煤矸石综合利用途径

（五）煤矸石提取化工产品*煤矸石的组成矿物组成：粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）、石英、方解石、黄铁矿。

化学组成：氧化物SiO2+Al2O3占60～90％。SiO2Al2O3CaO

MgOFe2O3Na2O+K2O烧失量51～6516～361～71～42～91～2.52～17煤矸石的化学成分煤矸石发热量一般为800～1500卡/克,其无机成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属。（五）煤矸石提取化工产品煤矸石中可利用的矿物元素主要是SO3、Al2O3、FeS2和Mn、P、K等。Al2O3>35%的高铝煤矸石可用来制炼钢高效脱氮剂硅铝铁合金、水玻璃、氢氧化铝、碱式氯化铝净水剂、制造硫酸铝和铵明矾的烧结料等。另外含FeS2较高的煤矸石氧化产生的SOx是污染环境的罪魁祸首，而硫又是重要的化工原料，从煤矸石中回收硫铁矿（如抽提硫酸）具有较高的生态效益和经济效益。*煤矸石提取氧化铝工艺设计煤矸石粉碎硫酸浸出过滤除渣滤液中和硫酸溶液残渣中和搅拌槽

（NH4）2SO4NH3Al（OH）3盐析过滤洗涤脱水滤液烘干活化炉焙烧

Al2O3Al(OH）3硫酸铝溶液选择这个设计方案的理由国内氧化铝工业并不理想，采用煤矸石作为原料提取氧化铝，即解决了煤矸石的大量堆积，同时也能解决一部分氧化铝的需求量，一举两得。经济角度考虑，从煤矸石中提取氧化铝可以大大提高煤矸石的附加值，实现变废为宝。（六）煤矸石复垦绿化对于不好处理或处理价值较低的，可以考虑充填塌陷区或填埋造地，其方法是：在造地的片区上先将熟化表土转移，然后垫铺岩石及自燃矸石至一定厚度，碾压整平再将熟化土覆盖，如此分片区逐年扩展，可造就大面积平地和台阶地，同时结合土壤改良，再造优质农田。*一，石山绿化的目标煤矸石山实际上是人造“石质荒漠”，无土、缺水、干热、强酸、有毒，缺少植物种子和残根，不具备植物生存和更新条件。从植被自然演替规律看，石质荒漠区的植被形成，必须经过石质风化——低等植物侵占——高等植物衍生等各个演进阶段，需要50年至100年的时间。煤矸石山绿化的目标就是建立稳定、高效的煤矸石山人工植被生态系统。

