煤矸石资源化利用现状与进展

在实现“碳达峰与碳中和”目标的背景下,煤炭作为国家能源安全的基石,其绿色开发对我国经济建设和社会发展起到了至关重要的作用。然而,在煤矿开采及分选加工过程中,煤矸石作为煤炭主要伴生副产物,已成为我国急需处理的大宗固废之首。然而,目前煤矸石的综合利用率仍处于较低水平,尚未形成较为规范可行的研究体系。因此,针对煤矿开采与煤矸石堆积所造成的水、大气与土壤环境污染问题,通过煤矸石在生产能源、有价金属回收、建筑材料生产与其他方向的资源化利用的相关研究进展,结合煤矸石在防止重金属污染、土壤修复、防止水土流失等方面的应用,最后提出了煤矸石资源化利用未来的发展方向,根据整体进行规划与资源整合,不仅有大量用于常规目的的煤矸石资源化利用方向,同时还有用于生产高附加值产品的特殊用途,通过两者相结合,实现煤矸石的综合化和资源化利用,为其“减量化、资源化、循环化”发展提供借鉴。总之,煤矸石资源化利用是我国煤炭产业转型升级的重要方向,也是实现绿色可持续发展的必由之路。只有通过不懈的努力和持续的创新,才能更好地解决煤矸石堆积问题,推动煤矸石资源化利用向更加高效、环保、可持续的方向发展,为我国经济社会可持续发展做出更大的贡献。

粉煤灰-煤矸石充填技术的科学知识图谱分析

基于相关论文和专利,分析了该领域的研发态势和主要国家、研究机构及其研发重点的分布特征,并在此基础上开展主题分析,梳理了研究方向、主题和发展趋势。结果表明,目前该领域的研究论文产出呈现波动增长趋势,相关专利数量则呈现上涨趋势,我国是目前开展相关技术研发最多的国家,主要涉及流变学、抗压强度、机械性能以及充填工艺等方面。提出了粉煤灰-煤矸石充填技术研发的前沿动态、技术路线、研企合作、政策标准等建议,以期为相关领域决策和研究提供科学依据。

煤矸石规模化综合利用整体解决方案研究

基于我国煤矸石的来源、性质和危害,研究分析了煤矸石综合利用现状及存在的问题,着重对煤矸石规模化综合利用整体解决方案进行探究,并结合煤炭资源禀赋,提出“源头减量-资源利用-无害处置”的煤矸石规模化综合利用方案,对煤矸石进行分类、分质梯级利用,以期实现煤矸石无害化、规模化、高值化利用,该方案适用于我国西部地区等大型煤炭基地。结合社会效益、生态环境效益和经济效益对煤矸石规模化综合利用进行评估与分析,为煤炭行业可持续发展和资源循环利用提供借鉴。

基于响应面法的煤矸石氯化焙烧除铁工艺参数优化

为解决煤矸石氯化焙烧除铁过程中氯化剂消耗量过高、焙烧时间掌握不准以及除铁率难以达到期望值的问题,以CaCl_(2)作为氯化剂对煤矸石进行氯化焙烧除铁,在焙烧温度分别为600℃,700℃,800℃,900℃,1000℃,CaCl_(2)添加量(质量分数)分别为5%,10%,15%,20%,25%,焙烧时间分别为90 min,120 min,150 min,180 min,210 min的单因素实验基础上,通过Design-Expert13.0.6软件设计和优化了煤矸石氯化焙烧除铁实验。通过方差分析、等高线分析、响应面分析证明了模型的可靠并分析了各变量之间的交互影响关系。运用响应面优化法以除铁率为指标优化了工艺参数。结果表明:焙烧温度与焙烧时间交互最为显著,CaCl_(2)添加量与焙烧时间交互最低。各影响因子按影响显著性由大到小依次为焙烧温度、CaCl_(2)添加量、焙烧时间;随着焙烧温度升高除铁率进一步提升,由于焙烧温度超过1000℃后产物会转为莫来石,因此控制焙烧温度不超过950℃,当CaCl_(2)添加量达到15%时除铁率最好,超过这一添加量会降低除铁率,焙烧时间达到180 min时除铁率基本上达到了最高值,继续延长焙烧时间对除铁率的影响不大;对响应面模型预测并优化后得到了最佳的工艺条件,即焙烧温度为915℃,CaCl_(2)添加量为15%,焙烧时间为175 min,在此条件下除铁率达到了95.23%,实验值与预测值基本一致。

