孔庄煤矿1.8Mt-a新井设计-煤矸石的特征及综合利用研究

第⑧接近其它可能出水地区时。10设计矿井基本技术经济指标表10.1设计矿井基本技术经济指标序号技术经济指标项目单位数量或内容1煤层牌号主要QM局部1/3JM2可采煤层数目层23可采煤层总厚度m5+8=13m4煤层倾角º11º~15º(平均12º）5（1）矿井工业储量Mt299.97Mt（2）矿井可采储量Mt183.07Mt6（1）矿井年工作日d330（2）日采煤班数班37（1）矿井年生产能力Mt/a180(2)矿井日生产能力t/d54558矿井服务年限a72.659矿井第一水平服务年限a26.610井田走向长度Km13井田倾斜长度Km3.411瓦斯等级低瓦斯矿井瓦斯相对涌出量m3/t1.73212通风方式中央并列式13（1）矿井正常涌水量m3/h180（2）矿井最大涌水量m3/h40014开拓方式立井单水平加暗斜井开拓15（1）第一水平标高m-600（2）最终水平标高m-80016（1）生产的工作面个数个1（2）备用的工作面个数个117采煤工作面年推进度m118818（1）移交时井巷工程量m（2）达产时井巷工程量m19开拓掘进队数个320大巷运输方式胶带输送机21矿车类型1.0t固定箱式22电机车类型10t架线式23设计煤层采煤方法倾斜长壁后退时一次采全高24（1）工作面长度m220（2）工作面推进度m/月99（3）工作面坑木消耗量m3/千t0.6（4）工作面效率t/工31.59（5）工作面成本元/t16.36参考文献[1]杜计平、孟宪锐.《采矿学》.徐州：中国矿业大学出版社，2009[2]林在康、郑西贵.《矿业信息基础》.徐州：中国矿业大学出版社，2008[3]张荣立、何国纬、李铎.《采矿工程设计手册》.北京：煤炭工业出版社，2003[4]戴绍城.《高产高效综合机械化采煤技术与装备》.北京：煤炭工业出版社，1997[5]东兆星、吴士良.《井巷工程》.徐州：中国矿业大学出版社，2004[6]钱鸣高、石平五.《矿山压力及控制》.徐州：中国矿业大学出版社，2003[7]岑传鸿.《采场顶板控制与检测技术》.徐州：中国矿业大学出版社，1998[8]蒋国安、吕家立.《采矿工程英语》.徐州：中国矿业大学出版社，1998[9]李位民.《特大型现代化矿井建设与工程实践》.北京：煤炭工业出版社，2001[10]综采设备管理手册编委会.《综采设备管理手册》.北京：煤炭工业出版社，1994[11]能源部.《煤矿安全规程》.北京：煤炭工业出版社，1995[12]中国煤矿专用设备成套服务公司.《采煤机械化成套设备参考手册》.煤炭工业部.北京：煤炭工业出版社，1984[13]刘吉昌.《煤矿施工设计基础》.太原：山西人民出版社，1983[14]中国统配煤矿总公司物资供应局.《煤炭工业设备手册》.徐州：中国矿业大学出版社，1992[15]武同振、赵宏珠、吴国华.《设备选型配套图集》.徐州：中国矿业大学采矿工程系，1993[16]林在康：《风机装置性能图册》，中国矿业大学出版社，2003[17]煤炭科技名词审定委员会.《煤炭科技名词1996》.北京：科学出版社，1997[18]章玉华.《技术经济学》.徐州：中国矿业大学出版社，1995[19]王德明.《矿井通风与安全》.徐州：中国矿业大学出版社，2005[20]杜计平、汪理会.《煤矿特殊开采方法》.徐州：中国矿业大学出版社，2003[21]《巷道断面图册》.徐州：中国矿业大学采矿工程系，2003[22]《井筒断面图册》.徐州：中国矿业大学采矿工程系，2003[23]《液压支架图册》.徐州：中国矿业大学采矿工程系，2003[24]《煤矿工业矿井设计规范》.北京：中华人民共和国建设部，2005[25]《中国采煤方法图集》.徐州：中国矿业大学出版社，1990[26]《综采技术手册》.北京：煤炭工业出版社，2001[27]《综采设备管理手册》.北京：煤炭工业出版社，1994煤矸石的特征及综合利用研究摘要：煤矸石是工业固体废弃物中排放和堆存量最大的一种，若不加以利用，长期堆放于地表，不仅占用大量土地、影响自然景观、破坏小区内的生活环境，而且还会造成大气、土壤、水体污染及地质灾害的发生。大力加强煤矸石的综合利用是保护环境、实施可持续发展战略的双重要求。本文利用先进的分析方法重点研究了煤矸石的理化性能、成分特征以及主要岩石组成，对煤矸石利用途径进行了探讨。研究煤矸石目前的主要利用途径为:制造水泥、建材、用于筑路、用做燃料发电、采选伴生矿物、生产有机肥料等等。这些都是很好的煤矸石利用途径，可以消耗掉大量的煤矸石，且符合在煤炭矿区发展循环经济的要求，实现矿业生产的可持续发展。在矸石制砖新配方试验中，考虑了作为原料的矸石和粉煤灰的主要物化性质、粉煤灰的添加比例、焙烧温度等主要因素，得出了制造煤矸石-粉煤灰砖的最佳配料比例。通过对作为动力燃料用来发电的煤矸石进行固硫实验研究，论证了用石灰岩和白云岩作为固硫剂进行固硫的可行性，得出固硫的最佳实验条件。关键词:煤矸石理化性能利用制砖新工艺固硫1绪论我国是一个煤炭生产和消费大国，每年的煤炭生产和消费总量均达亿吨级，煤炭在我国总能源结构中的比例占到70%以上。在煤炭开采和洗选加工过程中，排放出大量的煤矸石。煤矸石是煤炭开采和加工过程中排放的废弃物，主要有三种类型:煤层开采产生的煤矸石，由煤层中的夹矸、混入煤中的顶底板岩石如炭质泥(页)岩和粘土岩组成；岩石巷道掘进(包括井筒掘进)产生的煤矸石，主要由煤系地层中的岩石如砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩、岩浆岩等组成；煤炭洗选时产生的煤矸石(即洗矸)，主要由煤层中的各种夹石如粘土岩、黄铁矿结核等组成。煤矸石产出量一般要占到煤炭产量的10%左右，约占全国工业废渣排放量的1/4。目前我国煤矸石的积存量已达41亿吨以上，并且仍以每年亿吨以上的速度递增。矸石山侵占着大量的土地，其中大部分为耕地。煤矸石是工业固体废弃物中排放和堆存量最大的一种。若不加以利用，长期堆放于地表，不仅占用大量土地、影响自然景观、破坏小区内的生活环境，而且还会造成大气、土壤、水体污染及地质灾害的发生。煤矸石若加以充分利用，则将变“废”为宝，化害为益。1.1煤矸石的社会及环境问题在以前较长的一段时间内，煤矸石在采煤、选煤过程中只有被剔除而丢弃，所以几乎所有的煤炭矿区的煤矸石都堆积如山。而且我国对煤矸石的治理思想从环境卫生角度考虑较多，而环境保护意识似乎还不够，处置方法是以消极的堆放保存为主。这种以堆贮为主的煤矸石治理方法付出的代价是相当大的，而且已经带来了诸多的社会和环境问题。1.1.1占用大量耕地堆贮煤矸石需要占用大量土地，截止到2000年底，全国有煤矸石山1500多座，占地约22万多公顷。土壤是很难再生的资源，地球上要形成1cm厚的土壤，需经300~500年的漫长岁月。中国是一个耕地资源非常紧缺的国家，人均耕地占有量只有1.51亩，仅为世界人均水平的45%；我国以占世界7%的耕地要养育占世界22%的人口，耕地资源十分宝贵，而随着煤矸石排放量的增加，占地面积还将进一步扩大。对于像我国这样一个人多地少的国家而言，其前景不堪设想。所以，煤矸石的大量排放对社会和经济发展造成的影响己不容忽视，必须加快对煤矸石的综合利用。