煤矸石综合利用与矿山生态修复的战略思考_范晓平.pdf

煤矸石综合利用与矿山生态修复的战略思考范晓平1，刘京2，康哲1，董学光1（1.中城院（北京）环境科技股份有限公司，北京100120；2.中国城市建设研究院有限公司，北京100120）【摘要】我国是煤炭资源开采大国，煤炭生产、加工过程中产生了大量的煤基固体废物，对矿区土地资源和生态环境造成了严重的破坏，已成为制约矿山生态修复的重大战略问题。目前，我国煤矸石综合利用存在储量大、综合利用率低、空间分布不均衡等特征，煤矸石综合利用能力难以满足国家对生态环境保护的要求。本研究基于煤矸石主要来源及理化性质，分析了其排放及综合利用现状，阐述了其在矿山生态修复领域的技术应用，同时探讨了我国煤矸石综合利用存在的问题。提出将“充填开采、塌陷区回填、土地复垦修复、地面筑基”的生态修复途径和“煤矸石发电、建筑材料、化工产品、有价元素提取”等资源化利用途径相结合的发展方向。【关键词】煤炭开采；煤基固废；煤矸石；综合利用；生态修复中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）01-0008-08DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.01.002Strategic Thinking of Comprehensive Utilization of Coal Gangue and Ecological Restoration of MinesFAN Xiaoping1，LIU Jing2，KANG Zhe1，DONG Xueguang1（1.CUCDE Environmental Technology Co.Ltd.，Beijing100120；2.China Urban Construction Design&Research InstituteCo.Ltd.，Beijing100120）【Abstract】China is a large country of coal resource mining，a large amount of coal-based solid waste was producedin the process of coal production and processing，which had caused serious damage to land resources and ecologicalenvironment in mining areas，and had become a major strategic issue that restricted the ecological restoration of mines.Atpresent，the comprehensive utilization of coal gangue in China was characterized by large reserves，low comprehensiveutilization rate and uneven spatial distribution，and the capacity of comprehensive utilization of coal gangue could hardly meetthe national requirements for ecological environmental protection.Therefore，based on the main source and physical andchemical properties of coal gangue，the current situation of coal gangue discharge and comprehensive utilization wereanalyzed，the technical applications of coal gangue in the field of mine ecological restoration were described，and theproblems of comprehensive utilization of coal gangue in China were analyzed at the