西铭矿煤矸石特征及其资源化利用意义

杜金龙

(中煤地生态科技有限公司，北京 100038)

0 前言

煤矸石是产出于煤层中或顶底板，与煤伴生的含炭岩石，主要成分有煤炭、炭质页岩、泥质页岩及砂岩。矸石产出途径主要有3种：在井筒与巷道掘进过程中开凿排出的煤矸石；在采煤和煤巷掘进过程中，由于煤层中夹有矸石或削下部分煤层顶底板，使运到地面中煤炭含有的原矸；洗煤厂产生的洗矸和少量人工挑选的捡矸。目前全国矸石产量在7亿至8亿t[1]，产矸率在20%左右，其中采掘矸占5%～10%，选选矸12%～18%。矸石利用量接近5亿t，利用率65%。煤矸石会造成大气、水体、土壤污染，引发地质灾害，占用土地资源，影响生态环境。

西铭矿位于山西省太原市西北，隶属西山煤电公司，年产煤炭350万t，产出矸石150～180万t，产矸率40%～50%。煤矸石主要是是洗煤厂产生的洗矸，出矸煤层为2、8、9号煤。目前处置方式为黄土与矸石分层回填、表面覆土绿化。随着国家环保政策的收紧，矸石山堆存难以为继，亟需寻找新的途径[2]。本文将对西铭矿煤矸石基础性质进行深入分析，据此提出资源化利用新方向。

1 煤矸石资源化利用主要技术

煤矸石资源化利用方式包括发电、生产建材、制作化工产品及生产肥料、聚合材物及复合材料、分级分质利用等[3-9]。

1)矸石发电。目前主要用洗中煤和洗矸混烧发电，占总利用量30%。国家鼓励利用煤矸石，特别是洗矸作为燃料用于发电，并制定许多优惠政策。现阶段循环流化床燃烧技术比较成熟，其中35t/h和75t/h循环流化床锅炉比较常见。目前我国矸石电厂装机容量达到500万kW，每年用于发电的煤矸石量达到了460万t以上。同时，由于煤矸石灰分一般都在65%以上，甚至高达85%，高灰分会导致燃烧后产生大量的烟尘，污染环境，同时会吸收大量热值，造成锅炉热效率低。

2)生产建筑材料。利用煤矸石生产建筑材料具有很多优势，比如质量轻、吸水率低、强度高及化学稳定性好等。一般使用煤矸石可以制成砖瓦、轻骨料、水泥、加气混凝土及混凝土空心砌块等，特别是陶粒轻骨料具有轻质、高强、保温、高附加值等优点，同时配制成的高性能混凝土也符高层建筑对轻质和高强的要求。近年来，利用煤矸石制造陶粒轻骨料成为未来发展重点之一。

3)制造化工产品及生产肥料。煤矸石所含化学元素十分丰富，可以用于合成不同的化工产品。利用含氧化铁较高的煤矸石可以回收黄铁矿，利用含二氧化硫较高的煤矸可以回收硫，富含硅、铝等有用元素的煤矸石是制备硅铝化工产品。

煤矸石有机质含量一般在15%～25%，含丰富的植物生长所需的微量元素与营养成分，携带固氮、解磷、解钾等微生物的理想基质，采用化学活化法，可以生产有机复合肥料和微生物肥料，生产成本较低，可以有效地增强土壤供氮能力，提高土壤中微量元素含量、腐殖酸含量及土壤透气性，提高农作物产量。

4)生产聚合物及复合材料。煤矸石含有大量具独特物理化学结构的类碳黑物质，进行超细粉碎及表面改性深加工之后，其补强性能及填充量都会有较大提升，能够取代碳黑作为橡胶补强的填料。Al含量高的煤矸石可以用作新型的阻燃型填料，提取碱式聚合氯化物用作净水材料。

5)分级分质综合利用。利用多级破碎和筛分工艺，使煤和不同矿物集中在一定粒级组成物流中，将砂石(大于2mm)与土、煤分离。利用离心和重力分选工艺，使煤从土(小于2mm)中分离出来。通过摇床分选工艺，将黄铁矿从土中分选出来。通过浮选工艺，将黏土矿物从土中分选出来。剩余尾矿制造建材或提取稀贵元素等,实现煤矸石的“吃干榨尽”[10]。

