煤矸石
煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，是一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。它在成煤过程中与煤层伴生，包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。
煤矸石的主要成分是Al2O3、SiO2，同时还含有Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素（镓、钒、钛、钴）。煤矸石是一种重要的资源，因此得到了企业界的广泛关注。它可用于生产水泥、建筑材料、砖块等。此外，煤矸石的排放会对环境造成严重的污染，因此，如何处理也成了一项重要的环保任务。
简介
煤矸石是我国积存量和年产生量最大、分布最广的工业废渣之一，据《中国资源综合利用年度报告（2014）》中数据显示，2013年我国煤矸石总产生量接近7.5亿吨，综合利用量为4.8亿吨，占年总产量的64%，其中发电利用煤矸石1.5亿吨，占总综合利用量的32%；用于建材产品生产利用量为5600万吨，占总综合利用量的12%；用于土地复垦、充填矿井采空区和回填塌陷区等的煤矸石量约2.6亿吨，占总综合利用量的56%。
为有效并高效地实现煤矸石综合利用，目前已开发的技术先进适应性良好、环境—经济效益较好的途径有：煤矸石的能源利用、发电利用和建材利用等。然而由于煤矸石的成分特征、堆存方式和堆积地形等因素，长期大量露天堆放的煤矸石山不仅侵占农业耕地和破坏地表原有植被，矸石淋溶水还将污染矿区周围土壤和地下水，而且煤矸石中FeS等物质由于被空气氧化，热量不断积累并达到燃点时导致煤矸石中易燃、可燃物自燃，期间释放出大量的二氧化硫、NOx、CO、CO2等有毒有害气体极大提高了矿区周边的生态风险和人体健康风险，故实现煤矸石的高效综合利用成为相关研究工作者的研究方向。
煤矸石的特性
煤矸石的组成
煤矸石是在煤炭采掘和洗选加工过程中产生的矿山固体废弃物，是夹在煤层中、在成煤过程中与煤共同沉积的有机、无机化合物共同组成的含碳岩石，其主要来源为露天剥离及巷道掘进过程产生的矸石（45%）、采煤和煤巷掘进过程中排出的普矸（35%）以及煤炭洗选过程产生的矸石（20%）。同时煤矸石是有机质和无机化合物组成的混合物，其化学组成主要为SiO2、C和Al2O3，除此之外还包括Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等，煤矸石的化学成分见表1。煤矸石矿物组成较为复杂，主要由高岭土、石英、伊来石、蒙脱石、碳酸钙、氧化铝等组成。
煤矸石的结构特点
煤矸石的原矿粒度较大，其中黄铁矿主要以结核体、块状、粒状等宏观形态为主，矿物之间呈细粒浸染状，洗矸中的黄铁矿以块状、脉状、结核状及星散状四种形态存在，而硅质煤矸石的宏观形态呈黑色隐晶质结构，矿物构造为纹层状和块状。
煤矸石物理性质
煤矸石的发热量是指单位质量的煤矸石在一定条件下完全燃烧所能释放出的能量，通常其发热量随碳质量分数和挥发分的增加而增加，随灰分的增加而减小。
我国煤矸石的发热量多在6300kJ/kg以下，热值高于6300kJ/kg的煤矸石仅占10%左右。
煤矸石的熔融性是指煤矸石在一定条件下加热，随着温度升高产生软化、熔化的现象。我国煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍较高，因此煤矸石的灰熔点（在规定条件下测得的引起煤矸石变形、软化和流动的温度）相当高，最低为1050℃，最高可达1800℃左右，鉴于此特性，煤矸石可用作耐火材料。另外，煤矸石还有一定的膨胀性、可塑性、收缩性，具有一定的硬度和强度。
煤矸石的有害杂质
