煤礦區(qū)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(chǎn)業(yè)發(fā)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(xù)增加，這就導致了煤炭開采過程中出現(xiàn)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(zhì)，一旦在環(huán)境中進行堆積，就會對環(huán)境產(chǎn)生很大的破壞。同時，煤矸石雖然是煤炭開采過程中產(chǎn)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(yè)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(jù)極大地空間，而且還會污染環(huán)境，如果能夠?qū)γ喉肥右岳?，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(yè)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(zhì)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(jīng)過對煤矸石的具體測定，目前可以得知的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)松散，呈現(xiàn)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(jīng)過一定的物理手段處理之后，煤矸石的表面會呈現(xiàn)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(fā)展離不開煤炭，工業(yè)的發(fā)展更離不開煤炭，但是當前的環(huán)境問題日益突出，已經(jīng)嚴重的影響了我國經(jīng)濟的發(fā)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(huán)境產(chǎn)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(chǎn)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(huán)境產(chǎn)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(zhì)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(jù)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(zhì)，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(nèi)部溫度就會越來越高，最終導致煤矸石出現(xiàn)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(chǎn)安全。

三、國內(nèi)煤矸石發(fā)展現(xiàn)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(huán)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(fā)工藝比較困難，煤矸石沒有發(fā)揮出潛在的利用價值。但是隨著國家在環(huán)境保護上的力度越來越大，對于煤炭行業(yè)的發(fā)展也提出了更多的要求，以煤矸石為原料的產(chǎn)品逐漸的開始出現(xiàn)在市場上，但是其總量比較少，無法真正的推動煤炭行業(yè)的技術(shù)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(guān)的技術(shù)開發(fā)難度比較大，企業(yè)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(yè)并不愿意在煤矸石利用方面進行資金投入和技術(shù)研發(fā)。雖然當前國家對于煤炭行業(yè)的開采做出了新的環(huán)境保護要求，要求企業(yè)在煤炭開采的過程中盡量保持生態(tài)環(huán)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(yè)也在投入資金開始對煤矸石的利用進行技術(shù)研發(fā)，但是政府相關(guān)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(yè)的研發(fā)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(yè)已經(jīng)開發(fā)出了相關(guān)的技術(shù)，但是因為開發(fā)難度高、投入產(chǎn)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(shù)。

（三）缺乏相應的人才

煤炭產(chǎn)業(yè)的人才是極度缺乏的，因為煤炭產(chǎn)業(yè)是屬于高能耗產(chǎn)業(yè)，在人們的印象當中工作環(huán)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(yè)相關(guān)的物質(zhì)進行深入的研究，而在這個浮躁的社會，能夠?qū)γ喉肥M行深入研究的人才幾乎沒有，其產(chǎn)業(yè)人才是極度缺乏的。并且煤炭相關(guān)行業(yè)研究成果的應用是不順暢的，煤炭行業(yè)與建材、化工等行業(yè)的合作結(jié)合不好，即使煤炭企業(yè)研究出了非常高效的煤矸石利用方法，由于與其他行業(yè)溝通不暢，也會導致技術(shù)的推廣和應用產(chǎn)生滯后局面。

四、煤矸石利用最佳發(fā)展方向

（一）煤矸石電廠

隨著國家經(jīng)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(fā)電形式是多種多樣的，但是燃燒化石燃料進行發(fā)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(huán)境的影響還是非常大的，所以必須要能夠減少化石燃料發(fā)電量。近幾年，采用循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)電廠發(fā)展越來越快，這種發(fā)電廠主要是以煤矸石和質(zhì)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(fā)電廠一般建立在煤炭開采的聚集區(qū)，不僅能夠大量的消耗煤炭采集企業(yè)在煤炭開采過程中生產(chǎn)出來的煤矸石，還能夠降低運輸成本，減少品質(zhì)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(yè)

煤矸石中僅僅含有非常少量的碳，其主要的組成物質(zhì)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(fā)，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(chǎn)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(qū)，煤矸石磚銷量非常好。政府或者企業(yè)在規(guī)劃開展煤矸石建筑材料開發(fā)和生產(chǎn)的時候，應當對生產(chǎn)進行充分的考慮，一定要結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，人民群眾和企業(yè)對于煤矸石磚的接受程度，同時為了降低生產(chǎn)的成本，最好是能夠在煤矸石堆積場附近幾十公里內(nèi)投廠建設(shè)，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(tài)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(huán)境的污染。近年來，國家對于環(huán)境保護抓得越來越嚴，這也對煤矸石的生態(tài)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(tài)處理的方式進行。對煤矸石進行生態(tài)處理的主要內(nèi)容是，在煤矸石堆積區(qū)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(jù)各地的標準，可以恢復為耕地的，可以將其作為生產(chǎn)力土地進行農(nóng)作物的生產(chǎn)，不能恢復為耕地的，可以作為生態(tài)土地進行恢復，恢復為林地或者草地，為當?shù)氐纳鷳B(tài)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?shù)氐木G色可持續(xù)發(fā)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(qū)在進行煤矸石開采的時候都會根據(jù)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(tài)影響。煤矸石井下回填主要使用的技術(shù)是沿空留巷巷旁填充無煤柱技術(shù)，這種技術(shù)已經(jīng)在很多的礦區(qū)實驗成功了，這種方式能夠用煤矸石充填巷道代替留設(shè)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(fā)煤矸石井下回填的技術(shù)，這樣不僅能夠大量的消耗煤矸石，降低煤矸石對于環(huán)境的影響，還能夠緩解采掘接續(xù)緊張的局面。

（五）煤矸石高端化利用方向

煤矸石除了用于發(fā)電、回填、生態(tài)處理以外，還可以進行高端開發(fā)，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(fā)的時候，技術(shù)人員就可以通過一定的技術(shù)手段來研發(fā)出一些高端產(chǎn)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(lǐng)域都有所應用，如環(huán)保建材、保溫板內(nèi)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(shù)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(chǎn)成本，提升產(chǎn)量，就能夠在全球市場中占有一席之地，這對于我國高端產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(jié)。

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(chǎn)業(yè)出現(xiàn)的，超細礦物纖維有著很多的優(yōu)點，首先是環(huán)保節(jié)能，能夠用于很多的領(lǐng)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(chǔ)，最后就是有良好的適應性。硅鋁纖維是一種新型的產(chǎn)品，目前在國內(nèi)已經(jīng)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(lǐng)域，這對于煤矸石的發(fā)展來說是非常有利的。

（六）制取工業(yè)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(fā)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(yè)原料，例如可以制備出氧化鋁、硫酸鋁、水玻璃等等。

五、結(jié)語

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