淺談煤矸石負價值的轉化

孫 瑩

煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石［1］。煤矸石的主要來源有：1)在巖石巷道和井筒掘進過程開鑿出的巖石，其中主要包含有粉砂巖、礫巖、泥巖、砂巖、石灰巖和頁巖。2)在開采煤層和掘進煤層巷道過程中，是由煤層中的夾矸或者削下部分煤層的底板和頂板兩部分共同組成。3)在分選煤層過程中，向外排出的煤矸石，主要是由煤層中各種類夾石，例如：黏土、高嶺石、黃鐵礦結合核等。煤矸石是由無機質和一些少量有機質組成的混合物，它的化學成分主要包括SiO2、C和Al2O3。煤矸石的化學成分很不穩定，在不同的地區變化差異較大，但變化通常在一定的范圍內。煤矸石含有的礦物成分，主要為黏土礦物和石英，顆粒直徑從數10 cm的塊石到黏粒甚至膠粒，最常見的礦物有蒙脫石、高嶺石、黃鐵礦、長石、方解石、伊利石、水鋁石以及一些少量稀有金屬礦物等，其中高嶺石含量高達68%［2］。

負價值是開發利用礦產資源所導致的一切社會經濟環境損失，煤矸石所產生的資源環境負價值是顯而易見的。

1 煤矸石的危害

1.1 自 燃

矸石山自燃的必要條件是水和氧，而煤矸石中含有的碳元素和硫鐵礦是矸石山自燃的物質前提。因為硫鐵礦燃點比較低，在水的促進下能夠發生氧化反應，生成硫酸型水溶液，同時伴隨反應放出大量的熱，進而加快煤的水解;在有氧供應條件下，硫鐵礦能低溫自燃，并釋放出熱量，隨著時間的推移，矸石山內部的熱量不斷積聚，溫度不斷升高，當溫度達到燃點時，引起含碳物質的燃燒，最后導致矸石山自燃。

1.2 對大氣的污染

煤矸石對大氣環境的影響主要包括兩個方面：一是煤矸石在運輸、堆放過程中會產生揚塵，這些揚塵不僅對周邊的空氣質量造成了嚴重影響，而且還將周圍的農作物、道路、居房大面積覆蓋，在大氣雨水的作用下，這些揚塵形成酸性物質，對矸石山周邊的水質造成嚴重破壞，進而影響到了人們的身體健康和生活環境。二是煤矸石自燃排放的有害氣體，由于煤矸石中含有大量的黃鐵礦、有機質和炭質等可燃物，長期暴露在大氣中，與氧長期接觸可產生大量有毒氣體SO2、H2S及窒息性氣體 CO、氮氧化合物等［3］。嚴重危害煤礦區的生態環境影響人們的生活、生產和身心健康。

1.3 對水體的污染

煤矸石一般含有硫分和其他有害元素，它經過長期的風化和大氣降雨淋溶作用，產生酸性物質和各種有毒的金屬元素滲入到地下，對土壤有嚴重污染，進而使地表水以及淺層地下水受到污染，形成淋溶酸性水，而毒性大的重金屬將對人體牲畜健康產生長遠的不良影響，直接或者間接地危及整個生態系統［4］。

1.4 對土壤的污染

我國煤矸石的利用率低，多堆積成山，侵占大量土地，而侵占的土地要購買和補償，這些給煤礦本身造成了相當的經濟負擔。另一方面，矸石山長期風化飄落的降塵中含有大量重金屬元素，它能使土壤受到嚴重污染，并改變土壤的PH值和土壤中微量重金屬含量的平衡［5］，同時對植物的光合作用也起到一定的阻礙作用。

在主要礦產資源人均占有量不足世界平均水平一半的我國，如果將煤矸石充分利用，使其負價值轉換，不僅可以減輕對環境污染和資源的消耗，還具有巨大的社會經濟價值。

2 煤矸石負價值的轉化

煤矸石主要的來源有煤巖巷道及巖石、硐室掘進和煤炭中雜混的矸石。目前，隨著開采深度的逐步加深，為了滿足一些設備在安裝、運輸以及正常生產時的通風條件，不斷加大其巷道斷面、煤巖巷道的數量或巖石巷道。因此，在開拓掘進時會產生大量的煤矸石。雖然一些相關部門已經采取了措施，例如加強頂板支護、控制采掘機械割破頂底板巖石，但是在原煤中煤矸石的含量仍占到了40%以上。

