煤矿区固体废料物-煤矸石的最佳利用策略研究

连柏霖 冀中能源股份有限公司东庞矿

一、引言

近几年来，我国的煤炭产业发展迅速，国家和社会对于煤炭的需求越来越大，我国每年需要从国外进口大量的煤炭，而我国的煤炭开采量也在持续增加，这就导致了煤炭开采过程中出现了很多的固体废弃物，煤矸石就是其中的一种。煤矸石的组成是非常复杂的，其中含有很多的有害物质，一旦在环境中进行堆积，就会对环境产生很大的破坏。同时，煤矸石虽然是煤炭开采过程中产生的固体废弃物，但是其中含有很多的铁、硫等，通过一定的提取可以获得大量的工业原料，同时煤矸石还可以作为建筑材料的原料，总之煤矸石如果没有加以利用，不仅占据极大地空间，而且还会污染环境，如果能够对煤矸石加以利用，那么就可以变废为宝。本文将对煤矸石进行深入的探讨。

二、煤矿石的研究背景

（一）煤矸石的来源

多年来，中国的煤炭开采量一直居于全球首位，煤炭开采过程中会开采出大量的矿业固体废弃物，煤矸石就是其中的一种。煤矸石会在煤炭开采的多个过程中产生出来，比如建井时、改扩建矿井、原料煤洗煤时等等，这些场景都会产生煤矸石。另外，在地下，沉积岩层中存在大量的煤矸石，也会随着开采的进行而来到地表。我国对于煤矸石的处理方式为自然堆积，通常为堆积在开采矿场的附近，这也是煤矸石的来源之一。

（二）煤矸石的组成

煤矸石内元素的含量是非常复杂的，一般来说煤矸石是由黏土岩、砂岩、碳酸盐岩、铝质岩等组成，是一种无机混合物，含有不同量的三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾等等。经过对煤矸石的具体测定，目前可以得知的数据如下：二氧化硅占比55%，三氧化二铝的占比为32%，三氧化二铁的占比为5.2%，氧化钙的占比为0.8%，氧化镁的占比为1.86%，二氧化钛占比为2.85%，氧化钾和氧化钠的占比为2.13%，五氧化二钒的占比为0.01%，五氧化二磷的占比为0.15%等等，总之，煤矸石的化学元素组成是比较复杂的，这也给煤矸石的利用提供了条件。

（三）煤矸石的特性

煤矸石是一种黑色固体，燃烧后通常结构松散，呈现出淡黄色，这也就导致了煤矸石具有多孔性的特征。煤矸石的多孔性主要是因为煤矸石中含有一定量的碳，在经过一定的物理手段处理之后，煤矸石的表面会呈现出空隙，导致比表面积变大。另外，煤矸石中因为含有大量的二氧化硅和三氧化二铝，这也就导致了煤矸石具有一定的活性，能够在焙烧之后形成二氧化硅等。

（四）煤矸石的危害

社会的发展离不开煤炭，工业的发展更离不开煤炭，但是当前的环境问题日益突出，已经严重的影响了我国经济的发展，因此在当前的情况下，必须要从煤炭开采过程入手，使得煤炭开采活动能够尽量的减少对环境产生不好的影响。长期以来，煤矸石并没有得到真正有效地利用。煤矸石是一种与煤层一同产生的、含碳量较低的岩石，由于利用的价值不是很高，很多煤矸石就采用了堆积的方式进行处理，这对环境产生了不好的影响。

首先，煤矸石中含有大量的金属氧化物，甚至还含有一些有毒的重金属离子，这些金属物质通常会在煤矸石风化后，随着雨水进入到土壤，从而对土壤、地下水造成污染，严重的后果可能会导致植被死亡，使得山体和土壤水土流失。其次，煤矸石的排放量是非常巨大的，这和我国的煤矿开采量大成正比，煤矸石的自然堆放占据了大量的土地面积，还造成了土地的富离子化，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烧物质，并且煤矸石在堆积的过程中会因为氧化释放出大量的热，如果热量无法消散，煤矸石的内部温度就会越来越高，最终导致煤矸石出现燃烧的情况，燃烧的过程中会释放大量的一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等能够严重污染空气的气体，这会威胁到人民群众的人身和财产安全。

