摘要：煤矸石是在煤矿巷道掘进、煤炭开采和洗选过程中产生的伴生矿物。因其未能得到有效利用，常露天堆放于煤矿工业场地周边。大量的煤矸石露天堆放不仅占用土地资源，而且会通过雨水淋溶、自燃等方式对周边生态环境造成污染。对贵州省不同区域煤矸石的组成成分进行调查，针对煤矸石性质浅析了煤矸石发电、提取元素、生产建材和生态修复等综合利用途径的可行性，并提出建议，对促进贵州省煤矸石综合利用、实现煤炭行业绿色高质量发展具有重要意义。

　　关键词：煤矸石性质；分级分质；综合利用；高质量发展

　　0引言

　　煤矸石是煤炭开采或加工过程中产生的一种低碳岩石，约占原煤的10％～20％。煤矸石的产量随着煤炭开采量增加而增加，到目前为止，总量已超过70亿t，是我国数量最大的工业固体废物。煤矸石的传统处理方式有沟谷堆积、原位生态修复和道路材料填充等，这些方式会导致环境被严重破坏。例如，沟谷堆积造成大面积森林被破坏、水土流失，经雨水淋溶后甚至会造成地下水、地表水污染。为了促进煤矸石综合利用，2014年，国家发改委修订了《煤矸石综合利用管理办法》，针对煤矸石采取土地复垦、矸石发电、井下填充、生产建材和回收矿产品等因地制宜方式进行综合利用。目前，煤矸石综合利用率仅有60％，导致煤矸石综合利用率低的原因主要有两个方面，一是由于煤矸石种类的复杂性和多样性，不同类型、不同区域的煤矸石成分差异较大，难以用同一方法批量化应用。二是煤矸石的分子稳定性高，化学活性低，提取有价值材料工艺复杂，成本高。因此，为了提高煤矸石的综合利用率，须开发低成本、高效率、绿色、低碳环保的煤矸石综合利用技术。实现减污降碳、资源回收的双重目标，是贵州省煤矸石综合利用亟需解决的难点。

　　以贵州省煤矸石为例，根据其理化性质组成全面论述适合本地煤矸石综合利用的途径。探索制约煤矸石综合利用过程中的关键因素，并提出相应的优化建议，为贵州省煤炭行业煤矸石高效利用，减少资源浪费，实现煤炭企业绿色高质量发展提供理论支撑。

　　1煤矸石的由来及危害

　　随着我国经济的高速发展，对能源的需求不断增加，煤炭作为目前最重要的能源材料之一，备受重视。据统计，我国每年约有70％的电能是来自火力发电厂，煤炭就是火力发电的主要能源。而煤炭的开采、运输和加工会造成各种生态环境问题，通常包括土壤污染、水污染、空气污染、植被破坏、地表塌陷和地质灾害等。煤矸石作为煤炭开采过程中的伴生矿物，因含碳量低、灰分高，难以被直接利用，常常被作为工业固体废物露天堆存。随着煤炭开采量不断增大，煤矸石存量也在逐年上升，大量煤矸石露天堆存对环境造成了严重的破坏。

　　1.1煤矸石自燃风险

　　贵州省大部分煤矸石以露天堆存方式存在。低温下，矸石内部的碳和硫会缓慢氧化、放热。当热量积累到一定程度，就会引起煤矸石自燃。大面积的煤矸石自燃会引起森林火灾和空气污染，即使在沟壑中，这种污染也相当严重。2018年，荫营煤矿煤矸石堆自燃，表层温度升高，造成植被大面积死亡。为了防止煤矸石山自燃，通常采用封闭方法对矸石山进行处理，通过封闭矸石堆中的孔隙和裂隙，防止氧气渗入内部，从而阻止煤矸石氧化发热自燃。这样一来，增加了煤矸石堆场的处理成本。2013年，山西省阳泉市某煤矿就花费约3 000万元治理煤矸石堆自燃。煤矸石堆场存在很大的自燃风险，而且难以从根本上解决煤矸石堆自燃的问题。

　　1.2煤矸石堆场环境破坏

　　煤矸石热值低，利用困难，一般露天堆放，倾倒在矿区周边地表，容易造成土壤、地下水等环境污染，如图1所示。裸露的煤矸石长期暴露在太阳下，使得内部热量不断积累，释放出有害气体，污染空气质量，如释放出二氧化碳、甲烷等温室气体，加剧全球气候变化。释放出硫和氮等化合物，在空气中与自由基和水发生作用生成酸，随雨水降落，会对植物、建筑造成损坏。此外，煤矸石中含有各种污染物（重金属、硫化物和氮化物等），经过雨水冲刷被释放到地表水和地下水中，引起水体污染。这些有害物质会在水体土壤中积累，通过生态系统最终进入人体中，从而造成潜在危害。

