研究生課程考試卷學(xué)號(hào)、姓名：趙姝瑤20132404年級(jí)、專業(yè)：13級(jí)環(huán)境科學(xué)與工程培養(yǎng)層次： 碩士 課程名稱： 授課學(xué)時(shí)學(xué)分： 考試成績(jī)： 授課或主講教師簽字： 煤矸石的環(huán)境影響及其綜合利用摘要:煤矸石是我國(guó)排放量最大的工業(yè)廢渣之一。不僅占用大量農(nóng)田和土地，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。加強(qiáng)對(duì)煤矸石利用的研究，以將其資源化。本文闡述了我國(guó)的煤矸石概念，分類及基本性質(zhì)：分析了其對(duì)環(huán)境的影響，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外煤矸石的研究和應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞:煤矸石環(huán)境影響綜合利用研究和應(yīng)用現(xiàn)狀煤炭是我國(guó)最主要的能源，其資源非常豐富。隨著煤炭生產(chǎn)的不斷發(fā)展，煤矸石的產(chǎn)量與日俱增。煤矸石產(chǎn)量按原煤產(chǎn)量的15%計(jì),每年煤矸石至少增加1?2億噸以上。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)歷年累計(jì)堆放的煤矸石總積存量約為45億t，規(guī)模較大的矸石山約1600多座，占用土地約1.5萬(wàn)公頃。這樣大量的煤矸石既浪費(fèi)了國(guó)家資源，又占?jí)毫舜罅客恋?，使礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境受到了污染和破壞。所以，煤矸石的綜合利用是建設(shè)“綠色礦區(qū)”最有效的方法和途徑。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)煤炭仍占一次性能源的70%左右，隨開采量逐年增加，煤矸石的排放量也按比例增加。因此加強(qiáng)對(duì)煤矸石的研究，大力開展煤矸石的資源化利用，意義十分重大。煤矸石概述1.1煤矸石的概念、來(lái)源及分類煤矸石又稱夾矸石，是在成煤過程中與煤伴生的一種含碳量相對(duì)較低的黑色巖石，是采煤和洗煤過程中產(chǎn)生的次級(jí)代謝廢物，其產(chǎn)生量大約相當(dāng)于煤炭產(chǎn)量的10%左右⑴。它包括巷道掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)矸石、采掘過程中從頂板、底板及夾層里采出的矸石以及洗煤過程中挑出的洗矸石。煤矸石是指煤礦建設(shè)生產(chǎn)過程中所排放出的固體廢棄物的總稱。其來(lái)源主要有以下三個(gè)方面：巖石巷道掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的煤矸石，通常稱為原礦石，占煤矸石的60%-70%。主要巖石有泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖、砂巖、礫巖、石灰?guī)r等。采煤過程中從頂板、底板和夾在煤層中的巖石夾層里所產(chǎn)生的煤矸石,占煤矸石的10%-30%。煤層頂板常見的巖石包括泥巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖;煤層底板的巖石多為泥巖、頁(yè)巖、黏土巖、粉砂巖；煤層夾肝的巖石有黏土巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖等。