包宏亮

(江蘇煤炭地質(zhì)局，南京 210046)

0 引言

煤矸石(coal gangue)是指煤礦開掘和生產(chǎn)過程中排出來的巖石、露天剝采時排出的巖石以及煤炭洗選加工過程中排出的巖石的總稱。煤矸石既是一種固體廢棄物，同時也是一種可利用的珍貴資源[1]。目前，煤矸石的處置方式主要是地面堆存，不僅會壓占大量土地，造成寶貴土地資源的浪費，而且會影響周邊地表水、地下水、大氣以及生態(tài)環(huán)境，嚴重制約我國煤炭行業(yè)健康長遠發(fā)展。隨著我國生態(tài)文明建設的持續(xù)推進和國家能源供給形勢日益嚴峻，不斷通過新的技術(shù)工藝充分發(fā)掘煤矸石的煤炭、化工原料、巖礦及元素等多種功能的屬性，不僅能實現(xiàn)煤矸石的合理利用，還能有效解決生態(tài)環(huán)境問題，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、社會效益的有機統(tǒng)一。

山西西山煤電股份有限公司西銘礦每年產(chǎn)煤350萬t，出矸率51.4%，年產(chǎn)煤矸石約180萬t，目前煤矸石的處置方式主要是地面堆存，形成煤矸石山，現(xiàn)有煤矸石堆存場地僅能滿足礦井3年左右的需求。隨著我國生態(tài)文明建設的深入推進，國家環(huán)保政策日趨嚴格，新的煤矸石用地審批嚴格控制。為有效解決西銘礦煤矸石問題，通過對煤矸石基本性質(zhì)分析，結(jié)合現(xiàn)有工藝水平，對西銘礦煤矸石資源化利用提出建議。

1 煤矸石利用現(xiàn)狀

國際上煤矸石利用最早始于二戰(zhàn)前，到20世紀60年代后期才真正引起各國重視，世界各煤炭生產(chǎn)國都在不斷發(fā)展與加深煤矸石的綜合利用[2]。美、英、德、法等國的煤矸石、高爐渣及粉煤灰都得以利用，其他一些國家，如丹麥、匈牙利等國建立了煤矸石、沸騰爐渣、粉煤灰生產(chǎn)建材工廠。波、比、俄、日等國采用煤矸石代替部分黏土生產(chǎn)水泥原料，取得了節(jié)煤、降低成本等效果。截至目前，在眾多研究中最成功的方法是生物復田[3]，復田造地是徹底消除煤矸石污染的根本方法，效果相當顯著。

我國是從20世紀70年代起開始研究煤矸石的綜合利用，我國煤矸石利用己有幾十年歷史，可其資源化以及綜合化利用才剛開始。近年來全國煤矸石產(chǎn)生及利用情況基本實現(xiàn)了由儲向用為主的轉(zhuǎn)變，逐步形成了一整套具有中國特色的廢物資源化理論和技術(shù)[4-8]。同時，也在不斷發(fā)展高科技化、大附加值的煤矸石綜合利用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。目前我國煤矸石主要利用方式主要有：采空區(qū)回填或充填、筑基修路、煤矸石發(fā)電、制造建材、復墾綠化。

2 西銘礦煤矸石基礎性質(zhì)

2.1 樣品采集與制備

煤矸石樣品采用多點采集方法。根據(jù)西銘礦煤矸石山的地形條件、成矸特點和目前的生態(tài)恢復狀況，從山頂、山腰和山根的東西南北4個方向分別采集表層煤矸石，裝到自封袋中。每個點的取樣深度及重量應均勻一致(0～20cm)，土樣上層和下層的比例也要相同。采樣使用不銹鋼、木、竹或塑料器具。樣品處理、儲存等過程不要接觸金屬器具和橡膠制品，以防污染。