三、国内煤矸石发展现状

（一）煤矸石的利用率较低

目前，我国的煤矸石的利用率较低，但是同时堆积量是巨大的，这也就导致了环境的污染。我国煤矸石的利用方向主要是工程，在进行煤炭开采的过程中利用煤矸石回填矿井，这样煤矸石的利用率是非常低的。同时，因为煤矸石的开发工艺比较困难，煤矸石没有发挥出潜在的利用价值。但是随着国家在环境保护上的力度越来越大，对于煤炭行业的发展也提出了更多的要求，以煤矸石为原料的产品逐渐的开始出现在市场上，但是其总量比较少，无法真正的推动煤炭行业的技术更新。

（二）缺乏有效地激励政策和配套政策

多年以来，煤矸石的利用率比较低主要是因为相关的技术开发难度比较大，企业在煤矸石利用方面需要投入的资金量是巨大的，这也就导致了很多企业并不愿意在煤矸石利用方面进行资金投入和技术研发。虽然当前国家对于煤炭行业的开采做出了新的环境保护要求，要求企业在煤炭开采的过程中尽量保持生态环境不被破坏，而这一要求对于煤矸石的处理提出了新的要求。当前，很多企业也在投入资金开始对煤矸石的利用进行技术研发，但是政府相关的政策配套和激励约束政策并没有出台，这也就导致了企业的研发行为并不是非常积极，没有做到回收煤矸石当中的有用成分，并给予极高的附加值，即使有的企业已经开发出了相关的技术，但是因为开发难度高、投入产出比较小，仅仅停留在了研究与示范的阶段，没有形成成熟的技术。

（三）缺乏相应的人才

煤炭产业的人才是极度缺乏的，因为煤炭产业是属于高能耗产业，在人们的印象当中工作环境是比较差的，而且需要研究人员长期的坐冷板凳，需要沉下心来对煤炭行业相关的物质进行深入的研究，而在这个浮躁的社会，能够对煤矸石进行深入研究的人才几乎没有，其产业人才是极度缺乏的。并且煤炭相关行业研究成果的应用是不顺畅的，煤炭行业与建材、化工等行业的合作结合不好，即使煤炭企业研究出了非常高效的煤矸石利用方法，由于与其他行业沟通不畅，也会导致技术的推广和应用产生滞后局面。

四、煤矸石利用最佳发展方向

（一）煤矸石电厂

随着国家经济总量在不断增长，社会对于电力的需求也越来越旺盛，当前的发电形式是多种多样的，但是燃烧化石燃料进行发电仍然是主要方式，即使在使用的过程中对化石燃料进行了各种无害化处理，但是对于环境的影响还是非常大的，所以必须要能够减少化石燃料发电量。近几年，采用循环流化床锅炉的发电厂发展越来越快，这种发电厂主要是以煤矸石和质量非常差的、利用价值非常低的煤炭为原材料。这种煤矸石发电厂一般建立在煤炭开采的聚集区，不仅能够大量的消耗煤炭采集企业在煤炭开采过程中生产出来的煤矸石，还能够降低运输成本，减少品质良好的煤炭的使用量，能够有效的提升煤矸石的使用量，目前这是其中大量使用煤矸石的一种方式。

（二）煤矸石建材企业

煤矸石中仅仅含有非常少量的碳，其主要的组成物质是各种氧化物，其中硅的含量和铁的含量是非常多的，那么在进行煤矸石利用的时候就可以充分的利用这一特性，对煤矸石进行建筑材料方面的开发，这对于煤矸石的使用是非常巨大的。在目前，通过对煤矸石的加工，能够以煤矸石为原料生产出煤矸石砖、装饰砖、多孔砖等等，这件建筑材料在市场上的反响是非常好的，尤其是在一些禁售黏土砖的地区，煤矸石砖销量非常好。政府或者企业在规划开展煤矸石建筑材料开发和生产的时候，应当对生产进行充分的考虑，一定要结合当地的实际情况，人民群众和企业对于煤矸石砖的接受程度，同时为了降低生产的成本，最好是能够在煤矸石堆积场附近几十公里内投厂建设，这样能够有效的降低因为运输成本等带来的损耗，同时也能够因为低廉的成本而在市场上有足够的竞争力。

