煤矸石、矿坑废水的成因分析

煤矸石、矿坑废水的化学组分是研究其迁移、聚集过程，形成污染的基本出发点。

(1)煤矸石的成分及酸化成因

野外调查和采样结果表明，三号井的煤矸石堆主要由炭质泥岩、炭质页岩、杂砂岩和少量石灰岩的碎块组成。在自然堆放情况下，大小混杂，无分选，其中块径大于10cm 的煤矸石约占29%、块径5～10cm 约占22%、块径3～5cm 约占14%、块径1～3cm 约占22%、块径05～1cm 约占8%，其余为块径小于05cm 的碎屑。炭质泥岩和炭质页岩占据的比例较高。这类岩块不仅炭质含量高，还有大量肉眼可识别的黄铁矿晶体聚集体和散晶，有些外表呈现硫化物的**或磁铁矿的锈痕。除此之外，X 衍射物相分析表明，煤矸石中还含有比例不等的绿泥石、伊利石、石英和黏土类矿物(表42)。

利用ICP-AEs仪器测定，煤矸石碎屑混合样所含的化学成分中，铁、硫的含量十分高，其中铁的含量达14876g/kg，有效态达457g/kg;硫的含量达11782g/kg，有效态达145g/kg，其他化学成分远小于铁和硫，详细情况见表43。

由此推算，现堆放的煤矸石山约有475×104t铁、145×104t硫和相当数量的重金属元素。在酸性水环境中可溶解脱出，随渗出液迁移到下游地区，从而形成矿区一个长期的污染源。

表42 大峪沟三号井田煤矸石矿物组成

表43 大峪沟三号井田煤矸石化学组分含量(单位:mg/kg)

因为煤矸石中普遍含硫量高而且主要以黄铁矿形式赋存，在风化雨淋过程中缓慢氧化成Fe2O3和SO2，与水作用形成Fe2(SO4)3和H2SO4，这样，一部分硫以气态的形式排放到大气中，还有部分以离子方式进入水体和土壤，从而引起酸化。

(2)矿坑废水的化学组分及成因

据2007年8月9日采集的水样测试分析结果(表44，表45)，矿坑废水化学组分有如下特点:

1)总含盐量高，其中矿化度达2400mg/L，相当于咸水-微咸水类型，水中悬浮状固形物为2400mg/L，其成分主要为石膏及非晶质物质。

2)阳离子中以碱金属和碱土金属离子为主。钾、钠、钙、镁离子总量占阳离子总量的90%以上，阴离子中硫酸根含量极高，达1685mg/L，占全部阴离子的90%以上，而重碳酸根离子仅为305mg/L。

3)重金属以锌锰为主，分别为24mg/L、18mg/L，铜、砷、铅、镉、六价铬含量甚微，均小于005mg/L。

4)pH值为307，属酸性水。这些特点与矿坑废水形成的条件有着直接关系。

现排放的矿坑水大部分来自一1煤围岩的裂隙水、岩溶水，从一1煤和煤矸石的化学成分可知，这些地层含硫、铁极高。在巷道开拓、回采之前，这些物质处于还原环境，大部分以难溶的硫化物形式封存于地下，一旦人工揭露，巷道和采掘面形成氧化环境，矿坑水酸度就会变大。酸度增高的机理有三个方面:

表44 矿坑水排水口、矿井口水样测试数据(单位:mg/L)

注:取样地点，矿坑水排水口(N34°43'0246″、E113°05'4328″);室内编号，856。

矿井口(未加中和剂)(N34°43'0740″、E113°05'3526″);室内编号，857。

取样时间，2007年7月。

表45 矿坑水排水口、矿井口水样测试数据(单位:mg/L)

注:取样地点，矿坑水排水口(N34°43'0246″、E113°05'4328″);室内编号，1323。

矿井口(未加中和剂)(N34°43'0740″、E113°05'3526″);室内编号，1462。

取样时间，2007年11月。

一是煤层和顶底板中含硫化合物在氧气、水共存条件下，氧化形成游离的H2SO4，反应方程式为

煤矿山地质环境问题一体化治理研究

二是式(41)中铁等金属的硫酸盐水解释放H+，其反应过程为

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三是地下水中H2CO3的分解。在大峪沟一1煤井巷的条件下，硫化物的氧化和硫酸铁的水解对矿坑水的酸化影响最为突出。此外，H2CO3的分解也将带出一定量的Ca2+、Mg2+。由于H2SO4浸溶又有可能使Ca、Zn等金属转化为硫酸盐，使之从矿物中析出。在上述反应中，硫化细菌起着重要的催化作用，巷道良好的通风条件，适宜的湿度，促使诸如硫杆菌属的细菌大量繁殖，加速Fe2+氧化速度并从中获得自身繁殖所需的能量，与此同时，它们将煤层中所含的单质硫迅速氧化为硫酸，提高了矿坑水的酸度。