樣品縮分采用四分法。將樣品按照分析測定要求破碎，過一定孔徑的篩子，然后混合，平鋪成圓錐形，然后分成四等分，取相對的兩份混合，然后再平分，直到達到取樣重量的要求。

分別在西銘礦細矸、中矸和大矸堆放處采集樣品裝袋，編號為1號、2號和3號樣品，取樣重量為25kg(每件)。

2.2 主要性能檢測及分析

2.2.1 粒徑分布

本次工作開展平行篩分實驗，然后取平行實驗均值作為粒度分析結(jié)果，煤矸石的粒徑分布見圖1。從圖1可以看出，煤矸石中各粒級所占比例隨粒度變細而變小，粒度較粗的組分所占的比例較大，粒度較細的組分所占的比例相對較小。其中，2號煤矸石各粒級所占的比例隨粒度變細而減小的趨勢更為明顯，1號煤矸石也有類似趨勢。二號煤矸石>25mm粒級占全粒級組成的比例為41.39%，而<0.5mm粒級只占全粒級比例的3.72%。1號煤矸石>25mm和13～25mm的所占比例也均大于1～3mm和0.5mm所占比例。

2.2.2 工業(yè)分析

本次工作參照中華人民共和國國家標準GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》，對煤矸石樣品進行了水分、灰分以及揮發(fā)分測定。測試結(jié)果表明，西銘礦1-3號煤矸石含水率均低于1%，1號煤矸石含水率隨粒度關系變化規(guī)律明顯；1-3號煤矸石原樣灰分含量均超過65%，而且1號煤矸石和2號煤矸石的灰分均隨粒度減小而降低；1-3號煤矸石揮發(fā)分含量均超過10%，而且1號煤矸石和2號煤矸石的揮發(fā)分均隨粒度減小而升高(表1)。

表1 煤矸石工業(yè)分析Table 1 Coal gangue proximate analysis results

2.2.3 發(fā)熱量

經(jīng)測定，西銘礦煤矸石的發(fā)熱量總體隨粒度減小而增大。>25mm煤矸石的平均發(fā)熱量為5 130kJ/kg，而<0.5mm煤矸石的發(fā)熱量則為14 977kJ/kg(表2)。

表2 煤矸石發(fā)熱量分析Table 2 Coal gangue calorific values

2.2.4 燒失量

一般說來，煤矸石制燒結(jié)磚的燒失量不宜過大，燒失量過大，燒結(jié)過程質(zhì)量失去過多易造成產(chǎn)品塌陷，合格率降低。總體上說，西銘礦煤矸石原樣燒失率均大于20%，整體偏高，而且燒失量具有隨粒度減小而升高的特點(表3)。

一號煤矸石粒徑組成 二號煤矸石粒徑組成圖1 煤矸石粒徑組成Figure 1 Coal gangue grain size composition

表3 煤矸石的燒失量分析Table 3 Coal gangue losses on ignition %

2.2.5 XRD

本次工作進行了不同粒度煤矸石以及燒結(jié)煤矸石的XRD分析，通過各粒徑的煤矸石試樣X射線物相分析可以看出，該煤矸石燒結(jié)中的礦物相主要是地開石、高嶺石、石英、黃鐵礦。也就是說西銘礦煤矸石中礦物質(zhì)以黏土礦物為主(圖2)。

2.2.6 XRF

本次工作開展了煤矸石的XRF分析，測試結(jié)果見表4。由所測數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知西銘礦煤矸石化學成分差異不是很大，主要是二氧化硅(SiO2)和三氧化二鋁(Al2O3)，共占總樣80%～90%。

表4 西銘礦煤矸石灰成分分析Table 4 Coal gangue ash composition analysis results %

2.2.7 可塑性

可塑性是煤矸石成型性的主要工藝指標之一，是煤矸石能夠制成各種燒磚的成型基礎，可塑性的大小用土處在塑性狀態(tài)的含水量變化范圍來衡量，從液限到塑限含水量的變化范圍愈大，土的可塑性愈好。本次工作測定了煤矸石的塑性指數(shù)，結(jié)果見表5。一號煤矸石原樣的塑性指數(shù)為3.13%，二號煤矸石原樣的塑性指數(shù)為3.28，三號煤矸石原樣的塑性指數(shù)為4.16%?？傮w來說，西銘礦煤矸石塑性偏低，可以添加部分黏土以增加塑性。

