综述|煤矸石特性与资源化利用研究，煤矸石

0 引言

煤矸石是我国积存量和年产生量最大、分布最广的工业废渣之一，据《中国资源综合利用年度报告（2014）》中数据显示，2013年我国煤矸石总产生量接近7.5亿t，综合利用量为4.8亿t，占年总产量的64%，其中发电利用煤矸石1.5亿t，占总综合利用量的32%；用于建材产品生产利用量为5600万t，占总综合利用量的12%；用于土地复垦、充填矿井采空区和回填塌陷区等的煤矸石量约2.6亿t，占总综合利用量的56%。

为有效并高效地实现煤矸石综合利用，目前已开发的技术先进适应性良好、环境—经济效益较好的途径有：煤矸石的能源利用、发电利用和建材利用等。然而由于煤矸石的成分特征、堆存方式和堆积地形等因素，长期大量露天堆放的煤矸石山不仅侵占农业耕地和破坏地表原有植被，矸石淋溶水还将污染矿区周围土壤和地下水，而且煤矸石中FeS等物质由于被空气氧化，热量不断积累并达到燃点时导致煤矸石中易燃、可燃物自燃，期间释放出大量的SO2、NOx、CO、CO2等有毒有害气体极大提高了矿区周边的生态风险和人体健康风险，故实现煤矸石的高效综合利用成为相关研究工作者的研究方向。

1 煤矸石的特性

1.1煤矸石的组成

煤矸石是在煤炭采掘和洗选加工过程中产生的矿山固体废弃物，是夹在煤层中、在成煤过程中与煤共同沉积的有机、无机化合物共同组成的含碳岩石，其主要来源为露天剥离及巷道掘进过程产生的矸石（45%）、采煤和煤巷掘进过程中排出的普矸（35%）以及煤炭洗选过程产生的矸石（20%）。同时煤矸石是有机质和无机化合物组成的混合物，其化学组成主要为SiO2、C和Al2O3，除此之外还包括Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等，煤矸石的化学成分见表1。煤矸石矿物组成较为复杂，主要由高岭土、石英、伊利石、蒙脱石、石灰石、氧化铝等组成。

表1煤矸石化学组成%

1.2煤矸石的结构特点

煤矸石的原矿粒度较大，其中黄铁矿主要以结核体、块状、粒状等宏观形态为主，矿物之间呈细粒浸染状，洗矸中的黄铁矿以块状、脉状、结核状及星散状四种形态存在，而硅质煤矸石的宏观形态呈黑色隐晶质结构，矿物构造为纹层状和块状。

1.3煤矸石物理性质

煤矸石的发热量是指单位质量的煤矸石在一定条件下完全燃烧所能释放出的能量，通常其发热量随碳质量分数和挥发分的增加而增加，随灰分的增加而减小。

我国煤矸石的发热量多在6300kJ/kg以下，热值高于6300kJ/kg的煤矸石仅占10%左右。

煤矸石的熔融性是指煤矸石在一定条件下加热，随着温度升高产生软化、熔化的现象。我国煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍较高，因此煤矸石的灰熔点（在规定条件下测得的引起煤矸石变形、软化和流动的温度）相当高，最低为1050℃，最高可达1800℃左右，鉴于此特性，煤矸石可用作耐火材料。另外，煤矸石还有一定的膨胀性、可塑性、收缩性，具有一定的硬度和强度。

1.4煤矸石的有害杂质

煤矸石中复杂的化学组分经不同的处理工艺和释放机制导致煤矸石中的有害杂质对周边土壤、水环境或生态环境产生不利影响。张明亮等通过分析煤矸石样品中重金属的释放、迁移活性，并利用潜在风险评估法分析矸石山周边潜在的生态风险，研究发现煤矸石样品中重金属的主要形态为残渣态，且不易发生迁移转化，但是少量的酸溶态、结合态重金属在受到降雨喷淋或长期处于潮湿状态后由于迁移转化加快从而容易造成重金属污染。徐州市环境监测中心站以煤矿区及煤矸石的污染特征为依据，选取16种EPA优先控制多环芳烃（PAHs）污染物，采用高效液相色谱法对不同堆积年限的矿区煤矸石山周围塌陷区的水体样品进行测试，分别分析此类水体中单个PAHs和总PAHs的分布情况及水体中PAHs不同环数的组成情况，试验结果显示由于PAHs的疏水性导致周边水体中ΣPAHs含量不高，而在部分水样中测出苯并(α)芘可知监测矿区附近水体受到PAHs一定程度的污染。

