淺談煤矸石負(fù)價(jià)值的轉(zhuǎn)化

孫 瑩

煤矸石是采煤和洗煤過(guò)程中排放的固體廢物，是一種在成煤過(guò)程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石［1］。煤矸石的主要來(lái)源有：1)在巖石巷道和井筒掘進(jìn)過(guò)程開(kāi)鑿出的巖石，其中主要包含有粉砂巖、礫巖、泥巖、砂巖、石灰?guī)r和頁(yè)巖。2)在開(kāi)采煤層和掘進(jìn)煤層巷道過(guò)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(guò)程中，向外排出的煤矸石，主要是由煤層中各種類(lèi)夾石，例如：黏土、高嶺石、黃鐵礦結(jié)合核等。煤矸石是由無(wú)機(jī)質(zhì)和一些少量有機(jī)質(zhì)組成的混合物，它的化學(xué)成分主要包括SiO2、C和Al2O3。煤矸石的化學(xué)成分很不穩(wěn)定，在不同的地區(qū)變化差異較大，但變化通常在一定的范圍內(nèi)。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(shù)10 cm的塊石到黏粒甚至膠粒，最常見(jiàn)的礦物有蒙脫石、高嶺石、黃鐵礦、長(zhǎng)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(dá)68%［2］。

負(fù)價(jià)值是開(kāi)發(fā)利用礦產(chǎn)資源所導(dǎo)致的一切社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境損失，煤矸石所產(chǎn)生的資源環(huán)境負(fù)價(jià)值是顯而易見(jiàn)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(zhì)前提。因?yàn)榱蜩F礦燃點(diǎn)比較低，在水的促進(jìn)下能夠發(fā)生氧化反應(yīng)，生成硫酸型水溶液，同時(shí)伴隨反應(yīng)放出大量的熱，進(jìn)而加快煤的水解;在有氧供應(yīng)條件下，硫鐵礦能低溫自燃，并釋放出熱量，隨著時(shí)間的推移，矸石山內(nèi)部的熱量不斷積聚，溫度不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)，引起含碳物質(zhì)的燃燒，最后導(dǎo)致矸石山自燃。

1.2 對(duì)大氣的污染

煤矸石對(duì)大氣環(huán)境的影響主要包括兩個(gè)方面：一是煤矸石在運(yùn)輸、堆放過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，這些揚(yáng)塵不僅對(duì)周邊的空氣質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響，而且還將周?chē)霓r(nóng)作物、道路、居房大面積覆蓋，在大氣雨水的作用下，這些揚(yáng)塵形成酸性物質(zhì)，對(duì)矸石山周邊的水質(zhì)造成嚴(yán)重破壞，進(jìn)而影響到了人們的身體健康和生活環(huán)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(jī)質(zhì)和炭質(zhì)等可燃物，長(zhǎng)期暴露在大氣中，與氧長(zhǎng)期接觸可產(chǎn)生大量有毒氣體SO2、H2S及窒息性氣體 CO、氮氧化合物等［3］。嚴(yán)重危害煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境影響人們的生活、生產(chǎn)和身心健康。

1.3 對(duì)水體的污染

煤矸石一般含有硫分和其他有害元素，它經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的風(fēng)化和大氣降雨淋溶作用，產(chǎn)生酸性物質(zhì)和各種有毒的金屬元素滲入到地下，對(duì)土壤有嚴(yán)重污染，進(jìn)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(duì)人體牲畜健康產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的不良影響，直接或者間接地危及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)［4］。

1.4 對(duì)土壤的污染

我國(guó)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(gòu)買(mǎi)和補(bǔ)償，這些給煤礦本身造成了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。另一方面，矸石山長(zhǎng)期風(fēng)化飄落的降塵中含有大量重金屬元素，它能使土壤受到嚴(yán)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(shí)對(duì)植物的光合作用也起到一定的阻礙作用。

在主要礦產(chǎn)資源人均占有量不足世界平均水平一半的我國(guó)，如果將煤矸石充分利用，使其負(fù)價(jià)值轉(zhuǎn)換，不僅可以減輕對(duì)環(huán)境污染和資源的消耗，還具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 煤矸石負(fù)價(jià)值的轉(zhuǎn)化

