關(guān)鍵詞：煤矸石；基礎(chǔ)性質(zhì)；資源化利用；能源轉(zhuǎn)化

中圖分類號：X7 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500(2025)07-0092-03

DOI:10.3969/j.issn.1008-9500.2025.07.026

Research on the Basic Properties and Resource Utilization Mode of Coal Gangue in Coal Mines

ZHUHongrui，WANGGuodong，MENGHaixin (Yanmei Blue Sky Clean Energy Co.，Ltd.，Zoucheng2735OO，China)

Abstract:Thispaper takes coal gangue fromcoal minesastheresearch object，and systematically studies its basic properties and characteristics through industrialanalysis，chemical composition，and traceelement testing.Research has shown that the main oxide components in coal gangue are SiO ² ，Al ₂O₃ ，and Fe₂O₃ ，withSiO ² having the highest content， followed byAlO3;spiralsortingoftail gangueandhandselectedblackganguehavehighcalorificvalueandaresuitable forenergyutilization;thereareabundant typesof traceelements，and someharmful elements (suchasFand Cr)exceed environmentallimits.ItisnecessarytostrengthenenvironmentalriskcontrolintheprocessofresourceutilizationOnthis basis，resourceutilizationmodelssuchasenergyconversionandutilization，building materialapplication，andadsorption material preparationare proposed，providing technicalsupport for theefcient utilization of coal gangue.

Keywords: coal gangue; basic properties; resource utilization; energy conversion

隨著能源需求的持續(xù)增長，如何提高能源利用效率、降低環(huán)境污染已成為全球關(guān)注的焦點[1-3]。煤化工行業(yè)作為重要的能源轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)，面臨日益嚴格的環(huán)保標準和資源短缺的挑戰(zhàn)。高鹽廢水處理成為制約行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。若處理不當(dāng)，則會污染生態(tài)環(huán)境，影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此，探索高效的廢水處理技術(shù)，特別是基于資源再利用的處理方案，對于推動煤化工行業(yè)的綠色發(fā)展具有重要意義。

1煤矸石概述

煤矸石作為煤炭開采和洗選過程中產(chǎn)生的主要固體廢棄物，其資源化利用與處置問題長期以來備受關(guān)注。隨著我國煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，煤矸石年產(chǎn)量持續(xù)增長，目前累計堆存量已突破60億t，且以每年約3.5億t的速度遞增。大量煤矸石的堆存不僅占用大量土地資源，還會引發(fā)一系列環(huán)境問題。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，我國相繼出臺了《煤矸石綜合利用管理辦法》等政策文件，從制度層面推進煤矸石的資源化利用。從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，煤矸石綜合利用主要圍繞3個方向：一是能源化利用，如煤矸石發(fā)電；二是建材化利用，包括制備水泥、燒結(jié)磚、陶粒等；三是化工利用，如提取氧化鋁、生產(chǎn)化肥等。與傳統(tǒng)的簡單堆存相比，這些資源化利用方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)煤矸石的減量化處置，還可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。目前，我國已經(jīng)初步形成煤矸石綜合利用技術(shù)體系，但在利用效率和產(chǎn)品附加值方面仍有較大提升空間。深入研究煤矸石的基礎(chǔ)性質(zhì)，開發(fā)高效、低成本的資源化利用技術(shù)，對于推進煤炭工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型、構(gòu)建資源循環(huán)利用體系具有重要的現(xiàn)實意義[4-5]

2煤矸石基礎(chǔ)性質(zhì)測試與分析

2.1樣本來源與采集

選取某大型煤礦區(qū)的5種典型煤矸石樣本作為研究對象，包括淺槽塊矸、螺旋分選尾礦、手選黑矸、手選白矸和碳質(zhì)泥巖。采樣工作嚴格按照《商品煤樣人工采取方法》（GB/T475—2008）進行，在不同選煤環(huán)節(jié)采集新鮮煤矸石樣本。

為確保樣品具有代表性，采用四分法對樣品進行縮分處理，制備成實驗分析用樣品，并進行編號、密封保存，以避免外部污染或水分損失。此外，為保證實驗結(jié)果的準確性和可重復(fù)性，所有樣品均按照《煤樣的制備方法》（GB474—1996）進行粉碎、篩分和混合，確保不同粒級煤矸石的均勻性。

2.2 工業(yè)指標特性

對采集的煤矸石樣品進行工業(yè)分析，主要測定其水分、灰分和發(fā)熱量等關(guān)鍵指標。測試方法嚴格遵循《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T212—2001）和《煤的發(fā)熱量測定方法》（GB/T213—2008）。煤矸石樣品工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，各類煤矸石的水分含量差異較大，其中碳質(zhì)泥巖的水分含量最高，達到 19.41% 螺旋分選尾礦的灰分最低，手選白矸的灰分最高。根據(jù)《煤矸石分類》（GB/T29162—2012）標準，可將樣品分為低灰煤矸石、中灰煤矸石和高灰煤矸石3類。從發(fā)熱量來看，螺旋分選尾礦和手選黑矸的發(fā)熱量分別為 6.12MJ/kg 和 5.91MJ/kg ，具有一定的能源化利用價值。

