煤矸石的环境影响及其综合利用

研究生课程考试卷

学号、姓名：赵姝瑶 20132404

年级、专业： 13级环境科学与工程

培养层次：硕士

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煤矸石的环境影响及其综合利用

摘要：煤矸石是我国排放量最大的工业废渣之一。不仅占用大量农田和土地，而且严重污染环境。加强对煤矸石利用的研究，以将其资源化。本文阐述了我国的煤矸石概念，分类及基本性质：分析了其对环境的影响，总结了国内外煤矸石的研究和应用情况。

关键词:煤矸石环境影响综合利用研究和应用现状

煤炭是我国最主要的能源，其资源非常丰富。随着煤炭生产的不断发展，煤矸石的产量与日俱增。煤矸石产量按原煤产量的15%计，每年煤矸石至少增加1～2亿吨以上。根据有关部门统计，目前我国历年累计堆放的煤矸石总积存量约为45亿t，规模较大的矸石山约1600多座，占用土地约1.5万公顷。这样大量的煤矸石既浪费了国家资源，又占压了大量土地，使矿区的生态环境受到了污染和破坏。所以，煤矸石的综合利用是建设“绿色矿区”最有效的方法和途径。预计到2020年，我国煤炭仍占一次性能源的70%左右，随开采量逐年增加，煤矸石的排放量也按比例增加。因此加强对煤矸石的研究，大力开展煤矸石的资源化利用，意义十分重大。

1.煤矸石概述

1.1 煤矸石的概念、来源及分类

煤矸石又称夹矸石，是在成煤过程中与煤伴生的一种含碳量相对较低的黑色岩石，是采煤和洗煤过程中产生的次级代谢废物，其产生量大约相当于煤炭产量的10%左右[1]。它包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。

煤矸石是指煤矿建设生产过程中所排放出的固体废弃物的总称。其来源主要有以下三个方面：

（1）岩石巷道掘进时产生的煤矸石，通常称为原矿石，占煤矸石的60%-70%。主要岩石有泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、砾岩、石灰岩等。

（2）采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里所产生的煤矸石，占煤矸石的10%-30%。煤层顶板常见的岩石包括泥岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩；煤层底板的岩石多为泥岩、页岩、黏土岩、粉砂岩；煤层夹肝的岩石有黏土岩、碳质泥岩、粉砂岩、砂岩等。

（3）煤炭分选或洗选过程中产生的煤矸石，又被称为洗矸石，约占煤矸石的5%。其中主要由煤层中的各种夹石如高岭石、黏土岩、黄铁矿等组成。

1.2煤矸石的组成

1.2.1化学组成

煤矸石的化学成分主要是SiO2、Al2O3和C，其次是Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3、P2O5、N和H等。此外，也常含有少量Ti、V、Co和Ga等金属元素，煤矸石的化学成分不稳定，不同地区的煤矸石成分变化较大［2］，放射性元素含量一般不高。煤矸石易风化形成疏松多孔状产物，释放出植物营养元素，并逐步向土壤结构转变［3］。

1.2.2矿物组成

煤矸石与煤系地层共生，是多种矿岩组成的混合物，属于沉积岩。煤矸石的岩石种类主要有粘土岩类、砂岩类、碳酸岩类、铝质岩类。

粘土岩类中主要矿物组分为粘土矿物，其次为石英、长石、云母和黄铁矿、碳酸盐等自生矿物。此外还含有丰富的植物化石、有机质、碳质等。

砂岩类矿物多为石英、长石、云母、植物化石和菱铁矿结核等，并含有碳酸岩的粘土矿物或者其它化学沉积物。采煤掘进巷道选出的煤矸石多以砂岩为主。

碳酸盐类矿物的组成为方解石、白云石、菱铁矿、并混有较多的粘土矿物、陆源碎屑矿物、有机物、黄铁矿等。

铝质岩类均含有高铝矿物:三水铝矿、一水软铝石、一水硬铝石，此外还常常含有石英、玉髓、褐铁矿、白云母、方解石等矿物。[4]

1.3煤矸石的工艺物理特性

1.3.1可塑性

煤矸石必须经细碎后才有塑性，矸石中砂岩塑性较页岩差。混合矸石经粉碎至250目筛筛余>2%时，其可塑指标可达2.8~3相应含水率为23~25%，如果进一步细碎至300目筛筛余<2%，则塑性会更大。

