煤矸石分级分质加工与利用的研究

许泽胜，陈佳蕊，王森彪，李晓东，舒元锋，李 军，舒新前

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京市海淀区，100083)

0 引言

煤矸石是我国排放量最大的工业固体废弃物之一[1]，也是我国“十四五”重点关注的大宗固废之一[2]。加强对煤矸石性质的基础研究，对其分级分质利用研究尤为重要[3]。利用对环境友好且低成本的物理加工方法将煤矸石进行选择性破碎，以便将煤矸石中的煤、石分离和富集，分别用做低热值燃料和建材砂石骨料，对于回收煤炭资源和煤矸石作为建材大宗利用具有十分重要的意义[4]。

陈哲等研究人员[5]基于砂岩与矸石的硬度探讨了煤矸石选择性破碎分选的可行性，发现样品中不同粒级的煤矸石均发生了充分破碎，认为煤矸石选择性破碎可行；Xiao[6]通过试验研究煤和矸石的压力分布曲线，确定在合理的压力值范围内可实现煤矸石的选择性分离；郑文翔和潘兆科[7-8]从煤与矸石的力学性质分析，提出了煤与矸石选择性分选模型；王双喜[9]对比煤和矸石强度，认为采用劈裂破碎方式适合于煤和矸石的选择性破碎与分离；陈岩等研究人员[10]以粒度与热值分布为评价手段，对比颚式破碎机、辊式破碎机、锤式破碎机、反击式破碎机等不同类型破碎机破碎煤矸石的效果，分出一定热值的煤炭和三级混凝土骨料；封金鹏[11]通过对合山矿务局煤矸石进行特征分析，提出了借助矿物间天然的可碎性差异，通过破碎强化矿物间的粒度差异，从而使得难碎矿物(主要是Ca成分)在粗粒级中富集，易碎矿物(含Al、Fe、Si、C部分)在细粒级中富集；杨晓红[12]指出煤矸石的强度和粒度有一定关系，粒度越大强度也越大，富含黏土矿物及炭质的岩类优先破碎，趋向于分布在细粒级，反之强度较大的碳酸盐等趋向分布在粗粒级；郑克洪等研究人员[13]发现岩类矸石的冲击破碎需至少20 m/s，而煤冲击破碎则需6.21～14.39 m/s，同时指出煤和矸石的力学性质差别越大，选择性破碎分选效果更佳；陈天虎等研究人员[14-15]就山东省某矿煤矸石进行选择性破碎试验，发现选择性破碎可以提高煤矸石的利用热值及Al2O3含量。

以上研究多侧重于煤和矸石力学性质对煤和煤矸石选择性破碎的影响，并未系统地分析和研究煤矸石破碎过程中各粒级的灰分分布和发热量的关系，尤其是多重破碎后煤矸石中煤与石分级分质效果和分布规律。本试验选取山西焦煤集团屯兰煤炭洗选加工煤矸石和混合煤矸石作为原料，用破碎筛分的方法，研究煤矸石破碎过程中煤与石选择性破碎的分布规律以及煤矸石多重破碎分级分质利用特性。

