煤矸石的环境影响及其综合利用

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1、研究 生课程 考试卷学号、姓名：赵姝瑶20132404年级、专业：13级环境科学与工程培养层次：硕士课程名称：授课学时学分：考试成绩：授课或主讲教师签字：煤矸石的环境影响及其综合利用摘要:煤矸石是我国排放量最大的工业废渣之一。不仅占用大量农田和土地， 而且严重污染环境。加强对煤矸石利用的研究，以将其资源化。本文阐述了我国 的煤矸石概念，分类及基本性质：分析了其对环境的影响，总结了国内外煤矸石 的研究和应用情况。关键词:煤矸石 环境影响综合利用 研究和应用现状煤炭是我国最主要的能源，其资源非常丰富。随着煤炭生产的不断发展，煤 矸石的产量与日俱增。煤矸石产量按原煤产量的15%计,每年煤矸石至少增加

2、1 2亿吨以上。根据有关部门统计，目前我国历年累计堆放的煤矸石总积存量约为 45亿t，规模较大的矸石山约1600多座，占用土地约1.5万公顷。这样大量的煤 矸石既浪费了国家资源，又占压了大量土地，使矿区的生态环境受到了污染和破 坏。所以，煤矸石的综合利用是建设“绿色矿区”最有效的方法和途径。预计到 2020年，我国煤炭仍占一次性能源的70%左右，随开采量逐年增加，煤矸石的 排放量也按比例增加。因此加强对煤矸石的研究，大力开展煤矸石的资源化利用， 意义十分重大。1. 煤矸石概述1.1煤矸石的概念、来源及分类煤矸石又称夹矸石，是在成煤过程中与煤伴生的一种含碳量相对较低的黑色 岩石，是采煤和洗煤过程

3、中产生的次级代谢废物，其产生量大约相当于煤炭产量 的10%左右。它包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及 夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。煤矸石是指煤矿建设生产过程中所排放出的固体废弃物的总称。其来源主要 有以下三个方面：(1) 岩石巷道掘进时产生的煤矸石，通常称为原矿石，占煤矸石的60%-70%。 主要岩石有泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、砾岩、石灰岩等。(2) 采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里所产生的煤矸石, 占煤矸石的10%-30%。煤层顶板常见的岩石包括泥岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩; 煤层底板的岩石多为泥岩、页岩、黏土岩、粉砂岩；煤层夹肝的岩石有黏土岩

4、、 碳质泥岩、粉砂岩、砂岩等。(3) 煤炭分选或洗选过程中产生的煤矸石，又被称为洗矸石，约占煤矸石的 5%。其中主要由煤层中的各种夹石如高岭石、黏土岩、黄铁矿等组成。1.2煤矸石的组成1.2.1化学组成煤矸石的化学成分主要是SiO2、A12O3和C，其次 是Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3、P2O5、N和H等。此外，也常含有少量Ti、V、Co和Ga等 金属元素，煤矸石的化学成分不稳定，不同地区的煤矸石成分变化较大2,放射 性元素含量一般不高。煤矸石易风化形成疏松多孔状产物，释放出植物营养元素, 并逐步向土壤结构转变3。1.2.2矿物组成煤矸石与煤系地层共生，是多种矿岩组成的

5、混合物，属于沉积岩。煤矸石的 岩石种类主要有粘土岩类、砂岩类、碳酸岩类、铝质岩类。粘土岩类中主要矿物组分为粘土矿物，其次为石英、长石、云母和黄铁矿、 碳酸盐等自生矿物。此外还含有丰富的植物化石、有机质、碳质等。砂岩类矿物多为石英、长石、云母、植物化石和菱铁矿结核等，并含有碳酸 岩的粘土矿物或者其它化学沉积物。采煤掘进巷道选出的煤矸石多以砂岩为主。碳酸盐类矿物的组成为方解石、白云石、菱铁矿、并混有较多的粘土矿物、 陆源碎屑矿物、有机物、黄铁矿等。铝质岩类均含有高铝矿物:三水铝矿、一水软铝石、一水硬铝石，此外还常 常含有石英、玉髓、褐铁矿、白云母、方解石等矿物。1.3煤矸石的工艺物理特性1.3.1

6、可塑性煤矸石必须经细碎后才有塑性，矸石中砂岩塑性较页岩差。混合矸石经粉碎 至250目筛筛余2%时，其可塑指标可达2.83相应含水率为2325%，如果进 一步细碎至300目筛筛余2%，则塑性会更大。1.3.2收缩性煤矸石塑性低，收缩也就较小，一般线收缩在2.53%。烧结后的线收缩在2.22.4%，相应吸水率在1719%。1.3.3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，由固相转为固掖相或 完全融熔1.3.4脱碳温度煤矸石的脱碳温度一般总是低于最佳烧结温度，最佳脱碳温度常发生在1000上下，最低

