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Analysis of Gangue Characteristics and Comprehensive Utilization in Bijie Prefecture, Guizhou Province Kong Hua Guizhou Coalmine Geological Engineering Consultation and Geological Environment Monitoring Center, Guiyang, Guizhou 550006 Abstract Analyzed gangue characteristics of some mine areas in the Bijie Prefecture, pointed out the peculiarity of gangue in the area is SiO2, Fe2O3and CaO content on the high side, Al2O3on the low side, but different from one mine area to another. Based on gangue composition characters indicated utilization trend of gangue in Bijie Prefecture, such as cement, new walling material, hollow block, ceramic aggregatelight and porous, cast stone making, aluminum product recycling, fertilizer producing, power generation as well as road materials. Analyzed issues existed in comprehensive utilization, considered that the gangue comprehensive utilization has broad prospects in Bijie Prefecture. Keywords gangue; comprehensive utilization; Bijie Prefecture 煤矸石是煤炭开采、洗选及加工过程中排放的 固体废弃物，约占煤炭产量的15，其矿物成分以 高岭石、蒙脱石、石英和硅酸岩等为主，并含多种微 量元素，也是可利用资源,具有双重性。 早在数十年 前世界各国，尤其是欧美等国已将煤矸石列入可利 用资源，近年来，我国政府对于煤矸石的利用也高度 重视，1998年国家经贸委发布了 煤矸石综合利用 管理办法，提出了“因地制宜，积极利用”的方针，并 提出采取资金补贴、贴息贷款、减免税赋等措施，以 促进煤矸石的综合利用。 “十一五”期末，贵州省毕 节地区将建成金沙、纳雍、织金三个年产原煤1 200 万t左右，毕节、大方、黔西三个年产原煤600万t 左右，赫章、威宁两个年产原煤300万t左右大型矿 区。 可见，毕节地区煤炭产量将急剧增加，煤矸石的 排量也将会越来越大。 由于毕节地区大、中型煤矿 的建设起步较晚，因而煤矸石的综合利用尚属空白， 产出的煤矸石自然松散的堆积在矿井周围，这不但 占用了大量的土地，而且煤矸石中所含的硫化物散 发后还会污染大气和水源，另外松散堆积的矸石山 还有可能造成滑坡，威胁到附近居民的生命财产安 全。 如何有效的利用丰富的煤矸石资源，对于节约 能源、减少环境污染、改善生态环境，保护附近居民 的生命财产安全等具有重要的意义。 1毕节地区煤矸石分类 1.1分类依据 根据煤矸石主要成分Al2O3的含量， 可将煤矸 石分为4种类，另根据Fe2O3、CaO的含量，又可分为 不同的型和组，详见表1[1]。 1．2毕节地区煤矸石特征 毕节地区煤矸石总的特点是SiO2、Fe2O3、CaO 含量偏高，Al2O3偏低，但不同矿区有一定的差异，详 见表2[2-8]。 