same time.The future developmentdirection of combining the ecological restoration of“filling and mining，cave-in area backfill，land reclamation andrehabilitation，ground foundation”and other resource utilization paths of“coal gangue power generation，constructionmaterials，chemical products，valuable elements extraction”were put forward【Key words】coal mining；coal-based solid waste；coal gangue；comprehensive utilization；ecological restoration1引言煤炭是世界上重要的化石能源，在我国能源结构中占主导地位1。煤基固体废物是煤炭资源在开采、加工、燃烧、转化等过程中产生的附属产物，主要包括煤矸石、粉煤灰、锅炉渣、脱硫石膏、煤气化灰渣和煤液化残渣等2。其中煤矸石年产生量达 7.43108t、粉煤灰年排放量达 5.80108t，两种固体废物产生量占煤基固废总产生量的85%以上。煤矸石堆置占用大量土地，造成土地资源浪费，使得矿区的地质结构遭到破坏，极易引起地表塌陷、裂缝、下沉等地质灾害问题。严重时会造成矿区生态环境失衡，增加矿区生态修复的难度3-4。煤矸石是采煤和洗煤过程所排出的固体废物，其理化性质主要取决于煤的原生状态2。本研究选取煤矸石为主要研究对象，基于煤矸石的来源、分类及理化性质，分析我国煤矸石的排放现状和综合利用现状，在此基础上阐述煤矸石在矿山生收稿日期：2022-10-14；录用日期：2022-12-12第 31 卷第 1 期2023年2月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.1Feb.2023态修复领域的技术应用，同时分析我国煤矸石综合利用存在的问题，并对未来发展方向提出建议，旨在为我国煤矸石产业未来发展提供借鉴。2我国煤矸石的性质及排放现状2.1我国煤炭产量概况我国煤炭资源储量十分丰富，近十年来，我国的煤炭产量一直占全球煤炭总产量的 40%以上，如图 1 所示。2021 年，全球煤炭总产量达到8.173109t，主要集中在中国、印度、印尼、美国等国家，如图 2 所示，其中，我国的煤炭产量达到 4.126109t，约占全球总产量的 50.5%。随着我国能源产业结构调整和转型升级，能源消费结构日趋低碳化5。2021 年我国的煤炭消费量占一次能源消费总量的比例已降至 56.0%，但在未来一段时期内，煤炭仍是我国最主要的一次性能源。煤炭产量及消费量/108t5040302010020112012 201320142015201620172018201920202021年份100806040200比例/%我国煤炭产量我国煤炭消费量我国煤炭产量占全球煤炭总产量比例我国煤炭消费量占一次能源消费总量比例煤炭产量/108t504030201006050403020100比例/%中国印度印尼美国澳大利亚俄罗斯南非德国哈萨克斯坦波兰41.268.116.145.244.794.342.341.26 1.16 1.08煤炭产量占全球煤炭产量的比例国家图 22021 年全球主要产煤国家煤炭产量统计数据Figure 2Coal production statistics of major coal producingcountries in the world in 20212.2煤矸石来源和分类煤矸石产量约占原煤产量的 10%15%，其主要来源有 3 种6：露天开采剥离及巷道掘进过程中的掘进矸石；采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石；洗煤过程中挑出的洗矸石。三者所占比例分别为 45%、35%和 20%。根据煤矸石的来源、性状、化学成分、矿物成分及其理化特性，可对煤矸石的类型进行划分，具体分类方法如表 1 所示7-10。