新疆主要煤区煤矸石的特征及其利用研究

肖进 雍晓艰 毋滕飞

摘要：以乌鲁木齐重要煤区煤矸子为对象，根据现有资料，对乌鲁木齐重要煤区煤矸子特性做出了比较细致的解析，并提供了全疆重要优质煤炭中的常量成分、各种微量元素、固定碳浓度、热值，以及物相成分和浓度等信息。针对各个矿点优质煤炭的特点做出了分类，经过分析后找到了关于乌鲁木齐大部分煤矿区煤矸子可行的资源化使用建議：硫磺沟煤矿、五彩湾煤矿、伊宁市喀拉亚尕奇乡的煤矿煤矸子还可用于制造建筑材料、或者开采当中的一些稀土元素;哈密三道岭1矿、2矿、露天矿和伊宁州达达木图县矿井煤矸子还可以作为能源;五彩湾矿井煤矸子还可以来改善土质。

关键词：煤矸;分析;煤矿

1.实验

1.1采样及制样

选择了新疆地区超百亿吨煤区中的大型矿井，并由于地理位置、矿井规模和矸子分布等不同特点，共选择了七个采样地点：硫磺沟矿井、五彩湾矿井哈密三路岭一矿（哈1矿）、哈密三路岭二矿（哈2矿）、哈密三路岭露天矿井（哈露矿）、伊宁县喀拉亚尕奇乡煤炭（伊喀矿）和伊宁县达达木图乡煤炭（伊达矿）。按照GB2007.2-87散装矿物品取样制样通略的规定，在采矿区内平均布点采样，每个试样质量最终保持在稍超过一百二十公斤。将样品分解成不同粒径，进行筛分和收缩，最后为1mm×1mm样品预留至少1mm进行实验研究。

1.2分析方法

优质煤炭的常量元素分析方法，严格遵循GB/T1574-2007煤炭灰成分分析方法分析;对微量元素采用ICP先定性分析，然后再对其有价的微量元素进行用ICP定性分析;利用XRD测定和Jade检验，可以分析每个优质煤炭样品的主要矿物成分，并通过K值法算出各物相在优质煤炭物中的大致浓度;而固定碳浓度和热值则通过对GB/T212-2008煤的工业分析测定并计算得出。

2.结果与讨论

2.1常量分析

硫磺沟矿井、五彩湾矿井的煤矸岩质属灰矸，哈1矿、哈2矿、哈露矿和伊达矿的优质煤属灰矸，伊喀矿业的优质煤为白矸。常量化学分析结果（表1）表明，7个优质煤炭样本的物理化学成份各不相同。除哈密三道岭的三所矿井煤矸石化学成分因其在同一区域的原因而较为相同之外，其他各地优质煤炭成份均有较大差异。就烧失量而言，各地煤矸石的平均烧失量在9.07%到百分之72.38%不等，其中哈1矿、哈2矿、哈露矿的优质煤炭烧失量从68.19%至72.38%之间，表明了这里的碳质成份较多。而伊宁市达达木图乡矿井的煤矸石烧失量也很多，为55.44%。发现黑矸的烧失量（黑矸>灰矸>白矸）较大，外貌似煤，硬度较大，密度较其他煤矸石及煤大。

从SiO2等的含量来看，五彩湾、伊喀矿优质煤层SiO2等的含量均在67.91%以上，硫磺沟煤矿煤矸岩中SiO2含量为48.97%，而其他各地的优质煤层中SiO2含量均很低。Fe2O3含量都在5.38%以下。Al2O3浓度最高时仅能超过17.14%，相似于黏土的AI2O，低浓度纳米TiO2浓度相应较少，最高仅达2.89%，与一般工业钛白粉的开采品位标准7.20%差距甚远。而哈密三道岭等三个矿井以及伊达矿优质煤层中的Ca、Mg浓度则相应较高，在29.65%至33.67%。

2.2矿物组成的研究

优质煤层中的矿物质类型相似于普通煤层，但主要为复杂晶体相，含有硫化物-含硫的酸式盐、金属氧化-氢氧化物、硅酸盐、硫酸盐、重碳酸盐、磷酸盐、氯化物发生、单质元素、钒酸盐、钨酸盐，以及另外几种根据矿石研究方法严格定义类型的矿物质。为了掌握我国新疆主要煤矿区煤矸石中的主要矿物质成分，根据煤的矿石成分研究方法，采用XRD方式测定了优质煤层这种复杂物相中的常量、大量和部分浓度范围在百分之零点一0.1%至1.0%之间的少量晶体相矿物质。而煤层灰岩中，或许会有部分浓度范围很小的矿物质元素不以正常矿石形态而或许会以非晶质、有机质、有机金属物质等的形态出现。即利用无标量XRD的K值法，计算得出了各主要物质相在优质煤矿物料成分中的大致浓度。但具体XRD知识图谱笔者则只列举了硫磺沟煤矿与哈露矿两地的主要优质煤矿物相成分。其他略。

由XRD图谱（图1）能够看出各层衍射峰峰型比较锐利，缺乏漫峰现象，即优质煤层中的主体矿石大部分为晶体相。硫磺沟矿井煤矸子中大部分由石英、高岭土、方解石和菱铁矿构成;五彩湾矿井的煤矸子中主体矿物有石英、高岭土，以及少量的TiO2;哈1矿和2矿优质煤层中大部分由CaCO3和方解石构成，以及少量的钙镁菱铁矿或菱铁矿石;哈露矿优质煤大部分由碳酸钙生产、方解石构成;伊喀矿优质煤大部分由岩英生产、高岭土构成;伊达矿优质煤大部分由白云岩生产、岩英和高岭土构成。其主要成份都在矿石成分中.所占含量比例如图2中显示。

