煤矸石成分及其再利用技术研究.pdf

2020 年第 5 期2020 年 5 月 煤炭是中国国民经济增长的关键动力，在未来很 长一段时间内，煤炭依然在中国能源结构中占据主导 地位。近年来，随着采煤工艺和综采设备自动化水平 的提升，采煤效率得到显著提升。煤矸石是煤炭开采和 洗煤过程中的必然产物，煤矸石处理不当不仅会占用大 量的土地面积，还会对周边生态环境造成严重污染[1]。 随着中国原煤生产规模的不断扩大，如果仍然不采取 相应的再利用或者处理措施，煤矸石的产量将不断增 加，其对环境的危害不可估量。因此，需加强对煤矸 石的综合利用，这样不仅能够达到节约资源的目的， 还能够对环境有一定的改善。本文着重对煤矸石的成 分及其再利用技术进行详细探讨。 1煤矸石的成分研究 1.1煤矸石的矿物组成 煤矸石属于掺夹在煤层中的脉石，在煤炭开采或者 洗选过程中分离出来的。一般的煤矸石为无机物和可燃 有机物的混合物，其主要成分包括煤炭、砂岩和泥质页 岩等。煤矸石成分不同，可应用于不同行业，发挥不同 的作用。根据工作面地质条件的不同，煤矸石的主要矿 物组成成分和比例不尽相同[2]。一般的煤矸石主要包含 的矿物质有黏土矿物、硫铁矿、石英石和各种碳质。 1.2煤矸石的化学组成 鉴于煤矿地质、水文条件的不同，煤矸石的矿物 组成成分不尽相同；再加上所采用的采煤工艺不同， 使得开采过程中伴随而生的煤矸石的化学成分也不同。 经研究可知，煤矸石中除了含有一定量的碳外，还包含 有 SiO2、Al2O3、CaO、MgO 和 K2O 等化学物质。其中， SiO2占煤矸石所有化学成分的 50左右[3]。 本文以 A 矿采集到的煤矸石为研究对象，对其主 要成分进行研究分析。具体操作步骤为所采集到的煤 矸石经粉碎机粉碎后，过筛处理后得到煤矸石粉末，取 适量的粉末经煅烧、蒸干脱水、原子吸收光谱分析等， 对其化学成分进行测定。A 矿煤矸石化学成分的测定结 果如表 1 所示。 表 1A 矿煤矸石成分比例单位 分析表 1 可知，A 矿煤矸石中占比最高的化学物质 为 SiO2，占比为 27；其次为 Al2O3，占比为 20；然 后为 Fe2O3，占比为 8。 2煤矸石静态浸泡试验研究 煤矸石中除了包含表 1 所示的化学成分外，还存在 一定量的有害元素，包括 Cu、Zn、Cr、Pb、Mn、Ni 和 Hg 这些重金属元素。煤矸石中所含的有害元素是破坏 环境的关键。因此，对于再利用的煤矸石，除了需准确 掌握其中的无害元素外，还需精确掌握其中的有害物 质，以便根据其再利用的用途采用相对应的技术将煤矸 石中的有害物质降至相关标准范围之内[4]。 2.1静态浸泡试验的目的 煤矸石中有害元素的浸出量与众多因素相关，主要 包括煤矸石的堆放高度、煤矸石的颗粒大小和矿井所处 位置的降水情况。此次煤矸石静态浸泡试验的主要目的 收稿日期2020-03-13 作者简介申丽明，1980年生，男，山西长子人，2004年毕业于河 南理工大学环境工程专业，工程师。 煤矸石成分及其再利用技术研究 申丽明 （ 潞安集团节能环保处，山西 长治 046204 ） 摘要 针对当前煤矸石利用率低造成资源浪费和环境污染的问题，在分析煤矸石矿物、化学成分的基础上，通过浸 泡试验分析影响其中所含有毒元素浸出浓度的因素，为煤矸石的再利用提供指导，最终提升煤矸石的利用率，减小煤矸 石对环境的污染。 关键词 煤矸石；环境污染；资源浪费；再利用技术 中图分类号 TD849.5文献标识码 A文章编号 2095-0802-202005-0062-02 Research on the Composition of Coal Gangue and Its Reuse Technology SHEN Liming Energy Conservation and Environmental Protection Department, Luan Group, Changzhi 046204, Shanxi, China AbstractIn view of the problems of resource waste and environmental pollution caused by the low utilization rate of coal gangue, based on the analysis of the mineral and chemical composition of coal gangue, this paper analyzed the factors that affect the leaching concentration of the toxic elements contained in the coal gangue through immersion test, so as to provide guidance for the reuse of coal gangue, and ultimately improve the utilization rate of coal gangue and reduce the environmental pollution caused by coal gangue. Key words coal gangue; environmental pollution; resource waste; reuse technology （总第 176 期） 环境资源 化学成分SiO2Al2O3CaOMgOK2OTiO2Fe2O3 比例27.020.00.90.30.31.48.0 62 2020 年 5 月2020 年第 5 期 （上接 27 页） 6结语 针对山西华胜煤业 3煤层 3103 工作面回采顺槽煤 岩层原始力学性能，对顺槽围岩进行了精心支护设计， 通过数值软件 RFPA 模拟顺槽支护方案的可行性，最后 将支护方案应用到实际现场施工，对围岩均有良好的 控制效果。