關(guān)于煤矸石回填工藝技術(shù)的研究和思考

楊長俊

(國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司紅柳煤礦，寧夏 靈武 750408)

近年來，作為我國經(jīng)濟建設(shè)能源支撐的煤炭行業(yè)在快速發(fā)展的同時，也帶來了土地資源破壞及生態(tài)環(huán)境惡化等較多的負(fù)面影響，其中較為突出的是煤矸石的排放問題。 每年煤矸石固體廢棄物占煤炭生產(chǎn)總量的比例為10%～25%[1-2]。國外發(fā)達國家煤矸石利用率接近90%[3]，而我國煤矸石利用率截至2019年僅約70%。由于我國煤矸石的綜合利用率不高，導(dǎo)致堆放量日益增加，進而引發(fā)了多種環(huán)境問題：煤矸石堆放易引發(fā)滑坡和泥石流，同時，35%堆放的煤矸石可能由于內(nèi)部存在的黃鐵礦和含炭物質(zhì)導(dǎo)致煤矸石自燃現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生有害有毒氣體[4]；煤矸石堆經(jīng)過自然的風(fēng)吹日曬，其分解產(chǎn)生的大量酸性水及攜帶重金屬離子的水會滲入地下，進而影響地表水水質(zhì)，導(dǎo)致嚴(yán)重的水污染；煤矸石堆積占用大量土地，目前已形成 1 500 座矸石山，占地面積近 2×104hm2，造成嚴(yán)重的土地資源污染與浪費。因此，如何有效探索煤矸石的利用價值及方法，提高其綜合利用率，進而保護環(huán)境，是目前國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者關(guān)注的焦點[5-6]。

1 煤矸石堆積與利用現(xiàn)狀

我國煤炭資源存在較大的區(qū)域差異，隨著煤炭的持續(xù)開采，在產(chǎn)生大量的煤矸石同時，又因為受限于經(jīng)濟和技術(shù)條件的制約，導(dǎo)致煤矸石利用率偏低，部分區(qū)域的煤矸石利用率低于65%。截至目前，國內(nèi)已經(jīng)形成煤矸石山數(shù)量不少于1 100座，占地面積超過了12萬km2，且仍以每年3.0億～3.5億t的速度持續(xù)增長。有關(guān)資料顯示，我國華南、東北地區(qū)的煤矸石排放量小于華北、西北地區(qū)的排放量；華北地區(qū)煤矸石排放量位居首位，排放總量高達35億t，約占總排放量的50%[7]。

鑒于煤矸石具有的潛在利用價值及預(yù)期的經(jīng)濟效益，有關(guān)高等院校、科研院所、礦業(yè)集團等企事業(yè)單位針對煤矸石的綜合利用開展了大量的研究工作，主要集中在建筑、農(nóng)業(yè)、電力等行業(yè)。

1.1 煤矸石制備吸附材料

煤矸石經(jīng)預(yù)處理后可被資源化利用，再加工為環(huán)境友好型材料。利用煤矸石制備復(fù)合吸附材料，可實現(xiàn)對廢水、廢氣等污染物的治理。

相關(guān)實驗發(fā)現(xiàn)，有機物含量對制備出的吸附材料的吸附性能影響較大，有機物含量與吸附性能呈正比關(guān)系，其含量越高吸附性能越好。不同類型的煤矸石炭化有機物在活性炭轉(zhuǎn)換時具有不同特性，黏土型煤矸石可被做成活性炭—氧化物復(fù)合吸附材料，如高嶺石因?qū)﹃栯x子染料具有更強的吸附能力則可被做成氧化物吸附材料；對于非黏土型煤矸石，因其有機物含量較少不適合制備吸附材料[8]。因此，能否將煤矸石加工成為一種有效的吸附材料，需要根據(jù)煤矸石不同的特性靈活選擇。

