青海省柴北缘地区煤矸石特征及综合利用探究

2023-03-26徐永锋王琪玮赵习民谢菁李青薛晟

新疆地质 2023年4期

徐永锋，王琪玮，赵习民，谢菁，李青，薛晟

（1.青海省第四地质勘查院，青海西宁 810008；2.青海省页岩气资源重点实验室，青海西宁 810008；3.新疆维吾尔自治区煤炭煤层气测试研究所，新疆乌鲁木齐 830000）

2000—2020 年，煤炭在我国一次能源消费结构中占比67.6%～77.8%，数据显示，未来一定时期内煤炭仍然是我国一次能源消费主体（图1）[1-3]。煤矸石随着煤炭开采、洗选、加工等产出，约占原煤产量的20%，以高岭石、伊利石、石英等矿物为主，含硅、铝等多种微量元素。煤矸石长期大量堆置，不仅占用土地，且随着有害成分释放、迁移，造成环境污染[4-9]。据统计，我国煤矸石总量已超过70×108t，并仍以1.5～2.0×108t/a的速度递增，矸石年利用率仅65%[10]，综合利用潜力巨大。

图1 2000—2020年中国一次能源消费总量及原煤占比Fig.1 Total primary energy consumption and raw coal proportion from 2000 to 2020 in China

研究区位于柴达木盆地北缘，是青海省主要煤产地之一，含煤面积1290.52 km2，2000 m 以浅预测煤炭资源储量1.52×1010t,占全省预测煤炭资源量的43.99%[11]。目前，区内生产煤矿7 处，产量近1×107t/a，煤矸石约3×106t/a。随着煤炭开采，矸石排量逐步增大，目前矸石综合利用尚属空白，如何有效利用煤矸石资源，对青藏高原脆弱生态下节能减排、改善生态等具有重要意义。

1 采样及测试

研究区煤矿矸石主要为露天堆放或巷道填埋方式处理。据矸石堆形状、规模,采用均匀分布方式进行样品采集，采样煤矿分布见图2。采样过程为：除去表层风化层（厚约0.1 m）,在采样点深约0.5 m处采集，样品重约5 kg，共采集样品80 件。送至实验室后，剔除相关杂质，破碎到一定粒度，缩分至约1 kg备用。

图2 研究区采样煤矿分布示意图Fig.2 Distribution diagram of sampling coal mines in the study area1.采样煤矿

样品分析由青海省地质矿产测试应用中心完成，汞、砷分别采用冷原子吸收分光光度计法(Atomic Absorption Spectrometry，AAS)、原子荧光光谱法(Atomic Fluorescence Spectrome-try，AFS)测定,其余元素通过ICP-MS质谱仪、ICP-AES电感耦合原子发射光谱仪测定。

2 煤矸石组分特征

2.1 矿物组成

通过X-衍射分析（表1），研究区煤矸石主要矿物为石英、伊利石和云母，高岭石次之，菱铁矿、白云石极少[12]。石英占比25%～35%,伊利石占比32%～36%，云母占比22%～30%，以上矿物含量之和多大于90%。

表1 研究区各煤矿煤矸石矿物组成Table 1 Mineral compositions of coal gangue in the study area单位：%

2.2 煤矸石化学特征

煤矸石化学特征是决定其综合利用的基础[13]，研究区与国内部分典型矿区煤矸石化学成分均以Al2O3、SiO2为主（表2，图3）。区内SiO2含量整体较高，Fe2O3、CaO 含量明显高于统计的国内矿区，Al2O3普遍较低，MgO 在淮南谢桥煤矿、宽沟、大头羊煤矿较高，Na2O、K2O在淮南谢桥煤矿最高，TiO2含量在团鱼山煤矿最高，其余相差不大。

图3 国内部分矿区及研究区煤矿煤矸石主要化学成分Fig.3 Main chemical composition of coal gangue in some domestic mining areas and the study area