1 试验原料特性

将屯兰煤炭洗选加工煤矸石和混合煤矸石分别编号为TLXG和TLHG，分别对其基本性质进行分析。

1.1 化学成分分析

屯兰煤矸石XRF分析结果见表1。

由表1可以看出，屯兰煤矸石主要成分以SiO2、Al2O3为主，其中TLXG的Fe2O3比TLHG高，Al2O3比TLHG低。

表1 屯兰煤矸石XRF分析结果 %

1.2 发热量与工业分析

屯兰煤矸石工业与发热量分析见表2。

表2 屯兰煤矸石工业与发热量分析

由表2可以看出，屯兰煤矸石中含有一定的煤，TLXG的灰分比TLHG低，其热值比TLHG高。

1.3 煤矸石的物相分析

屯兰煤矸石的XRD分析如图1所示。

图1 屯兰煤矸石的XRD分析

由图1的物相分析来看，屯兰煤矸石的主要成分为高岭石、石英、黄铁矿、菱铁矿等矿物，TLXG中可见钙长石等矿物成分。

1.4 煤矸石压碎值的表征

压碎值是集料抵抗压碎的性能指标，集料的压碎值用于衡量混凝土骨料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力，属于集料力学性质的指标，以评定其在混凝土中的适用性。煤矸石的压碎指标试验参照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法》(JGJ52-2006)标准来进行测定。压碎指标见式(1) ：

(1)

式中:Qe——压碎指标， %；

G1——试样的质量，g；

G2——压碎试验后筛余的试样质量，g。

2 试验方法

将屯兰煤矸石进行预破碎，使进行试验时煤矸石的入料粒度为-80 mm。试验将煤矸石在小型鄂式破碎机和锤式破碎机中进行单次和多重破碎，分析煤矸石经过破碎后各粒级灰分和发热量的分布特征，考察煤矸石选择性破碎后煤与石的分布规律。煤矸石分选后，煤的特征用发热量来表征，石的特性用压碎值等指标来表征[16]。

3 煤矸石破碎选择性规律的研究

3.1 煤矸石单次破碎分级煤与石的分布规律研究

3.1.1 煤矸石单次破碎各粒级产率与灰分关系

将屯兰煤矸石分别用鄂式破碎机和锤式破碎机进行一次破碎分级。TLXG鄂式破碎后各粒级产率与灰分的关系如图2所示，其中+16 mm粒级进行二次破碎后各粒级产率与灰分的关系如图3所示； TLHG锤式破碎后各粒级产率与灰分的关系如图4所示，其中+9.5～16.00 mm粒级进行二次破碎后各粒级产率与灰分的关系如图5所示。

图2 TLXG鄂式破碎产率与灰分

图3 TLXG+16 mm粒级鄂式破碎产率与灰分

图4 TLHG锤式破碎产率与灰分

图5 TLHG+9.5～16.00 mm锤式破碎产率与灰分

由图2和图3中可明显看出，TLXG鄂式破碎后随着粒级的增大而灰分明显增加，灰分从59.87%增加到74.42%，从低灰分粒级到高灰分粒级提高灰分为14.55%；+16 mm粒级破碎后同样出现类似规律，灰分从71.42%增加到最高灰分77.02%，提高灰分为5.6%。这说明通过破碎能将煤矸石中的煤和石选择性分离，这是因为煤矸石中砂岩、高岭岩和矸石的普氏硬度系数分别为7.35、4.10和1.80[5]，而煤比石更容易破碎[17]。

由图4和图5同样可以看出，TLHG锤式破碎后随着粒级的增大而灰分明显增加，灰分从70.82%增加到82.72%，灰分提高了11.9%，+9.5～16 mm粒级破碎后也同样出现类似规律，其灰分从70.13%增加到74.29%，灰分提高了4.16%。

图2～图5反映煤矸石在破碎过程中煤与石破碎分离的选择性，即煤矸石在破碎过程中破碎总是优先在煤与石的层理面和节理面的结合力簿弱环节发生[18]。Bond[19]认为，破碎是从岩石发生形变开始，产生裂缝扩展而形成的。而煤矸石中煤与石的层理面和节理面间结合力弱总是优先产生裂缝，进而优先破碎，也就说明煤矸石破碎的选择性发生在煤与石结合力弱环节[20-22]。图2和图4中的+9.5～16 mm粒级的灰分比左右粒级低是因为存在“石包煤”的情况，煤矸石中的石包煤如图6所示。