1.2 煤矸石制備建筑材料

除了制備吸附材料，將煤矸石用于制備建筑材料(燒結(jié)磚及水泥的制備)也是其有效利用的研究熱點之一[9]。通過對煤矸石的化學(xué)成分、發(fā)熱量及物理性能等指標(biāo)的綜合測試評價，同時針對成分復(fù)雜、破洞大的煤矸石進行相應(yīng)的半工業(yè)性試驗，論證煤矸石作為建筑材料的科學(xué)性。進一步發(fā)展煤矸石承重、非承重?zé)Y(jié)空心磚、輕集料等新型建材，逐步替代黏土。利用煤矸石制備出的燒結(jié)磚、水泥、輕集料等材料，產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)符合GB/T 29613—2012《煤矸石利用技術(shù)導(dǎo)則》。煤矸石燒結(jié)產(chǎn)品的抗壓強度為 9.8～14.7 MPa，抗折強度為2.5～5.0 MPa[10-11]，具有較好的抗壓、防凍及防火性能等，因此對煤矸石進行合理的加工，使其在一定場景下替代傳統(tǒng)的黏土制磚，可實現(xiàn)廢物利用、能源節(jié)省、改善環(huán)境。

1.3 煤矸石制備化工產(chǎn)品及肥料

高嶺石類煤矸石中含有Al2O3, 采用高溫焙燒、堿液浸取工藝，可生產(chǎn)Al(OH)3等化工產(chǎn)品[12]。煤矸石中含有的有機物與無機物可被用于制作肥料，既可有效解決煤矸石堆放導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，也可實現(xiàn)資源的再生利用，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。目前國內(nèi)外學(xué)者針對煤矸石肥料制作方式展開了相應(yīng)的研究，選擇一種或多種無機礦物、化肥、微生物、有機肥、秸稈和污泥與煤矸石按照相應(yīng)的比例制成肥料。同時，對如何有效降低或控制煤矸石中重金屬含量的技術(shù)措施進行了大量的研究：在利用煤矸石制備肥料前，應(yīng)充分分析煤矸石的成分，選擇較為合適的生產(chǎn)方式，完成對不同性質(zhì)煤矸石的配料、輔料選擇和研制；在對煤矸石肥料的研究中，分解煤矸石中固化的營養(yǎng)元素及元素配比對產(chǎn)品肥效具有重要影響，合理的有機、無機元素含量配比，其肥效更高；煤矸石制品制備完成后，需要對其肥料效率進行綜合評價，包括對作物產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤改良的影響，為后續(xù)的研究提供足夠的樣本支撐[13-14]。

1.4 煤矸石用于發(fā)電及回填

煤矸石發(fā)電是煤矸石綜合利用最為重要的途徑。目前，全國煤矸石電廠裝機容量已達到500萬kW以上，每年發(fā)電消耗煤矸石超過5 000萬t[15]。以煤炭產(chǎn)業(yè)為依托，聯(lián)合優(yōu)勢企業(yè)，建設(shè)符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的矸石發(fā)電基地，已經(jīng)成為目前迫切、明確、有效的煤矸石處理方法。借助煤矸石硬度大的特性，可用于煤礦采空區(qū)的回填，以及作為復(fù)墾造地或造田的填充材料，遵照國家的相關(guān)政策，實現(xiàn)煤矸石不出井方式回填。

2 煤矸石對環(huán)境的危害

煤矸石含有大量的有機組分、金屬、堿土金屬和硫化物等，是無機鹽類污染源的一種，能夠通過自然降水導(dǎo)致環(huán)境污染。煤矸石從井下運輸?shù)降孛孢M行堆積處理，由于受到外界環(huán)境的影響加速了其風(fēng)化進程，促進了可溶性成分的分解，加重了矸石山的環(huán)境污染，主要包括水體污染、大氣污染、土地污染等。

2.1 煤矸石山堆積造成水體污染

由于部分地區(qū)煤矸石堆處理不及時，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐牡乇硭暗叵滤l(fā)生水體污染。經(jīng)過化學(xué)檢測，煤矸石中包含有大量的重金屬和有毒有害物質(zhì)。隨著雨水沖淋，煤矸石中的有害物質(zhì)通過混入地表及地下水，導(dǎo)致河流或者湖泊污染，給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)資源帶來極大的影響，且由于重金屬污染物直接進入到地下水，將對當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟稗r(nóng)業(yè)灌溉帶來污染，直接影響人們的安全與健康。此外，煤矸石山堆積不合理會產(chǎn)生局部坍塌或者因降雨導(dǎo)致的泥石流等情況，也增大了其安全防范的難度[16]。

