0 引言

煤矸石是我國積存量和年產(chǎn)生量最大、分布最廣的工業(yè)廢渣之一，據(jù)《中國資源綜合利用年度報告（2014）》中數(shù)據(jù)顯示，2013年我國煤矸石總產(chǎn)生量接近7.5億t，綜合利用量為4.8億t，占年總產(chǎn)量的64%，其中發(fā)電利用煤矸石1.5億t，占總綜合利用量的32%；用于建材產(chǎn)品生產(chǎn)利用量為5600萬t，占總綜合利用量的12%；用于土地復(fù)墾、充填礦井采空區(qū)和回填塌陷區(qū)等的煤矸石量約2.6億t，占總綜合利用量的56%。

為有效并高效地實(shí)現(xiàn)煤矸石綜合利用，目前已開發(fā)的技術(shù)先進(jìn)適應(yīng)性良好、環(huán)境—經(jīng)濟(jì)效益較好的途徑有：煤矸石的能源利用、發(fā)電利用和建材利用等。然而由于煤矸石的成分特征、堆存方式和堆積地形等因素，長期大量露天堆放的煤矸石山不僅侵占農(nóng)業(yè)耕地和破壞地表原有植被，矸石淋溶水還將污染礦區(qū)周圍土壤和地下水，而且煤矸石中FeS等物質(zhì)由于被空氣氧化，熱量不斷積累并達(dá)到燃點(diǎn)時導(dǎo)致煤矸石中易燃、可燃物自燃，期間釋放出大量的SO2、NOx、CO、CO2等有毒有害氣體極大提高了礦區(qū)周邊的生態(tài)風(fēng)險和人體健康風(fēng)險，故實(shí)現(xiàn)煤矸石的高效綜合利用成為相關(guān)研究工作者的研究方向。

1 煤矸石的特性

1.1煤矸石的組成

煤矸石是在煤炭采掘和洗選加工過程中產(chǎn)生的礦山固體廢棄物，是夾在煤層中、在成煤過程中與煤共同沉積的有機(jī)、無機(jī)化合物共同組成的含碳巖石，其主要來源為露天剝離及巷道掘進(jìn)過程產(chǎn)生的矸石（45%）、采煤和煤巷掘進(jìn)過程中排出的普矸（35%）以及煤炭洗選過程產(chǎn)生的矸石（20%）。同時煤矸石是有機(jī)質(zhì)和無機(jī)化合物組成的混合物，其化學(xué)組成主要為SiO2、C和Al2O3，除此之外還包括Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等，煤矸石的化學(xué)成分見表1。煤矸石礦物組成較為復(fù)雜，主要由高嶺土、石英、伊利石、蒙脫石、石灰石、氧化鋁等組成。

表1煤矸石化學(xué)組成%

1.2煤矸石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

煤矸石的原礦粒度較大，其中黃鐵礦主要以結(jié)核體、塊狀、粒狀等宏觀形態(tài)為主，礦物之間呈細(xì)粒浸染狀，洗矸中的黃鐵礦以塊狀、脈狀、結(jié)核狀及星散狀四種形態(tài)存在，而硅質(zhì)煤矸石的宏觀形態(tài)呈黑色隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，礦物構(gòu)造為紋層狀和塊狀。

1.3煤矸石物理性質(zhì)

煤矸石的發(fā)熱量是指單位質(zhì)量的煤矸石在一定條件下完全燃燒所能釋放出的能量，通常其發(fā)熱量隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和揮發(fā)分的增加而增加，隨灰分的增加而減小。

我國煤矸石的發(fā)熱量多在6300kJ/kg以下，熱值高于6300kJ/kg的煤矸石僅占10%左右。

煤矸石的熔融性是指煤矸石在一定條件下加熱，隨著溫度升高產(chǎn)生軟化、熔化的現(xiàn)象。我國煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍較高，因此煤矸石的灰熔點(diǎn)（在規(guī)定條件下測得的引起煤矸石變形、軟化和流動的溫度）相當(dāng)高，最低為1050℃，最高可達(dá)1800℃左右，鑒于此特性，煤矸石可用作耐火材料。另外，煤矸石還有一定的膨脹性、可塑性、收縮性，具有一定的硬度和強(qiáng)度。

1.4煤矸石的有害雜質(zhì)

