煤矸石分类及其命名方法的研究现状

 

煤矸石是在煤炭的开采和处理过程中产生的一种主要固体废物，其年排放量占煤炭开采量的15%~20%，占中国工业废弃物排放量的25%[1]。按我国原煤年产量计算，我国每年至少有数亿吨的煤矸石被排放，是排放量最多的固体废物之一。据统计，我国现有的煤矸石储量已超70亿吨，2011—2021年煤矸石的年产量，见图1。

 

煤矸石的热值较低且难以有效利用，因此在煤炭的开采和加工过程中常常被当作废弃物丢弃并逐渐堆积成山。堆积的煤矸石不仅浪费了宝贵的土地资源，还可能引发水土流失、山体滑坡和泥石流等一系列地质灾害；自燃现象在煤矸石堆积区域产生了大量的二氧化硫与氮氧化物，这些污染物对矿区的大气环境构成严峻挑战；雨水的侵蚀和渗透作用可能导致煤矸石中有害元素的释放，这些元素对土壤和地下水造成严重污染，进而引发一系列生态问题。

中国煤炭资源的分布呈现明显地域性差异，总体上表现为北方地区煤炭资源丰富，南方地区相对较少；西部地区煤炭储量也显著高于东部地区。这种分布特征揭示了资源不均衡性，进一步影响了煤矸石的物理和化学特性，包括其矿物构成、外观特性及化学成分。煤矸石矿物结构和化学组成决定了其利用途径的多样性，因此对其进行分类显得尤为重要。煤矸石系统分类有助于深入了解其资源再利用的潜力，以及可行性与合理性，还可更精确地研究各类煤矸石的质和量，减少因人为堆积引起的地质灾害和成分混淆问题。煤矸石成分复杂，并且因产地不同而存在成分差异，这种差异导致不同产地的煤矸石性质各不相同。煤矸石各种综合利用方法对材料性质有不同需求，进一步增加了煤矸石应用的复杂性。

一、煤矸石的分布

我国煤矸石地理分布呈现明显不均衡性，大部分集中在经济发展较为滞后的中西部区域，尤其是山西、内蒙古、陕西、新疆和贵州等产煤大省和自治区煤矸石产量占据了全国总量的78.74%，这些地区的煤矸石产业尚未充分发展，已成为城市发展中难以解决的问题。相对的东部地区则面临资源匮乏的问题，煤矸石的产出相对较低，但其综合利用效率高，技术发展快，这些地区的煤矸石广泛用于制造水泥、砖块和瓦片等建筑物料，各地煤矸石在全国的占比，见图2[6]。

 

 

根据煤矸石类型和地域分布特点，对其进行X射线衍射分析，结果揭示了煤矸石矿物组成多样性。其中黏土岩型煤矸石主要由黏土矿物、石英、白云母及一些自生矿物构成。我国黏土岩型煤矸石的矿物组成在地理分布上差异显著。北方地区煤矸石主要由高岭石构成，而南方地区煤矸石则在高岭石的基础上还富含伊利石，后者是该地区煤矸石标志性矿物成分，这一特征揭示了其形成过程中的特定气候条件。南方地区煤矸石中白云母含量明显高于北方。在砂岩型煤矸石中，除黏土矿物还特别富含陆源碎屑矿物，尤其是钾长石。钙质煤矸石在矿物组成上以方解石、白云石为主，黏土矿物含量相对较少，同时也含有一定陆源碎屑矿物石英。铝质煤矸石以其高含量的铝矿物而著称，这种煤矸石还常含有石英和白云石等矿物，这些成分共同构成了其独特的地质特性。