2 国内外煤矸石资源化利用对比

2.1国外利用情况

以美国、英国为代表的西方国家煤矸石总综合利用率突破90%。琴希托霍瓦工业大学环境工程学院通过氮吸附法研究了天然和改性煤矸石的结构和表面性质，从而开发了煤矸石作为工业废水预处理中的廉价吸附剂的新应用；马来亚大学则利用棕榈—燃油—粉煤灰（POFA）、粉煤灰（FA）、高炉矿渣（BFS）作为粘合剂和细骨料，分别可以替代传统材料。当前国外煤矸石综合利用的发展趋势为：在工艺选择上坚持节能降耗；在产品性能上大力生产轻质、高强产品；在建材产品上由传统的混凝土向新型保温墙材料转换。

2.2国内利用情况

我国对煤矸石的应用范围及比例见图1。

图1我国煤矸石主要利用途径

0 引言

煤矸石是我国积存量和年产生量最大、分布最广的工业废渣之一，据《中国资源综合利用年度报告（2014）》中数据显示，2013年我国煤矸石总产生量接近7.5亿t，综合利用量为4.8亿t，占年总产量的64%，其中发电利用煤矸石1.5亿t，占总综合利用量的32%；用于建材产品生产利用量为5600万t，占总综合利用量的12%；用于土地复垦、充填矿井采空区和回填塌陷区等的煤矸石量约2.6亿t，占总综合利用量的56%。

为有效并高效地实现煤矸石综合利用，目前已开发的技术先进适应性良好、环境—经济效益较好的途径有：煤矸石的能源利用、发电利用和建材利用等。然而由于煤矸石的成分特征、堆存方式和堆积地形等因素，长期大量露天堆放的煤矸石山不仅侵占农业耕地和破坏地表原有植被，矸石淋溶水还将污染矿区周围土壤和地下水，而且煤矸石中FeS等物质由于被空气氧化，热量不断积累并达到燃点时导致煤矸石中易燃、可燃物自燃，期间释放出大量的SO2、NOx、CO、CO2等有毒有害气体极大提高了矿区周边的生态风险和人体健康风险，故实现煤矸石的高效综合利用成为相关研究工作者的研究方向。

1 煤矸石的特性

1.1煤矸石的组成

煤矸石是在煤炭采掘和洗选加工过程中产生的矿山固体废弃物，是夹在煤层中、在成煤过程中与煤共同沉积的有机、无机化合物共同组成的含碳岩石，其主要来源为露天剥离及巷道掘进过程产生的矸石（45%）、采煤和煤巷掘进过程中排出的普矸（35%）以及煤炭洗选过程产生的矸石（20%）。同时煤矸石是有机质和无机化合物组成的混合物，其化学组成主要为SiO2、C和Al2O3，除此之外还包括Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等，煤矸石的化学成分见表1。煤矸石矿物组成较为复杂，主要由高岭土、石英、伊利石、蒙脱石、石灰石、氧化铝等组成。

表1煤矸石化学组成%

1.2煤矸石的结构特点

煤矸石的原矿粒度较大，其中黄铁矿主要以结核体、块状、粒状等宏观形态为主，矿物之间呈细粒浸染状，洗矸中的黄铁矿以块状、脉状、结核状及星散状四种形态存在，而硅质煤矸石的宏观形态呈黑色隐晶质结构，矿物构造为纹层状和块状。

1.3煤矸石物理性质

煤矸石的发热量是指单位质量的煤矸石在一定条件下完全燃烧所能释放出的能量，通常其发热量随碳质量分数和挥发分的增加而增加，随灰分的增加而减小。

我国煤矸石的发热量多在6300kJ/kg以下，热值高于6300kJ/kg的煤矸石仅占10%左右。

煤矸石的熔融性是指煤矸石在一定条件下加热，随着温度升高产生软化、熔化的现象。我国煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍较高，因此煤矸石的灰熔点（在规定条件下测得的引起煤矸石变形、软化和流动的温度）相当高，最低为1050℃，最高可达1800℃左右，鉴于此特性，煤矸石可用作耐火材料。另外，煤矸石还有一定的膨胀性、可塑性、收缩性，具有一定的硬度和强度。

