（矿业工程专业论文）七台河矿区煤矸石特征及综合利用研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 煤矸石是工业固体废弃物中排放和堆放量最大的一种，它占用土地、危害生活 环境、污染大气、土壤、水体、引发地质灾害。大力加强煤矸石的综合利用是“节 能降耗”，实施可持续发展战略的双重要求。 本文利用x r d 、s e m 等现代分析手段和化学分析方法，研究了七台河地区各 矿煤矸石的矿物组成、理化性质及成分特征，为煤矸石的开发利用奠定了基础，提 出了矿区煤矸石利用途径。 在开发利用研究中，以矸石为原料制砖，新配方中考虑了作为原料的矸石和粉 煤灰的主要物化性质、粉煤灰的填加比例、焙烧温度等主要因素，得出了制造煤矸 石一粉煤灰砖的最佳配料比例；研究了煤矸石制各多孔玻璃微珠的吸附特性和成球 条件。以煤矸石、石灰石、铬渣为原料锻烧的方法去除铬渣毒性而综合利用的试验 研究，该方法去除铬渣毒性彻底、稳定，是处理铬渣的一种有效途径，为研究矿区 煤矸石综合利用开辟了一个新方向。 ： 关键词：煤矸石；理化性能；利用；制砖新工艺；玻璃微珠；铬渣处理 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i c o a lg a n g u ei so l l eo f t h el a r g e s te x h a u s ta n ds t o c k i n ga m o n gi n d u s t r i a ls o l i dw a s t e s i tt a k e su pag r e a td e a ll a n d ，e n d a n g e r sr e s i d e n t i a le n v i r o n m e n ta n db r i n g sa b o u ta i r , s o i l ， w a t e r p o l l u t i o na n d c a u s e s g e o l o g i c a l h a z a r d i t st h ed o u b l er e q u i r e m e n t so f e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ts t r a t e g y t oe n h a n c et h e c o m p r e h e n s i o n u t i l i z a t i o no f e o a lg a n g u e ， t h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dc o m p o n e n t sac o a lg a n g u ei nq i t a i h em i n i n g a r e aa r es t u d i e db yx r d ，s e ma n a l y s i sm e t h o d i ti st h eb a s ea n dw a yo f c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o nm e t h o do f c o a lg a n g u ei nt h ed i s t r i c t c o a lg a n g u ei sl a wm a t e r i a lf o rm a k i n gb r i c ki n s t u d y t h ep h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e so fc o a lg a n g u ea n dn ya s h , a d d i n gp r o p o r t i o no ff l ya s h , s i n t e r e dt e m p e r a t u r e e t c a l ec o n s i d e r e di nt h en e wp r o c e s s t h eo p t i m a l p r o p o r t i o no f g a n g u e - f l ya s h b r i c ki s o b t a i n e d t h ep r o c e s si sr e s e a r c h e do fl a e a n a r i sg l a s sm i c r o b a l la n di t sa d s o r p t i v e c h a r a c t e r i s t i ca n dc o n d i t i o no fm a k i n gb a l la r ed i s c u s s e d t h er e m o v a lt o x i c i t ym e t h o d o fc a l c i n i n gc o a lg a n g u ea n dl i m e s t o n ea n dc h r o m i u mr e s i d u ei sa e f f i c i e n c ya p p r o a c