新疆主要煤區煤矸石的特征及其利用研究

肖進 雍曉艱 毋滕飛

摘要：以烏魯木齊重要煤區煤矸子為對象，根據現有資料，對烏魯木齊重要煤區煤矸子特性做出了比較細致的解析，并提供了全疆重要優質煤炭中的常量成分、各種微量元素、固定碳濃度、熱值，以及物相成分和濃度等信息。針對各個礦點優質煤炭的特點做出了分類，經過分析后找到了關于烏魯木齊大部分煤礦區煤矸子可行的資源化使用建議：硫磺溝煤礦、五彩灣煤礦、伊寧市喀拉亞尕奇鄉的煤礦煤矸子還可用于制造建筑材料、或者開采當中的一些稀土元素;哈密三道嶺1礦、2礦、露天礦和伊寧州達達木圖縣礦井煤矸子還可以作為能源;五彩灣礦井煤矸子還可以來改善土質。

關鍵詞：煤矸;分析;煤礦

1.實驗

1.1采樣及制樣

選擇了新疆地區超百億噸煤區中的大型礦井，并由于地理位置、礦井規模和矸子分布等不同特點，共選擇了七個采樣地點：硫磺溝礦井、五彩灣礦井哈密三路嶺一礦（哈1礦）、哈密三路嶺二礦（哈2礦）、哈密三路嶺露天礦井（哈露礦）、伊寧縣喀拉亞尕奇鄉煤炭（伊喀礦）和伊寧縣達達木圖鄉煤炭（伊達礦）。按照GB2007.2-87散裝礦物品取樣制樣通略的規定，在采礦區內平均布點采樣，每個試樣質量最終保持在稍超過一百二十公斤。將樣品分解成不同粒徑，進行篩分和收縮，最后為1mm×1mm樣品預留至少1mm進行實驗研究。

1.2分析方法

優質煤炭的常量元素分析方法，嚴格遵循GB/T1574-2007煤炭灰成分分析方法分析;對微量元素采用ICP先定性分析，然后再對其有價的微量元素進行用ICP定性分析;利用XRD測定和Jade檢驗，可以分析每個優質煤炭樣品的主要礦物成分，并通過K值法算出各物相在優質煤炭物中的大致濃度;而固定碳濃度和熱值則通過對GB/T212-2008煤的工業分析測定并計算得出。

2.結果與討論

2.1常量分析

硫磺溝礦井、五彩灣礦井的煤矸巖質屬灰矸，哈1礦、哈2礦、哈露礦和伊達礦的優質煤屬灰矸，伊喀礦業的優質煤為白矸。常量化學分析結果（表1）表明，7個優質煤炭樣本的物理化學成份各不相同。除哈密三道嶺的三所礦井煤矸石化學成分因其在同一區域的原因而較為相同之外，其他各地優質煤炭成份均有較大差異。就燒失量而言，各地煤矸石的平均燒失量在9.07%到百分之72.38%不等，其中哈1礦、哈2礦、哈露礦的優質煤炭燒失量從68.19%至72.38%之間，表明了這里的碳質成份較多。而伊寧市達達木圖鄉礦井的煤矸石燒失量也很多，為55.44%。發現黑矸的燒失量（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等的含量來看，五彩灣、伊喀礦優質煤層SiO2等的含量均在67.91%以上，硫磺溝煤礦煤矸巖中SiO2含量為48.97%，而其他各地的優質煤層中SiO2含量均很低。Fe2O3含量都在5.38%以下。Al2O3濃度最高時僅能超過17.14%，相似于黏土的AI2O，低濃度納米TiO2濃度相應較少，最高僅達2.89%，與一般工業鈦白粉的開采品位標準7.20%差距甚遠。而哈密三道嶺等三個礦井以及伊達礦優質煤層中的Ca、Mg濃度則相應較高，在29.65%至33.67%。

