山西沁源地區(qū)煤矸石綜合利用現(xiàn)狀及展望

袁春玉，王 浩

(河南理工大學，河南 焦作 454150)

1 引 言

煤矸石是在煤形成過程中與煤共生、伴生的巖石，是煤炭生產(chǎn)和洗選加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物[1]。不同煤礦由于地質(zhì)條件不同，煤矸石的產(chǎn)量會有差異；不同生產(chǎn)階段煤矸石的產(chǎn)量也會有所不同，如基建期的礦井所產(chǎn)矸石量就要大于生產(chǎn)期。煤矸石曾被視作固體廢物而被忽視，以致矸石堆積成山，難以治理。

據(jù)統(tǒng)計，我國煤矸石堆存占地約106hm2，近40億t煤矸石堆存量使煤矸石已經(jīng)成為我國最主要的固體廢物之一。煤矸石堆放不但占用大量土地資源，有些煤矸石自燃產(chǎn)生的有害氣體還會污染空氣、危害人體健康，雨水沖刷矸石會使有害離子隨雨水進入土壤和河流，污染土壤和水質(zhì)。矸石山結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，會出現(xiàn)滑坡甚至崩塌等安全災(zāi)害隱患。

煤矸石作為一種“放錯位置的資源”，對其進行合理綜合利用將會產(chǎn)生顯著的社會、經(jīng)濟效益。煤矸石由于其所攜帶一定熱值、含有多種化學成分、物理性質(zhì)穩(wěn)定等特點，因此利用前景寬廣。大力開展煤矸石綜合利用，不但可以緩解資源緊張問題，而且可以減輕煤矸石對空氣、土地、水源的污染[2]。對歷史堆積煤矸石的治理和綜合利用是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然需要，是礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的重要抓手，也是煤炭產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容之一。

在以煤炭產(chǎn)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)的沁源縣，煤炭生產(chǎn)在推動地方經(jīng)濟和社會發(fā)展的同時，產(chǎn)生的大量煤矸石固體廢物難以處理，對環(huán)境造成嚴重破壞。因此，對煤矸石進行處置、利用分析，對于建設(shè)“綠色沁源”具有重要意義。

2 沁源地區(qū)煤矸石排放及綜合利用現(xiàn)狀

沁源縣煤礦一般開采煤層為薄和中厚煤層，煤層底板多為穩(wěn)定和中等穩(wěn)定，礦井多采用走向長壁綜合機械化開采。煤層厚度變化較大，且主采煤層的礦井多為高瓦斯礦井，主要煤礦中高瓦斯礦井17個，低瓦斯礦井11個。

沁源縣煤炭產(chǎn)能3 030萬t/a，主要煤礦28個，選煤廠11座，其中生產(chǎn)礦井20個，產(chǎn)能1 940萬t/a，基建礦井8個，產(chǎn)能1 050萬t/a。按井型可分為中型礦井16個(60萬t/a礦井3個，90萬t/a礦井12個)，大型礦井15個(120萬t/a礦井10個，180萬t/a礦井2個，210萬t/a礦井1個)。煤矸石每年產(chǎn)生量約為300萬t。沁源縣目前煤矸石綜合利用方法主要為地表或山谷充填、發(fā)電、制磚三種方式。其中地表、山谷充填利用矸石量約240萬t/a，占年產(chǎn)矸石量的80%；煤矸石發(fā)電利用矸石量約33萬t/a，占年產(chǎn)矸石量的11%；煤矸石制磚利用矸石量約27萬t/a，占年產(chǎn)矸石量的9%，如圖1所示。從圖1可見，沁源縣煤矸石的利用主要是充填地表山谷。

圖1 沁源縣煤矸石處置方式及所占比例

沁源縣煤矸石利用現(xiàn)狀見表1。

表1 沁源縣煤矸石利用現(xiàn)狀

2.1 煤矸石充填地表山谷

沁源縣將煤矸石用于地表山谷充填的企業(yè)需根據(jù)環(huán)評標準建立矸石場，但由于沁源縣煤矸石產(chǎn)量相對較大，企業(yè)的矸石場庫容量并不能滿足目前需要。對于企業(yè)現(xiàn)使用的煤矸石堆場，需配套建設(shè)排洪渠、導(dǎo)流渠、攔矸壩、消力池、排水函洞等設(shè)施。堆存煤矸石時，應(yīng)設(shè)計穩(wěn)定的邊坡角度，及時采取分層覆土壓實，一般每層煤矸石堆存厚度不超過3 m，覆土厚度不低于0.5 m。

