新疆煤石特征及資源化利用研究

新疆煤石特征及資源化利用研究

巖墻是煤炭開(kāi)采、洗脫和加工過(guò)程中產(chǎn)生的固體殘?jiān)?，平均排洪量約為12%。中國(guó)的全球儲(chǔ)量和工業(yè)廢物遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了占地面積的45億噸，呈逐年上升趨勢(shì)。據(jù)新疆煤田地質(zhì)局資料顯示,新疆煤炭預(yù)測(cè)儲(chǔ)量1.82~2.19萬(wàn)億t,占全國(guó)預(yù)測(cè)儲(chǔ)量的40.5%,新疆現(xiàn)年開(kāi)采量在5000萬(wàn)t左右,以平均12%的產(chǎn)矸量計(jì)算,每年可產(chǎn)生600萬(wàn)t的煤矸石,預(yù)計(jì)在幾年后煤炭開(kāi)采量會(huì)達(dá)到2億t,年產(chǎn)煤矸石就達(dá)2400萬(wàn)t。煤矸石自燃放出大量有害氣體,堆放過(guò)程中受雨雪侵蝕溶出有害元素,風(fēng)化導(dǎo)致土壤鹽漬化,堆積過(guò)高導(dǎo)致泥石流、山體滑坡等災(zāi)害。煤矸石對(duì)堆積地區(qū)周圍的大氣、水體、土壤、地面環(huán)境造成嚴(yán)重危害。從環(huán)境資源學(xué)的觀點(diǎn)看,煤矸石具有廢渣和資源雙重屬性,如果棄之不用,就成為一大公害,不僅占用大量田地,而且污染和破壞生態(tài)環(huán)境。煤矸石因產(chǎn)區(qū)不同形成年代差異,其化學(xué)成分及含量也變化顯著,因此只有通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)孛喉肥煞纸M成分析評(píng)價(jià)后才能合理的利用。經(jīng)查閱文獻(xiàn),關(guān)于新疆主要煤區(qū)煤矸石特征方面比較系統(tǒng)的資料尚未見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)希望通過(guò)測(cè)定出新疆主要煤區(qū)煤矸石的成分、組成等,從中獲取一些煤矸石的有用信息,為新疆煤矸石的合理應(yīng)用找出適當(dāng)?shù)耐緩健?實(shí)驗(yàn)1.1采礦區(qū)均勻布點(diǎn)取樣選取新疆超過(guò)百億噸煤區(qū)的最大煤礦,由于地理位置、煤礦規(guī)模和矸石分布等不同特征,選取7個(gè)采樣點(diǎn):硫磺溝煤礦、五彩灣煤礦、哈密三道嶺1礦(哈1礦)、哈密三道嶺2礦(哈2礦)、哈密三道嶺露天煤礦(哈露礦)、伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)煤礦(伊喀礦)和伊寧縣達(dá)達(dá)木圖鄉(xiāng)煤礦(伊達(dá)礦)。根據(jù)GB2007.2-87散裝礦產(chǎn)品取樣制樣通則的要求,在采礦區(qū)均勻布點(diǎn)取樣,每個(gè)樣品質(zhì)量最終保持稍大于120kg。采回的樣品顎破成不同粒度、篩分縮樣,最后最少留取1mm×1mm樣品1kg進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。1.2煤石礦物組成分析煤矸石的常量元素分析嚴(yán)格按照GB/T1574-2007煤灰成分分析方法分析;微量元素使用ICP先定性分析,然后對(duì)其中有價(jià)值的元素進(jìn)一步用ICP定量分析;通過(guò)XRD檢測(cè)和Jade檢索,分析每個(gè)煤矸石樣品的礦物組成,并使用K值法計(jì)算出各物相在煤矸石礦物中的大致含量;固定碳含量和熱值使用GB/T212-2008煤的工業(yè)分析方法測(cè)定計(jì)算得到。