图6 煤矸石中的石包煤

3.1.2 煤矸石破碎各粒级发热量变化规律研究

将上述煤矸石分别测定其发热量以研究各粒级灰分与发热量的关系，图7～图10表示破碎后各粒级灰分与发热量的关系。 TLXG鄂式破碎灰分与发热量如图7所示，TLXG+16 mm粒级鄂式破碎灰分与发热量如图8所示；TLHG锤式破碎灰分与发热量如图9所示，TLHG+9.5～16 mm锤式破碎灰分与发热量如图10所示。

图7 TLXG鄂式破碎灰分与发热量

图8 TLXG+16 mm鄂式破碎灰分与发热量

图9 TLHG锤式破碎灰分与发热量

由图7～图10可以看出，破碎后各粒级的煤矸石灰分与热值呈负相关，无论是鄂式破碎还是锤式破碎，煤矸石破碎后各粒级的灰分与发热量的关系呈现相同的分布规律，粒级越小、灰分越低，含煤越多、发热量越高；粒级越粗、灰分越高，含煤越少、发热量越低(存在石包煤的情况除外)。TLXG经破碎后可分出部分高位热值为最高达13.22 kJ/g的煤，TLHG经破碎后可分出部分高位热值为最高达7.06 kJ/g的煤，均可作为矸石电厂的燃料。这说明屯兰煤矸石通过破碎分级分质能将煤矸石中不同组分进行分离和富集而分别加以利用，这对于充分回收矸石中的煤炭资源同时减少煤矸石的排放具有重要意义。

图10 TLHG+9.5～16 mm锤式破碎灰分与发热量

3.2 煤矸石多重破碎分级分质研究

3.2.1 煤矸石多重破碎分级分质规律的研究

考虑到屯兰煤矸石以混矸的方式排放到矸石山上，用前文提到的方法，先将屯兰混合排放的煤矸石进行预破碎，将试验时煤矸石的入料粒度定为-80 mm。然后对TLHG分别用鄂式破碎机和锤式破碎机进行多重破碎分级，破碎分析结果见表3和表4。

表3 TLHG鄂式多重破碎结果

表4 TLHG锤式多重破碎结果

从表3和表4可以看出，屯兰煤矸石经过鄂式和锤式多重破碎和筛分分级后，每次破碎结果均呈现粒度越小发热量越高、粒度越大发热量越低的分布规律。通过多重破碎，煤矸石中的煤与石结合力弱的解理面与节理面逐次破碎，煤进一步向细粒级富集，而石由于硬度大而难以破碎，向粗粒级富集。原煤矸石经过4次鄂式破碎后最小粒级-0.6 mm的最高发热量为7.70 kJ/g，表明高热值的煤逐步向细粒级富集，而最粗粒级+16 mm的最低发热量仅为1.82 kJ/g，灰分达85.15%，高灰分的石逐步向粗粒级富集，表明通过多重鄂式破碎逐步可以对煤矸石进行分级分质，将煤矸石中的煤和石梯级分开；同样，经过3次锤式破碎后最小粒级-0.6 mm的最高发热量为7.13 kJ/g，是煤最富集的粒级，而最粗粒级+4.75 mm的最低发热量为2.01 kJ/g，灰分高达84.12%，是石最富集的粒级。这说明通过多重破碎，煤逐步向细粒级富集，而石难破碎，逐步在粗粒级富集，同时也表明多重破碎具有将煤矸石中的煤和石选择性梯级分离的效果[23-25]。煤矸石通过多重破碎能分出高位发热量在7.13～7.70 kJ/g的煤作为矸石电厂的燃料，而分出灰分高达83%以上、产率36%左右的石可作为路面集料。

3.2.2 多重破碎矸石集料性质的评定

为了评定多重破碎高灰分矸石作为骨料的可行性[26-27]，通过测定煤矸石作为集料有关压碎值等指标并与砂石集料进行比较，煤矸石集料与砂石集料基本物理性能比较见表5。

