劉衢州，張林林

（國家煤化工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（安徽），安徽淮南 232001）

煤矸石是煤礦開采、洗選過程中所排出的大量固體廢棄物，為目前世界上產(chǎn)量最大的工業(yè)廢棄物之一。煤矸石的堆放占用大量的土地，同時(shí)產(chǎn)生煤塵、污染水源、有害氣體等一系列問題造成環(huán)境污染，堆積如山的矸石山破壞自然景觀、存在山體滑坡、火災(zāi)等安全隱患，嚴(yán)重影響周邊居民的生活生產(chǎn)和生命安全[1]。

淮南市作為國家14個(gè)億噸級(jí)重點(diǎn)煤炭能源工業(yè)基地之一，礦區(qū)煤炭開采歷史悠久，長期高強(qiáng)度的煤炭開采囤積了大量的煤矸石，如果沒有行之有效的利用方法會(huì)成為制約淮南市生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展的主要因素，阻礙經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

本文通過分析淮南礦區(qū)的煤矸石基本情況、性質(zhì)、利用現(xiàn)狀及存在的問題，提出了該地區(qū)煤矸石資源化利用的政策性建議，促進(jìn)淮南市煤炭產(chǎn)業(yè)的升級(jí)、助力經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1 淮南礦區(qū)煤矸石基本情況

淮南礦區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，總面積3 000 km2，是我國14個(gè)億噸級(jí)煤炭基地和6個(gè)大型煤電基地之一?；茨系V區(qū)煤矸石分為煤炭洗選加工的副產(chǎn)品洗矸和井下巷道掘進(jìn)成煤過程中產(chǎn)生的巖矸兩類?；茨系V區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)礦井12對(duì)，矸石山17座[2]，矸石存量約3×107t，占地面積約91 hm2，大量煤矸石堆積對(duì)環(huán)境造成很大的危害，影響周邊居民的身體健康。

2 淮南礦區(qū)煤矸石性質(zhì)

2.1 組成成分分析

淮南礦區(qū)煤矸石的礦物成分大致相同，主要成分為高嶺石和石英，其他還包括伊利石、黃鐵礦、方解石等[2]。煤矸石中的巖石類型主要為泥巖、粉砂巖、砂巖、黏土巖等沉積巖。

淮南礦區(qū)煤矸石的化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O 和 Na2O 等。SiO2含量最高，一般為40%～80%；Al2O3含量3%～40%，F(xiàn)e2O3含量2%～10%，CaO含量0.2%～10.0%，MgO含量0.2%～3.0%?；茨喜糠值V區(qū)煤矸石的化學(xué)成分如表1所示[3]。

表1 淮南部分礦區(qū)煤矸石的成分組成（單位：%）

2.2 淮南礦區(qū)煤矸石綜合利用現(xiàn)狀

煤矸石綜合利用途徑較多，根據(jù)淮南礦區(qū)煤矸石巖石類型、礦物成分、化學(xué)成分、發(fā)熱量等特征進(jìn)行綜合利用，當(dāng)前主要用于發(fā)電、復(fù)墾回填和生產(chǎn)新型建材。

2.2.1 煤矸石發(fā)電

利用煤矸石具有的熱值作為電廠燃料進(jìn)行發(fā)電。目前，淮南擁有潘三電廠、顧橋電廠、新莊孜電廠3家煤矸石綜合利用電廠，可充分利用礦區(qū)堆積如山的煤矸石。每年可消耗洗矸、煤泥5.19×106t，發(fā)電6.1×109kW·h，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 6.7×105t[3]。

2.2.2 煤矸石回填復(fù)墾

礦區(qū)地下煤炭被采出后，地表巖體層的平衡狀態(tài)受到破壞，達(dá)到一定規(guī)模后巖層會(huì)發(fā)生變形，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。從20世紀(jì)初建礦以來，常年的大規(guī)模的開采使淮南地區(qū)的采煤塌陷區(qū)面積達(dá)132.19 km2。煤矸石可用于塌陷區(qū)的回填，在上面覆蓋一定厚度的土壤后進(jìn)行夯實(shí)便可用于農(nóng)作物等的種植[4]，主要處理步驟有矸石碾壓、坡面處理、表面覆土和植被種植。通過矸石回填復(fù)墾治理，已建成“大通煤文化”景區(qū)、大通濕地公園，形成了生態(tài)旅游基地，不僅減少了煤矸石的污染，也保護(hù)了珍貴的土地資源。

2.2.3 煤矸石生產(chǎn)新型建材

煤矸石含有一定的熱值，具有可塑性、結(jié)合性和燒結(jié)性。當(dāng)煤矸石中SiO2含量為55%～70%、Al2O3含量為15%～25%、Fe2O3含量為2%～8%、CaO含量小于2%、MgO含量小于3%且SO2含量小于1%時(shí)，可塑性指數(shù)在7～15，放射性符合標(biāo)準(zhǔn)，可全部或部分代替黏土用于生產(chǎn)矸石磚[5]。