二、煤矸石山绿化的作用其主要作用有：（1）利用物理、化学方法改善煤矸石山的立地条件，利于煤矸石山植被的生长，加快煤矸石山植被的演替进程。（2）通过煤矸石山的植被恢复，改善煤矸石山的环境条件和美化景观，利用植被覆盖，减缓地表径流、拦截泥沙、调蓄土壤水分、减少风蚀和粉尘污染。（3）通过煤矸石山的植被恢复，降低煤矸石山的温度，减弱煤矸石山内部氧气的含量和流动性，防止煤矸石山自燃，减少煤矸石山自燃对矿区环境的危害。（4）利用植物的有机残体和根系的穿透力以及分泌物的物理、化学作用，改变扰动区下面的物质循环和能量流动方式，促进煤矸石山的成土过程，增进生态环境的生物多样性。（5）利用植物群落根系错落交叉的整体网络结构，增加下垫面的稳固性和抗蚀、抗冲能力，保障煤矸石山的工程建设顺利进行以及工程结束后退化生态系统的恢复与重建，形成稳定良好的生态结构和功能。（6）恢复了煤矸石山压占土地的使用价值，并通过植被的建立实现一定的经济价值。（7）通过煤矸石山植被恢复，调节区域气候、制造氧气、美化环境，取得显著的环境效益和社会效益。三，煤矸石山绿化的技术模式和程序1煤矸石山绿化技术模式目前主要集中在单项技术措施（立地条件分析、植物种类的选择、整地及基质改良技术、幼林的成活或生长状况中的某一项或几项）的研究上，缺乏科学有效的植被恢复与生态重建技术模式。以恢复生态学原理为基本的理论基础，以森林培育学为基本的理论和技术框架，基于我国煤矸石山植被恢复的实践经验和在山西某矿煤矸石山造林绿化的成功案例。中国矿业大学（北京）土地复垦与生态重建研究所提出了煤矸石山植被恢复与生态重建技术模式图：煤矸石山植被恢复与重建技术模式体系框图2、煤矸石山绿化程序“3段9步”图：煤矸石山植被恢复实施工程程序四，煤矸石山立地条件改良1、煤矸石山立地条件分析与评价立地条件是指与植物生长发育有关的所有环境因子的总称，简称立地，生态学称之为生态环境条件或生境条件，煤矸石山立地条件可理解为：在煤矸石山植被恢复与重建时，与植被生长和发育有关的所有环境因子的综合。煤矸石山立地条件改良（一）煤矸石山的地形及风化层锥形、斜坡的坡度为矸石的自然安息角(36°左右)（二）煤矸石山的水分特点矸石风化物仍具有一定的蓄水孔隙，可为植物提供一定数量的有效水，能在一定程度上满足植物对水、气的需求，因此矸石风化物可作为植物生长的介质。（三）煤矸石山立地条件的主导因子分析煤矸石山生态重建面临的主要环境问题突出表现在以下几方面：（1）地表组成物质由煤矸石及岩石组成，无土壤可言，有机质含量少，物理结构极差，尤其是保水、持水、保肥能力差。（2）存在限制植物生长的物质，包括pH值、重金属及其它有毒物质等。（3）缺乏营养元素，尤其缺乏植物生长必需的氮和磷。（4）土壤生物缺乏，尤其缺乏对植物生长有利的生物，如蚯蚓、线虫及微生物等。二、煤矸石山的整地（一）煤矸石山整形整地的目的和作用煤矸石山整形整地的主要目的和作用在于：（1）减缓坡度，减少粒度，改善地表组成物质的粒径级配；（2）改善孔隙状况，增加毛管孔隙度，提高土壤的持水、供水能力；（3）改善局部土壤的养分和水分状况，增加土壤含水量；（4）稳定地表结构，减少水土流失和控制土壤侵蚀；（5）便于植被恢复施工，提高造林质量；（6）增加栽植区土层的厚度，提高栽植成活率和保存率，促进植物生长。

二、煤矸石山的整地（一）煤矸石山整形整地的目的和要求对煤矸石山进行整形，既要考虑栽植工程的实施，也要考虑景观优美，在整形设计时一般有以下要求：（1）建立一条环山道路直达山顶，便于运料和整地施工以及游人登顶。（2）对山顶进行平整以建立亭台和休闲活动场所。（3）结合景观设计和整地种植，采取平缓陡坡、修建梯田等方法重塑地貌景观。（4）在煤矸石山的一些适宜位置建立错落有致的石阶供游人登山。（5）建立排水系统，由于煤矸石山高度比较大，坡度较陡，表面覆土后很容易发生表面侵蚀，产生水土流失，因此煤矸石山整形的同时应设计完善的排水系统。（二）煤矸石山整地的方法与技术规格1．整地的方式方法整地的方式有全面整地（翻垦全部土壤）和局部整地（翻垦局部土壤）两种。

（二）煤矸石山整地的方法与技术规格

2．整地的技术规格整地的技术规格包括整地深度、宽度、断面形式和覆土的厚度等。①煤矸石山的整地深度因植被不同而异，一般情况下，各种植被所需整地深度的低限值是：草本植物为15cm，低矮灌木为30cm，高大灌木为45cm，低矮乔木为60cm，高大的乔木为90cm。②整地宽度的基本原则是，在自然条件和经济条件许可的前提下最大限度地改善立地条件，控制水土流失。煤矸石山的坡度一般较大，整地宽度不宜过大，以免加剧水土流失。若采用反坡梯田整地的方法，在坡度分别为20°、30°、40°时，其整地宽度依次为1.5m、1.0m、0.8m为宜。③断面形式是指整地后的土面与原坡面所构成的断面形式。④综合解决煤矸石山限制性因子的最好最快的方法是在煤矸石山上覆盖物料。五、煤矸石山的基质改良煤矸石山基质改良的目的是解决其土壤的熟化和培肥问题，提高土壤肥力，真正为植物生长创造条件。