1號總樣 2號總樣 3號總樣圖2 煤矸石XRD數(shù)據(jù)分析Figure 2 Coal gangue XRD data analysis

表5 煤矸石塑性指數(shù)分析Table 5 Coal gangue plasticity index analysis results %

3 西銘礦煤矸石資源化利用方案

3.1 分級分質(zhì)全組分利用方案

根據(jù)礦山實際和煤矸石基礎性質(zhì)，結(jié)合可行性、經(jīng)濟性、政策性等因素綜合考慮，本次工作最終采用分級分質(zhì)全組分利用方案在西銘礦開展煤矸石資源化利用研究(圖3)。本方案合理運用破碎、篩分、煅燒、球磨、分選等技術(shù)手段，將煤矸石分成煤、砂石、精鐵礦、黏土礦物(高嶺土)等組分，然后分別加以利用，分選出的廢渣制備免燒磚和混凝土添加劑，從而實現(xiàn)西銘礦煤矸石的分級分質(zhì)和全組分利用。

圖3 煤矸石分級分質(zhì)全組分利用整體工藝路線Figure 3 Coal gangue classified,qualificatory full components utilization integrated technical route

煤矸石分級分質(zhì)全組分利用技術(shù)，實際上是煤矸石分級分質(zhì)技術(shù)、煤矸石煅燒技術(shù)、煤矸石黏土礦物分離富集技術(shù)、鐵精礦分離技術(shù)、“土”類組分直接作為混凝土添加劑和制免燒磚技術(shù)的集成，涵蓋選煤(礦)、燃燒、建筑材料制備等工業(yè)過程。該技術(shù)根據(jù)煤矸石基礎性質(zhì)，最大程度實現(xiàn)煤矸石資源化利用，各個單元技術(shù)(分工藝流程)成熟可靠[9-10]，不存在技術(shù)障礙和風險，完全可以開展工業(yè)化應用。最終獲得的砂石、煤、黏土礦物、鐵精礦等都是國民經(jīng)濟相關經(jīng)濟部門急需產(chǎn)品，具有良好的市場前景。

3.2 分級分質(zhì)產(chǎn)品產(chǎn)出

西銘礦煤矸石經(jīng)過整個工藝之后，噸煤矸石最終產(chǎn)品見表6。按照西銘礦每年處理180萬t煤矸石的規(guī)模來算，經(jīng)過分級分質(zhì)全組分利用技術(shù)方案，最終獲得產(chǎn)品數(shù)量如下：煤12.55萬t，石11.88萬t，砂72.42萬t，鐵精礦5.80萬t，黏土礦物23.47萬t，免燒磚4 000萬塊，混凝土添加劑24.1萬t。

表6 噸煤矸石產(chǎn)品數(shù)量一覽表Table 6 Data sheet of coal gangue products per ton

4 結(jié)論

1)基礎性質(zhì)測試表明，西銘礦煤矸石屬于高碳、中鋁、中高鐵煤矸石；煤矸石中各粒級所占比例隨粒度變細而變??；主要礦物是地開石、高嶺土、石英和黃鐵礦，其中石英、黃鐵礦等硬質(zhì)礦物占30%～40%，地開石、高嶺土等黏土礦物占55%～60%，煤占6%～8%；煤矸石燒失量偏高，可塑性偏低。根據(jù)煤矸石特性，西銘礦煤矸石比較適宜開展資源化利用工作。

2)通過分級分質(zhì)全組分利用技術(shù)方案，生產(chǎn)出煤、砂石、黏土礦物(高嶺土)、鐵精礦，廢渣制備免燒磚和混凝土添加劑，從而實現(xiàn)煤矸石全組分利用。按照西銘礦每年處理180萬t煤矸石的規(guī)模來算，最終獲得產(chǎn)品為：煤12.55萬t，石11.88萬t，砂72.42萬t，鐵精礦5.80萬t，黏土礦物23.47萬t，免燒磚4 000萬塊，混凝土添加劑24.1萬t。