不同矿物组成煤的矸石泥化试验研究

卢 军，夏云腾，赵林盛，沙 杰

(1.中煤科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100067；2.阳煤集团 发展计划部，山西 阳泉 045000；3.山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原 030024；4.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

随着采煤机械化程度的提高，越来越多的矸石在开采过程中被带入原煤，并随之进入煤炭洗选加工过程中[1]。大部分矸石会在块煤重选过程中，经过分选成为矸石产品排出，而矸石中易粉碎和遇水泥化的部分将会随着介质流和煤泥流长时间的存在于分选系统中，对选煤系统造成不良的影响，使得煤炭分选精度降低，精煤产品质量不合格。同时，大量的泥化矸石成为高灰细泥，在煤泥水中大量存在，也会导致浮选效果变差，煤泥水澄清沉降效果不佳，严重时会使循环水浓度升高，导致脱泥、脱介效率降低，从而影响选煤厂正常生产[2]。

1 矸石泥化及其影响

1.1 矸石泥化

矸石泥化是指矸石浸水后碎散成泥的现象，泥化现象的严重与否与矸石的矿物组成密切相关。煤矸石中的主要矿物有层状硅酸盐矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石、云母等；碳酸盐矿物如方解石、白云石等；氧化矿物如石英等[3]。这几种矿物的晶体结构不同，其解理面和解理程度亦不同，因此，泥化程度也不同。

1.2 矸石泥化的影响

较高的细泥含量使浮选效果迅速恶化,药剂选择性变差,浮选精煤灰分逐步升高。此时,普遍采取降低入浮浓度和减少药剂用量的调整方法,这种措施能够产生一定效果,但容易使浮选尾矿流量或浓度增大,进而导致浓缩澄清设施处理能力不足,澄清水浓度逐渐升高,大量高灰细泥在浮选系统中循环积聚,最终使浮选精煤灰分继续升高[4]。

泥化煤浮选时存在浮选精煤粒度组成过细的情况,主要原因是高灰细泥的浮出使精矿泡沫消泡困难,泡沫中的大量空气消耗了过滤机的能力,使脱水环节处理能力不足,导致浮选精矿泡沫由于来不及处理而大量外排,不但造成精煤产率下降,同时也恶化了循环水水质[5]。

对重介质系统的影响主要表现在精煤喷水质量和末精煤灰分指标两个方面。浮选精煤灰分由于原煤泥化的影响而不断升高,为保证最终精煤产品灰分,必须采取牺牲末精煤产率的措施,从而造成资源浪费。另外,原煤泥化直接影响循环水水质,由于循环水中固体含量升高,在用做精煤产品喷水时,高灰分颗粒附着在精煤颗粒表面,使精煤灰分有所增高。

另外，矸石泥化严重时会堵塞滤布，煤泥脱水设备无法正常运转，导致处理能力不够，同时造成滤饼水分高，滤液浓度高[6]。

不同的矸石泥化程度会对选煤厂正常生产运行产生不同程度的影响，目前，我国绝大多数的选煤厂对于矸石泥化的关注仅停留在对矸石泥化试验结果的认识上。在实验室前期的研究过程中发现，不同产地的煤矸石中所含矿物质的矿物组成有所不同，从而具有不同的泥化程度。为了进一步掌握不同矿物组成的泥化性质，本文对来自3个地区的煤矸石分别测定其矿物组成并进行泥化试验，通过试验结果分析不同矿物组成对于泥化程度的影响。通过对煤矸石矿物组成泥化性质的掌握，选煤厂可以实现对煤泥水沉降性质的预判，从而采取相应的措施来降低矸石泥化对循环水质量的影响，保证选煤厂正常生产，提高选煤厂管理水平。