表 1煤矸石分类方法Table 1Classification methods of coal gangue分类指标来源颜色自燃性质风化程度岩石类型碳质量分数/%硫质量分数/%铁化合物质量分数/%全硫（St，d）质量范围/%灰分（Ad）产率范围/%灰分（CaO+MgO）成分/%硅铝比m（Al2O3）/m（SiO2）/%煤矸石类型煤巷矸、岩巷矸、自燃矸、洗矸、手选矸和剥离矸 6 类黑矸、灰矸、白矸、红矸等可燃煤矸石、不可燃煤矸石未风化、微风化、中等风化、完全风化黏土岩矸石、砂岩矸石、钙质岩矸石和铝质岩矸石等一类4.0、二类（4.06.0、三类（6.020.0、四类20.0一类0.5、二类（0.53.0、三类（3.06.0、四类6.0低铁1.0、中铁（1.03.5、次高铁（3.58.0、高铁8.0低硫1.0、中硫（1.03.0、中高硫（3.06.0、高硫6.0低灰70、中灰（7085、高灰85硅铝型10、钙镁型10低级0.3、中级（0.30.5、高级0.52.3煤矸石的理化性质煤矸石是由碳质页岩、泥岩、砂岩及煤炭等物质组成的黑灰色沉积岩，具有含碳量低、比煤硬、干基灰分大于 50%的特点，颗粒密度为2 1002 900 kg/m311。煤矸石存在于不同地质时期的煤田当中，其矿物结晶和化学成分组成与煤层的原始物质和变质程度有关12。煤矸石的主要成 分 为 Al2O3、SiO2，此 外 还 含 有 数 量 不 等 的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素（镓、钒、钛、钴）。煤矸石中的晶体矿物有高岭石、石英、伊利石、绿泥石、白云母、长石、黄铁矿等。煤矸石中还包含一定量的非晶相物质，主要是水分、碳质、风化物等13。煤矸石中的矿岩主要包括黏土岩类、砂岩类、砾岩类、碳酸岩类、石灰岩类和铝质岩类等沉积岩14。2.4煤矸石的排放现状煤矸石占我国煤炭生产总量的 15%20%，由于其热值低、利用难度大，常被露天堆放在矿区周围。据统计，2021 年煤矸石产生量约为 7.43108t，同比增长 5.84%。从煤炭的需求量和产量的预测来看，2025 年我国煤矸石的年产生量将达到约 8108t。煤矸石山不仅占用大量土地，还会污染大气、水体和土壤，是煤矿区最主要的污染源15。矸石山自燃产生的 SO2、NOx等有毒有害气体会对矿区大气环境造成严重污染16；在雨水淋溶和渗滤等作用下，煤矸石产生的有毒有害元素将会对土壤图 120112021 年我国煤炭生产及消费统计数据Figure 1Statistics of coal production and consumption inChina from 2011 to 2021范晓平，等.煤矸石综合利用与矿山生态修复的战略思考 9环境卫生工程2023 年 2 月第 31 卷第 1 期和地下水造成严重的环境污染17。我国煤矸石区域分布不均衡，主要集中在经济不发达的中西部地区，煤矸石产业发展相对滞后。特别是山西、内蒙古、陕西、新疆和贵州等产煤大的省份（图 3），其煤矸石产生量占全国总产生量的 78.74%，煤矸石已成为城市发展的“顽疾”。在资源短缺的东部地区，煤矸石产生量较少，但综合利用率高，技术发展快，煤矸石常被用来生产水泥、砖瓦等建筑材料，然而若将煤矸石运至东部地区，运输成本过高，经济价值较低。煤矸石产生量/108t3.02.52.01.51.00.50302520151050比例/%山西内蒙古陕西新疆贵州安徽2.980煤矸石产生量占全国总产生量的比例产煤地区河南山东宁夏黑龙江1.2500.7000.5760.2360.2030.168 0.168 0.1550.108图 32021 年我国各地区煤矸石产生量数据Figure 3CoalgangueproductiondatabyregioninChinain20213煤矸石的综合利用现状分析20 世纪 60 年代我国开始对煤矸石的综合利用进行探索与实践。初期，煤矸石利用技术发展较慢，主要以地面筑基、制砖为主。1985 年，其综合利用率仅为 25%。19952005 年间呈快速增长趋势。2005 年后呈小幅增长趋势且综合利用率均在 60%以上，如图 4 所示。煤矸石综合利用量已由 1990 年的 2.60107t 增至 2021 年的 5.43108t，处理能力增长约 20 倍。