3）。
图2-3 煤矸石山分类体系的第三层次
第四层是以煤矸石山生态重建*因子为依据的分类。该层的*因子是在分类体系第三层的基础上，找出影响生态重建的各项重要因子，根据生态重建和景观设计的要求，提出相应的量值分类煤矸石山，以便于在生态重建规划和工程技术选择时作为依据。该层主要包括煤矸石山自燃状况的分类（表2-2）、堆积状况的分类（表2-3）、煤矸石山风化层状况的分类（表2-4）、煤矸石山地形地貌状况的分类（表2-5）。
对煤矸石进行分类后，有助于我们根据不同煤矸石山的特点，因地制宜地治理与复垦煤矸石山。如对于干旱地区的煤矸石山，由于地温高、极易蒸发，需要覆土复垦绿化，其他地区的煤矸石山都具有无覆土复垦绿化的可能。自燃是煤矸石山矿区环境污染和*植物生长的主要因素，分类中将煤矸石山分为自燃、部分自燃和无自燃煤矸石山，煤矸石山的自燃与煤矸石山生态重建的立地改良和植物选择有关。对于正在自燃的煤矸石山往往需要先考虑灭火再考虑绿化措施；有自燃潜能的煤矸石山是指暂没自燃但有很大的自燃可能，甚至有的区域出现自燃前兆，对这类煤矸石山的绿化需要先采取措施防止自燃，做好防火措施，然后采取绿化措施；不自燃煤矸石山是指基本没有自燃可能的煤矸石山，这种立地条件可以直接复垦绿化。煤矸石山的堆积方式、位置、地形地貌等因素与煤矸石山生态重建的风景景观有密切的联系，可为煤矸石山的生态重建规划目标和风景景观规划设计提供依据。煤矸石山风化层的厚度、土壤养分、酸度等理化性质直接决定这煤矸石山的立地改良措施和植被恢复时植物种类的选择。煤矸石山坡度的大小是考虑植物生长、水土流失、地形整理工程等因素确定的。
表2-2 煤矸石山自燃分类
表2-3 煤矸石山堆积状况类型
续表
表2-4 煤矸石山风化层类型
表2-5 煤矸石山地形类型
总之，不同地区、不同的自燃情况、不同的风化程度和不同的地形条件，对煤矸石山治理与生态重建的技术要求是不同的，在进行煤矸石山治理与生态重建可行性分析和规划设计时，必须首先确定煤矸石山的类型。
4.煤矸石山实用分类体系
根据煤矸石山治理多年的实践，发现煤矸石的酸碱性对煤矸石山的治理起着举足轻重的作用。因此，我们将煤矸石山分为酸性和非酸性两类。酸性煤矸石山不仅污染严重，而且容易氧化产酸，极易引发自燃，是最难治理的一种，往往需要用覆盖、碱性处理、防灭火等特殊的措施进行治理；对非酸性煤矸石山，由于不容易自燃和产酸污染，治理的方法相对容易，甚至可以进行无覆盖土壤的植被恢复。
