山西西铭矿煤矸石基础性质及资源化利用研究

包宏亮

(江苏煤炭地质局，南京 210046)

0 引言

煤矸石(coal gangue)是指煤矿开掘和生产过程中排出来的岩石、露天剥采时排出的岩石以及煤炭洗选加工过程中排出的岩石的总称。煤矸石既是一种固体废弃物，同时也是一种可利用的珍贵资源[1]。目前，煤矸石的处置方式主要是地面堆存，不仅会压占大量土地，造成宝贵土地资源的浪费，而且会影响周边地表水、地下水、大气以及生态环境，严重制约我国煤炭行业健康长远发展。随着我国生态文明建设的持续推进和国家能源供给形势日益严峻，不断通过新的技术工艺充分发掘煤矸石的煤炭、化工原料、岩矿及元素等多种功能的属性，不仅能实现煤矸石的合理利用，还能有效解决生态环境问题，实现经济效益、环境效益、社会效益的有机统一。

山西西山煤电股份有限公司西铭矿每年产煤350万t，出矸率51.4%，年产煤矸石约180万t，目前煤矸石的处置方式主要是地面堆存，形成煤矸石山，现有煤矸石堆存场地仅能满足矿井3年左右的需求。随着我国生态文明建设的深入推进，国家环保政策日趋严格，新的煤矸石用地审批严格控制。为有效解决西铭矿煤矸石问题，通过对煤矸石基本性质分析，结合现有工艺水平，对西铭矿煤矸石资源化利用提出建议。

1 煤矸石利用现状

国际上煤矸石利用最早始于二战前，到20世纪60年代后期才真正引起各国重视，世界各煤炭生产国都在不断发展与加深煤矸石的综合利用[2]。美、英、德、法等国的煤矸石、高炉渣及粉煤灰都得以利用，其他一些国家，如丹麦、匈牙利等国建立了煤矸石、沸腾炉渣、粉煤灰生产建材工厂。波、比、俄、日等国采用煤矸石代替部分黏土生产水泥原料，取得了节煤、降低成本等效果。截至目前，在众多研究中最成功的方法是生物复田[3]，复田造地是彻底消除煤矸石污染的根本方法，效果相当显著。

我国是从20世纪70年代起开始研究煤矸石的综合利用，我国煤矸石利用己有几十年历史，可其资源化以及综合化利用才刚开始。近年来全国煤矸石产生及利用情况基本实现了由储向用为主的转变，逐步形成了一整套具有中国特色的废物资源化理论和技术[4-8]。同时，也在不断发展高科技化、大附加值的煤矸石综合利用技术和产业。目前我国煤矸石主要利用方式主要有：采空区回填或充填、筑基修路、煤矸石发电、制造建材、复垦绿化。

2 西铭矿煤矸石基础性质

2.1 样品采集与制备

煤矸石样品采用多点采集方法。根据西铭矿煤矸石山的地形条件、成矸特点和目前的生态恢复状况，从山顶、山腰和山根的东西南北4个方向分别采集表层煤矸石，装到自封袋中。每个点的取样深度及重量应均匀一致(0～20cm)，土样上层和下层的比例也要相同。采样使用不锈钢、木、竹或塑料器具。样品处理、储存等过程不要接触金属器具和橡胶制品，以防污染。

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，然后分成四等分，取相对的两份混合，然后再平分，直到达到取样重量的要求。

分别在西铭矿细矸、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)。

2.2 主要性能检测及分析

2.2.1 粒径分布

本次工作开展平行筛分实验，然后取平行实验均值作为粒度分析结果，煤矸石的粒径分布见图1。从图1可以看出，煤矸石中各粒级所占比例随粒度变细而变小，粒度较粗的组分所占的比例较大，粒度较细的组分所占的比例相对较小。其中，2号煤矸石各粒级所占的比例随粒度变细而减小的趋势更为明显，1号煤矸石也有类似趋势。二号煤矸石>25mm粒级占全粒级组成的比例为41.39%，而<0.5mm粒级只占全粒级比例的3.72%。1号煤矸石>25mm和13～25mm的所占比例也均大于1～3mm和0.5mm所占比例。

2.2.2 工业分析

本次工作参照中华人民共和国国家标准GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》，对煤矸石样品进行了水分、灰分以及挥发分测定。测试结果表明，西铭矿1-3号煤矸石含水率均低于1%，1号煤矸石含水率随粒度关系变化规律明显；1-3号煤矸石原样灰分含量均超过65%，而且1号煤矸石和2号煤矸石的灰分均随粒度减小而降低；1-3号煤矸石挥发分含量均超过10%，而且1号煤矸石和2号煤矸石的挥发分均随粒度减小而升高(表1)。

表1 煤矸石工业分析Table 1 Coal gangue proximate analysis results

2.2.3 发热量

经测定，西铭矿煤矸石的发热量总体随粒度减小而增大。>25mm煤矸石的平均发热量为5 130kJ/kg，而<0.5mm煤矸石的发热量则为14 977kJ/kg(表2)。