煤矸石产生量及综合利用量/108t86420年份100806040200综合利用率/%1990199520002005201020112012201320142015201620172018201920202021煤矸石产生量综合利用量综合利用率图 419902021 年我国煤矸石产生量及综合利用统计数据Figure 4Statistics of coal gangue production andcomprehensive usage in China from 1990 to 2021国家相关部门出台了 煤矸石综合利用管理办法（2014 年修订版）资源综合利用电厂（机组）认定管理办法 煤矸石综合利用技术政策要点 等，通过采取政策鼓励、技术示范和典型引导等措施，推动煤矸石综合利用迅速发展。煤矸石综合利用途径如图 5 所示，主要以生态修复为主，技术水平较低。而高技术含量、高价值的煤矸石发电、建筑材料利用、化工产品、有价元素提取方面不足 50%，资源化利用率依然较低18-19，有待进一步研究。煤矸石综合利用途径改良土壤直接修复充填开采塌陷区回填土地复垦修复地面筑基生态修复技术煤矸石发电电力热能粉煤灰建筑材料水泥制备水泥熟料制备水泥混合料制备特种水泥砖瓦材料陶瓷材料实心砖混凝土砌块防火保温材料轻骨料直接用混凝土骨料烧制轻骨料Al2O3、Al（OH）3结晶氯化铝聚合铝明矾铝盐白炭黑聚氯硅酸铝碳化硅4A 分子筛A/X/Y 型分子筛P 型分子筛分子筛复合肥料有机肥料微生物肥料煤炭黄铁矿硫精矿硅铝钛合金化工产品硅酸盐有价元素提取图 5煤矸石综合利用途径Figure 5Coal gangue comprehensive utilization paths4矿区煤矸石生态修复技术4.1充填开采技术井工开采过程中会形成地下采空区，造成地表移动和变形，形成大规模的采煤沉陷区，对矿区的生态系统造成破坏20-21。采空区以往采取顶板自由垮落管理方式，地下空间并未得到有效利用22。将煤矸石作为充填材料用于地下采空区回填，可防止地面沉降塌陷与开裂，减少地质灾害的发生23。煤矸石充填开采技术主要分为 3 种类型：固体充填、膏体充填、浆体充填。固体充填技术是将井下岩巷掘进产生的矸石，直接利用矸石抛矸机充填巷道，巷道充填系统简单，减轻副井提升压力24。膏体充填和浆体充填技术是将煤矸石破碎研磨处理后，用煤矸石粉等细粒材料进行胶结 10范晓平，等.煤矸石综合利用与矿山生态修复的战略思考制备成充填膏体或料浆填充采空区25。张吉雄等26通过井下煤矸分选技术、多源固体充填材料、“采选充留”多工序协同智能控制等模块，形成了煤矸石井下分选协同原位充填开采模式，技术原理如图 6 所示。王莹莹等27利用煤矸石与矿渣、石膏等为基础研制了似膏体充填胶凝材料。韩宇峰等28利用破碎煤矸石替代水泥制备出水泥-煤矸石充填浆体。崔增娣等29发现煤矸石凝石似膏体充填材料具有良好的力学特性和耐受能力，满足国家标准要求。煤矸石充填开采技术有效地解决了矿区地面塌陷的问题，可实现矿区生态有序恢复。图 6煤矸石井下分选协同原位充填开采模式26Figure 6Coal gangue underground sorting coordinatedin-situ filling mining mode26北京中煤采用煤矸石膏体充填技术，成功地在同忻、东周窑、马道头、北辛窑 4 个煤矿矿井完成了地下采空区固体废物充填的工业性试验，同时针对不同采空区的赋存特征，选用煤矸石膏体、料浆、浆液等多种流体形态进行井下充填，其中同忻煤矿单个钻孔煤矸石最大回填量达 7 000t，形成了良好的煤矸石返井充填示范效应，建立起探-钻-注-充完整的技术与装备体系，为煤矸石充填开采项目提供了良好的技术支撑。4.2塌陷区回填技术塌陷区是矿山开采活动结束后产生的遗留地，其数量、规模都在日益增加，塌陷区造成的滑坡、泥石流等地质灾害30给矿区的生态环境和人民生活造成严重危害。利用煤矸石回填塌陷区，不仅变塌陷区为可复垦土地，还可以节约用地，减少环境污染。陈旗宝日希勒矿由于无序开采产生的“草原天坑”利用塌陷区回填技术被完全修复31，治理前后效果如图 7 所示。采用“土壤剥离、交错回填、灌浆防渗”等技术，高质量地完成了煤矸石回填塌陷区复垦造地工程32。煤矸石回填塌陷区对周围土壤环境和水环境的影响较小，符合规范要求33，而且煤矸石经过分层回填、多次振压后，其承载能力要远高于天然土地34。塌陷区回填技术简单且成本较低，我国煤矸石用于回填塌陷区占其综合利用总产量的 15%左右，处置利用量大。