煤矸石混凝土三相细观力学性能及细观破坏机理

为探究煤矸石混凝土力学特性,开展了煤矸石混凝土的多相细观力学特性试验研究,并基于细观尺度建立了煤矸石混凝土非均质数值模型,研究了煤矸石混凝土内部各种介质对煤矸石混凝土力学性能的影响。结果表明:细观模型能较好地描述煤矸石混凝土的力学特性、破坏模式和内部损伤演化过程;煤矸石混凝土的力学特性与三相力学性能有关,随着ITZ强度的增加,煤矸石混凝土的峰值应力先增大后减小,但残余强度趋于一致。改善ITZ力学特性对煤矸石混凝土的破坏模式及宏观裂缝的分布和扩展影响不大;提高水泥砂浆强度可以提高煤矸石混凝土的峰值应力和脆性;粗骨料强度提高了混凝土的峰值应力。当σ_(cp-Agg)<σ_(cp-M)时,可有效提高混凝土的峰值应力;当σ_(cp-M)<σ_(cp-Agg)时,峰值应力增长率迅速下降。增加骨料的强度可以改善混凝土的脆性。

基于CSPNet-YOLOv7目标检测算法的煤矸图像识别模型

煤矸识别技术是矿井智能化建设的关键技术之一,针对工作面低照度高粉尘环境造成的煤矸识别模型精度不高以及小目标煤矸难以识别的问题,提出一种基于CSPNet-YOLOv7目标检测算法的煤矸图像识别模型。采用跨阶段部分网络(Cross Stage Partial Network,CSPNet)改进YOLOv7模型的主干特征提取网络,优化梯度信息减少网络参数,同时采用递归特征金字塔(Recursive Feature Pyr-amid,RFP)和可切换卷积(Switchable Auto Convolution,SAC)替换颈部特征提取网络中简单的上下采样和普通卷积模块,并采用3次迁移训练进行不同宽度和深度的特征学习,增强网络的泛化能力。试验结果表明,CSPNet-YOLOv7模型的平均精度均值为97.53%,准确率为92.24%,召回率为97.91%,F1得分为0.95,模型的参数量为30.85×10^(6),浮点运算次数为42.15×10^(9),每秒传输帧数为24.37 f/s,与YOLOv7模型相比,平均精度均值提高了7.46%,参数量和浮点运算次数分别降低了17.23%和60.41%,相较于FasterRCNN-Resnet50、YOLOv3、YOLOv4、MobileNet V2-YOLOv4、YOLOv4-VGG、YOLOv5s模型、CSPNet-YOLOv7模型对煤矸识别的平均精度均值最高,同时参数量和浮点运算次数较小,在识别精度和速度之间有着较好的平衡。最后,通过井下现场试验验证了CSPNet-YOLOv7模型,为煤矸精准识别提供了有效技术手段。

W-OH固化剂对高寒矿区煤矸石水分入渗的影响及模型拟合

采用室内积水条件下煤矸石柱水分入渗模拟试验,研究了不同浓度W-OH(0%、1.5%、2.5%和3.5%)喷施处理对高寒矿区煤矸石水分入渗的影响,同时采用Philip、Kostiakov和Horton 3种入渗模型对入渗过程进行拟合,利用一维代数模型预测煤矸石剖面体积含水率分布特征,并评价模型适用性。结果表明:(1)累计入渗量和湿润锋前进距离随入渗时间的增加而逐渐增加且与WOH浓度存在负相关性。同一入渗时刻,W-OH浓度越大,入渗率和湿润锋前进速率越小,与对照(0%W-OH)相比,3种W-OH浓度(1.5%、2.5%、3.5%)处理的初始入渗率分别降低了1.12%、3.59%和9.64%,稳定入渗率分别降低了16.92%、78.46%和89.23%,平均入渗率分别降低了11.35%、58.26%和71.02%。(2)3种入渗模型都能较好地拟合不同浓度W-OH处理煤矸石水分入渗过程,Philip、Kostiakov和Horton模型的决定系数(R2)均值分别为0.962、0.957和0.967,其中Horton模型的拟合效果较好。(3)积水入渗过程中同一W-OH浓度,埋深越大,水分入渗至各监测点所需的时间越长,同一深度,W-OH浓度越大,水分入渗至各监测点所需的时间也越长。(4)一维代数模型可以较好地模拟入渗结束后煤矸石剖面体积含水率分布特征,模拟值与实测值间的均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别在2.574%~3.326%之间和2.308%~2.707%之间,符合度指数(D)均在0.92以上。研究结果可以为W-OH固化剂在高寒矿区煤矸石山冻土剖面重构中的应用提供理论指导。