2 西铭矿煤矸石采样测试方法

2.1 样品采集与制备

2019年4月，在西铭矿排矸场采集了煤矸石样品。煤矸石采样参考GB 475—2008《商品煤人工采取方法》，使所取样品具有代表性。西铭矿矸石从选煤厂通过皮带运输至排矸场后，分成大矸(粒径50～100mm)、中矸(20～50mm)和洗矸(1～20mm)，质量比2∶5∶3。本次分别在细矸、中矸和大矸堆放处采集样品装袋，编号为1号、2号和3号样品，取样重量为25kg(每件)。采样点在平面上以蛇形分布，并做到均匀和随机；取样深度0～20cm。每个点的取样深度及重量均匀一致。

样品缩分采用四分法。将样品按照分析测定要求破碎，过一定孔径的筛子，然后混合，平铺成圆锥形，分成四等分，取相对的两份混合，然后再平分，直到达到取样重量的要求。

2.2 样品测试方法

根据GB/T 477—1998《煤炭筛分试验方法》进行了粒度分析；根据GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》进行了工业分析，分析指标包括水分、灰分、挥发分、烧失量、发热量；利用X射线衍射分析仪(XRD)进行了矿物分析，利用X射线荧光光谱分析仪(XRF)进行了灰成分分析，利用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS进行了元素分析。

3 测试分析结果

3.1 粒度组成

对煤矸石样品按照GB/T 477—1998利用0.5mm、1mm、3mm、6mm、13mm、25mm孔筛进行了筛分分析，得出了1号和2号煤矸石粒度组成(表1)；3号样由于均为较大矸石块(大于25mm)，难以进行筛分，未能得到其粒度组成。结果表明：1号矸石样粒度较细且分布相对均匀，2号矸石粒度集中在3mm以上(超过87%)，且样品中粒度越细、所占比例越小(表1)。

表1 西铭矿煤矸石粒度组成表

3.2 工业分析

从表2可见，3类样品的水分均小于1%，可见煤矸石相对干燥；从灰分来看，1号样品灰分较低，在66%，2号和3号样灰分较高，总体在75%～80%；不同粒度灰分为50%～70%，且随粒度减小而降低；3类样品的挥发分在12%左右。

表2 西铭矿煤矸石工业分析成果表

从固定碳含量看，1号样品较高，大于20%，2号和3号样品相对较低，介于8%～13%。固定碳含量(FCad)决定了煤矸石资源化利用方向。根据固定碳含量 可将煤矸石划分为四个等级：1级<4% (少碳煤矸石)； 2 级 4%～6% (低碳煤矸石)；3级6%～15% (中碳煤矸石)和4级>15% (高碳煤矸石)。可见1号样品属于高碳煤矸石，2号和3号属于中碳煤矸石。

高碳煤矸石具有较大的能源利用前景，一般热值>7 500kJ/kg，适合于用作沸腾炉和流化床燃料；中碳煤矸石热值一般为3 340～7 500kJ/kg，可用作混合燃料。

烧失量则是煤矸石能否用于制砖的重要指标，烧失量不宜过大，最好低于15%，否则在制砖烧结过程质量失去过多，易造成产品塌陷，合格率降低。1号样品烧失量较高，接近35%，2号和3号较低为20%～25%；且粒度越小，烧失率越高，小于1mm粒组烧失率达到40%～50%(表3)。本次所有煤矸石样品的烧失量均超过15%，不适于制砖。

表3 煤矸石不同粒级及整体烧失率

从发热量看，1号样品整体属高发热量矸石(四类，6 270～12 550kJ/kg)，可作为燃料；2号、3号煤矸石整体属于较高发热量矸石(三类，2 090～6 270kJ/kg)，可用作生产水泥、砖等建材(表4)。