塌陷区回填不仅实现了煤矸石的综合利用，也是矿山生态修复的有效途径之一35-36。图 7宝日希勒塌陷区治理前后对比31Figure 7Comparison of Baorixile subsidence area before andafter treatment31以笔者在海拉尔实际的项目经验为例，浅述煤矸石在塌陷区回填当中的应用。海拉尔谢尔塔拉一般工业固体废物处置项目是将煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏作为填充材料回填露天矿坑，该项目每年可处置煤矸石 1.0106t，不仅解决大量矿山固体废物的消纳问题，也解决了废弃矿坑生态恢复所需充填材料的来源问题，拓宽了煤矸石综合利用处置渠道，推动矿区生态修复治理。4.3土地复垦修复技术矿山生态修复已成为我国环境保护工作中的一个重要方向。煤矸石压占和毁坏的土地，通常可采取推土机回填压实、表层覆土的方式进行复垦。一般用于复垦的煤矸石以砂岩、石灰岩为主。对于表层已风化成土的煤矸石无需覆土，可直接进行植树或开垦为农田37。土地复垦修复是煤矸石最简单直接的治理方式之一，能够有效解决煤矸石自燃、土地闲置等问题，使矸石山“由黑变绿，变废为宝”。于亚军等38和庞碧琳等39研究发现煤矸石复垦地的土壤质量未达到普通农田水平；徐良骥等40研究了煤矸石复垦地的重金属分布特征，发现煤矸石中的重金属有向上迁移的趋势，但当覆土厚度为 7080 cm 时，土壤质量符合国家标准。改善矿区土壤理化性质是恢复矿区生态环境的关键因素之一41。煤矸石是一种较好的土壤改良剂，它含有植物生长所需的营养成分和多种微量元素，如有机质、B、Mn、Cu、Co、Zn 等，可以调节土壤环境不平衡状态，同时提高土壤孔隙顶板岩层底板岩层分选设备选采充处防渗层填充物矸石原煤入选精煤（a）塌陷区治理前（b）塌陷区治理后 11环境卫生工程2023 年 2 月第 31 卷第 1 期度42，增强土壤的保水能力，减少水分蒸发，促进植物生长43-44。Blagodatskaya 等45发现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，改善土壤微环境，促进植物生长。焦赫等46发现煤矸石充填复垦后会改善土壤的理化性质，且土壤表层的优势菌相对丰度较高；王顺等47研究了煤矸石对重构土壤水分分布的影响，发现煤矸石具有良好的阻水性能，可提升土壤的持水能力。综上所述，煤矸石凭借其理化性质在矿区土壤改良中起到了重要的作用，但其也会造成一定的污染风险，例如重金属污染问题，所以要科学合理地发挥煤矸石在矿区土地复垦修复中的作用。西铭矿沟西湾矸石山治理将灭火防复燃、山体整形和生态系统重建 3 个环节作为一个有机整体，治理前后对比如图 8 所示。矸石山平台以山楂树、枣树、核桃树、梨树等经济林为主，坡面以草灌为主、乔木为辅，形成了具有当地特色的集旅游、采摘、运动为一体的综合生态园区，使矸石山完成了“从火焰山”到“绿水青山”的转变。4.4煤矸石地面筑基技术煤矸石可以单独代替灰土或与黏性土、粉煤灰、熟石灰等混合使用，用作公路路基或底基层的筑基填料49。煤矸石在筑基施工后，会发生吸水、膨胀、解理等多种作用，从而使其发生变形，煤矸石中残留煤的自燃、有机质灰化或分解及软岩泥化等都会对其性能产生较大的影响，所以如何保证煤矸石在工程应用中的稳定性是研究的热点。胡建勇50通过去除煤矸石中的残留煤和黄铁矿，减少煤矸石路段自燃现象的发生。贺建清等51发现将煤矸石和黏土按照一定比例混合，不仅会改善煤矸石的隔水效果，还会增加其压缩模量、加州承载比（California Bearing Ratio，CBR）值和抗剪强度。冯新军等52发现煤矸石粉能够显著提高沥青胶浆的高温稳定性，改善其感温性，提高与沥青的黏结力。煤矸石用于地面筑基时，其中的重金属和硫化物污染并未得到很好处置。各地区煤矸石成分差异较大，目前没有统一的规范，所以对于煤矸石的地面筑基处置，仍需进一步探索。邯郸市陶一矿将煤矸石作为青兰高速公路邯涉段 6.6 km 的路基填筑材料，填方量达到 6.85105m3，使陶一矿的矸石山比原来减少了 1/3。邢汾高速邢台至冀晋界路段 83.37 km 使用煤矸石进行地面筑基，填方量约 1.70106m3。利用煤矸石作为地面路基填筑材料，既解决了煤矸石污染环境的问题，又节约了当地稀缺的土壤资源，降低了工程成本，具有良好的社会效益和经济效益。