峰峰矿区煤矸石治理方法的分析与评价

刘文欣

(滨海金地矿业工程技术(北京)有限公司，北京 100027)

1 煤矸石治理背景

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中排弃的固体废弃物，其中绝大部分不经过处理即进行自然堆放。由于长期开采煤炭的积累，形成的煤矸石存量巨大，往往以“煤矸石山”的形态分布于我国各大主要煤炭开采矿区。煤矸石主要包括二部分：一部分是矿井巷道掘进过程中排弃的岩石；另一部分是针对煤炭开采过程混入煤中的煤层顶、底板岩石及煤层中间夹石而进行洗煤加工过程中排弃的洗选矸石。其中，由于煤炭洗选加工不能对煤炭资源进行完全回收，造成煤矸石中往往含有少量具有一定发热量的高灰煤炭，容易造成煤矸石自燃，并因此产生严重的环境污染。煤矸石的主要危害包括：一是煤矸石堆积占用了大量土地；二是严重污染大气环境；三是严重污染地表水体、地下水体；四是造成土壤中的重金属超标；五是煤矸石山长期堆积可能造成泥石流、坍塌、滑坡等重力灾害。可见，煤矸石对环境的污染影响从天空到地下是全方位的，危害面十分广泛，迫切需要根本性治理。由于过去数十年的积累，造成我国煤矸石的存量十分巨大，治理难度非常高。

原国家环境保护部于2017年9月25日对峰峰集团管辖的13座矸石山进行了强化督查，指出了一些环保治理不完善的问题。为此，邯郸市、峰峰矿区两级政府及峰峰集团都高度重视，成立了企业与地方联合治理工作组，共同研究制定矸石山治理整改方案，强力协调推动矸石山治理整改工作。

2 峰峰矿区煤矸石山概况

峰峰集团有限公司的前身是峰峰煤矿，是我国最早开发利用的煤炭矿区之一。峰峰矿区煤炭资源以炼焦煤为主，约占70%，贫煤和无烟煤占30%，煤种稀缺，是我国华北地区重要的炼焦煤产区。矿区的煤炭主要供给京津冀、中南、华东地区。目前矿区因资源枯竭和去产能等要求，煤炭发展后劲明显不足，企业资金短缺，运营较为困难。

峰峰集团下属煤矿分布于峰峰、武安、磁县三个区界。其中，峰峰矿区有13个煤矿，武安界有2个煤矿，磁县界有3个煤矿。煤矿最早的开采年代从 1946 年左右开始，最新的新三矿从 1995 年开始投入生产，煤矸石山的堆积时间在23～72 a之间。

2.1 矿区煤矸石山的数量及分布

峰峰矿区的煤矸石山分布于三个界区，其中，峰峰界内分布有15座煤矸石山(分属13个煤矿)，武安界内分布有2座煤矸石山，磁县界内分布有3座煤矸石山。各煤矸石山的基本情况见表1。

从表1可以看出，峰峰集团下属的峰峰区界、武安界、磁县界内所有遗留煤矸石山的堆存总量已经达到5 589.10万t，总占地面积达到179.37 hm2，数量十分惊人。

表1 峰峰矿区峰峰界内各煤矿煤矸石山基本情况

2.2 煤矸石成分特性分析

冀中能源峰峰集团有限公司2018年2月27日委托河北省建材产品质量监督检验站，对邯郸牛儿庄采矿有限公司五矿煤矸石样品进行采样分析，检测结果见表2。

表2 牛儿庄采矿有限公司五矿煤矸石化验结果

从表2中可看出，峰峰矿区典型的煤矸石成分有以下几个特点：

煤矸石烧失量只有5.58%，灰分高达94.44%，说明煤矸石比较纯，以非含碳的岩石为主，不适合作为发电燃料。

煤矸石成分以SiO2和Al2O3为主，Fe2O3次之，CaO最少。根据煤矸石分类国家标准GB/T—29162(2012)的分类，峰峰矿区的煤矸石属于低硫、高灰、铝硅型煤矸石。

煤矸石灰分、SiO2和Al2O3等含量均符合《煤矸石利用技术导则》GB/T— 29163(2012)烧结砖用煤矸石的技术要求。

全硫含量为0.44%，P2O5含量为0.11%，均较低，对大气、土壤和水体环境的危害程度相对较轻。

2.3 煤矸石污染分析

为了分析研究峰峰矿区的煤矸石成分，选取了堆积年代较长的大社矿和新屯矿煤矸石山作为研究对象。大社矿是峰峰矿区投产最早的矿井之一，于 1950年12月建矿，煤矸石山堆积时间已有68 a，高度70 m。新屯矿是峰峰矿区的一座中型矿井，于1958年建成投产，2014年12月核定生产能力100万t/a，煤矸石山堆积时间60 a，高度60 m。

