煤矸石綜合利用與礦山生態(tài)修復(fù)的戰(zhàn)略思考

來源《CE碳科技》微信公眾號

作者中城環(huán)境 范曉平、劉京、康哲、董學(xué)光

中城環(huán)境第二事業(yè)部礦山修復(fù)團(tuán)隊(duì)由范曉平、劉京、康哲、董學(xué)光等一批環(huán)保固廢領(lǐng)域優(yōu)秀人才組成。曾先后參與國內(nèi)多項(xiàng)固廢填埋場規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)編制、新建、綜合治理、封場及礦山生態(tài)修復(fù)等相關(guān)咨詢、設(shè)計(jì)、研究工作。

煤炭是世界上重要的化石能源，在我國能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位。煤基固體廢物是煤炭資源在開采、加工、燃燒、轉(zhuǎn)化等過程中產(chǎn)生的附屬產(chǎn)物，主要包括煤矸石、粉煤灰、鍋爐渣、脫硫石膏、煤氣化灰渣和煤液化殘?jiān)?。其中煤矸石年產(chǎn)生量達(dá)7.43×108t、粉煤灰年排放量達(dá)5.80×108t，兩種固體廢物產(chǎn)生量占煤基固廢總產(chǎn)生量的85%以上。煤矸石堆置占用大量土地，造成土地資源浪費(fèi)，使得礦區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞，極易引起地表塌陷、裂縫、下沉等地質(zhì)災(zāi)害問題。嚴(yán)重時會造成礦區(qū)生態(tài)環(huán)境失衡，增加礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的難度。

煤矸石是采煤和洗煤過程所排出的固體廢物，其理化性質(zhì)主要取決于煤的原生狀態(tài)。本研究選取煤矸石為主要研究對象，基于煤矸石的來源、分類及理化性質(zhì)，分析我國煤矸石的排放現(xiàn)狀和綜合利用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上闡述煤矸石在礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用，同時分析我國煤矸石綜合利用存在的問題，并對未來發(fā)展方向提出建議，旨在為我國煤矸石產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展提供借鑒。

一、我國煤矸石的性質(zhì)及排放現(xiàn)狀

1. 我國煤炭產(chǎn)量概況

我國煤炭資源儲量十分豐富，近十年來，我國的煤炭產(chǎn)量一直占全球煤炭總產(chǎn)量的40%以上，如圖1所示。2021年，全球煤炭總產(chǎn)量達(dá)到8.173×109t，主要集中在中國、印度、印尼、美國等國家。如圖2所示，其中，我國的煤炭產(chǎn)量達(dá)到4.126×109t，約占全球總產(chǎn)量的50.5%。隨著我國能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)日趨低碳化。2021年我國的煤炭消費(fèi)量占一次能源消費(fèi)總量的比例已降至56.0%，但在未來一段時期內(nèi)，煤炭仍是我國最主要的一次性能源。

圖1 2011—2021 年我國煤炭生產(chǎn)及消費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖2 2021 年全球主要產(chǎn)煤國家煤炭產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2. 煤矸石來源和分類

煤矸石產(chǎn)量約占原煤產(chǎn)量的10%~15%，其主要來源有3種

（1）露天開采剝離及巷道掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)矸石；

（2）采掘過程中從頂板、底板及夾層里采出的矸石；

（3）洗煤過程中挑出的洗矸石。

三者所占比例分別為45%、35%和20%。根據(jù)煤矸石的來源、性狀、化學(xué)成分、礦物成分及其理化特性，可對煤矸石的類型進(jìn)行劃分，具體分類方法如表1所示。

表1 煤矸石分類方法

3. 煤矸石的理化性質(zhì)

煤矸石是由碳質(zhì)頁巖、泥巖、砂巖及煤炭等物質(zhì)組成的黑灰色沉積巖，具有含碳量低、比煤硬、干基灰分大于50%的特點(diǎn)，顆粒密度為2100～2900kg/m3。煤矸石存在于不同地質(zhì)時期的煤田當(dāng)中，其礦物結(jié)晶和化學(xué)成分組成與煤層的原始物質(zhì)和變質(zhì)程度有關(guān)。