煤炭分選或洗選過程中產(chǎn)生的煤矸石，又被稱為洗矸石，約占煤矸石的5%。其中主要由煤層中的各種夾石如高嶺石、黏土巖、黃鐵礦等組成。1.2煤矸石的組成1.2.1化學(xué)組成煤矸石的化學(xué)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等金屬元素，煤矸石的化學(xué)成分不穩(wěn)定，不同地區(qū)的煤矸石成分變化較大2,放射性元素含量一般不高。煤矸石易風(fēng)化形成疏松多孔狀產(chǎn)物，釋放出植物營(yíng)養(yǎng)元素,并逐步向土壤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變［3］。1.2.2礦物組成煤矸石與煤系地層共生，是多種礦巖組成的混合物，屬于沉積巖。煤矸石的巖石種類主要有粘土巖類、砂巖類、碳酸巖類、鋁質(zhì)巖類。粘土巖類中主要礦物組分為粘土礦物，其次為石英、長(zhǎng)石、云母和黃鐵礦、碳酸鹽等自生礦物。此外還含有豐富的植物化石、有機(jī)質(zhì)、碳質(zhì)等。砂巖類礦物多為石英、長(zhǎng)石、云母、植物化石和菱鐵礦結(jié)核等，并含有碳酸巖的粘土礦物或者其它化學(xué)沉積物。采煤掘進(jìn)巷道選出的煤矸石多以砂巖為主。碳酸鹽類礦物的組成為方解石、白云石、菱鐵礦、并混有較多的粘土礦物、陸源碎屑礦物、有機(jī)物、黃鐵礦等。鋁質(zhì)巖類均含有高鋁礦物:三水鋁礦、一水軟鋁石、一水硬鋁石，此外還常常含有石英、玉髓、褐鐵礦、白云母、方解石等礦物。⑷1.3煤矸石的工藝物理特性1.3.1可塑性煤矸石必須經(jīng)細(xì)碎后才有塑性，矸石中砂巖塑性較頁(yè)巖差?；旌享肥?jīng)粉碎至250目篩篩余＞2%時(shí)，其可塑指標(biāo)可達(dá)2.8?3相應(yīng)含水率為23?25%，如果進(jìn)一步細(xì)碎至300目篩篩余＜2%，則塑性會(huì)更大。1.3.2收縮性煤矸石塑性低，收縮也就較小，一般線收縮在2.5?3%。燒結(jié)后的線收縮在2.2?2.4%，相應(yīng)吸水率在17?19%。1.3.3燒結(jié)溫度范圍煤矸石的燒結(jié)溫度一般在1050左右。900左右為一次膨脹，1120至1160時(shí)收縮最小，溫度繼續(xù)上升至1160以上時(shí)產(chǎn)生二次膨脹，由固相轉(zhuǎn)為固掖相或完全融熔1.3.4脫碳溫度煤矸石的脫碳溫度一般總是低于最佳燒結(jié)溫度，最佳脫碳溫度常發(fā)生在1000上下，最低脫碳時(shí)間為200~250分鐘;在整個(gè)脫碳過程中，應(yīng)保持氧化氣氛。1.3.5耐火度煤矸石屬于中低耐火材料，一般耐火度在1300~1350，這主要取決于化學(xué)組成，從相圖角度看，若含和高則熔點(diǎn)高，若含堿金屬和堿土金屬高則熔點(diǎn)就低1.3.6發(fā)熱量煤矸石發(fā)熱量大小和碳含量及揮發(fā)組分多少有關(guān)。我國(guó)煤矸石發(fā)熱量多在6300kJ/kg以下，熱值高于6300kJ/kg的數(shù)量不多，約占10%左右。據(jù)80年代初調(diào)查，熱值為3300?6300kJ/kg、1300?3300kJ/kg和1300kJ/kg以下的煤矸石數(shù)量大體相當(dāng)，各占30%左右。在小于1300kJ/kg的煤矸石中未計(jì)有些露天煤礦開采剝離的泥巖，如果加上這一部分，小于1300kJkg的煤矸石比例將大幅度增加。