一、煤矸石及其分類
1、什麼是煤矸石？煤矸石綜合利用指什麼？
煤矸石：是在煤礦建井、開拓掘進、採煤和洗選煤過程中產生的幹基灰分>50%的岩石。是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色岩石。
煤矸石綜合利用：是指利用煤矸石進行井下充填、發電、生產建築材料、回收礦產品、製取化工產品、築路、土地復墾等方面。
2、煤矸石排放量
2015年我國煤炭產量佔世界煤炭消費量的一半，煤矸石相佔煤炭產量的10％-15％。2015年煤矸石排放總量達到7.76億噸、綜合利用量4.8億噸計，每年約新產生2.7億噸-3.5億噸煤矸石。據統計，我國煤矸石已累計堆存50億噸以上。
3、煤矸石對環境的影響
煤矸石在運輸、堆放過程中會產生揚塵；煤矸石自燃排放的有害氣體；煤矸石對水體環境的影響主要有物理汙染和化學汙染二種情況；煤矸石堆積侵佔大量耕地、林地；煤矸石的堆積可引起泥石流、坍塌、滑坡和地面塌陷等重力災害。
4、煤矸石的分類
國家標準（GB/T29162-2012）規定煤矸石分類名稱的冠名順序以全硫含量、灰分產率、灰成分分類依次排列。其編碼為XXX或者XXX（X）。
▼按全硫含量分類
▼按灰分產率分類
▼按灰成分分類
二、煤矸石的理化特性1、煤矸石的化學組成
煤矸石是由無機質和少量有機質組成的混合物。
無機質主要為礦物質和水，構成礦物質成分的元素多達數十種之多，一般以SiO2、A12O3為主要成分，另外含有數量不等的Fe2O3、CaO、MgO、SO3、K2O、Na2O、P2O3等無機物，以及微量的稀有金屬(如鈦、釩、鈷等)。
有機質隨含煤量的增加而增高，它主要包括碳、氫、氧、氮和硫等。
我國煤矸石的主要化學成分一般以SiO2和A12O3為主，SiO2的含量一般在40%～60%之間，但也有極少達80％以上。A12O3含量波動在15%～40%之間，但在高嶺土和鋁質巖為主的煤矸石中可達40％以上。矸石中CaO含量一般都很低，只有少數礦的矸石可當為石灰石利用，Fe2O3含量絕大部分＜10%。
2、煤矸石的礦物組成
煤矸石中主要礦物成分有高嶺石、伊利石(水雲母)、綠泥石、蒙脫石、多水高嶺石、地開石、海泡石、白雲母、黑雲母、長石(鉀長石、斜長石)、石英、蛋白石、方解石、白雲石、菱鐵礦、菱鎂礦、黃鐵礦、赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、鋁土礦及微量元素等。
▼不同國家煤矸石的礦物組成
▼我國部分地區典型煤矸石礦物組成
與世界其他國家相比，我國煤矸石中高嶺石含量（10%～67%）豐富，石英含量中等（15%～35%）。
高嶺石活性易於激發，為其進一步資源化利用提供了便利。
3、煤矸石的物理性質
（1）力學性能
岩石的風化程度和硬度決定了煤矸石的力學性能，岩石的風化愈重，岩石的力學性質愈差；反映在粒度上，粒度越大，強度越大，這是由於強度高的岩石(如砂岩)不易破碎，保持較大的粒度，而強度較低的頁岩、粘土巖易破碎，保持較小的粒度。
煤矸石的強度變化範圍很大，抗壓強度在30～470kg/m²之間。
（2）密度和堆積密度
煤矸石密度在2100kg/m³～2900kg/m³之間，堆積密度在1200kg/m³～1800kg/m³；自燃煤矸石堆積密度在1300kg/m³～900kg/m³範圍。
（3）吸水率和塑性指數
煤矸石吸水率在2.0%～6.0%範圍，塑性指數3.0～15.0。自燃煤矸石吸水率在3.0%～11.60%範圍。
（4）多孔性
自燃煤矸石比未自燃煤矸石具有更多的孔隙，且孔隙結構十分複雜，孔徑大小變化幅度較大。
4、煤矸石的燃燒特性