煤矸石的主要成分為Al2O3、SiO2，此外還含有數(shù)量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素（鎵、釩、鈦、鈷）。煤矸石中的晶體礦物有高嶺石、石英、伊利石、綠泥石、白云母、長石、黃鐵礦等。煤矸石中還包含一定量的非晶相物質(zhì)，主要是水分、碳質(zhì)、風(fēng)化物等。煤矸石中的礦巖主要包括黏土巖類、砂巖類、礫巖類、碳酸巖類、石灰?guī)r類和鋁質(zhì)巖類等沉積巖。

4. 煤矸石的排放現(xiàn)狀

煤矸石占我國煤炭生產(chǎn)總量的15%~20%，由于其熱值低、利用難度大，常被露天堆放在礦區(qū)周圍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年煤矸石產(chǎn)生量約為7.43×108t，同比增長5.84%。從煤炭的需求量和產(chǎn)量的預(yù)測來看，2025年我國煤矸石的年產(chǎn)生量將達(dá)到約8×108t。

煤矸石山不僅占用大量土地，還會污染大氣、水體和土壤，是煤礦區(qū)最主要的污染源。矸石山自燃產(chǎn)生的SO2、NOx等有毒有害氣體會對礦區(qū)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染；在雨水淋溶和滲濾等作用下，煤矸石產(chǎn)生的有毒有害元素將會對土壤和地下水造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

我國煤矸石區(qū)域分布不均衡，主要集中在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的中西部地區(qū)，煤矸石產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯后。特別是山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆和貴州等產(chǎn)煤大的省份（圖3），其煤矸石產(chǎn)生量占全國總產(chǎn)生量的78.74%，煤矸石已成為城市發(fā)展的“頑疾”。在資源短缺的東部地區(qū)，煤矸石產(chǎn)生量較少，但綜合利用率高，技術(shù)發(fā)展快，煤矸石常被用來生產(chǎn)水泥、磚瓦等建筑材料，然而若將煤矸石運(yùn)至東部地區(qū)，運(yùn)輸成本過高，經(jīng)濟(jì)價值較低。

圖3 2021年我國各地區(qū)煤矸石產(chǎn)生量數(shù)據(jù)

二、煤矸石的綜合利用現(xiàn)狀分析

20世紀(jì)60年代我國開始對煤矸石的綜合利用進(jìn)行探索與實(shí)踐。初期，煤矸石利用技術(shù)發(fā)展較慢，主要以地面筑基、制磚為主。1985年，其綜合利用率僅為25%。1995—2005年間呈快速增長趨勢。2005年后呈小幅增長趨勢且綜合利用率均在60%以上，如圖4所示。煤矸石綜合利用量已由1990年的2.60×107t增至2021年的5.43×108t，處理能力增長約20倍。

圖4 1990—2021 年我國煤矸石產(chǎn)生量及綜合利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

國家相關(guān)部門出臺了《煤矸石綜合利用管理辦法（2014年修訂版）》《資源綜合利用電廠（機(jī)組）認(rèn)定管理辦法》《煤矸石綜合利用技術(shù)政策要點(diǎn)》等，通過采取政策鼓勵、技術(shù)示范和典型引導(dǎo)等措施，推動煤矸石綜合利用迅速發(fā)展。煤矸石綜合利用途徑如圖5所示，主要以生態(tài)修復(fù)為主，技術(shù)水平較低。而高技術(shù)含量、高價值的煤矸石發(fā)電、建筑材料利用、化工產(chǎn)品、有價元素提取方面不足50%，資源化利用率依然較低，有待進(jìn)一步研究。

圖5 煤矸石綜合利用途徑

三、礦區(qū)煤矸石生態(tài)修復(fù)技術(shù)

1. 充填開采技術(shù)

井工開采過程中會形成地下采空區(qū)，造成地表移動和變形，形成大規(guī)模的采煤沉陷區(qū)，對礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。采空區(qū)以往采取頂板自由垮落管理方式，地下空間并未得到有效利用。將煤矸石作為充填材料用于地下采空區(qū)回填，可防止地面沉降塌陷與開裂，減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

煤矸石充填開采技術(shù)主要分為3種類型固體充填、膏體充填、漿體充填。固體充填技術(shù)是將井下巖巷掘進(jìn)產(chǎn)生的矸石，直接利用矸石拋矸機(jī)充填巷道，巷道充填系統(tǒng)簡單，減輕副井提升壓力。膏體充填和漿體充填技術(shù)是將煤矸石破碎研磨處理后，用煤矸石粉等細(xì)粒材料進(jìn)行膠結(jié)制備成充填膏體或料漿填充采空區(qū)。