ho f d i s p o s a lc h r o m i u mr e , d u ea n db r e a kan e wp a t hf o rc o m p r e h e n s i o nu t i l i z a t i o no fc o a l g a n g u ei nd i s t r i c ta sac a s es t u d y k e y w o r d s ：c o a lg a n g u e ；p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t y ； u t i l i z a t i o n ； n e wp r o c e s sf o r m a k i n gb r i c k ；g l a s sm i c r o b a l l ；c h r o m i u mr e s i d u e ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 我国是一个煤炭消费大国，每年的煤炭生产和消费总量均达几十亿 t 川，煤炭在我国总能源结构中的比例占到7 0 以上 2 1 。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： 煤层开采产生的矸石，由煤层的夹矸、混入煤中的顶底岩石如炭质泥岩 和粘土岩组成；岩石巷道掘进产生的煤矸石，主要由煤系地层中的岩石 如砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩、岩浆岩组成；煤炭洗选时产生的煤矸 石，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1 0 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4 0 亿t 以上，并且仍以每年亿t 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，不仅占有大量土地，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、水体污染和地质灾害的发生。 煤矸石若加以利用，则将变“废为宝”，化害为益。 1 1 煤矸石的社会及环境问题 较长的一段时阃内，煤矸石在采选过程中只有被丢弃，所以几乎所 有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，而环境保护意识还不够，处置方法是以消耗的堆放为主， 这种以堆贮的煤矸石治理方法付出的代价是相当大的，而且已经带来诸 多的社会和环境问题2 ，4 1 。 1 1 1 占用大量耕地 堆贮煤矸石需要占有大量耕地，截止到2 0 0 4 年底全国有矸石山2 0 0 0 多座，占地约2 5 万多公顷。土壤是很难再生的资源，地球上要形成1 c m 厚的土壤，需经过3 0 0 5 0 0 年的漫长岁月。中国是一个耕地资源紧缺 的国家，人均耕地占有只有1 5 亩，仅为世界人均水平的4 5 ；我国以 辽宁工程技术大学硕士学位论文 占世界7 0 的耕地要养育占世界2 2 的人口，耕地资源十分宝贵，而 随着煤矸石排放量的增加，占地面积还将迸一步扩大f 钉。对于象我国这 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已不容忽视，必须加快对煤矸石的综合 利用。 1 1 2 矸石山对环境的污染 煤矸石山对周围环境的污染有以下几个方面。 。 ( 1 ) 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，一般植被覆盖率仅 1 0 2 0 【6 1 ，黑色地面大部分暴露，酸性较强的矸石山上寸草不生。巨 大且表面裸露的矸石山严重影响矿区的自然景观，矸石山已成为矿区的 不良“标志7 1 。 ( 。2 ) 形成扬尘：矸石堆积成山后，表面矸石半年或一年后会产生 一层风化层，风化层约1 0 e r a ，可十几年保持不变。随时间推移风化层颗 粒逐渐交细，原矸石都是较大的石块，经风化后颗粒变小。颗粒由石块 ( 5 1 0 ) m m 逐渐风化成粒砾( 2 5 ) m m 、砂粒( o 5 2 ) m m ，以及 更细的颗粒。因此矿区在有风的天气情况下，常形成扬尘。距矸石山越 近扬尘越严重。距矸石山5 m 比2 0 0 m 扬尘大5 1 0 倍。 ( 3 ) 污染地表水和地下水：矸石的风化物无粘结性，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，据测定矸石中c l 。、h c 0 3 、m g ”、c a ”、k + 、n a + 组成和内含量与内陆盐渍土的盐分的组成和含量相似，且斑状分布，可 随水移动。矸石中还含有多种痕量重金属元素，如铅、镉、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，对周围环境和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，表面吸热极强，夏日中午矸石 辽宁工程技术大学硕士学位论文 地表温度可达4 0 ，因此可使矿区气温升高。 ( 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f e s 2 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 与外因促进矸石的自燃。自燃时会弥散大量的s 0 2 、c o 和h 2 s 等有害 气体以及n o x 、苯芘等有害气体，大量的s 0 2 和n o x 进入大气是造成酸 雨的源头之一【8 】。 综上所述，如何解决煤矸石的利用问题已经迫在眉捷。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，同时又是有较高的经济效益和社会效益。从长远角度出 发，使煤炭工业走上一条可持续发展的良性循环轨道。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，又为煤矸石综合利用提供了科学依据。 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6 0 年代开始， 煤矸石综合利用就已经引起很多国家的重视，到7 0 年代国外部分矿区 煤矸石的利用率已达1 0 0 ，英国将煤矸石的综合利用及应用方面进行 了系统研究，其它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1 9 7 0 年成立了煤矸石管理处；波兰和匈 牙利联合成立了海尔德克斯矸石利用公司，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， 原苏联在顿巴斯，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8 0 ，产品成本降低2 0 ， 法、德等的煤矸石利用率已达3 0 5 0 1 9 1 1 1 0 】 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 投入大量人力物力进行矸石山的治理，取得了一些地较为成熟的经验。 到目前为止，消化和利用煤矸石的主要途径有： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 1 ) 充填塌陷区：矸石充填是一种重要的复垦方式。利用煤矸石作 用塌陷区充填原料，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，解决塌陷地的复垦问题，因而具有一举多得的 效果【5 l i l l l 【12 1 。 ( 2 ) 发电：采煤过程中排出的煤矸石大多含有一定量的有机质，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 泥和制砖等建筑材料。近年来，我国煤矸石发电发展很快，特别是煤泥 和矸石发电创造了成功经验。到2 0 0 0 年底，全国有煤矸石、煤泥等低 热值燃料发电厂1 2 0 余座，总装机容量1 8 4 x 1 0 3k w ，年发电8 7 1 0 6k w ， “九五”期间建设的煤矸石电厂3 5 座，新增装机容量4 5 x 1 0 3 k w 万k w ， 分别占煤矸石电厂座数和总装机量的2 9 和2 5 。到2 0 0 5 年，煤矸石 电厂装机容量己发展到5 6 0 x 1 0 3 k w ，新增装机容量3 7 0 x 1 0 3k w h 。矿区 已建成矸石电厂2 座，装机容量千瓦时1 1 3 1 。 ( 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，从而节约能源，这种方法投资不大，方法简单，已广 泛使用。同时，煤矸石制砖技术和装备也取得了重大突破，制造技术达 到了国际先进水平，生产的j e k 双级真空半硬塑挤砖机和j e k 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2 0 0 0 年底，全国煤矸石砖厂已达2 4 0 余座，生产能力 2 2 亿块标准砖【1 4 】1 15 1 。为了适应发展新型墙体材料的需要，“九五一期间 我国共建设煤矸石新型墙体材料生线1 0 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。截止2 0 0 5 年， 煤矸石砖生产量已达1 0 0 亿块标准砖。矿区现已建成两座矸石砖厂，生 产矸石砖1 2 亿块，年消耗煤矸石4 0 万t t 6 - t 8 。 ( 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 t g l 。 ( 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 辽宁工程技术人学硕j j 学位论文 材料，生产铸石品，改造盐碱地等。煤矸石高附加值利用和大量利用技 术也取得了新进展 2 0 i 。