煤矸石热解燃烧的多尺度地球化学调控机制与力学性能关联研究

针对煤矸石资源化利用中的成分异质性与热转化效率问题，研究人员通过TG-MS/TG-FTIR联用技术揭示了顶底板矸石(SHM-SC)与洗选厂矸石(SHM-WD)的热行为差异，结合SEM和单轴抗压测试发现高岭石-石英主导的SHM-SC在800℃内具有更优热稳定性与抗压强度，通过FWO和C-R动力学模型阐明了地球化学组成对热解动力学的调控机制，为煤矸石定向利用提供了科学依据。

　　

煤炭作为我国主体能源，其开采过程产生的煤矸石堆积量已超46亿吨，不仅侵占土地资源，更因自燃风险释放SO₂等污染物。传统处理方式难以兼顾资源回收与环境安全，究其根源在于煤矸石成分的高度异质性——来自煤层顶底板的矸石(SHM-SC)与洗选厂矸石(SHM-WD)在矿物组成和有机质含量上存在显著差异。针对这一难题，国家能源集团联合安徽工程研究院的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表研究，通过多尺度分析揭示了不同来源煤矸石的热转化机制与力学性能演变规律。

研究采用TG-MS（热重-质谱联用）和TG-FTIR（热重-红外联用）实时监测200-800℃温区内挥发分的释放特征，结合SEM（扫描电镜）观察微观结构演变，并通过单轴抗压测试量化热处理后的力学性能。内蒙古上海庙矿区的样本分析显示：SHM-WD因较高挥发分（达18.7%）和热值（12.4 MJ/kg），在燃烧阶段表现出更优的能量释放效率；而高岭石含量达54.3%的SHM-SC在高温段（600-800℃）质量损失率仅6.8%，显著低于含云母的SHM-WD（11.2%）。

【Pyrolysis characteristics of CG】章节揭示：SHM-WD在300-500℃区间出现明显失重峰（DTG峰值-1.25%/min），对应脂肪族C-H键断裂；而SHM-SC在500-700℃的失重主要源于高岭石脱羟基。FWO动力学模型计算显示两者活化能差异达24.6 kJ/mol，证实矿物基质对有机质热解的抑制作用。

【Conclusions】部分强调：SHM-SC经800℃处理后抗压强度提升37%，与其石英相变（α→β）形成的致密结构相关；而SHM-WD因云母层间水脱除产生裂隙，强度下降21%。该研究首次建立了煤矸石地球化学组成-热行为-力学性能的关联模型，为煤矸石分级利用（SHM-WD优先能源化、SHM-SC侧重建材应用）提供了理论支撑，对实现"双碳"目标下的固废资源化具有重要指导意义。