1.1.2矸石山对环境的影响煤矸石山对周围环境的污染主要表现在以下几个方面：(l)破坏自然景观：矸石风化物的矿物组成和化学成分与土壤接近，故多年后也能生长少量的植物。植物以草本为主，也有极少量的木本植物。生物生长一般都正常，但植被覆盖率较低，一般植物覆盖率仅10~30%，黑色地面大部分还是暴露的。在酸性较强的矸石山上就寸草不生。巨大且表面裸露的矸石山严重影响矿区自然景观，矸石山已成为煤炭矿区的不良标志。(2)形成扬尘：矸石堆积成山后，表面矸石半年至一年后会产生一层风化层，风化层约10cm左右，可十几年保持不变。随着时间推移风化层颗粒逐渐变细，原矸石都是较大的石块，经风化后，颗粒变小。颗粒由石块(5mm-10mm)逐渐风化成粗砾(2mm~5mm)、砂粒(0.5mm~2.0mm)，以及更细的颗粒。因此，煤炭矿区在有风的天气情况下，常常形成扬尘。距矸石山越近扬尘越严重，如距矸石山5m处比200m处扬尘大5~15倍。扬尘与风速有一定的正相关，同风速下扬尘与颗粒细度有关。(3)污染地表水和地下水:矸石山的风化物无粘结性，矿物颗粒可随降水而移动，风化物中某些成分可随降水进入水域。矸石风化过程中可分解出部分可溶盐，据山西阳泉矿务局测定矸石中cl-、HC03-、Mg2+、Ca十、K+、Na+组成和含量与内陆盐渍土的盐分组成和含量相似，呈斑状分布，可随水移动。矸石中还含有多种重金属元素，如:铅、锅、汞、砷、铬等，可造成水污染，污染程度取决于这些元素含量和淋溶量。风化和自燃使矸石风化物由中性变酸性，酸性最强时，pH可达到3，由矸石山流出的水呈现酸性，对周围环境与水域会造成污染和影响。(4)污染土壤：大气和水携带的矸石风化物细粒可漂撒在周围土地上，污染土壤，矸石山的淋溶水进入潜流和水系，也可影响土壤。(5)地面高温：矸石一般呈黑色或红色，表面吸热极强，夏日中午矸石地表温度常可达40℃，因此可使矿区气温增高。(6)污染大气：因煤矸石主要由炭质页岩组成，其中还混有少量的煤和黄铁矿(FeS2)等可燃物。而且矸石山上矸石大量堆积，体积大、着火点低，矸石堆置中产生的空隙为矸石自燃提供所需的氧气，这些内因和外因促使矸石的自燃。自燃时会弥散大量的S02、CO和H2S等有害气体以及NOx、苯并(a)花等有毒害的气体，大量S02、NOx进入大气，是造成酸雨的源头之一。综上所述，如何解决煤矸石的利用问题已经迫在眉睫。大力加强煤矸石的综合利用是保护环境、实施可持续发展战略的双重要求。煤矸石综合利用可行性评价研究的目的是为了使煤矸石综合利用更加合理，既满足技术要求，同时又具有较高的经济效益和社会效益。从长远的角度出发，使煤炭工业走上一条可持续发展的良性循环道路。通过大量资料的分析，找出一套切实可行的、科学的评价方法，使得评价工作更准确、更可靠，可为煤矸石综合利用提供科学依据。1.2国内外煤矸石综合利用现状世界各国都很重视煤矸石的处理和利用。自上世纪60年代开始，煤矸石综合利用就已经引起很多国家重视，到70年代，国外部分矿区煤矸石利用率已达到100%。英国将煤矸石的综合利用，特别是将热电转换引入到过程集成节能技术及应用方面进行了系统研究，其他产煤大国也有不少技术人员介入到这一领域，开展了专项研究工作。英国煤管局在1970年成立了煤矸石管理处；波兰和匈牙利联合成立了海尔得克斯矸石利用公司，这些机构是专门从事煤矸石处理和利用的。近年来，国外越来越广泛地利用煤矸石生产建筑材料。原苏联在顿巳斯、库兹巴斯、卡拉干达等产煤地区广泛选用煤矸石作原料，采用挤出法或半干法成型，生产实心或空心砖。苏联建工研究所介绍，利用煤矸石制砖，燃料消耗可以减少80%，产品成本降低19%~20%。法国、德国等的煤矸石利用率已达30%~50%。我国自第六个五年计划以来，环境意识越来越强，煤炭系统每年都投入大量人力和财力进行矸石山的治理，也取得了一些较为成熟的经验。到目前为止，消化和利用矸石的主要途径有：(1)充填塌陷区矸石充填是一种重要的复恳方式。利用煤矸石作为塌陷区充填材料，可大量地消耗煤矸石，这样可减少煤矸石对矿山环境的污染(占地、污染水源、污染大气、影响环境卫生等)，在充分利用矿区固体废物的同时，解决塌陷地的复恳问题，因而具有一举多得的效果。(2)发电采煤过程中排出的废弃物大多含有一定量有机质，可以利用煤矸石在沸腾炉中燃烧供暖或发电，燃烧后的灰渣可用以生产水泥等建筑材料。近年来，我国煤矸石发电方面进展很快，其兴起和发展是与我国流化床燃烧技术的开发与发展密切相关的，随着我国对鼓泡流化床、循环流化床、加压流化床、煤泥发电和油页岩发电锅炉等新技术的研究和开发，矸石发电也创造了许多成功经验。35吨/小时循环流化床锅炉得到广泛使用，75吨/小时循环流化床锅炉已完成完善化工作。“九五”期间新建煤矸石电厂基本采用了35吨/小时或75吨/小时循环流化床锅炉，有些企业还增加了电除尘和脱硫设备。135吨/小时循环流化床锅炉正在煤矸石电厂进行示范。到2000年底，全国煤矿有煤矸石、煤泥等低热值燃料电厂120余座，总装机容量184万千瓦，年发电87亿千瓦时，其中“九五”期间建设的煤矸石电厂有35座，新增装机容量45万千瓦，分别占煤矸石电厂座数和总装机量的29%和25%。到2005年，煤矸石电厂装机容量将发展到550万千瓦，新增装机容量360万千瓦。③制砖未经自燃的矸石可用以配料制砖，并且可以利用其中所含有机物的自燃，从而节约原料煤，这种方法投资不大，方法简单，己广泛使用。同时自燃过的矸石可供制砖。煤矸石制砖技术和装备取得重大突破，制造技术达到国际先进水平。黑龙江省双鸭山市东方工业公司和山东省新汉矿业集团公司，分别引进法国和美国先进的制砖设备，消化吸收生产的JEK双级真空半硬塑挤砖机和JEK系列双级真空硬塑挤砖机成套设备，改变了传统的制砖工艺和落后的设备，降低了工业成本。到2000年底，全国煤矸石砖厂已达240余座，生产能力22亿块标准砖。为了适应发展新型墙体材料的需要，“九五”期间我国共建设煤矸石新型墙体材料生产线10条，年生产能力达6亿块标准砖；不仅在规模上，而且在品种和质量上都有很大提高。预计到2005年，煤矸石砖生产量将由22亿块标准砖增加到100亿块标准砖。研究区现已建成4座矸石砖厂，年产矸石砖1.7亿块，年消耗煤矸石45万吨。(4)生产建筑材料用矸石生产轻骨料，代替石子生产轻型建筑材料，这一方法较之配方制水泥、制砖等工艺稍复杂，也需投入一定设备，目前国内外采用较为普遍。(5)其它采用配方制陶器、回收其中稀有金属、生产渣棉等保温材料、生产铸石品、改造盐碱地等。煤矸石高附加值利用和大用量利用技术也取得了新进展。“九五”时期开发了利用煤矸石生产增白和超细高岭土，以煤矸石为载体生产无机复合肥料等技术；完善了利用煤矸石生产氯化铝，聚合氯化铝等化工产品，岩棉及其制品，特种硅铝铁合金等技术。煤矸石复垦在充填、水土保持、作物种植等技术上均取得了较大突破，并在煤矸石复垦塌陷区的开发利用中取得了较好的社会效益和环境效益，有效的提高了土地的利用率。2000年，全国煤矸石综合利用量已经达到6600万吨，比1995年增加1000万吨；综合利用率由1995的38%上升到43%，提高了5个百分点，结束了“八五”时期在38%左右长期徘徊的局面。五年累计综合利用煤矸石3.1亿吨，年均增长率为为4%：累计节约能源折合标准煤约3300万吨，节约土地1万多亩。