煤礦區固體廢料物-煤矸石的最佳利用策略研究

連柏霖 冀中能源股份有限公司東龐礦

一、引言

近幾年來，我國的煤炭產業發展迅速，國家和社會對于煤炭的需求越來越大，我國每年需要從國外進口大量的煤炭，而我國的煤炭開采量也在持續增加，這就導致了煤炭開采過程中出現了很多的固體廢棄物，煤矸石就是其中的一種。煤矸石的組成是非常復雜的，其中含有很多的有害物質，一旦在環境中進行堆積，就會對環境產生很大的破壞。同時，煤矸石雖然是煤炭開采過程中產生的固體廢棄物，但是其中含有很多的鐵、硫等，通過一定的提取可以獲得大量的工業原料，同時煤矸石還可以作為建筑材料的原料，總之煤矸石如果沒有加以利用，不僅占據極大地空間，而且還會污染環境，如果能夠對煤矸石加以利用，那么就可以變廢為寶。本文將對煤矸石進行深入的探討。

二、煤礦石的研究背景

（一）煤矸石的來源

多年來，中國的煤炭開采量一直居于全球首位，煤炭開采過程中會開采出大量的礦業固體廢棄物，煤矸石就是其中的一種。煤矸石會在煤炭開采的多個過程中產生出來，比如建井時、改擴建礦井、原料煤洗煤時等等，這些場景都會產生煤矸石。另外，在地下，沉積巖層中存在大量的煤矸石，也會隨著開采的進行而來到地表。我國對于煤矸石的處理方式為自然堆積，通常為堆積在開采礦場的附近，這也是煤矸石的來源之一。

（二）煤矸石的組成

煤矸石內元素的含量是非常復雜的，一般來說煤矸石是由黏土巖、砂巖、碳酸鹽巖、鋁質巖等組成，是一種無機混合物，含有不同量的三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀等等。經過對煤矸石的具體測定，目前可以得知的數據如下：二氧化硅占比55%，三氧化二鋁的占比為32%，三氧化二鐵的占比為5.2%，氧化鈣的占比為0.8%，氧化鎂的占比為1.86%，二氧化鈦占比為2.85%，氧化鉀和氧化鈉的占比為2.13%，五氧化二釩的占比為0.01%，五氧化二磷的占比為0.15%等等，總之，煤矸石的化學元素組成是比較復雜的，這也給煤矸石的利用提供了條件。

（三）煤矸石的特性

煤矸石是一種黑色固體，燃燒后通常結構松散，呈現出淡黃色，這也就導致了煤矸石具有多孔性的特征。煤矸石的多孔性主要是因為煤矸石中含有一定量的碳，在經過一定的物理手段處理之后，煤矸石的表面會呈現出空隙，導致比表面積變大。另外，煤矸石中因為含有大量的二氧化硅和三氧化二鋁，這也就導致了煤矸石具有一定的活性，能夠在焙燒之后形成二氧化硅等。

（四）煤矸石的危害

社會的發展離不開煤炭，工業的發展更離不開煤炭，但是當前的環境問題日益突出，已經嚴重的影響了我國經濟的發展，因此在當前的情況下，必須要從煤炭開采過程入手，使得煤炭開采活動能夠盡量的減少對環境產生不好的影響。長期以來，煤矸石并沒有得到真正有效地利用。煤矸石是一種與煤層一同產生的、含碳量較低的巖石，由于利用的價值不是很高，很多煤矸石就采用了堆積的方式進行處理，這對環境產生了不好的影響。

首先，煤矸石中含有大量的金屬氧化物，甚至還含有一些有毒的重金屬離子，這些金屬物質通常會在煤矸石風化后，隨著雨水進入到土壤，從而對土壤、地下水造成污染，嚴重的后果可能會導致植被死亡，使得山體和土壤水土流失。其次，煤矸石的排放量是非常巨大的，這和我國的煤礦開采量大成正比，煤矸石的自然堆放占據了大量的土地面積，還造成了土地的富離子化，使得土壤的可利用性大大降低。最后，煤矸石中含有一定量的可燃燒物質，并且煤矸石在堆積的過程中會因為氧化釋放出大量的熱，如果熱量無法消散，煤矸石的內部溫度就會越來越高，最終導致煤矸石出現燃燒的情況，燃燒的過程中會釋放大量的一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等能夠嚴重污染空氣的氣體，這會威脅到人民群眾的人身和財產安全。