2.1 在工程方面的應用

煤矸石在工程方面主要應用于制磚、制水泥、鐵路和公路路基、土地復墾、礦區回填等。因為煤矸石具有一定的燒結性和可塑性，可以通過均化、破碎、凈化和陳化等工藝加工處理后，用來制做磚塊;由于煤矸石同黏土的化學組成成分十分相近，并能釋放一定的熱量，可以用它代替黏土和一些部分燃料，用來生產普黏土通水泥可以提高熟料的質量;煤矸石中含有一定量的活性物質，具有比較好的路用性能、強度以及很好的抗風雨侵蝕性能，因此，可以用它做鐵路和公路的底基層或者路基填料［6］，可以利用以前廢棄的巖矸做為資源，這樣可以大大降低建設成本，并且減少了工程中常規石料的使用量，進而減少了因開山采石造成的山林破壞，保護了生態環境。對于那些沒有工業生產利用價值的煤矸石，可以用來充填溝谷、塌陷區和復墾造地，同時進行綜合整治，這樣既能處理煤矸石固體廢物，減少了堆存煤矸石的占地面積，又可以使原來因采煤沉陷的土地得到恢復和利用，對于我國土地資源的保護，意義十分重大。

2.2 煤矸石發電

當煤矸石的發熱量大于5 000 kJ/kg時，可利用煤矸石發電，或在煤矸石中摻入煤或者煤泥進行發電，發電的灰渣還可做建材，這樣可以將資源利用最大化，變廢為寶，還能搞活地方經濟，解決就業。

2.3 在化工方面的應用

煤矸石中含有鋁、鐵、鋇、鈣鍺、鈦等化學元素，當其中某一種或幾種元素的含量，能夠達到工業利用價值時，就可以將其進行提取，制成化工原料以及化工產品。煤矸石的主要化學成分是Al2O3和SiO2，當煤矸石成分中Al2O3的質量分數達到35%時，即可以利用其中的鋁元素，生產硫聚合氯化鋁鐵。當用煤矸石生產聚合氯化鋁時，剩留的硅渣中經常含有大量SiO2，可以將其與堿進行反應(例如NaOH)，就可以制成水玻璃，當煤矸石中TiO2質量分數達到7.2%時，可制備鈦白粉。

2.4 在農業方面的應用

煤矸石在農業的應用方面有：因為煤矸石成分中含有粉砂巖、炭質頁巖和微量元素等，將其經過粉碎細磨后，并按照一定的比例與過磷酸鈣相混合，同時加入適量的活化劑和水，然后進行充分攪勻堆漚，可以制成新型農用肥料［6］;經研究，煤矸石和風化煤中都含有大量的有機物，是用來攜帶解磷、固氮、解鉀等一些微生物最理想的載體和基質，因此，可以用作微生物肥料;用煤矸石和廉價的磷礦粉作為原料基質，可以制成主要以固氮磷肥、菌肥、鉀細菌肥為主的煤矸石生物肥料;利用煤矸石的酸堿性，以及本身含有的營養成分，再加入一些有機肥料，可以對土壤結構產生有效的改良、增加土壤透氣性以及疏松度，并提高了土壤中的含水率，促進了土壤各類細菌進行新陳代謝、豐富土壤腐植質，使土壤肥化，促進植被生長。

綜上所述，我國礦產資源人均占有量不足世界平均水平的一半，開發和利用新的自然資源不但能緩沖資源匱乏的情況，還能充分利用資源，減少對環境的污染。煤矸石是在煤炭開采過程中產生的廢棄物，重視它的重復利用，使它的經濟價值最大化，不但是用循環經濟模式對煤炭企業進行的產業規劃和轉型，還是煤炭企業和諧、可持續發展的生產方式。