煤矸石中復(fù)雜的化學(xué)組分經(jīng)不同的處理工藝和釋放機(jī)制導(dǎo)致煤矸石中的有害雜質(zhì)對周邊土壤、水環(huán)境或生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。張明亮等通過分析煤矸石樣品中重金屬的釋放、遷移活性，并利用潛在風(fēng)險評估法分析矸石山周邊潛在的生態(tài)風(fēng)險，研究發(fā)現(xiàn)煤矸石樣品中重金屬的主要形態(tài)為殘?jiān)鼞B(tài)，且不易發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，但是少量的酸溶態(tài)、結(jié)合態(tài)重金屬在受到降雨噴淋或長期處于潮濕狀態(tài)后由于遷移轉(zhuǎn)化加快從而容易造成重金屬污染。徐州市環(huán)境監(jiān)測中心站以煤礦區(qū)及煤矸石的污染特征為依據(jù)，選取16種EPA優(yōu)先控制多環(huán)芳烴（PAHs）污染物，采用高效液相色譜法對不同堆積年限的礦區(qū)煤矸石山周圍塌陷區(qū)的水體樣品進(jìn)行測試，分別分析此類水體中單個PAHs和總PAHs的分布情況及水體中PAHs不同環(huán)數(shù)的組成情況，試驗(yàn)結(jié)果顯示由于PAHs的疏水性導(dǎo)致周邊水體中ΣPAHs含量不高，而在部分水樣中測出苯并(α)芘可知監(jiān)測礦區(qū)附近水體受到PAHs一定程度的污染。

2 國內(nèi)外煤矸石資源化利用對比

2.1國外利用情況

以美國、英國為代表的西方國家煤矸石總綜合利用率突破90%。琴希托霍瓦工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院通過氮吸附法研究了天然和改性煤矸石的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而開發(fā)了煤矸石作為工業(yè)廢水預(yù)處理中的廉價吸附劑的新應(yīng)用；馬來亞大學(xué)則利用棕櫚—燃油—粉煤灰（POFA）、粉煤灰（FA）、高爐礦渣（BFS）作為粘合劑和細(xì)骨料，分別可以替代傳統(tǒng)材料。當(dāng)前國外煤矸石綜合利用的發(fā)展趨勢為：在工藝選擇上堅(jiān)持節(jié)能降耗；在產(chǎn)品性能上大力生產(chǎn)輕質(zhì)、高強(qiáng)產(chǎn)品；在建材產(chǎn)品上由傳統(tǒng)的混凝土向新型保溫墻材料轉(zhuǎn)換。

2.2國內(nèi)利用情況

我國對煤矸石的應(yīng)用范圍及比例見圖1。

圖1我國煤矸石主要利用途徑

2.2.1煤矸石發(fā)電

對含碳量高的煤矸石，即含碳量≥20%（熱值在6270～12550kJ/kg），可以直接用作流化床鍋爐的燃料用于煤矸石發(fā)電。煤矸石發(fā)電不僅解決了煤矸石堆放所帶來的環(huán)境問題，而且可以緩解我國能源緊張的局面，并且在其生產(chǎn)工藝過程中，產(chǎn)生的有害氣體、煙塵、廢棄物基本上都能夠得到有效回收，大氣污染物的排放也可控制并達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。國華寧東發(fā)電公司現(xiàn)已建成并投產(chǎn)使用的一期工程2×330MW機(jī)組以煤礦廢棄的劣質(zhì)煤和煤矸石作為發(fā)電主要染料，該發(fā)電公司設(shè)計(jì)每年使用燃煤287萬t，其中煤矸石占51.2%，其生產(chǎn)用水采用周邊礦井水且采用空冷技術(shù)，符合國家資源綜合利用產(chǎn)業(yè)政策，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)固體廢物零排放、循環(huán)利用和資源化綜合利用。