2 试验研究

2.1 试验煤样

试验煤样分别来自枣庄、榆林、淮北的入厂原煤，经筛分后取100 ～13 mm粒度级煤样进行试验。

2.2 泥化试验

试验过程参照MT-T 109-1996《煤和矸石泥化试验方法》进行。首先，用转筒法进行煤和矸石泥化试验，取4份质量均为25 kg的100～13 mm的试验煤样放入转筒中，再加入100 kg水，将转筒密封后开始翻转，4份试样的旋转时间分别为5 min、15 min、25 min和30 min，转筒转速均为20 r/min。将翻转后的煤样取出，用0.5 mm标准筛筛分，筛分过程中冲水保证筛分完全。筛上物烘干后用13 mm标准筛筛分，筛下物用0.045 mm标准筛进行湿筛，将所得的各粒级产物烘干称重。

其次，用安氏法进行矸石泥化试验，手选出矸石进行破碎，筛分得到6～3 mm粒级的矸石，应保证这部分矸石质量不小于1 kg。取6～3 mm矸石100 g置于洗瓶中，加水500 mL，密封后置于翻转装置中翻转30 min，转速为40 r/min。将翻转后产品用0.5 mm标准筛筛分，筛上物烘干称重，筛下物进行沉降，沉降20 min 25 s后，用胶头滴管吸出上层液体10 mL放入烘箱中烘干后称重，从而测定-10 μm粒级含量。

2.3 矿物组成分析

将安氏法得到的-0.5 mm矸石样烘干后磨细至-0.045 mm，采用X射线衍射仪进行矿物组成分析，并采用X荧光衍射分析测定其元素含量。

3 试验结果与讨论

3.1 煤和矸石泥化试验结果

3组煤样的煤和矸石泥化试验结果见图1。由图1可知，枣庄煤样的泥化最为严重，-0.045 mm细泥含量在翻转5 min时就达到3.27％，而在30 min时高达6.55％；淮北煤样的泥化最不明显，在翻转30 min时只有2.04％；榆林煤样的泥化程度介于二者之间。枣庄煤样在翻转15 min左右时泥化速度最快，榆林煤样在翻转15～25 min时泥化速度最快，而淮北煤样在翻转25 min左右时泥化速度最快。

图1 煤和矸石泥化细泥增量图

3.2 矸石泥化试验结果

对3组煤样中的矸石进行单独的矸石泥化试验，其结果见表1。

表1 矸石泥化试验结果表

注：泥化比是小于500 μm筛下物的百分数

由表1可知，3组煤样中的矸石泥化比B由大到小的顺序为：枣庄>榆林>淮北，与2.1中煤与矸石泥化试验结果一致，且枣庄矸石中-10 μm超细颗粒的产率明显高于其他2组矸石的产率。

3.3 XRD矿物组成分析结果

为了找出3组矸石泥化程度不同的根本原因，对3组矸石样分别用X射线衍射仪进行矿物组成分析，其衍射图谱见图2～4。

图2 枣庄矸石XRD图谱

图3 榆林矸石XRD图谱

图4 淮北矸石XRD图谱

由图2～4可知，枣庄矸石的主要矿物为高岭石、石英、蒙脱石、方解石，其中高岭石含量明显高于其他矿物含量。

高岭石和蒙脱石的晶体结构见图5，6。高岭石属于TO型层状硅酸盐矿物，由硅氧四面体和铝氧八面体构成层状结构，层与层之间通过氢键连接，在外力作用下氢键很容易断裂，从而导致高岭石沿层间解理。宏观上表现为硬度小，易泥化。蒙脱石属于TOT型层状硅酸盐矿物，其基本结构单元由两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体构成，层与层之间同样通过氢键连接，受外力作用极易沿层间解理[5]。含有大量的高岭石和蒙脱石是枣庄矸石泥化程度高的重要原因。