煤矸石的分类

对煤矸石的分类和命名不仅是煤矸石综合利用的基础工作，而且也是一项综合性较强的工作。各地煤矸石成分复杂，物理化学性能各异，不同的煤矸石综合利用的途径对煤矸石的化学成分及物理化学特征要求也不一样。为煤矸石进行科学、合理的分类对推动煤矸石资源化利用具有十分重要的理论和实际意义，主要体现在最大限度地堆煤矸石进行物尽其用、基于利用途径对煤矸石进行归类堆放、为探索高附加值利用煤矸石技术途径和其长远发展提供决策性依据。

关于煤矸石的分类命名，目前国内外至今尚无系统、完整和统一的方案，多是不同研究者根据某些特征提出自己的分类标准。煤矸石的分类及命名方案很多，其中最简单、最常用的是以煤矸石的产地来分类。煤炭生产部门则习惯用颜色来分类命名，如黑矸、灰矸、白矸、红矸等；或根据矸石产出层位来分类命名，如顶板矸、夹石矸等。煤矸石常见的分类依据有按来源分类、按自然存在状态分类、分级分类法以及按利用途径分类法。

1、按来源分类 根据煤矸石的产出方式即来源可以将煤矸石分为洗矸、煤巷矸、岩巷矸、手选矸和剥离矸，有的研究中将自燃矸也作为按来源分类中的一类

（1）洗矸 从原煤洗选过程中排出的尾矿称为洗矸。洗矸的排量集中,粒度较细,热值较高,黏土矿物含量较高,碳、硫和铁的含量一般高于其他各类矸石。

（2）煤巷矸 煤矿在巷道掘进过程中，凡是沿煤层的采、掘工程所排出的煤矸石，统称煤巷矸。煤巷矸主要是由采动煤层的顶板、夹层与底板岩石组成，常有一定的含碳量及热值，有时还含有共伴生矿产。

（3）岩巷矸 在煤矿建设与岩巷掘进过程中，凡是不沿煤层掘进的工程所排放出的煤矸石，统称岩巷矸。岩巷矸所含岩石种类复杂，排出量较为集中，其含碳量较低或者不含碳，所以无热值。

（4）手选矿 混在原煤中产出，在矿井地面或选煤厂由人工拣出的煤矸石称为手选矿。手选矿具有一定的粒度，排量较少，主要来自所采煤层的夹矸，具有一定的热值，与煤层共伴生的矿产业往往一同被拣出。

（5）剥离矸 煤矿在露天开采时，煤系上覆岩层被剥离而排出的岩石，统称为剥离矸。其特点是所含岩石种类复杂，含碳量极低，一般无热值，目前主要是用来回填采空区或填沟造地等，有些剥离矸还含有伴生矿产。

（6）自燃矸 自燃矸也称为过火矸，是指堆积在矸石山上经过自然后的煤矸石。这类矸石（渣）原岩以粉砂岩、泥岩与碳质泥岩居多，自燃后除去了矸石中的部分或全部碳，其烧失量较低，颜色与煤矸石原岩中的化学组成有关，具有一定的火山灰活性和化学活性。

2、按自然存在状态分类 在自然界中，煤矸石以新鲜矸石（风化矸石）和自燃矸石两种形态存在，这两种矸石在内部结构上有很大的区别，因而其胶凝活性差异很大。

（1）新鲜矸石 （风化矸石）是指经过堆放，在自然条件下经风吹、雨淋，使块状结构分解成粉末状的煤矸石。该种煤矸石由于在地表下经过若干年缓慢沉积，其结构的晶型比较稳定，其原子、离子、分子等质点都按一定的规律有序排列，活性也很低或基本上没有活性。

（2）自燃矸石是指经过堆放，在一定条件下自行燃烧后的煤矸石。自燃矸石一般呈陶红色，又称红矸。自燃矸石中碳的含量大大减少，氧化硅和氧化铝的含量较未燃矸石明显增加，与火山渣、浮石、粉煤灰等材料相似，也是一种火山灰质材料。自燃矸石的矿物组成与未燃矸石相比有较大的差别，原有高岭石、水云母等黏土类矿物经过脱水、分解、高温熔融及重结晶而形成新的物相，尤其生成的无定形SiO2和Al2O3，使自燃煤矸石具有一定的火山灰活性。