2.2礦物組成的研究

優質煤層中的礦物質類型相似于普通煤層，但主要為復雜晶體相，含有硫化物-含硫的酸式鹽、金屬氧化-氫氧化物、硅酸鹽、硫酸鹽、重碳酸鹽、磷酸鹽、氯化物發生、單質元素、釩酸鹽、鎢酸鹽，以及另外幾種根據礦石研究方法嚴格定義類型的礦物質。為了掌握我國新疆主要煤礦區煤矸石中的主要礦物質成分，根據煤的礦石成分研究方法，采用XRD方式測定了優質煤層這種復雜物相中的常量、大量和部分濃度范圍在百分之零點一0.1%至1.0%之間的少量晶體相礦物質。而煤層灰巖中，或許會有部分濃度范圍很小的礦物質元素不以正常礦石形態而或許會以非晶質、有機質、有機金屬物質等的形態出現。即利用無標量XRD的K值法，計算得出了各主要物質相在優質煤礦物料成分中的大致濃度。但具體XRD知識圖譜筆者則只列舉了硫磺溝煤礦與哈露礦兩地的主要優質煤礦物相成分。其他略。

由XRD圖譜（圖1）能夠看出各層衍射峰峰型比較銳利，缺乏漫峰現象，即優質煤層中的主體礦石大部分為晶體相。硫磺溝礦井煤矸子中大部分由石英、高嶺土、方解石和菱鐵礦構成;五彩灣礦井的煤矸子中主體礦物有石英、高嶺土，以及少量的TiO2;哈1礦和2礦優質煤層中大部分由CaCO3和方解石構成，以及少量的鈣鎂菱鐵礦或菱鐵礦石;哈露礦優質煤大部分由碳酸鈣生產、方解石構成;伊喀礦優質煤大部分由巖英生產、高嶺土構成;伊達礦優質煤大部分由白云巖生產、巖英和高嶺土構成。其主要成份都在礦石成分中.所占含量比例如圖2中顯示。

2.3固定碳及熱值的測定

優質煤炭中穩定碳的測定使用了GB/T212-2008煤的工業分析，熱值使用了李慶繁所提供的對黑煤矸石發熱能的計算方法測定得到，結論見表三中。從表三得知，黑矸的熱值較高。哈密三道嶺三處礦井的煤炭質量均很好，采到的煤矸石樣本都是手選矸子，其固定碳含量均在30.73%以上，平均揮發分在37.58%至38.21%，比熱值均達到了17019～18054kJ/ kg，在各方面參數較接近于普通煤炭，但如果參照中國煤炭科研總院北京煤化工科研分院的陳鵬博士對低煤階煤炭的分類意見，則認為在哈密三道嶺的三處礦井的矸子均可分類為褐炭，由于當地對其選用矸子的管理方法嚴格，本試驗結果暫且將其作為優質煤炭處理。其次是，伊寧州達達木圖鄉煤礦煤矸石的固定碳濃度約為15.27%，而且其揮發份量非常高（39.42%），使得熱值高達12253 kJ/ kg。這四所礦井的煤矸石都可以直接用來發電、采暖。而其他幾處的優質煤固定碳含量均低于6.20%，硫磺溝礦井和五彩灣礦井的煤矸石熱值都在4401～4913kJ/kg，而伊喀礦的優質煤熱值則很低，僅為1756 kJ/kg。