煤矸石中复杂的化学组分经不同的处理工艺和释放机制导致煤矸石中的有害杂质对周边土壤、水环境或生态环境产生不利影响。张明亮等通过分析煤矸石样品中重金属的释放、迁移活性，并利用潜在风险评估法分析矸石山周边潜在的生态风险，研究发现煤矸石样品中重金属的主要形态为残渣态，且不易发生迁移转化，但是少量的酸溶态、结合态重金属在受到降雨喷淋或长期处于潮湿状态后由于迁移转化加快从而容易造成重金属污染。徐州市环境监测中心站以煤矿区及煤矸石的污染特征为依据，选取16种EPA优先控制多环芳烃（PAHs）污染物，采用高效液相色谱法对不同堆积年限的矿区煤矸石山周围塌陷区的水体样品进行测试，分别分析此类水体中单个PAHs和总PAHs的分布情况及水体中PAHs不同环数的组成情况，试验结果显示由于PAHs的疏水性导致周边水体中覲AHs含量不高，而在部分水样中测出苯并[a]芘(?)芘可知监测矿区附近水体受到PAHs一定程度的污染。
原理
coal gangue, shale矸石（gān shí）煤伴生废石。在掘进、开采和洗煤过程中排出的固体废物。是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，具有低发热值。含碳20%～30%有些含腐植酸。中国历年已积存煤矸石约1000万吨，并且每年仍继续排放约100万吨，不仅堆积占地，而且还能自燃污染空气或引起火灾。煤矸石主要被用于生产矸石水泥、混凝土的轻质骨料、耐火砖等建筑材料，此外还可用于回收煤炭，煤与矸石混烧发电，制取结晶氯化铝、硅酸钠等化工产品以及提取贵重稀有金属，也可作肥料。
矿业固体废物的一种，洗煤厂的洗矸、煤炭生产中的手选矸、半煤巷和岩巷掘进中排出的煤和岩石以及和煤矸石一起堆放的煤系之外的白矸等的混合物。
影响
到目前为止，煤矸石的利用力度还不够大。技术不完善，地区发展不平衡，对环境的影响依然很严重，主要表现在下述几个方面。
（1）影响土地资源的利用煤矸石堆场多位于井口附近，大多紧邻居民区，煤矸石的大量堆放一方面占用大量的土地面积，另一方面还在影响着比堆放面积更大的土地资源，使得周围的耕地变得贫瘠，不能被利用。
（2）污染大气煤矸石露天堆放会产生大量扬尘，这主要是由于在地面堆放的煤矸石受到长时间的日晒雨淋后，将会风化粉碎；另外，煤矸石吸水后会崩解，从而很容易产生粉尘。在风力的作用下，将会恶化矿区大气的质量。此外，煤矸石中含有残煤、碳质泥岩和废木材等可燃物，其中C、S可构成煤矸石自燃的物质基础。煤矸石业务露天堆放，日积月累，矸石山内部的热量逐渐积累。当温度达到可燃物的燃烧点时，矸石堆中的残煤便可自燃。自燃后，矸石山内部温度为800~1000oC，使矸石融结并放出大量的CO、CO2、二氧化硫、硫化氢、NOx等有害气体，其中以SO2为主。一座矸石山自燃可长达十余年至几十年。这些有害气体的排放，不仅降低矸石山周围的环境空气质量，影响矿区居民的身体健康，还常常影响周围的生态环境，使树木生长缓慢、病虫害增多，农作物减产，至死亡。
（3）危害水土煤矸石除含有粉尘、SiO2，A12O3以及Fe，Mn等常量元素外，还有其他微量重金属元素，如Pb，Sn，As，Cr等，这些元素为有毒重金属元素。当露天堆放的煤矸石山经雨水淋蚀后，产生酸性水，污染周围的上地和水体。当矸石堆场的矸石堆放不合理时，矸石堆易发生边坡失稳，从而导致矸石堆的崩塌、滑移，特别在暴雨季节，这种现象在山区尤为常见，易发生泥石流，从而殃及下游的农田、河流及人员安全。
结构
煤矸石是在成煤过程中与煤共同沉积的和混合在一起的岩石。通常呈薄层和在煤层中或煤层顶、底板岩石？是在煤矿建设和煤炭采掘、洗选加工过程中产生的数量较大的矿山固态排弃物。煤矸石按主要矿物含量分为类、砂石岩类、类、铝质岩类。按来源及最终状态，煤可分为掘进矸石、选煤矸石和自然矸石三大类。煤矸石排放量根据煤层条件、开采条件和洗选工艺的不同有较大差异，一般掘进矸石占原煤产量的10% 左右，选煤矸石占入选原煤量的12%~18%。