预计到2005年，全国煤矸石综合利用量可以增加到8000万吨，综合利用率由43%提高到60%。但是当前煤矸石综合利用工作中仍然存在一些问题，主要是:(1)综合利用总体水平不高。主要表现在技术装备落后，企业规模小，竞争能力弱，一些技术含量高的煤矸石综合利用技术还未得到广泛应用。(2)地区发展不平衡。在能源相对短缺的地区，煤矸石综合利用发展较快，而山西、山东等产煤大省综合利用率仅为27%，潜力还很大。2煤矸石岩石学特征及矿物组成2.1煤矸石岩石学特征2.1.1煤矸石主要来源研究区煤矸石的主要来源有:①井筒和岩石巷道掘进过程中开凿排出的岩石，由本区石炭-二叠纪山西组和太原组岩石组成，主要岩石有泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、砾岩和石灰岩。②煤层开采和煤层巷道掘进过程中，由煤层中的夹矸或削下部分煤层的顶板和底板组成，本区主要岩性为炭质泥(页)岩、高岭石粘土岩、粉砂岩、硅质岩；③煤炭洗选过程中排出的矸石，主要由煤层中的各种夹石如高岭石粘土岩、黄铁矿结核等组成。根据煤矸石的矿物组成及其岩石学特征可对煤矸石的利用途径做出指导和评价。不同矿物组成的煤矸石，其利用途径也不相同。随着煤矸石利用途径越来越广泛，研究煤矸石的矿物组成及其岩石学特征十分重要。2.1.2煤矸石主要矸石类型及形成环境煤层夹矸常见的岩石有粘土岩、炭质泥岩、粉砂岩、砂岩等。煤层顶板常见的岩石有泥岩、粉砂岩、砂岩及砂砾岩。煤层底板，多数为泥岩、页岩、粘土岩、粉砂岩。在岩浆岩发育的煤田中，有的煤层顶底板或煤层中间有岩浆岩侵入。煤矸石中的硫含量与聚煤期的古地理环境有极密切的关系。华北地区中新代煤系地层大多数是在内陆环境或滨海三角洲平原环境形成的，所以含煤岩系及煤层中的硫含量在1%以下。华北地区石炭一二叠纪煤系地层大多数是在海陆交替环境形成的，因海水中有硫酸盐含量高，所以含煤岩系及煤层中的硫含量比较高，一般硫含量在3~6%。如研究区二叠系山西组为三角洲环境，所以该组岩石及煤层中的含硫量较低。研究区石炭一二叠系太原组为海陆交替环境，所以该组岩石及煤层中的含硫量较高。2.1.3煤矸石的岩石特征砂岩类煤矸石外观上多为灰色、青色、灰黑及黑色，暗色主要因含炭质较高所致。炭质常以炭化植物碎片或亮煤细线形式存在，可见平行层理，硬度因胶结物不同而有所变化，泥质、钙质胶结者较松软，硅质胶结者较坚硬。镜下观察，多为中、细粒砂状结构，分选一般，磨圆度较差，碎屑颗粒次棱角状-次圆状，少部分较圆。粉砂岩类煤矸石从外观上观察，多为褐色、灰黑、黑色等暗色。常具压扁透镜状层理。内含炭质，常见植物化石碎片。镜下观察，具粉砂状结构，粒径多为0.02~0.05mm。研究区煤系中普遍发育四到五层稳定石灰岩，以含大量生物屑为特征，外观多为褐色-灰白色，可见生物颗粒分布。镜下观察，主要由微晶方解石和生物碎屑组成。火山碎屑沉积岩是指火山爆发作用形成的火山碎屑物质原地或经受空气、水介质的近距离搬运，然后沉积下来形成的岩石。研究区煤矸石样品中的该类岩石，多以凝灰质砂岩、粉砂岩及沉凝灰岩形式出现。研究区内泥岩类煤矸石多为灰黑、褐灰或黑色，常含较多的炭化植物碎片。2.2煤矸石的活性煤矸石经过自燃或锻烧，矿物相发生变化，是产生活性的根本原因。煤矸石中的粘土矿物成分，经过适当温度锻烧，便可获得与石灰化合成新的水化物的能力。所以，煤矸石又可视为一种火山灰活性混合材料，其活性大小的衡量标准是粘土矿物含量。2.2.1高岭石的变化高岭石在500一800℃脱水，晶格破坏，形成无定形偏高岭土，具有火山灰活性。在900-1000℃之间，偏高岭土又发生重结晶，形成非活性物质。2.2.2莫来石的生成煤矸石锻烧过程中，一般在1000℃左右便有莫来石(3A12O3·2Si02)生成，到1200℃以上，生成量显著增加。莫来石的大量生成，将降低煤矸石的活性。2.2.3黄铁矿的变化铁矿是可燃物质，随煤矸石一起燃烧，晶体相应地发生变化，生成a赤铁矿，对煤矸石活性无补:2.3煤矸石的矿物组成研究区煤矸石矿物组成主要为粘土矿物，其次为石英、长石、云母等碎屑矿物，再其次为黄铁矿、碳酸盐等伴生矿物。研究区煤矸石中最常见的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石，其中以高岭石含量最大，部分矸石中还含有少量的绢云母和黑云母等。研究区煤矸石中石英含量一般为20~40%，高岭石占15~45%，伊利石含量为0~45%，这三种主要物的含量之和通常在45~90%，其次，还含有少量云母、方解石及铁矿物等。建井或采煤过程中堆放的煤矸石山上的混合矸石矿物组成变化较大，或因矸石出自不同的采掘工程而变化，这给混矸的利用带来较大的困难。经过洗选的煤矸石，粘土矿物相对富集，高岭石、伊利石和铁矿物含量较高，并且如果入选原煤来源不变，其洗煤矸石的矿物组成比较稳定。自燃煤矸石，除了还保留少量原矿物以外，出现了大量非晶相的玻璃质和无定形物，带来了较高的火山灰活性，并产生了少量新的高温矿物相—莫来石。3煤矸石理化性能分析与评价煤矸石的理化性能决定了煤矸石的利用范围和利用方式，是评价其品质的重要依据，也是煤矸石综合利用的基础。本章从煤矸石的理化性能着手，利用化学分析、工业分析、X射线荧光分析等现代分析技术，对所采集的样品分类进行化学组成、发热量、微量元素含量等系统的测试，并对测试结果进行了分析和研究。3.1.1可塑性煤矸石必须经过细碎后才有塑性，矸石中砂岩塑性较页岩差。新汉矿区混合矸石经粉碎至250目筛筛余<2%时，其可塑指标可达2.8~3.0，相应含水率为23~25%，如果进一步细碎至300目筛筛余<2%时，则塑性会更大。3.1.2粘度随着煤矸石颗粒的比表面增大，矸石泥团基本可以塑性成型时，泥浆粘度在1.1左右，可用于注浆成型。3.1.3真比重和硬度含砂岩煤矸石的真比重和硬度较含页岩煤矸石的大，含页岩多的矸石硬度在2~3之间，含砂岩多的矸石硬度在4~5之间。混合矸石的真比重一般在2.6左右，其安息角在40~50度之间。3.1.4收缩性煤矸石塑性比较低，收缩性也就比较小，一般线收缩在2.5~3.0%。烧结后的线收缩在2.2~2.4%，相应吸水率在17~19%之间。3.1.5烧结温度范围煤矸石的烧结温度一般在1050℃左右。900℃左右为一次膨胀，1120℃至1160℃时收缩最小，温度继续上升至1160℃以上时产生二次膨胀，由固相转为固液相或完全熔融。3.1.6脱炭温度煤矸石的脱炭温度一般总是低于最佳烧结温度，最佳脱炭温度常发生在1000℃上下，低脱炭时间为200~250分钟。在整个脱炭过程中，应保持氧化气氛。3.2煤矸石中的有害杂质煤矸石中含有的有害杂质主要是硫化物、碳酸盐类混合物、以及汞、砷、氟、氯等微量元素。煤矸石中的硫根据存在形态通常分为有机硫和无机硫两大类，主要来源于黄铁矿〔FeS2)和石膏(CaS04)。黄铁矿在煤层有的呈透镜状，有的呈结核状，有的呈细分散状。硫化物易氧化生成二氧化硫，二氧化硫再经氧化并与空气中水分作用形成雾状硫酸，对煤矿周围的设备、建筑、人畜和植物危害都很大。煤矸石中的硫酸盐以石膏、硬石膏和半水化合物形式存在，往往沿层面或裂缝以微小晶粒可见，属后生矿物。煤矸石中的碳酸盐类分布极广，主要是方解石和菱铁矿，其次还有白云石等。方解石常呈薄膜状充填于裂缝及层面中。