大社矿煤矸石检测结果见表3，其中：六价铬、汞 、砷 、硒、铋、锑等重金属含量均低于检出限。

表3 大社矿煤矸石检测结果

以上检测结果显示，峰峰矿区煤矸石成分有以下特点：

(1)根据国标危险废物鉴别标准中浸出毒性鉴别的标准值，铜、锌、镉、铅均未检出，只检出铬含量稍高，说明峰峰矿区的煤矸石在重金属方面对土壤及地下水的危害比较小。可以排除具有危险废物的特性。

(2)灰分(Ad)89.9%、挥发分(Vad)8.66%，全硫(St)0.55%，说明煤矸石灰分较高、含硫较低，未检测出发热量，不易燃烧。

(3)pH值在7.26～7.66，属于中性偏碱，对减弱重金属污染非常有利。

(4)检测出含有极微量的汞、砷等有害金属，在煤矸石治理过程中需要给予重视。

从以上化验结果可以判断，峰峰矿区大社矿煤矸石山属于一般大宗工业固体废弃物。新屯矿煤矸石山也有类似化验结果，只是煤矸石灰分仅83.68%，含碳量比较高，有一定的自燃危险。

3 煤矸石治理措施

峰峰集团是我国成立最早的煤炭开采企业之一，由于煤炭开采排弃的煤矸石在地面大量堆存，企业从90年代起就积极研究探索煤矸石治理利用的方法和途径，并取得一些成功的经验与初步成效。采取过的主要治理措施如下：

(1)毛石围挡：峰峰界内的15座矸石山都建有砖石结构的围护挡墙及毛石挡墙，累计长度4 000多米，有效防止了矸石山垮塌和雨淋污染土壤。每年都有计划的对破损围墙进行维修和加固，以保证围墙坚固，确保矸石山处置安全。

(2)塑料网布苫盖：目前，峰峰矿区内的所有煤矸石山山体都已经实现了全塑料网苫盖，在短期内杜绝了粉尘污染的问题。

(3)洒水降尘：大部分煤矸石山都安装了高压水枪等喷洒装置，洒水管路累计16 813 m，喷水装置20余套，喷头397个。这些装置的使用，提高了煤矸石山绿植存活率，并能有效防止扬尘。

(4)覆土绿化：在煤矸石山的稳定不作业区进行覆土种树绿化。从90年代起，峰峰集团在每年的植树节都开展大规模的矸石山覆土种树绿化活动，目前矸石山绿植面积达6万m2。

(5)煤矸石膏体泵送充填井下采场：充填骨料为破碎至合格粒度的煤矸石，胶凝材料为普通硅酸盐水泥，管道输送性能改良剂为粉煤灰和高效减水剂。上述各种物料在搅拌机中加水进行强力搅拌，形成质量浓度为75%～80%的膏体料浆，经充填管道输送至采场进行充填。峰峰集团所属大力矿、羊东矿、新三等矿均已采用此项充填技术。从2008年至今，矿区已经累计回填煤矸石271万t，取得了非常好的治理效果。煤矸石膏体充填工艺流程如图1所示。

图1 煤矸石充填工艺流程示意

(6)煤矸石发电：自20世纪90年代开始，峰峰矿区相继建有煤矸石热电厂4座，分别为五矿、孙庄矿、九龙矿与薛村矿煤矸石热电厂，总装机容量为122 MW，年利用矸石39万t、煤泥11万t。

(7)煤矸石制砖：坚持把矸石作为新型建材利用，从90年代至今建成3座矸石砖厂，年生产矸石砖规模2亿块，年利用矸石88万t，产值2 000万元。

(8)其他利用途径：峰峰集团近年来还利用煤矸石、粉煤灰做水泥配料，代替石子、沙子进行井下喷浆、地面修路、充填塌陷区等。

4 煤矸石治理方面存在的问题

通过分析峰峰矿区煤矸石治理的现状可以发现，当前的煤矸石治理还存在以下几个方面的问题：

(1)前期的治理力度不够，剩余未处理的煤矸石堆存量仍然巨大，生产矿井排出的矸石仍在每年增加，没有从根本上扭转峰峰矿区煤矸石总量继续增加的趋势，这给新的矸石山治理工作带来较大难度。新的治理措施必须达到还清旧账、不欠新账，至少要实现煤矸石产出和治理利用的平衡，甚至治理利用大于产出。