2結(jié)果與討論2.1煤石的燒失量硫磺溝煤礦、五彩灣煤礦的煤矸石屬于灰矸,哈1礦、哈2礦、哈露礦和伊達(dá)礦的煤矸石屬于黑矸,伊喀礦煤矸石為白矸。常量分析結(jié)果(表1)表明,7個(gè)煤矸石樣品的化學(xué)成分各不相同。除哈密三道嶺的3處煤礦煤矸石化學(xué)成分因其在同一個(gè)地區(qū)的原因比較相似外,其余各地煤矸石成分都有很大不同。從燒失量來(lái)看,各地煤矸石的燒失量從9.07%到72.38%不等,其中哈1礦、哈2礦、哈露礦的煤矸石燒失量在68.19%~72.38%,說(shuō)明其中的碳質(zhì)成分較多。伊寧縣達(dá)達(dá)木圖鄉(xiāng)煤礦的煤矸石燒失量也較大,為55.44%。發(fā)現(xiàn)黑矸的燒失量(黑矸>灰矸>白矸)較大,外貌似煤,硬度較大,密度較其他煤矸石及煤大。從SiO2含量看,五彩灣、伊喀礦煤矸石SiO2含量在67.91%以上,硫磺溝煤礦煤矸石SiO2含量為48.97%,其余各地煤矸石中SiO2含量都很低。Fe2O3含量都在5.38%以下。Al2O3含量最高僅能達(dá)到17.14%,接近于黏土的Al2O3含量。TiO2含量較低,最高僅達(dá)2.89%,與工業(yè)鈦白粉的開(kāi)采品味7.20%相差甚遠(yuǎn)。哈密三道嶺3個(gè)煤礦及伊達(dá)礦煤矸石的Ca、Mg含量相對(duì)較高,在29.65%~33.67%。2.2煤石微量元素的含量ICP定性分析結(jié)果表明,煤矸石中主要元素有C、Si、Al、Fe、Na、Ti、Ca、Mg、S、P,微量元素有Au、B、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cu、K、La、Li、Mn、Mo、Ni、Sc、Sn、Sr、Te、V、Zn、Zr、Ce、Dy、Er、Ga、Gd、Nb。五彩灣煤礦煤矸石中除了含有Mg、Ca、S、P等常量營(yíng)養(yǎng)元素和多種微量元素之外,還含有豐富的有機(jī)質(zhì),可將其用于復(fù)墾造林造田、改良沙地土壤、生產(chǎn)微生物肥料。煤矸石中有價(jià)值元素的定量分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,各地煤矸石中微量元素含量各不相同,其中硫磺溝煤礦煤矸石的Er、Nb、Ca、Zr含量,五彩灣煤礦煤矸石的Er、Nb、Ca、Sn、Zr含量和伊喀礦煤矸石中Ce、Dy、Er、Gd、Ga、Sn的元素含量超過(guò)其地殼豐度。2000年最新工業(yè)指標(biāo)規(guī)定,稀土的邊界品位REO>0.08%,工業(yè)品位REO≥0.1%。硫磺溝煤礦、五彩灣煤礦、伊喀礦煤矸石的總稀土品位為0.0519%、0.1993%、0.0116%,其中五彩灣煤礦煤矸石中稀土達(dá)到工業(yè)開(kāi)采品位,其Nb2O3含量為0.1970%,屬于Nb2O3的中貧礦(Nb2O3的工業(yè)開(kāi)采品位約為0.0160%)。硫磺溝煤礦的Nb2O3含量為0.0447%。五彩灣煤礦和伊喀礦的煤矸石中微量元素Ga已經(jīng)達(dá)到工業(yè)開(kāi)采品味(0.0030%),分別為0.0034%和0.0033%。硫磺溝煤礦和五彩灣煤礦的Zr品味為0.0632%和0.1640%,達(dá)到工業(yè)開(kāi)采品位。其余各地煤矸石的Zr含量都低于地殼豐度。樣品中V的含量都沒(méi)有超過(guò)地殼豐度0.0135%。