三、國內煤矸石發展現狀

（一）煤矸石的利用率較低

目前，我國的煤矸石的利用率較低，但是同時堆積量是巨大的，這也就導致了環境的污染。我國煤矸石的利用方向主要是工程，在進行煤炭開采的過程中利用煤矸石回填礦井，這樣煤矸石的利用率是非常低的。同時，因為煤矸石的開發工藝比較困難，煤矸石沒有發揮出潛在的利用價值。但是隨著國家在環境保護上的力度越來越大，對于煤炭行業的發展也提出了更多的要求，以煤矸石為原料的產品逐漸的開始出現在市場上，但是其總量比較少，無法真正的推動煤炭行業的技術更新。

（二）缺乏有效地激勵政策和配套政策

多年以來，煤矸石的利用率比較低主要是因為相關的技術開發難度比較大，企業在煤矸石利用方面需要投入的資金量是巨大的，這也就導致了很多企業并不愿意在煤矸石利用方面進行資金投入和技術研發。雖然當前國家對于煤炭行業的開采做出了新的環境保護要求，要求企業在煤炭開采的過程中盡量保持生態環境不被破壞，而這一要求對于煤矸石的處理提出了新的要求。當前，很多企業也在投入資金開始對煤矸石的利用進行技術研發，但是政府相關的政策配套和激勵約束政策并沒有出臺，這也就導致了企業的研發行為并不是非常積極，沒有做到回收煤矸石當中的有用成分，并給予極高的附加值，即使有的企業已經開發出了相關的技術，但是因為開發難度高、投入產出比較小，僅僅停留在了研究與示范的階段，沒有形成成熟的技術。

（三）缺乏相應的人才

煤炭產業的人才是極度缺乏的，因為煤炭產業是屬于高能耗產業，在人們的印象當中工作環境是比較差的，而且需要研究人員長期的坐冷板凳，需要沉下心來對煤炭行業相關的物質進行深入的研究，而在這個浮躁的社會，能夠對煤矸石進行深入研究的人才幾乎沒有，其產業人才是極度缺乏的。并且煤炭相關行業研究成果的應用是不順暢的，煤炭行業與建材、化工等行業的合作結合不好，即使煤炭企業研究出了非常高效的煤矸石利用方法，由于與其他行業溝通不暢，也會導致技術的推廣和應用產生滯后局面。

四、煤矸石利用最佳發展方向

（一）煤矸石電廠

隨著國家經濟總量在不斷增長，社會對于電力的需求也越來越旺盛，當前的發電形式是多種多樣的，但是燃燒化石燃料進行發電仍然是主要方式，即使在使用的過程中對化石燃料進行了各種無害化處理，但是對于環境的影響還是非常大的，所以必須要能夠減少化石燃料發電量。近幾年，采用循環流化床鍋爐的發電廠發展越來越快，這種發電廠主要是以煤矸石和質量非常差的、利用價值非常低的煤炭為原材料。這種煤矸石發電廠一般建立在煤炭開采的聚集區，不僅能夠大量的消耗煤炭采集企業在煤炭開采過程中生產出來的煤矸石，還能夠降低運輸成本，減少品質良好的煤炭的使用量，能夠有效的提升煤矸石的使用量，目前這是其中大量使用煤矸石的一種方式。

（二）煤矸石建材企業

煤矸石中僅僅含有非常少量的碳，其主要的組成物質是各種氧化物，其中硅的含量和鐵的含量是非常多的，那么在進行煤矸石利用的時候就可以充分的利用這一特性，對煤矸石進行建筑材料方面的開發，這對于煤矸石的使用是非常巨大的。在目前，通過對煤矸石的加工，能夠以煤矸石為原料生產出煤矸石磚、裝飾磚、多孔磚等等，這件建筑材料在市場上的反響是非常好的，尤其是在一些禁售黏土磚的地區，煤矸石磚銷量非常好。政府或者企業在規劃開展煤矸石建筑材料開發和生產的時候，應當對生產進行充分的考慮，一定要結合當地的實際情況，人民群眾和企業對于煤矸石磚的接受程度，同時為了降低生產的成本，最好是能夠在煤矸石堆積場附近幾十公里內投廠建設，這樣能夠有效的降低因為運輸成本等帶來的損耗，同時也能夠因為低廉的成本而在市場上有足夠的競爭力。

