煤矸石

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。其主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素(镓、钒、钛、钴)。

煤伴生废石是矿业固体废物的一种，是在掘进、开采和洗煤过程中排出的固体废物，是矿业固体废物的一种，包括洗煤厂的洗矸、煤炭生产中的手选矸、半煤巷和岩巷掘进中排出的煤和岩石以及和煤矸石一起堆放的煤系之外的白矸等的混合物。煤矸石是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，具有低发热值。含碳20%～30%，有些含腐殖酸。中国历年已积存煤矸石约1000Mt，并且每年仍继续排放约100Mt，不仅堆积占地，而且还能自燃污染空气或引起火灾。煤矸石主要被用于生产矸石水泥、混凝土的轻质骨料、耐火砖等建筑材料，此外还可用于回收煤炭，煤与矸石混烧发电，制取结晶氯化铝、水玻璃等化工产品以及提取贵重稀有金属，也可作肥料。

煤矸石是在成煤过程中与煤共同沉积的有机化合物和无机化合物混合在一起的岩石，通常呈薄层和在煤层中或煤层顶、煤层底。煤矸石按主要矿物含量分为黏土岩类、砂石岩类、碳酸盐类、铝质岩类;按来源及最终状态，煤矸石可分为掘进矸石、选煤矸石和自然矸石三大类。煤矸石排放量根据煤层条件、开采条件和洗选工艺的不同有较大差异，一般掘进矸石占原煤产量的10%左右，选煤矸石占入选原煤量的12%~18%。

煤矸石的无机成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属，其化学成分组成的百分率：SiO2为52～65;Al2O3为16～36;Fe2O3为2.28～14.63;CaO为0.42～2.32;MgO为0.44～2.41;TiO2为0.90～4;P2O5为0.007～0.24;K2O+Na2O为1.45～3.9;V2O5为0.008～0.03。

高硫煤矸石中含有的主要有用矿物为硫铁矿和煤。纯硫铁矿相对密度高达5，与脉石相对密度差为2-2.3，而共生硫铁矿与脉石相对密度差为0.5-1，因此，利用相对密度差即可将硫铁矿分选出来从共生体中解离出来。

煤矸石的原矿粒度较大，其中黄铁矿的组成形态以包括结核体、粒状、块状等宏观形态为主，经显微镜和电镜鉴定，煤中黄铁矿以莓球状、微粒状分布在镜媒体中，而在细胞腔中亦充填有黄铁矿，个别为小透镜状、细粒浸染状。矿物之间紧密共生，呈细粒浸染状，所以在分选前必须进行破碎、磨矿，煤矸石的解离度越高，选别效果越理想。

存在于煤中的黄铁矿经过洗选后大部分富集于洗矸中，洗矸中黄铁矿以块状、脉状、结核状及星散状四种形态存在。前三种以2-50mm大小不等、形态各异的结核体最常见，矸石破碎至3mm以下，黄铁矿能解离80%左右，破碎至1mm以下几乎全部解离。星散状分布的黄铁矿很少，多呈0.02mm立方体单晶，嵌布于网状脉岩中很难与脉石分开。

一、煤矸石的特点

1、成分复杂：煤矸石的主要成分是Al₂O₃、SiO₂，另外还含有数量不等的Fe₂O₃、CaO、MgO、Na₂O、K₂O、P₂O₅、SO₃和微量稀有元素(如镓、钒、钛、钴等)。这些成分使得煤矸石具有多种潜在的利用价值。

2、物理性质多样：煤矸石的粒度、结构、晶型和物改性属性各异，这导致其在不同条件下表现出不同的物理性质。例如，煤矸石具有低密度、高吸水性和良好的湿提特性，其吸水量占自身重量的比例可高达80%以上。同时，煤矸石的孔隙分布大多为非连续的，大多数孔隙尺寸都比较小。

