煤矸石的资源化应用

煤矸石的资源化利用第1页共121页煤矸石的资源化利用摘要：文章在分析煤矸石来源的基础上，指出煤矸石的危害；根据煤矸石的成分及理化性质，论述现阶段国内外煤矸石资源化研究进程，并深入发掘其存在的不足之处，最终提出了解决煤矸石危害问题应当从源头抓起与资源化利用相结合的新思路，以求实现经济效益、社会效益与环境效益完美统一。关键词：煤矸石；资源化AbstractThepaperstatesbrieflyitsharmsbasedontheanalysisofsourceofcoalgangue.Accordingtothecompositionandpropertiesofcoalgangue,thispaperpointsoutthecurrentresearchprogressandrecyclinggangue,anddeeplyexplorestheexistingshortcomings,andfinallyputsforwardanewideatosolvegangueproblemsfromsourcegrabbedandshouldbecombinedutilization,inordertorealizetheeconomicbenefitandsocialbenefitandenvironmentalbenefitofperfectandunified.Keywords:coalgangue;resourceutilization1问题的提出我国是煤炭生产大国，同时也是煤炭消费大国，在我国能源消费结构中，煤炭占全国一次能源的70％左右。煤炭是我国能源的基础，在我国经济发展中发挥着巨大的作用，在未来相当长的时期内，我国仍将是以煤为主的能源结构。进入新世纪，国家明确提出经济的发展必须走一条科技含量高，经济效益好，资源消耗低，环境污染少，人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路。对于矿业而言，就是要走资源开发与环境保护相协调的绿色矿业之路，必须对矿山开采产生的各种废弃物尤其是煤矸石进行合理处理与资源化利用。煤矸石是一种在煤形成过程中与煤伴生共生的坚硬岩石，是煤炭开采和加工中排出的废弃物，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一。煤矸石中，一般碳及有机挥发分约占20％，灰分约占80％。灰分化学组成范围见表1-1。此外还含有可观的包括微量元素和稀有元素在内的伴生元素。煤矸石的化学组成与岩石种类和矿物组成有关，其差异较大。华北科技学院毕业设计论文第2页共121页煤矸石种类SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO2烧失量炭质页岩泥质页岩砂质页岩46~6344~556~1517~2344~5545~527~2016~2618~210.5~7.59~2514~210.6~1.31~52~60~50.3~72~420~4510~286~15表1-1煤矸石的化学成分（%）煤矸石炭质页岩呈黑褐色，层状结构，油脂光泽，根据岩相分析，除较低含量的炭外，其主要矿物成分是伊利石、高岭土等矿物，以及石英、云母、长石及少量的碳酸盐和硫铁矿等，煤矸石能够满足铁路路基填料要求。其物理及力学性质详见表1-2:项目干容重/(t/m-3)比重吸水率/%压碎值/%指标1.182.653.030.5表1-2煤矸石物理及力学性质目前，我国煤矸石已经累计堆存约45亿t，占用地约1.5万km2。预计2010年将每年增加2~3亿t，年新增占地约6~7km2。煤矸石的长期大量堆存不仅占用了大量的土地，自燃后生成H2S、SO2等有害气体，污染空气，形成酸雨，污染水源和土地，抑制植物生长，危及人类健康，构成了对生态和环境的双重破坏；矸石山的坍塌、爆炸会引起更严重的后果，造成人员伤亡，掩埋房屋、耕地等，如图1-1、1-2所示[1～4]。