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2.2 煤矸石堆積導(dǎo)致大氣污染

煤矸石主要來自于煤炭開采和煤炭加工過程中。目前，大部分煤礦相關(guān)企業(yè)的生態(tài)安全規(guī)范不健全，導(dǎo)致無法按規(guī)定方式處理煤矸石。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，煤矸石多為露天堆積，如果長時間堆放，極易導(dǎo)致其風(fēng)化，使大量的粉塵和煙塵混入大氣，對大氣質(zhì)量、人類及相關(guān)動植物等的健康造成嚴(yán)重威脅。通過調(diào)查表明，部分煤礦附近的居民患有嚴(yán)重的氣管疾病、哮喘等，且人數(shù)逐漸增多，已經(jīng)成為嚴(yán)重的社會問題。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有煤矸石山約 1 500 座，其中超過350座存在自燃釋放有害物質(zhì)的問題。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤矸石的含硫量在超過一定值后，在高溫和通風(fēng)條件具備的情況下會導(dǎo)致煤矸石產(chǎn)生明火，從而產(chǎn)生大量的CO、CO2、SO2等有害氣體及煙塵，導(dǎo)致硫酸雨等嚴(yán)重自然災(zāi)害的發(fā)生。如果煤矸石溫度繼續(xù)升高，則易引發(fā)瓦斯爆炸，給礦區(qū)人員生命和財產(chǎn)造成極大的威脅。

2.3 煤矸石堆積造成土地資源污染

煤矸石堆積占用大量土地并危害周圍耕地，一方面影響當(dāng)?shù)馗亟Y(jié)構(gòu)，給農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來不便；另一方面導(dǎo)致耕地總量減少，對國家維護耕地數(shù)量保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成影響。煤矸石經(jīng)過雨水的沖刷，煤矸石中的鎘、汞、砷、鉛等重金屬離子會緩慢滲入到土壤中，導(dǎo)致土壤的生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)改變，降低了農(nóng)作物的產(chǎn)量，同時重金屬通過農(nóng)作物被人食用進入人體，導(dǎo)致化學(xué)元素中毒，這些元素會對人體腎、肝、肺等器官造成嚴(yán)重?fù)p害。煤矸石堆與自然界水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生火山灰效應(yīng)，最終形成水合硅酸鈣，并最終形成板塊，使耕地長期荒蕪，從而威脅到國家的糧食安全。雖然煤矸石呈中性，但因被雨水侵蝕而溶解了大量SiO2，呈強酸性，會對耕地造成嚴(yán)重破壞[17-18]。

3 煤矸石回填處理途徑

3.1 煤矸石回填分類

1)根據(jù)回填位置的不同，煤矸石回填主要集中在巷道和工作面。巷道回填相對簡單，使用的設(shè)備種類要求較少，但因所需煤矸石量小而無法從根本上解決煤矸石的治理和利用問題；工作面回填系統(tǒng)較為復(fù)雜，涉及到的必要工序較多，除了正常的運煤系統(tǒng)外，還有矸石分選系統(tǒng)，設(shè)備占用面積大，但煤矸石處理量大。

2)根據(jù)充填體體積和充填范圍在采空煤層比例中的差異，將充填體分為全面充填體和局部充填體。全面充填采礦法是在采后頂板下落之前完成全部采空區(qū)的充填，充填量和范圍與煤炭開采基本相同，采空區(qū)整體沉陷開采的關(guān)鍵是控制充填體支架上方的覆巖。局部充填主要用于小范圍的充填，充填量和范圍占自身煤量的比例較小，適用于采空區(qū)部分回填，以及分離區(qū)和崩落區(qū)填充。

