煤矸石

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。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。其主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素（镓、钒、钛、钴）。

一、简介

煤伴生废石是矿业固体废物的一种，是在掘进、开采和洗煤过程中排出的固体废物。是矿业固体废物的一种，包括洗煤厂的洗矸、煤炭生产中的手选矸、半煤巷和岩巷掘进中排出的煤和岩石以及和煤矸石一起堆放的煤系之外的白矸等的混合物。是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，具有低发热值。含碳20%～30%，有些含腐殖酸。中国历年已积存煤矸石约1000Mt，并且每年仍继续排放约100Mt，不仅堆积占地，而且还能自燃污染空气或引起火灾。煤矸石主要被用于生产矸石水泥、混凝土的轻质骨料、耐火砖等建筑材料，此外还可用于回收煤炭，煤与矸石混烧发电，制取结晶氯化铝、水玻璃等化工产品以及提取贵重稀有金属，也可作肥料。

二、结构

煤矸石是在成煤过程中与煤共同沉积的有机化合物和无机化合物混合在一起的岩石，通常呈薄层和在煤层中或煤层顶、煤层底。煤矸石按主要矿物含量分为黏土岩类、砂石岩类、碳酸盐类、铝质岩类。按来源及最终状态，煤矸石可分为掘进矸石、选煤矸石和自然矸石三大类。煤矸石排放量根据煤层条件、开采条件和洗选工艺的不同有较大差异，一般掘进矸石占原煤产量的10%左右，选煤矸石占入选原煤量的12%~18%。

煤矸石的无机成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属。其化学成分组成的百分率：SiO2为52～65；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。

高硫煤矸石中含有的主要有用矿物为硫铁矿和煤。纯硫铁矿相对密度高达5，与脉石相对密度差为2-2.3，而共生硫铁矿与脉石相对密度差为0.5-1。因此，使硫铁矿尽可能从共生体中解离出来，利用相对密度差即可将硫铁矿分选出来。煤矸石的原矿粒度较大，其中黄铁矿的组成形态以包括结核体、粒状、块状等宏观形态为主，经显微镜和电镜鉴定，煤中黄铁矿以莓球状、微粒状分布在镜媒体中，而在细胞腔中亦充填有黄铁矿，个别为小透镜状、细粒浸染状。矿物之间紧密共生，呈细粒浸染状，所以在分选前必须进行破碎、磨矿，煤矸石的解离度越高，选别效果越理想。

存在于煤中的黄铁矿经过洗选后大部分富集于洗矸中。洗矸中黄铁矿以块状、脉状、结核状及星散状四种形态存在。前三种以2-50mm大小不等、形态各异的结核体最常见，矸石破碎至3mm以下，黄铁矿能解离80%左右，破碎至1mm以下几乎全部解离。星散状分布的黄铁矿很少，多呈0.02mm立方体单晶，嵌布于网状脉岩中很难与脉石分开。黄铁矿的回收方法和工艺流程原则上是从粗到细把黄铁矿破碎成单体解离，先解离、先回收，分选解离、分段回收。

三、用途

煤矸石弃置不用，占用大片土地。煤矸石中的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体。矸石山还会自燃发生火灾，或在雨季崩塌，淤塞河流造成灾害。中国积存煤矸石达10亿吨以上，每年还将排出煤矸石1亿吨。为了消除污染，自60年代起，很多国家开始重视煤矸石的处理和利用。

煤矸石代替燃料：化铁；烧锅炉；烧石灰；回收煤炭。生产水泥：生产普通硅酸盐水泥；生产特种水泥；生产无熟料水泥。生产建筑材料：煤矸石烧结砖，质量较好，颜色均匀；煤矸石生产轻骨料，轻骨料是为了较少混凝土的相对密度，而选用的一类多孔骨料；生产煤矸石棉，以煤矸石和石灰为原料，经高温融化，喷吹而成的一种建筑材料。生产化工产品：制结晶三氯化铝，以煤矸石和化工工业副产盐酸为主要原料，经过破碎、培烧、磨碎、酸浸、沉淀、浓缩结晶和脱水等生产工艺而制成，是一种新型的净水剂；制水玻璃；生产硫酸铵，煤矸石内的硫化铁在高温下生产SO2，再氧化而生产SO3，遇水生产硫酸，并与氨的化合物生产硫酸铵。