表5 煤矸石集料与砂石集料基本物理性能比较

目前路面混凝土集料主要是用天然砂石集料。根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)粗集料的有关技术要求，对于高速公路和一级公路对粗集料的压碎值等指标的要求非常高，因集料的用途不同而要求不同。对于极重和特重交通公路的沥青混凝土路面要求作基层的Ⅰ类和Ⅱ类集料压碎值≤22%，针片状颗粒含量Ⅰ类和Ⅱ类集料≤18%，Ⅰ类集料的吸水率<2.00%，要求表观密度>2.60 g/cm3，Ⅱ类集料吸水率<3.00%，要求表观密度>2.50 g/cm3。对于极重和特重交通公路路面对作底基层集料的要求稍低，Ⅰ类集料要求压碎值≤30%，吸水率<2.00%，要求表观密度>2.60 g/cm3；Ⅱ类集料要求压碎值≤26%，针片状颗粒含量≤20%，吸水率<3.00%，要求表观密度>2.50 g/cm3。重、中、轻交通公路作基层Ⅰ类集料压碎值≤26%，Ⅰ类集料针片状颗粒含量≤22%，吸水率<3.00%，要求表观密度>2.50 g/cm3；Ⅱ类集料压碎值≤26%，针片状颗粒含量≤18%，吸水率<3.00%，要求表观密度>2.50 g/cm3。对于作底基层的Ⅰ类集料压碎值≤30%，针片状颗粒含量不要求，吸水率<3.00%，要求表观密度>2.50 g/cm3；Ⅱ类集料压碎值指标≤26%，针片状颗粒含量≤20%，吸水率<3.00%，要求表观密度>2.50 g/cm3。沥青混凝土路面二级及二级以下公路对作基层Ⅰ类粗集料压碎值≤35%，针片状颗粒含量不要求，吸水率<3.00%，要求表观密度<2.45 g/cm3；Ⅱ类集料压碎值≤30%，针片状颗粒含量≤20%，吸水率和表观密度不作要求。沥青混凝土路面二级及二级以下公路对作底基层Ⅰ类粗集料压碎指标≤40%，针片状颗粒含量不要求，吸水率<3.00%，要求表观密度<2.45 g/cm3；Ⅱ类集料压碎值≤35%，针片状颗粒含量≤20%，吸水率和表观密度不作要求。

由表5可以看出，原煤矸石除压碎值指标满足二级及二级以下公路作底基层Ⅰ类粗集料的要求外(压碎值≤40%)，其它指标均不满足作沥青路面二级及二级以下公路作底基层的要求，而经选择性破碎分级分质后的高灰分煤矸石压碎值等指标虽不符合作为高速公路和一级公路路面二级及二级以下集料的部分要求，但可以满足作为沥青混凝土路面粗集料的指标要求，这对于煤矸石制砂石骨料具有重大现实意义。

4 结论

(1)由于煤矸石中煤与石的硬度不同，煤矸石在破碎过程中发生选择性破碎，破碎后煤向细粒级富集，而石向粗粒级富集。

(2)屯兰煤矸石经过鄂式和锤式多重破碎和筛分分级后，每次破碎结果均表现粒度越小，灰分越低，发热量越高；粒度越大，灰分越高，发热量越低的分布规律。

(3)煤矸石的选择性破碎优先在煤矸石层理面与节理面发生。

(4)煤矸石通过选择性破碎进而能对煤矸石进行分级分质，一次性破碎能分出热值最高达7.06～13.21 kJ/g矸石电厂燃料的煤，而多重破碎能分出的电厂燃料7.13～7.70 kJ/g，这对于煤矸石的加工利用和回收煤炭资源具有重要意义。

(5)煤矸石的多重破碎具有显著的分级分质效果。通过多重破碎，灰分73%以上的屯兰煤矸石能制备出灰分高达83%以上、产率36%左右、压碎值低于30%的砂石骨料，这对于煤矸石建材化的大宗利用和解决屯兰煤矸石的排放具有重要意义。