楊凡燕，馬彥斌，薛俊輝，馬 程，王佳麗，王 瑩

（寧夏基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川 750021）

煤矸石是煤炭生產(chǎn)、加工過程中產(chǎn)生的固體廢物，其產(chǎn)生量占原煤產(chǎn)量的10%～25%[1]。目前，我國煤矸石累計積存量將近70×108t，占地1.5 萬公頃[2]。這不但浪費(fèi)了土地資源，而且其中的有害元素會污染水資源及土壤環(huán)境[2-4]。隨著人們對環(huán)境保護(hù)意識的日益加強(qiáng)，如何提高煤矸石的綜合利用率、減少煤矸石引發(fā)的環(huán)境問題，引起了很多學(xué)者的重視。

目前為止，我國對煤矸石應(yīng)用最廣泛的途徑是制作建筑材料[5]，利用其部分或全部代替黏土生產(chǎn)燒結(jié)磚已成為煤矸石綜合利用的主攻方向之一[6-8]。研究表明，煤矸石的成分常因地質(zhì)條件的不同而有所區(qū)別[9]，進(jìn)而對煤矸石燒結(jié)磚的質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響。GB/T 29163—2012《煤矸石利用技術(shù)導(dǎo)則》中明確要求生產(chǎn)燒結(jié)磚用煤矸石的SiO2及Al2O3含量通常控制在55%～70%及15%～25%。工程實踐表明，其中所含的Fe2O3含量應(yīng)控制在2.00%～8.00%，CaO 含量不超過2.00%，MgO 含量應(yīng)小于3.00%，以上成分含量過高會對成品磚的品質(zhì)造成影響。如煤矸石中CaO 含量較高時，易產(chǎn)生石灰爆裂引起體積膨脹而破壞產(chǎn)品[10]。

區(qū)域地質(zhì)資料表明，寧夏王洼煤礦煤矸石主要為泥巖及粉砂巖，礦物組成以黏土礦物及石英為主，化學(xué)成分以SiO2及Al2O3為主，符合煤矸石燒結(jié)磚的要求。彭陽縣鑫卓能源科技發(fā)展有限公司利用該礦煤矸石燒結(jié)多孔磚已形成一定規(guī)模，每年消化煤矸石（30～50）×104t，年制磚量可達(dá)7 000 萬塊。但該礦煤矸石因CaO含量超標(biāo)常導(dǎo)致磚體爆裂，嚴(yán)重影響燒結(jié)磚的質(zhì)量及商業(yè)價值。本文借助偏光顯微鏡及X 射線熒光光譜儀等實驗方法，對該礦區(qū)煤矸石的性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，厘清了該制磚廠煤矸石的礦物組成及化學(xué)成分。并嘗試通過改變顆粒級配的方式，以期能改善石灰爆裂問題及提高成品磚的其他物理性能。

1 樣品的采集

本文在采樣時嚴(yán)格遵循了科學(xué)的采樣原則，根據(jù)煤矸石堆大小及形狀合理布置采樣點?；瘜W(xué)分析樣品采集時先用鐵鍬去除表面風(fēng)化淋濾的表面樣，然后攫取比較新鮮的巖石樣品。巖礦鑒定樣品選擇最具代表性的新鮮、完整、質(zhì)地均勻的塊狀巖石，以滿足磨制薄片的需要。本次采集化學(xué)分析樣品20 件，巖礦鑒定樣品10 件。

2 測試方法

采用型號為Axio Scope A1 的蔡司偏光顯微鏡對煤矸石樣品的巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物組成、各礦物嵌布特征及巖石類型等進(jìn)行分析鑒定。鑒定過程中根據(jù)礦物的實際大小情況采用不同鏡頭倍數(shù)及光圈數(shù)值觀察。

采用型號為ZSX PrimusⅡ的X 射線熒光光譜儀對樣品的化學(xué)成分進(jìn)行測定，測試條件：4.0 kW 端窗銠靶X 射線管，真空光路，視野光欄φ30 mm，超薄鈹窗30 μm，衰減器為1/1。

3 結(jié)果與分析

3.1 偏光顯微鏡觀察分析

本文通過對10 件煤矸石薄片鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，王洼煤礦煤矸石主要為炭質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖（圖1a、1b）及炭質(zhì)絹云千枚巖（圖1c），次要為長石石英砂巖（圖1d）。其中，炭質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖具粉砂狀結(jié)構(gòu)，礦物組成以粉砂質(zhì)的石英及黏土礦物為主，含量分別可達(dá)55%及25%左右，次要礦物為粉砂質(zhì)長石及炭質(zhì)，含量分別約為5%及5%～10%，偶見少量黃鐵礦；炭質(zhì)絹云千枚巖具變余顯微鱗片狀結(jié)構(gòu)，礦物組成以黏土礦物及炭質(zhì)為主，含量分別在60%及30%左右，含少量石英、長石及黃鐵礦，三者含量約10%；長石石英砂巖具中細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，主要由石英及長石組成，二者含量可達(dá)75%以上，次要為泥質(zhì)及方解石，含量分別約為15%及5%。