(2)部分治理措施不够彻底，临时性、应急性措施比较多，治理效率高、处理煤矸石量大、长效性、根治性的治理措施少。例如：目前采取的围挡、苫盖、洒水等措施中，苫盖只能一定程度减少粉尘的扩散，但是对有害气体扩散基本不起作用；洒水只能短时间起到减少粉尘的扩散，但对于华北地区蒸发量大于降雨量的情况，洒水只是临时性措施；围挡只能对矸石山的稳定坡面起到维护和缓解作用。

(3)治理措施不连续。例如：煤矿井下膏体充填效果好、消耗煤矸石数量大，但由于充填成本高，实际上已经停止作业。煤矸石砖厂在技术上已经能够实现百分之百利用煤矸石，也有着比较理想的经济效益，但在地方政府的要求下也已经停产。这二项治理措施都是消耗煤矸石数量比较大的治理途径，项目的关停对峰峰矿区的煤矸石治理效果影响较大。

(4)治理措施总体单一。矿区最常用的治理措施是绿化覆盖，但由于矸石山堆存量大、堆放坡度大、水源保证欠缺等因素的影响，使得绿化覆盖存在成活率低、效果有限等问题，目前只在少量矸石山治理中取得较好效果。而且，绿化覆盖是一项长期治理措施，提高成活率需要持续投入，短时间内很难见到明显的成效。

(5)整体资金投入不足，缺乏持续性。在峰峰界内的15座煤矸石山中，只有6座矸石山得到了明显的治理，其余矸石山的治理效果较差。

(6)部分煤矸石电厂面临关停。近年来，地方政府对于煤矸石综合利用电厂的污染排放已不再单独认定，而是按照燃煤电厂标准执行。由于煤矸石电厂为煤矸石、煤泥综合利用机组的特殊性，如果按燃煤常规机组考核，则单机容量、排放指标、发电煤耗等难以达标。其中，峰峰集团孙庄电厂1号机组已被政府列入关停范围。

5 煤矸石治理措施的分析与评价

峰峰矿区的煤矸石山治理措施已经实施多年，也取得了比较好的效果。但在新的宏观政策背景下，如何继续实施需要认真分析与评价。

(1)毛石围挡。峰峰矿区的煤矸石山普遍存在的问题是堆存量大、占地面积小、堆存高度高，部分矸石山的堆积坡面角度非常大，堆积角有的地方高达38～40°，堆高最多近百米。带来的问题：一是稳定性差，在暴雨诱发下，非常容易发生垮塌、泥石流等安全事故；二是容易形成有害污水污染土壤；三是无法有效保持水土，易造成水土流失，不能保证覆盖绿植的成活率。毛石围挡对增加矸石堆积坡面的稳定性、抑制污水外溢、防止水土流失、避免塌方或泥石流等能够起到重要作用，因此，对矸石山治理需要继续砌筑毛石围挡，并配套对矸石山进行削坡处理。

(2)洒水降尘。洒水降尘在治理矸石山前期能起到缓解粉尘扩散的作用，在治理后期伴随着覆土绿化的实施还要发挥重要作用，所以洒水系统还要继续完善。最好能够采用“环状管网”，使得绿化中的煤矸石山能够得到充分的洒水，保证和提高绿植的成活率。

(3)煤矸石山覆土绿化。多年来，峰峰矿区每年均安排矸石山覆土绿化工作，并逐年加大力度。覆土绿化是煤矸石山治理最常用、最有效、成本最低、代价最小的方法，应该将其作为主要治理措施予以保留和坚持。对于已经发生过自燃、坡度较缓、煤矸石出路无法解决的矸石山还是要首选覆土绿化治理措施。为了解决目前覆土绿化存在的水土保持差、成活率低等问题，未来应该增加煤矸石山的覆土厚度、喷洒碱性浆液、定时洒水等多种治理措施，做到多管齐下，综合治理。