3.3煤矸石化学组成特征3.3.1煤矸石常量化学组成化学成分是评价矸石性质、决定利用途径的重要指标，煤矸石的化学成分随其地层岩石的种类和矿物组成不同而变化，煤矸石的主要化学成分有：Si02、A12O3、Fe2O3、CaO、MgO等，其主要氧化物为SiO2和A12O3。3.3.2煤矸石中微量元素组成煤矸石中含有一定量的微量元素，其中包括一定量的有毒、有害物质。了解这些微量元素的含量可为矸石的综合利用及处置方式提供科学依据。对矸究区矸石样品所含的多种微量元素进行了详细测定，本文采用瑞士ARL应用研究实验室公司出品的X射线荧光光谱仪测定，其中X射线功率(X一RayPowder)为40KV-60MA(常量元素)、50KV-66MA(微量元素)；分光晶体(Crystal)为LIF(220)、Ge(111)、PE(002)、AX06；探测器(Detector)：SC(正比计数器)、PC(流气计数器)；温度(Temperature)：Room(室温)：22摄氏度、Instrument(机温)：30摄氏度、Crystal(晶体温度)：38摄氏度。分析精度小于5%。同时采集矿区附近表层土壤样品进行分析比较，分析结果如表3.1所示。矸石样品中可检出的微量元素种类很多，共有21种，其中包括有毒、有害元素(Pb、Cr等)但是含量均不高。且各微量元素含量与当地土壤背景值基本一致。As、F、Ct、Pb均低于当地土壤中的含量。表3.1煤矸石有害元素与土壤背景值对比mg/kg4矸石综合利用探讨煤矸石的利用途径主要取决于其岩石类型、矿物组成和工业性质等。在前面两章中已经对研究区的矸石的做了详尽的分析，根据分析结果对研究区的煤矸石利用进行综合利用探讨。4.1煤开石生产水泥水泥是一种无机水硬性胶凝材料，它加水成浆状后，既能在空气中硬化，又能在潮湿介质或水中继续硬化，并能把沙、石等材料牢固地胶结在一起形成人工石材。表4.1研究区各矿煤矸石SiO2、Al2O3及Fe2O3含量采用煤矸石生产水泥，要求煤矸石中SiO2、Al2O3及Fe2O3含量较高，三者的总含量要求在80%以上，研究区中除了华丰矿红矸、汉南细红矸和翟镇矿洗矸外，大部分煤矿中矸石的Si02、A1203及Fe2O3含量在80%以上(具体数据见表4.1)，是一种天然粘土质原料，可作为水泥生料中硅质及铝质组分的主要来源、代替粘土配料生产水泥，而且煤矸石还能释放出一定的热量，可以替代部分燃料，还可以利用煤矸石可生产煤矸石硅酸盐水泥、煤矸石火山灰水泥、煤矸石少熟料或无熟料水泥等。主要应用途径：(l)煤矸石作原燃料生产水泥：是由于煤矸石和粘土的化学成分相近，代替粘土提供硅质铝质成分；煤矸石能释放一定热量，可以代替部分燃料。(2)煤矸石作水泥混合料：是由于煤矸石经自燃或人工锻烧后具有一定活性，可掺入水泥中做活性混合材，与熟料和石膏按比例配合后入水泥磨磨细，然后入水泥库包装或散装出厂。煤矸石作混合材时，应该控制烧失量<5%，S03<3%，火山灰性能试验必须合格，水泥胶砂28天抗压强度比>62%。煤矸石掺入量的多少取决于熟料质量与水泥标号与品种。(3)生产煤矸石无熟料及少熟料水泥：煤矸石无熟料水泥是以锻烧煤矸石为主要原料，掺入适量石灰、石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。有时也掺入少量熟料作激发剂。生产这种水泥方法简单，投资少、收效快、成本低、规模可大可小。煤矸石熟料水泥也是以煤矸石为主要原料制成，但用熟料代替石灰作为主要原料之一。它与无熟料水泥相比，具有凝结快、早期强度高、劳动条件好、简化工艺等特点。生产工艺流程是用锻烧煤砰石、石灰加少量熟料或单用熟料、石灰按比例配合磨细，然后入库即获得无熟料或少熟料水泥。煤矸石的技术要求与做混合材料生产火山灰水泥基本相同。要求含碳量低、活性高、成分稳定。锻烧温度在650~1000℃之间。近年来许多地方采用沸腾炉锻烧法，掺入量根据锻烧煤矸石的活性、石膏和石灰(或熟料)的质量确定，一般占60%~70%。4.2利用矸石发电煤矸石电厂是指利用煤炭开采及洗选加工过程中排放的矸石、煤泥等作为燃料的发电厂。发展煤矸石电厂是我国实施可持续发展战略，加强环境保护、实现资源的有效配置和利用以及煤炭行业、产业、产品结构调整的必然选择。利用煤矸石、煤泥等低热值燃料建设电厂和热电厂符合国家的产业政策。它有利于节约能源，改善环境质量。因为它可以将这些低热值的燃料转化为电力，化害为利，变废为宝。同时，可取代矿区内现有煤耗高、热效率低的各种中小锅炉，减少烟尘和S02的排放量，改善矿区环境条件。根据国家产业政策，适合于实行集中供热，热电联供，以提高整体效益。在矿区建热电厂，可以充分利用矿区的固体废物煤矸石、煤泥等，而且，发电过程中产生的废渣粉煤灰等也可以供给砖厂、水泥厂使用;它不仅可满足供热区内热负荷日益增长的需要，而且，可适当增加供电负荷，提高矿区供电安全和可靠性，对矿区经济发展起到促进作用。利用煤矸石作为燃料发电，可分为两种情况，一种是用全矸石，另一种是用矸石和煤泥混合。在用全矸石做燃料时，如果矸石的热值≧4186kJ/kg，则应该先进行洗选，用石灰石脱硫之后，再使用。如果矸石的热值在6270~12550kJ/kg，则可以直接用，其燃烧后产生的灰渣还可以做其他建材原料。在用矸石、煤泥的混合物做燃料时，要求矸石的热值在4500~12550kJ/kg之间，煤泥的热值在8360~16720kJ/kg之间，水分含量大约25%~70%。在新汉矿区的下属各煤矿建电厂，既符合国家的产业政策，又能很好的发挥矿区的优势。其中除了潘西矿、泉沟矿矸石山的矸石发热量仅有720kJ/kg和140kJ/kg，不适合用做动力燃料以外，其余各煤矿矸石发热量均比较适合经过洗选后，作为燃料使用。其中华丰矿洗矸的发热量最高，达到5.38MJ/kg。且新汉矿区在燃料、水、灰场等资源方面有很大的优势。煤炭生产、洗选加工过程中排放一定的矸石和煤泥，其中除一部分热值较高、煤质特性好的被掺入原煤或以其它方式利用外，每年仍有部分可供使用的低热值煤被抛弃在矿区周围，能够满足部分煤矸石综合利用电厂的需求。煤炭生产过程中要排出大量矿井水，水源充足，这些矿井水经处理后完全可以满足煤矸石综合利用电厂的工业用水需求。煤矸石综合利用电厂采用循环流化床锅炉，其燃烧生成的灰渣物化性能好，是生产建材用的活性填料和辅料；而生成的粉煤灰又可作为水泥厂的原料：另外，矿区的塌陷区将是天然的排灰场，为塌陷区复垦造田创造了前提条件。这些都是研究区建电厂的优势所在。利用矸石发电有很多益处：一是改善矿区环境。我国每年矸石发电消耗矸石量约1400万t，占矸石综合利用量的30%左右，减少因堆积煤矸石占地2000余亩，而且，电厂灰渣制砖，减少了粘土用量，保护耕地，改善了矿区环境。二是节省大量能源。据测算，去年，全国产煤10.45亿t，洗选加工煤炭3.86亿t，排矸中的煤炭和煤泥量，折合标煤约4000万t，以发电用煤400g/KWh计算，可以发电100亿KWh，收入30亿元。三是社会效益可观。据不完全统计，2000年煤矸石电厂发电约120亿KWh，占矿区用电量的30%，平均每度电盈利3.38分，全国电厂盈利40亿元以上。而且，煤矿发电与购电相比，全国购电的综合电价为0.3~0.4元/KWh，煤矿矸石电厂的供电成本为0.15~0.25元/KWh，价差为0.5元/KWh。