2.2 微量元素

通过国内部分矿区及研究区煤矿煤矸石微量元素含量对比（表3，图4），不同矿区之间微量元素存在一定变化，呈Ba，Mn，P，Ti，Zr含量普遍较高，整体变化趋势一致特点[14]。

表3 国内部分煤矿及研究区各煤矿煤矸石微量元素含量Table 3 Coal gangue’s trace element contents of each coal mine in the study area单位：×10-6

图4 研究区各煤矿元素含量变化图Fig.4 Elements’content change of each coal mine in the study area

3 结果与讨论

3.1 元素环境影响分析

总量法是预测和评估固体废物及重金属危害依据之一[15]，微量元素权威D.J.Swaine研究得出，对环境有危害的元素按危害严重程度递减可划分为3类（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类）26种（表4）[16]。

表4 环境危害元素分级Table 4 Classification of environmental hazardous elements

据本次测试结果，筛选出环境危害元素13 种，其中Ⅰ类5 种（As，Cd，Cr，Hg，Pb）、Ⅱ类6种（Mn，Ni，Cu，P，V，Zn）、Ⅲ类2种（Ba，Co）。由表5可知,在识别的Ⅰ类环境微量元素中，煤矸石中As，Cd，Hg的质量分数远低于青海省及全国A 层土壤背景值、农用地土壤污染风险筛选值和农用地土壤污染风险管制值。团鱼山、大头羊、宽沟、大煤沟煤矿矸石中Cr，Pb质量分数，鱼卡、五彩煤矿Pb 质量分数高于青海省及全国A 层土壤背景值，均低于农用地土壤污染风险筛选值、远低于农用地土壤污染风险管制值下限。

表5 研究区煤矸石环境意义微量元素含量与土壤背景值的比较Table 5 Trace element contents’comparison of coal gangue and soil background values in the study area

Ⅱ、Ⅲ类环境意义微量元素中,按《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）：GB 15618-2018》[17]，仅将Cu 列入农用地土壤污染风险筛选范围，其在团鱼山、鱼卡、五彩、宽沟、大煤沟煤矿矸石中质量分数高于青海省及全国A 层土壤的背景值，但均低于农用地土壤污染风险筛选值下限。

综上，研究区煤矿矸石内环境危害元素均不会对植物和环境有重大影响、危害。

3.2 元素利用潜力分析

为科学、合理研究煤矸石综合利用潜力，不仅要关注煤矸石中对环境危害较大微量元素，还需对具有工业利用价值的微量元素进行研究，如稀有金属、稀有轻金属、稀土元素、分散元素等[19]。由表6可知，难熔稀有金属Zr，Hf，稀有分散元素Ga，Pb，Ni在研究区煤矿富集系数均大于1；稀有轻金属Rb及Zn在部分矿区富集；稀土元素Y，碱土金属Ba、过渡金属Nb及Cr 仅在个别矿区零星富集，其余元素富集系数均值小于1，相对地壳丰度存在亏损，基本无综合利用潜力。Zr 富集系数为1.12～1.93，Ga 富集系数为1.11～1.59，均超过伴生有用组分50～100 g/m3、0.001%～0.003%要求。Hf富集系数为1.06～1.68，Pb富集系数为1.22～2.47，Ni 富集系数为1.77～5.10，其质量分数均低于边界品位、最低工业品位及伴生有用组分下限，达不到综合利用要求[20]。

表6 研究区煤矸石金属元素质量分数及富集程度Table 6 Metal elements’mass fraction and enrichment degree of coal gangue in the study area

3.3 煤矸石综合利用探究

在总结近年来煤矸石综合利用研究成果基础上，据煤矸石化学成分及技术要求[21-23]，进行研究区煤矸石综合利用探究。团鱼山、五彩煤矿煤矸石可用于制砖、生产水泥、发电及配制加气混凝土；高泉煤矿煤矸石可用于制砖和生产水泥；宽沟煤矿煤矸石可用于生产陶粒和水泥；大煤沟煤矿煤矸石仅可用于配制加气混凝土（表7）。