煤矸石對(duì)環(huán)境的影響2.1影響土地資源的利用煤矸石堆場(chǎng)多位于井口附近，大多緊鄰居民區(qū)，煤矸石的大量堆放一方面占用大量的土地面積，另一方面還在影響著比堆放面積更大的土地資源，使得周圍的耕地變得貧瘠，不能被利用。2.2污染大氣煤矸石露天堆放會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，這主要是由于在地面堆放的煤矸石受到長(zhǎng)時(shí)間的日曬雨淋后，將會(huì)風(fēng)化粉碎；另外，煤矸石吸水后會(huì)崩解，從而很容易產(chǎn)

生粉塵。在風(fēng)力的作用下，將會(huì)惡化礦區(qū)大氣的質(zhì)量。此外，煤矸石中含有殘煤、碳質(zhì)泥巖和廢木材等可燃物，其中C,S可構(gòu)成煤矸石自燃的物質(zhì)基礎(chǔ)。煤矸石露天堆放，日積月累，矸石山內(nèi)部的熱量逐漸積累。當(dāng)溫度達(dá)到可燃物的燃燒點(diǎn)時(shí)，矸石堆中的殘煤便可自燃。自燃后，矸石山內(nèi)部溫度為800?1000°C,使矸主。石融結(jié)并放出大量的CO、CO2、SO2、H2S、NOx等有害氣體，其中以SO2為座矸石山自燃可長(zhǎng)達(dá)十余年至幾十年。這些有害氣體的排放，不僅降低矸主。石山周圍的環(huán)境空氣質(zhì)量，影響礦區(qū)居民的身體健康，還常常影響周圍的生態(tài)環(huán)境，使樹木生長(zhǎng)緩慢、病蟲害增多，農(nóng)作物減產(chǎn)，甚至死亡。2.3危害水土當(dāng)露天堆放的煤矸石山經(jīng)風(fēng)化、雨水淋蝕后，分解成部分可溶鹽，女吧O42-、Mg2+、Ca2+、K+或Na+等，當(dāng)這些可溶鹽浸入土壤，將導(dǎo)致土壤鹽漬化。另外煤矸石除含有粉塵、SiO2、A12O3以及Fe、Mn等常量元素外，還有其他微量重金屬元素，如Pb、Sn、As、Cr等，這些元素為有毒重金屬元素，經(jīng)過雨淋之后會(huì)滲入土壤，進(jìn)入地下水，增加了土壤與水源中重金屬的含量，造成污染。2.4引發(fā)重力災(zāi)害危及人身安全矸石堆自然安息角為38°?40°，在人為開挖和降雨淋濾作用下，易失穩(wěn)引發(fā)重力災(zāi)害，如渣石流、坍塌等。當(dāng)矸石堆場(chǎng)的矸石堆放不合理時(shí)，矸石堆易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，從而導(dǎo)致矸石堆的崩塌、滑移，特別在暴雨季節(jié)，這種現(xiàn)象在山區(qū)尤為常見，易發(fā)生泥石流，從而殃及下游的農(nóng)田、河流及人員安全。煤矸石的資源化處理3.1發(fā)熱和供電煤矸石中含有部分碳和其他可燃物，具有一定熱值，可以被用作燃料使用。但是由于一般煤矸石中可燃物的含量比較低，發(fā)熱量大約在1000-3000kcal/kg之間。其作為一種低熱值燃料，利用其發(fā)電時(shí)一般采用循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)。該鍋爐在燃燒時(shí)，由爐底鼓風(fēng)機(jī)向爐膛進(jìn)風(fēng)使破碎成顆粒的煤粒呈懸浮狀態(tài)，形成流化床。煤可在爐內(nèi)與空氣充分混合，強(qiáng)化了燃燒和傳熱。一般來(lái)說(shuō)，熱值大于4200kJ/kg的煤矸石通過洗選后可作為燃料直接利用，熱值高于6270kJ/kg的煤矸石可而直接作為燃料燃燒供電，使用這種燃料，不僅能節(jié)約大量的優(yōu)質(zhì)煤，而且能減少環(huán)境污染。