去年，全国国有煤矿年用电量300亿KWh以上，仅购电一项，煤炭企业就多支出45亿元以上。从社会效益来看，去年，国内生产总值电耗为1474KWh/万元，而煤矸石电厂发电新增的生产总值可达800亿元以上，己安置了待岗人员4~5万人。四是促进了煤炭行业的结构调整。煤炭作为我国的基础产业和主要能源工业，由于受长期计划经济的影响，产业结构矛盾突出，且供过于求，经济效益不好，而利用煤矸石发电则具有较好的社会、经济和环境效益。表4.2研究区各矿矸石发热量（kj/kg)4.3开石中洗选伴生矿物煤巷掘进矸和洗矸中往往混有发热量较高的煤、煤矸连生体和炭质岩，有些是高铝矸石、石灰岩矸石，硫铁矿一般富集在洗矸中。经过对研究区矸石样品的工业分析、X射线衍射分析，可知部分矸石样品中含有硫铁矿，可采用适当的加工方法回收，提高其品位。加工后的矸石可再作建材原料，并改善了矸石的质量。因此，从矸石中回收有用矿物，是进一步利用前的预处理作业。从矸石中回收硫铁矿，使资源得到合理利用，可以减少硫磺进口，满足国内急需，而且投资较省，吨精矿生产能力投资要比单独开采约减少一半。从洗矸中回收1t硫精矿，一般可盈利30元左右，同时每处理4~5t洗矸尚可回收1t劣质煤作为沸腾锅炉燃料，减少了污染。回收硫铁矿应采用含硫量大于6%的洗矸，根据第二、三章煤矸石的性质矸究可以知道，新汉矿的煤矸石的伴生矿资源丰富，尤其是黄铁矿和高岭土的含量很可观。根据硫分含量的数据可以看出，很多矿区的含硫量都超过6%，适合于洗选回收。经分析知孙村矿、协庄矿、良庄矿、张庄矿和汉南矿的高岭石、黄铁矿的含量都很丰富，可挑选出来，加工为其它化工产品。尤其是黄铁矿，可先将矸石中的黄铁矿拣选出来，降低矸石中硫的含量，也可看作是对矸石的初步脱硫，减轻对环境造成的污染。而挑拣出的黄铁矿也可以进行进一步加工，再次利用。对于含铝较高的煤矸石，经过锻烧、浸取，可制备氯化铝、硫酸铝等产品。4.4矸石筑路随着公路事业的发展，交通量的快速猛增，在提高公路路面等级、确保路面质量的同时，路基的工程质量也不容忽视。若要保证路基质量，其填料选择和施工质量控制是关键性的环节。而且，近年来人们对环境保护意识日益加强，关于各种工业废渣的利用问题也越来越引起重视，所以将工业废渣应用于公路工程已是工程技术人员研究的重要课题。在各种工业废渣中，煤矸石产量最大，性能适于用作公路填料，因此为煤矸石的再次利用找到了一条合适的途径。而且，把煤矸石作为道路基层材料用于筑路工程，有着明显优势，是对煤矸石的种类和品质没有特殊的要求，对有害成分含量的限制要求不高，适用于多种类型煤矸石；二是煤矸石在道路工程中的应用具有耗渣量大、无需进行特殊处理及采用特殊技术手段的优点，是一种利用煤炭工业废料以减少环境污染的有效途径。因此，对煤矸石的应用研究，特别是在道路工程中的应用，具有较大的经济效益和社会效益。研究区煤矸石的化学性能比较适合作为路基，煤矸石含有硅、铝、铁、钙、镁、硫等氧化物和炭，其活性物质(CaO，Si02，MgO，A12O3，Fe2O3，FeS)的含量一般在700%以上(具体数据见表3.1)，是一种典型的碱性矿渣，经水解辗压后，在一定温度作用下，产生火山灰反应，生成水化硅酸钙(CaSiO3·H2O)、水化铝酸钙(Ca(AlO3)2·3H2O)，同时产生部分碳酸钙(CaCO3)而形成板体，对路基的稳定极为有利。而且，煤矸石的压碎值为27.3%，远远满足路基填料的要求；高速公路填方路基的最大强度(CBR)要求为8%，而煤矸石的承载比为38.7%，完全满足要求；吸水量1.6%(略大于碎石吸水量)表明，煤矸石孔隙率小，利用煤矸石作路基填料修成的路基具有抗冻性高、水稳定性好、分散能力强的特点，因此，用煤矸石填筑路基能有效防止冻胀、翻浆的优点。作为路基填料的煤矸石，应选用贮存时间较长，且经过物理风化、化学风化的煤矸石，以红、黄、灰色为优，黑色最差，己风化成粉末者为优，大块含量不宜过多，如大块太多，必要时要采取措施，利用机械加工成小块。宜选用级配良好的煤矸石，确保煤矸石碾压后的密实度。4.5生产有机肥料新汉矿区煤矸石中不仅含有有机质，而且含有20多种微量元素，其中多种微量元素是植物生长所必需的，研究区煤矸石样品中含有氮、磷、钾和微量元素，其中氮存在于矸石中的有机质中，磷含量在0.05%以上，钾含量在1.19%以上，是普通土壤的数倍，经过加工可生产有机肥料和微生物肥料。煤矸石微生物肥料是一种广谱性的微生物肥料，有很好的经济效益和社会效益。4.6开石制砖煤矸石烧结砖是以煤矸石为主要原料生产的一种新型建筑砌体材料，是利废、节能、保护土地和绿色环保的工业产品。用于制作煤矸石自烧砖的原料的化学组成主要有二氧化硅和三氧化二铝，同时含有少量的碱土金属及碱金属氧化物，例如氧化铁、氧化钙、氧化镁及氧化钠、氧化钾等。(l)二氧化硅Si02在原料中含量较多。大颗粒的SiO2多时，将增加制品的耐火度，提高制品的烧成温度，减少干燥敏感性，焙烧过程起痔化剂作用。但由于焙烧时SiO2要发生晶型转化，体积发生变化，必然降低制品的力学强度。小颗粒的SiO2易于熔融，使制品结构均匀密实。但SiO2含量超过80%时，焙烧后的制品体积发生膨胀，抗折强度降低；SiO2含量小于50%时，制品抗冻性差。所以用于制砖的矸石原料中SiO2含量一般应在55%~70%之间。(2)三氧化二铝A12O3能赋予制品一定的力学强度，其含量范围为15%~20%。低于10%时，烧成制品力学强度底；高于20%时，虽然制品力学强度高，但烧成温度也高，燃料消耗多，且制品抗冻性能差。③三氧化二铁Fe203含量一般控制在2%~8%，其在制品中起三种作用：(l)是一种着色剂，造成制品的颜色变化；(2)在还原气氛中作为一种助熔剂，能降低制品的耐火度；③颗粒大的氧化铁在制品焙烧中会出现褐色或黑色斑点。(4)氧化钙CaO是一种助熔剂，能降低制品的耐火度，其含量不应超过10%，含量过高，将缩小制品的烧成温度范围，给焙烧带来困难。粒径大于1mm的颗粒应尽量减少，以免产生石灰爆炸，影响制品质量。(5)氧化镁MgO在制品中起助熔剂作用，并能降低制品的耐火度，但不如氧化钙那样明显。(6)氧化钠和氧化钾钾、钠化合物在制品焙烧过程主要起助熔剂作用，并能赋予制品以强度。另外，钾、钠化合物还能降低成型时坯体的含水率。根据研究区矸石样品的常量化学组成(表3.1)，研究区矸石样品中SiO2含量在44~65%之间，平均含量为54.61%；其中汉南矿、张庄矿、良庄矿、协庄矿、鄂庄矿、潘西矿、泉沟矿矸石中SiO2含量都在50%~70%之间；A12O3含量在10~23%之间，平均含量为18.%。除了良庄矿的洗矸和坟南矿的细红矸以外，其余矸石样品中A12O3含量均在15%~20%之间，符合制砖条件。所有矸石样品中Fe2O3含量均在2~12%之间，从K2O+Na2O含量普遍较低，一般在1.5~3.2%之间，平均为2.25%。所以，新汉矿区中绝大部分煤矿的煤矸石都可以用以制砖。5矸石制砖新配方传统的全煤矸石烧结砖虽然可大量利用煤矸石，节约烧砖用煤，但对煤矸石的粉碎颗粒有严格的要求。煤矸石需粉碎到小于1mm。的颗粒占总重量的75%左右才能制砖，所以增加了破碎、粉碎、除尘费用，电耗高，机械易磨损。