張吉雄等通過井下煤矸分選技術(shù)、多源固體充填材料、“采選充留”多工序協(xié)同智能控制等模塊，形成了煤矸石井下分選協(xié)同原位充填開采模式，技術(shù)原理如圖6所示。王瑩瑩等利用煤矸石與礦渣、石膏等為基礎(chǔ)研制了似膏體充填膠凝材料。韓宇峰等利用破碎煤矸石替代水泥制備出水泥-煤矸石充填漿體。崔增娣等發(fā)現(xiàn)煤矸石凝石似膏體充填材料具有良好的力學(xué)特性和耐受能力，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。煤矸石充填開采技術(shù)有效地解決了礦區(qū)地面塌陷的問題，可實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)有序恢復(fù)。

圖6 煤矸石井下分選協(xié)同原位充填開采模式

北京中煤采用煤矸石膏體充填技術(shù)，成功地在同忻、東周窯、馬道頭、北辛窯4個煤礦礦井完成了地下采空區(qū)固體廢物充填的工業(yè)性試驗(yàn)，同時針對不同采空區(qū)的賦存特征，選用煤矸石膏體、料漿、漿液等多種流體形態(tài)進(jìn)行井下充填，其中同忻煤礦單個鉆孔煤矸石最大回填量達(dá)7000t，形成了良好的煤矸石返井充填示范效應(yīng)，建立起探-鉆-注-充完整的技術(shù)與裝備體系，為煤矸石充填開采項(xiàng)目提供了良好的技術(shù)支撐。

2. 塌陷區(qū)回填技術(shù)

塌陷區(qū)是礦山開采活動結(jié)束后產(chǎn)生的遺留地，其數(shù)量、規(guī)模都在日益增加，塌陷區(qū)造成的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害給礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境和人民生活造成嚴(yán)重危害。利用煤矸石回填塌陷區(qū)，不僅變塌陷區(qū)為可復(fù)墾土地，還可以節(jié)約用地，減少環(huán)境污染。

陳旗寶日希勒礦由于無序開采產(chǎn)生的“草原天坑”利用塌陷區(qū)回填技術(shù)被完全修復(fù)，治理前后效果如圖7所示。采用“土壤剝離、交錯回填、灌漿防滲”等技術(shù)，高質(zhì)量地完成了煤矸石回填塌陷區(qū)復(fù)墾造地工程。

煤矸石回填塌陷區(qū)對周圍土壤環(huán)境和水環(huán)境的影響較小，符合規(guī)范要求，且煤矸石經(jīng)過分層回填、多次振壓后，其承載能力要遠(yuǎn)高于天然土地。塌陷區(qū)回填技術(shù)簡單且成本較低，我國煤矸石用于回填塌陷區(qū)占其綜合利用總產(chǎn)量的15%左右，處置利用量大。塌陷區(qū)回填不僅實(shí)現(xiàn)了煤矸石的綜合利用，也是礦山生態(tài)修復(fù)的有效途徑之一。

圖7 寶日希勒塌陷區(qū)治理前后對比

在煤矸石于塌陷區(qū)回填的應(yīng)用中，海拉爾謝爾塔拉一般工業(yè)固體廢物處置項(xiàng)目是將煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏作為填充材料回填露天礦坑，該項(xiàng)目每年可處置煤矸石1.0×106t，不僅解決大量礦山固體廢物的消納問題，也解決了廢棄礦坑生態(tài)恢復(fù)所需充填材料的來源問題，拓寬了煤矸石綜合利用處置渠道，推動礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理。

3. 土地復(fù)墾修復(fù)技術(shù)

礦山生態(tài)修復(fù)已成為我國環(huán)境保護(hù)工作中的一個重要方向。煤矸石壓占和毀壞的土地，通?？刹扇⊥仆翙C(jī)回填壓實(shí)、表層覆土的方式進(jìn)行復(fù)墾。一般用于復(fù)墾的煤矸石以砂巖、石灰?guī)r為主。對于表層已風(fēng)化成土的煤矸石無需覆土，可直接進(jìn)行植樹或開墾為農(nóng)田。土地復(fù)墾修復(fù)是煤矸石最簡單直接的治理方式之一，能夠有效解決煤矸石自燃、土地閑置等問題，使矸石山“由黑變綠，變廢為寶”。

