王莉 商子建 劉飛

摘 要：煤矸石的大量排放和堆積，嚴(yán)重的占用了我國的國土資源、污染林地，不僅給地球生態(tài)環(huán)境帶來了惡劣的危害，也造成了本就稀缺的礦產(chǎn)資源巨大的浪費和損失。充分利用煤矸石、提取其中有價元素對我國環(huán)保事業(yè)和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有重要意義。實驗選擇淮北市某煤礦的煤矸石為樣本，研究煤矸石的物理學(xué)結(jié)構(gòu)、礦物成分和化學(xué)組成確定其煤矸石類型，為提取其中有用的金屬元素提供物質(zhì)基礎(chǔ)，進而為淮北地區(qū)各級政府部門制定有關(guān)礦區(qū)土壤的保護和生態(tài)修復(fù)以及提高煤矸石利用率的政策方法、計劃提出科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤矸石；Al2O3；Fe2O3；TiO2

Abstract：The massive discharge and accumulation of coal gangue seriously occupy the land resources of our country and pollute the forest land.It not only brings bad harm to the ecological environment of the earth，but also causes huge waste and loss of the scarce mineral resources.Therefore，it is of great significance to make full use of coal gangue and extract valuable elements from it for China's environmental protection and sustainable economic development.In this experiment，coal gangue from certain Coal Mine in Huaibei City is selected as the research sample to study the physical structure，mineral composition and chemical composition of coal gangue and determine its type of coal gangue，so as to provide material basis for the extraction of useful metal elements.Furthermore，it provides scientific basis for the government departments at all levels in Huaibei area to formulate policies，methods and plans for soil protection and ecological restoration in mining areas and for improving the utilization rate of coal gangue.

Keywords：Coal gangue；Al2O3；Fe2O3；TiO2

1 概述

煤矸石是煤炭開采過程中產(chǎn)生的廢渣，是我國排放和堆存量最大的固體廢棄物［1］?；幢蹦壳笆前不帐≈匾拿禾磕茉垂I(yè)城市之一，這里長期進行煤炭開采等相關(guān)作業(yè)，多處的礦場和發(fā)電廠均出現(xiàn)了不同規(guī)模的固體廢物堆積。礦產(chǎn)資源的開采和利用與環(huán)境保護之間的矛盾越來越大，現(xiàn)已極大地制約了當(dāng)今淮北市經(jīng)濟的發(fā)展［2］。

隨著我國現(xiàn)代工程技術(shù)的飛速進步，金屬冶煉技術(shù)也在進一步發(fā)展，人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識到煤矸石也是一種寶貴的礦產(chǎn)資源。煤矸石中不僅包含可觀數(shù)量的碳，還含有比較豐富的Al2O3、Fe2O3、TiO2等，特別是其中的氧化鋁、氧化鐵以及微量的氧化鈦等有價金屬元素組分，如果可以充分高效地利用起來，提取有經(jīng)濟價值的金屬元素，就可以彌補我國鐵礦、鋁礦資源長期供給短缺的問題［3］。充分高效的利用煤矸石、發(fā)掘其存在的價值，可以極大地緩解當(dāng)前我國生態(tài)環(huán)境保護的壓力。提高煤矸石的有效利用率不僅有助于社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，還能減緩我國礦物資源總量多但人均占有量少的尷尬處境。固體廢物資源化更有利于建設(shè)好綠金淮北，綠水青山就是金山銀山，打造美麗的中國碳谷。

2 材料與方法

煤矸石的來源主要有以下三個方面：露天開采剝離及采煤巷道掘進排出的白矸［4］；在煤炭開采過程中選出的普矸；煤或洗煤過程中產(chǎn)生的煤矸石。煤矸石可根據(jù)其礦物組成、鋁硅比、碳含量和總硫含量進行分類［5］。根據(jù)煤矸石中氧化鋁和氧化鋁與二氧化硅含量比值，可以將其分為砂巖質(zhì)類、高鋁質(zhì)和黏土巖質(zhì)煤矸石［6］。在所有煤矸石種類中黏土類煤矸石占有較大的比重［7］，其含有可觀的鋁、鐵等其他金屬成分，如果我們能將這一資源合理地綜合利用，提取煤矸石中有用的礦物資源，使之廢物利用，這樣不僅可以大大減輕地球生態(tài)環(huán)境的保護壓力、極大地減少固體廢物的產(chǎn)生，還能增加更多的就業(yè)崗位。

根據(jù)樣品采集的隨機性、均一性、代表性以及廣泛性的原則要求，對煤矸石進行樣品采集，每個樣品采樣不得低于2.5kg。首先將采集來的樣品及時密封保存且貼上位置、編號、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，避免樣本混雜不清。然后采用四分法將采集的煤矸石樣品逐步進行減量，把收集到的煤矸石樣品破碎攆磨，去除無用的石頭和其他雜物等，如果樣品量很多，則可以重復(fù)操作，控制所需的樣品重量。最后對分開的樣本進行編號等操作。煤矸石樣品的保存：將樣品放在干燥無污染的通風(fēng)地方，防止受潮，并預(yù)防其他雜物混入和標(biāo)簽紙的脫落。