即使考虑到节约用煤的经济效益及免税带来的好处，煤矸石砖的生产成本也常常高于粘土砖。且全煤矸石制空心砖在成型时很容易出现烂角、泥条、坯体内壁厚薄不均等的问题，造成煤矸石砖厂仅能保本微利，有的还亏损，从而影响了煤矸石综合利用发展。用煤矸石粉压制成的砖坯，要求塑性指数在7~17之间，塑性指数过低，砖坯不能成型；而研究区鄂庄矿、华丰矿矸石样品塑性指数过高，砖坯易弯曲，为此要掺入瘦化剂。煤粉燃烧后失去结合水的粉煤灰，塑性指数偏低，一般小于6，是理想的瘦化剂。矸石电厂粉煤灰是采用静电除尘法收集的，颗粒极小，粒径几乎全部小于0.3mm，如用作制砖原料，则可省去粉碎费用。因此，在有一定塑性指数的煤矸石粉中掺入一定比例的粉煤灰，烧制煤矸石—粉煤灰烧结砖，对降低煤矸石砖厂的生产成本有着重要意义。5.1原料5.1.1煤矸石研究区煤矸石岩石种类很多，粘土岩、砂岩和粉砂岩粉碎后可用做制砖原料，石灰岩会降低砖制品的性能，不宜用作制砖原料。实验采用新汉矿区鄂庄煤矿的煤矸石，其化学成分见表5.1。表5.1煤矸石化学成分分析5.1.2粉煤灰实验采用新汉矿区鄂庄煤矿矸石电厂的粉煤灰，其化学成分见表5.2。实验所用煤矸石和粉煤灰的相关物理性质见表5.3。表5.2粉煤灰化学成分分析表5.3实验原料物理性质5.2实验工艺流程生产煤矸石-粉煤灰烧结砖的工艺流程比较复杂，根据鄂庄矿煤矸石砖厂现有的实践经验研究，最后确定的生产工艺流程分为三个阶段：5.2.1第一阶段煤矸石砖料的制备煤矸石原料经过初次分选、鄂式破碎、二次分选、入料仓后三次分选、锤选破碎、四次分选、双辊笼式破碎，制成煤矸石砖料。煤矸石原料中混有许多不宜用做烧砖原料的大块砂岩和石灰岩，需要在初次分选时除去；鄂式破碎是对煤矸石的粗碎过程，粗碎后煤矸石粒径小于100mm；在料仓内，不同批次鄂破分选后的煤矸石被混合均匀；锤式破碎是对煤矸石的中碎过程，中碎后煤矸石粒径小于40mm；双辊笼式破碎是对煤矸石的细碎过程，细碎后煤矸石砖料粒径小于1.5mm；煤矸石经粗碎(或中碎)后，原来包裹在大块(或小块)页岩煤矸石中的砂岩和石灰岩便暴露分离出来，这分别需要在二次分选、三次分选和四次分选中除去。5.2.2第二阶段粉煤灰砖料的制备粉煤灰经过筛分和轮碾制成粉煤灰砖料。筛分是除去掺杂在粉煤灰中的杂物；轮碾则是粉碎粉煤灰中的玻璃体和结晶矿物，以利于砖的烧结。5.2.3第三阶段烧结砖的制造过程煤矸石砖料和粉煤灰砖料经过混匀、一次搅拌、二次搅拌、三次搅拌、陈化、四次搅拌、挤砖机成型、干燥、预热、焙烧、冷却、淋水抗爆裂，最后制成成品砖。由于煤矸石和粉煤灰比重差异较大，不易完全混合均匀，这就需要多次加水并多次搅拌(共计三次加水，四次搅拌)。由于煤矸石和粉煤灰混合料的塑性指数偏低，三次加水搅拌后，需要使混匀的制砖原料陈化一周。陈化的主要作用一是使水分更加均匀，二是增加可塑性，三是改善泥料的成型性能，四是发生一些氧化与还原反应，并可能导致微生物的繁殖，使泥料松软均匀。陈化后的制砖原料在双级真空硬塑挤砖机中挤压成砖坯，挤砖机的挤出压力为3.5~4MPa，真空度为0.95~0.82，挤出砖坯含水率控制在11~13%。干燥可提高砖坯的强度。预热可防止砖坯在焙烧时折裂。砖坯在机械隧道窑内焙烧，烧制温度控制在1000~1100℃；砖坯出窑冷却后，需经水淋防止成品砖的爆裂。5.3烧结原理煤矸石和粉煤灰混合料成分比粘土复杂，因此以煤矸石-粉煤灰为原料制成的砖坯在焙烧过程中发生的物理化学变化比较复杂。随着温度升高，砖坯中水分逐渐被排除，可燃物被焚化。温度达到1000℃左右时，砖坯内的硅、铝、铁、镁等氧化物发生物理化学发应，生成新的硅酸盐物质。此时，有些颗粒熔化，形成熔融玻璃类物质，把未熔化的固体颗粒粘结起来，这一被称为烧结的变化过程，是使砖坯形成坚硬整体和具有一定性能的重要阶段。5.4实验结果煤矸石-粉煤灰烧结砖实验研究的原料配比和产品性能见表5.4。将粉煤灰按照5%、10%、15%和20%的不同比例添加到煤矸石制砖原料中，制成砖坯，进行烧结制砖，对砖样品进行产品性能测试。从表5.4中可以看出，粉煤灰掺入量增大，制砖原料的塑性指数下降，成品砖的表现密度下降，吸水率增大，线收缩率减少，抗压强度下降。当粉煤灰掺入量超过15%达到20%时，砖坯成型性偏差，抗压强度下降到4.4MPa，低于100#粘土砖的抗压强度标准(6.0Mpa)，这说明在保证煤矸石一粉煤灰烧结砖达到中等粘土砖质量标准时，粉煤灰最大掺入量控制在15%(重量比)为宜。表5.4原料配比和产品性能5.5结论(1)以煤矸石和粉煤灰为原料研制烧结砖，完全不掺入粘土，可最大限度地避免取土毁田，保护了宝贵的土地资源。并有效地利用煤矸石中的可燃成分，做到了烧砖不用煤，最大限度地节约了能源，环境效益和社会效益十分明显。(2)煤矸石-粉煤灰砖中粉煤灰最大掺入量15%(重量比)，折合掺入量23.6%(体积比)；砖坯成型前原料含水率11~13%；挤出压力0.3~0.5MPa；干燥时间20~24h；焙烧温度1000~1100℃；焙烧时间28~32h。③我国粉煤灰每年排放量约1亿4千万，只有58%得到综合利用，全国目前累积堆存10亿吨。采用粉煤灰作为煤矸石制砖新配方的添加原料，可加大粉煤灰的综合利用率。(4)经济效益明显。以掺入15%(重量比)的粉煤灰计，可省去23.6%(体积比)煤矸石的粉碎费用，这样，每生产300万块煤矸石—粉煤灰烧结砖可节省生产费用3.4万元。以砖厂的年设计生产能力7000万块砖计算，则可节省生产费用约79.3万元。6矸石电厂燃料固硫对研究区煤矸石的工业分析数据进行分析，新汉矿业集团下属各矿矸石中硫分都很高(具体见下表6.1)，其中以孙村矿和良庄矿洗矸中的硫分最高。新汉矿业集团下属各矿中的矸石主要是用来作为矸石电厂的燃料，如果矸石中的含硫很高，那么作为一种动力燃料时，煤矸石中的硫燃烧生成S02，不仅腐蚀设备，而且含S02的废气污染空气造成公害。目前研究区各矸石电厂一部分没有脱硫设备，一部分采用脱硫塔进行脱硫，脱硫成本极大。本章采用石灰岩和白云岩作为固硫剂，对研究区作为动力燃料的矸石样品进行固硫实验，通过对比固硫效果，找出效果比较好的实验条件，降低矸石电厂固硫费用。6.1研究区矸石电厂及燃料概述6.1.1矸石发电现状新汉矿业集团现有协庄、华丰、张庄、良庄、鄂庄5座矸石电厂，并有潘西、翟镇、南冶、汉南、泉沟等在建和规划项目。其中协庄、华丰热电厂年发电量为2.29147x108千瓦时，年耗煤矸石量32.72万吨；张庄热电厂装机为100MW，年耗煤矸石量61.78万吨。预计到“十五”末，矿区矸石发电厂总装机量将达到341MW，年发电量2.238x108千瓦时，每年可利用煤矸石207.48万吨。而矸石燃料中含有大量硫分，所以尽快解决矸石燃烧过程中排放S02的问题非常有必要。6.1.2矸石工业分析对新汉矿业集团下属各矿矸石、混合燃料进行工业分析，其硫分含量结果见表6.1。表6.1新汶矿区各矿矸石、混合燃料样品硫分6.2矸石燃烧过程中硫的释放规律一般来说，硫燃烧时会产生以下反应：纯硫在蒸发时，其蒸汽分子是聚合的，其分子式为S8，谢苗夫提出了下列链反应：反应生成物来自下列反应：纯硫氧化的唯一特点在于生成的SO3占SOx的20%，比通常情况高得多。由于矸石中硫主要以有机硫或无机硫的形式存在，其发应较为复杂，在燃烧过程中，硫从无机物或有机物中分解出来，最终和氧气反应生成SO3或SO2。