新疆主要煤區(qū)煤矸石的特征及其利用研究

肖進(jìn) 雍曉艱 毋滕飛

摘要：以烏魯木齊重要煤區(qū)煤矸子為對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)有資料，對(duì)烏魯木齊重要煤區(qū)煤矸子特性做出了比較細(xì)致的解析，并提供了全疆重要優(yōu)質(zhì)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(duì)各個(gè)礦點(diǎn)優(yōu)質(zhì)煤炭的特點(diǎn)做出了分類(lèi)，經(jīng)過(guò)分析后找到了關(guān)于烏魯木齊大部分煤礦區(qū)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(xiāng)的煤礦煤矸子還可用于制造建筑材料、或者開(kāi)采當(dāng)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(dá)達(dá)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(lái)改善土質(zhì)。

關(guān)鍵詞：煤矸;分析;煤礦

1.實(shí)驗(yàn)

1.1采樣及制樣

選擇了新疆地區(qū)超百億噸煤區(qū)中的大型礦井，并由于地理位置、礦井規(guī)模和矸子分布等不同特點(diǎn)，共選擇了七個(gè)采樣地點(diǎn)：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(xiāng)煤炭（伊喀礦）和伊寧縣達(dá)達(dá)木圖鄉(xiāng)煤炭（伊達(dá)礦）。按照GB2007.2-87散裝礦物品取樣制樣通略的規(guī)定，在采礦區(qū)內(nèi)平均布點(diǎn)采樣，每個(gè)試樣質(zhì)量最終保持在稍超過(guò)一百二十公斤。將樣品分解成不同粒徑，進(jìn)行篩分和收縮，最后為1mm×1mm樣品預(yù)留至少1mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1.2分析方法

優(yōu)質(zhì)煤炭的常量元素分析方法，嚴(yán)格遵循GB/T1574-2007煤炭灰成分分析方法分析;對(duì)微量元素采用ICP先定性分析，然后再對(duì)其有價(jià)的微量元素進(jìn)行用ICP定性分析;利用XRD測(cè)定和Jade檢驗(yàn)，可以分析每個(gè)優(yōu)質(zhì)煤炭樣品的主要礦物成分，并通過(guò)K值法算出各物相在優(yōu)質(zhì)煤炭物中的大致濃度;而固定碳濃度和熱值則通過(guò)對(duì)GB/T212-2008煤的工業(yè)分析測(cè)定并計(jì)算得出。

2.結(jié)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(zhì)屬灰矸，哈1礦、哈2礦、哈露礦和伊達(dá)礦的優(yōu)質(zhì)煤屬灰矸，伊喀礦業(yè)的優(yōu)質(zhì)煤為白矸。常量化學(xué)分析結(jié)果（表1）表明，7個(gè)優(yōu)質(zhì)煤炭樣本的物理化學(xué)成份各不相同。除哈密三道嶺的三所礦井煤矸石化學(xué)成分因其在同一區(qū)域的原因而較為相同之外，其他各地優(yōu)質(zhì)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(yōu)質(zhì)煤炭燒失量從68.19%至72.38%之間，表明了這里的碳質(zhì)成份較多。而伊寧市達(dá)達(dá)木圖鄉(xiāng)礦井的煤矸石燒失量也很多，為55.44%。發(fā)現(xiàn)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(lái)看，五彩灣、伊喀礦優(yōu)質(zhì)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(yōu)質(zhì)煤層中SiO2含量均很低。Fe2O3含量都在5.38%以下。Al2O3濃度最高時(shí)僅能超過(guò)17.14%，相似于黏土的AI2O，低濃度納米TiO2濃度相應(yīng)較少，最高僅達(dá)2.89%，與一般工業(yè)鈦白粉的開(kāi)采品位標(biāo)準(zhǔn)7.20%差距甚遠(yuǎn)。而哈密三道嶺等三個(gè)礦井以及伊達(dá)礦優(yōu)質(zhì)煤層中的Ca、Mg濃度則相應(yīng)較高，在29.65%至33.67%。

