煤矸石既是采煤和洗煤过程中排放的固体废弃物也是由岩石和矿物组成的非金属矿产资源,具有可综合利用属性。煤矸石在成煤过程中与煤层伴生,其含碳量较低,具有低挥发分,高灰分,低热值和难燃烧等特点,目前,除少量煤矸石用于制砖或水泥外,大部分煤矸石主要在露天堆放。煤矸石中的微量元素虽然含量甚微,但由于煤炭开采量巨大,经过风化、分解之后,煤矸石中微量元素在生态系统中不断迁移,转化和富集,成为地球化学循环的重要分支,同时也是采煤矿区主要污染源之一,对当地的生态环境和居民的健康造成一定的威胁。因此加强煤矸石的研究,既可以减少其对环境的影响,同时也可以解决煤矸石的堆存问题。西山煤田是我国重要的炼焦用煤产地之一,本文选取西山煤田古交矿区屯兰,马兰煤矿和杜儿坪煤矿煤矸石作为研究对象,利用光学显微镜,X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分别对太原西山煤田古交矿区屯兰、马兰煤矿、杜儿坪煤矿煤矸石以及杜儿坪自燃煤矸石的岩石、矿物成分和常量、微量元素等特征进行分析鉴定,并从形成环境和成因方面进行系统比较,从而为西山煤矸石的综合利用提供理论依据。主要研究内容和得到的结论如下:(1)煤矸石的矿物学和岩石学研究:屯兰、马兰煤矿煤矸石均由高岭石、石英、长石、云母、黄铁矿和锐钛矿等组成,其中马兰8号煤层矸石中含有方解石,含量达58%,2号煤层矸石中含有一定量的伊利石;杜儿坪煤矸石中以粘土矿物和石英为主,含有一定量的地开石,自燃后的矸石主要是以α-石英为主。(2)煤矸石的地球化学特征研究:煤矸石中含有的常量元素有Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、P、Ti、Mn等,且都以氧化物形式存在,其中Si02和A1203的含量占氧化物总量40%-80%左右,SiO2主要以石英和硅酸盐形式存在。2号煤矸石中K20、A1203、MgO和MnO以硅酸盐形式存在,Ti02以锐钛矿形式存在,Fe203-T以黄铁矿形式存在,Na2O和CaO以磷酸盐形式出现。8号煤矸石中Na2O、K20、MnO、MgO和CaO以碳酸盐和磷酸盐形式存在,A1203主要以硅酸盐形式存在,TiO2主要以锐钛矿和粘土矿物形式存在,Fe203-T主要以黄铁矿形式存在。含有的微量元素分别为Li、Be、Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Cs、Ba、Hf、Ta、W、Tl、Pb、Th、U。2号矸石中多数微量元素表现出对粘土矿物和硫化物的亲和性。8号矸石中大多数微量元素表现出对碳酸盐和磷酸盐的亲和性。8号矸石形成过程可能受海水影响比较大,而2号矸石则形成于陆相环境。(3)煤矸石的富集微量元素地球化学特征研究:8号煤层矸石中Li、V、Zn、Mo、Tl、Pb、U和W富集,W的富集由母岩控制,V、Mo、Pb和U富集主要受海水影响;2号煤矸石中Li、Be、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、W、Tl、Pb、Th 和 U 富集,亲石元素 Li、Be、Y、Nb、Zr、Mo、Tl、Hf、U、Th和W的富集受碱性物质影响,其中Zr、Nb和Hf富集是由于狐偃山碱性杂岩体侵入造成的。