圖1 顯微照片

綜合以上觀察發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)煤矸石主要礦物組成是黏土礦物、石英及炭質(zhì)，黏土礦物及石英是生產(chǎn)燒結(jié)磚的必需成分[9]，炭質(zhì)的存在可有效減少燒磚過程中煤炭的消耗量。但其中含有的少量方解石在某些條件下不利于制磚。

3.2 化學(xué)成分分析

本文將采集的20 件樣品分別混勻粉碎至200 目后進(jìn)行了X 射線熒光光譜分析，分析結(jié)果見表1。由表1 可知，該區(qū)每件煤矸石樣品的SiO2含量均在55.00%以上，平均含量可達(dá)58.91%，Al2O3含量均大于15.00%，平均含量為18.53%，F(xiàn)e2O3平均含量為2.90%，MgO 平均含量為0.68%，含量均在要求范圍內(nèi)。CaO 平均含量為2.70%，略高于前人研究的推薦值，易使成品磚出現(xiàn)石灰爆裂問題。針對以上問題，前人研究發(fā)現(xiàn)一般可通過改變原料的顆粒大小加以改善[11]。

表1 X 射線熒光光譜分析結(jié)果

3.3 顆粒級配實驗

在實際生產(chǎn)中，原料的顆粒級配不僅影響原料的可塑性、制品強(qiáng)度及抗凍性能等[12]，也能有效降低原料中有害元素CaO 含量過高對成品磚造成的影響[11]?；诖?，本文將王洼煤礦制磚原料進(jìn)行了5 次顆粒級配實驗后按該制磚廠生產(chǎn)流程燒制成磚。不同的級配方案見表2，1 號為該廠原料各粒度占比，2～5 號為不同的顆粒級配后各粒度占比。

表2 6 種不同顆粒級配不同粒度占比 單位：%

3.4 物理性能測試

物理性能測試是判斷磚品質(zhì)是否符合建筑用磚的有效手段，本文為解決王洼煤礦因存在一定的有害成分而對磚造成的影響進(jìn)行了顆粒級配實驗，并對該礦煤矸石原料經(jīng)過顆粒級配后的5 種成品磚與原磚的石灰爆裂、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行了物理性能測試。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》。

3.4.1 試樣的石灰爆裂 多年的生產(chǎn)和研究證明，高質(zhì)量的燒結(jié)制品要求嚴(yán)格控制原料化學(xué)成分中產(chǎn)生石灰爆裂的CaO 含量[13]。本文對6 種不同顆粒級配的試樣進(jìn)行了石灰爆裂實驗，每種顆粒級配分別測試了5塊不同的樣品磚，測試平均結(jié)果見表3。

表3 6 種不同顆粒級配試樣磚石灰爆裂及泛霜實驗結(jié)果統(tǒng)計表

通過實驗可知，6 種不同顆粒級配試樣的磚體爆裂現(xiàn)象有較明顯的差別。原1 號磚共6 處爆裂點，2 號磚共8 處爆裂裂點，3 號磚共6 處爆裂點，4 號磚共4處爆裂點，5 號、6 號磚體爆裂點較少，僅在少量面上見1 mm 的爆裂點2 處。通過對比發(fā)現(xiàn)，原1 號磚的爆裂點較大，石灰爆裂現(xiàn)象較明顯，當(dāng)2 號磚在同時增大最大顆粒占比且減少最小顆粒占比時，石灰爆裂情況更嚴(yán)重，而當(dāng)5 號磚原料中小于0.4 mm 的粒度占比大于60%時，石灰爆裂現(xiàn)象已基本解決，且逐漸趨于穩(wěn)定。故可知原料中CaO 造成的磚體爆裂可根據(jù)改變顆粒大小而進(jìn)行調(diào)整及改善，顆粒越細(xì)，燒成制品性能越好。