3.2煤矸石生產(chǎn)建筑材料目前，我國(guó)煤矸石建筑材料利用有以下幾方面：3.2.1煤矸石制磚(1)煤矸石制燒結(jié)磚：燒結(jié)磚以煤矸石為主要原料，占配料總量的80%以上，有的全部以煤矸石為原料，有的加入少量粘土。煤矸石經(jīng)過破碎、粉磨、攪拌、壓制、成型、干燥、焙燒而成。焙燒時(shí)基本上無(wú)需再外加燃料。煤矸石磚規(guī)格與性能和普通粘土磚相同。燒制磚的工藝比粘土制磚工藝增加了一道粉碎工序?？蛇x用顎式或錘式破碎機(jī)、球磨機(jī)等分別進(jìn)行粗、中、細(xì)碎，并對(duì)原料進(jìn)行陳化，以增加塑性。(2)煤矸石制燒結(jié)空心磚。以煤矸石為主要原料，對(duì)煤矸石化學(xué)成分的要求與煤矸石燒結(jié)磚相同，但對(duì)粉碎要求較高。以自燃或人工煅燒煤矸石為骨料，以磨細(xì)生石灰、石膏作膠結(jié)料，經(jīng)振動(dòng)成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)而成。產(chǎn)品標(biāo)號(hào)可以達(dá)到200號(hào)。煤矸石空心砌塊生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，使用效果良好。3.2.2煤矸石生產(chǎn)水泥煤矸石代粘土燒制硅酸鹽水泥熟料。在燒制硅酸鹽水泥熟料時(shí)，摻入一定比例的煤矸石，部分或全部代替粘土配制生料。煤矸石主要選用洗矸，巖石類型以泥質(zhì)巖石為主，砂巖含量盡量少。以煤矸石作混合材料磨制各種水泥⑸。用作水泥混合材料的煤矸石要求是碳質(zhì)泥巖和泥巖、砂巖、石灰?guī)r(氧化鈣含量〉70%),通常選用過火或煅燒過的煤矸石。3.2.3煤矸石制輕集料煅燒煤矸石輕集料。由碳質(zhì)泥巖和泥巖類煤矸石經(jīng)破碎、粉磨、成球、燒脹、篩分而成。輕集料和用輕集料配制的砼是一種輕質(zhì)、保溫性能較好的新型建筑材料，可用于建造大跨度橋梁和高層建筑。用煤矸石燒制輕集料有兩種方法，即成球法和非成球法。成球法是將煤矸石破碎和粉磨后制成球狀顆粒，然后送入窯爐中焙燒；非成球法是把煤矸石破碎到一定粒度直接焙燒。煤矸石輕集料的質(zhì)量主要取決于煤矸石的性質(zhì)和成分。適宜燒制輕集料的煤矸石主要是碳質(zhì)頁(yè)巖和選煤廠排出的洗矸，矸石中的含碳量不要過大，以低于13%為宜。3.2.4煤矸石制加氣混凝土煤矸石加氣混凝土是以過火煤矸石為硅質(zhì)原料，以生石灰為鈣質(zhì)原料，加少量鋁粉和適量石膏經(jīng)攪拌、澆注、靜停、蒸壓而成。3.3回收有益礦產(chǎn)及制化工原料3.3.1從煤矸中回收有用礦物有些矸石中往往混入發(fā)熱量較高的煤、硫鐵礦?？梢圆捎眠m當(dāng)?shù)募庸し椒ɑ厥沼杏玫V物，提高其品位，使其作為燃料或原料使用。我國(guó)硫鐵礦資源比較豐富,其中一半以上是與煤共生或伴生的形式存在。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤系硫鐵礦主要產(chǎn)地204處，保有儲(chǔ)量346334.66X10化,資源總量（預(yù)測(cè)儲(chǔ)量）為136605.1X10牡。我國(guó)工業(yè)硫67.64%來(lái)自硫鐵礦，其直接用途是制取硫酸和燒制硫磺。從矸石中回收硫鐵礦，使資源得到合理利用，減少硫磺進(jìn)口，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。