3.2 煤矸石回填設(shè)備

當(dāng)采空區(qū)傾角較大時，可選用單軌吊車、齒軌車、軌道車等相關(guān)運輸工具將煤矸石運送到采空區(qū)；當(dāng)采空區(qū)傾角較小時，采用下坡巷道煤矸石充填方式難以完成，因此需要選擇增加相關(guān)的設(shè)備進行處理。

1)扒裝機：使用扒裝機的臺鏟和扒斗，將臺鏟固定在廢物卸載的外側(cè)上，然后選擇扒斗將廢物移至充填工作面上。

2)帶式輸送機：將輸送機固定在煤矸石卸載點外，輸送機尾部使用上掛式墻梁架，坡度可以調(diào)節(jié)，使煤矸石高低運送，并可加大或縮小體積，保證其對煤矸石卸載的適應(yīng)性。

3)粉碎機、多級柱塞泵：將煤矸石粉碎后，加入一定量的水，直接泵送到采空區(qū)[19]。

3.3 煤矸石回填工藝

1)刮板輸送機卸矸充填技術(shù)。該技術(shù)基本思路是利用輸送機將施工過程中產(chǎn)生的煤矸石及其他廢棄物運到充填工作面，采用采煤液壓支架、多孔底卸式輸送機等綜采工作設(shè)備完成采空區(qū)的充填?；仫L(fēng)巷道(矸石巷道)設(shè)有矸石帶式輸送機、矸石輸送機等設(shè)備，輔助實現(xiàn)煤矸石的快速回填。

2)巷式充填技術(shù)。在傳統(tǒng)長壁采煤法生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過綜采掘進機掘進巷道，在兩條巷道之間進行采煤，使用充填材料完成采空巷道的填充。同時為滿足圍巖控制要求，地下采用固體材料或膠結(jié)材料填筑，并采用煤矸石代替填筑材料。該技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、高效節(jié)能、上覆巖層移動控制效果好等優(yōu)點，特別適用于煤矸石含量較少的煤層開采[20]。

3)煤矸石粉碎泵送技術(shù)。楊長俊等[21]提出，首先將矸石山或者煤礦井下開采后產(chǎn)生的煤矸石進行破碎，根據(jù)泥漿泵或柱塞泵的特性，摻入一定量的水和其他物質(zhì)，保證泥漿的黏稠度，然后通過主輸料管網(wǎng)進入綜采工作面巷道，到達采空區(qū)。在此過程中，末端管路由于淤泥堆積會逐漸發(fā)生堵塞，為了保證在末端管路堵塞后，仍然能夠持續(xù)為采空區(qū)輸送泥漿，在工作面逐漸推進的過程中，需要依次打開三通上的堵盤，直至煤矸石處理完畢。利用泵送技術(shù)進行煤矸石回填，具有處理效果好、工作效率高等特點，然而在實際應(yīng)用中確有一定的技術(shù)難點：煤礦混合式泵送自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，長距離管路煤泥沉積防阻塞技術(shù)及大算力工控機，預(yù)裂變片、渦旋引射器、旋流管及葉瓣式單向三通限流器。對此，筆者將清淤工藝與采空區(qū)回填有效結(jié)合，給出如下解決方法：

a.利用磁性物傳感器，實現(xiàn)煤泥黏度、含沙量及含水量的在線實時檢測，并將泵送驅(qū)動方式劃分為輕度、中度和重度多個獨立區(qū)間，在此基礎(chǔ)上分別設(shè)計不同泵送控制策略，形成多段管道自適應(yīng)的控制系統(tǒng)。

b.在煤矸石粉碎后的長距離泥漿輸送管道易阻塞點位置，安裝渦旋引射器，將低濃度污水通過變徑特斯拉閥管加壓后，引入容易淤堵的管道彎頭內(nèi)，通過高壓射流水，沿管道壁形成高速漩渦，帶動泥沙旋攪，使其加速流過淤堵位置。

c.在管道下坡階段，通過安裝旋流管，利用高度差動能及淤泥自身的黏流性，對管道內(nèi)的淤泥進行攪拌，抑制泥沙離析。

d.建立三通閥門上的裂變片應(yīng)力與管道流體力學(xué)模型的映射關(guān)系，實現(xiàn)不同位置裂變應(yīng)力的差異化，保證采空區(qū)泥漿的連續(xù)輸送。