煤矸石钠盐焙烧增白工艺与机理

大宗固体废弃物煤矸石的堆存带来严重的环境问题,因而综合利用与高值高效利用煤矸石十分紧迫与重要。煅烧是煤矸石资源化利用的重要加工手段。针对煅烧法存在能耗高、效率低的问题,通过研究钠盐种类及煅烧工艺对煤矸石增白效果的影响,得出了煤矸石煅烧前后样品的物相组成、微观形貌、孔结构及化学键变化情况,并在此基础上采用同步热分析与红外-质谱(TG-FTIR-MS)联用系统对NaCl煅烧过程中的气相产物与除杂增白机理进行了分析。结果表明:当煅烧温度为860℃时,NaCl煅烧煤矸石样品白度由原矿的38.5%提高到86.0%;碳质全部被氧化,黄铁矿(FeS_(2))脱硫转变为赤铁矿(Fe_(2)O_(3)),赤铁矿和金红石(TiO_(2))总质量分数下降到0.27%;当煅烧温度为800~860℃时,样品孔结构特性变化较小;当升高温度到950℃时,片层状的偏高岭石转变为圆球状的莫来石,比表面积和孔体积分别由原矿的12.91 m^(2)/g和0.056 cm^(3)/g显著下降到6.58 m^(2)/g与0.031 cm^(3)/g。当煅烧时间超过30 min后,煅烧产物的白度增加幅度变小,煅烧时间超过90 min后,煅烧产物的白度基本不再增加(86.6%~86.7%)。NaCl的加入对于煅烧产物化学键的影响较小,煅烧阶段的易挥发矿物质成分质量分数较低,主要气体产物为H_(2)O、HCl、CO_(2)和H_(2)S;NaCl与H_(2)O、SiO_(2)发生作用高温分解生成HCl气体,并与Fe_(2)O_(3)、TiO_(2)等杂质反应,生成气相氯化产物从料层表面逸出,实现了煤矸石除杂增白。

煤矸石综合利用技术现状与标准体系研究

煤矸石是煤炭开采和选煤过程中产生的主要废弃物,在我国西北地区产生量巨大。由于缺乏有效的综合利用,大量煤矸石无法消纳,只能就地堆存,占用了大量土地资源的同时也带来环境污染和生态破坏的风险,因此,探索建立煤矸石的综合利用技术体系,并配套完善的技术标准体系至关重要。本文对我国近十年来煤矸石产生和利用情况进行分析,并调研当前国内煤矸石综合利用技术现状和标准体系,分析总结出制约我国煤矸石综合利用技术发展存在的问题,包括无法支撑大规模消纳需求、缺乏技术标准体系支撑、技术区域特征明显、不利于复制推广等;针对技术推广过程中缺乏技术规范及标准的情况,总结当前煤矸石综合利用领域标准现状,提出当前标准体系中存在的问题,包括缺乏污染防控标准体系、缺乏综合利用技术规范等。通过上述分析,为煤矸石综合利用行业提出相应的建议,旨在为煤矸石综合利用技术体系的发展方向和标准体系的完善提供参考和借鉴,以实现煤矸石更加高效、安全和环保的综合利用。

热活化煤矸石对水泥基材料性能影响研究

将热活化煤矸石用作辅助胶凝材料,替代部分水泥,制备水泥砂浆,研究热活化煤矸石掺量对水泥砂浆抗压强度和抗折强度的影响,及热活化煤矸石增强水泥基材料机械强度的机理。结果表明,在利用热活化煤矸石替代部分水泥制备砂浆过程中,适量热活化煤矸石具有良好的火山灰效应和微集料效应,可促进砂浆基体中相互交联网状C—S—H凝胶的形成,增强砂浆基体中孔隙的填充效果,改善砂浆基体的微观结构,进而提升水泥基材料机械强度。当热活化煤矸石掺入量为20%时,砂浆试样水化28 d的抗压强度可达46.2 MPa,抗折强度达6.79 MPa,其机械强度与纯水泥砂浆相当,完全可以满足一般建筑行业使用要求。