　　2贵州省煤矸石成分组成

　　对贵州省8个煤矿的煤矸石进行调查，其化学成分如表1所示。研究发现，煤矸石成分复杂，且不同地区的组成略有差异。其中，A、B、C和D煤矿来自六盘水地区，E煤矿来自毕节地区，F煤矿来自贵阳地区，G煤矿来自铜仁地区，H煤矿来自黔西南地区。从表1中可以看出，煤矸石主要成分为二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）和三氧化二铁（Fe2O3）。SiO2在所有煤矿煤矸石中含量均是最高的，在C煤矿煤矸石中的质量分数达到54.59％。SiO2是一种普通的无机化合物，在工业、电子、化妆品、医药、食品和环境保护等多个领域具有重要的应用价值。例如，玻璃、耐火材料、光纤、防晒霜、牙膏、防结块剂、吸湿剂和水处理剂等。Al2O3在煤矿中含量为11.57％～38.27％，含量位居第二。Al2O3在航空航天、电子、化工、催化剂医药生物技术和环境保护等领域应用广泛。

　　煤矸石工业成分组成如表2所示，煤矸石工业组分中灰分（Ad）质量分数是最高的，在B煤矿中最低，为69.49％，在G煤矿中最高，为88.34％。本研究中煤矸石热值均低于5.5 MJ/kg，属于矸石。从表2可以发现，发热量（Qgr，d）随着固定碳（FC，ad）质量分数的增加而增加，其中E煤矿和F煤矿中的Qgr，d较高，对应的w（FC，ad）含量也较高。此外，全硫量也是决定煤矸石综合利用的重要指标，如含硫量过高，在利用时需要进行脱硫处理。本研究中煤矸石含硫量除了在贵阳和铜仁地区较高之外，其他地区的全硫含量均低于1％。

　　3贵州省煤矸石利用途径

　　3.1煤矸石发电

　　尽管煤矸石中灰分含量高，但煤矸石仍可以用来燃烧发电和取暖，替代部分煤炭，缓解煤炭资源短缺问题。煤矸石发电采用的技术为循环流化床，因灰分含量高，燃烧不充分，易造成设备损坏。此外，运输距离和方式也是煤矸石发电的重要因素，距离越远，运输成本越高。根据贵州省质量技术监督局颁布的DB52/T 779—2012《煤及煤矸石、矸石的划分方法》，煤及煤矸石、矸石的发热量划分如表3所示。本研究区域煤矸石发热量均低于5.5 MJ/kg，属于矸石类，且硫含量较低，是可以被加工利用的。煤矸石化学成分复杂，主要由SiO2、Al2O3和Fe2O3组成，矸石发电需要将不具有热值的部分去除，筛选出具有高发热量的煤矸石。因此，贵州省矸石发电是可行的，在矿区中心建立矸石发电厂，不仅能解决煤矸石堆存问题，还能带来一定的经济效益。

　　3.2煤矸石元素提取

　　煤矸石具有危害和资源的双重属性。随着资源节约和生态可持续发展意识的增强，煤矸石的高值化利用引起了人们的广泛关注。贵州省煤矸石主要由硅铝酸盐和有机碳组成，铝质量分数为11.57％～38.27%,相当于低品位铝土矿。我国铝土矿资源相对匮乏，每年有超过50％的资源来自进口。煤矸石可作为铝土矿替代资源，煤矸石提取Al2O3可以缓解铝土矿资源的制约，保障国家矿产资源的安全。此外，贵州省煤矸石还富含Fe2O3，其质量分数为4.92％～22.03％，可以替代部分铁矿提取铁红。铁红中含有丰富的铁元素，在建筑、交通运输和机械制造等行业具有广泛的应用。从煤矸石中回收铁、铝，通常采用强酸强碱法。因此，从煤矸石中提取有价元素成为关注热点，尤其是在当前有价元素短缺的情况下，实现高效绿色协同回收至关重要。

　　3.3煤矸石生态修复

　　贵州省煤矸石灰分含量超过70％，主要包括Al2O3，SiO2和Fe2O3。因风化时间长，难以利用，不能在较短时间内产生经济效益。将其遗弃并堆积，若不进行有效处理，会引起环境污染，甚至造成环境恶化和地质灾害等。近年来，煤矸石作为土壤基质具有显著效果，不仅可以改善土壤的养分质量，提高植物产量，而且可以恢复废弃地的植被。研究表明，将不同质量配比（0％、5％、10％、20％和50％）的煤矸石作为玉米培养基质，10％的煤矸石处理对玉米栽培期间的养分供应效果最好。用30 cm厚的黄土层覆盖煤矸石，并种植苜蓿和青蒿，植被覆盖率从2008年的10％提高到2013年的65％。此外，我国有许多因采矿而无法使用的土地资源，客土法是常见的生态修复方法。而客土成本高，土壤资源日益紧张，容易对土壤区域造成二次破坏。煤矸石作为生态修复基质在土地稀缺的区域具有较大前景，不仅可以消纳煤矸石，还可以降低生态修复的成本。此外，煤矸石中含有一定磷，对植物生长具有一定作用，为煤矸石生态修复提供了强有力的保障。然而，由于煤矸石的粒径较大且毛管孔隙度极低，单独使用煤矸石作为种植基质会导致结构和保水性较差，不利于植物生长。因此，为了改善煤矸石结构，可以与其他固废协同，如磷石膏、污泥和赤泥等，在增加养分的同时，达到保水、保肥的目的。