研究区煤矸石中硫分较高主要因为矸石中含有黄铁矿。黄铁矿在300℃时开始分解，当温度达到500℃时，FeS2以H2S·CS2及其它形态(Sx)释出。6.3固硫实验准备6.3.1反应原理该方法的基本反应原理是用石灰岩和白云岩中的碳酸钙、碳酸镁与SO2发生反应，先生成亚硫酸钙、亚硫酸镁，然后亚硫酸钙和亚硫酸镁被氧化为硫酸钙、硫酸镁，因而整个反应过程可分为吸收和氧化两个过程。设M代表Ca、Mg两种元素。吸收反应：氧化反应：6.3.2样品选择实验样品的选择，要考虑到反应的基本原理和反应的特点、适用范围等因素，本实验样品选择了含硫比较高的孙村矿、良庄矿矸石样品以及协庄电厂混合燃料。白云岩、石灰岩取自研究区内。实验样品主要工业分析项目及主要成分见表6.2。6.3.3实验参数确定(1)温度的确定矸石燃烧过程中SO2析出规律表明，SO2在300℃左右时开始释放，在300~500℃出现第一个析出峰；第二次快速释放从750℃以后开始，且第二次快速释放的量大于第一次的快速释放。所以在900℃左右的温度固硫效果是本实验研究的重点，决定实验炉温取三个水平：800℃、900℃和1000℃。(2)M/S的确定合理的M/S既要使固硫率较高，又要使添加量较小，对矸石以及混合燃料的燃烧特性不造成严重影响。根据反应机理推算，合理的在1.5~2.5之间，工业试验的结果表明，合理的M/S比取2.0时既有利于固硫，又有利于样品的燃烧。实验过程中矸石样品中石灰岩、白云岩的具体添加量见表6.3所示。表6.2实验样品工业分析项目及主要成分表6.3试验中白云岩、石灰岩添加剂其中表中的理论是指按照M/S为2.0时，理论上应在矸石样品中加入白云岩、石灰岩的量，而实际是指考虑到实验过程中的一些客观因素以及反应完全程度，实际添加量比理论值适度多加10%，保证实验反应完全，同时又不矸石影响燃烧。6.4实验过程6.4.1实验方案的设计为了考查炉温、固硫剂的选择对固硫效果的影响，在矸石样品中分别按表6.3中数据加入石灰岩和白云岩。然后在800℃、900℃、1000℃三个不同温度进行锻烧、测试，采用正交对比实验，以选出固硫效果最好的温度和固硫剂。6.4.2实验过程6.4.2.1设定实验温度利用温控仪来设定和控制实验温度。接通电源加热升温。升温速度可以通过调节电流大小来实现。为保证炉子的使用寿命，升温阶段可按照如下操作：室温~500℃间，调电流：8~10A500~800℃间，调电流：10~14A800~1300℃间，调电流：14~18A6.4.2.2用分析天平称取约10克矸石样品置于已烧至恒重的灰皿中，把已称量好的白云岩、石灰岩加入矸石样品中，充分搅拌使其混合均匀。用少量滤纸擦去搅拌棒所沾样品混合物，并放入灰皿中和样品一起在燃烧炉中燃烧。6.4.2.3混合样品的燃烧先将盛装样品的灰皿在500℃预热15min，当炉温达到实验规定后，将其推入恒温区燃烧2小时以保证样品燃烧完全。6.4.3灰渣硫的测定及固硫率计算待样品燃烧完全后，将灰皿同灰渣取出，放至干燥器冷至室温，称量灰皿与灰渣总量，并计算灰渣总质量，然后测定灰渣中的质量。灰渣中硫含量测定方法和原理：称取一定量的灰渣用盐酸浸取，使SO42-进入溶液，然后加NH3·H2O。使Fe3＋生成Fe(OH)3沉淀。用滤纸过滤，除去沉淀物得到滤液。滤液用盐酸调节至合适的PH值，然后在加热条件下加入BaC12溶液，使滤液中的SO42-生成BaSO4沉淀，恒温陈化2h或隔夜静置，之后用慢速定量滤纸过滤，并用AgNO3检验过滤是否完全。洗去氯离子，送入马弗炉，经灰化除去滤纸，所得BaSO4沉淀物在800℃左右灼烧40min后取出，在干燥器中冷却至室温并称重。最后根据所得BaSO4计算固硫率。6.5实验结果依据实验方案，在实验室用石灰岩做固硫剂进行实验。实验结果见下表6.4。对表中数据进行分析可以发现：在800℃的温度下，采用石灰岩作固硫剂，固硫率在31.21~68.36%之间，其中良庄矿洗矸添加石灰岩固硫率最高，达到68.36%；孙村矿洗矸添加石灰岩固硫率最低，为31.21%。采用白云岩作固硫剂，固硫率在37.30~71.67%之间，其中协庄混合燃料添加白云岩固硫率最高，可达71.67%，良庄矿洗矸添加白云岩固硫率最低，也超过了37.30%。这表明，在这个温度下，采用石灰岩和白云岩作为固硫剂的固硫效果是比较好的。当炉温在900℃时，采用石灰岩作固硫剂，固硫率在19.65~48.20%之间，其中良庄矿洗矸添加石灰岩固硫率最高，达到48.20%；孙村矿洗矸添加石灰岩固硫率最低，为19.65%。采用白云岩作固硫剂，固硫率在33.02~50.82%之间，其对协庄矿混合燃料的固硫率最高，可达50.82%，对孙村矿洗矸的固硫率最低，为33.02%。但是，在炉温为1000℃时，随着温度的增高，采用石灰岩和白云岩作为固硫剂的固硫率均有显著下降，在8.5~45.73%之间。这与其它两个温度段的固硫率相比，差别很大。这表明，在炉温为800℃和900℃时的效果比较好，其中尤以800℃时的固硫效果最好。表6.4不同温度下固硫实验数据从表6.4数据中可以看出，固硫率随着炉温的升高而降低，这是因为CaSO4的分解温度在890℃左右，随着炉温的升高，固硫产物的分解速率加快，因而固硫率降低；温度越高，CaSO4分解速率越快。另一方面，温度过高造成固硫物质烧结，使CaO失去活性，从而使固硫率降低。而灰渣中MgSO4的分解温度较高，为1185℃，所以在实验选定的温度范围内，MgSO4分解较少。白云岩和石灰岩作为固硫剂的固硫效果都比较好，其800℃时平均固硫率分别为：51.34%、48.76%；900℃时平均固硫率分别为：39.08%、35.35%；1000℃时平均固硫率分别为：30.36%、23.38%。其中白云岩的固硫效果要稍好于石灰岩的固硫效果。主要因为白云岩中MgCO3含量较高，MgSO4在1000℃以内分解较少。6.6结论(l)在燃烧温度为800℃、900℃时，白云岩和石灰岩作为固硫剂具有较好的固硫效果，800℃时固硫效果最好，固硫率最高可达71.67%，900℃时固硫效果较好，固硫率有不同程度的降低，最高能达50.82%。温度达到1000℃时，固硫率降低较快，固硫效果变差。(2)白云岩和石灰岩作为固硫剂都可以起到较好的固硫效果，采用白云岩和石灰岩作为矸石燃料固硫剂具有可行性。但是比较而言，在相同条件下，白云岩的固硫效果要比石灰岩的固硫效果要好。结论本论文第一、二、三章着重论述了新汉矿区下属各矿煤矸石的理化性能、成分特征及矿物组成；第五、六章对煤矸石制砖、煤矸石作为电厂动力燃料时固硫的具体利用、具体技术改进进行了系统的研究。通过研究得出如下结论：(1)研究区各矿的煤矸石的常量化学成分以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主，其中SiO2的含量波动在43.72~65.01%之间，Al2O3的含量波动在10.61~22.99%之间，Fe2O3的含量波动在2.01~11.02%之间，烧失量在4.22~24.77%之间。煤矸石中所含的微量元素种类较多，且含有一定量的有毒、有害元素，但含量均不高。研究区煤矸石中还含有天然放射性元素，但矿区煤矸石的放射性水平低于国家对放射性废物的规定，对人体健康没有影响，不会产生放射性污染。