于亞軍等和龐碧琳等研究發(fā)現(xiàn)煤矸石復(fù)墾地的土壤質(zhì)量未達(dá)到普通農(nóng)田水平；徐良驥等研究了煤矸石復(fù)墾地的重金屬分布特征，發(fā)現(xiàn)煤矸石中的重金屬有向上遷移的趨勢，但當(dāng)覆土厚度為70~80cm時，土壤質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

改善礦區(qū)土壤理化性質(zhì)是恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因素之一。煤矸石是一種較好的土壤改良劑，它含有植物生長所需的營養(yǎng)成分和多種微量元素，如有機(jī)質(zhì)、B、Mn、Cu、Co、Zn等，可以調(diào)節(jié)土壤環(huán)境不平衡狀態(tài)，同時提高土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤的保水能力，減少水分蒸發(fā)，促進(jìn)植物生長。

Blagodatskaya等發(fā)現(xiàn)在土壤中加入煤矸石可以提高土壤中微生物活性和生物量，改善土壤微環(huán)境，促進(jìn)植物生長。焦赫等發(fā)現(xiàn)煤矸石充填復(fù)墾后會改善土壤的理化性質(zhì)，且土壤表層的優(yōu)勢菌相對豐度較高；王順等研究了煤矸石對重構(gòu)土壤水分分布的影響，發(fā)現(xiàn)煤矸石具有良好的阻水性能，可提升土壤的持水能力。

綜上所述，煤矸石憑借其理化性質(zhì)在礦區(qū)土壤改良中起到了重要的作用，但其也會造成一定的污染風(fēng)險，例如重金屬污染問題，所以要科學(xué)合理地發(fā)揮煤矸石在礦區(qū)土地復(fù)墾修復(fù)中的作用。

西銘礦溝西灣矸石山治理將滅火防復(fù)燃、山體整形和生態(tài)系統(tǒng)重建3個環(huán)節(jié)作為一個有機(jī)整體，治理前后對比如圖8所示。矸石山平臺以山楂樹、棗樹、核桃樹、梨樹等經(jīng)濟(jì)林為主，坡面以草灌為主、喬木為輔，形成了具有當(dāng)?shù)靥厣募糜?、采摘、運(yùn)動為一體的綜合生態(tài)園區(qū)，使矸石山完成了“從火焰山”到“綠水青山”的轉(zhuǎn)變。

圖8 西銘礦溝西灣矸石山治理前后對比

4. 煤矸石地面筑基技術(shù)

煤矸石可以單獨(dú)代替灰土或與黏性土、粉煤灰、熟石灰等混合使用，用作公路路基或底基層的筑基填料。煤矸石在筑基施工后，會發(fā)生吸水、膨脹、解理等多種作用，從而使其發(fā)生變形，煤矸石中殘留煤的自燃、有機(jī)質(zhì)灰化或分解及軟巖泥化等都會對其性能產(chǎn)生較大的影響，所以如何保證煤矸石在工程應(yīng)用中的穩(wěn)定性是研究的熱點(diǎn)。

胡建勇通過去除煤矸石中的殘留煤和黃鐵礦，減少煤矸石路段自燃現(xiàn)象的發(fā)生。賀建清等發(fā)現(xiàn)將煤矸石和黏土按照一定比例混合，不僅會改善煤矸石的隔水效果，還會增加其壓縮模量、加州承載比（CaliforniaBearingRatio，CBR）值和抗剪強(qiáng)度。馮新軍等發(fā)現(xiàn)煤矸石粉能夠顯著提高瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性，改善其感溫性，提高與瀝青的黏結(jié)力。

煤矸石用于地面筑基時，其中的重金屬和硫化物污染并未得到很好處置。各地區(qū)煤矸石成分差異較大，目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范，所以對于煤矸石的地面筑基處置，仍需進(jìn)一步探索。

邯鄲市陶一礦將煤矸石作為青蘭高速公路邯涉段6.6km的路基填筑材料，填方量達(dá)到6.85×105m3，使陶一礦的矸石山比原來減少了1/3。邢汾高速邢臺至冀晉界路段83.37km使用煤矸石進(jìn)行地面筑基，填方量約1.70×106m3。利用煤矸石作為地面路基填筑材料，既解決了煤矸石污染環(huán)境的問題，又節(jié)約了當(dāng)?shù)叵∪钡耐寥蕾Y源，降低了工程成本，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