7、脱碳时间为200250分钟;在整个脱碳过程中，应保持氧化气氛。1.3.5耐火度煤矸石属于中低耐火材料，一般耐火度在13001350，这主要取决于化学组 成，从相图角度看，若含和高则熔点高，若含碱金属和碱土金属高则熔点就低 1.3.6发热量煤矸石发热量大小和碳含量及挥发组分多少有关。我国煤矸石发热量多在6300kJ/kg以下，热值高于6300kJ/kg的数量不多，约占10%左右。据80年代初 调查，热值为33006300kJ/kg、13003300kJ/kg和1300kJ/kg以下的煤矸石数 量大体相当，各占30%左右。在小于1300kJ/kg的煤矸石中未计有些露天煤矿开 采剥离的泥岩，如果加上

8、这一部分，小于1300kJ kg的煤矸石比例将大幅度增 加。2. 煤矸石对环境的影响2.1影响土地资源的利用煤矸石堆场多位于井口附近，大多紧邻居民区，煤矸石的大量堆放一方面占 用大量的土地面积，另一方面还在影响着比堆放面积更大的土地资源，使得周围 的耕地变得贫瘠，不能被利用。2.2污染大气煤矸石露天堆放会产生大量扬尘，这主要是由于在地面堆放的煤矸石受到长 时间的日晒雨淋后，将会风化粉碎；另外，煤矸石吸水后会崩解，从而很容易产生粉尘。在风力的作用下，将会恶化矿区大气的质量。此外，煤矸石中含有残煤、 碳质泥岩和废木材等可燃物，其中C, S可构成煤矸石自燃的物质基础。煤矸石 露天堆放，日积月累，矸石

9、山内部的热量逐渐积累。当温度达到可燃物的燃烧点 时，矸石堆中的残煤便可自燃。自燃后，矸石山内部温度为8001 000C,使矸主。石融结并放出大量的CO、CO2、SO2、H2S、NOx等有害气体，其中以SO2为 座矸石山自燃可长达十余年至几十年。这些有害气体的排放，不仅降低矸石山周围的环境空气质量，影响矿区居民的身体健康，还常常影响周围的生态环 境，使树木生长缓慢、病虫害增多，农作物减产，甚至死亡。2.3危害水土当露天堆放的煤矸石山经风化、雨水淋蚀后，分解成部分可溶盐，女吧O42-、Mg2+、Ca2+、K+或Na+等，当这些可溶盐浸入土壤，将导致土壤盐渍化。另外煤矸石除含有粉尘、SiO2、A12

10、O3以及Fe、Mn等常量元素外，还有其 他微量重金属元素，如Pb、Sn、As、Cr等，这些元素为有毒重金属元素，经过 雨淋之后会渗入土壤，进入地下水，增加了土壤与水源中重金属的含量，造成污 染。2.4引发重力灾害危及人身安全矸石堆自然安息角为3840，在人为开挖和降雨淋滤作用下，易失稳引 发重力灾害，如渣石流、坍塌等。当矸石堆场的矸石堆放不合理时，矸石堆易发 生边坡失稳，从而导致矸石堆的崩塌、滑移，特别在暴雨季节，这种现象在山区 尤为常见，易发生泥石流，从而殃及下游的农田、河流及人员安全。3. 煤矸石的资源化处理3.1发热和供电煤矸石中含有部分碳和其他可燃物，具有一定热值，可以被用作燃料使用。

11、 但是由于一般煤矸石中可燃物的含量比较低，发热量大约在1000- 3000kcal/kg 之间。其作为一种低热值燃料，利用其发电时一般采用循环流化床锅炉燃烧技术。 该锅炉在燃烧时，由炉底鼓风机向炉膛进风使破碎成颗粒的煤粒呈悬浮状态，形 成流化床。煤可在炉内与空气充分混合，强化了燃烧和传热。一般来说，热值大 于4200kJ/kg的煤矸石通过洗选后可作为燃料直接利用，热值高于6270kJ/kg的 煤矸石可而直接作为燃料燃烧供电，使用这种燃料，不仅能节约大量的优质煤， 而且能减少环境污染。3.2煤矸石生产建筑材料目前，我国煤矸石建筑材料利用有以下几方面：3.2.1煤矸石制砖(1)煤矸石制烧结砖：烧结

