煤矸石是我國(guó)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(guó)資源綜合利用年度報(bào)告 （2014）》中數(shù)據(jù)顯示，2013 年我國(guó)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(wàn) 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(kāi)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(zhǎng)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?chē)寥篮偷?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(shí)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(xiǎn)和人體健康風(fēng) 險(xiǎn)，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(guò)程中產(chǎn)生的礦山 固體廢棄物，是夾在煤層中、在成煤過(guò)程中與煤共同沉 積的有機(jī)、無(wú)機(jī)化合物共同組成的含碳巖石，其主要 來(lái)源為露天剝離及巷道掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的矸石（45%）、 采煤和煤巷掘進(jìn)過(guò)程中排出的普矸（35%）以及煤炭洗選過(guò)程產(chǎn)生的矸石（20%）。同時(shí)煤矸石是有機(jī)質(zhì)和 無(wú)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(jiàn)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(guó)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(guó)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(cè)得的引起煤矸石變形、軟化和流動(dòng)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(duì)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(guò)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(xiǎn)評(píng)估法分 析矸石山周邊潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，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(zhǎng)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(cè)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(duì)不同堆積年 限的礦區(qū)煤矸石山周?chē)輩^(qū)的水體樣品進(jìn)行測(cè)試，分別分析此類(lèi)水體中單個(gè)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 ∑PAHs 含量不高，而在 部分水樣中測(cè)出苯并(α)芘可知監(jiān)測(cè)礦區(qū)附近水體受到PAHs 一定程度的污染。

2  國(guó)內(nèi)外煤矸石資源化利用對(duì)比

2.1  國(guó)外利用情況

　　以美國(guó)、英國(guó)為代表的西方國(guó)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(guò)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(kāi)發(fā)了煤矸石作為工業(yè)廢水預(yù)處理中的廉價(jià)吸附劑的新應(yīng)用；馬來(lái)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(guó)外煤矸石綜合利用的發(fā)展趨勢(shì)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(guó)內(nèi)利用情況我國(guó)對(duì)煤矸石的應(yīng)用范圍及比例見(jiàn)圖 1

圖 1   我國(guó)煤矸石主要利用途徑

2.2.1  煤矸石發(fā)電

　　　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(lái)的環(huán)境問(wèn)題，而且可以緩解我國(guó)能源緊張的局面， 并且在其生產(chǎn)工藝過(guò)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(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)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(wàn) 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(guó)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(kāi)發(fā)利用。我國(guó)早在 20 世紀(jì) 80 年代通過(guò)引進(jìn)國(guó)外破碎、擠出、焙燒技術(shù)很快完善并提高了我國(guó)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(guó)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(guò)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(guò)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(guó)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(guò)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(lái)，我國(guó)在煤矸石生產(chǎn)水泥的技術(shù)開(kāi)發(fā)上取得了重大突破。裘國(guó)華通過(guò)對(duì)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(dòng)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(guò)程中的掘進(jìn)煤矸石含大量礦物 元素且回收利用價(jià)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(guò) 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(jià)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(shù)脂法、液膜法等提取出 來(lái)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 FeS2 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(shí)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(duì)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(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）的畢銀麗教授開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)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(gè)月后能夠有效提高植被成活率（15%），促進(jìn)植 株生長(zhǎng)（接種植物蓋度高于對(duì)照 9%）和侵染率（高達(dá) 90% 以上），且菌絲長(zhǎng)度較對(duì)照伸長(zhǎng) 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(lái)，為了突破傳統(tǒng)的煤矸石資源化利用技術(shù)體 系，國(guó)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(kāi)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(kāi)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(guó)煤矸石綜合利用途徑多樣，具體工業(yè)化 選擇途徑見(jiàn)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(wèn)題現(xiàn)狀

（1）煤矸石資源化利用的整體水平較低。國(guó)內(nèi)煤 矸石綜合利用技術(shù)開(kāi)發(fā)較為緩慢且裝備設(shè)施與國(guó)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(guó)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(huì)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(shí)不強(qiáng)且受綜合利用成本的約束，煤矸石成為我國(guó)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(guó)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(wèn)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(kāi)發(fā)創(chuàng)新煤矸石新的用途，大力支持技術(shù)開(kāi)發(fā)階段的自主創(chuàng)新，鼓勵(lì)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(dòng)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(duì)煤矸石的利用、對(duì)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