2煤矸石的综合利用 2.1煤矸石建材 作建材是煤矸石利用的主要途径，且技术较为成 熟；在确定煤矸石制建材的技术可能性时，须分析研 究煤矸石的特性以及各种建材对原料的质量要求。 作者简介孔华（1975），男，贵州盘县人，1994年毕业于北京煤炭 工业学校矿山测量专业， 注册安全工程师， 从事地质测 量、矿山测量及煤田勘探、矿山安全、技术服务工作。 责任编辑孙常长 贵州省毕节地区煤矸石特征及综合利用分析 孔 华 （贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州 贵阳550006） 摘要研究分析了毕节地区部分矿区煤矸石的特征，指出该区煤矸石总的特点是SiO2、Fe2O3、CaO含量偏高，Al2O3 偏低，但不同矿区有一定的差异。 根据煤矸石的成分特征，指出了毕节地区煤矸石的利用方向，如制作水泥、新型墙 体材料、空心砌块、陶粒轻骨料、多孔骨料、铸石，回收铝产品，生产肥料，利用矸石发电及用作筑路材料等。 对其在 综合利用方面存在的问题进行了分析，认为毕节地区煤矸石的综合利用具有广阔前景。 关键词煤矸石；综合利用；毕节地区 中图分类号TD849.5文献标识码A 文章编号1674－1803（2009）05－0031－03 中 国 煤 炭 地 质 COAL GEOLOGY OF CHINA Vol．21 No．5 May．2009 第 21 卷 5 期 2009 年 5 月 第21卷中 国 煤 炭 地 质 2.1.1水泥 粘型煤矸石的化学成分与粘土相近且能释放一 定的能量， 用其代替粘土和部分燃料可生产普通水 泥如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水 泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥，煤矸 石水泥生产工艺和普通水泥基本相同。 煤矸石制作 水泥可提高熟料质量，这是因为与粘土配入的生料 相比，煤矸石配料的活化能低得多，用少量煤可提高 生料的预烧温度， 且煤矸石中的可燃物有利于硅酸 盐等矿物的熔解和形成；此外，煤矸石所配生料表面 能高，硅铝等酸性氧化物易于吸收氧化钙，可加速硅 酸钙等矿物的形成。 熟料的化学成分应满足下列三个系数的要求 饱和系数KH0.85～0.92，硅酸率n1．8～2．5，铝氧率 P1．0～1．8。 水泥中有害组分氧化镁、氧化钾及氧化钠、三氧 化硫、游离二氧化硅、氯根的含量分别不大于5、 1.3、1.5、4、0.015。 水泥对粘土质原料的化学 成分要求见表3。 砌筑水泥是用煅烧煤矸石或灰渣配入部分水泥 熟料和少量石膏生产而成，也称少熟料水泥。若不配 入熟料则为无熟料水泥。 这种低标号水泥可作为生 产砌块的胶粘材料，用于砌筑和抹面。砌筑水泥标号 低的原因在于早期强度低，但后期强度180d以后 增高，可用于对早期强度要求不高的工程。 煤矸石经煅烧后可制质轻。保温、防火、防震、加 气混凝土。 高铝质A12O330煤矸石可制各种耐火 混凝土。 毕节地区煤矸石除Fe2O3含量略高外， 基本上 可满足制作水泥的要求。 2.1.2制砖 制作新型墙体材料是煤矸石的重要应用领域， 国内许多大型矿业集团，如淮北、新汶、铁法、潞安等 矿业集团 [9] 都先后开发和引进了煤矸石制砖生产 线，取得了成功的经验。煤矸石制砖要求其发热量低 于5MJ/kg，矸石砖化学成分的控制范围如下。 ①SiO60～70％。 过低则抗压强度低；过高使 可塑性指数降低，不易成型，遇高温易爆炸，影响完 整面和合格率。 ②A12O310～30，最佳范围在15～20％。 过 低影响抗折强度，降低可塑性指数；过高将导致焙烧 温度增高，并影响抗冻性能。 ③Fe2O32～8％。 增高时出现铁斑或铁泡。 ④CaO2％。 过高将缩小烧结温度范围，CaO 吸水后体积膨胀2．5倍左右，CaO颗粒大于2mm或 局部富集时，形成爆裂或酥砖，故CaO高时应磨细， 并搅拌均匀。 ⑤MgOl％，最多不超过3％。起助熔作用．