至此得出的主要结论有a 针对华胜煤业 3煤层围岩的现状，采用 RFPA 数值模拟的方法，拟合 设计支护方案的可行性。通过计算可知，锚杆锚索加 钢带的联合支护方法能够更好地控制顺槽围岩的变形 破坏，支护结构体的刚度达到 35 MPa 以上。b 将最优 支护方案应用于现场顺槽掘进支护施工中，采用激光 测距仪记录顺槽两帮相对位移量，在顺槽围岩支护12 d 后，围岩移动变形得到了有效控制，顺槽围岩在支护 条件下达到了稳定状态。 参考文献 ［1］ 侯朝炯， 勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究 ［J］ .岩 石力学与工程学报， 2000， 193 342-345. ［2］ 祁和刚， 郭夕祥， 于士芹， 等.破碎大巷变形机制与注锚加固技 术 ［J］ .煤炭学报， 2008， 3311 1224-1229. ［3］ 张百红， 韩立军， 王延宁， 等.深井软岩巷道锚注支护机构承载 特性 ［J］ 援采矿与安全工程学报， 2007， 242 161-163援 ［4］ 唐春安， 王述红， 傅宇芳.岩石破裂过程数值试验 ［M］ .北京 科 学出版社， 2003. ［5］ 马仲仁， 张兴才， 张世雄， 等.大冶铁矿巷道变形监测研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2004， 231483-487. （ 责任编辑白洁 ） 是，得出不同有害物质的浸出量与矿区降水 pH 值的关 系以及某种有害元素全部浸出所需的时间。 2.2静态浸泡试验过程 取 A 矿的煤矸石，将其粉碎成一定粒度大小的粉 末后浸入不同 pH 值的浸泡液中，并定期取定量的浸泡 液分析其中有害元素的含量[5]。为了缩短有害元素全部 浸出所需的时间，笔者在结合前辈经验的基础上，设 定样品粉末的颗粒不得大于 0.063 mm。 结合 A 矿当地降水的 pH 值，设定浸泡液的 pH 值 分别为 5.1、6.3 和 7.5，设定煤矸石粉末浸泡时间分别 为 1 d、3 d、6 d、10 d、20 d 和 40 d。此次浸泡试 验分析的有害元素包括 Cu、Pb 和 Hg 这些重金属元素。 2.3试验结果分析 静态浸泡试验结果如表 2 所示。 表 2试验结果 分析表 2 数据可得，Cu 随着浸泡时间的延长，其 浸出浓度增大，且其浸出浓度随 pH 值变化的情况无规 律，说明 Cu 元素的浸出与 pH 值无关；Pb 的浸出量与 浸泡时间和 pH 值无关；Hg 的浸出量受 pH 值的影响较 小，随着浸泡时间的延长，Hg 的浸出浓度相差不大。 3煤矸石再利用技术研究 煤矸石的堆放不仅会占据极大的土地面积，造成 资源的浪费，而且其中所含的有害元素还会对周边环 境造成污染。因此，需对煤矸石进行再利用。目前， 煤矸石的再利用技术主要体现在以下几个方面。 3.1生产水泥 通过对煤矸石中成分的研究，其中含 SiO2、Al2O3 和 Fe2O3的比例较高。因此，煤矸石常替代黏土生产为 普通硅酸盐水泥、特种水泥和无熟料水泥等。 3.2生产特种砖及石棉瓦 将煤矸石、黏土和砂等原料按照一定的比例经粉 碎、成型和焙烧等工艺制得特种砖；将煤矸石与绿页 岩按照 1颐2 的比例混合，经破碎、搅拌、焙烧等工艺制 得轻质建筑材料，其中，焙烧的温度控制在 1 250 ℃ 左右；将煤矸石与石灰按照一定的比例混合，采取高 温熔化并控制燃烧温度等工艺手段制得石棉瓦。 3.3制备化工产品 在高温作用下，煤矸石中的 Fe2S3与氨混合生成 NH42SO4，从而制得土产NH42SO4；将一定浓度的烧 碱、水和酸浸后的煤矸石按照一定的比例混合后，经 蒸汽和加工等工序后制得水玻璃。 4结语 煤矸石作为煤炭生产和煤炭洗选过程中不可避免 的产物，其所含的有害元素严重破坏周边的环境，长 期储存造成了能源的浪费。所以，需加强对煤矸石的 再利用或者对煤矸石进行处理，以确保其中的有害元 素降低至标准范围之内。煤矸石中所含的主要化学成 分为 SiO2、Fe2O3和 Al2O3等，因此，可将煤矸石作为生 产水泥、化工产品以及特种砖和石棉瓦的原料应用于 工业生产中。 参考文献 ［1］ 冯剑， 胡欣， 周春红， 等.煤矸石轻质骨料的性能研究 ［J］ .江西 建材， 201912 6-7. ［2］ 李丹， 于道渊， 杨英， 等.煤矸石充填料浆坍落度研究现状分 析 ［J］ .科技创新与应用， 201936 29-30. ［3］ 刘峰， 刘超.煤矸石综合利用系统的研究与应用 ［J］ .煤炭技 术， 2019， 3812 144-146. ［4］ 韩邦华.煤矸石在水泥行业中的综合利用 ［J］ .江西建材， 201911 6-8. ［5］ 贾鲁涛， 吴倩云.煤矸石特性及其资源化综合利用现状 ［J］ .煤 炭技术， 2019， 3811 37-40. （ 责任编辑白洁 ） 有害元素 pH 值 有害元素浸出的质量浓度/滋g mL-1 1 d3 d6 d10 d20 d40 d Cu 5.14.301.502.503.100.5313.10 6.31.502.902.106.302.7012.70 7.52.404.402.905.101.1013.60 Pb 5.11.941.011.410.720.842.01 6.30.602.401.101.300.902.10 7.50.901.901.101.301.101.40 Hg 5.10.180.240.180.150.150.18 6.30.170.260.190.160.180.17 7.50.250.340.220.200.190.21 申丽明 煤矸石成分及其再利用技术研究 63