（三）煤矸石生態處置

在以前，煤矸石的主要處理方式為露天堆積，這不僅有很大的危險性，也會造成環境的污染。近年來，國家對于環境保護抓得越來越嚴，這也對煤矸石的生態化處理提出了新的要求，因此目前在很多的煤炭礦場都會采用煤矸石生態處理的方式進行。對煤矸石進行生態處理的主要內容是，在煤矸石堆積區尋找合適的地塊，在做好防泄漏的情況下將煤矸石堆放在地塊中，再在煤矸石上面鋪上土壤，根據各地的標準，可以恢復為耕地的，可以將其作為生產力土地進行農作物的生產，不能恢復為耕地的，可以作為生態土地進行恢復，恢復為林地或者草地，為當地的生態添加一抹綠色。這種方法主要適用于丘陵和山地，不僅能夠填溝造地，還能夠在一定程度上減少煤矸石所帶來的污染，為當地的綠色可持續發展作出一定的貢獻。

（四）煤矸石井下回填

煤矸石井下回填是煤矸石消耗的主要方式，很多礦區在進行煤矸石開采的時候都會根據實際情況進行煤矸石的回填，這在一定程度上可以減少煤炭開采帶來的生態影響。煤矸石井下回填主要使用的技術是沿空留巷巷旁填充無煤柱技術，這種技術已經在很多的礦區實驗成功了，這種方式能夠用煤矸石充填巷道代替留設煤柱。但是由于全國各地的實際情況是不同的，因此各地應當按照實際條件和實際需求去開發煤矸石井下回填的技術，這樣不僅能夠大量的消耗煤矸石，降低煤矸石對于環境的影響，還能夠緩解采掘接續緊張的局面。

（五）煤矸石高端化利用方向

煤矸石除了用于發電、回填、生態處理以外，還可以進行高端開發，使得煤矸石能夠有更高的附加值。煤矸石的化學組成是比較復雜的，其中各種元素的含量也是非常豐富的，那么在進行開發的時候，技術人員就可以通過一定的技術手段來研發出一些高端產品。

1.煤矸石制作陶瓷空心微珠

微米級陶瓷空心微珠是一種微米級的無機材料，這種材料在多個領域都有所應用，如環保建材、保溫板內芯等等，全球的陶瓷空心微珠的應用前景非常廣闊，全球市場對于陶瓷空心微珠的需求是數以億噸計的，目前我國的陶瓷空心微珠的情況是低端自給自足，高端依賴進口的局面，如果能夠在陶瓷空心微珠方面有所突破，降低生產成本，提升產量，就能夠在全球市場中占有一席之地，這對于我國高端產業的發展有著很大的利好。煤矸石制作陶瓷空心微珠的過程一般是煤矸石篩選、破碎、研磨、制漿、干燥成型和燒結。

2.煤矸石制無機纖維

無機纖維是非常好的無機防火保溫材料，在國家禁止使用有機聚氨酯保溫材料的大前提下，無機纖維材料的推廣和利用就有很好的市場前景。目前利用煤矸石進行制備的無機纖維主要分為兩種，分別是超細礦物纖維和硅鋁纖維。利用煤矸石制作超細礦物纖維是作為一種新型產業出現的，超細礦物纖維有著很多的優點，首先是環保節能，能夠用于很多的領域，比如密封、磨砂材料等等，然后是纖維的價格很低，這就能夠給大范圍推廣打下良好的基礎，最后就是有良好的適應性。硅鋁纖維是一種新型的產品，目前在國內已經研究成功并且進行了應用，這種材料應用的范圍更加的廣泛，其適應性和耐受度更高，能夠應用在建筑、石油化工、冶金、建材、機械、纖維紡織等等多個領域，這對于煤矸石的發展來說是非常有利的。

（六）制取工業原料

煤矸石的組成成分重要是二氧化硅和三氧化二鋁，那么在進行煤矸石的開發時，就可以通過化學方法制作各種以這種化合物為原料的工業原料，例如可以制備出氧化鋁、硫酸鋁、水玻璃等等。

五、結語

綜上所述，煤矸石的成分是非常復雜的，隨意在自然環境中進行堆積，對于環境的影響是比較大的，因此通過各種技術對煤矸石進行開發，不僅可以提升煤矸石的利用率，降低當地的生態壓力，還能夠通過高附加值的工業產品來獲得非常高的效益，這對于煤炭開采企業和煤矸石利用企業來說是有利的，因此加強對于煤矸石的開發和利用刻不容緩。