降低 耐火度。 与SO3反应产生白色泛霜一泻盐MgSO4 7H2O，吸水后砖体表面析出白霜，白霜在结晶过程 中体积增大产生应力，使砖的结构薄弱处遭破坏。 ⑥SO365％。 ⑧成型含水率15～20％。 ⑨砖坯干燥收缩率2～3％。 毕节地区煤矸石用于制砖存在的主要问题是 铁、硫含量偏高，因而只能作为配料，开发免烧结砖 是解决本区煤矸石含铁偏高的重要途径。 2.1.3空心砌块 以自燃或或人工煅烧煤矸石为骨料， 以磨细生 石灰和石膏作胶粘剂，经转动成型、蒸汽养护制成的 墙体材料，产品强度可达200号。 2.1.4陶粒轻骨料、多孔骨料 陶粒是一种外壳坚硬、 表面具有隔水保气的釉 层、内部多孔的陶质粒状物。 陶粒的重量轻，并具有 一定的抗压强度， 主要用作结构混凝土和保温结构 混凝土的骨料。烧制陶粒对煤矸石的物理、化学性质 矿区分类SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3 织金 粘类富铁型高钙组48.6420.2720.823.290.961.29 大方 粘类富铁型高钙组55.1518.1615.663.251.471.18 金沙 粘类富铁型高钙组47.7622.8815.193.621.541.18 黔西 铝类富铁型高钙组30.8947.5310.642.351.201.65 威宁 硅类中铁型高钙组67.2212.777.976.031.460.82 毕节 粘类富铁型低钙组53.4718.2817.070.401.213.36 纳雍 粘类富铁型高钙组60.1319.0411.754.131.252.65 表2毕节地区煤矸石特征表 Table 2 Data sheet of gangue characteristics in Bijie Prefecture 类Al2O3型Fe2O3组CaO 铝类＞28 低铁型≤3低钙组＜1 中铁型＞3-10中钙组1-2 富铁型＞10-20高钙组＞2 粘类＞15-28 低铁型≤3低钙组＜1 中铁型＞3-10中钙组1-2 富铁型＞10-20高钙组＞2 硅类≤15 低铁型≤3低钙组＜1 中铁型＞3-10中钙组1-2 富铁型＞10-20高钙组＞2 铁类≤15富铁型＞20 表1煤矸石分类 Table 1 Gangue classification 粘土质原料SiO2/％A12O3/％Fe2O3/％np 一类73～7813～2l5～112.7～3.5 1.5～3.5 二类67～8010～264～132．0～4．0 表3水泥粘土质原料的化学成分 Table 3 Compositions of cement clayey raw materials / / 32 5期 有一定的要求。 2.1.4.1制作陶粒对煤矸石物理性质的要求 ①粒度。愈细对烧膨愈有利，微细泥粒具有可塑 性、粘结性、吸水性、离子交换能力较强，有利于吸 水、成球、风干和烘干后保持一定强度。 ②可塑性。 高膨原料的塑性指数不低于25，中 膨原料不低于15。 低于15的原料则料球强度低，对 工艺操作不利。 塑性指数低时可加入粘土等可塑性 强的外加剂。 ③耐火度和软化温度范围。 耐火度一般以 1100～1230C为宜，过高则热塑时粘度大，对膨胀不 利；过低则容易造成粘结。软化温度范围是指软化温 度至熔融温度的范围，一般为1 020～1 230C，软化温 度范围愈大，膨胀温度范围也大，对膨胀有利，也易 于热工操作。 2.1.4.2制作陶粒对煤矸石化学成分的要求 煤矸石的化学成分应符合表4的要求。 SiO2和A12O3是陶粒主要成分， 熔点较高且粘 度大，含量过高使膨胀性变低，含量过低又影响陶粒 强度。 熔剂氧化物Fe2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O 起助熔作用含量过高影响烧成温度偏低， 易发生粘 结，甚至熔融。 发气物质包括黄铁矿、赤铁矿、褐铁 矿、白云石、方解石、石膏和有机碳等。 氧化铁和碳是产生气体反应的主要物质， 原料 中要有适量的氧化铁和碳。 