矸石場閉場后，應(yīng)設(shè)置完整的排水系統(tǒng)，保證防洪和排水設(shè)施符合規(guī)范要求[3]。矸石場平整和覆土處理過程中，堆放高度不超過5～8 m，臺階寬度應(yīng)在1 m以上，臺階邊坡坡度小于33%，覆土厚度50 cm以上，形成有利于林木植被恢復(fù)的地表條件[4]。同時，要堅持因地制宜，宜林則林、宜草則草、草灌優(yōu)先，依據(jù)景觀相似性原則選擇植物種進行綠化或景觀恢復(fù)植被，恢復(fù)后的植被覆蓋率不應(yīng)低于當?shù)赝愅恋刂脖桓采w率，植被類型要與原有類型相似、與周圍景觀協(xié)調(diào)。

從沁源縣多山谷的地勢情況看，地表山谷充填具有良好的地理條件，地表充填處置煤矸石投入較小，處置量大。但由于地表充填環(huán)境危害較大，危險性較高，且環(huán)保部門對矸石場建設(shè)條件極為嚴格，致使地表充填并不能有效解決沁源縣的煤矸石堆存問題。

2.2 煤矸石發(fā)電

(1)技術(shù)原理。煤矸石發(fā)電主要采用的是循環(huán)流化床(CFB)發(fā)電技術(shù)，投入鍋爐中的固體顆粒在氣流的作用下在空中漂浮，使得煤矸石固體顆粒與空氣的接觸面積增大，固體顆粒燃燒的熱效率得到提高[5]。

(2)煤矸石發(fā)電的效益分析。煤矸石發(fā)電可以減少煤炭資源的使用，減輕能源壓力[6]；煤矸石發(fā)電可以消耗一部分煤矸石，減輕煤矸石對環(huán)境的污染[7]；煤矸石電廠可以為當?shù)靥峁┕ぷ鲘徫唬徑饩蜆I(yè)壓力；煤矸石電廠的余熱可為周圍地區(qū)冬季供暖。

(3)煤矸石發(fā)電的缺點。煤矸石發(fā)電前期成本投入高，產(chǎn)能較低；煤矸石熱值低，含灰量大，含硫量高，鍋爐點火過程復(fù)雜，發(fā)電廠能耗較大[8]；煤矸石發(fā)電的尾氣處理需要大量投入資金。

(4)實例分析。位于山西省沁源縣李元鎮(zhèn)李元村的山西沁新集團煤業(yè)有限公司煤矸石發(fā)電廠，占地面積184 760 m2，裝機容量57 MW，是沁源縣較為成功的煤矸石發(fā)電企業(yè)之一。該電廠2018年消耗煤矸石共計4.2萬t，所產(chǎn)電能大部分供企業(yè)自身用電，屬于自備電廠。同時，電廠還為李元區(qū)400萬m2的地區(qū)供熱取暖，實現(xiàn)“熱電聯(lián)產(chǎn)”，提升了電廠的經(jīng)濟效益。但是，由于其產(chǎn)能較低，煤矸石發(fā)電廠的發(fā)展受限，效益較低。

2.3 煤矸石制磚

(1)工藝流程。作為煤矸石最主要的利用方式，煤矸石制磚具有用矸量大、技術(shù)要求和前期投入較低等優(yōu)勢。煤矸石制磚生產(chǎn)工藝流程見圖2。

圖2 煤矸石制磚生產(chǎn)工藝流程示意

(2)效益分析。由于煤矸石具有一定熱值，煤矸石磚燒制過程中可節(jié)約能源；用煤矸石作原料制磚還可以大大減少黏土的用量[9]，使磚塊的生產(chǎn)成本大幅度降低，也使得黏土磚破壞耕地的現(xiàn)象得到緩解。因此，煤矸石制磚具有可觀的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，具有一定的市場前景。一些高鋁、高鐵、高鈣、高硫煤矸石不適合直接燒制磚塊，但可以通過水泥等外加劑，采用壓塊形式生產(chǎn)非燒結(jié)磚，此類產(chǎn)品具有技術(shù)簡單、消耗煤矸石量大、能源消耗低等優(yōu)點。

(3)實例分析。位于沁源縣郭道鎮(zhèn)郭道村的明源集團煤矸石制磚廠屬明源集團旗下產(chǎn)業(yè)之一，依托明源集團下屬煤礦、選煤廠、發(fā)電廠等優(yōu)勢，處理煤礦生產(chǎn)過程中遺留的煤矸石固體廢物。目前，該制磚廠日產(chǎn)磚量過萬塊，年產(chǎn)磚量約5 000萬塊。一塊矸石磚約消耗2.5 kg煤矸石，則磚廠年利用煤矸石約12萬t。煤矸石制磚不僅有效減少了矸石外排，還變廢為寶，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益。制磚過程中，將選煤廠篩出的矸石作為制磚原材料，經(jīng)過粉碎達到一定粒度，再根據(jù)煤矸石的實際發(fā)熱量配以一定量的黏土后制作矸石磚。對燒制過程中破損的矸石磚，則將其進行粉碎后重新回爐再燒，達到循環(huán)利用的目的。目前，制磚廠所制矸石磚與普通粘土磚在硬度以及價格方面均沒有差別，用戶遍布沁源縣各地。據(jù)了解，該制磚廠已完全解決了明源集團產(chǎn)煤所排出的煤矸石處理問題，是明源集團產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分。由于煤矸石制磚產(chǎn)能較低，若以傳統(tǒng)的窯爐燒制煤矸石磚，會產(chǎn)生大量有害氣體污染空氣；加之目前煤矸石磚市場占有率較低，運輸成本較高，這些因素都制約著矸石磚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3 其他煤矸石綜合利用方法