4 國家政策及煤礦環(huán)評批復(fù)

為解決由來已久的煤矸石污染問題，國家從1990年代中期開始就不斷制定相關(guān)的管理政策，歸納如表1所示。

表1 煤矸石治理與綜合利用國家相關(guān)政策

隨著國家科技的快速發(fā)展，生態(tài)文明建設(shè)也需順應(yīng)時代要求，在《煤矸石處置與利用環(huán)境保護政策法規(guī)》里著重強調(diào)了煤矸石污染問題，全面系統(tǒng)地收編了關(guān)于煤矸石環(huán)境污染保護相關(guān)的各類文件，用于指導(dǎo)相關(guān)部門、相關(guān)單位人員的實際活動，以此提高煤矸石綜合治理環(huán)境保護的整體水平。

為加大貫徹落實生態(tài)文明建設(shè)，做好污染防治與處理的攻堅戰(zhàn)，規(guī)范煤炭資源開采的環(huán)境影響評價制度，進一步協(xié)調(diào)煤炭資源開采與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾，依照現(xiàn)有技術(shù)條件及相關(guān)法規(guī)等，由生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局于2020年10月30日聯(lián)合頒布了《關(guān)于進一步加強煤炭資源開發(fā)環(huán)境影響評價管理的通知》。國內(nèi)幾家煤礦的典型環(huán)評批復(fù)及相關(guān)的整改意見如下：

1)2017年2月，內(nèi)蒙古吉煤礦業(yè)收到關(guān)于霍林河二號礦井及選煤廠環(huán)境影響報告書的批復(fù)。報告書中指出項目建設(shè)符合礦區(qū)總體規(guī)劃及環(huán)評，但由于評價文件審批前就自行開工建設(shè)，需要進一步根據(jù)整改措施全面保護生態(tài)環(huán)境。

2)2020年2月，新疆天隆希望五彩灣礦區(qū)二號露天煤礦一期工程環(huán)境影響報告書得到批復(fù)。批復(fù)中指出該項目符合規(guī)劃環(huán)評要求，但因環(huán)評文件在審批前擅自實施建設(shè)，違反了環(huán)評法的相關(guān)規(guī)定，其項目實施結(jié)果造成生態(tài)、大氣等嚴(yán)重污染。在對環(huán)境影響報告書中的各項意見進行整改后，項目建設(shè)產(chǎn)生的附屬危害得到了有效緩解。

3)2020年3月，寧夏煤業(yè)集團有限公司煤制烯烴項目環(huán)評通過批復(fù)。為保證項目順利實施，在項目前期，成立專項小組實時跟蹤進度，建立聯(lián)合審查制度，并聯(lián)合當(dāng)?shù)仄渌块T協(xié)調(diào)解決了煤炭消耗綜合評價、污染物再生利用等關(guān)鍵問題，確保了環(huán)評證書的申報受理。

由此可見，國家對煤礦環(huán)評批復(fù)極為嚴(yán)格，政策的緊致性將高標(biāo)準(zhǔn)地指導(dǎo)煤礦企業(yè)環(huán)境達標(biāo)建設(shè)的發(fā)展，進而保證環(huán)境資源的合理利用。

5 結(jié)語

雖然新能源技術(shù)取得了突破性進展，但短期內(nèi)煤炭資源的主體地位仍不可撼動。煤矸石污染問題是我國煤炭生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的主要問題之一，如何對其進行有效治理，減少對自然環(huán)境的污染，且能夠產(chǎn)生顯著的社會經(jīng)濟效益，是現(xiàn)有研究的難點和特點。煤矸石治理是一個持續(xù)過程，任重而道遠，如何借助新技術(shù)、新方法、新工藝，加快煤矸石的有效處置，將是未來煤矸石治理的主要研究方向。