近年來，淮南市以發(fā)展新型墻體材料為根本，立足煤矸石的綜合利用，大力發(fā)展煤矸石燒結(jié)磚、透水磚及燒結(jié)陶粒，煅燒混凝土骨料，制作水泥混合材、混凝土摻合料以及多種工業(yè)固廢物摻配綜合利用，生產(chǎn)高強(qiáng)陶粒，燒制彩瓦、陶瓷制品、防火材料、耐火材料和保溫材料，生產(chǎn)土壤調(diào)理劑等高精尖綜合利用技術(shù)。采取政策引導(dǎo)、宣傳發(fā)動(dòng)、技術(shù)服務(wù)、執(zhí)法檢查等措施，著力推動(dòng)墻改工作的開展，取得了良好的社會(huì)效益和環(huán)境效益。淮南市現(xiàn)有新型墻體材料生產(chǎn)企業(yè)19家，以煤矸石為主要原料生產(chǎn)新型墻體材料的年生產(chǎn)能力已達(dá)到22億塊（折合標(biāo)準(zhǔn)磚），年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 1.14×105t，使用煤矸石 2.20×106t，節(jié)約因矸石堆存占地和取代黏土損毀土地66 hm2，解決就業(yè)300人，為淮南市的固廢綜合利用做出了積極貢獻(xiàn)[6-7]。

3 淮南礦區(qū)煤矸石綜合利用存在的問題

3.1 煤矸石資源化利用總體水平不高

近年來，淮南礦區(qū)煤矸石資源化利用有了較大進(jìn)展，但是煤矸石綜合利用率低、利用途徑少，產(chǎn)業(yè)層次低，沒有進(jìn)行深度研究和開發(fā)，產(chǎn)品的附加值和科技含量不高等問題仍比較突出。

目前，煤矸石利用的主要途徑仍局限于塌陷區(qū)的充填、生產(chǎn)水泥及添加物、燃燒發(fā)電、制作煤矸石磚等，品種單一，難以滿足市場多層次需求。煤矸石用于制備高附加值的產(chǎn)品技術(shù)手段和方向多處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室階段，受生產(chǎn)效益、科研資金等的影響，研究進(jìn)展和生產(chǎn)應(yīng)用推進(jìn)較慢。

3.2 未來礦區(qū)大量煤矸石難以處置消耗

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，淮南礦區(qū)巖矸的平均產(chǎn)率為12.5%；煉焦煤選煤廠洗矸平均產(chǎn)率為29%；動(dòng)力煤選煤廠洗矸平均產(chǎn)率為16%。根據(jù)礦井生產(chǎn)規(guī)劃，2019—2022年產(chǎn)煤5.62×107t，每年煤矸石產(chǎn)生量約1.60×107t。隨著煤礦市場的疲軟、洗煤技術(shù)的提高，洗選矸石發(fā)熱量大幅降低，洗矸加工銷售量大幅降低，洗矸堆存場地需求越來越大，若仍然沒有高效利用手段，未來礦區(qū)大量煤矸石難以處置消耗。

4 淮南礦區(qū)煤矸石資源化利用規(guī)劃及建議

本次調(diào)研主要對(duì)丁集、謝橋、新莊孜、張集、顧橋等煤礦的煤矸石進(jìn)行樣品采集，通過檢驗(yàn)分析，提出綜合利用的途徑，為煤矸石的綜合利用和資源化提供可靠的參考。根據(jù)淮南礦區(qū)煤矸石的物理化學(xué)指標(biāo)，對(duì)照主要綜合利用的指標(biāo)要求，從技術(shù)可行性的角度分析，擴(kuò)大資源化利用途徑。

4.1 煤矸石用于建筑材料

煤矸石磚在建筑材料中的應(yīng)用主要有以下4種類型。（1）用于生產(chǎn)墻體材料。通過黏結(jié)料與煤矸石生產(chǎn)矸石磚，是煤矸石應(yīng)用于建筑材料中的最常用的方式。該種矸石磚與傳統(tǒng)的黏土磚相比，強(qiáng)度、耐壓性、抗折性更好，同時(shí)矸石有一定的燃燒熱量可減少制磚過程中的能量損耗，利用矸石作為磚的生產(chǎn)原料也可減少土地資源的消耗。（2）作為水泥的混合材料。可減少水泥的用量，減少建筑成本，同時(shí)增加了混合材料的物理填充度和對(duì)水的吸附性。（3）筑路原料。由于煤矸石有較強(qiáng)的硬度，添加到筑路材料中可以有效提升耐壓、耐磨、抗侵蝕性能。

淮南市目前已培育了30家大宗固體廢物億元產(chǎn)值的綜合利用企業(yè)，其中新型墻體材料生產(chǎn)企業(yè)共有19家，煤電工業(yè)固體廢物綜合利用率在95%以上。未來，政府應(yīng)積極鼓勵(lì)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，進(jìn)一步加強(qiáng)固體廢物綜合利用。

