矸石矸石在采煤方面的应用

矸石直接充填采煤方法

利用工作面采空区处置煤矸石的充填采煤方法，既可以减少煤矿固体废弃物排放，又可以减轻开采沉陷灾害、提高矿井资源回收率，是实现煤矿绿色开采的关键技术途径之一，目前，已经形成了矸石直接充填采煤的技术框架，其中包括综采矸石充填技术、普采矸石充填技术和掘巷充填技术等。

矸石综采充填采煤方法

长壁综采是我国目前普遍应用于中厚及厚煤层开采、机械化程度高的采煤方法，综采充填采煤就是基于长壁综采而研发的。目前，此项采煤技术已成功应用于我国的邢台、新汶等矿区。

矸石普采(或炮采)充填采煤方法

普采(或炮采)仍是我国目前应用普遍的采煤工艺，研究开发与长壁普采配套的高效矸石充填技术设备和工艺,对于全面推广矸石充填采煤技术至关重要。目前，此项采煤技术已成功应用于我国的新汶等矿区。

煤矸石中含有约15 %～35 %的Al₂O₃，如果能对这一部分铝加以利用，将产生巨大的经济效益。利用煤矸石制取含铝产品的研究一直是煤矸石化工利用的一个热点。

矸石煤矸石中铝含量与浸取率的关系

对比不同种类煤矸石煅烧后粉煤灰中铝的提取率，可以看出，不同种类煤矸石样品提取的铝含量有较大差异。煅烧活化后进行酸浸提取铝，铝浸取率并不会随着煤矸石中铝含量的升高而升高或降低，而是在同等试验条件下煅烧活化提取煤矸石中的铝时，其浸取率总会保持在60 %～70 %的范围内。这说明煤矸石中的铝浸取率与煤矸石的来源无关，这也为低铝煤矸石提铝提供了理论依据。

矸石煤矸石中提取氢氧化铝

煤矸石中的主要 矿物相为高岭石（Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）与石英（SiO₂），高岭石具有单层网结构，单网层间由氢键相联，因此氧化铝的活性差，要从高岭石中提取氧化铝十分困难。为从煤矸石中提取氧化铝，需将煤矸石进行矿物改性处理，使高岭石中的氧化铝成为活性氧化铝。

任雪娇以煤矸石为原料，经机械活化、热活化、酸浸提铝，酸浸液利用Fe³ 、A1³ 水解pH值的差异分离铝铁，制备氢氧化铝，确定了最佳工艺条件为粒度0．178mm，焙烧温度750 ℃，焙烧时间120min，浸取温度95 ℃，浸取时间4h，液固质量比3，硫酸质量分数40 %。此条件下煤矸石中Al₂O₃的浸取率达到81．8 %。耿学文等采用碱石灰烧结法从高铝煤矸石中提取了氢氧化铝，试验原料经过碱液预处理，使其中的铝硅质量比由原来的0．86提高到2．21。在烧结温度为1200 ℃、Na2O/Al2O3物质的量比为1．0，CaO/SiO2物质的量比为2．1时，熟料的烧结质 量 最 好，其 中 氧 化 铝 的 浸 取 率 最 高 达 到94 %。最佳条件下得到的溶出液以一水铝石为晶种，在添加甲醇并于30℃下分解5h，铝酸钠溶液中氧化铝的分解率达到88．9%；扫描电镜结果显示，生成的铝氧水合物呈片状生长。

吕淑珍用碳化法从煤矸石中制备高纯超细氢氧化铝粉体，在氧化铝活化过程中巧妙地利用C₂S晶相转变产生的体积膨胀，造成硅酸二钙连同其他矿物一起粉化（自粉化），省去了传统的粉磨工序，这不仅可节省电能，而且化学粉碎形成的粉末比机械粉磨的粉末更细，有利于以NaAlO2形式提取铝组分，用高效分散剂碳化法制备超细氢氧化铝。在用8 %Na2CO3溶液从煤矸石自粉化料中以NaAlO2形式提取铝组分，用高效分散剂碳化法制备超细氢氧化铝粉体的研制过程中，找出了高效分散剂碳化法制备超细氢氧化铝粉体的最佳条件，为煤矸石的高价值利用开辟了一条新的途径。