3 結(jié)果與分析

3.1 煤矸石的礦物組成

采用的樣本來自安徽省淮北市某煤礦。利用X射線分析法分別在105℃和815℃條件下對煤矸石進行了XRD分析。分析結(jié)果見圖1所示，分別是煤矸石在105℃和815℃條件下的XRD分析圖。

由XRD圖像可知，煤矸石組分中石英占比最大，煤矸石中除了含有大量的石英之外，還有部分菱鐵礦和珍珠石，但在815℃條件下，其礦物組成為石英礦、鈉長石和赤鐵礦。

3.2 煤矸石的物理特征

利用I395 SEMEDS（Bruker Nano Berlin，Germany）掃描式電子顯微鏡分別對105℃和815℃下的煤矸石進行了顯微鏡觀察與X光微區(qū)分析，分析煤矸石的微觀形態(tài)與物質(zhì)組成（見圖2—圖5）。

從圖中分析可知，煤矸石在105℃的煅燒下，各元素含量分別如下：O含量47.24%、Si含量20.90%、Al含量1463%、Fe含量4.25%、鉀含量1.88%、Ti含量0.71%、Zn含量019%、Mg含量0.36%、Na含量0.20%。在煤矸石的煅燒溫度在815℃條件下，其各元素組分發(fā)生了變化，其中Si含量由20.90%上升到25.77%，大約增加了5個百分點，F(xiàn)e含量大幅上升，是105℃條件下的三倍，上升到1447%、Ti含量增加到0.87%，Zn含量從0.19%增長到0.41%，而Al含量有了小幅度的減少，減少了034%，Na和Mg含量變?yōu)?，Mn從0有了微小的增加。

根據(jù)電子顯微鏡圖觀察，煤矸石的微觀結(jié)構(gòu)為細(xì)粒狀聚集體，且可觀察到高嶺石和粒狀石英石，還有少量的碎屑鏡質(zhì)體，粒徑大約在10～50微米，105℃條件下的煤矸石微觀結(jié)構(gòu)排列致密，815℃條件下的煤矸石微觀結(jié)構(gòu)疏松，顆粒排列松散，反應(yīng)活性相較105℃得到提高，由此可判定煤矸石屬于黏土礦類煤矸石。

另外，得到煤矸石的主要成分分別是Al2O3、Fe2O3、TiO2。其中Al2O3的含量最多，占比達(dá)到了17.6%，F(xiàn)e2O3的含量其次，以及含有微量的Ti，這為提取煤矸石中有價金屬元素提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

煤矸石的化學(xué)成分分析參考《煤灰成分半微量分析方法》（GB/T15741995）進行。煤矸石成分分析結(jié)果見下表。

4 結(jié)論

（1）煤矸石主要成分以石英石、高嶺石居多，屬于黏土礦類煤矸石，但在高溫度的條件下煤矸石成分由珍珠層轉(zhuǎn)變成了鈉長石。

（2）煤矸石的XRD分析表明，煤矸石以高嶺石和石英石為主；灰分成分分析表明煤矸石的Al2O3、Fe2O3、TiO2的化學(xué)成分含量分別為：17.6%、6.6%、0.96%。

（3）燒失量分析結(jié)果表明，煤矸石的燒失量分別是13.9%。

參考文獻(xiàn)：

［1］Lopez，I.C.and C.R.J.I.J.o.C.G.Ward，Composition and mode of occurrence of mineralmatter in some Colombian coals.International Journal of Coal Geology，2008.73（1）：318.

［2］孫浩.淮北固廢堆積區(qū)土壤中微量元素的環(huán)境地球化學(xué)研究［D］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2018.

［3］董玲.煤矸石酸浸取提取Al2O3和Fe2O3技術(shù)研究［D］.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2018.

［4］袁猛.非自燃煤矸石混凝土在凍融硫酸鹽侵蝕下的耐久性研究［D］.中國礦業(yè)大學(xué)，2019.

［5］孔德順，王茜，宋說講，等.煤矸石提取鋁鐵元素制備PAFS的實驗研究［J］.中國陶瓷，2014，50（05）：6062.

［6］李景陽，郭宇，呂興旺，等.從阜新地區(qū)煤矸石中提取氧化鋁的工藝研究［J］.天津化工，2017，31（3）：1619.

［7］董作超.煤矸石集料混凝土的力學(xué)性能與抗碳化試驗研究［D］.中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

［8］林長城，劉波.煤矸石綜合利用的現(xiàn)狀及存在的問題［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2020（08）：150.

基金項目：淮北市科技專項（HK2021012）

作者簡介：王莉（1974— ），女，漢族，安徽淮北人，?？?，助理實驗師，從事環(huán)境科學(xué)的教學(xué)與科研工作。