图5 高岭石晶体结构图

图6 蒙脱石晶体结构图

石英的晶体结构见图7。石英属于氧化矿物，硬度为7，由无数个硅氧四面体连接而成，原子间以共价键相互连接，在外力作用下很难断裂。

图7 石英晶体结构图

榆林矸石的主要矿物有高岭石、石英、方解石，由于石英的大量存在，其泥化程度要比枣庄矸石弱很多。而淮北矸石的主要矿物为石英，因此，泥化程度最弱。

3.4 矿物元素组成分析

3.4.1XRF

XRF即X射线荧光光谱仪，具有重现性好，测量速度快，灵敏度高的特点。能分析F(9)～U(92)之间所有元素。样品可以是固体、粉末、熔融片、液体等，分析对象适用于炼钢、有色金属、水泥、陶瓷、石油、玻璃等行业样品。无标半定量方法可以对各种形状样品定性分析，并能给出半定量结果，结果准确度对某些样品可以接近定量水平，分析时间短。薄膜分析软件FP-MULT1能做镀层分析、薄膜分析。

能量色散X射线荧光光谱采用脉冲高度分析器将不同能量的脉冲分开并测量，可分为具有高分辨率的光谱仪、分辨率较低的便携式光谱仪和介于两者之间的台式光谱仪。高分辨率光谱仪通常采用液氮冷却的半导体探测器，如Si(Li)和高纯锗探测器等。低分辨便携式光谱仪常常采用正比计数器或闪烁计数器为探测器，不需要液氮冷却。采用电致冷的半导体探测器，高分辨率光谱仪已不用液氮冷却。同步辐射光激发X射线荧光光谱、质子激发X射线荧光光谱、放射性同位素激发X射线荧光光谱、全反射X射线荧光光谱、微区X射线荧光光谱等较多采用的是能量色散方式。

3.4.2试验结果

为进一步分析3组矸石的特性，对3组矸石利用XRF进行了元素含量分析，其结果见表2。

表2 矸石元素组成分析表

由表2可知，3种矸石中的硅铝比分别为1.49、1.77、1.96，依次增加，说明石英含量依次增加，而烧失量依次减少，说明其中不可燃矿物含量依次增加，也可以从另一个侧面反映出石英或者类石英矿石的含量依次增加，与XRD检测结果一致。

4 结 论

煤矸石的矿物组成十分复杂，其中最主要的部分包括层状硅酸盐矿物和石英两大类。层状硅酸盐矿物又称黏土矿物，包括高岭石、伊利石、蒙脱石、云母等，是地壳中含量最多的矿物，这些矿物硬度都很小，易沿层间解理，造成矸石泥化，因此，若矸石中含有大量高岭石等层状硅酸盐矿物，则其泥化程度会比较严重；石英为架状氧化矿物，硅、氧原子通过共价键连接，结构十分稳定，因此，若矸石中石英含量较大，则其泥化程度较弱。

在选煤厂实际生产过程中，可以预先对煤矸石的矿物组成进行测定，当高岭石等层状硅酸盐矿物较多时，可以推测其矸石泥化比较严重，煤泥水较难沉降。因此，不能只添加普通的絮凝剂，还需要加入一定量的凝聚剂与絮凝剂共同作用，以提高浓缩效率，同时浮选不宜采用太高的浓度。通过采用多种手段，可降低矸石泥化对煤泥水的影响，保证选煤厂正常生产。

参 考 文 献

[1]沙 杰，谢广元，李晓英，等.细粒煤选择性絮凝分选试验研究[J].煤炭科学技术，2012，40(3):118-121.

[2]刘炯天，张明青，曾 艳.不同类型黏土对煤泥水中颗粒分散行为的影响[J].中国矿业大学学报，2010，39(1):59-63.

[3]郭建新.煤伴生矿物的泥化对选煤厂设计的影响[J].洁净煤技术，2012，18(5)：24-27.

[4]孙景阳.关于选煤厂矸石泥化严重问题的处理分析[J].煤炭工程，2012(1)：113-115.

[5]周乐光.矿石学基础[M].北京:冶金工业出版社,2009：133-135.

[6]张延明.浅谈优化煤泥水处理系统[J].山西焦煤科技，2006(3)：22-23.