12、砖以煤矸石为主要原料，占配料总量的80%以上， 有的全部以煤矸石为原料，有的加入少量粘土。煤矸石经过破碎、粉磨、搅拌、 压制、成型、干燥、焙烧而成。焙烧时基本上无需再外加燃料。煤矸石砖规格与 性能和普通粘土砖相同。烧制砖的工艺比粘土制砖工艺增加了一道粉碎工序。可 选用颚式或锤式破碎机、球磨机等分别进行粗、中、细碎，并对原料进行陈化， 以增加塑性。(2)煤矸石制烧结空心砖。以煤矸石为主要原料，对煤矸石化学成分的要求与 煤矸石烧结砖相同，但对粉碎要求较高。以自燃或人工煅烧煤矸石为骨料，以磨 细生石灰、石膏作胶结料，经振动成型、蒸汽养护而成。产品标号可以达到200 号。煤矸石空心砌块生产工艺简单，技

13、术成熟，产品性能稳定，使用效果良好。3.2.2煤矸石生产水泥(1) 煤矸石代粘土烧制硅酸盐水泥熟料。在烧制硅酸盐水泥熟料时，掺入一 定比例的煤矸石，部分或全部代替粘土配制生料。煤矸石主要选用洗矸，岩石类 型以泥质岩石为主，砂岩含量尽量少。(2) 以煤矸石作混合材料磨制各种水泥。用作水泥混合材料的煤矸石要求是 碳质泥岩和泥岩、砂岩、石灰岩(氧化钙含量70%),通常选用过火或煅烧过的煤 矸石。3.2.3煤矸石制轻集料煅烧煤矸石轻集料。由碳质泥岩和泥岩类煤矸石经破碎、粉磨、成球、烧胀、 筛分而成。轻集料和用轻集料配制的砼是一种轻质、保温性能较好的新型建筑材 料，可用于建造大跨度桥梁和高层建筑。用煤矸

14、石烧制轻集料有两种方法，即成 球法和非成球法。成球法是将煤矸石破碎和粉磨后制成球状颗粒，然后送入窑炉 中焙烧；非成球法是把煤矸石破碎到一定粒度直接焙烧。煤矸石轻集料的质量主要取决于煤矸石的性质和成分。适宜烧制轻集料的煤 矸石主要是碳质页岩和选煤厂排出的洗矸，矸石中的含碳量不要过大，以低于 13%为宜。3.2.4煤矸石制加气混凝土煤矸石加气混凝土是以过火煤矸石为硅质原料，以生石灰为钙质原料，加少 量铝粉和适量石膏经搅拌、浇注、静停、蒸压而成。3.3回收有益矿产及制化工原料3.3.1从煤矸中回收有用矿物有些矸石中往往混入发热量较高的煤、硫铁矿。可以采用适当的加工方法回 收有用矿物，提高其品位，使其

15、作为燃料或原料使用。我国硫铁矿资源比较丰富, 其中一半以上是与煤共生或伴生的形式存在。据不完全统计，我国煤系硫铁矿主 要产地204处，保有储量346334.66X 10化,资源总量（预测储量）为136605.1 X 10牡。 我国工业硫67.64%来自硫铁矿，其直接用途是制取硫酸和烧制硫磺。从矸石中 回收硫铁矿，使资源得到合理利用，减少硫磺进口，具有显著的经济效益和社会 效益。3.3.2从矸石中提取化工产品煤矸石作为化工原料，主要是用于生产无机盐类的化工产品。我国的煤系高 岭岩矿石质量普遍较好。近年来调查统计结果表明，我国煤系高龄岩资源量巨人, 现已探明的储量在16.73X104t以上，远景储

16、量达56X108t，由此可见，煤系高 龄岩是我国重要的优势资源，随着世界范围内的高岭土资源的日益减少，它将愈 来愈被世界所瞩目。煤矸石中所含的高岭岩在一定的物理、化学条件下经深加工, 高岭岩矿物可转变成结晶的或无定形的单晶相或多晶相产品，生产硫酸铝、聚合 氯化铝、氢氧化铝、氧化铝。4A分子筛、莫来石砂、白炭黑，铵明矶等系列化 工产品。含硫量大于6%的煤矸石，其中的硫以黄铁矿的形式存在且结核状或块状， 可回收其中的硫铁矿。煤矸石还可以提取五氧化二钡及其他稀有兀素。3.4煤矸石生产农肥及改良土壤3.4.1煤矸石制微生物肥料以煤矸石和磷矿粉为原料基质，外加添加剂等，可制成煤矸石微生物肥料。 煤矸石中有机质含量越高