（一）改良物质

1．化学改良物质①碳酸氢盐和石灰等②化学肥料2．生物改良物质生物改良是利用对极端生境条件具有耐性的固氮植物、绿肥作物、固氮微生物、菌根真菌改善矿区废弃地的理化性质。（二）改良措施1．生物改良法①微生物法：微生物法是利用菌肥或生物活化剂改善土壤理化性质和植物生长条件。②绿肥法：利用绿肥植物（多为豆科植物）耐酸碱、生命力旺盛的特点，将其作为煤矸石山植被恢复的先锋植物。③生物固氮：将具有固氮能力的植物如桤木、槐树、红三页草等，种植在煤矸石山上，以吸收氮元素，在植物体腐败后，将氮元素释放到土壤中，达到改良土壤的目的。生物固氮可很好地替代化肥和有机肥。2．客土法客土法就是将外来的土壤覆盖到煤矸石山的表面，以增加土层厚度，迅速有效的调整煤矸石山粒径结构，达到改良质地、提高肥力的目的。3．灌溉与施肥六，煤矸石山植物栽植一、煤矸石山绿化植物种类的选择（一）煤矸石山植物选择的基本原则

1．适地适植物（或适地适树）原则①选树（植物）适地，即选择适宜的植物种类。②改地适树（植物），主要通过人为活动改善立地条件（尤其是限制因子）。2．优先选择乡土树种的原则3．水土保持与土壤快速改良原则①抗干旱和耐贫瘠的肥料树种。②优先选择优良的灌木树种。4．植被效益最优原则5．乔、灌、草相结合的原则六，煤矸石山植物栽植（二）煤矸石山绿化的适宜植物种类煤矸石山适宜的先锋植物种类应满足以下基本要求：（1）较高的逆境胁迫忍耐力与抵抗力（主要是抗旱、耐贫瘠、pH值幅度的极度适应等）；（2）生长迅速，具有较强的土壤改良功能；（3）具有较强的抗污染、水土保持、绿化美化和经济功能。二、煤矸石山的绿化栽植栽植是农林园艺栽种植株的一种作业，但一般常狭义地理解为“种植”。广义的“栽植”应包括起(掘)苗、搬运、种植三个基本环节。每一个环节都要加强对树木的保护，否则都会影响树木的栽植成活率。二、煤矸石山的绿化栽植（一）煤矸石山适宜的造林方法与栽植季节一般按造林所用的植物材料分为播种造林、分殖造林和植苗造林三种方法：（1）播种造林符合植物繁殖的自然规律，自然界大部分植物的更新都是由种子萌发完成的，所以，播种造林是对自然规律的模仿。（2）分殖造林是以植物的营养器官（枝、干、根等）作为造林材料直接栽植。（3）植苗造林是用已经形成根系和茎、干的苗木作为材料。煤矸石山立地条件以干旱、缺水、贫瘠为突出的生态环境特征，一般情况下，不适宜采用分殖造林方法，播种造林除草本植物与部分灌木植物外，也不适宜采用，所以，对木本植物而言，植苗造林是煤矸石山植被恢复采用的主要方法。（二）煤矸石山绿化栽植技术煤矸石山植被恢复技术按对其立地改良的程度和整地方式，可分为覆土和无覆土两大类。1．煤矸石山覆土栽植技术2．煤矸石山无覆土栽植技术（新汶矿业集团公司的华丰煤矿）

3．煤矸石山污泥覆盖技术（阳泉矿区）（三）煤矸石山绿化的抗旱栽植技术1．选用良种壮苗对壮苗的选择标准是：①根系发达,具有较多的侧根与须根,主根短而直；②苗木粗壮而挺直，有与苗木地径相称的高度，上下均匀，充分木质化，枝叶繁茂，色泽正常；③苗木的种量大而且茎根比值（地上部分与地下部分的比值）较小；④无病虫害与机械损伤；⑤具有饱满与健壮的顶芽（针叶树）或侧芽（阔叶树）、生长势较强。2．苗木保护与保水技术①“五不离水”。起苗前浇水，运输时洒水，假植时浇水，栽植时蘸水或浸水，栽植后浇透水。②保水剂技术。③地膜覆盖技术。④生根粉应用技术。3．栽植方法与技术要点①栽植方法树木的栽植方法一般可分为裸根栽植和带土球栽植两种。其中的带土球栽植，根据容器的有无还可以分为带土坨栽植和容器育苗栽植两种。②挖穴（刨坑）图4-3树与穴的关系示意图（a）正确（树穴上下一致，树木根系舒展）（b）不正确（树穴呈锅底状，根系卷曲）