表2 煤矸石发热量分析Table 2 Coal gangue calorific values

2.2.4 烧失量

一般说来，煤矸石制烧结砖的烧失量不宜过大，烧失量过大，烧结过程质量失去过多易造成产品塌陷，合格率降低。总体上说，西铭矿煤矸石原样烧失率均大于20%，整体偏高，而且烧失量具有随粒度减小而升高的特点(表3)。

一号煤矸石粒径组成 二号煤矸石粒径组成图1 煤矸石粒径组成Figure 1 Coal gangue grain size composition

表3 煤矸石的烧失量分析Table 3 Coal gangue losses on ignition %

2.2.5 XRD

本次工作进行了不同粒度煤矸石以及烧结煤矸石的XRD分析，通过各粒径的煤矸石试样X射线物相分析可以看出，该煤矸石烧结中的矿物相主要是地开石、高岭石、石英、黄铁矿。也就是说西铭矿煤矸石中矿物质以黏土矿物为主(图2)。

2.2.6 XRF

本次工作开展了煤矸石的XRF分析，测试结果见表4。由所测数据结果分析可知西铭矿煤矸石化学成分差异不是很大，主要是二氧化硅(SiO2)和三氧化二铝(Al2O3)，共占总样80%～90%。

表4 西铭矿煤矸石灰成分分析Table 4 Coal gangue ash composition analysis results %

2.2.7 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，可塑性的大小用土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，土的可塑性愈好。本次工作测定了煤矸石的塑性指数，结果见表5。一号煤矸石原样的塑性指数为3.13%，二号煤矸石原样的塑性指数为3.28，三号煤矸石原样的塑性指数为4.16%。总体来说，西铭矿煤矸石塑性偏低，可以添加部分黏土以增加塑性。

1号总样 2号总样 3号总样图2 煤矸石XRD数据分析Figure 2 Coal gangue XRD data analysis

表5 煤矸石塑性指数分析Table 5 Coal gangue plasticity index analysis results %

3 西铭矿煤矸石资源化利用方案

3.1 分级分质全组分利用方案

根据矿山实际和煤矸石基础性质，结合可行性、经济性、政策性等因素综合考虑，本次工作最终采用分级分质全组分利用方案在西铭矿开展煤矸石资源化利用研究(图3)。本方案合理运用破碎、筛分、煅烧、球磨、分选等技术手段，将煤矸石分成煤、砂石、精铁矿、黏土矿物(高岭土)等组分，然后分别加以利用，分选出的废渣制备免烧砖和混凝土添加剂，从而实现西铭矿煤矸石的分级分质和全组分利用。

图3 煤矸石分级分质全组分利用整体工艺路线Figure 3 Coal gangue classified,qualificatory full components utilization integrated technical route

煤矸石分级分质全组分利用技术，实际上是煤矸石分级分质技术、煤矸石煅烧技术、煤矸石黏土矿物分离富集技术、铁精矿分离技术、“土”类组分直接作为混凝土添加剂和制免烧砖技术的集成，涵盖选煤(矿)、燃烧、建筑材料制备等工业过程。该技术根据煤矸石基础性质，最大程度实现煤矸石资源化利用，各个单元技术(分工艺流程)成熟可靠[9-10]，不存在技术障碍和风险，完全可以开展工业化应用。最终获得的砂石、煤、黏土矿物、铁精矿等都是国民经济相关经济部门急需产品，具有良好的市场前景。

3.2 分级分质产品产出

西铭矿煤矸石经过整个工艺之后，吨煤矸石最终产品见表6。按照西铭矿每年处理180万t煤矸石的规模来算，经过分级分质全组分利用技术方案，最终获得产品数量如下：煤12.55万t，石11.88万t，砂72.42万t，铁精矿5.80万t，黏土矿物23.47万t，免烧砖4 000万块，混凝土添加剂24.1万t。

表6 吨煤矸石产品数量一览表Table 6 Data sheet of coal gangue products per ton

4 结论

1)基础性质测试表明，西铭矿煤矸石属于高碳、中铝、中高铁煤矸石；煤矸石中各粒级所占比例随粒度变细而变小；主要矿物是地开石、高岭土、石英和黄铁矿，其中石英、黄铁矿等硬质矿物占30%～40%，地开石、高岭土等黏土矿物占55%～60%，煤占6%～8%；煤矸石烧失量偏高，可塑性偏低。根据煤矸石特性，西铭矿煤矸石比较适宜开展资源化利用工作。

2)通过分级分质全组分利用技术方案，生产出煤、砂石、黏土矿物(高岭土)、铁精矿，废渣制备免烧砖和混凝土添加剂，从而实现煤矸石全组分利用。按照西铭矿每年处理180万t煤矸石的规模来算，最终获得产品为：煤12.55万t，石11.88万t，砂72.42万t，铁精矿5.80万t，黏土矿物23.47万t，免烧砖4 000万块，混凝土添加剂24.1万t。