矸石利用煤矸石制取絮凝剂聚铝

（铁）絮凝剂具有生产成本低、无 毒、高效、沉降速度快等特点，产品市场潜力大，可广泛用于石油化工、印染、造纸、冶金等行业废水处理。用煤矸石制备聚合硫酸铝铁主要是利用煤矸石中Al2O3、Fe2O3与 硫 酸 反 应 生 成Al₂（SO₄）3和Fe₂（SO4）₃，然后再通过聚合反应制取聚合铝铁。加入聚合剂后，[Al₂（SO4）₃和[Fe₂（SO₄）₃逐步缩 聚为多聚体[Al₂（OH）_n（SO₄）_3－m/2]_n和[Fe₂（OH）_n（SO₄）_3－n/2]_m即为净水剂 主要成分。

孔德顺等以高铁型煤矸石酸浸液为原料，制备了高效无机高分子絮凝剂聚合硫酸铝铁（PAFS），并通过单因素试验研究了制备体系反应条件对聚合硫酸铝铁去浊率的影响。制备聚合硫酸铝铁优化工艺条件如 下：铁离子与 铝离子总浓度为0．5mol/L，铁离子与铝离子物质的量比为0．25，体系pH值为0．8，80 ℃下 聚 合8h，室温熟 化24h。采用X射线衍射（XRD）及 红 外光谱（IR）对优化条件下制备的聚合硫酸铝铁进行了表征，表明产物为铁聚合较完全而铝部分聚合的聚合硫酸铝铁。

罗道成利用煤矸石为原料制备高效混凝剂聚硅酸铝，用该混凝剂处理工业废水，并与聚合硫酸铁的处理效果比较表明，出水COD和色度去除率分别提高约20 %和25 %，SS去除率提高约10 %，废水处理效果良好，该种混凝剂具有良好的工业应用前景。

煤矸石资源化利用研究取得了很大的进展，但是其综合利用率仍不高，利用潜力巨大，后期的应用需要在对环境无害的基础上注重煤矸石耗量大和高附加值产品双向的开发利用，最终实现我国矿区煤矸石“零排放”，建设我国绿色生态的文明矿山。

后期具体工作如下。1）进一步 开展对煤矸石环境危害的持续研究，建立煤矸石对土壤、水、大气污染的实时监控体系，探索安全控制的技术途径。

2）煤矸石具有良好的路用性能，后期研究需加大对岩质煤矸石的加工工艺研究，加大煤矸石在沥青混凝土方面应用的研究力度，以期将煤矸石路用方面应用尽快产业化推广。

3）煤矸石富含SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO和碳等成分，这为其在化工方面应用提供了基础。

然而，天然的煤矸石结构致密，必须先对其进行改性，提高煤矸石的活性。后期需要对煤矸石改性特别是化学改性方面作进一步研究。

煤矸石中含有 一定量的氧化铝和氧化硅成分。在煤矸石的利用中，将铝硅质量比（w（Al₂O₃）/w（SiO₂））大于0．5的煤矸石作为制造墙体砖、高级陶瓷、煅烧高岭土及分子筛的原料；将铝硅质量比小于0．5的煤矸石（以砂岩质煤矸石为主），配以适当的铝铁质校正原料生产水泥熟料；而铝硅含量（w（Al₂O₃ SiO₂））较高的煤矸石，经过适当活化处理，可用于生产水泥。

煤矸石具有一定热值，煤矸石用于生产水泥和熟料可节约部分燃料。但是，煤矸石品质波动较大，容易影响水泥熟料质量，而且煤矸石中硬质砂岩含量较高，应用于水泥生产过程中磨矿能耗大，所以煤矸石用于水泥生产的技术推广比较缓慢。

然而，煤矸石用于道路工程建设在国外已经有很长的历史。从相关文献看，法国、美国将燃烧过的煤矸石渣用于道路充填材料，俄罗斯巴斯顿煤矿将加工后的自燃煤矸石铺筑在沥青混凝土路面之下，作为底基层材料，英国将煤矸石与铝土矿按照4∶1比例混合，制成防滑简易路面。

