湖南煤矸石資源特征及綜合利用途徑分析

朱文卿 何 濤

（1.湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙 410014；2藍山縣自然資源局，湖南 永州 425800）

湖南省含煤地層分布廣，資源儲量相對豐富，煤炭作為基礎能源的主體地位不會改變。據調查，每產100萬t煤炭，排放矸石16萬t左右，目前采損煤炭已累計約13億萬t，據此粗略估計已排放煤矸石約2億t。大小煤矸石山堆積遍及全省，歷史堆積存量大，且還將以更快速度持續遞增，已經成為固、液、氣三害俱全的污染源。煤矸石的資源屬性大多被忽視，煤矸石大量的堆積是一種資源浪費，摸清煤矸石資源特性，開展煤矸石綜合利用研究已勢在必行[1-4]。

1 湖南煤矸石分布特征

湖南省根據構造格架控制可劃分為桑石、黔溆、漣邵、韶山、郴耒、資汝六大煤田（圖1），煤矸石分布于其中。除地處江南隆起剝蝕區的湘東北地區沒有堆存外，全省各地都有集中或零星堆存，主要堆積在湘中的漣邵煤田、湘東南的郴耒煤田及資汝煤田。三個煤田煤炭資源占全省的80%以上，國有大型煤礦較集中，開采歷史悠久，煤炭儲量豐富，煤矸石堆存規模及預期產量巨大。

圖1 湖南省六大煤田劃分圖

1.1 漣邵煤田煤矸石分布特征

漣邵煤田是湖南主要產煤區，礦山數量多，規模相對較大，開采強度大，儲量居湖南第一，有規模相對較大的煤炭開采企業，如冷水江金竹山煤礦、資江煤礦等，又有許多小型煤礦山星羅棋布。該區煤矸石堆存總量占全省35%以上，國有煤礦的矸石堆存集中，多臨近城區，冷水江、漣源城區有矸石山環繞，單個矸石山可達百萬噸，而各小型煤礦煤矸石堆存數量眾多、規模較小、分布散亂，以萬至十萬噸級別為主。

1.2 郴耒煤田煤矸石分布特征

郴耒煤田煤炭資源儲量及累計采損量均較大，有多家較大規模的煤礦，如宜章梅田、永興湘永等煤礦。該煤田煤矸石堆存總量占全省30%以上，煤矸石以國有煤礦為主體，在各礦區范圍內較集中，離城區有一定距離，但國有煤礦與小型煤礦堆存總量相當。小型煤礦分布散亂，環境問題突出，如攸縣黃蘭礦區開采歷史悠久，老窯眾多，煤矸石堆體達數百處，堆積總量大于當地國有礦山。

1.3 資汝煤田煤矸石分布特征

資汝煤田煤炭資源儲量及累計采損量在湖南所占比重不大，但該區開采歷史長，區內分布國有鯉魚江煤礦、唐洞煤礦等現代化礦井七對。煤矸石堆存占全省比重小，但國有大型煤礦聚集，煤矸石堆存高度集中，單個礦山堆存量可達百萬噸級別，臨近城區，便于利用。

2 煤矸石資源特征

湖南省煤炭資源形成期時代多，不同含煤地層、不同礦區、不同層位的煤矸石理化特性差異較大，本次研究從發熱量、巖石組成、有益元素等方面對湖南煤矸石資源分類進行了初步探討。

2.1 發熱量分類

煤矸石的發熱量決定著煤矸石資源化利用的方向。根據《國家能源局關于促進煤矸石發電產業健康發展的通知》，用于發電煤矸石發熱量不得低于5.02 MJ/kg，根據《邵陽市關于加強磚瓦用頁巖開發利用管理的通知》，磚用煤矸石發熱量不低于2.52 MJ/kg，將其分為三類：一類＞5.02 MJ/kg，二類2.52～5.02 MJ/kg，三類＜2.52 MJ/kg。一類煤矸石發熱量相對較高，一般宜用作煤矸石電廠發電燃料，二類煤矸石可利用其發熱量生產內燃磚、瓦等建材制品，三類煤矸石可根據其物質組成特征確定其利用方向，如作為生產水泥、化肥、陶瓷原材，或作為建筑石材直接利用。

本次調查收集了郴耒煤田梅田礦區、漣邵煤田常樂礦區6組煤矸石樣品化驗資料（表1），測試結果表明，梅田礦區3組樣品煤矸石發熱量為4.73～7.88 MJ/kg，平均6.08 MJ/kg；常樂礦區3組樣品煤矸石發熱量為2.37～4.81 MJ/kg，平均3.20 MJ/kg。

表1 煤矸石樣品工業分析結果及發熱量分類表

2.2 巖石組分分類

煤矸石為多種巖石混合物，以礦物組成為基礎，湖南省產于不同地區、不同時代層位、不同開采方式的煤矸石化學成分差別很大，一般可分為粘土類矸石、砂巖類矸石兩類。粘土類矸石多產自煤層夾矸、直接頂底板，主要由碳質泥巖、泥巖、砂質泥巖組成，多呈黑色、深灰色，粉末狀、碎塊狀，碳含量、粘土含量相對較高，石英含量低。砂巖類矸石一般產自掘進巷，主要由粉砂、細砂巖、中粒砂巖組成，多呈淺灰色，塊狀，較堅硬，其碳含量、粘土含量低，石英含量低。