表4 煤矸石不同粒级及整体发热量表

3.3 灰成分

煤矸石的化学成分随岩石和矿物组成变化而变化，它是评价煤矸石性质、决定矸石利用途径的重要依据。其化学成分主要是SiO2、Al2O3，还包括 Fe2O3、CaO、 MgO、K2O、Na2O、TiO2、SO2、P2O5等氧化物和微量与稀散元素。SiO2含量一般在30%～60%，Al2O3含量为15～40%，Fe2O3、CaO、MgO含量一般在2%～10%、1%～4%、1%～3%(表5、图1)。

图1 煤矸石不同粒度的灰成分

表5 煤矸石灰成分表

1)铝硅比(Al2O3/SiO2):SiO2与Al2O3是煤矸石中含量最高的两种组成，反映煤矸石的无机特征，也决定着其利用途径，是煤矸石资源化利用的重要指标。

按铝硅比可将煤矸石分为三类。铝硅比<0.3时为低铝煤矸石，特点是硅含量比铝含量高得多，矿物成分主要是石英、长石，黏土矿物含量较低，粒径相对较大，可塑性较差，适合制造建材等；铝硅比在 0.3～0.7时为中铝煤矸石，特点是铝、硅含量适中，矿物成分以高岭石、伊利石等黏土矿物为主，次要矿物有石英、长石和方解石等，应用广泛；铝硅比>0.7时为高铝煤矸石，特点是铝含量高、硅含量低，矿物成分以高岭石为主 (或以伊利石为主)，次要矿物为石英、长石等，粒径相对较细，塑性较好，煅烧时具膨胀现象，可作为烧制高档陶瓷、 合成系列分子筛、生产农肥 等原料。采用XRF分析灰成分，可见三类样品的Al2O3/SiO2均为0.5～0.6，属中铝煤矸石。

2)二氧化硅(SiO2)：是煤矸石中含量最多的成份，也是制品的主要骨料，一般情况下，含量控制在45%～65%为宜。当SiO2含量小于50%，制品抗冻性能差，抗压强底低；若超过70%，则烧制过程石英晶体裂开，产生内应力，导致制品形成裂缝甚至完全破坏。由数据结果可知，三类煤矸石样品SiO2含量均为 45%～55%，符合煤矸石制砖要求。

3)三氧化二铝(Al2O3)：含量以15%～25%为宜，低于15%时，制品力学强度尤其是抗折强度较低；高于25%时，虽然制品强度较高，但会提高焙烧温度。三类煤矸石样品的Al2O3含量均偏高。

4)三氧化二铁(Fe2O3)：煤矸石的铁含量也决定和影响其利用途径和热加工工艺，如生产高档细瓷、合成分子筛等都对铁含量有严格控制，烧制陶粒时还要求有一定含铁量等等。按照Fe2O3含量，可以将煤矸石分为四个等级：1级Fe2O3< 1.0% (少铁煤矸石)； 2级Fe2O3处于1.0%～3.0% (低铁煤矸石)；3级Fe2O33.0%～5.0% (中铁煤矸石)；4级Fe2O3>5% (高铁煤矸石)。利用矸石烧砖时，Fe2O3含量一般控制在2%～8%,否则焙烧后的砖表面会出现铁斑或铁瘤，影响砖的外观。1号和2号的Fe2O3大于5%，属高铁煤矸石(超过8%)；3号Fe2O3含量适中，属中铁煤矸石。

5)氧化钙(CaO)：氧化钙含量宜控制在2.5%以下，含量过高时将缩小烧结温度范围，给焙烧操作造成困难，其颗粒较大时初窑砖受到潮湿空气作用时，砖体吸潮，氧化钙在砖内消解，形成氢氧化钙，同时体积比原来增大2～5倍，致使砖的内部结构膨胀破坏，造成严重的缺陷。更易形成酥砖或引起制品的石灰爆裂。含量过高时，还会导致坯体在焙烧过程中的严重变形。本次三类煤矸石样品CaO含量均低于2.5%。

6)氧化镁(MgO)：一般要求含量在3%以下，越少越好。因为其化合物硫酸镁在制品中会产生一种白色泛霜，影响制品质量。三类煤矸石样品MgO含量均低于1%，满足要求。