對(duì)煤矸石中的微量元素的利用除品位要求外,礦石的種類、嵌布特征及賦存狀態(tài)在其開(kāi)發(fā)利用中也起著關(guān)鍵的作用,因此對(duì)煤矸石中微量元素進(jìn)行開(kāi)采之前,還需要對(duì)這些因素進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究。2.3煤石礦物組成煤矸石中的礦物種類類似于煤,大多是結(jié)晶相,包括硫化物-含硫的酸式鹽、氧化物-氫氧化物、硅酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、氯化物、單質(zhì)元素、釩酸鹽、鎢酸鹽和其他一些由礦物學(xué)嚴(yán)格定義分類的礦物。為了解新疆主要煤區(qū)煤矸石中的礦物組成,參照煤的礦物組成研究方法,使用XRD方法檢測(cè)煤矸石這種復(fù)雜物相中常量、大量以及一些含量在0.1%~1.0%的少量結(jié)晶相礦物質(zhì)。煤矸石中可能還有一些含量很少的礦物元素不以礦物質(zhì)形式而可能以非晶質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)金屬化合物等形式存在。又通過(guò)無(wú)標(biāo)量XRD的K值法計(jì)算得到各主要物相在煤矸石礦物組成中的大致含量。具體XRD圖譜筆者僅列出硫磺溝煤礦和哈露礦兩處的煤矸石物相組成。其余略。從XRD圖譜(圖1)可見(jiàn)各衍射峰峰型尖銳,沒(méi)有漫峰,即煤矸石中的礦物質(zhì)絕大多數(shù)是結(jié)晶相。硫磺溝煤礦煤矸石主要由石英、高嶺土、白云石和菱鐵礦組成;五彩灣煤礦煤矸石主要礦物質(zhì)有石英、高嶺土和少量的TiO2;哈1礦和2礦煤矸石主要由CaCO3和白云石組成,還有少量的鈣鎂菱鐵礦或菱鐵礦;哈露礦煤矸石主要由碳酸鈣、白云石組成;伊喀礦煤矸石主要由石英、高嶺土組成;伊達(dá)礦煤矸石主要由白云石、石英和高嶺土組成。各主要成分在礦物組成中所占含量如圖2所示。2.4熱值和石的含量煤矸石固定碳的測(cè)定采用GB/T212-2008煤的工業(yè)分析方法,熱值采用李慶繁提出的對(duì)煤矸石發(fā)熱量的計(jì)算方法計(jì)算得出,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,黑矸的熱值較高。哈密三道嶺3處煤礦的煤質(zhì)都很好,采得的煤矸石樣品為手選矸石,其固定碳含量在30.73%以上,揮發(fā)分在37.58%~38.21%,熱值達(dá)到17019~18054kJ/kg,各方面參數(shù)較接近于煤,若根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工研究分院的陳鵬教授對(duì)低煤階煤的劃分建議,應(yīng)認(rèn)為哈密三道嶺的3處煤礦的矸石可劃分為褐煤。由于當(dāng)?shù)貙?duì)其采用矸石的處理方式,本實(shí)驗(yàn)暫且將其當(dāng)作煤矸石處理。其次是伊寧縣達(dá)達(dá)木圖鄉(xiāng)煤礦煤矸石固定碳含量為15.27%,但其揮發(fā)分很高(39.42%),使得熱值達(dá)到12253kJ/kg。這4處煤礦的煤矸石可直接用于發(fā)電、取暖。其他幾處的煤矸石固定碳含量都小于6.20%,硫磺溝煤礦和五彩灣煤礦的煤矸石熱值在4401~4913kJ/kg,伊喀礦煤矸石熱值很低,僅為1756kJ/kg。2.5煤石體制組成由于各地煤矸石成分復(fù)雜,物理化學(xué)特性各異,加之不同煤矸石的加工利用方向?qū)γ喉肥奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)要求不同,通過(guò)對(duì)煤矸石進(jìn)行分類,給出新疆主要煤區(qū)煤矸石的主要成分組成報(bào)告,為其綜合利用提供信息。