1.3.2收缩性

煤矸石塑性低，收缩也就较小，一般线收缩在2.5~3%。烧结后的线收缩在2.2~2.4%，相应吸水率在17~19%。

1.3.3烧结温度范围

煤矸石的烧结温度一般在1050 左右。900 左右为一次膨胀，1120 至1160 时收缩最小，温度继续上升至1160 以上时产生二次膨胀，由固相转为固掖相或完全融熔

1.3.4脱碳温度

煤矸石的脱碳温度一般总是低于最佳烧结温度，最佳脱碳温度常发生在1000 上下，最低脱碳时间为200~250分钟;在整个脱碳过程中，应保持氧化气氛。

1.3.5耐火度

煤矸石属于中低耐火材料，一般耐火度在1300~1350，这主要取决于化学组成，从相图角度看，若含和高则熔点高，若含碱金属和碱土金属高则熔点就低1.3.6发热量

煤矸石发热量大小和碳含量及挥发组分多少有关。我国煤矸石发热量多在6300kJ/kg以下，热值高于6300kJ/kg的数量不多，约占10%左右。据80年代初调查，热值为3300～6300kJ/kg、1300～3300kJ/kg和1300kJ/kg以下的煤矸石数量大体相当，各占30%左右。在小于1300kJ/kg的煤矸石中未计有些露天煤矿开采剥离的泥岩，如果加上这一部分，小于1300kJ kg的煤矸石比例将大幅度增加。

2.煤矸石对环境的影响

2.1影响土地资源的利用

煤矸石堆场多位于井口附近，大多紧邻居民区，煤矸石的大量堆放一方面占用大量的土地面积，另一方面还在影响着比堆放面积更大的土地资源，使得周围的耕地变得贫瘠，不能被利用。

2.2污染大气

煤矸石露天堆放会产生大量扬尘，这主要是由于在地面堆放的煤矸石受到长时间的日晒雨淋后，将会风化粉碎；另外，煤矸石吸水后会崩解，从而很容易产

生粉尘。在风力的作用下，将会恶化矿区大气的质量。此外，煤矸石中含有残煤、碳质泥岩和废木材等可燃物，其中C，S可构成煤矸石自燃的物质基础。煤矸石露天堆放，日积月累，矸石山内部的热量逐渐积累。当温度达到可燃物的燃烧点时，矸石堆中的残煤便可自燃。自燃后，矸石山内部温度为800~1 000℃，使矸石融结并放出大量的CO、CO2、SO2、H2S 、NOx等有害气体，其中以SO2为主。一座矸石山自燃可长达十余年至几十年。这些有害气体的排放，不仅降低矸石山周围的环境空气质量，影响矿区居民的身体健康，还常常影响周围的生态环境，使树木生长缓慢、病虫害增多，农作物减产，甚至死亡。

2.3危害水土

当露天堆放的煤矸石山经风化、雨水淋蚀后，分解成部分可溶盐，如SO42-、Mg2+、Ca2+、K+或Na+等，当这些可溶盐浸入土壤，将导致土壤盐渍化。

另外煤矸石除含有粉尘、SiO2、A12O3以及Fe、Mn等常量元素外，还有其他微量重金属元素，如Pb、Sn、As、Cr等，这些元素为有毒重金属元素，经过雨淋之后会渗入土壤，进入地下水，增加了土壤与水源中重金属的含量，造成污染。

2.4引发重力灾害危及人身安全

矸石堆自然安息角为38°~ 40°，在人为开挖和降雨淋滤作用下，易失稳引发重力灾害，如渣石流、坍塌等。当矸石堆场的矸石堆放不合理时，矸石堆易发生边坡失稳，从而导致矸石堆的崩塌、滑移，特别在暴雨季节，这种现象在山区尤为常见，易发生泥石流，从而殃及下游的农田、河流及人员安全。

