煤矸石资源化利用及复垦技术

第六章煤矸石资源化利用及复垦技术煤矸石：是煤矿开采和洗选分离出的含煤岩石和其它岩石的总称。煤炭开采和加工过程中的必然产物。它包含岩巷矸、煤巷矸、夹矸及洗矸，是多种岩石的混合物。第一节煤矸石概述煤矸石具有双重性，弃之占压土地，并污染环境；用之则可变废为宝，成为可利用的自然资源，造福于人民。因此，探索煤矸石资源化利用的新途径、新技术，尤其是开拓具有高科技含量、高附加值深加工产品，并使其产业化，不但可以取得良好的经济效益、社会效益和环境效益，实现可持续发展。同时，也培育了衰老矿山或资源枯竭型煤矿经济转型接续产业，增加新的经济增长点。矸石中含有C、H、O、N、S等。C、H是有机质组成中的重要成份，也是燃烧时产生热量的最重要的元素。矸石中的S分为有机硫和无机硫两部分。有机硫是成煤植物带来的硫，分布均匀，较难分离出；无机硫主要以硫化物(FeS2)或硫酸盐(CaSO4·3H2O、FeSO4·4H2O)的形式存在。煤矸石的化学成分①按煤矸石来源可划分为：掘进矸石和洗选矸石两大类。掘进矸石即通常所称的“矿井白矸”，它主要是由煤矿巷道掘进中产生的大量岩块组成。洗选矸石一般是由工作面采出的夹矸以及小量的顶底板岩石经原煤洗选分离后排出，通常称为黑矸。②按煤矸石自燃性质划分为：可燃煤矸石和不可燃煤矸石，可燃煤矸石又进一步划分为已燃煤矸石，半燃煤矸石和未燃煤矸石三种。煤矸石的分类•全国历年累计堆积量矸石量约45多亿t，占地1.5万ha以上；•今后每年排放量达1.5～2亿t，占地约300ha；•较大规模矸石山约有1600多座；•是我国目前年排放量和累计存量最大的工业废物，被视为固、气、液三害俱全的“工业废料”。重庆经济信息网1.1煤矸石综合利用煤矸石的利用方式主要有以下几方面：1)用作燃料供热或者发电2)用作建筑材料可以制砖、瓦、水泥等以代替部分粘土。3)用作充填材料塌陷地或者废矿场复垦充填材料；公路路基；井下护巷材料等。4)制取化工产品煤矸石中含有硫、铝、铁、钡等50多种元素，富集量达到具有工业利用价值时可以提取利用。火铺矸石电厂-贵州5)生产农用肥和改良土壤生产有机复合肥料煤矸石含有丰富的植物生长所必须的微量元素。选用含有机质较高的煤矸石经粉碎后，按一定比例与过磷酸钙混合，同时加入适量的活化剂，并加入适量水，经充分反应活化并堆沤后，即成为一种新型实用肥料。还可掺入氮、磷、钾元素，制成全营养煤矸石肥料。煤矸石有机复合肥料属于长效肥料，随着颗粒风化，其中养分将陆续析出，在2-3年内均有肥效有明显的增产效果。与施用其它化肥相比，施用小麦,每亩增产21.3%，施用于水稻增产9.2%，用于果园可增产8.1%。恩施市利用天然含硒煤矸石生产富硒烟叶专用肥初试成功生产微生物肥料煤矸石有机物，是携带固氮、解磷、解钾等微生物最理想的基质和载体，因此，煤矸石又是生产微生物肥料的主要原料，主要以固氮菌肥、磷肥、钾细菌肥为主。改良土壤利用煤矸石的酸碱性及其中含有的多种微量元素和营养成分，可用于土壤改良，调整土壤的酸碱度和疏松度，提高土壤的肥力，促进农作物生长。潞安矿业集团与北京林业大学合作研制出了青椒、谷子专用煤矸石复合微生物肥料。经检测：施用煤矸石复合微生物肥料的青椒、谷子分别要比施普通化肥的同类农作物增产9.3％和10.3％，VB1含量提高103.1％，粗纤维、硝酸盐等含量大大降低，并具有克服施用化肥肥效不长、农作物品质下降等功效。目前，煤矸石的综合利用（如发电、烧砖、提炼硫精矿和其它化工产品等)比例仍然较小，约占当年排放量的20%左右；另外,用作筑路、矿井和沉陷区充填、复垦造田等，约占当年排放量的30％左右，仍有大量矸石山没有或不能充分利用，也没有进行无害化处理。由此，煤矸石山或者矸石场的复垦工作显得尤为重要。•防止或减轻环境污染、改善区域生态环境；•恢复土地资源；•提高企业形象和影响，社会效益显著；•产生经济效益；1.2煤矸石山复垦与绿化的必要性与作用1.3煤矸石废弃地复垦的利用方向(一)农牧业复垦农业复垦主要以种植农作物和果树为主；牧业复垦主要以种植豆科牧草为主。