煤矸石的无机化合物成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属。其化学成分组成的百分率：SiO2为52～65；Al2O3为16～36；氧化铁为2.28～14.63;CaO为0.42～2.32;MgO为0.44～2.41;TiO2为0.90～4;五氧化二磷为0.007～0.24;K2O+Na2O为1.45～3.9；V2O5为0.008～0.03。
高硫煤矸石中含有的主要有用矿物为硫铁矿和煤。纯硫铁矿相对密度高达5，与脉石相对密度差为2-2.3，而共生硫铁矿与脉石相对密度差为0.5-1。因此，使硫铁矿尽可能从共生体中解离出来，利用相对密度差即可将硫铁矿分选出来。
煤矸石的原矿粒度较大，其中黄铁矿的组成形态以包括结核体、粒状、块状等宏观形态为主，经显微镜和电镜鉴定，煤中黄铁矿以莓球状、微粒状分布在镜媒体中，而在细胞腔中亦充填有黄铁矿，个别为小透镜状、细粒浸染状。矿物之间紧密共生，呈细粒浸染状，所以在分选前必须进行破碎、磨矿，煤矸石的解离度越高，选别效果越理想。
存在于煤中的黄铁矿经过洗选后大部分富集于洗矸中。洗矸中黄铁矿以块状、脉状、结核状及星散状四种形态存在。前三种以2-50mm大小不等、形态各异的结核体最常见，矸石破碎至3mm以下，黄铁矿能解离80%左右，破碎至1mm以下几乎全部解离。星散状分布的黄铁矿很少，多呈0.02mm立方体单晶，嵌布于网状脉岩中很难与脉石分开。黄铁矿的回收方法和工艺流程原则上是从粗到细把黄铁矿破碎成单体解离，先解离、先回收，分选解离、分段回收。
资源化利用
国外
以美国、英国为代表的西方国家煤矸石总综合利用率突破90%。琴希托霍瓦工业大学环境工程学院通过氮吸附法研究了天然和改性煤矸石的结构和表面性质，从而开发了煤矸石作为工业废水预处理中的廉价吸附剂的新应用；马来亚大学则利用棕榈—燃油—粉煤灰（POFA）、粉煤灰（FA）、高炉矿渣（BFS）作为粘合剂和细骨料，分别可以替代传统材料。当前国外煤矸石综合利用的发展趋势为：在工艺选择上坚持节能降耗；在产品性能上大力生产轻质、高强产品；在建材产品上由传统的混凝土向新型保温墙材料转换。
煤矸石的大量堆放是各国煤矿普遍存在的问题、面对矿区开架后留下的煤矸石，其利用最早始于西方发达国家，直到 20 世纪 60 年代后期才真正引起各国重视。20 世纪 70 年代提出了“资源循环”的口号，同时设置了专门的管理机构，英国煤管局在 1970 年成立了煤矸石管理处，波兰和匈牙利联合成立了海尔得克斯矸石利用公司，专门从事煤矸石处理和利用，制定了相关法规和条例。
数据显示日本、德国、澳大利亚等国的煤矸石利用率都在85%以上,“而我国2018年煤矸石的综合利用率仅在67.3%左右",与国外发达国家相比综合利用率偏低。事实上,我国大部分煤炭企业已将煤矸石作为采矿废弃物进行无害化处理,但在主观上还没有完全将其视作有价值的资源来对待，缺乏相应的资源管理机制和资金投入,再加上技术水平有限、市场可利用途径和产业发展不足、政策法规限制等问题的影响，煤矸石资源化程度不仅难以提高,而且增加了煤炭企业的负担。
中国
2014年中国对煤矸石的应用范围及比例见图1。
2019年，中国的大宗固废综合利用率达到55%，比2015年提高5个百分点；其中，煤矸石的综合利用率达到了70%。
煤矸石发电
对含碳量高的煤矸石，即含碳量≥20%（热值在6270～12550kJ/kg），可以直接用作流化床锅炉的燃料用于煤矸石发电。煤矸石发电不仅解决了煤矸石堆放所带来的环境问题，而且可以缓解我国能源紧张的局面，并且在其生产工艺过程中，产生的有害气体、烟尘、废弃物基本上都能够得到有效回收，大气污染物的排放也可控制并达到国家排放标准。国华宁东发电公司现已建成并投产使用的一期工程2×330MW机组以煤矿废弃的劣质煤和煤矸石作为发电主要染料，该发电公司设计每年使用燃煤287万吨，其中煤矸石占51.2%，其生产用水采用周边矿井水且采用空冷技术，符合国家资源综合利用产业政策，实现了工业固体废物零排放、循环利用和资源化综合利用。
