华丰煤矿矸石理化特征分析及分级分质利用_王新富.pdf

第 35 卷 1 期2023 年 1 月中 国 煤 炭 地 质COAL GEOLOGY OF CHINAVol.35 No.1Jan.2023doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2023.01.04文章编号:1674-1803(2023)01-0019-06华丰煤矿矸石理化特征分析及分级分质利用王新富1,2,秦云虎1,2,王彦君1,2,何建国1,2,舒新前3,吴求刚1,2,周晓芳1,2(1.江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心),江苏徐州 221006;2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室,江苏徐州 221006;3.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083)摘 要:为实现煤矸石的高附加值化利用与大宗化利用的统一,通过采集华丰煤矿的不同类别煤矸石,利用 XRD、XRF、SEM-EDS 及工业分析法进行煤矸石理化特征及资源化利用进行研究,结果表明:华丰煤矸石的水分较低,洗矸的挥发分和热值均比其余矸石矸高,热值达 3 575 kJ/kg;洗矸、存矸和红矸的矿物组成以石英、黏土矿物为主,大矸的方解石含量占比高,存矸的矿物组成最复杂;洗矸和大矸呈层状和块状结构,存矸和红矸呈土状结构,化学成分主要以 SiO2、Al2O3及 Fe2O3为主,酸碱比为 3.96.1,Se 和 Ga 在煤矸石中高度富集;通过三级破碎筛分,粗煤、石和“土”的产率分别为 9.65%、65.64%和 24.70%,分离出精煤 1.75%、机制砂 65.64%、高岭土 15.59%和尾渣17.02%,实现煤矸石的分级分质全组分资源化利用。关键词:煤矸石;理化性质;分级分质;资源化利用中图分类号:TQ536 文献标识码:AAnalysis of Physical and Chemical Characteristics and Utilization by Gradingand Quality Separation of Gangue in Huafeng Coal MineWANG Xinfu1,2,QIN Yunhu1,2,WANG Yanjun1,2,HE Jianguo1,2,SHU Xinqian3,WU Qiugang1,2,ZHOU Xiaofang1,2(1.Jiangsu Design Institute of Geology for Mineral Resources(Testing Center of CNACG),Xuzhou,Jiangsu 221006;2.Key Laboratory of Mineral Resources in Coal Measures,CNACG,Xuzhou,Jiangsu 221006;3.School of Chemistry and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083)Abstract:In order to realize the unity of high value-added utilization and bulk utilization of coal gangue,different types of coal gangue in Huafeng coal mine are collected,XRD,XRF,SEM-EDS and industrial analysis were used to study the physicochemical characteris-tics and resource utilization of coal gangue,the results show that:the moisture content of Huafeng coal gangue is lower,the volatile matter and calorific value of washed gangue are higher than other gangue,calorific value reaches 3 575 kJ/kg;the mineral composition of washed gangue,stored gangue and red gangue is mainly composed of quartz and clay minerals,the calcite content of large gangue is high,and the mineral composition of stored gangue is the most complex;the washed gangue and the large gangue are of layer and mas-sive structure,the storing gangue and red gangue are earthy-like structure,the main chemical components are SiO2,Al2O3 and Fe2O3,the ratio of acid to base is 3.96.1,and Se and Ga are highly enriched in coal gangue;through three-stage crushing and screening,the yields of coarse coal,stone and“soil”are 9.65%,65.64%and 24.70%respectively,and 1.75%of clean coal,65.64%of man-ufactured sand,15.59%of kaolin and 17.02%of tailings are separated,the resource utilization of coal gangue by grading and quality separation and whole group grading is realized.Keywords:coal gangue;physicochemical properties;grading and quality separation;resource utilization基金项目:中国煤炭地质总局科技专项基金项目(ZMKJ-2020-J04-5),国家重点研发计划项目(2020YFC1806500)第一作者简介:王新富(1994),男,安徽亳州人,硕士,工程师,从事煤基固废处置及综合利用研究。