1.4煤矸石的有害杂质

煤矸石中复杂的化学组分经不同的处理工艺和释放机制导致煤矸石中的有害杂质对周边土壤、水环境或生态环境产生不利影响。张明亮等通过分析煤矸石样品中重金属的释放、迁移活性，并利用潜在风险评估法分析矸石山周边潜在的生态风险，研究发现煤矸石样品中重金属的主要形态为残渣态，且不易发生迁移转化，但是少量的酸溶态、结合态重金属在受到降雨喷淋或长期处于潮湿状态后由于迁移转化加快从而容易造成重金属污染。徐州市环境监测中心站以煤矿区及煤矸石的污染特征为依据，选取16种EPA优先控制多环芳烃（PAHs）污染物，采用高效液相色谱法对不同堆积年限的矿区煤矸石山周围塌陷区的水体样品进行测试，分别分析此类水体中单个PAHs和总PAHs的分布情况及水体中PAHs不同环数的组成情况，试验结果显示由于PAHs的疏水性导致周边水体中ΣPAHs含量不高，而在部分水样中测出苯并(α)芘可知监测矿区附近水体受到PAHs一定程度的污染。

2 国内外煤矸石资源化利用对比

2.1国外利用情况

以美国、英国为代表的西方国家煤矸石总综合利用率突破90%。琴希托霍瓦工业大学环境工程学院通过氮吸附法研究了天然和改性煤矸石的结构和表面性质，从而开发了煤矸石作为工业废水预处理中的廉价吸附剂的新应用；马来亚大学则利用棕榈—燃油—粉煤灰（POFA）、粉煤灰（FA）、高炉矿渣（BFS）作为粘合剂和细骨料，分别可以替代传统材料。当前国外煤矸石综合利用的发展趋势为：在工艺选择上坚持节能降耗；在产品性能上大力生产轻质、高强产品；在建材产品上由传统的混凝土向新型保温墙材料转换。

2.2国内利用情况

我国对煤矸石的应用范围及比例见图1。

图1我国煤矸石主要利用途径

2.2.1煤矸石发电

对含碳量高的煤矸石，即含碳量≥20%（热值在6270～12550kJ/kg），可以直接用作流化床锅炉的燃料用于煤矸石发电。煤矸石发电不仅解决了煤矸石堆放所带来的环境问题，而且可以缓解我国能源紧张的局面，并且在其生产工艺过程中，产生的有害气体、烟尘、废弃物基本上都能够得到有效回收，大气污染物的排放也可控制并达到国家排放标准。国华宁东发电公司现已建成并投产使用的一期工程2×330MW机组以煤矿废弃的劣质煤和煤矸石作为发电主要染料，该发电公司设计每年使用燃煤287万t，其中煤矸石占51.2%，其生产用水采用周边矿井水且采用空冷技术，符合国家资源综合利用产业政策，实现了工业固体废物零排放、循环利用和资源化综合利用。

2.2.2煤矸石建材

（1）节能墙体材料的开发利用。我国早在20世纪80年代通过引进国外破碎、挤出、焙烧技术很快完善并提高了我国在利用煤矸石生产烧结墙体材料方面的技术。在烧结新型墙体材料中，作为节能型绿色产品的煤矸石烧结自保温砌块性能能够满足国家建筑节能65%的要求。节能墙体材料的利用减少了建筑单位的各种设计、砌筑、配套等相关费用并能免去使用过程中的维护费用，更由于墙体轻质的特点节省了大量的基础建材费用，是一种节能、环保、可持续发展的绿色建材产品。

（2）煤矸石生产陶粒轻骨料。陶粒轻骨料由于其轻质、保温、高强、附加值高的特点，能够替代普通混凝土中的粗骨料，且符合高层建筑轻质、高强的发展方向。含碳量低于13%的煤矸石适宜作为生产轻骨料原料。内蒙古科技大学利用包头地区堆积密度较大的粉煤灰陶粒、矿粉、粉煤灰等原材料，通过正交试验的方法研制出导热和抗冻性能良好的LC40结构粉煤灰陶粒轻骨料混凝土。

（3）煤矸石生产水泥。我国在煤矸石生产水泥及水泥混合材方面的应用较早，但由于难以突破实际生产过程中的技术瓶颈，从而抑制了煤矸石制水泥的发展。

近年来，我国在煤矸石生产水泥的技术开发上取得了重大突破。裘国华通过对煤矸石、尾矿以及石灰石的研磨试验、物化性质及热解分析，并建立相关动力学模型，得出煤矸石—尾矿—低品石灰石代替黏土煅烧水泥技术节能效果显著的结论。