2.3固定碳及热值的测定

优质煤炭中稳定碳的测定使用了GB/T212-2008煤的工业分析，热值使用了李庆繁所提供的对黑煤矸石发热能的计算方法测定得到，结论见表三中。从表三得知，黑矸的热值较高。哈密三道岭三处矿井的煤炭质量均很好，采到的煤矸石样本都是手选矸子，其固定碳含量均在30.73%以上，平均挥发分在37.58%至38.21%，比热值均达到了17019～18054kJ/ kg，在各方面参数较接近于普通煤炭，但如果参照中国煤炭科研总院北京煤化工科研分院的陈鹏博士对低煤阶煤炭的分类意见，则认为在哈密三道岭的三处矿井的矸子均可分类为褐炭，由于当地对其选用矸子的管理方法严格，本试验结果暂且将其作为优质煤炭处理。其次是，伊宁州达达木图乡煤矿煤矸石的固定碳浓度约为15.27%，而且其挥发份量非常高（39.42%），使得热值高达12253 kJ/ kg。这四所矿井的煤矸石都可以直接用来发电、采暖。而其他几处的优质煤固定碳含量均低于6.20%，硫磺沟矿井和五彩湾矿井的煤矸石热值都在4401～4913kJ/kg，而伊喀矿的优质煤热值则很低，仅为1756 kJ/kg。

2.4煤矸石的分类及应用途径

鉴于中国各地优质煤成分复杂，物理化学特点也不同，再加上各种优质煤的加工使用方向对优质煤的物理化学特性需求也有所不同，因此通过对优质煤进行化学分析，可以提供中国新疆主要煤矿区煤矸石的主要成分组成报告，并为其综合利用情况提供重要信息。一般来说，煤矸石按源头（煤巷矸、岩巷矸、自燃矸、洗矸、手选矸和剥离矸）、岩性分类（粘土岩矸石砂、质岩矸石粉沙岩矸石、钙质岩矸石、和铝质岩矸石）、碳元素含量（四类煤矸石碳元素含量>20%，三类煤矸石、碳元素含量6%至～20%，二类煤矸石、碳元素含量4%至6%，一类煤矸石碳元素含量<4%）.铁化合物含量（少铁<0.1%、低铁0.1%至1.0%、中铁1.0%至3.5%、次高速铁路3.55至8.0%、高速铁路8.0至18%、特高铁>18%）和铝硅比（硅铝比>0.5%、硅铝比0.5%至0.3%、铝硅比<0.3%）进行分类。

将所采集的信息作为按来源类型划分的根据，以XRD和优质煤常量成份分析中的Al2O3含量（Al2O3含量≥18%为黏土型，Al2O3含量<18%为非黏土型）的测定结果作为按岩石种类划分的根据;计算得出的固定碳浓度和计算得出的比热值，作为按碳浓度划分的基础;根据煤矸石常量成份分析中SO3、Fe2O3、SiO2和Al2O3浓度的计算，作为按硫含量、铁化合物浓度、硅铝比的划分基础，对全国各地的优质煤层进行了划分（表4）。

硫磺沟煤炭的井下开采，巷道运输模式最经典的是中国神华集团的屯宝矿井。五彩湾矿井均为露天煤矿，附近堆积着大面积的优质煤山。这二处的优质煤都属砂质岩矸石，通过对石灰岩、粘土等的调节，可作为制造硅酸盐混凝土的原材料、水泥填充料和混凝土集料颗粒，其中SiO2等的含量（70.25%、67.91%）在50%至80%，Al2O3含量（4.68%、17.14%）可用矾土调节到5%至25%，CaCO3含量（1.22%、1.89%）在0%至15%，Ca、Mg含量（1.10%、1.62%）在0%至5%，SO3含量（O.52%0.10%）在0～3%，烧失量（18.20%、9.07%）在3%～15%，再将Fe2O3含量比（1.01%、1.08%）调整到2%至～15%之间，既达到了对煤矸石制砖的要求，又可用来复垦采煤塌陷地和回填煤矿采空地。

哈1矿的产矸率仅为3%以下，基本无矸子积累为手选矸;而哈2矿有大量的优质煤积累，但部分产生了自燃，为自动燃烧矸;哈露矿开发时间已长，剥离矸石后主要进行返回，现生产的矸子为煤层开采中的夹矸，故含碳量较高。这三个矿均为钙质岩矸石，按碳浓度划分为四类煤研石，可作为煤矸石发电、采暖。

伊喀礦有大量优质煤炭堆积，其中的优质煤炭基本不含碳，成份也和粘土很接近，氧化铝含量一般在20%至5%范围内，在烧灼前后的硫含量均小于1%，因此可用来制造普通硅酸盐混凝土;如果用矾土调整其中的Al2O3 浓度大至等于28%，可用来制造硫铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥。

伊达矿有巨大的优质煤层堆积，按碳浓度划分为三类优质煤层，且因为其高的挥发份量导致热值达12253kJ/kg，因此适宜于煤矸石化发电，作为能源。伊达矿煤矸石由于其铝浓度过高，如果加入水泥会产生材料的胀裂纹，，用作砂浆、砼和建材的制造原材料。

参考文献

[1]王文静.新汶矿区煤矸石特征及综合利用研究[D].山东科技大学，2004.

[2]宋忠广.七台河矿区煤矸石特征及综合利用研究[D].辽宁工程技术大学，2007.

[3]李坦夫.淮南矿区煤矸石地球化学特征及利用途径研究[D].中国科学技术大学，2015.

作者简介：肖进（1985年7月），男（汉族），籍贯四川江油，职位副总经理，职称勘查地球化学工程师，本科，地球化学。