二、煤矸石的理化性质

1. 物理性质

煤矸石与煤系地层共生，是一种质地坚硬、颜色呈灰黑的低碳含量岩石。它在经过精细破碎后才能够展现出一定的塑性，尤其是以砂岩为主的煤矸石，其塑性较页岩类低。当煤矸石被粉碎至250目（120μm）筛余低于2%时，其塑性指数能达到2.8~3.0，此时的含水率在23%~25%范围。如果煤矸石被进一步粉碎至300目（48μm），它的塑性将会得到增强。煤矸石的含碳量通常低于普通煤炭，但其莫氏硬度却高于煤炭，砂岩质煤矸石的硬度通常在4~5，而页岩质煤矸石的硬度则较低，在2~3。煤矸石是由多种矿物组成的复杂结构，属于沉积岩。此外，煤矸石的物理特性包括密度约为1.8g/cm3，耐火温度介于1250~1350℃，黏度约为1.1Pa·s。

2.化学性质

 

煤矸石是一种由无机质和少量有机质构成的复杂混合物，有机质主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素构成，无机矿物组成主要包括石英、钠长石、高岭石、伊利石等。此外，煤矸石中还含有不同数量的无机成分及微量的稀有金属元素。然而煤矸石中也包含了一些有毒有害元素，如Pb、Cd、F、Hg、Cr等，这些元素的存在可能会对环境和人体健康造成一定威胁。从化学角度来看，煤矸石主要由SiO2和Al2O3构成，此外，它还含有一定量的Fe2O3、CaO、MgO及一些稀有金属元素。这些丰富的活性成分使得煤矸石在适宜的温度和水解作用下能够产生火山灰效应，进而转化为水化铝酸盐、水化硅酸盐和碳酸钙等化合物，并有助于形成硬化结构。煤矸石的矿物组成决定了其中性或微碱性的特性，然而在水分含量较高的情况下，由于SiO2的溶解作用，可能会导致其局部pH值显著下降，表现出强酸性[12]。

三、煤矸石的分类

1.  分类方法

（1）  产出方式

煤矸石主要来源于3个途径。首先，露天开采过程中的剥离和巷道掘进产生的掘进矸石，这一部分占煤矸石总产量的大约45%。其次，开采过程中从顶板、底板及夹层中分离出的矸石，其比例约占总产量的35%。最后，洗煤过程中筛选出的洗矸石，其比例大约为20%。我国依据产出方式和生产过程中的命名习惯，煤矸石可被系统地分为6大类别：煤巷矸、岩巷矸、自燃矸、洗矸、手选矸及剥离矸，分类结果，见表1。

 

 

（2） 化学组成

煤矸石是一种复杂的物质，由多种无机成分和少量有机成分混合而成，SiO2和Al2O3是其主要成分。朱明燕等根据贵州毕节地区煤矸石的固定碳含量、全硫含量、Al2O3含量、Fe2O3含量、CaO含量对煤矸石进行分类，结果见表2。

 

（3）  矿物组成

煤矸石是一种复合岩石物质，由炭质页岩、泥岩、砂岩及煤炭等多种地质成分构成。祁星鑫在对新疆主要煤区的煤矸石进行研究时发现，不同地区的煤矸石在化学组成、岩石类型及矿物组成等方面表现出显著的地域性差异。新疆地区煤矸石的岩石类型和主要化学成分，见表3。在这一过程中，煤矸石的化学组成、矿物组成及物理化学特性是决定其分类的主要因素。

 

（4） 热值

热值作为衡量燃料能量释放潜力的关键指标，反映了燃料在完全燃烧过程中能够释放的热能。煤矸石的热值特指其在既定条件下完全燃烧所能释放的能量，该能量的高低与煤矸石中碳含量及其挥发性物质的含量成正比，与灰分的含量成反比。煤矸石的热值特性受其组成成分、物理性质和化学反应等因素的影响。组成成分的多样性和复杂性使得煤矸石的热值特性呈现出多样性和复杂性；煤矸石的物理性质包括密度、比热、热传导率等；煤矸石的化学反应会释放出热量，从而影响其热值特性。