神东矿区煤矸石无害化填埋注浆技术及应用

研究神东补连塔煤矸石无害化的填埋注浆工艺并开展工程应用,对其经济效益和社会效益进行了分析。结果表明,填埋煤矸石并分层分次进行注浆是煤矸石综合治理的有效途径,该工艺既减轻了煤矸石露天堆放所带来的环境问题,又具良好的经济效益与环境效益,对煤矸石的资源化处理具有借鉴意义。

煤矸石颗粒掺混刺梨果渣共燃烧特性

煤矸石是采煤、洗煤过程中形成的一种工业固废,大量煤矸石倾倒和堆积在矿区,占用大量土地资源,若不妥善处置还将污染生态环境。燃烧处置可实现煤矸石的减量化和资源化,降低环境污染,节约煤炭资源。生物质作为一种清洁燃料,是替代煤炭的选择之一,添加生物质有助于改善煤矸石燃烧性能、降低净碳排放。本文通过在管式立式加热炉中进行空气氛围下煤矸石颗粒掺混刺梨果渣的共燃烧试验,研究不同掺混比例和氛围温度对其着火机理、着火延迟、着火温度、燃尽时间等共燃烧特性的影响。结果表明:添加刺梨果渣显著改善了颗粒燃烧特性,尤其在高温和高刺梨果渣含量条件下;随着刺梨果渣掺混比例的增加,煤矸石与刺梨果渣混合颗粒的内部着火温度下降,挥发物燃尽时间显著延长,随着氛围温度升高和刺梨果渣添加,着火延迟显著降低,其中刺梨果渣的挥发分在高温条件下加速着火燃烧。

煤矸石浆液充注性能及其影响因素研究

为实现煤矸石井下规模化充填处置,采集神东矿区煤矸石样品进行实验,选取浆液流动度、泌水率及流变参数作为煤矸石浆液充注性能评估指标,在对粉料浆液充注性能的研究基础上,掺入大颗粒煤矸石形成骨料浆液,进一步提高煤矸石充注量,降低破磨成本。选用正交实验和极差分析法对煤矸石骨料浆液进行研究,得到影响煤矸石浆液充注性能的主要因素。研究结果表明,煤矸石浆液中不含骨料时,流动度和泌水率均随煤矸石粒度的增大而增大,随浆液浓度的增大而减小,充注煤矿采空区时,可选用小于0.150、0.300 mm的煤矸石颗粒配制成浓度为45%~55%的浆液进行充注。煤矸石骨料浆液的充注性能主要受骨料粒径、粉料粒径、骨粉比和浆液浓度影响,4种因素对流动度的影响顺序为浆液浓度、骨粉比、骨料粒径、粉料粒径;对泌水率的影响顺序为浆液浓度、粉料粒径、骨粉比、骨料粒径。为降低煤矸石处置成本,可以选用2~5 mm的煤矸石骨粒和小于0.150 mm的煤矸石粉料以1∶6的比例混合,以55%的浆液浓度制成含骨料煤矸石浆液充填煤矿采空区。此外,通过工程试验证明了小于0.150 mm的煤矸石颗粒以45%、50%和55%的浓度配制成煤矸石浆液经管道输送后仍具有较好的流动性,可以满足煤矸石处置需求。

山西斜沟煤矿煤矸石基础性质与综合利用途径研究

在梳理斜沟煤矿及选煤厂煤矸石产生、利用、处置现状的基础上,结合国家政策要求、企业及其周边现实条件,根据煤矸石性质,规划其源头减量及综合利用途径,提出了基于源头减量及综合利用的斜沟煤矿煤矸石资源化综合利用技术方案。研究结果表明,通过对斜沟煤矿不同类型的煤矸石进行分级分质利用,有助于最大限度的发挥煤矸石的资源属性。TCS矸适合进行热值利用;末矸适合作为水泥中铝土矿的替代料及高岭土类产品的开发;块矸利于烧结,适合做生态土、水处理滤料等。

葫芦素煤矿离层注浆矸石充填浆液制备工艺技术特点

阐述了现有矸石离层注浆充填存在的问题,介绍了葫芦素煤矿离层注浆中采取的改进措施和特点,对矸石浆液的制备工艺、出料矸石粒度的确定、破碎机的选型、球磨机型式和驱动方式的选择、球磨机的检修、设计中应注意的问题进行了有益的探讨,分析了葫芦素煤矿离层注浆矸石充填项目运行后的经济效益和社会效益。