但由于有的煤矸石重金属及其他有毒物质的存在，对粮食和牧草的可食性有一定的影响。另外，这两种复垦方式以覆盖较厚的土层为基础，因此受到经济条件的制约。(二)林业复垦煤矸石山的林业复垦是通过改善煤矸石废弃地的立地条件，选探适宜的造林树种，通过合理的栽植和管理手段，恢复煤矸石废弃地的植物群落，增加煤矸石废弃地的生物多样性，建成稳定、自维持的生态系统，改善矿区环境和矿区景观。(三)景观复垦通过改变煤矸石山的立地条件，选择适宜的煤矸石山植被恢复材料，运用科学的栽植和管理方法，恢复煤矸石山的植被和生态系统，并运用现代景观设计手段，创造适合当地景观特点和人文特点的煤矸石山风景，使煤矸石山既具有稳定的、自维持的植被生态系统．又具有良好的风景景观，实现生态、经济、社会价值等。第二节煤矸石山复垦绿化技术模式和程序一煤矸石山复垦绿化技术模式二煤矸石山复垦的程序第三节煤矸石立地条件改良一煤矸石自燃及其防治技术1煤矸石自燃发火机理1）黄铁矿氧化学说该学说是Plott与Berzelius于17世纪提出并应用于煤自燃发火机理的研究，后来该学说广泛应用于煤矸石山自燃发火机理的研究，是目前学术界普遍认同的矸石自燃理论。煤矸石中的黄铁矿(FeS2)具有较强的还原性，在低温下无论在干燥和潮湿的环境中均易与空气中的氧气发生一系列的氧化-还原反应，并释放出大量的热量。如果矸石山环境散热不良，放热反应所产生的热量不断在煤矸石内部积聚，促使煤矸石内部温度不断升高，当某一局部达到一定温度后，可引起矸石中的煤和可燃物燃烧。2）煤氧化复合自燃学说煤矸石中通常夹带着10％-25％的碳质可燃物，在低温的情况下，矸石中的煤会与空气中的氧发生缓慢的氧化反应，同时放出热量。矸石中的煤氧化时放出的热量如不能全部散发于周围环境中，就会促使矸石升温，温度的升高又会进一步加速氧化放热反应。在达到临界温度点后，氧化反应速度将急剧加快，此时若仍能得到充分的氧气供应，矸石就会很快进入自燃状态。3）细菌作用学说该学说认为硫杆菌对煤矸石的自燃起一定的作用。1934年英国学者Potter首次研究并提出硫杆菌与黄铁矿的作用与煤和煤矸石自燃的关系。1951年波兰学者Dubois等人在考察泥煤的自热和自燃时指出：当微生物极度增长时，一般都伴有生化放热过程，在30℃以下是真菌和放线菌起主导作用，当温度上升到60～70℃时，亲氧真菌死亡，嗜热细菌开始发展，但是在温度超过75℃时所有生化过程均消亡。细菌作用学说认为煤矸石自燃的初期细菌作用起到了一定的自热潜伏作用。4）晶核理论与自由基作用学说煤矸石中黄铁矿晶核在采掘过程中由于外力的作用使其晶核破裂，因而形成了许多的活性面。该破损的晶核非常容易与空气中的氧气分子发生反应，并释放出大量的热量。李增华研究认为，有机大分子物质煤在外力作用下使煤块破裂，产生大量裂隙，必然造成煤分子链的断裂。分子链断裂的本质就是链中共价键的断裂，从而产生大量的自由基，从而为煤矸石中煤与空气中氧气反应创造了条件。5）挥发分学说认为矸石山煤矸石是高度分散的分散体系，其具有巨大的表面能，容易与空气中的氧气发生物理吸附和化学吸附，并释放出热量；而且由于采掘的原因煤矸石中的黄铁矿晶核破裂以及煤分子链断裂，因而形成了许多的活性面，在一定的蓄热温度下煤矸石中所混的煤在一定温度下挥发出一些易燃物质，当达到这些挥发分的燃点时则发生自燃。2煤矸石自燃特性分析煤矸石要发生自燃，必须具备以下4个条件：1）含有能够在常温下氧化的物质或可燃物，即煤矸石具有自燃倾向性；2）有氧气存在；3）有使热量积聚的环境；4）维持足够的时间以达到引燃温度。其中条件1为煤矸石自燃的内部特征，条件2、3和4是煤矸石自燃的外部条件，为此我们要想预防煤矸石自燃发火，就必须着重研究其可以人为改变的外部条件，进而采取措施抑制其自燃发火。