5煤矸石综合利用存在的问题与展望我国在煤矸石综合利用方面虽然取得了显著成就，但还存在以下几个方面的问题，可根据具体问题重点开展研究：1）我国煤矸石堆存量巨大，虽然综合利用途径较多，但由于处置技术水平限制，资源化利用率偏低，应加强对煤矸石资源化利用技术的研究。2）我国煤矸石空间分布不均衡且成分差异较大。可根据区域特点，对当地煤矸石的理化特性进行全面分析，建立起我国煤矸石的分布规律与理化特性之间的关系，深化研究不同类型的煤矸石综合利用模式，为不同地区煤矸石综合利用模式选择提供理论依据。3）充填开采技术研究日益成熟，但实际利用率低。我国在充填开采方面取得了一定的成就，但由于充填开采成本高、效率低，降低了矿山企业的积极性，实际应用案例较少，该技术主要还停留在理论建设和实验室研究方面。应加强充填开采技术水平的研究，致力于解决填充材料、成本、效率的难题，同时政府应在政策、税收、专项资金等方面对矿山企业给予更多支持，为充填开采技术的研究与推广提供基础。4）探索煤矸石综合利用新模式。矿山煤矸石生态修复技术虽然在一定程度上缓解了煤矸石的处置问题，但未能充分利用煤矸石中的隐藏价值。应加强煤矸石生态修复技术与资源化利用技术的有机结合，形成集“充填开采、塌陷区回填、土地复垦修复、地面筑基”的生态修复途径和“煤矸石发电、建筑材料、化工产品、有价元素提取”等资源化利用途径相结合的多层次综合开发利用全产业链模式。在煤炭行业推广煤矸石井下原位充填技术，切实从源头实现煤矸石减量化，争取（a）矸石山治理前（b）矸石山治理后图 8西铭矿沟西湾矸石山治理前后对比48Figure 8Comparison of Xiwan gangue hill before andafter treatment in Ximing Mine48 12范晓平，等.煤矸石综合利用与矿山生态修复的战略思考做到煤矸石不出井；同时建立“梯级回收+资源化利用”体系，对于高价值的煤矸石类型，大力推进利用煤矸石发电和生产新型绿色建筑材料，在风险可控的前提下深入推动化工领域应用和有价组分提取，充分发挥煤矸石的利用价值。对于未能资源化利用的煤矸石，实行土地复垦、塌陷区回填进行生态修复与封存保护，就地消纳。实现煤矸石分类管理、源头减量、资源化利用、生态修复相结合的综合处置，提高综合利用水平。6结束语煤矸石治理是矿山生态修复的重要组成部分，目前，我国煤矸石资源化利用率低，技术难度大，难以满足国家生态文明建设及“双碳”目标的战略需求，因此必须探索矿山煤矸石的综合利用新思路和技术。本研究提出的多层次综合开发利用的全产业链模式，可促使煤矸石变废为宝，得到高效利用，矿区生态环境得以恢复，再造绿水青山的生态景观，为矿区煤矸石的综合高效利用探索出一条可行的新途径。参考文献：1 毕银丽，刘京，尚建选，等.陕北采煤沉陷区土壤水分入渗和蒸发特征研究 J.中国矿业大学学报，2022，51（5）：839-849，862.BI Y L，LIU J，SHANG J X，et al.Study on the characteristics ofsoil moisture infiltration and evaporation in the coal mining subsidence area of coal mines in northern ShaanxiJ.Journal ofChina University of Mining&Technology，2022，51（5）：839-849，862.2 黄艳利，王文峰，卞正富.新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究 J.煤炭科学技术，2021，49（1）：319-330.HUANG Y L，WANG W F，BIAN Z F.Prospects of resource utilization and disposal of coal-based solid wastes in Xinjiang J.Coal Science and Technology，2021，49（1）：319-330.3 桑树勋，袁亮，刘世奇，等.碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻 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