煤矸石主要的來(lái)源有煤巖巷道及巖石、硐室掘進(jìn)和煤炭中雜混的矸石。目前，隨著開(kāi)采深度的逐步加深，為了滿(mǎn)足一些設(shè)備在安裝、運(yùn)輸以及正常生產(chǎn)時(shí)的通風(fēng)條件，不斷加大其巷道斷面、煤巖巷道的數(shù)量或巖石巷道。因此，在開(kāi)拓掘進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煤矸石。雖然一些相關(guān)部門(mén)已經(jīng)采取了措施，例如加強(qiáng)頂板支護(hù)、控制采掘機(jī)械割破頂?shù)装鍘r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(yīng)用

煤矸石在工程方面主要應(yīng)用于制磚、制水泥、鐵路和公路路基、土地復(fù)墾、礦區(qū)回填等。因?yàn)槊喉肥哂幸欢ǖ臒Y(jié)性和可塑性，可以通過(guò)均化、破碎、凈化和陳化等工藝加工處理后，用來(lái)制做磚塊;由于煤矸石同黏土的化學(xué)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(lái)生產(chǎn)普黏土通水泥可以提高熟料的質(zhì)量;煤矸石中含有一定量的活性物質(zhì)，具有比較好的路用性能、強(qiáng)度以及很好的抗風(fēng)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(shè)成本，并且減少了工程中常規(guī)石料的使用量，進(jìn)而減少了因開(kāi)山采石造成的山林破壞，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。對(duì)于那些沒(méi)有工業(yè)生產(chǎn)利用價(jià)值的煤矸石，可以用來(lái)充填溝谷、塌陷區(qū)和復(fù)墾造地，同時(shí)進(jìn)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(lái)因采煤沉陷的土地得到恢復(fù)和利用，對(duì)于我國(guó)土地資源的保護(hù)，意義十分重大。

2.2 煤矸石發(fā)電

當(dāng)煤矸石的發(fā)熱量大于5 000 kJ/kg時(shí)，可利用煤矸石發(fā)電，或在煤矸石中摻入煤或者煤泥進(jìn)行發(fā)電，發(fā)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(jīng)濟(jì)，解決就業(yè)。

2.3 在化工方面的應(yīng)用

煤矸石中含有鋁、鐵、鋇、鈣鍺、鈦等化學(xué)元素，當(dāng)其中某一種或幾種元素的含量，能夠達(dá)到工業(yè)利用價(jià)值時(shí)，就可以將其進(jìn)行提取，制成化工原料以及化工產(chǎn)品。煤矸石的主要化學(xué)成分是Al2O3和SiO2，當(dāng)煤矸石成分中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到35%時(shí)，即可以利用其中的鋁元素，生產(chǎn)硫聚合氯化鋁鐵。當(dāng)用煤矸石生產(chǎn)聚合氯化鋁時(shí)，剩留的硅渣中經(jīng)常含有大量SiO2，可以將其與堿進(jìn)行反應(yīng)(例如NaOH)，就可以制成水玻璃，當(dāng)煤矸石中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7.2%時(shí)，可制備鈦白粉。

2.4 在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

煤矸石在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用方面有：因?yàn)槊喉肥煞种泻蟹凵皫r、炭質(zhì)頁(yè)巖和微量元素等，將其經(jīng)過(guò)粉碎細(xì)磨后，并按照一定的比例與過(guò)磷酸鈣相混合，同時(shí)加入適量的活化劑和水，然后進(jìn)行充分?jǐn)噭蚨褲a，可以制成新型農(nóng)用肥料［6］;經(jīng)研究，煤矸石和風(fēng)化煤中都含有大量的有機(jī)物，是用來(lái)攜帶解磷、固氮、解鉀等一些微生物最理想的載體和基質(zhì)，因此，可以用作微生物肥料;用煤矸石和廉價(jià)的磷礦粉作為原料基質(zhì)，可以制成主要以固氮磷肥、菌肥、鉀細(xì)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(yíng)養(yǎng)成分，再加入一些有機(jī)肥料，可以對(duì)土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jìn)了土壤各類(lèi)細(xì)菌進(jìn)行新陳代謝、豐富土壤腐植質(zhì)，使土壤肥化，促進(jìn)植被生長(zhǎng)。

綜上所述，我國(guó)礦產(chǎn)資源人均占有量不足世界平均水平的一半，開(kāi)發(fā)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(duì)環(huán)境的污染。煤矸石是在煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，重視它的重復(fù)利用，使它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大化，不但是用循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式對(duì)煤炭企業(yè)進(jìn)行的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和轉(zhuǎn)型，還是煤炭企業(yè)和諧、可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)方式。