2.2.2煤矸石建材

（1）節(jié)能墻體材料的開發(fā)利用。我國早在20世紀(jì)80年代通過引進(jìn)國外破碎、擠出、焙燒技術(shù)很快完善并提高了我國在利用煤矸石生產(chǎn)燒結(jié)墻體材料方面的技術(shù)。在燒結(jié)新型墻體材料中，作為節(jié)能型綠色產(chǎn)品的煤矸石燒結(jié)自保溫砌塊性能能夠滿足國家建筑節(jié)能65%的要求。節(jié)能墻體材料的利用減少了建筑單位的各種設(shè)計(jì)、砌筑、配套等相關(guān)費(fèi)用并能免去使用過程中的維護(hù)費(fèi)用，更由于墻體輕質(zhì)的特點(diǎn)節(jié)省了大量的基礎(chǔ)建材費(fèi)用，是一種節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的綠色建材產(chǎn)品。

（2）煤矸石生產(chǎn)陶粒輕骨料。陶粒輕骨料由于其輕質(zhì)、保溫、高強(qiáng)、附加值高的特點(diǎn)，能夠替代普通混凝土中的粗骨料，且符合高層建筑輕質(zhì)、高強(qiáng)的發(fā)展方向。含碳量低于13%的煤矸石適宜作為生產(chǎn)輕骨料原料。內(nèi)蒙古科技大學(xué)利用包頭地區(qū)堆積密度較大的粉煤灰陶粒、礦粉、粉煤灰等原材料，通過正交試驗(yàn)的方法研制出導(dǎo)熱和抗凍性能良好的LC40結(jié)構(gòu)粉煤灰陶粒輕骨料混凝土。

（3）煤矸石生產(chǎn)水泥。我國在煤矸石生產(chǎn)水泥及水泥混合材方面的應(yīng)用較早，但由于難以突破實(shí)際生產(chǎn)過程中的技術(shù)瓶頸，從而抑制了煤矸石制水泥的發(fā)展。

近年來，我國在煤矸石生產(chǎn)水泥的技術(shù)開發(fā)上取得了重大突破。裘國華通過對煤矸石、尾礦以及石灰石的研磨試驗(yàn)、物化性質(zhì)及熱解分析，并建立相關(guān)動力學(xué)模型，得出煤矸石—尾礦—低品石灰石代替黏土煅燒水泥技術(shù)節(jié)能效果顯著的結(jié)論。

2.2.3生產(chǎn)化工產(chǎn)品

采煤和巷道掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)煤矸石含大量礦物元素且回收利用價值高。煤矸石中主要的礦物成分為SiO2、Al2O3，另外還含有數(shù)量不等的Fe2O3、FeS2、Mn、P、K及微量稀有元素（Ga、V、Ti、Co）等，可分別制備鋁系、硅系、炭系化工產(chǎn)品、制取鈦白粉及提取鎵。高鋁煤矸石（Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥35%）可通過加以一定的外界能量以破壞其原有的結(jié)晶相，從而制備成本、能耗低和副產(chǎn)品價值高的鋁系產(chǎn)品。以煤矸石為原料，利用溶劑萃取法、萃淋樹脂法、液膜法等提取出來的金屬鎵主要用于半導(dǎo)體工業(yè)，以鎵化合物為基礎(chǔ)的產(chǎn)品用于電子技術(shù)較硅、鍺具有更大的優(yōu)點(diǎn)。有效回收煤矸石中的SiO2成分可生產(chǎn)白炭黑（SiO2˙nH2O）、SiC等硅系化工產(chǎn)品。含F(xiàn)eS2的煤矸石由于自身氧化產(chǎn)生的SO2雖是大氣環(huán)境的主要污染物，但硫鐵礦是化學(xué)工業(yè)制備硫酸的重要原料，從煤矸石中回收硫鐵礦具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

2.2.4改良土壤

礦區(qū)可利用暫時不能加工利用的巖石及自燃矸石充填塌陷區(qū)或復(fù)墾，這對礦區(qū)固體廢物的有效治理、生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)可起到一定的作用。目前利用微生物改善煤矸石理化性狀的生物復(fù)墾技術(shù)成為礦區(qū)土地復(fù)墾的熱點(diǎn)技術(shù)，其中中國礦業(yè)大學(xué)（北京）的畢銀麗教授開發(fā)的利用煤矸石中的有效基質(zhì)培養(yǎng)叢枝菌根真菌從而用于煤礦區(qū)復(fù)墾區(qū)土壤修復(fù)的技術(shù)，開創(chuàng)了煤矸石用于改良土壤的新技術(shù)體系。畢銀麗教授等在寧夏大武口洗煤廠矸石山（作為生長基質(zhì)）混合種植接種和不接種叢枝菌根真菌劑的白蠟幼苗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明接種菌根真菌13個月后能夠有效提高植被成活率（15%），促進(jìn)植株生長（接種植物蓋度高于對照9%）和侵染率（高達(dá)90%以上），且菌絲長度較對照伸長1.4倍，擴(kuò)大了根系的范圍，該研究極大促進(jìn)了煤矸石的資源化利用和矸石山周邊的生態(tài)恢復(fù)，為煤矸石綜合利用指明了新的研究和發(fā)展方向。