图1-1矸石山自燃散发出大量恶臭的烟雾煤矸石的资源化利用第3页共121页图1-2矸石山坍塌造成人员伤亡随着国民经济的发展，煤炭需求总量不断增加，煤矸石的产生量还会大幅增加，煤矸石对环境污染已成为我国煤炭行攮最为突出的环境闻题之一。换个角度来看，煤矸石又是一种可供开发和利用的自然资源，因此，我们必须依靠科技进步对煤矸石进行充分的资源化利用，变废为宝，减少煤矸石对环境所带来的危害。大力开展煤矸石综合利用，不仅可以调整企业产业结构，创造新的就业岗位，提高矿井的综合效益；同时又可减少土地压占，改善环境质量。几十年来，国内外在煤矸石的治理和资源化综合利用方面取得了一定的成就。但是，目前对矸石的处理方法还存在以下两方面的不足：一方面，煤矸石处理的量还较少，就利用某一单一技术处理而言，处理量一般也仅占矸石产出量的50%左右；另一方面，地面处理时，在煤矸石利用的过程中，普遍存在着资源利用不充分、经济效益不明显等问题，有时还存在严重的二次污染，制约了煤矸石综合利用工艺和技术的发展及应用[2～8]。国家经贸委在“九五”期间把扩大煤矸石的利用作为资源综合利用的重点工作。为此，国家经贸委、科技部联合发布了《煤矸石综合利用技术政策要点》。该要点提出了煤矸石综合利用的指导思想，提出了煤矸石综合利用要坚持“因地制宜，积极利用”的指导思想，实行“谁排放、谁治理”、“谁利用、谁受益”的原则。“十五”期间我国煤矸石综合利用的指导思想应该坚持以市场为导向，以科技为先导，以效益为中心，以企业为主体的原则，强化政策引导，依靠技术进步，加强科学管理，因地制宜，积极利用，多种用途，讲求实效，大幅度提高利用率，努力实现从“堆放为主”向“利用为主”的转变，实现经济效益、环境效益、社会效益的相统一，促进经济社会可持续发展，国家要求到2005年，全国煤矸石综合华北科技学院毕业设计论文第4页共121页利用率力争提高到60%。国内外目前对煤矸石地面利用一般采用煤矸石发电、煤矸石制作建筑材料、充填采煤造成的地面塌陷区等技术，此外，因煤矸石含有丰富的利于农作物生长所必需的微量元素，国内外目前在利用煤矸石生产复混肥料方面做积极研究。井下处理一般以其对局部空间(如宽巷掘进，矸石充填等)进行充填，目前主要针对矸石充填后对上覆岩层的支撑效果及充填工艺进行研究。综观国内外矸石处理与利用技术的开发与实践，都是从“治”的角度，实施滞后处理与局部解决，难以真正实现资源开采与环境保护相协调。应在煤矿新井设计中，就考虑煤矸石的合理利用，从传统的煤矿“采、掘”二元开采，跨越到“采、掘、处”三元开采，并形成一套煤矿“三元”开采技术体系。随着我国可持续发展战略的进一步推进，煤矿生产的环境与安全压力越来越大。煤矿生产带来的多种灾害，应尽量从开采的源头想办法解决。将煤矸石在井下合理处理与利用，以减少地表沉陷和地下水流失、提高资源回收率，实现地面矸石“零”堆放与不迁村采煤，具有重大的社会价值和实践意义，可取得显著的综合经济效益和环境效益。2国内外研究现状2.1国外煤矸石处理概况国外对煤矸石的处理与综合利用研究十分重视，矸石利用率一般在20%~30%以上，高者可达60%~80%以上。据资料报道，美国、英国、德国等西方国家煤矸石的总利用率达90%以上。美国矿业局从19世纪70年代开始，对所有的矸石山进行采样分析，并作出煤矸石综合利用规划。19世纪80年代召开了煤矸石的分类、性质和综合利用的专题会议，研究了煤矸石分类、性质和综合利用有关技术、工艺和设备，除了用于发电、生产砖、多孔轻骨料等建材外，还用含碳较高的煤矸石生产有机矿物肥料。英国煤炭局尽可能减少矸石山对环境的影响，有计划的进行土地恢复和更新，利用煤矸石制作防滑简易路面和建筑材料。此外，俄罗斯利用煤矸石生产水泥和有机矿物肥料、利用高硫煤矸石进行生态无害热处理。煤矸石的资源化利用第5页共121页其他一些国家，如法国、波兰、匈牙利等国家，也对煤矸石的资源化利用进行了相应的研究，并形成了独有的产业链，提高了煤炭企业的经济效益[5～7]。通过调查可以发现，国外处理煤矸石的经验主要有两种途径：一是将其掩埋，用于复田造地等，如英国的阿克顿海尔井工矿，自1983年以来，该矿的矸石全部排入与之毗邻的春野露天采场中用于复田造地；二是将其用于发电、制造建材、铺设道路等[11]，如美国成功研究出直接从燃烧着的煤矸石中回收热能，法国对煤矸石分选发电、制作建材。