关于煤矸石回填工艺技术的研究和思考

杨长俊

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司红柳煤矿，宁夏 灵武 750408)

近年来，作为我国经济建设能源支撑的煤炭行业在快速发展的同时，也带来了土地资源破坏及生态环境恶化等较多的负面影响，其中较为突出的是煤矸石的排放问题。 每年煤矸石固体废弃物占煤炭生产总量的比例为10%～25%[1-2]。国外发达国家煤矸石利用率接近90%[3]，而我国煤矸石利用率截至2019年仅约70%。由于我国煤矸石的综合利用率不高，导致堆放量日益增加，进而引发了多种环境问题：煤矸石堆放易引发滑坡和泥石流，同时，35%堆放的煤矸石可能由于内部存在的黄铁矿和含炭物质导致煤矸石自燃现象发生，产生有害有毒气体[4]；煤矸石堆经过自然的风吹日晒，其分解产生的大量酸性水及携带重金属离子的水会渗入地下，进而影响地表水水质，导致严重的水污染；煤矸石堆积占用大量土地，目前已形成 1 500 座矸石山，占地面积近 2×104hm2，造成严重的土地资源污染与浪费。因此，如何有效探索煤矸石的利用价值及方法，提高其综合利用率，进而保护环境，是目前国内外相关专家学者关注的焦点[5-6]。

1 煤矸石堆积与利用现状

我国煤炭资源存在较大的区域差异，随着煤炭的持续开采，在产生大量的煤矸石同时，又因为受限于经济和技术条件的制约，导致煤矸石利用率偏低，部分区域的煤矸石利用率低于65%。截至目前，国内已经形成煤矸石山数量不少于1 100座，占地面积超过了12万km2，且仍以每年3.0亿～3.5亿t的速度持续增长。有关资料显示，我国华南、东北地区的煤矸石排放量小于华北、西北地区的排放量；华北地区煤矸石排放量位居首位，排放总量高达35亿t，约占总排放量的50%[7]。

鉴于煤矸石具有的潜在利用价值及预期的经济效益，有关高等院校、科研院所、矿业集团等企事业单位针对煤矸石的综合利用开展了大量的研究工作，主要集中在建筑、农业、电力等行业。

1.1 煤矸石制备吸附材料

煤矸石经预处理后可被资源化利用，再加工为环境友好型材料。利用煤矸石制备复合吸附材料，可实现对废水、废气等污染物的治理。

相关实验发现，有机物含量对制备出的吸附材料的吸附性能影响较大，有机物含量与吸附性能呈正比关系，其含量越高吸附性能越好。不同类型的煤矸石炭化有机物在活性炭转换时具有不同特性，黏土型煤矸石可被做成活性炭—氧化物复合吸附材料，如高岭石因对阳离子染料具有更强的吸附能力则可被做成氧化物吸附材料；对于非黏土型煤矸石，因其有机物含量较少不适合制备吸附材料[8]。因此，能否将煤矸石加工成为一种有效的吸附材料，需要根据煤矸石不同的特性灵活选择。

1.2 煤矸石制备建筑材料

除了制备吸附材料，将煤矸石用于制备建筑材料(烧结砖及水泥的制备)也是其有效利用的研究热点之一[9]。通过对煤矸石的化学成分、发热量及物理性能等指标的综合测试评价，同时针对成分复杂、破洞大的煤矸石进行相应的半工业性试验，论证煤矸石作为建筑材料的科学性。进一步发展煤矸石承重、非承重烧结空心砖、轻集料等新型建材，逐步替代黏土。利用煤矸石制备出的烧结砖、水泥、轻集料等材料，产品质量应符合GB/T 29613—2012《煤矸石利用技术导则》。煤矸石烧结产品的抗压强度为 9.8～14.7 MPa，抗折强度为2.5～5.0 MPa[10-11]，具有较好的抗压、防冻及防火性能等，因此对煤矸石进行合理的加工，使其在一定场景下替代传统的黏土制砖，可实现废物利用、能源节省、改善环境。

1.3 煤矸石制备化工产品及肥料

高岭石类煤矸石中含有Al2O3, 采用高温焙烧、碱液浸取工艺，可生产Al(OH)3等化工产品[12]。煤矸石中含有的有机物与无机物可被用于制作肥料，既可有效解决煤矸石堆放导致的环境污染问题，也可实现资源的再生利用，产生一定的经济效益。目前国内外学者针对煤矸石肥料制作方式展开了相应的研究，选择一种或多种无机矿物、化肥、微生物、有机肥、秸秆和污泥与煤矸石按照相应的比例制成肥料。同时，对如何有效降低或控制煤矸石中重金属含量的技术措施进行了大量的研究：在利用煤矸石制备肥料前，应充分分析煤矸石的成分，选择较为合适的生产方式，完成对不同性质煤矸石的配料、辅料选择和研制；在对煤矸石肥料的研究中，分解煤矸石中固化的营养元素及元素配比对产品肥效具有重要影响，合理的有机、无机元素含量配比，其肥效更高；煤矸石制品制备完成后，需要对其肥料效率进行综合评价，包括对作物产量、品质和土壤改良的影响，为后续的研究提供足够的样本支撑[13-14]。

1.4 煤矸石用于发电及回填

煤矸石发电是煤矸石综合利用最为重要的途径。目前，全国煤矸石电厂装机容量已达到500万kW以上，每年发电消耗煤矸石超过5 000万t[15]。以煤炭产业为依托，联合优势企业，建设符合相关技术标准的矸石发电基地，已经成为目前迫切、明确、有效的煤矸石处理方法。借助煤矸石硬度大的特性，可用于煤矿采空区的回填，以及作为复垦造地或造田的填充材料，遵照国家的相关政策，实现煤矸石不出井方式回填。