氧化铁在氧化气氛中是 稳定的，在还原气氛中遇CO容易变成Fe2O3，在高 温下继续还原为FeO和Fe。适量的碳可以将CO2还 原为CO，CO作为还原剂把高价氧化铁还原为低价 氧化二铁，甚至金属铁，同时放出CO，又和碳反应 生成体积两倍于CO2的CO。 这样气体数量愈来愈 多， 使料球在高温热塑和外壳封闭的情况下膨胀起 来。如果原料中碳含量偏高一般要求小于l％，除经 高温除碳外， 还可加入含氧化铁的工业废渣或硫铁 矿渣等。如果原料中碳含量偏低，可加入含炭量较高 的矸石以调整化学成分。 2.1.4.3制作陶粒对煤矸石矿物成分的要求 煤矸石的矿物成分， 原料中的矿物成分是决定 料球致膨的重要因素，许多岩石如中性岩浆岩和某 些砂岩等虽具有符合要求的化学成分，但却不能烧 制陶粒，烧制陶粒的矿石中都含有不少于40％的粘 土矿物。 生产超轻陶粒须以伊利石或蒙脱石为主的 粘土矿物。粘土矿物都有吸水的性能，料球中各种形 式的水层间水、化合水、结构水不仅对矿物微粒起 着松散的作用， 而且在加热和高温过程中起着良好 的助膨作用。 本区煤矸石基本上可满足制作陶粒的要求。 2.1.5作筑路材料和充填材料 煤矸石有较强的抗风雨侵蚀性能， 是良好的筑 路和充填材料；但由于贵州省岩石遍地，获取筑路和 充填石材极为方便；且矸石多堆放在交通不便之处， 运输成本高，限制了煤矸石在这方面的应用。但应积 极寻找机遇，充分利用。 2.2制作铸石 铸石是以煤矸石等工业废料、 玄武岩或辉绿岩 为主要原料，配入角闪石、白云石、萤石、铬铁矿等， 经粉碎、高温熔化、浇铸成型、结晶、退火而成的一种 非金属工艺岩石。 它具有高度耐磨、耐酸、耐腐蚀性 能，还有较高的耐压强度。 铸石制品在一定条件下， 可以代替钢、铁、铅、镍和不锈钢等材料，而且这种材 料不仅具有一般金属材料的使用性能， 还具有非金 属材料的特殊性能和优点。 铸石生产中常用的结晶方法称为 “降温结晶 法”，它是利用熔体的过冷却状态的降温过程，在特 制的结晶窑内使铸件进行结晶作用而制成的。 最合 适的结晶温度为850～900℃， 结晶时间一般为十几 分钟至几十分钟，视铸件大小而定。管材则不需要结 晶窑， 利用自身的热量自行结晶， 但需快速地送入 800～850C的退火窑内进行退火。 毕节地区玄武岩分布范围广且部分矿区有作石 雕的传统，开发工业铸石，对于部分矿区的脱贫致富 具有重要意义。 2.3产品回收 从煤矸石中是否可回收有价值的产品并获得较 好的经济效益，首先取决于矸石的化学成分，其次取 决于当时的回收技术。 黔西矿区煤矸石中Al2O3较 高，可考虑回收铝产品；织金等矿区煤矸石中Fe2O3 含量较高，可考虑回收铁产品；部分煤层中镓的含量 达到了工业品位，有回收利用的可能。 2.4矸石发电 2003年，武汉凯迪科技开发公司，成功地引进 和开发了先进的二次循环沸腾流化床技术 （目前该 公司正在贵州省安龙县作低热值高硫煤电厂的前期 工作），可利用低热值和高硫含量燃料，该项技术的 成功， 使充分利用本区高硫煤矸石等低热值燃料发 电成为可能， 毕节地区有很大一部分煤矸石的发热 量高于矸石发电最低标准， 可根据产矸量大的煤矿 和洗煤厂的具体位置， 选择运输量成本及综合成本 相对较低的地方建设矸石电厂。（下转第82页） 类别SiO2Ai2O3Fe2O3CaMgK2ONa2O 普通陶粒53～7912～268～24 超轻陶粒48～5314～202～10＜8＜1～5 表4制作陶粒煤矸石成分表 Table 4 Gangue compositions for ceramic aggregate making / 孔 华贵州省毕节地区煤矸石特征及综合利用分析 33 第21卷中 国 煤 炭 地 质 2.5生产肥料 煤矸石一般含有大量的炭质页岩， 其中有机质 含量一般在15～20，并含有丰富的植物生长所必 须的B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素，一般比土壤 中的含量高出2～10倍， 选用有机质含量较高的煤 矸石加工制作而形成的新型实用肥料， 能有效农作 物的品质和抗病能力。 