煤矸石的燃燒過程是從揮發分的著火燃燒開始的，揮發分的析出過程制約著煤矸石的燃燒過程。煤矸石揮發分析出過程就是熱分解反應過程，具有熱分解反應過程的基本特徵，主要受化學動力控制。
煤矸石中揮發分含量越高，燃燒越劇烈，且由於揮發分的燃燒佔主要地位，其綜合燃燒性能越好；煤矸石的揮發分含量比較高，固定碳含量小，其後期燃燒性能比較好，比較容易燃盡。
燃燒放熱分為兩個階段：在燃燒前期，揮發分劇烈燃燒，有明顯的放熱峰，燃燒後期沒有明顯的放熱峰；煤矸石在燃燒低溫段（約700℃以下）的反應級數為1.5左右，活化能較低，在高溫段（約700℃以上）反應級數為2.0左右，活化能較高。
三、國內煤矸石綜合利用現狀
▲煤矸石資源再利用途徑
（1）能源領域
我國煤矸石發電的歷史始於20世紀70年代，四川永榮礦務局和江西萍鄉礦務局首先開展煤矸石發電的工業化試驗。
2013年，國內煤矸石等低熱值燃料發電機組總裝機容量達2800萬kW，單機容量從6-300兆瓦等級都有，年利用煤矸石1.4億噸，年發電量1600億kW·h。
煤矸石發電企業也面臨著兩個挑戰，一是發電企業大都處於微利運行狀態，企業經濟效益有待提高；二是發電企業著鍋爐渣和飛灰處理、煙塵監測與控制技術難度高等巨大環保壓力。
（2）建材領域
包括生產煤矸石磚、代替粘土生產水泥、製備陶瓷、作混凝土輕骨料等。
我國自20世紀60年代就在四川、遼寧等地開展了煤矸石制磚的工業化試驗，1964年，四川永榮礦務局建成國內第一座利用煤矸石為原料的磚廠。2012年達到年生產6億塊標磚的生產能力，每年消耗煤矸石約190萬噸。我國全煤矸石燒結磚技術裝備也達到國際先進水平。免燒磚、砌塊有了長足發展。
煤矸石用於代替黏土作為生產水泥的原料，在實際生產中的摻加量仍然很低。國內外在煤矸石生產水泥方面仍停留在如何充分激發煤矸石的水泥化活性以提高其摻加量等應用開發階段。
▲煤矸石燒結磚
▲煤矸石砌塊
▲煤矸石陶粒
（3）工程填料
包括煤矸石築路、造地復墾、回填採空區和塌陷區等。煤矸石築路、回填等方面的利用也是煤矸石綜合利用的重要途徑之一。
安徽省在該方面開展較早。如1973年，淮北礦務局張莊煤礦和朱莊煤礦利用煤矸石充填塌陷區造地，並在其上建起職工住宅。
2011年我國充填採空區、塌陷區、築基修路、土地復墾等利用煤矸石達到2.15億噸。
煤矸石用作工程填料不需要增加成本、且用量大，給煤礦帶來較好的經濟效率，缺點是粗放利用，不能很好實現資源綜合有效利用。
▲煤矸石山作為路基材料
▲煤矸石山造地復墾
▲修復後的常村煤礦煤矸石山
（4）化工產品領域
煤矸石中含有多種元素，特別是稀有元素，其化學成分中含量最高的是SiO2和Al2O3。煤矸石化工用途主要有三類：一是通過各種不同的方法提取煤矸石中的某一種稀有元素，如Ga、Se、Ti、Co等；二是回收煤矸石中的有益礦產品，如高嶺土、硫鐵礦等；三是生產含硅、鋁、硫等無機化工產品，如合成碳化硅、製備分子篩、製取白炭黑、聚合氧化鋁、硅鋁鐵合金等。
用煤矸石生產化工產品可解決傳統技術不足，使其資源化再利用，是煤矸石重要的高值化利用的途徑。
▲煤系高嶺石
▲煤矸石製備的沸石
▲硅酸鋁（陶瓷）耐火纖維針刺毯
（5）農業領域
利用煤矸石生產有機複合肥、微生物肥料或土壤改良劑。
採用煤矸石制肥，主要是根據煤矸石含有較豐富的有機碳(有機質)，施入土壤後，可使土壤中的有機質含量大大增加。同時，作為煤矸石肥料主要原料的煤矸石本身含有豐富的微量元素，特別是農作物生長所必須的Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素，這就保證了農作物生長期過程中對微量元素的需要。
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