2.4煤矸石的分類及應用途徑

鑒于中國各地優質煤成分復雜，物理化學特點也不同，再加上各種優質煤的加工使用方向對優質煤的物理化學特性需求也有所不同，因此通過對優質煤進行化學分析，可以提供中國新疆主要煤礦區煤矸石的主要成分組成報告，并為其綜合利用情況提供重要信息。一般來說，煤矸石按源頭（煤巷矸、巖巷矸、自燃矸、洗矸、手選矸和剝離矸）、巖性分類（粘土巖矸石砂、質巖矸石粉沙巖矸石、鈣質巖矸石、和鋁質巖矸石）、碳元素含量（四類煤矸石碳元素含量>20%，三類煤矸石、碳元素含量6%至～20%，二類煤矸石、碳元素含量4%至6%，一類煤矸石碳元素含量<4%）.鐵化合物含量（少鐵<0.1%、低鐵0.1%至1.0%、中鐵1.0%至3.5%、次高速鐵路3.55至8.0%、高速鐵路8.0至18%、特高鐵>18%）和鋁硅比（硅鋁比>0.5%、硅鋁比0.5%至0.3%、鋁硅比<0.3%）進行分類。

將所采集的信息作為按來源類型劃分的根據，以XRD和優質煤常量成份分析中的Al2O3含量（Al2O3含量≥18%為黏土型，Al2O3含量<18%為非黏土型）的測定結果作為按巖石種類劃分的根據;計算得出的固定碳濃度和計算得出的比熱值，作為按碳濃度劃分的基礎;根據煤矸石常量成份分析中SO3、Fe2O3、SiO2和Al2O3濃度的計算，作為按硫含量、鐵化合物濃度、硅鋁比的劃分基礎，對全國各地的優質煤層進行了劃分（表4）。

硫磺溝煤炭的井下開采，巷道運輸模式最經典的是中國神華集團的屯寶礦井。五彩灣礦井均為露天煤礦，附近堆積著大面積的優質煤山。這二處的優質煤都屬砂質巖矸石，通過對石灰巖、粘土等的調節，可作為制造硅酸鹽混凝土的原材料、水泥填充料和混凝土集料顆粒，其中SiO2等的含量（70.25%、67.91%）在50%至80%，Al2O3含量（4.68%、17.14%）可用礬土調節到5%至25%，CaCO3含量（1.22%、1.89%）在0%至15%，Ca、Mg含量（1.10%、1.62%）在0%至5%，SO3含量（O.52%0.10%）在0～3%，燒失量（18.20%、9.07%）在3%～15%，再將Fe2O3含量比（1.01%、1.08%）調整到2%至～15%之間，既達到了對煤矸石制磚的要求，又可用來復墾采煤塌陷地和回填煤礦采空地。

哈1礦的產矸率僅為3%以下，基本無矸子積累為手選矸;而哈2礦有大量的優質煤積累，但部分產生了自燃，為自動燃燒矸;哈露礦開發時間已長，剝離矸石后主要進行返回，現生產的矸子為煤層開采中的夾矸，故含碳量較高。這三個礦均為鈣質巖矸石，按碳濃度劃分為四類煤研石，可作為煤矸石發電、采暖。

伊喀礦有大量優質煤炭堆積，其中的優質煤炭基本不含碳，成份也和粘土很接近，氧化鋁含量一般在20%至5%范圍內，在燒灼前后的硫含量均小于1%，因此可用來制造普通硅酸鹽混凝土;如果用礬土調整其中的Al2O3 濃度大至等于28%，可用來制造硫鋁酸鹽水泥和氟鋁酸鹽水泥。

伊達礦有巨大的優質煤層堆積，按碳濃度劃分為三類優質煤層，且因為其高的揮發份量導致熱值達12253kJ/kg，因此適宜于煤矸石化發電，作為能源。伊達礦煤矸石由于其鋁濃度過高，如果加入水泥會產生材料的脹裂紋，，用作砂漿、砼和建材的制造原材料。

參考文獻

[1]王文靜.新汶礦區煤矸石特征及綜合利用研究[D].山東科技大學，2004.

[2]宋忠廣.七臺河礦區煤矸石特征及綜合利用研究[D].遼寧工程技術大學，2007.

[3]李坦夫.淮南礦區煤矸石地球化學特征及利用途徑研究[D].中國科學技術大學，2015.

作者簡介：肖進（1985年7月），男（漢族），籍貫四川江油，職位副總經理，職稱勘查地球化學工程師，本科，地球化學。