四、煤矸石綜合利用存在的問題與展望

我國在煤矸石綜合利用方面雖然取得了顯著成就，但還存在以下幾個方面的問題，可根據(jù)具體問題重點(diǎn)開展研究

（1）我國煤矸石堆存量巨大，雖然綜合利用途徑較多，但由于處置技術(shù)水平限制，資源化利用率偏低，應(yīng)加強(qiáng)對煤矸石資源化利用技術(shù)的研究。

（2）我國煤矸石空間分布不均衡且成分差異較大?？筛鶕?jù)區(qū)域特點(diǎn)，對當(dāng)?shù)孛喉肥睦砘匦赃M(jìn)行全面分析，建立起我國煤矸石的分布規(guī)律與理化特性之間的關(guān)系，深化研究不同類型的煤矸石綜合利用模式，為不同地區(qū)煤矸石綜合利用模式選擇提供理論依據(jù)。

（3）充填開采技術(shù)研究日益成熟，但實(shí)際利用率低。我國在充填開采方面取得了一定的成就，但由于充填開采成本高、效率低，降低了礦山企業(yè)的積極性，實(shí)際應(yīng)用案例較少，該技術(shù)主要還停留在理論建設(shè)和實(shí)驗(yàn)室研究方面。應(yīng)加強(qiáng)充填開采技術(shù)水平的研究，致力于解決填充材料、成本、效率的難題，同時政府應(yīng)在政策、稅收、專項(xiàng)資金等方面對礦山企業(yè)給予更多支持，為充填開采技術(shù)的研究與推廣提供基礎(chǔ)。

（4）探索煤矸石綜合利用新模式。礦山煤矸石生態(tài)修復(fù)技術(shù)雖然在一定程度上緩解了煤矸石的處置問題，但未能充分利用煤矸石中的隱藏價值。應(yīng)加強(qiáng)煤矸石生態(tài)修復(fù)技術(shù)與資源化利用技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，形成集“充填開采、塌陷區(qū)回填、土地復(fù)墾修復(fù)、地面筑基”的生態(tài)修復(fù)途徑和“煤矸石發(fā)電、建筑材料、化工產(chǎn)品、有價元素提取”等資源化利用途徑相結(jié)合的多層次綜合開發(fā)利用全產(chǎn)業(yè)鏈模式。

在煤炭行業(yè)推廣煤矸石井下原位充填技術(shù)，切實(shí)從源頭實(shí)現(xiàn)煤矸石減量化，爭取做到煤矸石不出井；同時建立“梯級回收+資源化利用”體系，對于高價值的煤矸石類型，大力推進(jìn)利用煤矸石發(fā)電和生產(chǎn)新型綠色建筑材料，在風(fēng)險可控的前提下深入推動化工領(lǐng)域應(yīng)用和有價組分提取，充分發(fā)揮煤矸石的利用價值。對于未能資源化利用的煤矸石，實(shí)行土地復(fù)墾、塌陷區(qū)回填進(jìn)行生態(tài)修復(fù)與封存保護(hù)，就地消納。實(shí)現(xiàn)煤矸石分類管理、源頭減量、資源化利用、生態(tài)修復(fù)相結(jié)合的綜合處置，提高綜合利用水平。

五、結(jié)束語

煤矸石治理是礦山生態(tài)修復(fù)的重要組成部分，目前，我國煤矸石資源化利用率低，技術(shù)難度大，難以滿足國家生態(tài)文明建設(shè)及“雙碳”目標(biāo)的戰(zhàn)略需求，因此必須探索礦山煤矸石的綜合利用新思路和技術(shù)。本研究提出的多層次綜合開發(fā)利用的全產(chǎn)業(yè)鏈模式，可促使煤矸石變廢為寶，得到高效利用，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得以恢復(fù)，再造綠水青山的生態(tài)景觀，為礦區(qū)煤矸石的綜合高效利用探索出一條可行的新途徑。

更多環(huán)保固廢領(lǐng)域優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，歡迎關(guān)注《CE碳科技》微信公眾號。

原文標(biāo)題:煤矸石綜合利用與礦山生態(tài)修復(fù)的戰(zhàn)略思考