2.3 化學(xué)成分特征

采用X射線熒光光譜分析法測定煤矸石樣品的主要化學(xué)成分，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，煤矸石中的主要氧化物組分為SiO₂ 、 Al₂O₃ 和 Fe₂O₃ ，其中 SiO₂ 含量最高，平均達到55.23% ，其次是 Al₂O₃ ，平均含量為 28.16% 。不同類型煤矸石的鋁硅比（ Al₂O₃/SiO₂ ）存在明顯差異，手選黑矸的鋁硅比最高，達到0.62，表明其具有較好的鋁資源開發(fā)潛力。從化學(xué)組成特征來看，5種煤矸石樣品均表現(xiàn)出典型的鋁硅酸鹽礦物特征，這與煤系地層中長石、黏土礦物的富集有關(guān)。值得注意的是，CaO、 MgO 的含量普遍較低，說明樣品中的堿性礦物含量相對較少，這一特征將影響其在建材領(lǐng)域的應(yīng)用。 K₂0 、 Na₂O 等堿金屬氧化物的含量雖然較低，但在高溫環(huán)境下易形成熔融相，在煤矸石制備建筑材料過程中需要重點關(guān)注。從資源化利用角度考慮，較高的 Al₂O₃ 含量為煤矸石提取氧化鋁提供了可能，而穩(wěn)定的 SiO₂ 含量則為其在建材領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.4微量元素與有害元素

采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定煤矸石樣品中的微量元素和有害元素，結(jié)果如表3所示。

在不同類型的煤矸石樣品中，微量元素和有害元素的分布存在差異。其中，Se、Ge、Ga、屬于典型的微量元素，具有潛在的經(jīng)濟開發(fā)價值。例如：Ge作為優(yōu)良半導(dǎo)體材料，其含量為 0.0001～0.2323mg/kg 可考慮作為長期儲備資源；Ga的含量為 14.65～ 23.53mg/kg ，可用于制造半導(dǎo)體芯片。綜合分析表明，煤矸石中的微量元素雖含量豐富，但未達到資源化利用的工業(yè)標準。目前可優(yōu)先考慮通過生態(tài)堆存或填埋管理，降低環(huán)境風(fēng)險。

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）》（GB15618—2018），Pb、As、Cr、Hg 、F和Cl等元素屬于有害元素，可能對環(huán)境產(chǎn)生潛在影響。根據(jù)表4可知，煤矸石樣品中部分有害元素（如Cr、F）含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）》（GB15618—2018）的安全限值，需在資源化利用過程中重點關(guān)注其環(huán)境風(fēng)險。

3煤矸石資源化利用模式研究

3.1 能源轉(zhuǎn)化利用

根據(jù)工業(yè)分析結(jié)果，所測煤矸石樣品中螺旋分選尾矸和手選黑矸的發(fā)熱量分別達到 6.12MJ/kg 和 5.91MJ/kg 具有較好的能源化利用潛力。針對這類中低灰分煤矸石，可采用循環(huán)流化床燃燒工藝進行能源轉(zhuǎn)化，該工藝通過控制床溫（ 800～850^°C ）和合理調(diào)節(jié)二次風(fēng)比例，使煤矸石能夠高效、穩(wěn)定燃燒，并減少未燃盡碳含量，提高能源利用率。此外，該工藝可與脫硫脫硝設(shè)備聯(lián)動運行，在燃燒過程中加入石灰石等吸收劑，可有效降低二氧化硫和氮氧化物的排放，減少對環(huán)境的影響。通過優(yōu)化燃燒參數(shù)和污染控制措施，可提升煤矸石的能源轉(zhuǎn)化效率，實現(xiàn)資源的高效利用。

3.2建筑材料應(yīng)用

煤矸石樣品中的 SiO₂ 和 Al₂O₃ 含量分別達到55.23% 和 28.16% ，這種硅鋁質(zhì)組分特征適合制備建筑材料。通過高溫煅燒活化，使煤矸石中的黏土礦物轉(zhuǎn)化為活性的硅鋁酸鹽相。煤矸石可與石灰、粉煤灰等輔助材料按比例混合，經(jīng)過壓制成型和高溫?zé)Y(jié)制備燒結(jié)磚。此外，可以將煤矸石磨細作為水泥生產(chǎn)中的硅質(zhì)校正材料，加入水泥原料配方中，以調(diào)整其化學(xué)成分。在生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)煤矸石的具體化學(xué)成分和物理特性，對配方和燒結(jié)工藝參數(shù)進行優(yōu)化，以確保制成品滿足相關(guān)質(zhì)量標準。對于煅燒過程的副產(chǎn)物，可通過氣體收集和處理裝置進行集中回收，以降低資源浪費。

3.3 吸附材料制備

煤矸石經(jīng)過活化改性后可制備成具有較大比表面積的多孔吸附材料。先將煤矸石用酸性溶液（如鹽酸）浸泡，預(yù)處理時間一般控制在 2～4h ，用于去除雜質(zhì)并活化表面結(jié)構(gòu)。隨后，通過高溫焙燒（通常為 600^°C 左右），使煤矸石形成多孔結(jié)構(gòu)，從而增加其比表面積和吸附性能。在此基礎(chǔ)上，可進一步通過堿性溶液處理來增強其對特定離子的吸附能力。制備的吸附材料通常通過靜態(tài)或動態(tài)試驗評估其吸附容量，并針對廢水中不同污染物的特性，調(diào)整活化條件和焙燒參數(shù)，以提高吸附效率。

4結(jié)論

以煤礦煤矸石為研究對象，系統(tǒng)分析了其基礎(chǔ)性質(zhì)特征及資源化利用模式。研究發(fā)現(xiàn)，在不同類型的煤矸石樣品中，微量元素和有害元素的分布存在差異。其中，Se、Ge、Ga、屬于典型的微量元素，具有潛在的經(jīng)濟開發(fā)價值。最后，提出能源轉(zhuǎn)化利用、建筑材料應(yīng)用和吸附材料制備3種主要利用模式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)煤矸石的高效利用，還為煤炭工業(yè)綠色發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

參考文獻

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