3.煤矸石的资源化处理

3.1发热和供电

煤矸石中含有部分碳和其他可燃物，具有一定热值，可以被用作燃料使用。但是由于一般煤矸石中可燃物的含量比较低，发热量大约在1000- 3000kcal/kg 之间。其作为一种低热值燃料，利用其发电时一般采用循环流化床锅炉燃烧技术。该锅炉在燃烧时，由炉底鼓风机向炉膛进风使破碎成颗粒的煤粒呈悬浮状态，形成流化床。煤可在炉内与空气充分混合，强化了燃烧和传热。一般来说，热值大于4200kJ/kg 的煤矸石通过洗选后可作为燃料直接利用，热值高于6270kJ/kg 的

煤矸石可而直接作为燃料燃烧供电，使用这种燃料，不仅能节约大量的优质煤，而且能减少环境污染。

3.2煤矸石生产建筑材料

目前，我国煤矸石建筑材料利用有以下几方面：

3.2.1煤矸石制砖

(1)煤矸石制烧结砖：烧结砖以煤矸石为主要原料，占配料总量的80%以上，有的全部以煤矸石为原料，有的加入少量粘土。煤矸石经过破碎、粉磨、搅拌、压制、成型、干燥、焙烧而成。焙烧时基本上无需再外加燃料。煤矸石砖规格与性能和普通粘土砖相同。烧制砖的工艺比粘土制砖工艺增加了一道粉碎工序。可选用颚式或锤式破碎机、球磨机等分别进行粗、中、细碎，并对原料进行陈化，以增加塑性。

(2)煤矸石制烧结空心砖。以煤矸石为主要原料，对煤矸石化学成分的要求与煤矸石烧结砖相同，但对粉碎要求较高。以自燃或人工煅烧煤矸石为骨料，以磨细生石灰、石膏作胶结料，经振动成型、蒸汽养护而成。产品标号可以达到200号。煤矸石空心砌块生产工艺简单，技术成熟，产品性能稳定，使用效果良好。

3.2.2煤矸石生产水泥

(1)煤矸石代粘土烧制硅酸盐水泥熟料。在烧制硅酸盐水泥熟料时，掺入一定比例的煤矸石，部分或全部代替粘土配制生料。煤矸石主要选用洗矸，岩石类型以泥质岩石为主，砂岩含量尽量少。

(2)以煤矸石作混合材料磨制各种水泥[5]。用作水泥混合材料的煤矸石要求是碳质泥岩和泥岩、砂岩、石灰岩(氧化钙含量>70%)，通常选用过火或煅烧过的煤矸石。

3.2.3煤矸石制轻集料

煅烧煤矸石轻集料。由碳质泥岩和泥岩类煤矸石经破碎、粉磨、成球、烧胀、筛分而成。轻集料和用轻集料配制的砼是一种轻质、保温性能较好的新型建筑材料，可用于建造大跨度桥梁和高层建筑。用煤矸石烧制轻集料有两种方法，即成球法和非成球法。成球法是将煤矸石破碎和粉磨后制成球状颗粒，然后送入窑炉中焙烧；非成球法是把煤矸石破碎到一定粒度直接焙烧。

煤矸石轻集料的质量主要取决于煤矸石的性质和成分。适宜烧制轻集料的煤

矸石主要是碳质页岩和选煤厂排出的洗矸，矸石中的含碳量不要过大，以低于13%为宜。

3.2.4煤矸石制加气混凝土

煤矸石加气混凝土是以过火煤矸石为硅质原料，以生石灰为钙质原料，加少量铝粉和适量石膏经搅拌、浇注、静停、蒸压而成。

3.3回收有益矿产及制化工原料

3.3.1从煤矸中回收有用矿物

有些矸石中往往混入发热量较高的煤、硫铁矿。可以采用适当的加工方法回收有用矿物，提高其品位，使其作为燃料或原料使用。我国硫铁矿资源比较丰富，其中一半以上是与煤共生或伴生的形式存在。据不完全统计，我国煤系硫铁矿主要产地204处，保有储量346334.66×104 t，资源总量(预测储量)为136605.1×104t。我国工业硫67.64%来自硫铁矿，其直接用途是制取硫酸和烧制硫磺。从矸石中回收硫铁矿，使资源得到合理利用，减少硫磺进口，具有显著的经济效益和社会效益。