2.2.5煤矸石的高附加值利用

近年來，為了突破傳統(tǒng)的煤矸石資源化利用技術(shù)體系，國內(nèi)研究學(xué)者將研究方向轉(zhuǎn)向煤矸石的高附加值利用且技術(shù)開發(fā)效果顯著。如昆明理工大學(xué)結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)提出采用高濃度酸-微波加熱法提取煤矸石中的高純度硅，再加入Na2SO4制備水玻璃，有效實(shí)現(xiàn)了煤矸石的高附加值利用。遼寧工程技術(shù)大學(xué)的李彩霞等利用煤矸石中的硅酸鹽成分，將經(jīng)化學(xué)改性后的煤矸石制成橡膠補(bǔ)強(qiáng)材料，在產(chǎn)品性能、節(jié)能環(huán)保方面均領(lǐng)先炭黑。神華烏海能源有限公司開發(fā)出了煤矸石—脫硫石膏—石灰—水泥（發(fā)氣劑為鋁粉）生產(chǎn)泡沫混凝土，充分利用了煤矸石的高附加值。綜上，我國煤矸石綜合利用途徑多樣，具體工業(yè)化選擇途徑見表2。

表2煤矸石工業(yè)利用途徑

3 當(dāng)前煤矸石資源化問題現(xiàn)狀

（1）煤矸石資源化利用的整體水平較低。國內(nèi)煤矸石綜合利用技術(shù)開發(fā)較為緩慢且裝備設(shè)施與國際水平相比較為落后，致使煤矸石新增量遠(yuǎn)超于綜合利用量。

目前我國煤矸石綜合利用主要有傾倒、利用煤矸石發(fā)電、回填與復(fù)墾及建材，產(chǎn)業(yè)模式單一、規(guī)模較小，且由于技術(shù)的局限性會產(chǎn)生大量廢液、廢渣，環(huán)境—經(jīng)濟(jì)效益較低。

（2）礦山企業(yè)環(huán)保思想不夠解放。由于企業(yè)環(huán)保意識不強(qiáng)且受綜合利用成本的約束，煤矸石成為我國堆存量最大、占用土地最多的工業(yè)固體廢棄物，進(jìn)而導(dǎo)致煤矸石資源化利用在我國發(fā)展緩慢。

（3）相關(guān)法律法規(guī)及指標(biāo)體系不夠完善。由于礦山企業(yè)追求經(jīng)濟(jì)效益、相關(guān)法律法規(guī)不夠健全，導(dǎo)致煤矸石亂排放、環(huán)境污染等一系列問題突出，很大程度上造成了資源浪費(fèi)。

4 建議與展望

（1）依靠科技創(chuàng)新，大力開發(fā)創(chuàng)新煤矸石新的用途。大力支持技術(shù)開發(fā)階段的自主創(chuàng)新，鼓勵并扶持相關(guān)企業(yè)、機(jī)構(gòu)及高校在煤矸石資源化利用方面的技術(shù)研發(fā)，從而帶動煤矸石綜合利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

（2）礦山企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步解放思想、政府應(yīng)給予相關(guān)的扶持。礦山企業(yè)要勇于打破“先污染后治理”的傳統(tǒng)觀念，多方面籌集資金，政府也應(yīng)給予其資金支持，共同實(shí)現(xiàn)煤矸石資源化利用的企業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。

（3）建立健全相關(guān)法律法規(guī)、制定煤矸石排放標(biāo)準(zhǔn)體系。規(guī)范企業(yè)對煤矸石的利用、對礦山環(huán)境的修復(fù)和治理，為促進(jìn)煤矸石的資源化有效利用和全面改善礦山環(huán)境提供有力的法律保障。