　　3.4煤矸石生产建材

　　煤矸石灰分和矿物含量高，可以用于生产硅酸盐水泥、发泡陶瓷、免烧砖、烧结砖和混凝土骨料等建筑材料。发泡陶瓷被认为是一种新型无机建筑材料，具有保温、防水、隔热、轻质、防潮和不燃的优点，逐渐在建筑行业应用。贵州省煤矸石中含有丰富的二氧化硅和氧化铝，利用其制作陶瓷，是一种绿色环保、经济可持续发展的途径。例如，使用煤矸石为原料生产泡沫陶瓷，当煤矸石添加量为61％时效果最好，各种性能达到《建筑用发泡陶瓷保温板》（JG/T 511—2017）的要求。煤矸石用于生产硅酸盐水泥也具有一定潜力，通过前期调查发现贵州省煤矸石化学成分类似于黏土矿物，主要矿物成分是二氧化硅、氧化铝和氧化铁，质量分数高达90.47％。此外，煤矸石可以替代部分混凝土骨料，替代后宏观强度和力学性能更高，具有显著的经济效益和生态效益。因此，煤矸石在作为建筑材料具有巨大潜力，不仅能利用大量煤矸石，而且产生一定的经济价值。

　　4贵州省煤矸石综合利用建议

　　4.1构建煤矸石信息数据库平台

　　通过建立数据库结构、采集和录入贵州省煤矸石废弃物产排特性、成分特征、地理位置和周边环境敏感点等数据，构建“互联网+煤矸石”信息化数据库平台，并通过与煤矿企业建立点对点联系，实时更新数据信息。煤矸石信息化数据库平台构建可推动煤炭行业、地区和产业园区建立交叉利用联络体系，为产废和利废企业提供信息服务，及时发布省内煤矸石产生单位、产生量、品质及利用情况等，提高资源配置效率，促进煤炭行业煤矸石信息化管理水平。该数据库平台可为决策者提供数据支持，有效促进煤矸石的减量化、资源化和无害化处理。

　　4.2煤矸石梯级利用

　　根据贵州省煤矸石化学和工业成分可知，大部分煤矸石具有一定价值。采用梯级利用的方式将煤矸石进行分级、分质，用于发电、化工、生态修复和建筑等领域，可以实现煤矸石大规模消纳。

　　1）煤矸石发电。贵州省部分煤矸石发热量较高，且硫含量低。针对这类煤矸石，经过粉碎、筛选，发热量较高的煤矸石可用于发电，创造一定的经济效益。

　　2）煤矸石提取元素。贵州省煤矸石氧化铁和氧化铝质量分数分别为4.92％~22.03％和11.57％~38.27%,按照密度进行筛分提纯，可替代部分铁矿和铝土矿，将回收资源转化为工业产品。

　　3）煤矸石生产建材。贵州省煤矸石中SiO2、Al2O3和Fe2O3化学成分质量分数总和为60.57％~90.75%,可以与其他固体废弃物结合，用于生产混凝土骨料、免烧砖、烧结砖、发泡陶瓷和硅酸盐水泥等。

　　4）煤矸石生态修复。贵州省俗称“八山一水一分田”，土地资源相对贫瘠，煤矸石作为生态修复基质具有先决条件。煤矸石可以与污泥、磷石膏、农作物秸秆和赤泥等进行耦合，作为土壤改良基质，进行造土造地、石漠化治理，种植高经济作物，实现以废治废、资源化利用。此外，在未来研究中可以进一步从煤矸石土壤中筛选释磷菌，从而复配添加至煤矸石基质中，加快营养物质的释放，促进植物生长。

　　4.3煤矸石政策需求

　　贵州省煤矸石年产量大、综合利用率低。针对这一问题，需要政府建立健全煤矸石相关的法律法规，强化监督和执法力度。同时，提供煤矸石资源化基础研究的资金支持和产业引导，鼓励科研机构、高校和企业开展合作，提高煤矸石综合利用率。引进煤矸石综合利用相关高层次人才，建立煤矸石综合利用团队，开发并推广煤矸石分级分类综合利用的技术方案。

　　5结语

　　贵州省是西南地区产煤量最大的省份，每年因煤矸石堆存造成大量经济损失和环境问题，制约着贵州省煤炭企业的发展。通过调查贵州省不同地区的煤矸石发现，SiO2、Al2O3和Fe2O3是主要的化学成分，质量分数为60.57％～90.75％。对工业成分进行分析发现，灰分含量超过70％，全硫含量除了贵阳和铜仁地区较高外，其余地区均属于低硫煤矸石。煤矸石综合利用在我国取得了一定进展，但利用率不高。基于此，针对贵州省煤矸石的特点，采用分级、分类的方法，开发出高效、经济和环保的综合利用途径，可以提高综合利用率，推动贵州省煤炭行业实现高质量发展。

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