(4)煤矸石电厂。河北省对煤矸石电厂的管理思路是“关小建大”。但是，这种思路也有很大的弊病。目前煤矸石电厂最大单机规模可达600 MW，建设的起步规模基本上达到了300 MW以上。这种规模的电厂，所用燃料即使按50%的煤矸石掺入率，也需要煤矸石达60万t/a以上。而峰峰矿区所属矿井规模都比较小，矿井排弃矸石也以掘进矸石和手选矸石为主，数量比较少。如要建设大规模矸石电厂，需要将各煤矿的矸石进行运输集中，这不但会大大增加煤矸石运输成本，而且会造成运输污染。因此，最好的办法仍是维持目前煤矸石电厂与矿井配套建设和生产的模式。

(5)煤矸石制砖。峰峰矿区利用煤矸石制砖，治理效果非常显著。一方面消耗了大量煤矸石，另一方面可代替黏土，保护了土地资源，还可以解决就业，是利国利民的好事。而且，峰峰矿区的煤矸石成分组成符合国标《煤矸石利用技术导则》对烧结砖矸石原料的要求，非常适合制砖。而且，现代化的制砖工艺通过脱硫、脱硝技术完全可以达到国家环保排放标准。但是，过去的矸石砖厂规模小，生产成本高，抗风险能力差，新的环保要求增加了制砖企业的规模门槛，同时国家政策也禁止黏土制砖，这对建设矸石砖厂非常有利。建议峰峰矿区把煤矸石制砖作为重要的煤矸石治理手段。对于新建矸石砖厂要扩大生产规模，实现规模化生产。

(6)煤矸石井下充填。峰峰矿区的煤矸石充填主要分为二种方式：一是新屯矿、羊东矿采用的膏体充填工艺，二是梧桐庄矿采用的干法充填、湿法注浆工艺。二种充填工艺的概况对比见表4。

表4 峰峰矿区煤矸石井下充填工艺对比

从表4可以看出，新屯矿、羊东矿采用的膏体充填工艺成本高、投资大；梧桐庄矿采用的干法充填、湿法注浆工艺成本低。目前，峰峰矿区煤矸石膏体充填的主要问题是充填成本比较高、事故率高，大部分已经停产和拆除。梧桐庄矿的煤矸石干法充填由于煤矸分离难度大等原因也处于停产状态。从上表还可以看出，梧桐庄矿采用的干法充填、湿法注浆充填工艺矸石充填量大，注浆量少，对煤炭资源的置换率很高，在有条件的煤矿应该优先推广。

从实践经验上看，煤矸石充填技术消耗矸石量大，在矿井下处理煤矸石是解决采煤地面沉陷、煤矸石地面堆积、减少占用土地等非常现实、有效的治理手段，属于一种煤炭绿色开采技术。在我国其他一些矿区有条件的矿井可作为煤矸石治理的主要措施或者重要的辅助治理措施。

可以考虑把膏体充填站建设在煤矿井下，并且与井下预排矸技术结合起来，使得煤矸石膏体充填距离大大缩短、充填压力大幅降低。同时寻找可代替粉煤灰、水泥等填充材料的替代品，以降低充填材料成本。

(7)煤矸石制建材。过去，峰峰矿区的二矿煤矸石经过简单筛分、破碎等加工生产砼轻集料、道路基材等建材产品，但目前也已经停止。从实施效果看，煤矸石经过简单加工作为建筑材料应用广泛、市场空间广阔，也符合国家产业政策，应该作为煤矸石治理的重要手段之一。尤其是矿区内部分煤矸石山已经堆放了60多年，大部分经历过自燃发火，已经成为了“红矸”，更适合作为道路基材的轻集料使用，尤其是乡村道路、城乡辅助道路的铺筑等。

(8)回填筑路造地。过去，峰峰矿区的煤矸石曾大量被用来填筑路基、凹地等，可以低成本消耗大量煤矸石。例如：二矿煤矸石山、三矿煤矸石山就曾被大量用于回填。特别是通二社区煤矸石山大部分被利用，目前只剩下很少的存量，约5万t左右。

峰峰矿区的大部分煤矿都位于响堂山东麓，处于山地与平原的过渡地区，分布着大量可以用来回填煤矸石的冲沟、凹地等天然回填场地。峰峰矿区的煤矸石除了万年矿煤矸石氟化物含量偏高外，其他矿井煤矸石的天然有害成分硫、磷及重金属铬、镉、汞、铅的含量等都非常低。矿区内还有大量自燃过的煤矸石，这些煤矸石的有害挥发成分经过数十年的释放已经余量很小和非常稳定。同时，新排弃的煤矸石本身都是从地下矿床开采的天然矿物质，没有经过任何化学、物理加工，不存在化学残留问题。这些因素使得峰峰矿区的煤矸石非常适合用来回填造地。