“九五”时期开发了利用煤矸石生产增自和超细 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【2 1 儿2 2 1 ，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，2 0 0 0 年全国煤矸石综合利 用量6 6 0 0 万t ，比1 9 9 5 年增加1 0 0 0 万t ，综合利用率由1 9 9 5 年的3 8 上升到4 3 ，提高了5 ，结束了“八五”时期一直在3 8 左右长期 徘徊的局面。到2 0 0 5 年煤矸石综合利用量8 0 0 0 万t ，综合利用率达到 6 0 【2 1 【3 1 ，可节约能源折合标准煤约1 3 0 0 万t ，节约土地i 5 万多亩。 综合以上和相关技术领域专利、文献等进行了检索，总结目前国内 外在煤矸石开发利用的主要领域，煤矸石综合利用主要表现在以下方 面，如图卜l 所示。 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，而产煤大省综合利用仅为2 1 ，潜力还很大。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图1 - 1 煤矸石综合利用主要方向图示 f i g 1 1t h ed h - e c t i o no rc 0 m p r e h 哪i v eu t i l i z a t i o nm a po f c o a lg a n g l l e 6 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 七台河矿区概况 1 3 。l 自然条件 ( i ) 地理条件 七台河矿区位于黑龙江省东部，属七台河市管辖，其地理位置东经 13 0 。2 9 4 0 ”，北纬4 5 。4 4 3 6 。至4 5 。5 2 1 9 铁路直通哈尔滨且各矿井 都有自营铁路。公路2 0 l 国道和依宝公路贯穿全境，交通十分便利。 ( 2 ) 地形地势 七台河矿区位于长白山北麓，属丘陵地带，地域十分开阔，地势东 高西低，标高在1 5 5 m 至5 7 0 m 之间。 七台河矿区含煤地层侏罗系，包括鸡西群的滴道组，城子河组和穆 棱组；另有第三系的八虎力组，城子河组煤层发育较好，矿区煤田主要 分布在城子河组，可采厚度为i 2 m ，为薄煤层，含矸层较多。 ( 3 ) 气候条件 七台河矿区地处长白山北麓，属丘陵地带，春季干旱、多风，夏季 降水集中。四季分明寒暑适宜，属温带大陆性气候。 ( 4 ) 水文条件 地表水系主要由桃山水库及倭肯河及其支流构成，倭肯河流经全 境，桃山水库为全市人民的生产、生活用水、污染严重，直接影响人民 群众的身体健康。 ( 5 ) 土地资源 在矿区内已利用的土地资源比较少，且中低产田所占的比重比较 大，大部分是荒山和荒滩，未得到充分的开发与利用。因此，矿区的土 地复垦具有广阔的前景。 1 3 2 七台河矿区的煤炭开采 七台河矿区始建于1 9 5 8 年，1 9 7 5 年成立七台河矿务局，1 9 8 9 年产 量上千万t ，跨入国家特大型企业行列，现有煤矿1 2 家，选煤厂6 座， 年产原煤1 2 0 0 万t ，入洗原煤1 1 0 0 万t 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 3 七台河矿区煤矸石现状 七台河矿区现有大小煤矸石山2 0 余座，其中包括自燃后矸石山和 未自燃矸石山。年平均排放矸石2 8 0 万t ，累计堆存矸石总量3 0 0 0 万t ， 占地总面积2 0 0 余亩。 1 4 样品来源及处理 本文系统分析的煤矸石样品分别来自铁东选煤厂、龙湖选煤厂、新 兴选煤厂、富强煤矿、桃山煤矿、新立煤矿、新兴煤矿、龙湖煤矿，铁 东煤矿等，采样时均采用多点采样法。共计采集煤矸石样品9 个，其中 洗矸3 个，选矸6 个。样品采回后即放入干燥室内密封保存，矸石样品 在进行各种分析测试前，按测试粒径要求进行了研磨。其它样品1 8 个。 共做化学成分分析2 7 个，微量元素分析2 7 个，x 射线分析2 1 个，微量 元素分析2 7 个，x 射线衍射分析2 1 个，工业分析9 个，工业应用实验 2 7 个，本文仅列出部分数据。 1 5 本章小结 本章对煤矸石的社会及环境问题进行了概述，分析了国内外煤矸石 综合利用现状，并重点说明了七台河矿区的自然条件、煤炭开采情况及 煤矸石现状，并对本研究所用的样品进行了分析 i 煤矸石在采选和洗选过程中大部分被丢弃，所以几乎所有矿区的煤 矸石都堆积如山，占用大量耕地。破坏了自然景观，并对周围的空气， 土地，表水和地下水造成了严重污染。煤矸石的综合利用问题已经迫在 眉捷，保护环境，实施可持续发展战略的双重要求。目前煤矸石的主要 利用方式是充填塌陷区，发电，制砖，生产建筑材料，制陶器i 回收稀 有金属，生产保温材料，生产铸石品，改造盐碱地等。 本研究对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，同时又是有较高的经济效益和社 会效益。从长远角度出发，使煤炭工业走上一条可持续发展的良性循环 辽宁工程技术大学硕士学位论文 轨道。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，又为煤矸石综合利用提供了科学依据。 