3、化学性质独特：煤矸石不仅具有较高的溶解亲水性，而且还具有其他化学性质。例如，它可以吸收空气中的有害物质，如氧化硫及氧化氮，起到净化空气的作用。

4、堆积量大：中国历年已积存煤矸石约1000Mt(百万吨)，并且每年仍继续排放约100Mt。大量的煤矸石堆积不仅占用土地，还可能自燃污染空气或引起火灾。

二、煤矸石的用途

1、生产建筑材料：

水泥：煤矸石中的二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝的总含量在80%以上，是一种天然的粘土质原料，可用于生产普通硅酸盐水泥、特种水泥和熟料水泥等。

砖瓦：煤矸石可用于生产烧结砖、轻质骨料等建筑材料，这些材料质量较好，颜色均匀，且能节约煤炭资源。

道路材料：经过破碎、筛分和热处理的煤矸石，可作为优质的筑路材料，用于制作道路基层、填充层等。

2、能源利用：

发电：煤矸石中的碳含量较高，可以通过燃烧发电。中国已用沸腾炉燃烧洗中煤和洗矸的混合物发电，炉渣还可用于生产炉渣砖和炉渣水泥。

燃料：煤矸石还可以作为化铁、烧锅炉、烧石灰等的燃料。

3、化工原料：

制取化工产品：煤矸石可用于制取结晶氯化铝、水玻璃等化工产品。例如，以煤矸石和化工工业副产盐酸为主要原料，可以经过一系列生产工艺制成结晶氯化铝，这是一种新型的净水剂。

提取稀有金属：煤矸石中含有的稀有元素(如锗、镓、钒、铀等)，根据其含量可决定其提取价值。

农业应用：煤矸石经过一定处理后，还可以作为肥料使用，为农作物提供所需的营养元素。

填充材料：在公路、铁路、水利、建筑等领域，煤矸石可作为地基填料，提供稳定的支撑。

一、煤矸石储藏

煤矸石是在采煤过程中产生的一种固体废弃物，含有较高的热值、磁性和破碎程度较高。在采煤区域内，这些煤矸石都通过输送带或其他方式运出煤矿，进入储煤场进行储存。由于采煤量大、储存期长以及存在倒塌和滑坡等安全隐患，储存煤矸石是一项重要的任务。在储存过程中，必须采取一系列措施，具体包括：

缩小体积：可以采取固化、煤矸石降水和煤矸石回用等措施来缩小煤矸石的体积。其中，固化是一种将煤矸石与水泥混合并压缩成为块状的方法，使其成为稳定的材料。

控制风化：煤矸石中含有大量的矽土质，若接触到水氧化作用会产生硫酸铁和硫酸铜等酸性物质，这些物质可以从地下水流到河流中，对水质产生影响。因此，必须采取措施控制煤矸石的风化，减少其对环境的污染。例如，可以使用覆盖层来保护煤矸石，防止直接暴露在阳光和空气中。覆盖层通常是由土壤、人造材料或残留煤砂等涂抹在上面的一层材料。此外，使用化学制剂也可以减少煤矸石的风化，可以在煤矸石表面喷洒一层化学材料来降低其风化速度。

防止滑坡：由于煤矸石的破碎性、颗粒度和承载能力较差，储存过程中存在倾泻和滑坡的风险。防止煤矸石滑坡和积累要采取一系列措施，例如设置煤矸石存储区的坡度限制，以及设置排水沟和泄洪堰等。其中，坡度限制是设置储煤场的存储面积和高度要控制在特定的范围内，保证斜坡不会过于陡峭，防止滑坡和倾泻。此外，在煤矸石的周围设置排水沟和泄洪堰，因为煤矸石在储存过程中会产生水分，及时排除水分可以减少煤矸石积蓄。

建立排水设施：在储存煤矸石时，需要建立排水设施，减少雨水进入储存区域。排水设施通常是通过井口或其他方便的机械设备在储存区域设置的，可以有效地控制地下水位，使煤矸石不容易被水淹没，防止倾泻和滑坡等安全问题的出现。