3.3.2从矸石中提取化工产品

煤矸石作为化工原料，主要是用于生产无机盐类的化工产品。我国的煤系高岭岩矿石质量普遍较好。近年来调查统计结果表明，我国煤系高龄岩资源量巨人，现已探明的储量在16.73×104t以上，远景储量达56×108t，由此可见，煤系高龄岩是我国重要的优势资源，随着世界范围内的高岭土资源的日益减少，它将愈来愈被世界所瞩目。煤矸石中所含的高岭岩在一定的物理、化学条件下经深加工，高岭岩矿物可转变成结晶的或无定形的单晶相或多晶相产品，生产硫酸铝、聚合氯化铝、氢氧化铝、氧化铝。4A分子筛、莫来石砂、白炭黑，铵明矾等系列化工产品。

含硫量大于6%的煤矸石，其中的硫以黄铁矿的形式存在且结核状或块状，可回收其中的硫铁矿。煤矸石还可以提取五氧化二钡及其他稀有元素。

3.4煤矸石生产农肥及改良土壤

3.4.1煤矸石制微生物肥料

以煤矸石和磷矿粉为原料基质，外加添加剂等，可制成煤矸石微生物肥料。煤矸石中有机质含量越高，煤矸石微生物肥料的碳素营养越充足，有助于肥效的

发挥。

3.4.2煤矸石制备有机复合肥料

有的煤矸石有机质含量在15%~25 % ，甚至25%以上，并含有植物十长所必需的B、Cu、Mo、Mn等微量元素和较大的吸收容量，这种煤矸石适宜于生产肥料。煤矸石有机复合肥料可增加土壤疏松、透气性，改善土壤结构，提高土壤肥力，达到增产的目的。

生产煤矸石有机复合肥一般用化学活化法。即选用含有机质较高的破碎煤矸石粉与过磷酸钙按一定比例混合，加入适量的活化添加剂，搅匀，加入适量水，堆沤活化即成。还可在活化后掺入N，K和微量元素等制成全养分肥料。我国煤矸石肥料研制和推广应用工作取得较大进展。曾开发的全养分矸石肥料，是以煤矸石为主要原料，经粉碎后加入改性物质，经陈化后掺入适量氮、磷、钾和微量元素制成的一种有机一无机复合肥料，田间实验表明，西瓜、苹果等经济作物施用这种专用矸石肥料后，一般可增产15%~20%

3.4.3利用煤矸石改良土壤

利用煤矸石的酸碱性及其中含有的多种微量元素和营养成分，可将其用于改良土壤，调节土壤的酸碱度和疏松度，并可增加土壤的肥效。具体实施时，要查明土壤的化学成分和性质，并在其中掺入一些有机肥料。在未制定污染控制标准前，应参照GB8193-89标准执行．

3.5利用煤矸石筑路、填坑、土地复垦

3.5.1煤矸石作工程填筑填料[6]

煤矸石主要用于充填沟谷、采煤塌陷区等低洼区的建筑工程用地，或用于填筑铁路、公路路基等，或用于回填煤矿采空区及废弃矿井。煤矸石工程填筑要获得高的充填密实度，使煤矸石地基有较高的承载力，并有足够的稳定性，要求煤矸石是砂岩、石灰岩或未经风化的新矸石。与向矸石山排矸相比，向沉陷区直接排矸并不增加费用，在经济上是可行的。

3.5.2煤矸石复垦

用煤矸石填埋后的塌陷地，可以用作建筑用地，也可选以草坪植物为主，再植抗旱、耐盐碱、耐瘠薄的乔木树种。在其上覆土还田，对表层已风化成土的煤矸石复垦后，不需复土，可直接造林或开垦为农田，但必须查明确保矸石中的有

害元素含量不能超过标准。这样可以同时解决矿区塌陷地和煤矸石造成的生态问题。这些大批量处理矸石的方法，是解决矸石污染的有效途径之一。这种方法在平原矿区，如河北、河南、两淮等地已有20 多年的应用历史。如:开滦煤矿从1989 年起即用煤矸石填坑造地，并进行复土和种植试验，3年共复土35 万m3 以上，造地28.7hm2；阳泉矿与郊区富山村合作进行填矸造地6.67hm2，价值达500 万元，利用煤矸石达60 万吨，现已进行耕种绿色植物试验，并被列为山西省的示范项目。[7]