③裸根苗栽植技术（“三埋、两踩、一提苗”）④容器育苗造林技术⑤菌根菌育苗造林技术⑥秸秆及地膜覆盖造林技术抚育管理是植物栽培工作中非常重要的技术环节，俗语有“三分栽植、七分管理”之说（施肥、灌溉、平茬、修枝以及防止人畜对植被的破坏）。采用煤矸石不出井的采煤生产工艺，填充采空区，减少矸石排放量和地表下沉量，采用煤矸石充填废弃矿井。在道路、堤坝等工程建设中采用以煤矸石代替粘土作基料，增加稳固性。下面是我国某研究所对山东淄博矿务局许厂煤矿煤矸石回填技术研究报告（七）回填矿井采空区或铺路材料*二、采空区塌陷现状

我国每采100万吨煤炭塌陷土地30万㎡，迄今累计塌陷超过60亿㎡，其中50%是良田。

山西素有煤海之称，是全国煤炭产量最大的省份，采空塌陷灾害也最严重。据山西省国土资源厅调查，山西省各类矿山采空区已达2万多平方公里，占全省总面积的1／7。

目前，山东省矿山采空塌（沉）陷面积为403.01km2，其中采煤塌（沉）陷已达800余处，累计塌（沉）陷面积392.625km2，其中绝产面积大于50km2。平均万吨煤塌（沉）陷率约0.0037km2

。二、采空区塌陷现状1、近年来由于采空区塌陷形成山体崩塌、地面塌陷、地表裂缝等地质灾害日渐增多，给工农业生产、基础设施和当地群众的生命财产安全造成严重威胁。

2、采空塌陷区造成的另一项危害是使水资源遭受破坏，从而引起区域性地表水泄漏、地下水位下降，使矿区及周边大范围内的地下水均衡系统受到破坏3、采空塌陷区的面积日渐扩大，不仅致使地下千疮百孔，地上环境恶化，而且火灾隐患也日渐增大，直接威胁着矿区群众的生命健康安全。

三、矸石充填技术的提出与意义煤矸石露天排放和地表塌陷破坏是煤矿生产最主要的环境问题根源，是影响矿区经济发展和社会安定的重要因素；同时，大量的“三下”压煤严重制约了煤炭资源的合理开发，是目前煤矿资源采出率较低的主要原因之一。

三、矸石充填技术的提出与意义

由于城乡建设的快速发展，煤炭压覆量大幅度增加，可采煤量锐减，致使国内许多矿井的原设计服务年限大为缩短，面临着未老先衰的困境。淄博矿务局许厂煤矿位于山东省济宁市区三环以内，周围村庄稠密，村庄及工业广场压煤量占全矿井地质储量的82.8%，因此矿井一投产就出现了可采资源紧张的问题，以及靠近市区，受环保因素制约，不能建矸石山这两方面影响。三、矸石充填技术的提出与意义

所以，如何解放建筑物压煤，减小煤炭开采引起的地面沉陷，解决矸石排放问题，成为许厂煤矿可持续发展的首要技术难题。于是就提出了在工业广场以及村庄下实行条带开采和串采的方法，并采用采后用矸石填充的新工艺。实现用矸石置换煤、矸石不升井，不建矸石山，达到最大限度增大可采储量，减小地面塌陷，同时又满足环保方面的要求。2005年7月，山东淄博矿务局许厂煤矿委托我们对井下巷道矸石填充采煤进行方案设计及配套设备设计。三、矸石充填技术的提出与意义

煤矸石、建筑垃圾等固体废弃物井下充填是一项矸石处理利用新思路，利用该技术可以把煤矿生产中所产生的矸石全部填入井下，实现矸石置换煤，矸石不上井、地面不建矸石山，并利用矸石置换煤炭资源，以达到综合治理煤矿矸石的目的，这种方法是文明、科学、绿色的技术，具有显著的社会效益。三、矸石充填技术的提出与意义