（三）煤矸石生态处置

在以前，煤矸石的主要处理方式为露天堆积，这不仅有很大的危险性，也会造成环境的污染。近年来，国家对于环境保护抓得越来越严，这也对煤矸石的生态化处理提出了新的要求，因此目前在很多的煤炭矿场都会采用煤矸石生态处理的方式进行。对煤矸石进行生态处理的主要内容是，在煤矸石堆积区寻找合适的地块，在做好防泄漏的情况下将煤矸石堆放在地块中，再在煤矸石上面铺上土壤，根据各地的标准，可以恢复为耕地的，可以将其作为生产力土地进行农作物的生产，不能恢复为耕地的，可以作为生态土地进行恢复，恢复为林地或者草地，为当地的生态添加一抹绿色。这种方法主要适用于丘陵和山地，不仅能够填沟造地，还能够在一定程度上减少煤矸石所带来的污染，为当地的绿色可持续发展作出一定的贡献。

（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，很多矿区在进行煤矸石开采的时候都会根据实际情况进行煤矸石的回填，这在一定程度上可以减少煤炭开采带来的生态影响。煤矸石井下回填主要使用的技术是沿空留巷巷旁填充无煤柱技术，这种技术已经在很多的矿区实验成功了，这种方式能够用煤矸石充填巷道代替留设煤柱。但是由于全国各地的实际情况是不同的，因此各地应当按照实际条件和实际需求去开发煤矸石井下回填的技术，这样不仅能够大量的消耗煤矸石，降低煤矸石对于环境的影响，还能够缓解采掘接续紧张的局面。

（五）煤矸石高端化利用方向

煤矸石除了用于发电、回填、生态处理以外，还可以进行高端开发，使得煤矸石能够有更高的附加值。煤矸石的化学组成是比较复杂的，其中各种元素的含量也是非常丰富的，那么在进行开发的时候，技术人员就可以通过一定的技术手段来研发出一些高端产品。

1.煤矸石制作陶瓷空心微珠

微米级陶瓷空心微珠是一种微米级的无机材料，这种材料在多个领域都有所应用，如环保建材、保温板内芯等等，全球的陶瓷空心微珠的应用前景非常广阔，全球市场对于陶瓷空心微珠的需求是数以亿吨计的，目前我国的陶瓷空心微珠的情况是低端自给自足，高端依赖进口的局面，如果能够在陶瓷空心微珠方面有所突破，降低生产成本，提升产量，就能够在全球市场中占有一席之地，这对于我国高端产业的发展有着很大的利好。煤矸石制作陶瓷空心微珠的过程一般是煤矸石筛选、破碎、研磨、制浆、干燥成型和烧结。

2.煤矸石制无机纤维

无机纤维是非常好的无机防火保温材料，在国家禁止使用有机聚氨酯保温材料的大前提下，无机纤维材料的推广和利用就有很好的市场前景。目前利用煤矸石进行制备的无机纤维主要分为两种，分别是超细矿物纤维和硅铝纤维。利用煤矸石制作超细矿物纤维是作为一种新型产业出现的，超细矿物纤维有着很多的优点，首先是环保节能，能够用于很多的领域，比如密封、磨砂材料等等，然后是纤维的价格很低，这就能够给大范围推广打下良好的基础，最后就是有良好的适应性。硅铝纤维是一种新型的产品，目前在国内已经研究成功并且进行了应用，这种材料应用的范围更加的广泛，其适应性和耐受度更高，能够应用在建筑、石油化工、冶金、建材、机械、纤维纺织等等多个领域，这对于煤矸石的发展来说是非常有利的。

（六）制取工业原料

煤矸石的组成成分重要是二氧化硅和三氧化二铝，那么在进行煤矸石的开发时，就可以通过化学方法制作各种以这种化合物为原料的工业原料，例如可以制备出氧化铝、硫酸铝、水玻璃等等。

五、结语

综上所述，煤矸石的成分是非常复杂的，随意在自然环境中进行堆积，对于环境的影响是比较大的，因此通过各种技术对煤矸石进行开发，不仅可以提升煤矸石的利用率，降低当地的生态压力，还能够通过高附加值的工业产品来获得非常高的效益，这对于煤炭开采企业和煤矸石利用企业来说是有利的，因此加强对于煤矸石的开发和利用刻不容缓。