德国将矸石通过加工筛选，用于建筑公路、防水堤和垃圾场、建筑物地基处理、地面塌陷区充填等[8]。还有部分国外煤炭企业对矸石山进行特别处理，使其表面形成表土层，以种草植树，进行绿化，使其恢复生态功能。如德国鲁尔煤炭公司除在矸石山上种草植树外，还进一步把矸石山建成一个完整的生态系统，有湖泊、陆地，为动植物的生存创造条件并成为供人们休闲游玩的自然风景保护区[9]。在国外，不仅煤矸石的地面综合利用技术先进，矸石的井下处理技术也有长足的发展。在英国、德国等煤矿中的前进式采煤采后成巷中，用挑顶或卧底的矸石，人工或机械构筑巷旁和支架壁后充填，不仅加强了巷道维护，也避免了矸石混入煤中；在薄煤层中，通过垒砌矸石带实现沿空留巷，既降低了巷道掘进率，减少巷道掘进工程量和费用，也相应地减少矿井排矸量和煤中混入矸石的几率。1995年鲁尔煤炭公司用来充填采空区的矸石量已达20万m3，该公司与德国蒙坦矿业咨询公司合作研究出泥浆法，建立一套完整可靠的充填系统。矸石作为充填料的骨架，通过混合形成高浓缩固体料—水混合剂，充填采空区，不仅减少了矿山压力以及井巷建筑的破坏，防止采空区残煤的自燃，而且可以减轻地面塌陷以及对地面建筑物、耕地的破坏[10]。另外，国外在减少煤矸石排出量方面也作了大量的研究工作。一是改革巷道布置，积极推广全煤巷布置。美国、澳大利亚、南非等国几乎全部采用多煤巷开拓方式。德国和英国也逐渐向全煤巷开拓发展。德国许多矿井已取消了排矸系统。实现全煤开拓方式的若干支持技术也有了很大发展：高度集中生产的快速掘进技术使煤巷维护矛盾显得不那么突出了；锚、网、喷等综合支护新技术的发展，使大断面煤层巷道能长期维护使用；新型辅助运输技术和装备的出现，对煤层巷道的适应性有了很大提高。二是选择高效清洁的采煤方法和工艺。采煤方法和工艺华北科技学院毕业设计论文第6页共121页直接影响到矿井生产的原煤质量和地面环境。目前已开展的工作主要体现在如下几个方面：积极推广大采高开采技术，减少5m以下煤层分层开采时矸石和其他杂物混入煤中的几率，降低原煤含矸率和灰分，同时减少了巷道准备工作量，简化了煤层多层开采的程序，提高了工作面产量和效率。2.2国内煤矸石研究概况2.2.1煤矸石的组分与性质煤矸石是煤矿在建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选过程中排出的含碳岩石及岩石，是煤矿建设和生产中的废弃物。然而，其作为一种资源的另一面越来越被学者们所关注，因此对矸石性质和分类的研究也日益增多并取得了一定的成果。煤矸石主要有残煤、炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、砂岩、硫铁矿等组成，其岩石和矿物成分主要为高岭石、伊利石和绿伊混层等粘土矿物，其余为煤、石英和黄铁矿等。煤矸石中化学成分主要有碳、氢、氧、氮、硅、铝、钾、钙、钠、镁等。煤矸石产地不同，其组分和性质亦不相同。其固定含碳量一般在10%～30%之间，发热量低者仅为6000kJ/kg左右，高者可达12000kJ/kg以上。针对煤矸石的分类，国内学者提出了多种科学的分类标准，其中，得到大多学者认可的是以煤矸石的产出方式为主要划分依据，将煤矸石划分为煤巷矸、井岩巷矸、剥离矸、手选矸、选煤矸和自然矸(过火矸)等六大类[11-12]。2.2.2国内煤矸石利用概况虽然我国在这一方面的研究工作与发达国家相比起步较晚，技术水平有一定的差距，但是我国在煤矸石供热发电、生产建筑材料和化工产品等诸多资源化技术领域的研究中，已取得了一系列符合我国国情、具有中国特色和显著社会环境和经济效益的重要成果，从而使我国在短短的十年内，把煤矸石的资源化利用率由1987年的17%提高到2000年的43%[13]，大大缩小了与工业发达国家煤矸石资源化技术水平的差距。在国家《煤矸石综合利用技术政策要点》中指出，煤矸石综合利用以大宗量利用为重点，将煤矸石发电、煤矸石建材及制品、复垦回填以及煤矸石山无害化处理等