井下矸石充填技术可以处理井下矸石等固体废弃物，减少矸石山、粉煤灰等侵占农田，减少对大气和环境污染，消除矸石山坍塌的事故隐患，而且可以将井下矸石、粉煤灰直接处理变害为利，将矸石等固体废弃物井下充填作为地下结构支撑体，在解决或降低地面沉降和塌陷问题的基础上，采出建筑物下部分压煤，具有重大的社会效益和经济效益。四、矸石充填工艺介绍国内矸石充填方式主要有两种：巷式充填和长壁工作面充填。巷式充填在邢台邢东矿、淄博矿务局许厂矿、淄博矿务局岱庄煤矿、兖矿集团济三矿、杨村煤矿、南屯煤矿等进行应用。该种方法通过合理设计煤柱采宽及留宽，开采后再利用井下矸石充填开采空间，达到控制地表变形保护地面建筑物的目的。这种方法投资较低，且充填和开采基本不影响，具有良好的适用性。四、矸石充填工艺介绍长壁开采工作面矸石充填曾在山东新汶矿业集团某矿井进行了应用。该种方法充填量大，输送倍线大，管路易阻塞，需用设备多，工艺复杂，要求随采随充，且矿井初期投资较大，目前该填充方式还不是很成熟。针对山西省煤层赋存特点和我们兖矿的填充初步经验，推荐采用巷式（或窄工作面）充填方式采出煤炭资源并处理井下矸石。四、矸石充填工艺介绍

矸石巷式充填是巷式开采与充填工艺相结合，在第一条巷道（或窄工作面）开采后，隔一定距离（需根据地质条件等进行计算），回采另一巷道（或窄工作面），同时对第一条巷道（或窄工作面）进行充填，实现充填与开采基本不相互影响，保证了生产矿井的产量。四、矸石充填工艺介绍

第一步：采掘第一条巷道

第二步：相隔一定宽度煤柱采掘第二条巷道，同时充填第一条巷道。第三步：依次采掘巷道并充填前一条巷道第四步：待充填完毕几条巷道后，在其隔离煤柱中掘巷并充填

充填巷开采及充填顺序示意图四、矸石充填工艺介绍矸石充填系统工艺流程示意图四、矸石充填工艺介绍填充工艺流程图

填充步骤1、井下迎头矸石运输：岩巷迎头掘进出的矸石经后部皮带运输到矸石仓中。或：装车后经轨道大巷进入上部车场，出推车机将矿车推入翻车机中，将矸石倒入矸石仓中。2、地面矸石山矸石运输：地面矸石山矸石经选煤场选矸后装车经副井、轨道大巷进入上部矸石充填车场，出推车机将矿车推入翻车机中，将矸石倒入矸石仓中。3、破碎给料：将矸石仓的矸石经破碎机把矸石破碎到≤250mm粒径，再通过给煤机将破碎后的矸石给料至皮带机上。填充步骤4、皮带机运输：由可伸缩皮带机将矸石运送到采空填充巷迎头，进入矸石填充机。5、矸石填充设备迎头抛填：矸石直接进入矸石填充机抛射部进行抛射填充。调整抛射皮带使之左右上下摆动，使之在整个巷道断面均匀布料。操纵推平器，压实填充后的矸石。迎头矸石在较干燥的情况下，需边填充边撒水，以便于矸石堆积。针对部分煤矿附近存在发电厂，可利用粉煤灰等材料制成注浆材料，对充填矸石进行注浆，及能处理地面粉煤灰，又能提高充填体强度。四、矸石充填工艺介绍四、矸石充填工艺介绍矸石充填关键设备专利技术五、充填开采效果介绍2006年2月10日在淄博矿务局许厂煤矿130采区Ⅳ区进行矸石巷式充填开采。掘进完1#巷道后进行填充。1#巷道全长320米，累计填充16个工作日，其中每个工作日填充20米，累计共填充矸石3520m3。

