煤矸石综合利用性能的实验研究

煤矸石综合利用性能的实验研究

冯国海

商丘工学院 土木工程学院 河南 商丘476000

2023年商丘市科技攻关指导性计划项目（资源环境与社会事业47煤矸石综合利用筑路技术研究项目）

摘要：本文旨在通过对永城地区煤矸石进行全面的化学成分及矿物组成分析，揭示其潜在的工业应用价值。采用X射线荧光光谱仪（XRF）等先进技术，本研究准确地识别了煤矸石中的主要和微量元素，以及矿物相的种类和含量。结果表明，煤矸石中含有丰富的硅、铝等元素，及石英、方解石等矿物，为其在建材、陶瓷等领域的应用提供了科学依据。本研究为永城地区煤矸石的资源化利用提供了重要的理论支持和实践指导。

1引言

长期以来，煤矸石作为煤炭提取过程中不可或缺的副产物，始终是资源再利用和环境管理的核心问题。商丘市永城地区，作为中国主要的煤炭生产基地之一，其地质结构和煤炭资源的开采历史，在国内煤炭产业中占据着不可忽视的地位，同样面临这一议题。其产生的煤矸石数量庞大，不仅占据了大量土地，还因其堆放过程中可能产生的酸性水体和粉尘，对周围环境和居民健康构成了潜在威胁[1]。然而，煤矸石本身作为一种固体废物，其内部蕴含着丰富的硅、铝等有用元素，具有潜在的高值化利用途径。据此，深入探讨并实施针对永城地区煤矸石资源的有效利用方案显得尤为重要，既是解决环境问题的需要，也是实现资源循环利用的机遇[2]。

近些年，人们越来越重视绿色、可持续的发展模式，煤矸石的综合利用已成为研究热点。然而，由于煤矸石的成分复杂，物理和化学性质差异较大，其利用途径和效率受到诸多因素的影响。探索其高效利用的途径，对于推动煤矸石资源化利用，实现区域环境的可持续发展不仅是一个迫切的需求，而且具有深远的意义。本研究的目标在于通过对永城地区煤矸石进行全面而系统的性能实验分析，旨在深化对其特性的理解，并探索其在环境保护和资源回收领域的应用潜力，为该地区的环境改善和可持续发展战略提供科学依据和技术支持。

2煤矸石的实验方法

2.1样品采集与制备方法

对于永城地区的煤矸石样品采集与制备，确保研究成果具备高度的精确度与数据具有广泛的代表性，要求采用科学严谨的方法学和遵循标准化的实验流程。这不仅涉及到精确的实验设计和细致的操作步骤，还包括对实验设备的精确校准和对数据分析方法的严格选择，以保障研究的可靠性和结果的普适性。首先，在采集样品时，应选择煤矿废弃物堆放区的不同位置，采用"五点取样法"（即堆放区的四角及中心点）执行样品采集工作，目的是为了全面捕捉并体现煤矸石的综合特性，以确保研究结果能够真实反映其整体属性。采集的样品量应在5公斤以上，以便于后续的多项测试分析。

采集后的样品需进行初步的清洁处理，去除表面的杂质和粘附物，然后在室温下自然风干。干燥后，将样品破碎至适合实验的粒度，通常将样品破碎至2毫米以下，这一步骤是为了确保分析结果的高度准确性。可以使用球磨机进一步将样品磨细至粉末状，粒径控制在75微米以下，旨在增强样品在随后进行的化学分析和物理性能评估中的均一性与代表性，从而提升测试结果的可靠性。

接下来，将磨细的样品进行分批次称重，准备足够数量的样品进行化学成分分析（如X射线荧光光谱分析）、物理性能测试（如比表面积、孔隙率测定）以及矿物组成分析（如X射线衍射分析）。

2.2实验流程与操作步骤

样品准备是实验的基础步骤，对于确保实验结果的精确性和稳定性，这一点是非常重要的。首先，从永城地区煤矸石堆放区采集代表性样品，并进行自然风干以去除表面水分。接着，使用颚式破碎机将样品粗碎至2mm以下，再通过球磨机进一步磨细至粒径小于75微米。此过程确保样品达到适合后续化学和物理性质分析的细度。

通过采用高精度的X射线荧光光谱仪（XRF）技术，可以实施对煤矸石样本内众多主要及微量元素的定量测定。在分析前，需将样品精细磨碎至75微米以下，并压制成薄片以提高测试的准确性。设置XRF仪器的测试参数，如加速电压和电流，确保能够覆盖待测元素的特征谱线。测试完成后，利用专业软件处理数据，分析元素的含量分布。这一步骤不仅揭示了煤矸石中有价值的元素，如硅、铝等，也对可能存在的环境风险元素，如铅、砷等进行了定量评估。这些信息对于进一步探索煤矸石在建筑材料、金属提取等领域的应用，以及制定相应的环境保护措施至关重要。