3.3.2從矸石中提取化工產(chǎn)品煤矸石作為化工原料，主要是用于生產(chǎn)無(wú)機(jī)鹽類的化工產(chǎn)品。我國(guó)的煤系高嶺巖礦石質(zhì)量普遍較好。近年來(lái)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，我國(guó)煤系高齡巖資源量巨人,現(xiàn)已探明的儲(chǔ)量在16.73X104t以上，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量達(dá)56X108t，由此可見，煤系高齡巖是我國(guó)重要的優(yōu)勢(shì)資源，隨著世界范圍內(nèi)的高嶺土資源的日益減少，它將愈來(lái)愈被世界所矚目。煤矸石中所含的高嶺巖在一定的物理、化學(xué)條件下經(jīng)深加工,高嶺巖礦物可轉(zhuǎn)變成結(jié)晶的或無(wú)定形的單晶相或多晶相產(chǎn)品，生產(chǎn)硫酸鋁、聚合氯化鋁、氫氧化鋁、氧化鋁。4A分子篩、莫來(lái)石砂、白炭黑，銨明磯等系列化工產(chǎn)品。含硫量大于6%的煤矸石，其中的硫以黃鐵礦的形式存在且結(jié)核狀或塊狀，可回收其中的硫鐵礦。煤矸石還可以提取五氧化二鋇及其他稀有兀素。3.4煤矸石生產(chǎn)農(nóng)肥及改良土壤3.4.1煤矸石制微生物肥料以煤矸石和磷礦粉為原料基質(zhì)，外加添加劑等，可制成煤矸石微生物肥料。煤矸石中有機(jī)質(zhì)含量越高，煤矸石微生物肥料的碳素營(yíng)養(yǎng)越充足，有助于肥效的發(fā)揮。3.4.2煤矸石制備有機(jī)復(fù)合肥料有的煤矸石有機(jī)質(zhì)含量在15%?25%，甚至25%以上，并含有植物十長(zhǎng)所必需的B、Cu、Mo、Mn等微量元素和較大的吸收容量，這種煤矸石適宜于生產(chǎn)肥料。煤矸石有機(jī)復(fù)合肥料可增加土壤疏松、透氣性，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，達(dá)到增產(chǎn)的目的。生產(chǎn)煤矸石有機(jī)復(fù)合肥一般用化學(xué)活化法。即選用含有機(jī)質(zhì)較高的破碎煤矸石粉與過磷酸鈣按一定比例混合，加入適量的活化添加劑，攪勻，加入適量水，堆漚活化即成。還可在活化后摻入N,K和微量元素等制成全養(yǎng)分肥料。我國(guó)煤矸石肥料研制和推廣應(yīng)用工作取得較大進(jìn)展。曾開發(fā)的全養(yǎng)分矸石肥料，是以煤矸石為主要原料，經(jīng)粉碎后加入改性物質(zhì)，經(jīng)陳化后摻入適量氮、磷、鉀和微量元素制成的一種有機(jī)一無(wú)機(jī)復(fù)合肥料，田間實(shí)驗(yàn)表明，西瓜、蘋果等經(jīng)濟(jì)作物施用這種專用矸石肥料后，一般可增產(chǎn)15%~20%3.4.3利用煤矸石改良土壤利用煤矸石的酸堿性及其中含有的多種微量元素和營(yíng)養(yǎng)成分，可將其用于改良土壤，調(diào)節(jié)土壤的酸堿度和疏松度，并可增加土壤的肥效。具體實(shí)施時(shí)，要查明土壤的化學(xué)成分和性質(zhì)，并在其中摻入一些有機(jī)肥料。在未制定污染控制標(biāo)準(zhǔn)前，應(yīng)參照GB8193-89標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行.3.5利用煤矸石筑路、填坑、土地復(fù)墾3.5.1煤矸石作工程填筑填料⑹煤矸石主要用于充填溝谷、采煤塌陷區(qū)等低洼區(qū)的建筑工程用地，或用于填筑鐵路、公路路基等，或用于回填煤礦采空區(qū)及廢棄礦井。