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 2 煤矸石的岩石学特征及矿物组成 2 1 煤矸石的矿物学特征 2 1 1 煤矸石的主要来源 1 0 矿区煤矸石的主要来源有：井筒和岩石巷道掘进过程中开凿排出的 矸石，主要由泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、砾岩和石灰岩组成 2 3j 。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，主要由岩质( 页) 岩，高岭石、粘土岩、粉砂岩、硅质岩组 成1 2 4 。煤岩洗选过程中排出的矸石，主要由煤层中的各种夹矸，如高岭 粘土岩、黄铁矿结构等组成，其产生情况见表2 1 。 表2 1 七台河矿区煤矸石来源及产生情况 t a b l e 2 一lt h es o u r o gm a dp r o d u c t i o ns i t u a t i o no f t h ec o a lg a n g u ei nq i t a i h em i n i n ga r e a 煤矸石的来源岩石巷道掘进采煤过程中选煤厂洗 及产生情况排出的矸石选出的矸石选的矸石 所占比例( ) 3 5 1 5 5 0 ； 根据煤矸石的矿物组成及其岩石学特征，可对煤矸石利用途径做出 分析和研究，不同矿物组成的煤矸石，其利用途径也不尽相同。随着煤 矸石的广泛利用煤矸石的矿物组成及矿物学特征便显得尤其重要。 2 1 2 煤矸石主要矿物类型及形成环境 煤层夹矸常见的矸石有粘土岩、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、砂岩和砂砾岩。煤层底板常见的岩石 有泥岩、页岩、粘土岩、粉砂岩。在岩浆岩发育的煤层中，有的煤层顶 底板或煤层中间有岩浆岩侵入 七台河矿区中新代煤系地层大多是在内陆或三角洲平原环境形成 的，故煤中含硫量较低，但灰分较高，且煤层较薄是典型的薄煤层。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 1 3 煤矸石的岩石特征 七台河矿区砂岩类煤矸石外观上多为灰色，青色、灰黑及黑色，暗 色主要是因含炭质较高所致。炭质常以炭化植物碎片或亮煤细线形存 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，多为中细颗粒状结构，分选一 般，磨圆度较差，碎屑颗粒呈棱角状。 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o 0 2 0 0 5 r a m 。 矿区煤系中发育3 4 层稳定石灰岩，以含大量生物屑为特征，外 观为褐色灰白色，现生物颗粒分布。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 受容气，水价质的迫距离搬运，然后沉积下来形成的岩石。矿区煤矸石 中多以定灰质砂岩，粉砂岩及凝灰岩的形式出现。 矿区内泥岩类煤矸石多为灰黑、褐灰或黑色，含较多的炭化植物碎 片 2 2 煤矸石的活性 煤矸石经过自燃或煅烧，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高温煅烧，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 煤矸石的变化 煤矸石在5 0 0 8 0 0 脱水，晶格破坏，形成无定形偏高蛉土，是 有火山灰活性。 5 0 0 8 0 0 a i2 0 3 2 s 1 0 2 2 h 2 0 寸a l2 0 3 2 s i o z + 2 h 2 0 煤矸石偏高岭土 辽宁工程技术大学硕士学位论文 在9 0 0 1 0 0 0 c 之间，偏高岭土又发生重结晶，形成非活性物质。 9 0 0 1 0 0 0 2 ( a i2 0 3 2 s i 0 2 ) 啼2 a 1 2 0 3 3 s 1 0 2 + s i 0 2 偏高岭土尖晶石无宝形 2 2 2 奠来石的形式 煤矸石煅烧过程中，一般在1 0 0 0 左右便有莫来石( 3 a i2 0 3 2 s 1 0 2 ) 生成，到1 2 0 0 。c 以上，生成量显著增加。葜来石的大量生成，将降低煤 矸石的活性。 2 2 3 黄铁矿的变化 残煤及黄铁矿等可燃物质，随煤矸石一起燃烧，晶体相应地发生变 化，生成y 赤铁矿，对煤矸石活性无补 4 f e s 2 + 1l o r _ 2 f e 2 0 3 + g s 0 2 2 3 煤矸石的矿物组成 项目研究中，对七台河矿区煤矸石样品进行x 射线衍射分析，x r d 图谱见图2 1 2 - 9 。 七台河矿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。 矿区矸石中最常见的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石， 其中以高蛉石含量最大，部分矸石中还含有绿云母和黑云母等。 矿区内煤矸石中石英含量大约为2 0 3 5 ：高蛉l5 3 0 ：伊 利石含量为0 4 5 ，这几种主要矿物的含量之和通常在4 5 9 0 ，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 矸石的混合的矿物组成变化较大，或因矸石出自不同的采掘工程而变 化，这给混矸石的利用带来了较大的困难。