4.2 煤矸石直接用于回填礦井

（1）煤矸石用于復(fù)墾綠化。根據(jù)煤矸石山種類、風(fēng)化程度的不同，采用不同治理方案，主要采取分區(qū)作業(yè)、分層排放、分層碾壓、分層覆土、復(fù)墾還田的處置工藝，用于耕地、經(jīng)濟(jì)林地、水產(chǎn)養(yǎng)殖。目前，淮南的新莊孜煤礦附近人口密集、耕地減少與人口增長矛盾嚴(yán)峻，土地的復(fù)墾對(duì)于緩解該地區(qū)人口和土地的矛盾，顯現(xiàn)了目前煤矸石利用的社會(huì)效益。通過復(fù)墾綠化增加了土地利用率，提高了礦區(qū)居民的經(jīng)濟(jì)收入和生活水平，為礦區(qū)人員提供一個(gè)良好的生態(tài)環(huán)境和舒適的生活空間。

（2）煤矸石直接用于回填采煤區(qū)。實(shí)現(xiàn)矸石不升礦井，降低生產(chǎn)成本，減少地表沉陷時(shí)間，最大化地保護(hù)地表建筑物和土地，減少煤礦開采后形成塌陷區(qū)的危害。淮南礦業(yè)集團(tuán)采用“矸石充填就地熟土覆蓋技術(shù)”分別對(duì)新莊孜礦、張集礦、潘一礦進(jìn)行復(fù)墾工程，治理總面積達(dá)76.8 hm2。該技術(shù)首先將地表50～100 cm的熟土掀起，下層填充矸石，碾壓至設(shè)計(jì)標(biāo)高，最后將熟土重新覆蓋于矸石表面。3年后進(jìn)行“覆土材料環(huán)境因素監(jiān)測”，結(jié)果顯示復(fù)墾地土壤質(zhì)量符合國家二級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 煤矸石用于發(fā)電

目前，煤矸石用于發(fā)電的工藝較為成熟。煤矸石發(fā)電以循環(huán)流化床鍋爐為主要爐型，具有一定可燃物的煤矸石可以代替常用可燃煤應(yīng)用于發(fā)電?；茨鲜凶鳛槲覈鶄€(gè)大型煤電基地之一，在煤矸石用于燃燒發(fā)電方面應(yīng)用效果良好。目前，全市大宗煤電工業(yè)固體廢物綜合利用率在85%左右，煤矸石年利用量是2 000萬噸以上，綜合利用率為100%。2020年淮南市已建設(shè)2項(xiàng)粉煤灰儲(chǔ)存及深加工一體化項(xiàng)目，5條粉煤灰作為水泥混合材料，摻和料，聚合物活性材料的生產(chǎn)線，用于燃燒發(fā)電后續(xù)處理，全面消納淮南地區(qū)發(fā)電企業(yè)粉煤灰廢渣。

4.4 制備高附加值產(chǎn)品

從表1可以看出淮南部分礦區(qū)煤矸石的化學(xué)組成豐富，以煤矸石作為原料可以提取出多種化工原料，經(jīng)過再加工可制成高附加值的產(chǎn)品。煤矸石高附加值利用方向主要有制備特種陶瓷、無機(jī)纖維保溫材料、造紙，提取有價(jià)元素（Al、Si、Fe、Ca等）制備硫酸鋁、氧化鋁、白炭黑，提取農(nóng)作物生長所需的微量元素用于制作肥料等。

4.5 產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，促進(jìn)煤矸石利用可持續(xù)發(fā)展

煤礦企業(yè)應(yīng)積極與科研院所、高校等單位合作，對(duì)煤矸石開展深入檢測分析和試驗(yàn)，論證利用煤矸石用于其他產(chǎn)品和行業(yè)的可行性，如用于農(nóng)作物生產(chǎn)：對(duì)礦區(qū)廢棄的煤矸石進(jìn)行一定的工藝處理，混合制成新的復(fù)合型種植土壤，真正將廢棄物變?yōu)榭捎梦锪?；有的煤矸石營養(yǎng)元素可滿足農(nóng)作物生長需要，且有害元素未超標(biāo)，可初步分析其制作肥料的可行性等。

5 結(jié)語

煤矸石是一種開發(fā)潛力較大的多能新資源，要強(qiáng)化源頭治理、推進(jìn)高效利用。從生產(chǎn)水泥、井下回填、鋪設(shè)道路的直接利用，到初級(jí)加工后用作建筑材料，再到矸石發(fā)電的資源化利用，如今，工藝技術(shù)、材料及裝備的快速發(fā)展給煤矸石的利用帶來了新的生機(jī)。應(yīng)該加大煤矸石綜合利用的研究力度，使煤矸石真正成為生態(tài)文明建設(shè)理念的踐行標(biāo)桿。