煤礦煤矸石基礎性質及資源化利用模式研究

關鍵詞：煤矸石；基礎性質；資源化利用；能源轉化

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增長，如何提高能源利用效率、降低環境污染已成為全球關注的焦點[1-3]。煤化工行業作為重要的能源轉化產業，面臨日益嚴格的環保標準和資源短缺的挑戰。高鹽廢水處理成為制約行業可持續發展的瓶頸。若處理不當，則會污染生態環境，影響企業的經濟效益。因此，探索高效的廢水處理技術，特別是基于資源再利用的處理方案，對于推動煤化工行業的綠色發展具有重要意義。

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注。隨著我國煤炭工業的快速發展，煤矸石年產量持續增長，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，還會引發一系列環境問題。為應對這一挑戰，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。從技術發展趨勢來看，煤矸石綜合利用主要圍繞3個方向：一是能源化利用，如煤矸石發電；二是建材化利用，包括制備水泥、燒結磚、陶粒等；三是化工利用，如提取氧化鋁、生產化肥等。與傳統的簡單堆存相比，這些資源化利用方式不僅能夠實現煤矸石的減量化處置，還可創造可觀的經濟效益。目前，我國已經初步形成煤矸石綜合利用技術體系，但在利用效率和產品附加值方面仍有較大提升空間。深入研究煤矸石的基礎性質，開發高效、低成本的資源化利用技術，對于推進煤炭工業綠色轉型、構建資源循環利用體系具有重要的現實意義[4-5]

2煤矸石基礎性質測試與分析

2.1樣本來源與采集

選取某大型煤礦區的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，在不同選煤環節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，為保證實驗結果的準確性和可重復性，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 工業指標特性

對采集的煤矸石樣品進行工業分析，主要測定其水分、灰分和發熱量等關鍵指標。測試方法嚴格遵循《煤的工業分析方法》（GB/T212—2001）和《煤的發熱量測定方法》（GB/T213—2008）。煤矸石樣品工業分析結果如表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《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。從發熱量來看，螺旋分選尾礦和手選黑矸的發熱量分別為 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成分，結果如表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潛力。從化學組成特征來看，5種煤矸石樣品均表現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。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域的應用。 K₂0 、 Na₂O 等堿金屬氧化物的含量雖然較低，但在高溫環境下易形成熔融相，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，而穩定的 SiO₂ 含量則為其在建材領域的應用奠定了基礎。

2.4微量元素與有害元素

采用電感耦合等離子體質譜法測定煤矸石樣品中的微量元素和有害元素，結果如表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，具有潛在的經濟開發價值。例如：Ge作為優良半導體材料，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標準。目前可優先考慮通過生態堆存或填埋管理，降低環境風險。

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

3煤矸石資源化利用模式研究

3.1 能源轉化利用

根據工業分析結果，所測煤矸石樣品中螺旋分選尾矸和手選黑矸的發熱量分別達到 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，可采用循環流化床燃燒工藝進行能源轉化，該工藝通過控制床溫（ 800～850^°C ）和合理調節二次風比例，使煤矸石能夠高效、穩定燃燒，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備聯動運行，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，減少對環境的影響。通過優化燃燒參數和污染控制措施，可提升煤矸石的能源轉化效率，實現資源的高效利用。

3.2建筑材料應用

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，經過壓制成型和高溫燒結制備燒結磚。此外，可以將煤矸石磨細作為水泥生產中的硅質校正材料，加入水泥原料配方中，以調整其化學成分。在生產過程中，需要根據煤矸石的具體化學成分和物理特性，對配方和燒結工藝參數進行優化，以確保制成品滿足相關質量標準。對于煅燒過程的副產物，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，預處理時間一般控制在 2～4h ，用于去除雜質并活化表面結構。隨后，通過高溫焙燒（通常為 600^°C 左右），使煤矸石形成多孔結構，從而增加其比表面積和吸附性能。在此基礎上，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或動態試驗評估其吸附容量，并針對廢水中不同污染物的特性，調整活化條件和焙燒參數，以提高吸附效率。

4結論

以煤礦煤矸石為研究對象，系統分析了其基礎性質特征及資源化利用模式。研究發現，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，具有潛在的經濟開發價值。最后，提出能源轉化利用、建筑材料應用和吸附材料制備3種主要利用模式，不僅能夠實現煤矸石的高效利用，還為煤炭工業綠色發展提供了技術支撐。

參考文獻

1 汪天宇，徐萬茹，劉衡秋，等.山西斜溝煤礦煤矸石基礎性質與綜合利用途徑研究[J].中國煤炭地質，2024（7）：55-62.

2 郭恬．“雙碳”背景下煤矸石資源化利用現狀研究[J].工業A，2024（10）：179-182.

3 楊林，李軍.青龍寺煤礦煤矸石基礎性質及資源化利用途徑研究[J].煤炭加工與綜合利用，2023（8）:85-88.

4 杜韞哲，柳一靈，沈偉，等.山西省部分地區煤矸石基礎理化性質研究[J].煤炭加工與綜合利用，2023（4）:80-83.

5 黃艷利，王文峰，卞正富.新疆煤基固體廢棄物處置與資源化利用研究[J].煤炭科學技術，2021(1）:319-330.