3.6煤矸石的其他利用途径

3.6.1 冶炼硅铝铁合金

对于Fe2O3含量较高的煤矸石，可采用直流矿热炉冶炼硅铝铁合金，要求煤矸石的化学成分见表3。入炉粒度在20～60mm[8]。

表3冶炼硅铝铁合金的煤矸石原料要求

w B/% 成分SiO2 Al2O3 Fe2O3

含量20～35 35～55 15～30

3.6.2制取水玻璃

煤矸石的主要成分是Al2O3和SiO2，如果将其破碎、焙烧、酸溶、过滤，那么滤液中的氧化铝经过浓缩、结晶、热解、聚合、固化、干燥等过程，就可制成聚合氧化铝。滤渣中的二氧化硅与氢氧化

钠反应就可制成水玻璃[9]

3.6.3生产铸造型砂

高岭石含量在40%以上的泥质岩类煤矸石可作为生产铸造型砂的原料，煅烧是生产铸造型砂的技术关键。煅烧窑炉常采用立窑或倒焰窑。泥岩类煤矸石主要从泥岩含量相对较多的洗煤矸石、煤巷矸石和手选矸石中采用人工手拣的方法获得。[10]

3.6.4 利用煤矸石制取造纸涂料

以煤矸石为原料生产涂料级煅烧高岭土，利用浸出除杂、湿法超细磨、煅烧除碳增白联合方法处理煤矸石，可获得合格的涂料级煅烧高岭土产品，其产品性能符合国家铜版纸造纸涂料级标准。采用煤矸石制取造纸涂料具有煤矸石利用量

大、利用彻底的特点，为煤矸石的资源化利用开辟了一条新途径。

3.6.5 煤矸石中硫铁矿在处理含铬废水中的应用

煤矸石中硫铁矿对含铬废水的处理效果与废水的pH值关系较为密切，废水的pH值越小，对六价铬的去除率越高，相反去除率越低。经反复试验，煤矸石中硫铁矿(S含量为30%)与六价铬质量比为60∶1，处理后含铬废水可以达标。利用煤矸石中硫铁矿处理酸性含铬(Ⅵ)废水，工艺简单、操作方便，实现了以废治废。

4.结语

煤矸石的长期堆存，破坏生态平衡，给人类生存环境带来极大的危害，但是煤矸石又是丰富的人然资源，在工业、农业和建筑业中有着广阔的应用前景。综合利用煤矸石，不仅可以缓解我国耕地紧缺的现状，而且可以使煤矸石变成人们可以利用的一种资源，解决当前而临的资源紧缺问题，同时还可以改善人们生存的环境和减少自然灾害的发生。在我国全而建立“资源节约型、环境友好型”社会的进程中，我们只有通过多种途径开展煤矸石的综合利用，才能获得良好的经济、社会和环境效益，从而实现矿区的可持续发展。

参考文献

[1] 田玲玲.煤矸石的环境危害与综合利用途径[J].北方环境,2011,23（7）:169-175

[2] 翟浩.煤矸石综合利用的可行性研究[J].中国新技术新产品,2008（8）:81-82

[3] 杨社锋.中国煤矿废弃物环境效应研究进展[J].矿物岩石地球化学通报,2004,23(3):264-267

[4]冷发光.煤矸石综合利用的研究与应用现状[J].四川建筑科学研究,2000,26(2):44-46

[5] 尚凤梅.浅谈煤矸石的综合利用[J].山东煤炭科技,2003,(1):7-91

[6] 赵国智,李仲学,刘峰.煤矸石作铁路路基的技术经济分析[J].中国煤炭,2006,(3):55-571

[7]郭宇清.煤矸石综合利用对策及意义.山西煤炭管理干部学院学报,2011,24(1)

[8] 时鹏辉,李多松,宋宁宁,万田英.煤矸石的综合利用及其技术要求[J].山东煤炭科技,2006,(1):65-671

[9] 尚凤梅.浅谈煤矸石的综合利用[J].山东煤炭科技,2003,(1):7-91

[10] 崔智勇,郭成豪.煤矸石综合利用专题研究[J].山西煤炭,1999,(12):59-611