煤矸石成分及其再利用技术研究

1 煤矸石的成分研究

1.1 煤矸石的矿物组成

煤矸石属于掺夹在煤层中的脉石，在煤炭开采或者洗选过程中分离出来的。一般的煤矸石为无机物和可燃有机物的混合物，其主要成分包括煤炭、砂岩和泥质页岩等。煤矸石成分不同，可应用于不同行业，发挥不同的作用。根据工作面地质条件的不同，煤矸石的主要物组成成分和比例不尽相同[2]。一般的煤矸石主要包含的矿物质有黏土矿物、硫铁矿、石英石和各种碳质。

1.2 煤矸石的化学组成

鉴于煤矿地质、水文条件的不同，煤矸石的矿物组成成分不尽相同;再加上所采用的采煤工艺不同，使得开采过程中伴随而生的煤矸石的化学成分也不同。经研究可知，煤矸石中除了含有一定量的碳外，还包含有 SiO2、Al2O3、CaO、MgO 和 K2O 等化学物质。其中，SiO2 占煤矸石所有化学成分的 50%左右[3]。本文以 A 矿采集到的煤矸石为研究对象，对其主要成分进行研究分析。具体操作步骤为：所采集到的煤矸石经粉碎机粉碎后，过筛处理后得到煤矸石粉末，取适量的粉末经煅烧、蒸干脱水、原子吸收光谱分析等，对其化学成分进行测定。 A 矿煤矸石中占比最高的化学物质为 SiO2，占比为 27%;其次为 Al2O3，占比为 20%;然后为 Fe2O3，占比为 8%。

2 煤矸石静态浸泡试验研究

煤矸石中除了包含表 1 所示的化学成分外，还存在一定量的有害元素，包括 Cu、Zn、Cr、Pb、Mn、Ni 和Hg 这些重金属元素。煤矸石中所含的有害元素是破坏环境的关键。因此，对于再利用的煤矸石，除了需准确掌握其中的无害元素外，还需精确掌握其中的有害物质，以便根据其再利用的用途采用相对应的技术将煤矸石中的有害物质降至相关标准范围之内[4]。

2.1 静态浸泡试验的目的

煤矸石中有害元素的浸出量与众多因素相关，主要包括煤矸石的堆放高度、煤矸石的颗粒大小和矿井所处位置的降水情况。此次煤矸石静态浸泡试验的主要目的是，得出不同有害物质的浸出量与矿区降水 pH 值的关系以及某种有害元素全部浸出所需的时间。

2.2 静态浸泡试验过程

取 A 矿的煤矸石，将其粉碎成一定粒度大小的粉末后浸入不同 pH 值的浸泡液中，并定期取定量的浸泡液分析其中有害元素的含量[5]。为了缩短有害元素全部浸出所需的时间，笔者在结合前辈经验的基础上，设定样品粉末的颗粒不得大于 0.063 mm。结合 A 矿当地降水的 pH 值，设定浸泡液的 pH 分别为 5.1、6.3 和 7.5，设定煤矸石粉末浸泡时间分别为 1 d、3 d、6 d、10 d、20 d 和 40 d。此次浸泡试验分析的有害元素包括 Cu、Pb 和 Hg 这些重金属元素。

2.3 试验结果分析

静态浸泡试验结果如表 2 所示。分析表 2 数据可得，Cu 随着浸泡时间的延长，其浸出浓度增大，且其浸出浓度随 pH 值变化的情况无规律，说明 Cu 元素的浸出与 pH 值无关;Pb 的浸出量与浸泡时间和 pH 值无关;Hg 的浸出量受 pH 值的影响较小，随着浸泡时间的延长，Hg 的浸出浓度相差不大。

3 煤矸石再利用技术研究

煤矸石的堆放不仅会占据极大的土地面积，造成资源的浪费，而且其中所含的有害元素还会对周边环境造成污染。因此，需对煤矸石进行再利用。目前，煤矸石的再利用技术主要体现在以下几个方面。

3.1 生产水泥

通过对煤矸石中成分的研究，其中含 SiO2、Al2O3和 Fe2O3 的比例较高。因此，煤矸石常替代黏土生产为普通硅酸盐水泥、特种水泥和无熟料水泥等。

3.2 生产特种砖及石棉瓦

将煤矸石、黏土和砂等原料按照一定的比例经粉碎、成型和焙烧等工艺制得特种砖;将煤矸石与绿页岩按照 1∶2 的比例混合，经破碎、搅拌、焙烧等工艺制得轻质建筑材料，其中，焙烧的温度控制在 1 250 ℃左右;将煤矸石与石灰按照一定的比例混合，采取高温熔化并控制燃烧温度等工艺手段制得石棉瓦。

3.3 制备化工产品

在高温作用下，煤矸石中的 Fe2S3 与氨混合生成(NH4)2SO4，从而制得土产(NH4)2SO4;将一定浓度的烧碱、水和酸浸后的煤矸石按照一定的比例混合后，经蒸汽和加工等工序后制得水玻璃。

4 结语

煤矸石作为煤炭生产和煤炭洗选过程中不可避免的产物，其所含的有害元素严重破坏周边的环境，长期储存造成了能源的浪费。所以，需加强对煤矸石的再利用或者对煤矸石进行处理，以确保其中的有害元素降低至标准范围之内。煤矸石中所含的主要化学成分为 SiO2、Fe2O3 和 Al2O3 等，因此，可将煤矸石作为生产水泥、化工产品以及特种砖和石棉瓦的原料应用于工业生产中。