我国于1998年京福高速利用煤矿石铺筑了10km路段，2003年平顶山至临汾高速也有10．2km路段填筑了煤矸石，这些路况至今良好。煤矸石颗粒表面粗糙并具有棱角性，碾压后相互嵌挤而比较紧密，产生一定的摩擦力，与水泥胶结作用，更具有良好的路用性能。煤矸石颗粒的组成、膨胀性、密实性、水稳性等理化性能优良，表明煤矸石可应用于道路工程中。

矸石煤矸石混凝土

王晴等通过正交试验，采用电通量法来评价煤矸石混凝土氯离子渗透性能。发现水胶比对煤矸石混凝土抗氯离子渗透性能的影响较为显著，硅灰掺量影响较大，煤矸石掺量和减水剂掺量对混凝土抗氯离子渗透性能影响较小。制备最佳抗氯离子渗透性能的煤矸石混凝土组合，水胶比为0．30，煤矸石掺量为40 %，减 水 分 剂 掺 量 为0．75 %，硅灰掺量为7 %，此时煤矸石混凝土的6h电通量为943．25C，具有较强的抗氯离子渗透性能。

张玉庆采用不同替代量的煤矸石集料制备透水性生态混凝土。随着煤矸石替代量的增加，透水性生态混凝土的28d抗压强度和抗折强度逐渐降低，并且都存在着近似的线性关系。替代量不大于40%时，煤矸石集料透水性生态混凝土可满足路面的应用要求。

揣丹等以陕西铜川煤矸石为主要原料，以水泥为粘结剂，制成煤矸石－水泥基泡沫混凝土，研究了PVA掺量对泡沫混凝土孔隙结构、力学性能及导电性能的影响。结果表明，掺入PVA可明显改善泡沫混凝土的孔隙结构且分布更均匀，干密度及吸水率有所降低，当PVA掺量为2 %时，28d抗压强度、抗折强度分别为6．72、2．04 MPa，且导热系数相对较低。

王晴等研究了煤矸石取代碎石对混凝土抗冻性的影响，并且通过使用矿物掺合料和外加剂来提高混凝土的抗冻性。研究结果表明，随着煤矸石取代量的增加，抗冻性逐渐下降，适宜掺量不超过60%；粉煤灰、高效减水剂、引气剂的掺入可以改善混凝土的孔结构，减缓随冻融次数增加而增长的孔的劣化速率，显著提高混凝土的抗冻能力。粉煤灰的最佳掺量为胶凝材料的10%；减水剂与引气剂复合使用效果更好，当掺量分别在0．40 %和0．02 %时，混凝土抗冻能力最强。

煤矸石沥青混凝土的研究在国内开始兴起。牛存良等在北京市担下路铺筑了首条温拌WAC－25C煤矸石沥青混凝土路面底面层，该工程的配合比为：石灰岩（10～30mm）∶石灰岩（10～20mm）：煤矸石（5～10mm）∶机制砂：矿粉=26∶22∶21∶29∶2，最佳油石比为4%，试验技术指标优良，其 中 车 辙 试 验（60 ℃）动稳定度 为1968次/mm，残留马歇尔稳定度 为93．2 %，冻融劈 裂 残 留 强度比为81．7 %。该 工 程 共 铺 筑7cm厚煤矸石沥青混凝土31898．71m²，使用煤矸石417m³。经检测和实践表明，温拌煤矸石沥青混凝土是低碳环保型的路面底面层材料。

煤矸石可以配制成煤矸石沥青混凝土，并成功运用在道路建设中。

矸石煤矸石轻集料混凝土

我国20世纪80年代开始研制煤矸石陶粒轻集料混凝土，但是目前煤矸石轻集料混凝土尚处于工业试验阶段，多数企业采用回转窑法生产膨胀性的煤矸石陶粒，实际混凝土工程中仍普遍存在混凝土开裂现象。

因此，一般被迫采取增加胶凝材料用量、掺加高效减缩剂和活性矿物掺合料的技术措施来防止开裂，但又造成了混凝土的明显收缩、开裂和耐久性下降，严重制约了其在结构工程上的应用。

因此，提高煤矸石轻集料混凝土的体积稳定性，减少收缩开裂是决定煤矸石轻集料混凝土应用的关键。邱景平等开展了减缩剂、陶粒预湿对煤矸石陶粒轻集料混凝土体积稳定性的影响研究，发现增加减缩剂掺量与提高煤矸石陶粒预湿程度，均会造成煤矸石陶粒轻集料混凝土试件的收缩率明显下降，体积稳定性明显改善。两者复合应用更有利于降低 试件的收缩率、提高试件的稳定性。