煤矸石的利用途径多种多样，依据其发热量可划分为4个主要类别。首先，发热量小于2090kJ/kg的煤矸石，归为第一、二类，这类煤矸石具有广泛的应用领域。它们可作为水泥的混合材料，用于提升水泥的性能，也可作为混凝土骨料和其他建材制品的原料，为建筑行业提供坚实的物质基础。此外，这类煤矸石还可用于复垦采煤塌陷区，促进生态环境的恢复，或者用于回填矿井采空区，确保矿井安全。其次，发热量在2090~6270kJ/kg的煤矸石，归为第三类，这类煤矸石具有较高的热能价值，适用于生产水泥、砖等建材制品，为建筑行业提供更多优质的建材选择；用于发电的煤矸石，发热量应大于4180kJ/kg，这类煤矸石通过燃烧可产生大量的热能，进而转化为电能，为能源领域提供可持续的电力供应。最后，发热量在6270~12250kJ/kg的煤矸石，归为第四类。这类煤矸石的热值较高，一般可直接作为燃料使用，在工业生产、供暖等领域发挥重要作用。

（5）  灰分熔点

灰分熔点是指固体燃料中所含灰分物质，在特定高温条件下开始发生物理状态变化，如变形、软化乃至熔化时所对应的温度。对于煤炭而言，其灰分的熔融温度区间较广，低者可低于1100℃，而高者则可能超过1500℃。通常，煤灰熔点低于1250℃在燃烧过程中较易形成渣块；熔点低于1100℃更易于生成较大的渣块，这通常伴随着较少飞灰产生。若煤灰的熔点较高且不易结渣，则在燃烧时会产生更多飞灰。对于具有较高熔点的煤灰，其灰分含量的增加往往伴随着飞灰量的增多；相反，熔点较低的煤灰在灰分含量较高时，更容易形成严重的结渣现象，这可能导致飞灰的生成量相对减少。此外，当煤灰的灰分在高温下转变为液态并排出时，可显著降低烟尘的排放。因此，可将其分为难熔性煤矸石、中高熔性煤矸石、中熔性煤矸石和低熔性煤矸石。其中灰熔点在1500℃以上为难熔性煤矸石，具有较高的耐火性能，广泛应用于耐火材料领域；中高熔性煤矸石和中熔性煤矸石的灰熔点在1100~1500℃范围，耐火性能良好，可广泛应用于工业和民用耐火材料领域；低熔融性煤矸石的灰熔点在1100℃以下，耐火性能较差，主要应用于建筑材料领域。

2  .分类方法的评价

从利用角度讲，现有的分类方法还不能有效指导煤矸石的综合利用。物理分类技术以其操作简便、成本相对低廉的特点广泛应用于初期筛选，但精细度有限，难以实现高纯度成分的分离。化学分类技术则通过化学试剂或高温工艺精确分离煤矸石中的有用成分，虽然提高了分离精度，但增加的成本和潜在的环境风险不容忽视。不同的分类技术各有优势与局限，未来的研究和发展应着眼于结合多种技术的复合分类系统，以期在经济效益、环境友好和技术可行性之间找到最佳平衡点。

（1）  按照产出方式分类

简单明了、通俗易懂且分类成本低，可直接关联矸石的产出环境，便于初步判断矸石的物理特性，但无法细致反映矸石的化学成分差异，不能高效地指导煤矸石的综合利用。

（2）  按照化学组成分类

煤矸石的化学成分能够准确反映煤矸石的化学特性，有助于确定其工业应用价值，便于综合利用。但按照化学组成分类需要较为复杂的化学分析，成本和时间消耗较大。

（3 ） 按照矿物组成分类

根据矿物组成可推断矸石物理化学特性和利用途径，但这种分类方法需要深入研究煤矸石矿物学特征，而且不同矿物分类标准可能存在差异，需要进行复杂的矿物学试验和分析。

（4）  按照热值分类

通过热值分类，可迅速确定煤矸石是否适合作为能源材料，简化了利用决策过程。相较化学成分分析，热值测定相对简单，技术要求和成本较低。但仅根据热值分类可能忽视了煤矸石的其他重要特性，如化学成分、矿物组成等，并且不同地区及应用背景下，热值分类标准可能存在差异。