2.2礦物組成的研究

優(yōu)質(zhì)煤層中的礦物質(zhì)類(lèi)型相似于普通煤層，但主要為復(fù)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(fā)生、單質(zhì)元素、釩酸鹽、鎢酸鹽，以及另外幾種根據(jù)礦石研究方法嚴(yán)格定義類(lèi)型的礦物質(zhì)。為了掌握我國(guó)新疆主要煤礦區(qū)煤矸石中的主要礦物質(zhì)成分，根據(jù)煤的礦石成分研究方法，采用XRD方式測(cè)定了優(yōu)質(zhì)煤層這種復(fù)雜物相中的常量、大量和部分濃度范圍在百分之零點(diǎn)一0.1%至1.0%之間的少量晶體相礦物質(zhì)。而煤層灰?guī)r中，或許會(huì)有部分濃度范圍很小的礦物質(zhì)元素不以正常礦石形態(tài)而或許會(huì)以非晶質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)金屬物質(zhì)等的形態(tài)出現(xiàn)。即利用無(wú)標(biāo)量XRD的K值法，計(jì)算得出了各主要物質(zhì)相在優(yōu)質(zhì)煤礦物料成分中的大致濃度。但具體XRD知識(shí)圖譜筆者則只列舉了硫磺溝煤礦與哈露礦兩地的主要優(yōu)質(zhì)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(xiàn)象，即優(yōu)質(zhì)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(gòu)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(yōu)質(zhì)煤層中大部分由CaCO3和方解石構(gòu)成，以及少量的鈣鎂菱鐵礦或菱鐵礦石;哈露礦優(yōu)質(zhì)煤大部分由碳酸鈣生產(chǎn)、方解石構(gòu)成;伊喀礦優(yōu)質(zhì)煤大部分由巖英生產(chǎn)、高嶺土構(gòu)成;伊達(dá)礦優(yōu)質(zhì)煤大部分由白云巖生產(chǎn)、巖英和高嶺土構(gòu)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(cè)定

優(yōu)質(zhì)煤炭中穩(wěn)定碳的測(cè)定使用了GB/T212-2008煤的工業(yè)分析，熱值使用了李慶繁所提供的對(duì)黑煤矸石發(fā)熱能的計(jì)算方法測(cè)定得到，結(jié)論見(jiàn)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(zhì)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(fā)分在37.58%至38.21%，比熱值均達(dá)到了17019～18054kJ/ kg，在各方面參數(shù)較接近于普通煤炭，但如果參照中國(guó)煤炭科研總院北京煤化工科研分院的陳鵬博士對(duì)低煤階煤炭的分類(lèi)意見(jiàn)，則認(rèn)為在哈密三道嶺的三處礦井的矸子均可分類(lèi)為褐炭，由于當(dāng)?shù)貙?duì)其選用矸子的管理方法嚴(yán)格，本試驗(yàn)結(jié)果暫且將其作為優(yōu)質(zhì)煤炭處理。其次是，伊寧州達(dá)達(dá)木圖鄉(xiāng)煤礦煤矸石的固定碳濃度約為15.27%，而且其揮發(fā)份量非常高（39.42%），使得熱值高達(dá)12253 kJ/ kg。這四所礦井的煤矸石都可以直接用來(lái)發(fā)電、采暖。而其他幾處的優(yōu)質(zhì)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(yōu)質(zhì)煤熱值則很低，僅為1756 kJ/kg。