矸石土地复垦

由于煤矸石山占有大量土地，利用煤矸石充填复垦造田、煤矸石山复垦造林成为了煤矸石利用的重要任务。裴宗阳系统研究了煤矸石山生态恢复的背景理论以及煤矸石山立地条件，指出煤矸石山生态恢复需重点研究煤矸石山植被恢复体系构建、立地条件系统、煤矸石山植被恢复的演替规律以及生态治理的评价体系构建。煤矸石复垦技术可消耗大量煤矸石，减轻煤矸石露天堆放所造成的环境污染，改善矿区生态环境。

矸石生产农肥和改良土壤

煤矸石在农业上资源化利用主要体现在生产农肥和改良土壤两方面。煤矸石特别是高硫煤矸石中的硫化铁在高温下经氧化生成二氧化硫，再与氨合成生成硫酸铵。早在1992年刘大锰就报道了煤矸石的这种应用，经过试验发现所生产的硫酸铵是一种很好的肥料。

一般来说，新产生的煤矸石偏碱，而陈化后的煤矸石的pH值一般较低，高国雄等研究了煤矸石沙障对沙地土壤的改良效用，发现煤矸石能使沙地土壤增加细粒物质，提高土壤水分含量，改善土壤结构，增加土壤中有机质、全N、速效P、速效K的含量，可作为沙地土壤的改良剂，但是煤矸石应用于农业生产需要特别注意污染扩散问题。

矸石侵占大量耕地

煤矸石多采取绞车提升、翻矸机倾倒，自然成堆，露天堆放方式，这种方式占用大量土地。据不完全统计，我国煤矸石山占地已近1．5万hm²，而且随着煤矸石排放量的逐年增加，耕地被侵占的现象将进一步恶化，这将进一步加剧我国土地资源紧缺局面。此外，煤矸石山由于自燃等现象发生，其植被覆盖率低、黑色地面大面积暴露，严重影响地质地貌景观。

矸石大气污染

我国很多地区的煤矸石组成为砂岩、砂砾岩、页岩，因此煤矸石在露天堆积时，易于风化成微细颗粒被带到大气中，这些微细颗粒中的可燃性碳氢化合物在高温下经氧化、分解、脱氢、缩聚等一系列复杂反应而形成炭黑、飞灰等粒状悬浮物，形成雾霾。

同时煤矸石含碳量为5 %～45 %，煤矸石自燃时将产生大量SO₂、CO、CO₂、NO_x等有毒有害气 体和烟尘，严重污染矿区环境。

刘汝海等以东北地区煤矸石为研究对象分析了煤矸石中碳含量、硫含量，以及挥发分的比例与煤矸石能否自燃的关系，并报道了煤矸石自燃导致污染和人身伤亡的事故。

矸石重金属污染

在煤矸石所含污染物质中，重金属元素具有不可降解、在 环境中存留期长、具有很强的“三致”特性而成 为 国内外研究的热点。

不少学者担心当煤矸石山选址不好，同防渗措施不到位时煤矸石中的重金属将会污染周围土壤、地面及地下 水体。Fanfani等从淋溶元素溶解性角度研究了意大利Montevecchi西部一个矿山尾矿堆放场地对土壤－水环境的重金属污染情况。Panov等对俄罗斯顿巴斯大煤田重金属环境化学进行调查研究，发现 在该地区的许多土壤样品中Hg、As、Pb、Zn和Cd含 量 超 标。我国学者对危害较大的Hg、Cr、Pb、Cu、As、Zn等重金属元素 进 行 了 测 定，对煤矸石山及其附近土壤中重金属元素污染进行了大量研究。

根据《土壤环境质量标准》（GB1561—2008）的农业用地水田（pH=5．5～6．5）二级标准，对煤矸石堆场周边的土壤重金属进行评价，几处典型煤矸石堆场周围土壤中的重金属元素含量除Cr和Zn外，大多数都高于标准要求的含量，说明煤矸石堆场对周围环境存在着一定的重金属污染，这可能由于矿区土壤对重金属具有富集性和迁移性，因此对其进行治理十分紧迫和必要。