二、煤矸石运输

煤矸石通常具有高水分、高粘度、低密度等特点，在运输过程中难以保持稳定。因此，制定一套合理的煤矸石运输方案具有重要意义。以下是对几种常见煤矸石运输方式的具体介绍：

1、路面车辆运输：

特点：路面车辆运输是一种常见的煤矸石运输方式，通常使用自卸卡车，运输距离不宜过远。该方式适合于矿场到附近的储备场或处理场的煤矸石运输。

问题：容易造成空气污染，且车辆运输需要较高的道路维护成本。

注意事项：装载煤矸石时，要注意车辆平稳，避免过度填载造成车辆不稳定，增加安全风险。煤矸石的装载重心要保持在车辆的中心线之上，以保证行驶稳定。此外，在煤矸石运输过程中，驾驶员需遵守交通规则，不超速行驶，保持适当的车距并减速慢行。特别是在雨雪天气、复杂道路和夜间行驶时，需增加注意，减速慢行，确保行车安全。

2、铁路运输：

特点：铁路运输是一种安全、快捷、高效的煤矸石运输方式，适用于煤矿到远处的储备场或处理场，尤其是大型煤矿。

优势：能耗更低，运输能力更高，减少了中转次数，也减少了路面交通的拥堵。

劣势：需要建造专用铁路线和货运车站，初期投资大，但长期看来运输成本低。

3、水路运输：

特点：水路运输是一种便捷、经济、高效的煤矸石运输方式，适用于大规模煤矿和远距离运输。

优势：可以缓解道路或铁路交通的压力，降低物流成本，节省能源，降低碳排放。

劣势：需要建造码头和船舶，需要更多的投资。且水路运输方案需要选用粘性小、水分少的煤矸石。

4、其他注意事项：

道路建设：运输道路应该铺设耐磨、防滑和有较强承载力的路面，保证安全运输。

车辆配置：使用自卸卡车时，承载组合应根据道路状况、所需运量、晋级坡度、铺砂质量等因素综合考虑。

铁路建设：必须建设专用铁路线，保证安全、快捷、高效运输。

货运车站建设：应安装高效卸车设备，提高运输效率，减少装卸作业时间。

码头建设：码头建设是水路运输的基础建设，需要选址合适、具规模和灵活可扩展性的位置。

船舶配置：需要选用大型自卸船或适用于当地航运条件的船只，保证运输效率、安全和节能的要求。

煤矸石的生产工艺主要包括破碎、成型、干燥、焙烧等工序。

煤矸石各工序的详细介绍：

1、破碎工艺

煤矸石的破碎一般采用二级或三级破碎工艺，以确保其粒度均匀。

常用的破碎设备包括振动给料机、颚式破碎机、圆锥破碎机、立轴冲击式制砂机等。

破碎后的煤矸石颗粒应控制在一定范围内，如大于3mm的颗粒不能超过一定比例，而1mm以下的细分应占多数。

2、成型工艺

煤矸石经过破碎后，需要进行成型处理。

常见的成型方式有塑性挤出成型、压制成型等。

成型后的煤矸石砖坯应具有适当的尺寸和形状，以便于后续的干燥和焙烧。

3、干燥工艺

成型后的煤矸石砖坯含有较高的水分，需要进行干燥处理。

干燥设备一般采用人工干燥或余热干燥。

干燥过程中应控制适当的温度和湿度，以防止砖坯变形或开裂。

4、焙烧工艺

焙烧是煤矸石制品生产中的关键工序。

焙烧温度一般在900~1100℃之间，焙烧窑多采用轮窑或隧道窑。

焙烧过程中，煤矸石中的有机物会燃烧，无机物会熔融并重新结晶，形成具有一定强度和性能的制品。

一、生产注意事项

1、自燃与喷爆防范：

如果已经确定矸石山发生自燃，在雨后一定不要急于复工或者予以采挖，因为间歇性的大气降水更容易引发矸石山喷爆。

大风天气情况下一定要谨慎生产，大风可能会直接改变矸石山自燃区域的通风条件，给氧量和给氧速度急剧变化，加速矸石山自燃，进而发生喷爆。如果确定需要开工生产，应在矸石山的背风面采挖，以提高生产安全性。