2.4煤矸石的分類(lèi)及應(yīng)用途徑

鑒于中國(guó)各地優(yōu)質(zhì)煤成分復(fù)雜，物理化學(xué)特點(diǎn)也不同，再加上各種優(yōu)質(zhì)煤的加工使用方向?qū)?yōu)質(zhì)煤的物理化學(xué)特性需求也有所不同，因此通過(guò)對(duì)優(yōu)質(zhì)煤進(jìn)行化學(xué)分析，可以提供中國(guó)新疆主要煤礦區(qū)煤矸石的主要成分組成報(bào)告，并為其綜合利用情況提供重要信息。一般來(lái)說(shuō)，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(lèi)（粘土巖矸石砂、質(zhì)巖矸石粉沙巖矸石、鈣質(zhì)巖矸石、和鋁質(zhì)巖矸石）、碳元素含量（四類(lèi)煤矸石碳元素含量>20%，三類(lèi)煤矸石、碳元素含量6%至～20%，二類(lèi)煤矸石、碳元素含量4%至6%，一類(lèi)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(jìn)行分類(lèi)。

將所采集的信息作為按來(lái)源類(lèi)型劃分的根據(jù)，以XRD和優(yōu)質(zhì)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(cè)定結(jié)果作為按巖石種類(lèi)劃分的根據(jù);計(jì)算得出的固定碳濃度和計(jì)算得出的比熱值，作為按碳濃度劃分的基礎(chǔ);根據(jù)煤矸石常量成份分析中SO3、Fe2O3、SiO2和Al2O3濃度的計(jì)算，作為按硫含量、鐵化合物濃度、硅鋁比的劃分基礎(chǔ)，對(duì)全國(guó)各地的優(yōu)質(zhì)煤層進(jìn)行了劃分（表4）。

硫磺溝煤炭的井下開(kāi)采，巷道運(yùn)輸模式最經(jīng)典的是中國(guó)神華集團(tuán)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(yōu)質(zhì)煤山。這二處的優(yōu)質(zhì)煤都屬砂質(zhì)巖矸石，通過(guò)對(duì)石灰?guī)r、粘土等的調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)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(diào)整到2%至～15%之間，既達(dá)到了對(duì)煤矸石制磚的要求，又可用來(lái)復(fù)墾采煤塌陷地和回填煤礦采空地。

哈1礦的產(chǎn)矸率僅為3%以下，基本無(wú)矸子積累為手選矸;而哈2礦有大量的優(yōu)質(zhì)煤積累，但部分產(chǎn)生了自燃，為自動(dòng)燃燒矸;哈露礦開(kāi)發(fā)時(shí)間已長(zhǎng)，剝離矸石后主要進(jìn)行返回，現(xiàn)生產(chǎn)的矸子為煤層開(kāi)采中的夾矸，故含碳量較高。這三個(gè)礦均為鈣質(zhì)巖矸石，按碳濃度劃分為四類(lèi)煤研石，可作為煤矸石發(fā)電、采暖。

伊喀礦有大量?jī)?yōu)質(zhì)煤炭堆積，其中的優(yōu)質(zhì)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(nèi)，在燒灼前后的硫含量均小于1%，因此可用來(lái)制造普通硅酸鹽混凝土;如果用礬土調(diào)整其中的Al2O3 濃度大至等于28%，可用來(lái)制造硫鋁酸鹽水泥和氟鋁酸鹽水泥。

伊達(dá)礦有巨大的優(yōu)質(zhì)煤層堆積，按碳濃度劃分為三類(lèi)優(yōu)質(zhì)煤層，且因?yàn)槠涓叩膿]發(fā)份量導(dǎo)致熱值達(dá)12253kJ/kg，因此適宜于煤矸石化發(fā)電，作為能源。伊達(dá)礦煤矸石由于其鋁濃度過(guò)高，如果加入水泥會(huì)產(chǎn)生材料的脹裂紋，，用作砂漿、砼和建材的制造原材料。

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作者簡(jiǎn)介：肖進(jìn)（1985年7月），男（漢族），籍貫四川江油，職位副總經(jīng)理，職稱(chēng)勘查地球化學(xué)工程師，本科，地球化學(xué)。