矸石地质危害

由于历史原因，我国煤矸石山基本上未经设计，煤矸石堆放极不规范、结构疏松，稳定性 差。在无序开挖和自然雨水冲刷的情况下，极易引发滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，给当地人员的生命和财产安全构成严重威胁。

中国煤矿所采用的矸石运输工具有汽车、火车、矿车和架空索道。平原地区大多将矸石堆积在荒地，或用来填充煤矿塌陷区进行复垦，或堆积成锥形或脊形煤矸石山。山区则将矸石沿山坡自由滚落排放，填平山沟，形成平顶矸石山。由于采用的排矸机械和堆积工艺不同，所形成的矸石山形状不同，矸石山的粒度结构也不同。不同粒度结构的矸石山具有不同的空气动力学性质。具有自燃倾向的矸石所堆积的锥形山自燃发火率最高，脊锥形及平顶矸石山次之。

煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中排出一种固体废弃物。我国煤矸石已累计堆存50亿t以上，且仍在以每年3．0～3．5亿t的速度持续增加，预计到2020年，全国煤矸石年排放量将增至7．29亿t。

煤矸石的大量堆存不仅浪费土地资源，还会发生自燃、雨淋、泥化等情况，对环境产生严重危害。然而，从资源属性分析，煤矸石是一种宝贵的二次资源，对其进行资源化利用是防止环境灾害发生的必要措施，也是实现我国煤炭行业生态文明和循环经济发展的重要工作之一。

矸石山的固体废物包括剥离矸石、煤巷矸石、岩巷矸石、手选矸石、选煤厂尾矿等。矸石山的自燃、爆喷、滑坡及矸石山的淋溶水均对矿区环境产生污染。

煤矸石资源化利用研究取得了很大的进展，但是其综合利用率仍不高，利用潜力巨大，后期的应用需要在对环境无害的基础上注重煤矸石耗量大和高附加值产品双向的开发利用，最终实现我国矿区煤矸石“零排放”，建设我国绿色生态的文明矿山。

1）进一步开展对煤矸石环境危害的持续研究，建立煤矸石对土壤、水、大气污染的实时监控体系，探索安全控制的技术途径。

2）煤矸石具有良好的路用性能，后期研究需加大对岩质煤矸石的加工工艺研究，加大煤矸石在沥青混凝土方面应用的研究力度，以期将煤矸石路用方面应用尽快产业化推广。

3）煤矸石富含SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、CaO和碳等成分，这为其在化工方面应用提供了基础。

然而，天然的煤矸石结构致密，必须先对其进行改性，提高煤矸石的活性。后期需要对煤矸石改性特别是化学改性方面作进一步研究。 2100433B

中国煤矿所采用的矸石运输工具有汽车、火车、矿车和架空索道。平原地区大多将矸石堆积在荒地，或用来填充煤矿塌陷区进行复垦，或堆积成锥形或脊形煤矸石山。山区则将矸石沿山坡自由滚落排放，填平山沟，形成平顶矸石山。由于采用的排矸机械和堆积工艺不同，所形成的矸石山形状不同，矸石山的粒度结构也不同。不同粒度结构的矸石山具有不同的空气动力学性质。具有自燃倾向的矸石所堆积的锥形山自燃发火率最高，脊锥形及平顶矸石山次之。

通过矸石井实现的是煤矿矸石传统的处理方式，这种方式下，矸石由井下提至地表堆积，形成煤矿特有的地表特征“建筑物”——矸石山。但是随着煤矿矸石量排出的增加矸石山将占用越来越多的土地，对环境造成很大的破坏。矸石井下处理可断绝其污染源，消除其危害。通过井下研石充填系统设计，合理选择研石井下处理设备，优化巷采研石充填生产系统设计，实现研石安全、快速、方便充填。

中国矿业大学张吉雄教授在2006年首次提出矸石井下处理技术研究的总体思路，并在邢东矿井试验成功。实现了矸石井下处理与建筑物等下的煤炭资源的开发利用，取得了较好的经济效益与社会效益。

煤矿和选煤厂集中堆置矸石的场所。

矸石山的固体废物包括剥离矸石、煤巷矸石、岩巷矸石、手选矸石、选煤厂尾矿等。矸石山的自燃、爆喷、滑坡及矸石山的淋溶水均对矿区环境产生污染。