图2.2X射线荧光光谱仪（XRF）

矿物组成分析是理解永城地区煤矸石物理和化学性质的基础，对于评估其在工业应用中的潜力至关重要[3]。通过使用X射线衍射仪（XRD）技术，我们能够准确识别煤矸石样品中存在的矿物相。在进行XRD分析之前，样品需被精细磨碎至粒径小于75微米，并均匀铺展在样品托盘上，以确保获得可靠的衍射数据。XRD测试采用特定的扫描速度和角度范围，这些参数被精心选择以最大化地覆盖所有可能的矿物相。通过分析得到的衍射图谱，结合现有的数据库进行比对，可以准确地识别样品中的矿物种类及其含量。这一过程揭示了煤矸石中主要矿物成分如石英、方解石和黏土矿物等的分布情况，为评估其作为建材、陶瓷原料或其他工业应用的可行性提供了科学依据。

3煤矸石的基本特性

3.1煤矸石物理特性

河南省商丘市永城市的煤矸石，作为该地区典型的工业废弃物，其物理特性对于资源化利用具有重要意义。这些煤矸石通常呈灰黑色，具有不规则的块状结构，表面多孔且质地较硬。由于其产自特定地质环境，其粒度分布广泛，从细小颗粒到较大块状物质不等，煤矸石所呈现的多样化粒度分布赋予其在各种应用场景下的潜在价值，从而开拓了其在建筑材料、土壤改良剂、以及其他工业用途中的广泛应用前景。这种粒度的多样性不仅增加了煤矸石的适用范围，也为其在不同领域的创新性利用提供了可能性。此外，永城市煤矸石的孔隙率相对较高，这不仅影响其物理强度，还决定了其作为过滤材料或吸附剂的潜力。表1为实验室所得煤矸石的孔隙率、比表面积等关键物理参数，煤矸石具体的物理参数能够更好地评估其在环境治理、建筑材料等领域的应用潜力[4]。

图2.1永城市煤矸石山                 图2.2永城市煤矸石

表1煤矸石物理特性参数

永城市煤矸石表现出了良好的物理性质，具备一定的资源化利用潜力。这些煤矸石的不规则块状结构和多孔表面特征，使其在建筑材料领域，特别是作为轻质骨料或是混凝土填充材料有着潜在的应用价值。高孔隙率不仅意味着较低的密度，还可能赋予这些材料良好的吸声和保温性能，适合用于建筑绝缘材料。此外，煤矸石所固有的孔隙结构揭示了其作为潜在吸附剂或过滤介质的应用可能性[5]，这一发现为其在环境管理和工业过滤应用领域提供了创新性的视角，尤其是在环境治理中的应用，如废水处理和空气净化等。

尽管永城市煤矸石蕴含着丰富的潜在应用价值，但要想充分利用这些价值，进一步的分析和加工处理对于充分利用煤矸石的潜力至关重要。这包括对其在不同环境条件下物理稳定性的细致探讨，以评估其在实际应用过程中的性能表现。此项研究不仅有助于理解煤矸石在变化环境中的行为特征，还为后续的改性、优化处理提供了科学依据。以及如何通过精细的工艺处理来提升其性能，以满足特定应用场景的需求。

3.2煤矸石的化学组成

煤矸石化学成份，随着煤层地质年代的不同而波动，其烧失量及炭分化学组成详见表2。煤矸石的化学成分分析是理解其潜在利用价值的关键步骤。这些分析不仅揭示了煤矸石中的主要化学元素，还能识别出其中的有益元素和潜在的有害物质。有益元素，如铝、硅等，可能指示煤矸石可作为建材或是提取稀有金属的原料。同时，分析还需注意有害物质的含量，如重金属和硫化物，这些成分可能对环境和人体健康构成风险。通过精确的化学成分分析，可以为煤矸石的资源化利用和环境影响评估提供科学依据。表3为实验室所得永城地区煤矸石化学成分。

表2煤矸石的化学组成

表3永城地区煤矸石的化学成分

由表3的数据可知永城市煤矸石含有较高比例的SiO2和Al2O3，这表明该煤矸石具有成为建筑材料，尤其是作为水泥和混凝土添加剂的潜力。SiO2和Al2O3的存在，为煤矸石在生产硅酸盐水泥及其他硅酸盐基建筑材料中的应用提供了化学基础。此外，Fe2O3的含量也较高，这为铁矿物的提取提供了一条经济上可行的路径。然而，煤矸石中S的相对较高含量，以及检测到的As、Pb、Cd等有害物质，对环境和人体健康构成潜在风险。这就要求在煤矸石的利用过程中，采取适当的处理措施，如稳定化处理，以减少这些有害物质的释放。

