煤矸石的微区分析

王莉 商子建 刘飞

摘 要：煤矸石的大量排放和堆积，严重的占用了我国的国土资源、污染林地，不仅给地球生态环境带来了恶劣的危害，也造成了本就稀缺的矿产资源巨大的浪费和损失。充分利用煤矸石、提取其中有价元素对我国环保事业和经济可持续发展有重要意义。实验选择淮北市某煤矿的煤矸石为样本，研究煤矸石的物理学结构、矿物成分和化学组成确定其煤矸石类型，为提取其中有用的金属元素提供物质基础，进而为淮北地区各级政府部门制定有关矿区土壤的保护和生态修复以及提高煤矸石利用率的政策方法、计划提出科学依据。

关键词：煤矸石；Al2O3；Fe2O3；TiO2

Abstract：The massive discharge and accumulation of coal gangue seriously occupy the land resources of our country and pollute the forest land.It not only brings bad harm to the ecological environment of the earth，but also causes huge waste and loss of the scarce mineral resources.Therefore，it is of great significance to make full use of coal gangue and extract valuable elements from it for China's environmental protection and sustainable economic development.In this experiment，coal gangue from certain Coal Mine in Huaibei City is selected as the research sample to study the physical structure，mineral composition and chemical composition of coal gangue and determine its type of coal gangue，so as to provide material basis for the extraction of useful metal elements.Furthermore，it provides scientific basis for the government departments at all levels in Huaibei area to formulate policies，methods and plans for soil protection and ecological restoration in mining areas and for improving the utilization rate of coal gangue.

Keywords：Coal gangue；Al2O3；Fe2O3；TiO2

1 概述

煤矸石是煤炭開采过程中产生的废渣，是我国排放和堆存量最大的固体废弃物［1］。淮北目前是安徽省重要的煤炭能源工业城市之一，这里长期进行煤炭开采等相关作业，多处的矿场和发电厂均出现了不同规模的固体废物堆积。矿产资源的开采和利用与环境保护之间的矛盾越来越大，现已极大地制约了当今淮北市经济的发展［2］。

随着我国现代工程技术的飞速进步，金属冶炼技术也在进一步发展，人们已经逐渐认识到煤矸石也是一种宝贵的矿产资源。煤矸石中不仅包含可观数量的碳，还含有比较丰富的Al2O3、Fe2O3、TiO2等，特别是其中的氧化铝、氧化铁以及微量的氧化钛等有价金属元素组分，如果可以充分高效地利用起来，提取有经济价值的金属元素，就可以弥补我国铁矿、铝矿资源长期供给短缺的问题［3］。充分高效的利用煤矸石、发掘其存在的价值，可以极大地缓解当前我国生态环境保护的压力。提高煤矸石的有效利用率不仅有助于社会经济的可持续发展，还能减缓我国矿物资源总量多但人均占有量少的尴尬处境。固体废物资源化更有利于建设好绿金淮北，绿水青山就是金山银山，打造美丽的中国碳谷。

2 材料与方法

煤矸石的来源主要有以下三个方面：露天开采剥离及采煤巷道掘进排出的白矸［4］；在煤炭开采过程中选出的普矸；煤或洗煤过程中产生的煤矸石。煤矸石可根据其矿物组成、铝硅比、碳含量和总硫含量进行分类［5］。根据煤矸石中氧化铝和氧化铝与二氧化硅含量比值，可以将其分为砂岩质类、高铝质和黏土岩质煤矸石［6］。在所有煤矸石种类中黏土类煤矸石占有较大的比重［7］，其含有可观的铝、铁等其他金属成分，如果我们能将这一资源合理地综合利用，提取煤矸石中有用的矿物资源，使之废物利用，这样不仅可以大大减轻地球生态环境的保护压力、极大地减少固体废物的产生，还能增加更多的就业岗位。

根据样品采集的随机性、均一性、代表性以及广泛性的原则要求，对煤矸石进行样品采集，每个样品采样不得低于2.5kg。首先将采集来的样品及时密封保存且贴上位置、编号、质量等数据，避免样本混杂不清。然后采用四分法将采集的煤矸石样品逐步进行减量，把收集到的煤矸石样品破碎撵磨，去除无用的石头和其他杂物等，如果样品量很多，则可以重复操作，控制所需的样品重量。最后对分开的样本进行编号等操作。煤矸石样品的保存：将样品放在干燥无污染的通风地方，防止受潮，并预防其他杂物混入和标签纸的脱落。