(2)对研究区煤矸石采用X射线荧光分析、X射线衍射分析等先进的现代分析方法进行了全面的研究分析，在此基础上对煤矸石的理化特性进行了全面评价。研究区煤矸石的岩石类型有砂岩、粉砂岩、泥岩、碳酸盐岩、火山碎屑沉积岩五类，按其赋存位置可分为顶板、底板和夹矸。五种岩石类型中泥岩所占比例最大。根据研究区矸石的实际情况，对研究区的矸石利用途径进行了探讨。指出煤矸石目前的主要利用途径为：制造水泥、建材、用于筑路、用做燃料发电，采选伴生矿物、生产有机肥料等等。都是很好的煤矸石利用途径，可以大量的消耗掉煤矸石，且符合在煤炭矿区发展循环经济的要求。从循环经济的角度来重新看待分析煤矸石的综合利用，把单纯的矸石利用个体发展为从煤炭废弃物转变为可利用资源的循环经济整体。从根本上解决煤矸石的堆积占地问题，也使煤炭企业生产与国际经济发展相衔接，实现矿业生产的可持续发展。(3)新汉矿区的煤矸石化学组成和发热量都比较符合全煤矸石制砖的要求。但全煤矸石制空心砖在成型时容易出现烂角、泥条、坯体内壁厚薄不均等的问题。为了弥补这些缺点，可在原料中添加部分粉煤灰。鄂庄矿、华丰矿煤矸石原料塑性较高，砖坯易弯曲，为此要掺入瘦化剂。而粉煤灰塑性指数偏低，一般小于6，是理想的瘦化剂。且由于粉煤灰不用破碎，电耗低，利用煤矸石和粉煤灰两种原料混合生产煤矸石砖可大大降低砖的成本。经过试验对比可知，在全煤矸石砖原料中添加15%的粉煤灰(重量比)，折合掺入量23.6%(体积比)制出砖为最宜。且完全不掺入粘土，以煤矸石和粉煤灰为原料研制烧结砖，最大限度地避免了取土毁田，保护了宝贵的土地资源。并有效地利用煤矸石中的可燃成分，做到了烧砖不用煤，最大限度地节约了能源，经济效益、环境效益和社会效益都十分明显。(4)经系统分析可知，研究区下属各矿矸石中硫分都比较高，其中尤以孙村矿洗矸中的硫分为最高。如果矸石中含硫很高，那么作为一种动力燃料，煤矸石中的硫燃烧生成502，不仅腐蚀设备，而且含有SO2的废气排放到大气中会污染空气造成公害。分别采用石灰岩和白云岩作为固硫剂，在煤矸石燃烧时与SO2发生反应。通过对固硫效果对比，选出最佳脱硫温度为800℃~900℃时，白云岩和石灰岩作为固硫剂都可以起到较好的固硫效果，所以采用白云岩和石灰岩作为矸石燃料固硫剂具有可行性。但是比较而言，在相同条件下，白云岩的固硫效果要比石灰岩的固硫效果要好。参考文献[1]杜计平.《采矿学》.徐州，中国矿业大学出版社，2009.2[2]牛泰山，宋瑞谭等.《煤矸石综合利用与煤炭企业可持续发展战略》[J]，煤，2000.9[3]任润厚.《煤矸石资源综合利用可行性评价研究》[l]，煤，2001[4]新汉矿业集团公司华丰煤矿.《新汉矿业集团华丰循环经济示范园区工程研究》，2002.l2[5]新汉矿业集团公司良庄煤矿.《建设循环经济矿山的研究与实践》，2002，12[6]肖秋国，傅勇坚等.《从煤矸石中提取氧化铝的影响因素》[J]，煤炭科学技术，2002中文译文树脂环对充分包裹锚杆锚固性能的影响新南威尔士大学，悉尼一个多样化的选择包括锚杆设计和树脂环，适合地下矿山使用。近年来，在新南威尔士大学矿业研究中心的研究成果，对锚杆拉应力测试设施的建设有很大帮助。这种设备后来被升级和调试，关于拉伸测试的初步测试工作已经完成。测试程序已经完成，其目的是了解负载转移机制和提高锚杆的总体性能。本文介绍了本研究的结果。引言在地下矿井开采中，锚杆正被越来越多地被依赖于作为一个关键组件中的主要支撑部分。在澳大利亚煤炭采矿业中，例如，每年超过500万个锚杆被使用，费用超过35百万美元。根据以前由新南威尔士大学的研究，岩层控制科技控股有限公司（SCT）和动力煤有限公司发现超过30％的锚杆“不提供煤矿环境中的最佳性能”（高尔文等2001）。一个研究计划已经被推出，在大学的专业知识中结合工业、科研技能和经验，发展关于完全封装锚杆的了解。广泛的目标是，以提高锚杆系统的性能，从而提高矿山整体安全。这一举措促使在新南威尔士大学，成立可以控制实验室环境的试验设施。作为这项倡议的一部分，研究旨在量化各种锚杆变化的敏感性和锚固性能参数。本文概述了关于迄今发现的关于不同厚度树脂环充分包裹的锚杆的锚固性能。测试设施设计目标锚杆试验设施的理想属性被视为：•设施应该能够研究广泛范围与相关参数的锚杆安装，并且能在广泛范围条件内重复进行；•测试中，应进行控制条件，以更好地确保重复性结果；•应该把矿山可以使用（锚杆系统供应商和行业的最终用户）这种设施作为独立的目的，评估新产品的性能或变化中的安装方法。新的测试设备的设计，采用了最新锚杆液压油缸拉拔试验。液压缸拉拔机可以为锚杆实验提供各种不同负载条件。双向轴向单元卡住一个完全封装锚杆试样。试样可以是效仿一个特定矿井条件的岩石样本，或着人造材料。后者的优点是它减少了许多问题，可能会出现岩石试样之间易变的材料特性引起的问题。设施的特点

新南威尔士大学的矿业研究中心的试验设施作为测试平台，采用修改后的车间车床。设施的主要组成部分包括：

•一个双向轴向单元装到车床床，其内部直径为145毫米，长度为200毫米，限制最大额定压力为30兆帕；

•液压伺服控制系统，在拔出测试中精确控制一个拥有300千牛负荷率的中空型钻机；

•关于锚杆，电脑系统控制外加的负载，通过液压系统和监测观察实际负载和位移。试样的制备实验样品

在测试程序中，选择一个碳化铁灌浆（CeltiteMG75S）取代被取空的试样。灌浆压强约为75兆帕。为了确保统一的材料特性，单批准备超过100个测试样品，并浇注到塑料模具中。每个试样中心有一个直径145毫米和长度200毫米的孔。样本在测试前至少等待28天。每个样品都被安装在车床上，用钎型钻头钻一个深度达175毫米的洞。一个凿子被用于26毫米的孔，指状齿轮被用于更大的洞。恒定的旋转速度和进给率，使用水冲刷确保钻孔的均匀粗糙度。锚杆锚固

如图1所示，一个Celtite24毫米的特高强度CX锚杆，作为一个基本的轮廓设计在测试程序中使用。锚杆有一个内在的空心，直径21.7毫米，凸起的螺纹绕在直径22.8毫米的锚杆上，螺纹间距为10毫米。锚杆的极限抗拉强度为344千牛。图1在测试程序中使用的锚杆的外形最初树脂药筒被用于锚固，然而，树脂和催化剂与塑料包装之间不能充分混合的问题导致不一致的结果。封装的长度短更是加剧了不能充分混合带来的影响。随后一个混合和凝树脂被应用到测试程序中来。混合后，注入树脂，纺纱锚杆孔被夯实。锚杆被夹头支撑，从而树脂被凝固10分钟。然后，树脂进一步用48h与锚杆结合，这样样品锚杆就能永久垂直在上面。据观察，从盒式树脂混合变化到混合注入树脂混合，注入树脂有近两倍最大拔出负荷增加，约200-250千牛。实验方案程序总的来说，测试过程涉及很复杂的东西，被应用在锚杆和端面试验样品之间。拉伸载荷被用于模拟锚杆诱导负载时分离发生在岩层之间的夹矸。在每次试验后，试样的外表面在10兆帕的禁闭双轴流细胞。拉拔试验开始前，阀门封闭停止液压油流的细胞。禁闭水平原位场模拟条件，但它也是最低水平要支持细胞样品中，在钻井和拉拔试验。压力传感器监测任何双向轴向细胞中的压力变化在每个测试。拉伸载荷由空心液压油缸，如图2所示。压力传感器测量的锚杆上的负载。一个LVDT的测量，因为它的位移，锚杆来自洞的RAM。数据采集系统记录负