7)酸碱比：一般SiO2、Al2O3、TiO2的含量总和与CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O的含量总和的比值。酸碱度比值应适中，一般要低于10，在8较适宜；过高意味着灰熔点越高，会导致原料更难熔融且烧成温度较高；过低意味着灰熔点越高低，容易结渣。1号、2号、3号样品的酸碱比分别为7.3、7.2、15.6，可见1号、2号煤矸石酸碱比适中，3号偏高。

3.4 可塑性

可塑性是煤矸石成型性的主要工艺指标之一，是煤矸石能够制成各种烧砖的成型基础，可塑性的大小用矸石处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，从液限到塑限含水量的变化范围愈大(塑性指数)，可塑性愈好，一般以7～10为宜。

1号样品的塑性指数为3.13，2号为3.28，3号为4.16,各粒径塑性大多为2～5，可塑性不佳。

3.5 矿物组成

煤矸石是由无机质和少量有机质组成的混合物，无机质主要包括矿物质和水，矿物质一般以硅铝氧化物为主，常见有石英、长石、云母、炭质类、黏土类矿物(高岭石、蒙脱石、伊利石)、碳酸盐类矿物、铝土矿、黄铁矿等。其中，高岭石抗酸碱、绝缘、耐火度高，石英具压电性、耐火度高、不溶于酸，石灰石不溶于水和醇，长石具有对酸的较强稳定性，含铁矿物具有磁性。

本次利用XRD技术分析，发现西铭矿煤矸石主要矿物是地开石(高岭石亚种)、高岭石、石英和黄铁矿，其中黏土矿物地开石和高岭石含量均较高，特别是地开石含量达到32.1%～43.9%，如此之高在煤矸石矿物组成研究中还是首次，不仅具有重要研究价值，且具有很高经济价值(表6、图2)。

图2 煤矸石矿物组成XRD图谱

表6 煤矸石矿物组成

3.6 微量元素

利用ICP-MS测试微量元素，计算了3类样品的元素富集系数，结果表明西铭矿矸石中至少有12种稀贵金属元素富集系数超过30，5种元素超过1 000(Ir、Ru、Te、Rh、Au)(表7)。

表7 煤矸石稀贵元素富集系数

4 结论与讨论

在系统分析煤矸石组成和性质基础上，得到如下认识及资源化利用建议：

1)细矸(1号样品)粒度较细且分布均匀，干燥，灰分较低(66%)，属高碳、高发热量、 高铁矸石，酸碱比适中，可用做燃料。

2)中矸(2号样品)粒度中等，集中在3mm以上，25mm以上接近50%；干燥，灰分较高(75%)，属中碳、较高发热量、高铁矸石，酸碱比适中，可用作混合燃料或制造建材，但烧制建材时易在表面出现铁斑或铁瘤。

3)大矸(2号样品)粒度粗，大于25mm；干燥，灰分较高(79%)，属中碳、较高发热量、中铁矸石，酸碱比偏高(15.6)，可用作混合燃料或制造建材，但烧制建材时矸石难以熔融，烧成温度高。

4)各类煤矸石挥发分在12%左右；烧失量在21%～35%，超过15%，含量偏高，不属理想烧制材料；SiO2含量适中，在45%～55%；Al2O3含量30%～35%，超过25%，烧制时需较高温度；CaO含量低于2.5%，MgO低于1%，制品质量佳；塑性指数小于5，可塑性不强，不利于烧制品成型。

5)煤矸石中含碳量较高，并有一定的硬质矿物(石英、黄铁矿)，应重视分级分质分利用，可考虑分选煤、破碎制砂石料，供应煤炭、建材市场；并进一步分选黄铁矿、黏土矿物，提取稀贵元素等，实现煤矸石的“吃干榨尽”。

6)煤矸石中黏土矿物地开石(高岭石亚种)和高岭石含量较高，特别是地开石含量达到32.1%～43.9%，如此之高在煤矸石矿物组成研究中还是首次，具有重要研究价值与经济价值，建议深入研究其分布赋存规律，研发合理加工利用工艺技术。

7)煤矸石中至少12种稀贵元素的富集系数较高，尤其Ir、Ru、Te、Rh、Au等超过1 000，建议深入研究上述稀贵元素分布赋存规律和提取利用方法。

感谢：舒新前教授提供数据支持,感谢西铭矿矿长曹俊文提供研究场地。