3 结果与分析

3.1 煤矸石的矿物组成

采用的样本来自安徽省淮北市某煤矿。利用X射线分析法分别在105℃和815℃条件下对煤矸石进行了XRD分析。分析结果见图1所示，分别是煤矸石在105℃和815℃条件下的XRD分析图。

由XRD图像可知，煤矸石组分中石英占比最大，煤矸石中除了含有大量的石英之外，还有部分菱铁矿和珍珠石，但在815℃条件下，其矿物组成为石英矿、钠长石和赤铁矿。

3.2 煤矸石的物理特征

利用I395 SEMEDS（Bruker Nano Berlin，Germany）扫描式电子显微镜分别对105℃和815℃下的煤矸石进行了显微镜观察与X光微区分析，分析煤矸石的微观形态与物质组成（见图2—图5）。

从图中分析可知，煤矸石在105℃的煅烧下，各元素含量分别如下：O含量47.24%、Si含量20.90%、Al含量1463%、Fe含量4.25%、钾含量1.88%、Ti含量0.71%、Zn含量019%、Mg含量0.36%、Na含量0.20%。在煤矸石的煅烧温度在815℃条件下，其各元素组分发生了变化，其中Si含量由20.90%上升到25.77%，大约增加了5个百分点，Fe含量大幅上升，是105℃条件下的三倍，上升到1447%、Ti含量增加到0.87%，Zn含量从0.19%增长到0.41%，而Al含量有了小幅度的减少，减少了034%，Na和Mg含量变为0，Mn从0有了微小的增加。

根据电子显微镜图观察，煤矸石的微观结构为细粒状聚集体，且可观察到高岭石和粒状石英石，还有少量的碎屑镜质体，粒径大约在10～50微米，105℃条件下的煤矸石微观结构排列致密，815℃条件下的煤矸石微观结构疏松，颗粒排列松散，反应活性相较105℃得到提高，由此可判定煤矸石属于黏土矿类煤矸石。

另外，得到煤矸石的主要成分分别是Al2O3、Fe2O3、TiO2。其中Al2O3的含量最多，占比达到了17.6%，Fe2O3的含量其次，以及含有微量的Ti，这为提取煤矸石中有价金属元素提供了物质基础。

煤矸石的化学成分分析参考《煤灰成分半微量分析方法》（GB/T15741995）进行。煤矸石成分分析结果见下表。

4 结论

（1）煤矸石主要成分以石英石、高岭石居多，屬于黏土矿类煤矸石，但在高温度的条件下煤矸石成分由珍珠层转变成了钠长石。

（2）煤矸石的XRD分析表明，煤矸石以高岭石和石英石为主；灰分成分分析表明煤矸石的Al2O3、Fe2O3、TiO2的化学成分含量分别为：17.6%、6.6%、0.96%。

（3）烧失量分析结果表明，煤矸石的烧失量分别是13.9%。

参考文献：

［1］Lopez，I.C.and C.R.J.I.J.o.C.G.Ward，Composition and mode of occurrence of mineralmatter in some Colombian coals.International Journal of Coal Geology，2008.73（1）：318.

［2］孙浩.淮北固废堆积区土壤中微量元素的环境地球化学研究［D］.中国科学技术大学，2018.

［3］董玲.煤矸石酸浸取提取Al2O3和Fe2O3技术研究［D］.中国矿业大学（北京），2018.

［4］袁猛.非自燃煤矸石混凝土在冻融硫酸盐侵蚀下的耐久性研究［D］.中国矿业大学，2019.

［5］孔德顺，王茜，宋说讲，等.煤矸石提取铝铁元素制备PAFS的实验研究［J］.中国陶瓷，2014，50（05）：6062.

［6］李景阳，郭宇，吕兴旺，等.从阜新地区煤矸石中提取氧化铝的工艺研究［J］.天津化工，2017，31（3）：1619.

［7］董作超.煤矸石集料混凝土的力学性能与抗碳化试验研究［D］.中国矿业大学，2016.

［8］林长城，刘波.煤矸石综合利用的现状及存在的问题［J］.内蒙古煤炭经济，2020（08）：150.

基金项目：淮北市科技专项（HK2021012）

作者简介：王莉（1974— ），女，汉族，安徽淮北人，专科，助理实验师，从事环境科学的教学与科研工作。