经过洗选的煤矸石，粘土矿 物相对富集，高岭石，伊利石和铁矿物相对较高，并且入洗原煤稳定， 其洗煤矸石的矿物组成比较稳定。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ； ； l a 越矗勰互土j | 一主一 图2 - 1 铁东选煤厂洗矸x r d 图谱 f i g 2 _ 1t h e x p ；ds p e c s u r no f t h e g a n g u ei nt i ed o n gw a s h i n g p l a n t 图2 - 2 铁东矿选矸x r d 图谱 f i g 2 - 2t h e x r ds p e c t r u mo f t h eg a n g u ei nt i ed o n gm i n e 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 - 3 龙湖选煤厂洗矸x r d 图谱 f i g 2 - 3t h e x r d s p e c t r u mo f t h eg a n g u ei nl o n gh uw a s h i n gp l a n t 图2 4 龙潮矿矸石x r d 图谱 f i g 2 - 4t h ex r ds p e c t r u mo f t h eg a n g u ei nl o n gh um i n e 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 5 新兴选煤厂洗矸石x r d 图谱 f i g 2 - 5t h ex r ds p e c t r u mo f t h eg a n g u ci nx i nx i n gw a s h i n gp l a n t 图2 6 新矿选矸石x r d 图谱 f i g 2 - 6t h e x r d s p e c t n u no f t h eg a n g u ci nx i nm i n e 辽宁1 ：程技术大学硕士学位论文 1 6 图2 7 新立矿选矸石x r d 图谱 f i g 2 - 7t h e x r d s p e c t r u mo f t h eg a n g u ei nx i n l iw a s h i n gp l a n t 图2 - 8 桃山矿选矸石x r d 图谱 f i g 2 - 8t h ex r ds p e c t r u mo f t h eg a n g u ei nt a os h a hw a s h i n g p l a n t 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 - 9 富强矿选矸石x r d 图谱 f i g 2 - 9t h ex r ds p e c t r u mo f t h eg a n g u ei nf uq i a n gw a s h i n gp l a n t 通过对七台河矿区矸石样品进行x 射线衍射分析，可以具体鉴定出 媒矸石中的矿物组成，七台河矿区煤矸石主要由石英、高岭石和伊利石 组成，其次还含有少量黄铁矿、方解石、云母、磷灰石等 图谱详细分析结论如下： ( 1 ) 石英：洗矸石样品衍射图谱中石英的特征峰表现最显著，其主 要特征峰为：4 2 7a 、3 3 5a 、2 4 6a 、2 2 8a 、2 1 3a 和1 8 1 9a ， ( 2 ) 其次矿物为高岭石特征蜂，其主要特征峰为7 15a 、3 5 7a 、 2 5 6a 、2 4 9a 和1 9 9a 。 ( 3 ) 其他矿物还可见伊利石、方解石、黄铁矿、云母和磷灰石等矿 物特征峰，其中伊利石的特征峰为1 0 ，5a 、9 9 5a 、5 0a ；方解石主要 特征峰为3 0 3a 、1 9 la ，强度较小，说明含量少。另外还出现黄铁矿、 云母和磷灰石的特征峰。 上述说明矸石中主要由石英和高岭石组成，其中还含有少量伊利石、 方解石、黄铁矿、云母和磷灰石等 2 4 本章小结 本章对煤矸石的来源、岩石类型及形成环境、煤矸石的活性，岩石 辽宁工程技术大学硕士学位论文 学特征及矿物组成进行了概述。对七台河矿区煤矸石样品进行x 射线衍 射分析，结论是：七台河矿区煤矸石主要由石英、高岭石和伊利石组成， 其次还含有少量黄铁矿、方解石、云母、磷灰石等。 x 一射线衍射分析结论，对于七台河矿区煤矸石开发和利用奠定了基 础，是本论文研究的基础依据。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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，本章利用光学分析，工 业分析，x 射线分析技术，对矿区所采集的煤矸石样品进行理化性质分 析，完成了化学组成、发热量、微量元素等系统的测试，并对测试结果 进行了分析和研究。 3 1 煤矸石的工艺物理性质 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。