不连沟煤矿煤矸石中分选高岭岩试验研究

为了实现煤矸石的多用途资源化利用,以不连沟煤矿煤矸石为研究对象,在分析煤矸石的理化特性,确定高岭岩在煤矸石中赋存状态的基础上,探讨了煤矸石分选高岭岩的理论与方法,并研究了不同煅烧温度、煅烧时间对高岭岩煅烧高岭土白度的影响。试验结果表明:通过基于图像识别和物质识别的智能干选及风力分选技术,可以从煤矸石中有效分选出高岭岩,高岭岩煅烧高岭土过程中,在煅烧温度为1 000℃、煅烧时间3 h的条件下,高岭土产品的白度可达84%,可满足二级白度高岭土的工业应用要求。

煤矸石制备NaX分子筛及其对Cu^(2+)的吸附性能研究

以云南曲靖地区煤矸石为研究对象,经硫酸除铁后采用碱熔法制备NaX分子筛,利用XRD、SEM等手段对其进行表征,并研究分子筛用量、吸附时间和吸附温度对NaX分子筛吸附废水中Cu^(2+)的影响,结果表明,以煤矸石酸浸渣为主要原料,不外加铝硅源合成NaX分子筛的最佳条件为:将酸浸渣和氢氧化钠混合(质量比1∶1.2)置于800℃下碱熔活化1.0 h,再在92℃水浴中晶化10 h,制得的NaX分子筛结构为四面体晶体形状;室温下在分子筛用量为2 g/L、吸附时间为24 min的条件下,分子筛对Cu^(2+)的吸附效果最好,去除率在98%以上;采用Langmuir等温吸附模型对分子筛吸附数据进行拟合,发现吸附过程是单层吸附。研究成果为煤矸石综合利用提供了一条有效途径。

基于静态膨胀致裂破岩的毛煤大粒径矸石率提升技术研究

综采工作面过断层期间因矸石粒径小、煤矸难筛分等问题制约了煤炭企业的发展。本文以淮北矿业股份有限公司临涣煤矿1067综采工作面采矿地质条件为工程背景,分析了静态膨胀致裂破岩机理及其过程,并进一步模拟分析了垂直应力与钻孔间距对裂纹扩展规律的影响特征。在此基础上,结合临涣煤矿现场施工设备和以往经验,提出了静态膨胀致裂破岩方案及技术参数,并在NF2硬岩断层区域进行了工程应用。应用结果表明,在静态膨胀剂安装后1~5 h内岩体得到了充分的预裂和松动,且采煤机截割后毛煤中粒径>25 mm的矸石增加了16.2%。该研究成果在有效保障1067综采工作面安全、高效通过硬岩断层的同时,实现了煤质提升。

煤矸石资源化利用研究现状与展望

煤矸石是我国排放量最大的工业固体废弃物之一,其长期大量堆积对自然环境造成了严重危害。过去很长一段时间,我国对煤矸石的处理简单低效,未能充分利用其中丰富的有价组分。“十四五”以来,我国大力推进高质量发展和生态文明建设,对煤矸石处理提出了更高要求,处理方式逐渐向绿色高值化方向发展。本文从煤矸石的物化性质和污染风险出发,系统论述了以煤矸石发电,用作建筑材料,提取化工产品、矿物产品和战略金属资源,制备陶瓷和多孔材料等产生经济效益的利用方式,以及用煤矸石处理污染废水、改良荒地土壤等产生环保效益的利用方式,分析了当前煤矸石综合利用的发展趋势和存在的问题,以期为我国煤矸石及其他固体废弃物综合利用研究提供借鉴。

煤矸石碱熔—水热法制备NaX型分子筛及其对Pb^(2+)的吸附特性研究

为实现煤矸石中硅铝组分的高值利用,以煤矸石为原料,采用碱熔水热法合成NaX型分子筛,通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)等对产物进行表征,同时采用静态饱和吸水量和钙离子交换量对所制备分子筛进行性能评价。结果表明:硅铝比为3,碱灰比1.2,陈化温度40℃,陈化30 min,水热温度100℃,水热时间5 h,NaOH浓度为2.73 mol/L时合成分子筛的钙离子交换量为283.37 mg/g。将所合成的NaX型分子筛用于吸附液相中的Pb^(2+)。在分子筛投加量1 g/L、吸附温度25℃、吸附时间2 h时,吸附容量(Q_(e))最高可达483.05 mg/g;分子筛的吸附等温线符合Langmuir模型,饱和吸附容量(Q_(m))可达528.31 mg/g。