3.4.2 試樣的常溫抗折、抗壓強(qiáng)度 6 種不同顆粒級配的試樣在燒成后的常溫抗折、抗壓強(qiáng)度見圖2。從圖2 可以看出，原1 號磚抗折強(qiáng)度小于2.00 MPa，2～5 號不同顆粒級配的試樣磚抗折強(qiáng)度隨著粗顆粒占比的減少及細(xì)顆粒占比的增加具有逐漸增高的趨勢，當(dāng)6號磚小于0.4 mm 的細(xì)顆粒占比增加到65.0%時，抗折強(qiáng)度可達(dá)到3.48 MPa。6 種試樣磚的抗壓強(qiáng)度均在20.0 MPa 以上，2 號顆粒級配制成的燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度最小，為20.9 MPa，5 號到6 號磚隨著顆粒級配的改變，抗壓強(qiáng)度有較顯著的增大，可達(dá)22.6 MPa。根據(jù)GB/T 13544—2011《燒結(jié)多孔磚和多孔砌塊》中強(qiáng)度等級的要求，6 種試樣磚在原料最大粒度小于1.2 mm時，制備的燒結(jié)磚強(qiáng)度等級為MU20，均符合承重磚的強(qiáng)度要求，但隨著細(xì)粉料的增加，燒結(jié)磚的強(qiáng)度普遍有增大的趨勢。這是由于胚體在加熱時粗顆粒很大程度上在細(xì)顆粒轉(zhuǎn)變和胚體開始燒結(jié)之后才發(fā)生轉(zhuǎn)變，粗顆粒在轉(zhuǎn)變過程中會導(dǎo)致胚體松散和開裂[14]。而細(xì)顆粒多處于粗顆粒堆積的縫隙中，在不改變溫度的情況下，細(xì)顆粒含量越多，比表面積越大，顆粒間的接觸更好，更易發(fā)生相互間的反應(yīng)，對外力的傳遞作用變好，磚坯受力更均勻，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，其在轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的膨脹對胚體的影響更小，磚的燒結(jié)能力就會大大加強(qiáng)，磚體的強(qiáng)度也會相應(yīng)增高[15]。

圖2 不同試樣抗折、抗壓強(qiáng)度對比圖

綜上可知，王洼煤礦煤矸石在一定的條件下燒制成的多孔磚，各項指標(biāo)均能達(dá)到建筑使用的要求。細(xì)料顆粒的比例增大，有助于提高多孔磚的抗折、抗壓強(qiáng)度并對有害雜質(zhì)如方解石等成分起到分散作用，有效防止了磚體爆裂現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)對6 種試樣燒結(jié)磚的綜合性能檢測結(jié)果對比分析判定，在提高1.0～1.2 mm顆粒占比，降低小于0.4 mm 細(xì)顆粒占比的情況下，燒結(jié)磚的石灰爆裂現(xiàn)象最嚴(yán)重且其他各項物性指標(biāo)最差，在1.0～1.2 mm 粗顆粒與原配比相近，降低小于0.4 mm細(xì)顆粒占比時，石灰爆裂現(xiàn)象也沒有得到很好的改善，各項指標(biāo)也沒有原配比的好，只有同時降低1.0～1.2 mm粗顆粒占比且增加細(xì)顆粒占比到一定含量時，石灰爆裂現(xiàn)象才會有明顯改善，各項指標(biāo)效果才能達(dá)到最好。故針對該廠燒制的煤矸石多孔磚存在的石灰爆裂問題，在控制成本最低的情況下，要想很好的改善該廠成品磚石灰爆裂現(xiàn)象，建議顆粒級配的最優(yōu)方案為1.0～1.2 mm 的顆粒占比小于2.0%、0.4～1.0 mm 的顆粒占比在35.0%～40.0%，小于0.4 mm 的顆粒占比在60.0%以上。

4 結(jié)論

（1）王洼煤礦煤矸石的主要礦物組成為石英、黏土礦物及炭質(zhì)，三者是燒結(jié)磚的必需成分，含有少量的方解石不利于制磚。

（2）王洼煤礦煤矸石的化學(xué)成分以SiO2及Al2O3為主，二者含量為58.91%及18.53%，次要成分為CaO、MgO 及Fe2O3。其中，CaO 的含量為2.70%，超出制磚推薦值，易使成品磚出現(xiàn)石灰爆裂問題。

（3）最優(yōu)的燒結(jié)磚顆粒級配方案為1.0～1.2 mm 的顆粒占比小于2.0%、0.4～1.0 mm 的顆粒占比在35.0%～40.0%、小于0.4 mm 的顆粒占比在60.0%以上時，石灰爆裂現(xiàn)象會有明顯改善，并且隨著細(xì)顆粒粉料的增加，有助于提高制品的抗折、抗壓強(qiáng)度。