3煤矸石综合利用中存在的问题与结论 3．1存在的问题 煤矸石的综合利用是节约土地、 合理利用资源 的重要途径，是煤炭企业结构调整、增强竞争力的必 然选择，也是治理污染、改善环境、实现可持续发展 的重要举措。当前，我国煤矸石综合利用中面临的问 题主要有以下几点 ①总体利用率和利用技术水平不高， 且地区发 展水平不平衡。 ②优惠政策难以落实， 严重挫伤了企业开展煤 矸石综合利用积极性。 ③企业缺乏资金渠道， 一些煤矸石电厂和煤矸 石建材项目难以落实。 ④企业经营管理体制落后， 煤矸石电厂和建材 企业缺乏开展综合利用的积极性。 3．2结论 ①煤矸石的用途极为广泛，除上述几点外，有必 要进一步研究和开发新的利用领域。 ②综合利用煤矸石，不但要考虑经济效益，更重 要的是要考虑通过利用煤矸石，在节约能源方面、保 护环境方面、 在贵州省尤其还要考虑在节约和保护 土地资源方面所产生的社会效益； ③过去，由于受到技术的限制，使可作燃料的高 硫煤矸石的利用受到限制，目前，利用高硫低热值燃 料的二次沸腾硫化床技术已趋向成熟， 在本区建立 矸石电厂已成为可能； ④对暂时不能利用的煤矸石，应搞好储存，储存 时应考虑有利于将来的利用， 有利用减少对环境的 污染。 参考资料 [1]贵州省煤田地质局.贵州省晚二迭世含煤地层沉积环境与聚煤规 律[R].贵州 安顺贵州省煤田地质局，1994. [2]贵州省煤田地质勘察研究院.贵州省织金矿区总体地质报告[R]. 贵州 安顺贵州省煤田地质勘察研究院，2003. [3]赵福平，等.贵州省大方县五凤井田煤矿勘探地质报告[R].贵州 安 顺贵州省煤田地质局勘察研究院，2004. [4]贵州省煤田地质勘察研究院.贵州省黔西矿区总体地质报告[R]. 贵州 安顺贵州省煤田地质勘察研究院，2003. [5]曹志德，等.贵州省金沙县安洛煤矿区普查地质报告[R].贵州 织 金贵州省煤田地质局174队，2005，3. [6]刘龙乾，等.贵州省威宁县疙瘩营煤矿普查地质报告[R].贵州 安 顺贵州省煤田地质局勘察研究院，2005. [7]贵州省煤田地质局174队.贵州省毕节垭关煤矿详查地质报告 [R].贵州 织金贵州省煤田地质局174队，1998. [8]刘详先，等.贵州省纳雍县五轮山井田煤矿精查地质报告[R].贵州 安顺贵州省煤田地质勘察研究院，2002. [9]陈思聪，等.煤矸石制砖的可行性分析[J].韩煤科技，2005，1. 样才有可能推动技术力量相对较弱单位的工作。 ③制定奖励措施。 对按时保质保量完成项目的 给予技术人员一定比例的提成， 对经培养成才的学 徒和师傅给予重奖， 对职称晋级者和发表论文者给 予奖励， 以此激励职工快速提高技术水平和工作积 极性。 2．4二级单位技术队伍长远目标建设 地勘单位普遍处在传统的劳动人事管理阶段， 劳动人事管理受职权的限制， 造成了人事部门无法 统筹整个单位人力资源， 难以与其他职能部门进行 沟通， 难以突出人力资源管理部门的重要地位和作 用。 现在我们正向企业化经营转变，既然是企业，就 应该着眼于未来的战略性人力资源建设， 更多地考 虑如何开发人的潜在能力，不断提高组织效率水平， 要注重吸引人才，培养人才的投入，激励专业技术人 员的积极性， 要在全局大政策下制定更细的培养人 才、吸引和留住人才的具体措施。以求逐渐改变目前 技术队伍现状， 直至满足各单位经济发展的技术人 才需要。 在这地质市场竞争如此激烈的今天， 谁拥有更 多的人才，谁就能站住脚，谁就能拥有更多的市场份 额。 未来的竞争其本质就是拥有办法获得更多人才 的竞争， 这里的办法应该是科学合理的技术人才资 源管理和开发体制。 因此，必须在这方面多下功夫。 以整体和局部、 近期和长远考虑相结合的办法来进 行有计划、有步骤的技术队伍建设，只有这样我局才 能在不久的将来拥有一支精干、高效、能满足我局发 展的技术队伍。 参考文献 [1]岳红敏.煤炭地单位的人才资源管理研究[J].中国煤田地质， 2006，18（6）. [2]尚晶.煤炭地质单位人才资源开发与配置[J].中国煤田地质， 2002，14（4）. （上接第33页） 82