3.1 煤矸石生產(chǎn)水泥

對于含二氧化硅較多的煤矸石可以用來燒制水泥，對于二氧化硅含量較少的煤矸石可以在生產(chǎn)水泥時作為惰性材料以一定的比例摻入其中。今后可以加強對煤矸石生產(chǎn)硫鋁酸鹽水泥等高性能水泥的研究，并在降低高性能水泥成本的基礎(chǔ)上，提升煤矸石的經(jīng)濟價值。

3.2 井下巷道填充

井下巷道煤矸石充填技術(shù)是固體充填采煤技術(shù)的初步嘗試，該技術(shù)利用高速動力拋矸機將原生矸石以較快的沖擊速度拋投至采空區(qū)，達到廢棄矸石井下處理和巖層移動控制的目的。井下巷道煤矸石充填技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備為高速動力拋矸機，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖3所示。該技術(shù)曾在我國的邢臺、新汶、兗州、棗莊等礦區(qū)先后推廣應(yīng)用[10]。

圖3 拋矸機結(jié)構(gòu)及工作原理示意

3.3 煤矸石人工景觀公園

采用煤矸石對地表進行充填復(fù)墾后，地表可以建造礦山公園，國內(nèi)已有多個成功案例。但這種利用煤矸石的方式需要一定的外界條件，并不是所有地區(qū)都適合建造自然景觀。煤矸石充填復(fù)墾后建造景觀公園可以有效治理煤矸石污染問題，但見效慢、投入大、回報少等因素都制約了這種方式的發(fā)展，但如果在交通、地質(zhì)條件優(yōu)越的地區(qū)，卻是值得發(fā)展的煤矸石利用項目。

4 前景展望

目前國內(nèi)常見的煤矸石利用方法有井下充填、矸石山人工植被、開采塌陷區(qū)充填、煤矸石發(fā)電、煤矸石有用成分提純、煤矸石制磚及水泥等建筑材料。沁源地區(qū)對于煤矸石的開發(fā)利用仍處于探索階段，技術(shù)經(jīng)驗仍不成熟。

根據(jù)沁源地區(qū)交通、矸石產(chǎn)量等情況，沁源地區(qū)可優(yōu)先發(fā)展用矸石量大的煤矸石建材產(chǎn)業(yè)。煤矸石建材主要以煤矸石磚、煤矸石骨料混凝土、煤矸石水泥、煤矸石微晶玻璃等為主。其中煤矸石磚分為實心磚、空心磚等，煤矸石空心磚由于具有自重較輕、堆砌方便、造價低廉、節(jié)能降耗等優(yōu)點在煤矸石建材產(chǎn)品中較為突出。沁源地區(qū)的煤矸石制磚企業(yè)可引進相應(yīng)的先進技術(shù)，逐漸淘汰技術(shù)落后、污染較大的傳統(tǒng)實心磚，轉(zhuǎn)為生產(chǎn)煤矸石空心磚，以便在減少黏土使用的同時，降低產(chǎn)品能耗。

5 結(jié)論及建議

(1)沁源地區(qū)煤矸石產(chǎn)量豐富，適合發(fā)展煤矸石綜合利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

(2)沁源縣煤矸石處置方式應(yīng)以地表充填為主，此方式雖然簡便，前期投入較低，且處理量巨大，但面臨的環(huán)境壓力巨大，后期需對環(huán)境整治進行投入。

(3)沁源縣可在交通狀況良好、地理條件適宜的矸石場開展特色旅游開發(fā)項目，將荒廢的矸石場進行人工裝飾，建設(shè)礦山主題公園，在獲取一定經(jīng)濟效益的同時，可美化環(huán)境，更好的推動“綠色沁源”發(fā)展模式，促進沁源縣的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展。

(4)目前沁源對煤矸石的利用仍處于探索階段，主要的利用方式技術(shù)水平比較低，今后應(yīng)發(fā)展煤矸石骨料、水泥等產(chǎn)業(yè)，逐漸形成多種煤矸石利用模式。