综述-煤矸石特性与资源化利用研究

第第页综述|煤矸石特性与资源化利用研究0引言

煤矸石是我国积存量和年产生量最大、分布最广的工业废渣之一，据《中国资源综合利用年度报告（2023）》中数据显示，2023年我国煤矸石总产生量接近7.5亿t，综合利用量为4.8亿t，占年总产量的64%，其中发电利用煤矸石1.5亿t，占总综合利用量的32%；用于建材产品生产利用量为5600万t，占总综合利用量的12%；用于土地复垦、充填矿井采空区和回填塌陷区等的煤矸石量约2.6亿t，占总综合利用量的56%。

为有效并高效地实现煤矸石综合利用，目前已开发的技术先进适应性良好、环境经济效益较好的途径有：煤矸石的能源利用、发电利用和建材利用等。然而由于煤矸石的成分特征、堆存方式和堆积地形等因素，长期大量露天堆放的煤矸石山不仅侵占农业耕地和破坏地表原有植被，矸石淋溶水还将污染矿区周围土壤和地下水，而且煤矸石中FeS等物质由于被空气氧化，热量不断积累并达到燃点时导致煤矸石中易燃、可燃物自燃，期间释放出大量的SO2、NOx、CO、CO2等有毒有害气体极大提高了矿区周边的生态风险和人体健康风险，故实现煤矸石的高效综合利用成为相关研究工的研究方向。

1煤矸石的特性

1.1煤矸石的组成

煤矸石是在煤炭采掘和洗选加工过程中产生的矿山固体废弃物，是夹在煤层中、在成煤过程中与煤共同沉积的有机、无机化合物共同组成的含碳岩石，其主要来源为露天剥离及巷道掘进过程产生的矸石（45%）、采煤和煤巷掘进过程中排出的普矸（35%）以及煤炭洗选过程产生的矸石（20%）。同时煤矸石是有机质和无机化合物组成的混合物，其化学组成主要为SiO2、C和Al2O3，除此之外还包括Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等，煤矸石的化学成分见表1。煤矸石矿物组成较为复杂，主要由高岭土、石英、伊利石、蒙脱石、石灰石、氧化铝等组成。

表1煤矸石化学组成%

1.2煤矸石的结构特点

煤矸石的原矿粒度较大，其中黄铁矿主要以结核体、块状、粒状等宏观形态为主，矿物之间呈细粒浸染状，洗矸中的黄铁矿以块状、脉状、结核状及星散状四种形态存在，而硅质煤矸石的宏观形态呈黑色隐晶质结构，矿物构造为纹层状和块状。

1.3煤矸石物理性质

煤矸石的发热量是指单位质量的煤矸石在一定条件下完全燃烧所能释放出的能量，通常其发热量随碳质量分数和挥发分的增加而增加，随灰分的增加而减小。

我国煤矸石的发热量多在6300kJ/kg以下，热值高于6300kJ/kg的煤矸石仅占10%左右。

煤矸石的熔融性是指煤矸石在一定条件下加热，随着温度升高产生软化、熔化的现象。我国煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍较高，因此煤矸石的灰熔点（在规定条件下测得的引起煤矸石变形、软化和流动的温度）相当高，最低为1050℃，最高可达1800℃左右，鉴于此特性，煤矸石可用作耐火材料。另外，煤矸石还有一定的膨胀性、可塑性、收缩性，具有一定的硬度和强度。

1.4煤矸石的有害杂质

煤矸石中复杂的化学组分经不同的处理工艺和释放机制导致煤矸石中的有害杂质对周边土壤、水环境或生态环境产生不利影响。张明亮等通过分析煤矸石样品中重金属的释放、迁移活性，并利用潜在风险评估法分析矸石山周边潜在的生态风险，研究发现煤矸石样品中重金属的主要形态为残渣态，且不易发生迁移转化，但是少量的酸溶态、结合态重金属在受到降雨喷淋或长期处于潮湿状态后由于迁移转化加快从而容易造成重金属污染。徐州市环境监测中心站以煤矿区及煤矸石的污染特征为依据，选取16种EPA优先控制多环芳烃（PAHs）污染物，采用高效液相色谱法对不同堆积年限的矿区煤矸石山周围塌陷区的水体样品进行测试，分别分析此类水体中单个PAHs和总PAHs的分布情况及水体中PAHs不同环数的组成情况，试验结果显示由于PAHs的疏水性导致周边水体中PAHs含量不高，而在部分水样中测出苯并()芘可知监测矿区附近水体受到PAHs一定程度的污染。

2国内外煤矸石资源化利用对比

2.1国外利用情况

以米国、英国为代表的西方国家煤矸石总综合利用率突破90%。琴希托霍瓦工业大学环境工程学院通过氮吸附法研究了天然和改性煤矸石的结构和表面性质，从而开发了煤矸石作为工业废水预处理中的廉价吸附剂的新应用；马来亚大学则利用棕榈燃油粉煤灰（POFA）、粉煤灰（FA）、高炉矿渣（BFS）作为粘合剂和细骨料，分别可以替代传统材料。当前国外煤矸石综合利用的发展趋势为：在工艺选择上坚持节能降耗；在产品性能上大力生产轻质、高强产品；在建材产