七台 河矿区煤矸石经粉碎至2 5 0 目筛余 2 时其可塑性指标可达2 8 3 0 ， 相应含水率为2 3 2 5 ，如果进一步细碎至3 0 0 目，筛余 2 时，则 塑性会更大。 3 1 2 粘性 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， 浆粘度在1 1p 左右，可用于注浆成型。 3 1 3 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 摩氏硬度之间，含砂岩多的矸石硬度在4 5 摩氏硬度之 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1 7 1 9 之间。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 1 5 烧结温度范围 2 0 煤矸石的烧结温度一般在1 0 5 0 。c 左右，9 0 0 c 为一次膨胀，1 1 2 0 c 至1 1 6 0 ( 3 时收缩量小，温度继续上升至1 1 6 0 上时产生二次膨胀，由固 相转为固液相或完全熔融1 25 1 。 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1 0 0 0 c 上下，最低脱炭时间为2 0 0 2 5 0 r a i n ，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和碳酸盐类混合物，以及 汞、砷、氟、氯等微量元素。 矿区煤中硫含量在o 3 左右，所以矿区煤矸石中硫含量较低，通 常以有机硫和无机硫两种形式存在主要来源于黄铁矿( f e s 2 ) 和石膏 ( c a s 0 4 ) 矿物。黄铁矿在煤层中呈透镜状、结核状和细分散状。硫化 物易氧化生成s 0 2 ，s 0 2 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 自云石等。方解石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 化学成分是评价煤矸石性质，决定利用途径的重要指标，煤矸石的 化学成分随其它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：s i 0 2 、a i2 0 3 、f e 2 0 3 c a o 、m g o 等，其主要氧化物为s i 0 2 和a 12 0 3 ， 辽宁工程技术人学硕上学位论文 矿区煤矸石样品的具体化学组成见表3 1 。 表3 - 1 七台河矿区煤矸石化学成分分析( w t ) t a b l e 3 1t h ea n a l y s i so f c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t h eg a n g u ei nq i t a i h em i n i n ga m 编号煤矸石来源 s i t i 0 2 a l2 0 | f e 2 m n om g o c a o n a 2 0k 2 0p 2 0 5饶失量 l新兴选煤厂洗矸5 1 5 30 4 3 1 3 29 5 lo 0 3 4 0 8 72 1 60 1 8 1 1 90 0 62 i 1 l 2 龙湖选煤厂洗矸 5 27 7 0 6 21 95 28 3 9o 3 70 ，9 20 8 90 41 ，s 30 0 71 47 t 3铁东选煤厂洗矸5 1 9 50 7 32 2 9 97 0 10 2 40 7 30 3 20 1 51 7 4 o 0 51 4 6 6 4 新立矿矸石 5 58 5 0 6 11 54 85 9 50 0 81 9 l6 9 50 3 52 0 90 1 91 0 9 3 5新兴矿矸石5 25 30 4 51 2 28 5 10 0 3 6o 8 52 1 40 1 6i 1 7 0 0 62 2 1 l 6龙湖矿矸石 5 2 2 7 o 6 01 9 5 47 8 90 0 3 50 90 9 10 41 80 11 47 3 7富强矿矸石5 1 9 50 7 02 2 9 95 2 7o 0 1 80 7 503 90 1 5 1 6 80 0 41 6 3 9 8铁东矿矸石6 2 9 50 跎2 i 0 25 1 60 0 8 71 ”1 7 5o 2 52 5 20 14 2 2 9桃山矿矸石5 3 7 50 7 61 9 85 2 5 0 0 9 3i 8 l2 6 30 1 52 4 40 1 41 3 3 9 平均值 5 3 9 50 6 4 1 85 47 o 1 li 1 l2 0 202 41 8 30 0 91 4 7 0 极差 l i 4 20 3 9 1 0 7 94 3 50 3 5 2i 1 86 6 3o 2 51 3 5o 1 51 7 8 9 分析表3 - 1 可知，七台河矿区煤矸石中s i 0 2 、a 1 2 0 3 、c a o ( 烧失 量等变化较大，而这些矿物是煤矸石综合利用的主要矿物成分依据，所 以在利用时，应该充分注意这一特殊性，不同矿的煤矸石利用途径将会 有较大差异，其余化合物变化较小。 