3、分级分类法 以上方法对煤矸石进行分类只能反映煤矸石某一方面的特性，不利于煤矸石的综合作用。欧洲各主要产煤国、美国、澳大利亚等国对煤矸石的综合利用进行了大量的研究，提出过多种分类方案，其中以前苏联的研究最具代表意义。他们按煤矸石的来源、特点、成分等不同指标分等级列出分类符号，然后根据各种利用途径对煤矸石质量的要求，填入所需的分类符号。根据分类符号所规定的质量要求，可以方便地选择煤矸石的加工工艺和综合利用途径。

20世纪80年代以来，我国科技工作者针对我国的煤矸石情况进行了较为深入的研究，同时借鉴国外的分类方法，提出了各种分类方案，并采用多级分类命名的方法，希望能够充分反映煤矸石的物理化学以及岩石矿物学特征，以期为煤矸石的利用提供方便，其分类方法如下介绍。

（1）重庆煤炭研究所提出煤矸石的三级分类命名法，三级分别为矸类（产出名称）、矸族（实用名称）、矸岩（岩石名称）。该方案首先按煤矸石的产出方式将其分为洗矸、煤巷矸、岩巷矸、手选矸和剥离矸五个类，最后按煤矸石的岩石类型划分矸岩。

（2）中国矿业大学以徐州矿区煤矸石的研究为基础，提出了华东地区煤矸石分类方案。该方案是以煤矸石在建材方面的利用为主要途径的一种分类方案。分类指标为岩石类型、含铝量、含铁量和含钙量，四个指标均分为四个等级，除岩石类型以笔画顺序排等级外，其他三个指标都以含量多少排等级，以阿拉伯数字表示等级次序。然后以岩石类型等级序号为千位数字，依次与其他三个指标的等级序号组成一个四位数，作为煤矸石分类代号。

4、按利用途径分类

分级分类方法虽然能比较全面的反映煤矸石的相关特征，但该方法过于复杂。鉴于煤矸石活性与煤矸石所含黏土矿物种类以及数量相关，便于煤矸石建材资源化利用，有些人层建议按煤矸石黏土矿物组成和数量对煤矸石进行分类，按煤矸石中高岭土、蒙脱土和伊利石含量多少将煤矸石分为高岭土质矸石、蒙脱土质矸石、伊利石质矸石和其他矸石，其他矸石是指所含黏土矿物总量小于10%的煤矸石。根据煤矸石主要利用途径，一是作为原料，二是利用其热值，结合煤矸石的矿物组成和碳含量，可以对煤矸石进行一下分类。

煤矸石中的碳含量决定着煤矸石资源化利用的方向，根据固定碳含量将煤矸石划分为四个等级；1级<4%（少碳的）、2级4%-6%（低碳的）、三级6%-20%（中碳的）和4级>20%（高碳的）。

根据煤矸石中的岩石矿物的组成特征可以将其分为高岭石泥岩（高岭石含量>50%）、伊利石泥岩（伊利石含量>50%）、碳质泥岩、砂质泥岩（或粉砂岩）、砂岩与石灰岩。岩石矿物组成的差异必然导致化学组成存在差别，根据煤矸石中Al2O3含量和Al2O3/SiO2比值可以将煤矸石分为高铝质、黏土岩质和砂岩质矸石三大类。

尽管当前煤矸石的分类方法很多，但尚未形成一个统一的、明确的分类及命名方案。只有对各地区的煤矸石物理、化学以及岩石矿物性质进行系统的研究，建立起比较完备的煤矸石数据库，才能基于煤矸石综合利用来确定煤矸石的分类。从有利于煤矸石综合利用，且分类简单的方面来说，有些人认为根据煤矸石的碳含量和矿物组成进行分类是一种比较适合的分类方法。

煤矸石主要是指在煤的开采过程中产生的废弃物料，一般含有矿物质、无机盐等成分。而关于张家口地区的煤矸石是否含有锂，需要进一步进行科学的矿物质分析和测定才能得出准确结论。目前，虽然有研究表明，一些煤层中或废弃矿物中确实包含了少量锂元素，但是锂在煤矸石中的含量却相对较低，通常在微量或痕量级别，除非有具体的科学报告，才能说明张家口煤矸石中是否含有锂，因此还需要进一步科学研究和实践来加以确认。

石煤（stone-like coal）是一种含碳少、发热值低、低品位的多金属共生矿，由4亿至5亿年前地质时期的菌藻类等生物遗体，在浅海环境下经腐泥化作用和煤化作用转变而成。含碳量较高的优质石煤呈黑色，具有半亮光泽，杂质少；含碳量较少的石煤，呈偏灰色，暗淡无光，夹杂有较多的黄铁矿、石英脉和磷、钙质结核。石煤的发热量不高，一般在800大卡/千克左右，是一种低热值燃料。

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。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。其主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素（镓、钒、钛、钴）。

石煤:http://baikebaiducom/view/199905htm

煤矸石:http://baikebaiducom/view/89400htm