煤矸石工程填筑要獲得高的充填密實(shí)度，使煤矸石地基有較高的承載力，并有足夠的穩(wěn)定性，要求煤矸石是砂巖、石灰?guī)r或未經(jīng)風(fēng)化的新矸石。與向矸石山排矸相比，向沉陷區(qū)直接排矸并不增加費(fèi)用，在經(jīng)濟(jì)上是可行的。3.5.2煤矸石復(fù)墾用煤矸石填埋后的塌陷地，可以用作建筑用地，也可選以草坪植物為主，再植抗旱、耐鹽堿、耐瘠薄的喬木樹種。在其上覆土還田，對(duì)表層已風(fēng)化成土的煤矸石復(fù)墾后，不需復(fù)土，可直接造林或開墾為農(nóng)田，但必須查明確保矸石中的有害元素含量不能超過標(biāo)準(zhǔn)。這樣可以同時(shí)解決礦區(qū)塌陷地和煤矸石造成的生態(tài)問題。這些大批量處理矸石的方法，是解決矸石污染的有效途徑之一。這種方法在平原礦區(qū)，如河北、河南、兩淮等地已有20多年的應(yīng)用歷史。^口：開灤煤礦從1989年起即用煤矸石填坑造地，并進(jìn)行復(fù)土和種植試驗(yàn)，3年共復(fù)土35萬(wàn)m3以上,造地28.7hm2；陽(yáng)泉礦與郊區(qū)富山村合作進(jìn)行填矸造地6.67hm2,價(jià)值達(dá)500萬(wàn)元，利用煤矸石達(dá)60萬(wàn)噸，現(xiàn)已進(jìn)行耕種綠色植物試驗(yàn)，并被列為山西省的示范項(xiàng)目。⑺3.6煤矸石的其他利用途徑3.6.1冶煉硅鋁鐵合金對(duì)于Fe2O3含量較高的煤矸石，可采用直流礦熱爐冶煉硅鋁鐵合金，要求煤矸石的化學(xué)成分見表3。入爐粒度在20?60mm⑻。表3冶煉硅鋁鐵合金的煤矸石原料要求w/%B成分SiO2A12O3Fe2O3含量20?3535?5515?303.6.2制取水玻璃煤矸石的主要成分是A12O3和SiO2,如果將其破碎、焙燒、酸溶、過濾，那么濾液中的氧化鋁經(jīng)過濃縮、結(jié)晶、熱解、聚合、固化、干燥等過程，就可制成聚合氧化鋁。濾渣中的二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)就可制成水玻璃⑼3.6.3生產(chǎn)鑄造型砂高嶺石含量在40%以上的泥質(zhì)巖類煤矸石可作為生產(chǎn)鑄造型砂的原料，煅燒是生產(chǎn)鑄造型砂的技術(shù)關(guān)鍵。煅燒窯爐常采用立窯或倒焰窯。泥巖類煤矸石主要從泥巖含量相對(duì)較多的洗煤矸石、煤巷矸石和手選矸石中采用人工手揀的方法獲得。[10]3.6.4利用煤矸石制取造紙涂料以煤矸石為原料生產(chǎn)涂料級(jí)煅燒高嶺土，利用浸出除雜、濕法超細(xì)磨、煅燒

除碳增白聯(lián)合方法處理煤矸石，可獲得合格的涂料級(jí)煅燒高嶺土產(chǎn)品，其產(chǎn)品性

能符合國(guó)家銅版紙?jiān)旒埻苛霞?jí)標(biāo)準(zhǔn)。采用煤矸石制取造紙涂料具有煤矸石利用量

大、利用徹底的特點(diǎn)，為煤矸石的資源化利用開辟了一條新途徑。3.6.5煤矸石中硫鐵礦在處理含鉻廢水中的應(yīng)用煤矸石中硫鐵礦對(duì)含鉻廢水的處理效果與廢水的pH值關(guān)系較為密切，廢水的pH值越小，對(duì)六價(jià)鉻的去除率越高，相反去除率越低。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，煤矸石中硫鐵礦(S含量為30%)與六價(jià)鉻質(zhì)量比為60:1,處理后含鉻廢水可以達(dá)標(biāo)。利用煤矸石中硫鐵礦處理酸性含