利用途径有以下几种：

①回收煤炭和黄铁矿：通过简易工艺，从煤矸石中洗选出好煤，通过筛选从中选出劣质煤，同时拣出黄铁矿。或从选煤用的跳汰机──平面摇床流程中回收黄铁矿、洗混煤和中煤。回收的煤炭可作动力锅炉的燃料，洗矸可作建筑材料，黄铁矿可作化工原料。

②用于发电：主要用洗中煤和洗矸混烧发电。中国已用沸腾炉燃烧洗中煤和洗矸的混合物（发热量每公斤约2000大卡）发电。炉渣可生产炉渣砖和炉渣水泥。日本有10多座这种电厂；所用中煤和矸石的混合物，一般每公斤发热量为3500大卡；火力不足时,用重油助燃。德意志联邦共和国和荷兰把煤矿自用电厂和选煤厂建在一起，以利用中煤、煤泥和煤矸石发电。

测试煤矸石的发热量应使用专门的仪器进行，微机量热仪可以满足发热量的测试。

③制造建筑材料：代替粘土作为制砖原料，可以少挖良田。烧砖时，利用煤矸石本身的可燃物，可以节约煤炭。

煤矸石烧结空心砖，是指以页岩，煤矸石或粉煤灰为主要原料，经焙烧而成的具有竖向孔洞（孔洞率不小于25%,孔的尺寸小而数量多）的砖。其外形尺寸，长度为290,240,190mm,宽度为240,190,180,175,140,115mm,高度为90mm。由两两相对的顶面、大面及条面组成直角六面体，在中部开设有至少两个均匀排列的条孔，条孔之间由肋相隔，条孔与大面、条面平行，其间为外壁，条孔的两开口分别位于两顶面上，在所述的条孔与条面之间分别开设有若干孔径较小的边排孔，边排孔与其相邻的边排孔或相邻的条孔之间为肋。

煤矸石可以部分或全部代替粘土组分生产普通水泥。自燃或人工燃烧过的煤矸石，具有一定活性,可作为水泥的活性混合材料，生产普通硅酸盐水泥(掺量小于20%)、火山灰质水泥（掺量20～50%）和少熟料水泥（掺量大于50%）。还可直接与石灰、石膏以适当的配比，磨成无熟料水泥，可作为胶结料，以沸腾炉渣作骨料或以石子、沸腾炉渣作粗细骨料制成混凝土砌块或混凝土空心砌块等建筑材料。英国、比利时等国有专用煤矸石代替硅质原料生产水泥的工厂。

煤矸石可用来烧结轻骨料。日本于1964年用煤矸石作主要原料制造轻骨料，用于建造高层楼房，建筑物重量减轻20%。

用盐酸浸取可得结晶氯化铝。浸取后的残渣，主要为二氧化硅，可作生产橡胶填充料和湿法生产水玻璃的原料。剩余母液内所含的稀有元素（如锗、镓、钒、铀等），视含量决定其提取价值。

此外，煤矸石还可用于生产低热值煤气，制造陶瓷，制作土壤改良剂，或用于铺路、井下充填、地面充填造地。在自燃后的矸石山上也可种草造林，美化环境。

三、影响

到目前为止，煤矸石的利用力度还不够大。技术不完善，地区发展不平衡，对环境的影响依然很严重，主要表现在下述几个方面。

（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）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。煤矸石业务露天堆放，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800~1000oC，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，至死亡。

（3）危害水土煤矸石除含有粉尘、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。当露天堆放的煤矸石山经雨水淋蚀后，产生酸性水，污染周围的上地和水体。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。