2.2.3生产化工产品

采煤和巷道掘进过程中的掘进煤矸石含大量矿物元素且回收利用价值高。煤矸石中主要的矿物成分为SiO2、Al2O3，另外还含有数量不等的Fe2O3、FeS2、Mn、P、K及微量稀有元素（Ga、V、Ti、Co）等，可分别制备铝系、硅系、炭系化工产品、制取钛白粉及提取镓。高铝煤矸石（Al2O3的质量分数≥35%）可通过加以一定的外界能量以破坏其原有的结晶相，从而制备成本、能耗低和副产品价值高的铝系产品。以煤矸石为原料，利用溶剂萃取法、萃淋树脂法、液膜法等提取出来的金属镓主要用于半导体工业，以镓化合物为基础的产品用于电子技术较硅、锗具有更大的优点。有效回收煤矸石中的SiO2成分可生产白炭黑（SiO2˙nH2O）、SiC等硅系化工产品。含FeS2的煤矸石由于自身氧化产生的SO2虽是大气环境的主要污染物，但硫铁矿是化学工业制备硫酸的重要原料，从煤矸石中回收硫铁矿具有较高的经济效益和生态效益。

2.2.4改良土壤

矿区可利用暂时不能加工利用的岩石及自燃矸石充填塌陷区或复垦，这对矿区固体废物的有效治理、生态环境的恢复可起到一定的作用。目前利用微生物改善煤矸石理化性状的生物复垦技术成为矿区土地复垦的热点技术，其中中国矿业大学（北京）的毕银丽教授开发的利用煤矸石中的有效基质培养丛枝菌根真菌从而用于煤矿区复垦区土壤修复的技术，开创了煤矸石用于改良土壤的新技术体系。毕银丽教授等在宁夏大武口洗煤厂矸石山（作为生长基质）混合种植接种和不接种丛枝菌根真菌剂的白蜡幼苗，实验结果表明接种菌根真菌13个月后能够有效提高植被成活率（15%），促进植株生长（接种植物盖度高于对照9%）和侵染率（高达90%以上），且菌丝长度较对照伸长1.4倍，扩大了根系的范围，该研究极大促进了煤矸石的资源化利用和矸石山周边的生态恢复，为煤矸石综合利用指明了新的研究和发展方向。

2.2.5煤矸石的高附加值利用

近年来，为了突破传统的煤矸石资源化利用技术体系，国内研究学者将研究方向转向煤矸石的高附加值利用且技术开发效果显著。如昆明理工大学结合室内试验提出采用高浓度酸-微波加热法提取煤矸石中的高纯度硅，再加入Na2SO4制备水玻璃，有效实现了煤矸石的高附加值利用。辽宁工程技术大学的李彩霞等利用煤矸石中的硅酸盐成分，将经化学改性后的煤矸石制成橡胶补强材料，在产品性能、节能环保方面均领先炭黑。神华乌海能源有限公司开发出了煤矸石—脱硫石膏—石灰—水泥（发气剂为铝粉）生产泡沫混凝土，充分利用了煤矸石的高附加值。综上，我国煤矸石综合利用途径多样，具体工业化选择途径见表2。

表2煤矸石工业利用途径

3 当前煤矸石资源化问题现状

（1）煤矸石资源化利用的整体水平较低。国内煤矸石综合利用技术开发较为缓慢且装备设施与国际水平相比较为落后，致使煤矸石新增量远超于综合利用量。

目前我国煤矸石综合利用主要有倾倒、利用煤矸石发电、回填与复垦及建材，产业模式单一、规模较小，且由于技术的局限性会产生大量废液、废渣，环境—经济效益较低。

（2）矿山企业环保思想不够解放。由于企业环保意识不强且受综合利用成本的约束，煤矸石成为我国堆存量最大、占用土地最多的工业固体废弃物，进而导致煤矸石资源化利用在我国发展缓慢。

（3）相关法律法规及指标体系不够完善。由于矿山企业追求经济效益、相关法律法规不够健全，导致煤矸石乱排放、环境污染等一系列问题突出，很大程度上造成了资源浪费。

4 建议与展望

（1）依靠科技创新，大力开发创新煤矸石新的用途。大力支持技术开发阶段的自主创新，鼓励并扶持相关企业、机构及高校在煤矸石资源化利用方面的技术研发，从而带动煤矸石综合利用的产业化发展。

（2）矿山企业应进一步解放思想、政府应给予相关的扶持。矿山企业要勇于打破“先污染后治理”的传统观念，多方面筹集资金，政府也应给予其资金支持，共同实现煤矸石资源化利用的企业化、产业化。

（3）建立健全相关法律法规、制定煤矸石排放标准体系。规范企业对煤矸石的利用、对矿山环境的修复和治理，为促进煤矸石的资源化有效利用和全面改善矿山环境提供有力的法律保障。