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。 了解这些微元素的含量的测定，可为矸石的综合利用及处置方式提供科 学依据。本研究采用瑞士a r l 应用研究实验公司制造的x 射线荧光光 谱仪对矿区煤矸石样品所含的多种微量元素进行了详细测定，其中x 射 线功率( x - r a yp o w d e r ) 为4 0 k v 6 0 0 m a ( 常量元素与微量元素) ，分光 晶体( c r y s t a l ) 为l i f ( 2 2 0 ) 、g e ( 1 1 0 ) 、p e ( 0 0 2 ) 、a x 0 6 ；探测器( d e t e c t o r ) ： s c ( 正比计数器) 、p c ( 流气计数器) ；温度( t e m p e r a t u r e ) ；r o o m ( 室 温) ：2 2 ，e n s t r u m e n t ( 机温) ：3 0 ，c r y s t a l ( 晶体温度) ：3 8 。分 析精度小于5 ，所有测试结果列于表3 2 。 同时采集矿区附近表层土壤样品分析比较，分析结果如表3 3 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 矸石样品中可检出的微量元素很多，共有2 1 种，其中包括有毒、 有害元素( p b 、a s 、c r 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。a g 、f 、h g 、c t 、p b 均低于当地土壤中的含量。 表3 2 煤矸石微量元素含量( p p m ) t a b t e 3 - 2t h ec o n t e n to ft r a c ee l e m e n ti ng a n g u e 样品 a sb im o n bp br bs rt huy z r 1 5 1 6 12 69 72 8 33 5 32 0 77 74 31 2 7 1 0 3 25 42 83 3 1 3 82 3 16 72 5 91 4 94 51 9 81 3 3 3 l 1 5 o1 8 ，l2 0 。6 6 31 3 2 1 7 2 5 2 9 4 1 9 1 4 1 1 1 1 8 0 71 0 62 4 37 2 83 5 89 93 81 8 71 5 2 56 21 o2 51 4 7 2 8 4 9 4 3 1 6 01 2 86 22 4 62 1 6 62 2 l 2 41 1 12 5 27 4 32 9 3l o 33 61 8 7 1 5 4 7 1 l 2 11 2 22 2 26 2 61 5 91 1 42 52 7 21 6 4 8 1 l2 3 1 1 41 2 35 1 33 4 492 41 51 2 9 9 l1 91 4 3 2 6 9 9 0 5 1 6 2 1 3 1 4 52 51 7 2 样品 b ac ah fn iwz nc uc oc rv l1 1 3 71 4 4 6 62 2 3 14 3 73 4 81 0 24 46 5 25 5 02 0 8 4 62 5 3 16 7 44 9 21 1 55 29 6 32 7 52 3 95 7l g 9 13 9 6 5 5 2 9 2 4 28 6 4 4 9 21 6 9 5 42 3 7 16 6 22 9 41 1 85 61 0 0 54 2 82 3 7 5 93 3 7 l2 81 6 91 1 12 96 3 61 3 9 41 6 662 3 t 2 1 5 5 44 0 21 2 64 69 2 74 3 32 1 45 32 2 4 17 8 54 1 61 1 85 19 9 82 4 7 1 74 61 5 3 l2 81 6 91 1 12 96 3 93 5 3 2 1 45 93 2 1 l9 0 64 8 11 6 76 41 1 7 表3 3 煤矸石有亭元素与土壤背景值对比( m g ，l ( g ) t a b l e 3 - 2t h en o a b d l 娼i 煅e l e m e n ti ng a n g u ea n dt h ec o m m o no f b a c k g r o u n dv a l u eo f s o i l 元素a g f t t g c ac tp b c u 煤矸石 4 1 1 5 1 5 8 90 0 3 50 1 3 85 4 z 81 & 7 22 5 6 2 七台河土 5 0 85 2 0 2 50 0 7 1o o 9 95 5 12 5 1 8 2 4 1 8 壤背景值 3 3 3 煤矸石的放射性 根据我国g b j b 7 4 放射性规定第三十一条规定：含有天然放射 性元素的废物，比放射性大于3 7 0 0 b q k g 者，应按放射性废物处理。对 七台河矿区所采煤矸石样品所做放射性试验监测结果进行分析分析( 结 辽宁工程技术大学硕士学位论文 果如表3 - 4 所示) ，该矿区煤矸石的放射性水平低于国家对放射性废物的 规定，因此，该矿区煤矸石的放射性对人体健康没有影响，不论是堆放 还是利用，都不会产生放射性污染。 表3 - 4 煤矸石放射性监测结果 t a b l e 3 4t h et e s t