四、制备方法

从煤炭开采来看，中国每年生产1亿吨煤炭，排放矸石1400万吨左右；从煤炭洗选加工来看，每洗选1亿吨炼焦煤排放矸石量2000万吨，每洗1亿吨动力煤，排放矸石量1500万吨。2005年，国内各类煤矿生产煤炭1045亿吨，洗煤385亿吨，排放矸石量19-20亿吨。因而，全国国有煤矿现有矸石山1500余座，堆积量30亿吨以上（占中国工业固体废物排放总量的40%以上）。

煤矸石中二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝的总含量在80%以上，它是一种天然的粘土质原料，可以用来烧制普通硅酸盐水泥、特种水泥和熟料水泥等各种建筑特殊用途水泥。

磨粉机和制砂机已经广泛用于煤矸石制作水泥生产线。不论是将煤矸石用于制砖，或是做水泥添加料还是供应给煤矸石发电厂，通常用到的加工设备有颚式破碎机、反击式破碎机、雷蒙磨粉机、超压梯形磨粉机、立式磨粉机、振动筛、振动给料机等。颚式破碎机具有破碎比大、产品粒度均匀、结构简单、工作可靠、维修简便、运营费用经济等特点。组成整套破碎生产系统，广泛用于矿山、水泥、化工、铁路、建筑等方面。反击式破碎机(反击破)能处理边长不超过500mm、抗压强度不超过350MPa的各种粗、中、细物料(煤矸石、花岗岩、石灰石、混凝土等)，广泛用于水电、高速公路、人工砂石料、破碎等行业。实地勘察，利用地形走势，合理配置，设备连接紧凑，占地面积小，提高了产量也节省皮带机长度和项目投资。产品具有结构独特、无键连接、高铬板锤、独特的反击衬板;硬岩破碎、高效节能；产品形状呈立方体，排料粒度大小可调，简化破碎流程等优点。

五、磨粉机

随着经济体制改革的不断深化和我国工农业的健康快速发展，在能源日趋紧缺的情况下，矿山机械设备企业越来越注重对高效、节能环保设备的研发和生产，在矿山机械制造采用长寿命、低能耗及减轻重量的设计原则的同时，矿山机械设备企业也越来越开始重视二次开发利用矿山废弃物等资源。

煤炭作为我国的主要能源，它在社会经济发展中发挥着极其重要的作用。煤炭的开发和利用,既对社会经济起着巨大的推动作用，同时也对环境产生了重大影响。煤矸石和煤层气就是煤炭开发过程中产生的主要废弃物,长期以来被煤炭工业视为有害物质和灾害性气体。煤矸石是在煤的掘进、开采和洗选过程中排出的固体废物。中国积存煤矸石达10亿吨以上，每年还将排出煤矸石1亿吨。近几年来，煤矸石不再仅仅被视为一种数量最大的工业固体废弃物,而作为一种资源，在化工、建材、冶金、轻工等领域得到了广泛的研究和应用,煤矸石资源化已成为煤矸石综合利用研究的重点。

六、破碎机

新型的煤矸石破碎机替代了早期单级有筛底的破碎机完美解决了高湿物料破碎困难问题，煤矸石破碎机针对个体用户和中小型企业是最有效的投资，有效的节约了客户购买设备的成本。该设备产量高噪音小细度低，整套设备便于维护而且无须特殊安装即刻开机使用。煤矸石破碎机采用双转子上下两级粉碎;没有筛网篦底，对物料含水率没有严格要求，完全不存在糊堵筛板的问题，更不存在细粉不能及时排出，重复粉碎的问题，故粉碎效率高，不存在锤头无效磨损现象；高合金耐磨锤头;锤头磨损后不需修复，移动位置反复使用，一副锤头可顶三副锤头使用。只需要一人即可轻松启闭，不仅轻巧快捷且安全可靠，便于维护，整体结构合理简单操作。