3煤矸石自燃的防治措施1）选择合适矸石堆放方法矸石山在自然堆放过程中，会发生粒度偏析，使矸石山内形成了空气通道，结果使矸石山产生“烟囱效应”，所以，许多国家通过采用分层压实方法堆放煤矸石，控制煤矸石的压实程度，来解决矸石山的自燃问题。2)清除可燃物法煤矸石一般含有10％-20％的可燃物质(主要有煤和碳质页岩等)和能够在常温下氧化的物质黄铁矿，在堆积之前，如能回收其中的煤和黄铁矿，不仅能有效地防治自燃，而且能够提高经济效益。3)切断供氧的条件要改变传统的堆放方法，采取“小堆重积”或“小堆薄层压实”的堆放方法，从而隔断氧气的供应。在堆放前，还可先用矸石筑成大坝，然后向大坝内倾倒煤矸石以进一步隔断氧气。对于己成堆但未自燃的煤矸石山，在矸石山中、下部覆盖黄土并压实，或用灌浆胶结固化。1）注浆法工艺过程为先将灭火材料(石灰浆)制成一定浓度的灭火浆液，再在火区布置一系列钻孔，用注浆泵将灭火浆液注入矸石山内部。优点：是可使矸石迅速降温，也有较好的隔氧效果。同时，若注浆材料中含有碱性物质，还可以吸收部分矸石燃烧释放出的SO2气体，有助于减轻自燃矸石山的污染程度，反应中生成的亚硫酸盐与硫酸盐，还具有一定的隔氧作用，而且矸石山内部环境从酸性变为碱性，抑制了硫杆菌类细菌的生长，这样也可大大减小黄铁矿的氧化速率，减小矸石发生自燃的可能性。2）泡沫法泡沫法是向火区灌注泡沫灭火剂，用来隔绝氧气和吸收热量，以此降低矸石温度，从而达到灭火目的。4自燃煤矸石的灭火措施3）挖除火源法或挖掘熄灭法当着火范围不大时，该法实施比较简单，成功率高。但对大面积自燃，人员及设备难以进入火区，挖除火源工作量大，并有一定危险性。因此该方法仅适用于矸石山自燃初期或作为灭火方法的一种辅助措施。4）表面封闭法(覆盖法)在矸石山表面覆盖黄土等惰性物质，来隔绝空气防治自燃。此法尤其适用于新矿井未发生过矸石山自燃的防治，即新矸石一般排出地面就分层覆盖黄土，并夯实充密。大约每2米厚的矸石覆盖1米厚的黄土，效果最佳。5）注水法水分对矸石自燃的作用具有两重性：可起到阻止矸石和氧接触，即起到隔氧阻化的作用。同时，水受热蒸发时能吸热降温，可消耗矸石在氧化时产生的热量，因而热量难以聚积，避免产生升温现象。但当矸石的外在水分蒸发减少到一定程度时，矸石的外在水分可由原来的阻化作用转变为催化作用，从而促使煤矸石氧化和自燃。同时注水法会形成水流通道，为氧气的进入提供了条件，由此又会引发新的矸石的自燃。所以，该方法只能作为一种辅助措施加以使用。6）低温惰性气体法低温惰性气体法是向火区注入液氮、液态二氧化碳等惰性气体，利用其气化时巨大的吸热作用，使矸石快速降温，同时残存在矸石空隙中的惰性气体也可起到隔绝氧气的作用。注浆法的灭火浆液受重力的影响.主要是向下方渗透，而这种冷态气体的扩散不受重力影响，作用范围更大，效果更均匀。但这种方法冷却矸石需大量的惰性气体，气源及灭火成本是这种方法的主要问题二煤矸石废弃地生态恢复与重建技术1煤矸石废弃地植被建设模式1）人工干预植被自然演替模式自然植被演替规律为裸地—一年生草本—多年生草本—灌丛—乔木。植物在矸石裸地定居，自然过程极端缓慢，因而人类可在此阶段改造地貌，加强干预，促进植物着生。具体步骤：改造地貌-促进定居-改良基质-促进演替。通过增加矸石山表层土壤有机质，降低重金属毒性，增加微生物活性，促进植被演替。然后遵循群落演替规律，通过植物种类筛选和合理的植被顺序，达到矸石山植被恢复效果。从裸地到一年生草本植物定居阶段，从一年生草本到多年生草本演替，以自然演替为主。从多年生草本—灌丛—乔木阶段即可加大人为干预。人为干预应以植被演替各阶段之间的迅速转化为原则，在各演替阶段积极地引进下一演替阶段的植物种类。该种植被恢复模式的特点是投入的人力、物力、财力少，生态效益明显，但恢复历史较长，经济效益较低。适合未自燃小型矸石山的治理。2）客土复绿模式客土复垦法是矸石山复垦最直接、最快速的一种复垦途径。它是指在有覆土条件的矸石山废弃地上，覆盖一定厚度(通常为50cm左右)有