通常煤矸石按來(lái)源(煤巷矸、巖巷矸、自燃矸、洗矸、手選矸和剝離矸)、巖石類型(黏土巖矸石、砂質(zhì)巖矸石、粉砂巖矸石、鈣質(zhì)巖矸石、和鋁質(zhì)巖矸石)、碳含量(四類煤矸石、碳含量>20%,三類煤矸石、碳含量6%~20%,二類煤矸石、碳含量4%~6%,一類煤矸石、碳含量<4%)、鐵化合物含量(少鐵<0.1%、低鐵0.1%~1.0%、中鐵1.0%~3.5%、次高鐵3.5%~8.0%、高鐵8%~18%、特高鐵>18%)和鋁硅比(硅鋁比>0.5、硅鋁比0.5~0.3、鋁硅比<0.3%)進(jìn)行分類。將采樣的信息作為按來(lái)源分類的依據(jù),XRD和煤矸石常量成分分析中Al2O3含量(Al2O3含量≥18%為黏土型,Al2O3含量<18%為非黏土型)的測(cè)定作為按巖石類型分類的依據(jù);測(cè)定得到的固定碳含量和計(jì)算得到的熱值作為按碳含量分類的依據(jù);煤矸石常量成分分析中SO3、Fe2O3、SiO2和Al2O3含量的測(cè)定作為硫含量、鐵化合物含量、硅鋁比的分類依據(jù),對(duì)各地的煤矸石進(jìn)行分類(表4)。硫磺溝煤礦為井下采礦,巷道輸送模式最典型的為神華集團(tuán)的屯寶煤礦。五彩灣煤礦是露天煤礦,周圍堆積了大面積的煤矸石山。這兩處的煤矸石都屬于砂質(zhì)巖矸石,經(jīng)過(guò)石灰石、黏土等的調(diào)節(jié),可用作生產(chǎn)硅酸鹽水泥的原料、混凝土摻合料和混凝土集料,其SiO2含量(70.25%、67.91%)在50%~80%,Al2O3含量(4.68%、17.14%)可用礬土調(diào)節(jié)到5%~25%,CaO含量(1.22%、1.89%)在0~15%,MgO含量(1.10%、1.62%)在0~5%,SO3含量(0.52%、0.10%)在0~3%,燒失量(18.20%、9.07%)在3%~15%,再將Fe2O3含量(1.01%、1.08%)調(diào)節(jié)到2%~15%,就滿足了煤矸石制磚的要求,也可用于復(fù)墾采煤塌陷區(qū)和回填礦井采空區(qū)。哈1礦的產(chǎn)矸率僅為3%左右,基本無(wú)矸石堆積,屬手選矸;哈2礦有大量煤矸石堆積,部分發(fā)生自燃,屬自燃矸;哈露礦開(kāi)采時(shí)間已久,剝離矸石大部分用于回填,現(xiàn)產(chǎn)出的矸石屬煤層中的夾矸,所以含碳量較高。這3個(gè)礦都是鈣質(zhì)巖矸石,按碳含量分屬四類煤矸石,可用于煤矸石發(fā)電、取暖。伊喀礦有大量煤矸石堆積,這里的煤矸石基本不含碳,成分與黏土相似,鋁含量在20%±5%范圍內(nèi),灼燒前后硫含量都低于1%,可用于生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥;若用礬土調(diào)節(jié)其中的Al2O3含量至大于28%,可用于生產(chǎn)硫鋁酸鹽水泥和氟鋁酸鹽水泥。伊達(dá)礦有大量煤矸石堆積,按碳含量分屬三類煤矸石,但由于其高的揮發(fā)分使得熱值達(dá)到12253kJ/kg,適合于煤矸石發(fā)電,做燃料。伊達(dá)礦煤矸石因其鎂含量過(guò)高,若配制混凝土?xí)?dǎo)致材料的脹裂,難以作為水泥、混凝土和建筑材料的生產(chǎn)原料。3煤石利用的途徑(1)煤矸石可做建筑材料。硫磺溝煤礦煤矸石、五彩灣煤礦煤矸石、伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)煤礦煤矸石因硅含量較高,可調(diào)節(jié)其他元素含量,生產(chǎn)硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、混凝土摻合