（5）  按照灰熔点分类

通过合理利用灰熔点特性可减少煤矸石在高温过程中产生的污染物排放。相较复杂的化学分析，灰熔点的测定技术要求适中易于操作，但按照灰熔点分类限制其应用的范围，分类标准不统一和技术进步可能影响分类有效性。

四、煤矸石的命名方法

煤矸石的分类和命名较难，因为不同加工和应用领域对煤矸石的化学成分和物理化学属性有着不同的特定要求。基于上述情况，众多学者深入研究煤矸石分类，并提出了多种煤矸石的命名方法。

王长根提出了一种煤矸石的三级分类命名法。首先，根据煤矸石的产出方式进行分类，将其划分为洗矸、煤巷矸、岩巷矸、手选矸和剥离矸5个基本类别。然后，依据矸石中w（Al2O3）/w（SiO2）、w（Fe2O3）、w（TiO2）及w（CaO）等化学指标，进一步划分为不同的矸族。最终，根据矸石的矿物组成和岩石结构，进行矸岩的分类。这种方法便捷且准确，但同时也存在一些局限性，比如部分分类标准在界定上显得不够精确，未能充分考虑到煤矸石制品在特定元素含量方面的严格标准，同时鉴于煤矸石制品对相关元素含量的宽松要求，某些标准设定理由不充分。

1986年，中国矿业学院对华东地区煤矸石进行分类研究，采用了岩石类型、铝含量、铁含量及钙含量这4个关键指标对煤矸石进行分类，结果根据笔画顺序或含量高低被排列成不同等级，根据煤矸石在建筑材料领域的多样化应用将这些等级编码为4位数字，每个编码都对应特定建筑材料质量标准。这种分类方法决定着这一类煤矸石的利用方向，如出现数字“0”则代表对这一元素没有明确要求。同样这种分类方法也不完善，因为该方法针对华东地区，在全国并不实用，再者该分类方法主要针对用于建材行业的煤矸石，并不具有普遍性。

葛宝勋等在1991年的研究中，以平顶山地区的煤矸石为研究对象，在深入分析现有分类方法的基础上，提出了一套优化的二级煤矸石命名方案。首先依据煤矸石的产出方式将其初步划分为5种，考虑到煤矸石潜在应用领域，进一步将其细分为19个亚类。分类依据包括矸石类型、岩石类型、有机碳含量、全硫含量、w（Al2O3）/w（SiO2）比值、Fe2O3含量及CaO和MgO的总含量等7个关键质量指标。该分类方案是在查明煤矸石化学成分和矿物成分后进行的，因此便于利用，但仍无法包括我国所有煤矸石利用途径。

1998年邓寅生等对葛宝勋等先前提出的煤矸石二级分类法进行了进一步的完善与发展。首先，根据煤矸石的产出方式，将其划分为6大类别：煤巷矸、岩巷矸、剥离矸、手选矸、洗矸及自燃矸（亦称过火矸）。基于煤矸石潜在应用途径进一步细分为21个亚类。与葛宝勋等的方法相比，邓寅生的方案新增了轻骨料、陶粒用煤矸石及微量元素两种亚类，便于实际应用，但仍需改进。

 

煤矸石的命名方法与其分类紧密相关，而分类对于指导煤矸石的有效利用至关重要。目前，煤矸石的分类先按照产出方式分出大类，再按照利用途径分出亚类是最好的分类方式，这种分类方法更利于对煤矸石进行有效的资源利用。

五、结语

煤矸石的分类是提高其利用率，为其综合利用提供参考的重要工作。目前，煤矸石的科学分类尚缺乏一个普遍认可的标准，因为煤矸石物理化学特性的复杂性及其在不同分布区域的多样性增加了分类难度。另外，煤矸石的不同用途对其化学和物理特性提出了不同的要求，这进一步加剧了煤矸石命名和分类的复杂性。煤矸石分类方法的选择、分类结果的准确度等也需要进一步解决