煤矸石建材
（1）节能墙体材料的开发利用。我国早在20世纪80年代通过引进国外破碎、挤出、焙烧技术很快完善并提高了我国在利用煤矸石生产烧结墙体材料方面的技术。在烧结新型墙体材料中，作为节能型绿色产品的煤矸石烧结自保温砌块性能能够满足国家建筑节能65%的要求。节能墙体材料的利用减少了建筑单位的各种设计、砌筑、配套等相关费用并能免去使用过程中的维护费用，更由于墙体轻质的特点节省了大量的基础建材费用，是一种节能、环保、可持续发展的绿色建材产品。
（2）煤矸石生产陶粒轻骨料。陶粒轻骨料由于其轻质、保温、高强、附加值高的特点，能够替代普通混凝土中的粗骨料，且符合高层建筑轻质、高强的发展方向。含碳量低于13%的煤矸石适宜作为生产轻骨料原料。内蒙古科技大学利用包头市地区堆积密度较大的粉煤灰陶粒、矿粉、粉煤灰等原材料，通过正交试验的方法研制出导热和抗冻性能良好的LC40结构粉煤灰陶粒轻骨料混凝土。
（3）煤矸石生产水泥。我国在煤矸石生产水泥及水泥混合材方面的应用较早，但由于难以突破实际生产过程中的技术瓶颈，从而抑制了煤矸石制水泥的发展。
近年来，我国在煤矸石生产水泥的技术开发上取得了重大突破。裘国华通过对煤矸石、尾矿以及碳酸钙的研磨试验、物化性质及热解分析，并建立相关动力学模型，得出煤矸石—尾矿—低品石灰石代替黏土煅烧水泥技术节能效果显著的结论。
生产化工产品
采煤和巷道掘进过程中的掘进煤矸石含大量矿物元素且回收利用价值高。煤矸石中主要的矿物成分为SiO2、Al2O3，另外还含有数量不等的氧化铁、FeS2、Mn、P、K及微量稀有元素（Ga、V、Ti、Co）等，可分别制备铝系、硅系、炭系化工产品、制取二氧化钛及提取镓。高铝煤矸石（Al2O3的质量分数≥35%）可通过加以一定的外界能量以破坏其原有的结晶相，从而制备成本、能耗低和副产品价值高的铝系产品。以煤矸石为原料，利用溶剂萃取法、萃淋树脂法、液膜法等提取出来的镓主要用于半导体工业，以镓化合物为基础的产品用于电子技术较硅、锗具有更大的优点。有效回收煤矸石中的SiO2成分可生产白炭黑（SiO2˙nH2O）、碳化硅等硅系化工产品。含FeS2的煤矸石由于自身氧化产生的二氧化硫虽是大气环境的主要污染物，但硫铁矿是化学工业制备硫酸的重要原料，从煤矸石中回收硫铁矿具有较高的经济效益和生态效益。
改良土壤
矿区可利用暂时不能加工利用的岩石及自燃矸石充填塌陷区或复垦，这对矿区固体废物的有效治理、生态环境的恢复可起到一定的作用。目前利用微生物改善煤矸石物理化学性状的生物复垦技术成为矿区土地复垦的热点技术，其中中国矿业大学（北京）的毕银丽教授开发的利用煤矸石中的有效基质培养丛枝菌根真菌从而用于煤矿区复垦区土壤修复的技术，开创了煤矸石用于改良土壤的新技术体系。毕银丽教授等在大武口区洗煤厂矸石山（作为生长基质）混合种植接种和不接种丛枝菌根真菌剂的白蜡树幼苗，实验结果表明接种菌根真菌13个月后能够有效提高植被成活率（15%），促进植株生长（接种植物盖度高于对照9%）和侵染率（高达90%以上），且菌丝长度较对照伸长1.4倍，扩大了根系的范围，该研究极大促进了煤矸石的资源化利用和矸石山周边的生态恢复，为煤矸石综合利用指明了新的研究和发展方向。
煤矸石的高附加值利用