E-mail:wan-gxf9408 通讯作者简介:秦云虎(1962),男,江苏无锡人,教授级高级工程师,从事煤田地质勘查工作。E-mail:收稿日期:2022-06-06责任编辑:宋博辇0 引言中国的煤炭产量约占全球的 45.44%1,“富煤、少油、贫气”的能源资源状况2,决定了煤在中国的能源消费基本格局中仍将占据主导地位3。作为煤炭开拓掘进、开采和洗选加工过程的副产物4,煤矸石一直伴随着煤炭开采和加工而产生。煤矸石是我国排放量和储存量最大的工业固体废弃物,年产量 6 亿t 至7 亿t,除了部分回填采空区以外,实际产量每年320 中 国 煤 炭 地 质第 35 卷亿 t 至 4 亿 t,且煤矸石高附加值化与大宗化利用技术仍处于起步阶段。因此,煤矸石大多堆存在矿区,不仅占用矿区,影响矿区的生态环境,危害人体健康5,使矿区环境的承载力面临巨大的挑战6,还造成了矿产资源的巨大损失和浪费,煤矸石中赋存的有益和高附加值组分得不到合理的资源化利用。因此,因地制宜地实施煤矸石资源化利用已经成为煤矿消纳煤矸石,实现煤矸石减量的全新探索目标。山东省是我国煤炭资源大省,其新汶煤田华丰煤矿自 1908 年开采以来,矿区内堆存了大量煤矸石,不仅造成了资源浪费,也对矿山生态环境带来极大的威胁7-8。在对煤矸石理化特征和相关组分分布赋存规律的研究基础上,如何实现煤矸石的有效资源化应用,已经是煤矿进行煤矸石处置和高效减量的根本问题9。只有根据不同类别的煤矸石理化特征进行分级分类利用,才能最大限度地发挥煤矸石的资源效益,做到煤矸石的高附加值化与大宗化利用的统一结合,促进煤矸石资源化利用技术进步,增加煤矸石的综合利用途径。因此,根据不同类别的煤矸石理化特征,探索具有较高经济效益和环境效益的煤矸石综合利用方法,对提高煤矸石综合利用的效率,提高矿区环境承载力10、推动矿区高质量发展有着重要意义。1 材料与方法1.1 样品采集煤矸石样品来源于山东新汶煤田华丰煤矿,根据实验设计,选择从矸石山底部采集堆积的存矸(2050 mm)样品,在洗矸区采集新鲜洗矸样品,在矸石堆场采集大矸(50100 mm)和自燃后的红矸样品(1 20 mm),并对相应样品进行编号:洗矸(G1)、大矸(G2)、存矸(G3)、红矸(G4)。1.2 样品处理与分析将采集的样品分别利用四分法进行混合和缩分,样品预处理后根据煤的工业分析方法(GBT 2122008)标准进行煤矸石工业分析,采用 X 射线衍射仪进行物相分析11,利用扫描电子显微镜进行煤矸石的形貌观测分析12,利用 X 射线荧光光谱仪对煤矸石所含的化学元素进行检测分析。2 煤矸石的理化特征2.1 工业分析由表 1 可得,研究区煤矸石的水分(Mad)较低,仅有存矸和红矸的水分达到 2%以上;煤矸石样品中除洗矸的灰分(Ad)分较低外,其余煤矸石均大于85%,为高灰煤矸石。洗矸的挥发分(Vd)和热值(Q)均比大矸、存矸和红矸高,热值达 3 575 kJ/kg,存矸的热值最低,仅为 553 kJ/kg;各类煤矸石的视相对密度(ARD)范围为 2.132.63 g/cm3,大矸的硬度最高,泥化比(N)最小,仅 1.14%。从工业分析上来看,不同类别的煤矸石存在差异,这为后续煤矸石的分类综合利用提供基础。表 1 煤矸石的工业分析结果Table 1 Results of industrial analysis of coal gangue样品Mad/%Ad/%Vd/%Q/kJkg-1ARD/gcm-3N/%G10.8279.5712.773 5752.553.31G21.1891.207.617392.631.41G32.5388.5910.585532.502.53G42.1689.228.507792.432.272.2 矿物组成特征由图 1 可得,研究区煤矸石的矿物组成以石英和黏土矿物为主,两者的衍射峰特征明显、含量较大,其余的衍射峰显示为斜长石、菱铁矿、白云石和钾长石等矿物特征。研究区煤矸石的矿物组成在总体上相似,但不同种类间略有差别,这主要体现在方解石和菱铁矿的含量上。图 1 不同类型煤矸石的 XRD 图谱Figure 1 XRD patterns of different types of coal gangue由图 2 分析可知,洗矸和红矸的矿物组成类似,基本上以石英黏土矿物为主,总占比达 80%以上;大矸的方解石含量占比高,达 32%,这说明大矸与洗矸等的矿物组成特征存在差异,可以判断大矸主要来源于采煤巷道的顶底板煤矸石13,此外大矸中含有 18%的菱铁矿物,这也说明了大矸与其余煤矸石相比存在来源性差异;存矸兼具研究区煤矸石的矿物组成特征,这主要因为矿区多年来矸石产生量较大,煤矸石的利用率较低,不同种类的煤矸石混杂1 期王新富,等:华丰煤矿矸石理化特征分析及分级分质利用21 堆存形成矸石山,在外部环境的作用下持续发生变化,因此存矸在矿区煤矸石中存量最大,性质较复杂,综合利用的难度最高。图 2 煤矸石的 X-射线衍射定量分析Figure 2 X-ray diffraction quantitative analysis of coal gangue2.3 微观结构分析根据图 3 中不同类