总结而言，鉴于永城市煤矸石中丰富的SiO2和Al2O3含量，其展示了作为建筑材料的潜在应用价值。此外，所含的Fe2O3也开辟了金属回收的新途径。但是，为了确保煤矸石的安全和环保利用，必须对其含有的S以及重金属进行适当处理。因此，研发并采用既高效又环保的处理技术，对于促进煤矸石资源的有效利用，具有至关重要的意义。通过科学合理的处理和利用，煤矸石不仅能够转化为有价值的资源，同时也能够减少对环境的负面影响。

3.3煤矸石的矿物组成与结构

永城煤矸石的矿物组成和结构特征揭示了其作为一种工业废弃物的复杂性和多样性。这些煤矸石主要由石英（SiO2）、方解石（CaCO3）、黏土矿物（如高岭石）、以及少量的云母、硫化物和铁氧化物等矿物质组成。石英作为主要成分之一，为煤矸石提供了硬度和耐磨性；而方解石的存在，则在一定程度上影响了煤矸石的化学活性和酸碱性。黏土矿物，尤其是高岭石，赋予了煤矸石良好的可塑性和粘结能力，这对于其在建材领域的应用尤为重要。

在结构上，煤矸石呈现出多孔且松散的特性，此类结构特性赋予了煤矸石在处理过程中较高的表面活性，促进了其在吸附和过滤等方面的应用潜力[6]。同时，这些孔隙结构预示着煤矸石在作为建筑材料使用时，可能展现出优异的隔音和保温性质。然而，煤矸石中还可能含有一定量的有害元素，如重金属和硫化物，这些成分的存在限制了煤矸石的直接应用。因此，对永城煤矸石进行合理的处理和改性，以减少有害成分的影响，同时发挥其在建筑、环保等领域的潜在价值，是实现其资源化利用的关键。

4结论与展望

通过对永城地区煤矸石所执行的综合性分析，既包括对其化学成分的精确测定，亦涵盖了对矿物组成的详细鉴定。化学成分分析揭示了煤矸石中含有丰富的硅、铝等有价值的元素，这些元素的存在为煤矸石在建材、陶瓷及其他工业领域的应用提供了可能性。矿物组成分析进一步确认了煤矸石中矿物相的多样性，主要包括石英、方解石和各类黏土矿物，这为理解其物理性质和开发相应的利用技术提供了基础。

展望未来，永城地区煤矸石的综合利用前景广阔。首先，根据煤矸石的化学和矿物组成，可以开发针对性的提取和利用技术，如从中提取硅、铝等有价值的元素，或将其作为建筑材料的一部分。其次，进一步的研究应当关注煤矸石中潜在有害元素的环境影响和安全利用措施，确保其应用过程中的环境友好性。最后，随着资源循环利用和绿色环保理念的普及，煤矸石的高值化利用研究将吸引更多的科研力量和资本投入，促进相关技术的创新和发展，为永城地区乃至全球的煤矸石资源利用开辟新的道路。

参考文献

[1]成碧君,刘良坡,张红梅等.重金属对煤矿区土壤线虫群落结构的影响[J].山西农业科学,2022,50(12):1680-1688.

[2]张鑫.基于菌渣资源化利用的煤矸石基质性状及植生效果评价[D].贵州大学,2021.DOI:10.27047/d.cnki.ggudu.2021.000913.

[3]刘建荣,张宇,王福兴等.废弃煤矸石中黄铁矿嵌布特征与干法分选富集研究[J].内蒙古煤炭经济,2023,(24):58-60.DOI:10.13487/j.cnki.imce.024616.

[4]梁永生.煤矿企业碳达峰与碳中和方案研究：以西山煤电集团为例[J].能源与节能,2024,(02):51-54.DOI:10.16643/j.cnki.14-1360/td.2024.02.070.

[5]吉培.改性煤矸石吸附剂吸附工业废水氨氮、COD的实验研究[J].山西化工,2023,43(09):213-215.DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2023.09.085.

[6]刘帆俞,宋慧平,吴海滨等.煤矸石土壤化利用与土壤改良剂研究进展[J].矿产保护与利用,2023,43(06):14-26.DOI:10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2023.06.002.

（1）冯国海，1982.7.31，男，河南开封，副教授，学士，土木工程；

2023年商丘市科技攻关指导性计划项目（资源环境与社会事业47煤矸石综合利用筑路技术研究项目）