近年来，为了突破传统的煤矸石资源化利用技术体系，国内研究学者将研究方向转向煤矸石的高附加值利用且技术开发效果显著。如昆明理工大学结合室内试验提出采用高浓度酸-微波加热法提取煤矸石中的高纯度硅，再加入Na2SO4制备水玻璃，有效实现了煤矸石的高附加值利用。辽宁工程技术大学的李彩霞等利用煤矸石中的硅酸盐成分，将经化学改性后的煤矸石制成橡胶补强材料，在产品性能、节能环保方面均领先碳黑。神华乌海能源有限公司开发出了煤矸石—脱硫石膏—生石灰—水泥（发气剂为铝粉）生产泡沫混凝土，充分利用了煤矸石的高附加值。综上，我国煤矸石综合利用途径多样，具体工业化选择途径见表2。
“煤矸石”的资源化路径，真正实现变废为宝，应从三个方面开拓:
一是矿山企业应给予煤矸石和开采矿产同样的战略重视，对煤矸石排放和资源化进行总体规划，形成煤矸石资产管理的模式，明确产权和资源效益归属，联合电力、建材、化工等煤矸石利用企业拓展产业链条，建立科学研发、技术引进、资金投入相结合的科学运营模式。二是有关部门应以2018年5月15日工业和信息化部出台的《工业固体废物资源综合利用评价管理暂行办法》为准则，严格评估和监管矿山企业“煤矸石”综合利用情况，促进“煤矸石”资源综合利用产业的规范化、绿色化和规模化。三是国家需继续出台相关的税收、补贴等政策，提高企业的利润空间，充分调动非矿山企业的投资热情，进一步促进煤矸石资源利用“社会化”和“市场化”。
加工设备
磨粉机
磨粉机和制砂机已经广泛用于煤矸石制作水泥生产线。不论是将煤矸石用于制砖，或是做水泥添加料还是供应给煤矸石发电厂，通常用到的加工设备有颚式破碎机、反击式破碎机、雷蒙磨粉机、超压梯形磨粉机、立式磨粉机、振动筛、振动给料机等。颚式破碎机具有破碎比大、产品粒度均匀、结构简单、工作可靠、维修简便、运营费用经济等特点。组成整套破碎生产系统，广泛用于矿山、水泥、化工、铁路、建筑等方面。反击式破碎机(反击破)能处理边长不超过500mm、抗压强度不超过350MPa的各种粗、中、细物料(煤矸石、、石灰石、混凝土等)。
随着经济体制改革的不断深化和我国工农业的健康快速发展，在能源日趋紧缺的情况下，矿山机械设备企业越来越注重对高效、节能环保设备的研发和生产，在矿山机械制造采用长寿命、低能耗及减轻重量的设计原则的同时，矿山机械设备企业也越来越开始重视二次开发利用矿山废弃物等资源。
煤炭作为我国的主要能源，它在社会经济发展中发挥着极其重要的作用。煤炭的开发和利用，既对社会经济起着巨大的推动作用，同时也对环境产生了重大影响。煤矸石和煤层气就是煤炭开发过程中产生的主要废弃物，长期以来被煤炭工业视为有害物质和灾害性气体。煤矸石是在煤的掘进、开采和洗选过程中排出的固体废物。中国积存煤矸石达10亿吨以上，每年还将排出煤矸石1亿吨。近几年来，煤矸石不再仅仅被视为一种数量最大的工业固体废弃物，而作为一种资源，在化工、建材、冶金、轻工等领域得到了广泛的研究和应用，煤矸石资源化已成为煤矸石综合利用研究的重点。
破碎机
新型的煤矸石破碎机替代了早期单级有筛底的破碎机完美解决了高湿物料破碎困难问题，煤矸石破碎机针对个体用户和中小型企业是最有效的投资，有效的节约了客户购买设备的成本。该设备产量高噪音小细度低，整套设备便于维护而且无须特殊安装即刻开机使用。煤矸石破碎机采用双转子上下两级粉碎；没有筛网篦底，对物料含水率没有严格要求，完全不存在糊堵筛板的问题，更不存在细粉不能及时排出，重复粉碎的问题，故粉碎效率高，不存在锤头无效磨损现象；高合金耐磨锤头；锤头磨损后不需修复，移动位置反复使用，一副锤头可顶三副锤头使用。只需要一人即可轻松启闭，不仅轻巧快捷且安全可靠，便于维护，整体结构合理简单操作。
参考资料
煤矸石特性与资源化利用研究.环球破碎机网.2023-11-29
国家发改委发布《中国资源综合利用年度报告(2014)》(全文).北极星电力新闻网.2023-11-30
关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见.国家发展和改革委员会网站.2023-12-01
煤矸石的综合利用- 冶金矿业基础知识.豆丁网.2023-12-01