煤矸石中SiO2、Al2O3、CaO等化學成分含量與巖石組成相關。粘土類矸石，Al203含量高；砂巖類矸石，SiO2含量高。張術根等根據矸石Al2O3、SiO2的含量將煤矸石劃分為高鋁質、粘土巖質、砂巖質三大類（表2），可大致區別其利用途徑。高鋁質矸石主要利用其高嶺石或Al2O3；粘土巖質可用于燒制磚瓦、陶瓷，制造硅酸鹽水泥；而砂巖質矸石重在利用SiO2和石英，可制作高硅微晶玻璃。

表2 高鋁質、粘土巖質、砂巖質煤矸石分類依據

2.3 煤矸石中有益元素分類

煤矸石中含種類繁多的稀有稀土元素，當煤矸石中某種元素或幾種元素富集到具工業利用價值時,可根據其稀有元素含量進行分類，以便利用。本次收集了湖南4個煤矸石樣品重金屬元素含量分析結果，各類重金屬元素含量均較低，目前不具有回收利用的經濟和技術可行性，見表3。

表3 部分煤礦煤矸石重金屬元素含量 （g/t）

3 煤矸石綜合主要利用途徑

3.1 煤矸石發電

利用煤矸石發電，是煤矸石最有效利用途徑。湖南有多個礦區煤矸石發熱量滿足要求，目前湖南省已有多個煤矸石發電項目，如資興市三都礦區有大量煤矸石產出與堆積，固廢污染嚴重，為此投建煤矸石發電廠，每年利用煤矸石約60萬t，發電3.6億度，增加就業崗位近300個，社會、經濟及生態效益顯著。

3.2 制備內燃磚

隨著粘土磚的全面禁用，煤矸石成為制磚的主要材料之一。因煤矸石自身具有一定發熱量，燒制時可節省大量燃料，同時煤矸石磚抗壓、抗剪強度高于傳統粘土磚，且具有質輕、保溫等特點，是一種優質的綠色建材。湖南邵陽縣在煤矸石制磚方面取得了顯著成效，年產約1億塊，利用煤矸石約20萬t，節約原煤0.6萬t，減少CO2排放約1.5萬t，既大幅節約制磚成本，又保護了生態環境。

3.3 水泥原料

煤矸石中含有較高的Al2O3、SiO2、CaO，同時具備一定發熱量，可作為水泥生產的原、燃料，既可利用其物質成分代替傳統水泥原料的物質組分，又可利用其自身發熱量，使得煅燒更為充分。如湖南宜章縣輝亮水泥廠，利用煤矸石取代粘土，年利用煤矸石約3萬t，節約原煤0.5萬t。

3.4 在陶瓷工業中的應用

大量的研究和實踐表明，部分煤矸石礦物成分和化學組分與粘土相近，其工藝性能在一定的技術條件下符合陶瓷生產的要求。Al2O3含量高的矸石是燒制陶瓷的優質原料，如湖南青峰煤礦煤矸石滿足制陶要求。

3.5 生產農肥

碳含量高的煤矸石中，富含植物生長所需的多種微量元素，同時煤矸石具有微觀孔隙結構發育，具有較好的吸附容量，是攜帶固氮、解磷、解鉀等微生物最理想的基質和載體，可制備有機復合長效肥料。肥料顆粒風化伴隨著有機養分的逐漸釋放，在2～3年內可保持化肥持續發揮作用，玉米、谷物較常規化肥增產約10%。

3.6 充填塌陷區、復墾及建筑石材

對于沒有深加工價值的煤矸石，一般直接用于礦山采空區、塌陷填充或建筑石材。在寧鄉市煤炭壩礦區采空區塌陷治理、湘潭縣譚家山礦區生態修復中，煤矸石復墾及填充塌陷取得較好效果。耒陽市富興煤礦以砂巖質矸石制備不同粒徑石材，已成為礦山新的經濟增長點。

4結論與建議

湖南煤矸石資源豐富，品類繁多，具有多重資源屬性，煤矸石的綜合利用將化害為利，減少環境污染，有效調和生態環境與礦業活動之間的矛盾。為充分發揮煤矸石資源屬性，最大限度地實現廢物資源化，具體建議如下：

（1）對湖南煤矸石資源特征及堆存現狀展開系統調查，以掌握煤矸石空間分布、堆存數量、物質組成、物理性質、化學成分等特征，基于利用途徑，對全省主要煤矸石進行分類、分級。

（2）倡導全省煤礦建立煤矸石臺賬，排矸進行分類堆放，統計各類矸石產出情況，以實時掌握矸石產出情況。

（3）支持煤矸石綜合利用項目科研立項，科技先行，以攻克煤矸石高層次利用中的技術難點，為煤矸石生產高附加值產品提供技術保障。

（4）出臺一系列煤矸石綜合利用的鼓勵政策，扶持煤矸石綜合利用企業，進而建立煤矸石綜合利用示范基地，以點帶面輻射推廣。