利用煤矸石回填造地可以取得一举三得的效果。企业排弃的煤矸石有了稳定的去处，通过回填可以增加土地供应，还避免了煤矸石占用良田，保护了优质土地资源。尤其是三矿社区、九龙矿等煤矸石山都有很好的回填条件，地方政府也对回填造地很有兴趣，企业应该创造条件推动政府在煤矸石回填方面颁布可行政策，把煤矸石回填作为煤矸石治理的重要手段之一。

曾有资料对干压碎石、手摆块石、红矸石三者作为道路基材的经济性进行了对比，三者基层造价分别为97.5元/m3，82.57元/m3和56元/m3。显然，用红矸石作道路基层材料不但技术上合理，在经济上也是合算的。

6 结语及建议

综合上述分析，并结合笔者对煤矸石治理工作的了解，对峰峰矿区煤矸石治理工作提出如下建议：

(1)煤矸石治理是一项政策性非常强的工作，没有政策的支持，煤矸石治理工作不可能取得成功。要始终把争取地方政府在煤矸石治理方面给予政策支持放在煤矸石治理各项工作的首位，只有地方政府能够提供符合国家法规要求、适合地方发展特色的各项政策，煤矸石治理工作才能取得事半功倍的效果。

(2)峰峰矿区煤矸石堆积数量十分庞大，堆积地点非常分散，治理难度非常突出。由于企业负担重，在短期内投入大量资金治理并不现实。必须充分认识到煤矸石治理工作绝非一朝一夕、一蹴而就之事，要立足于长远，常抓不懈。

(3)由于煤矸石数量太大，采用单一技术治理手段难以达到彻底根治的效果，必须在政府层面加大政策扶持、管理倾斜，在企业层面加强重视、保持持续投资等，多种途径形成合力、综合施策。企业应该在利用煤矸石治理的政策制定方面主动发力，借助政策利好推动煤矸石治理目标的实现。

(4)煤矸石治理在短期内难以取得好的经济效益，政府和企业都不要寄予过高期望。对于煤炭开采为主的企业来说，应该树立煤矸石治理微亏就是盈利的理念，随着政府配套政策逐步到位、环保治理要求越来越严格，以及大量煤矸石治理新技术的不断应用，煤矸石治理的经济效益会略有提高。未来，可以不断挖掘煤矸石治理的产业链、价值链，使得煤矸石治理逐渐成为一个有广阔发展前途的朝阳产业。

(5)煤炭企业要扭转“重开采、轻治理”思想，要将煤矸石治理的重要性提高到企业战略目标的层次，必须从资金扶持、绩效考核、管理机制上给予重点倾斜，必须树立彻底解决问题的决心。

(6)煤矸石治理在符合政策法规要求的前提下，还要充分考虑市场化，煤矸石治理只有实现市场化，才能保证治理效果的长效性。市场化要立足于本地区，使得煤矸石治理工作与本地区的建材市场、地方需求充分融合，为煤矿企业的煤矸石提供一个长期稳定的接纳空间。企业不但要每年编制煤炭开采计划，还要编制煤矸石治理、

消纳计划，使得二者能够配套，实现产出与治理的平衡。要由过去的“以储为主”向“储用结合”转变。要把煤炭开采、洗选加工、综合利用形成一条可持续发展的、完整的产业链。要把煤矸石井下预分选、井下充填、地面筛分、地面破碎等技术结合起来，使得煤矸石从“废品”变为“产品”，为煤矸石利用找到合适的出路。

(7)峰峰矿区大部分矿井都分布在华北平原地区，今后产生的煤矸石堆放占用土地会越来越紧张，付出的代价也会越来越高。煤矸石堆放没有限制的状况已经成为过去。今后的煤炭开采，煤矸石的产生和治理必须实现动态平衡，甚至实现煤矸石的“减量化”，如此才能使矿井实现绿色开采。

(8)煤矸石治理工作不能只盯住所谓的高科技项目，这些项目往往都是投资巨大、处理量小、需要政策扶持等，很难在短时间内取得明显治理效果，只宜作为辅助手段。而一般的煤矸石成分很难有特定利用价值。比较可靠的利用途径仍然是对现有煤矸石山创造条件进行绿化，继续利用煤矸石制砖、制取其他建材、回填造地、回填筑路等传统手段有效治理煤矸石。