2、质量控制：

煤矸石在使用前应进行质量验收，严格控制大块煤矸石，杜绝煤矸石热值大幅度波动，防止大块卡料或热值波动造成搭配后的煤粉热值波动，影响窑的正常煅烧。

加强计量管理，保持煤矸石的掺入比例稳定、均衡。使用时，要根据搭配后的煤粉煅烧效果摸索确定搭配比例，避免工艺事故发生。

二、储藏注意事项

1、防火措施：

设置防火墙，隔离煤堆与周边环境，减少火灾蔓延的可能性。

安装火灾报警系统，并配备足够的灭火设备，以防万一。

2、防爆措施：

加强通风设备的管理，确保通风畅通，避免因积气爆炸。

对煤炭进行分类储存，避免不同种类煤炭混合产生反应而引起爆炸。

安装防爆门，加强煤场的封闭性，减少发生爆炸的可能性。

3、防污染措施：

规范储存，建立垃圾分类制度，将煤渣垃圾与普通垃圾分类存放，减少对环境的污染。

加大环境监控力度，监控周边环境的空气质量、水质等，确保环境的安全。

对煤堆进行定期清理，避免因为煤堆腐烂而产生浓烟及有害气体，对周边人员造成伤害。

三、运输注意事项

1、车辆选择：

煤矸石的密度较大，运输时需选择大载重车辆，以确保单次运送量。

注意车辆的品牌和品质，选择有资质的正规运输公司。

2、装载要求：

装载煤矸石时，要确保车辆平稳，避免过度填载造成车辆不稳定，增加安全风险。

煤矸石的装载重心要保持在车辆的中心线之上，以保证行驶稳定。

3、行驶安全：

驾驶员需遵守交通规则，不超速行驶，保持适当的车距并减速慢行。

在雨雪天气、复杂道路和夜间行驶时，需增加注意，减速慢行，确保行车安全。

4、环境保护：

在运输过程中，要采取措施避免煤矸石散落在道路上，造成公路环境污染。

四、利用注意事项

1、使用比例：

煤矸石的使用比例应结合当地资源状况进行合理控制，以防止预热器堵料等工艺事故发生。

2、热值控制：

煤矸石的热值应控制在一定范围内，以避免因热值过高导致的工艺问题。

3、成分分析：

在使用煤矸石之前，应对其成分进行详细分析，以确保其符合使用要求。

一、煤矸石粉碎机故障及排除方法

1、转子不平衡

故障现象：更换或装配锤头时，转子未很好平衡，导致设备振动或异常声音。

排除方法：装配或更换锤头时，保持转子的平衡。每排锤轴上的锤头总重量应与相对应锤轴上的锤头总重量相等，总的偏差不得超过100g，单个锤头的重量偏差不得大于±0.5kg。

2、机腔内进入异物

故障现象：机腔内进入不能破碎的异物，与粉碎机壁发生碰撞。

排除方法：停车后，清理破碎腔，确保没有异物。

3、衬板紧固件松弛

故障现象：衬板紧固件松弛，锤头敲击在衬板上产生敲击声。

排除方法：检查并紧固衬板紧固件，平衡调整锤头与筛板之间的间隙。

4、轴承问题

故障现象：轴承松动、润滑油不足或脏污、轴承损坏等，导致设备振动或异常声音。

排除方法：清理轴承，更换润滑油;若轴承损坏，则更换轴承;校正、紧固轴承座。

5、电压过低或下料不均

故障现象：电压过低或下料不均导致机器或电机声音异常，生产量减少。

排除方法：保证电压380V，电缆线须符合要求;均匀布料，适量不得过多。

二、煤矸石滚筒筛分机故障及排除方法

1、筛分效率下降

故障现象：筛分出的煤矸石中混有较多未筛分的物料，或筛分速度明显减慢。

排除方法：检查筛面是否磨损严重或堵塞。若筛面磨损，需更换筛面;若堵塞，则清理筛面。

三、煤矸石利用中的常见问题

1、煤矸石堆积占地及环境污染

问题：煤矸石大量堆积不仅占用土地，而且可能自燃污染空气或引起火灾。

解决方法：积极寻求煤矸石的高效经济再利用途径，如生产建筑材料、化工产品等。

2、煤矸石再利用技术瓶颈

问题：煤矸石再利用过程中可能遇到技术瓶颈，如破碎、磨矿、分选等工艺难题。

解决方法：加强技术研发，提高煤矸石的解离度和选别效果，降低生产成本。