2006年3月10日，130采区Ⅳ区2#巷道进行矸石填充，2#巷道全长700米，高度最高处高达6米，断面大，增加了填充量。累计填充27个工作日，平均每个工作日填充22米，累计共填充矸石15680m3。断面填充率达97%左右。截止2007年，共采出煤炭24.7万吨，节省地面处理矸石费用312.5万元/年，取得了良好的经济效益与社会效益。许厂煤矿简介：许厂煤矿隶属山东省淄博矿务局，位于山东省济宁北始建于1996年6月，1999年10月正式投产，矿井年设计能力150万吨，核定生产能力320万吨。五、充填开采效果介绍

济三煤矿是兖矿集团第一个推广采用矸石巷式充填开采的生产矿井，2007年～2008年实施矸石充填开采以来，在工业广场煤柱中共掘出巷道11条，进尺4742米，采煤12.1万吨，充填巷道10条，利用矸石17750立方米，充满率约93%。经地面监测，没有明显沉陷，地表设施稳定，地面建筑完好无损。济三煤矿简介：济三矿隶属山东兖矿集团，位于微山湖沼泽地带，1993年开始兴建，2000投产，探明及推定总储量2.56亿吨，设计生产能力为500万吨/年，实际生产能力达到900-1000万吨/年。五、充填开采效果介绍

2008-2009年，兖矿集团杨村煤矿进行煤矸置换开采，把煤矿生产过程中所产生的矸石全部回填到工业广场保护煤柱的巷道中，回收了部分永久煤柱、边角煤和建筑物下压煤，控制了地面沉陷，确保了建筑物安全，保护了耕地。至今共掘出巷道5条，总长度达1832米，采出煤炭5.4万t，消灭矸石8300立方米，充填率平均93%，经地面监测，地面没有明显沉陷，工业广场的提升运输设备安全正常运行。杨村煤矿于1989年6月建成投产，原设计生产能力60万吨/年。1995年经山东省煤管局批准，进行了技术改造，成为一座厚薄煤层配采的现代化大型矿井，核定生产能力115万吨/年。六、推广前景“矸石山不应是煤矿的标志，而是污染源，必须去除！”在2008年10月27日下午举行的山东省煤炭工业局科学采矿问题讨论会上，中国工程院院士、采矿工程专家钱鸣高教授说。讨论会上，他特别对山东省在矸石处理上的巷道充填置换开采等绿色开采新技术表示赞赏。近年来，山东省煤矿针对资源缺乏、生态环境保护任务艰巨的实际，大力推广实施了以矸石充填开采为主的绿色开采技术，取得了明显的经济和社会效益。目前，七大省属煤炭企业和济宁、枣庄、淄博、莱芜的27处煤矿已经实施了矸石充填开采，提高了资源回收率。其中，已有14处煤矿实现了矸石不上井或下井。六、推广前景

巷道填充开采新工艺的应用，既能使“三下”(“三下”指建筑物下、水体下、铁路下)压煤及煤矿井下的工业广场煤柱开采得到了回收开采，保证地面的沉降变形在一定范围内，大大延长了煤矿的使用寿命，缓解煤炭紧张的局面，同时对减轻地表塌陷、改善煤矸石对环境的污染、减少矸石山对人类安全的危害起到很大的作用。特别是国家十六届五中全会《十一五规划》确定的煤炭企业发展方向中明确指出，落实科学的发展观，实现煤炭产业节约、清洁、安全发展，应该采取“研发和推广先进技术，控制和治理地表塌陷”，给矸石填充技术推广带来了美好的机遇。一、煤矸石发电概述除岩巷掘进矸石外,煤矸石或多或少都有一些煤或可燃成分,因此可作为燃料使用。热值在400kJ/kg以上的煤矸石可作为沸腾炉的燃料直接燃烧,用作矿区供热或发电。峰峰、邯郸矿务局都建有煤矸石电厂,其流程均以洗煤厂洗矸为原料,经破碎、脱硫处理后加入沸腾炉进行燃烧。电厂已正常运行多年,效果良好。第四节煤矸石发电*

煤矸石发电厂主要利用热值在6.27MJ/kg～8.336MJ/kg以上的洗矸、半煤岩巷排除的掘进矸石。目前,煤炭系统多采用流化床燃烧技术,采用最多、