2 煤矸石对环境的危害

煤矸石含有大量的有机组分、金属、碱土金属和硫化物等，是无机盐类污染源的一种，能够通过自然降水导致环境污染。煤矸石从井下运输到地面进行堆积处理，由于受到外界环境的影响加速了其风化进程，促进了可溶性成分的分解，加重了矸石山的环境污染，主要包括水体污染、大气污染、土地污染等。

2.1 煤矸石山堆积造成水体污染

由于部分地区煤矸石堆处理不及时，导致当地的地表水及地下水发生水体污染。经过化学检测，煤矸石中包含有大量的重金属和有毒有害物质。随着雨水冲淋，煤矸石中的有害物质通过混入地表及地下水，导致河流或者湖泊污染，给当地生态资源带来极大的影响，且由于重金属污染物直接进入到地下水，将对当地居民生活用水及农业灌溉带来污染，直接影响人们的安全与健康。此外，煤矸石山堆积不合理会产生局部坍塌或者因降雨导致的泥石流等情况，也增大了其安全防范的难度[16]。

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2.2 煤矸石堆积导致大气污染

煤矸石主要来自于煤炭开采和煤炭加工过程中。目前，大部分煤矿相关企业的生态安全规范不健全，导致无法按规定方式处理煤矸石。调查发现，煤矸石多为露天堆积，如果长时间堆放，极易导致其风化，使大量的粉尘和烟尘混入大气，对大气质量、人类及相关动植物等的健康造成严重威胁。通过调查表明，部分煤矿附近的居民患有严重的气管疾病、哮喘等，且人数逐渐增多，已经成为严重的社会问题。据统计，我国现有煤矸石山约 1 500 座，其中超过350座存在自燃释放有害物质的问题。通过调研发现，煤矸石的含硫量在超过一定值后，在高温和通风条件具备的情况下会导致煤矸石产生明火，从而产生大量的CO、CO2、SO2等有害气体及烟尘，导致硫酸雨等严重自然灾害的发生。如果煤矸石温度继续升高，则易引发瓦斯爆炸，给矿区人员生命和财产造成极大的威胁。

2.3 煤矸石堆积造成土地资源污染

煤矸石堆积占用大量土地并危害周围耕地，一方面影响当地耕地结构，给农业产业结构调整带来不便；另一方面导致耕地总量减少，对国家维护耕地数量保障农业可持续发展造成影响。煤矸石经过雨水的冲刷，煤矸石中的镉、汞、砷、铅等重金属离子会缓慢渗入到土壤中，导致土壤的生态环境结构改变，降低了农作物的产量，同时重金属通过农作物被人食用进入人体，导致化学元素中毒，这些元素会对人体肾、肝、肺等器官造成严重损害。煤矸石堆与自然界水发生化学反应，产生火山灰效应，最终形成水合硅酸钙，并最终形成板块，使耕地长期荒芜，从而威胁到国家的粮食安全。虽然煤矸石呈中性，但因被雨水侵蚀而溶解了大量SiO2，呈强酸性，会对耕地造成严重破坏[17-18]。

3 煤矸石回填处理途径

3.1 煤矸石回填分类

1)根据回填位置的不同，煤矸石回填主要集中在巷道和工作面。巷道回填相对简单，使用的设备种类要求较少，但因所需煤矸石量小而无法从根本上解决煤矸石的治理和利用问题；工作面回填系统较为复杂，涉及到的必要工序较多，除了正常的运煤系统外，还有矸石分选系统，设备占用面积大，但煤矸石处理量大。

2)根据充填体体积和充填范围在采空煤层比例中的差异，将充填体分为全面充填体和局部充填体。全面充填采矿法是在采后顶板下落之前完成全部采空区的充填，充填量和范围与煤炭开采基本相同，采空区整体沉陷开采的关键是控制充填体支架上方的覆岩。局部充填主要用于小范围的充填，充填量和范围占自身煤量的比例较小，适用于采空区部分回填，以及分离区和崩落区填充。

3.2 煤矸石回填设备

当采空区倾角较大时，可选用单轨吊车、齿轨车、轨道车等相关运输工具将煤矸石运送到采空区；当采空区倾角较小时，采用下坡巷道煤矸石充填方式难以完成，因此需要选择增加相关的设备进行处理。

1)扒装机：使用扒装机的台铲和扒斗，将台铲固定在废物卸载的外侧上，然后选择扒斗将废物移至充填工作面上。

2)带式输送机：将输送机固定在煤矸石卸载点外，输送机尾部使用上挂式墙梁架，坡度可以调节，使煤矸石高低运送，并可加大或缩小体积，保证其对煤矸石卸载的适应性。

3)粉碎机、多级柱塞泵：将煤矸石粉碎后，加入一定量的水，直接泵送到采空区[19]。

3.3 煤矸石回填工艺

1)刮板输送机卸矸充填技术。该技术基本思路是利用输送机将施工过程中产生的煤矸石及其他废弃物运到充填工作面，采用采煤液压支架、多孔底卸式输送机等综采工作设备完成采空区的充填。回风巷道(矸石巷道)设有矸石带式输送机、矸石输送机等设备，辅助实现煤矸石的快速回填。

2)巷式充填技术。在传统长壁采煤法生产系统的基础上，通过综采掘进机掘进巷道，在两条巷道之间进行采煤，使用充填材料完成采空巷道的填充。同时为满足围岩控制要求，地下采用固体材料或胶结材料填筑，并采用煤矸石代替填筑材料。该技术具有系统简单、高效节能、上覆岩层移动控制效果好等优点，特别适用于煤矸石含量较少的煤层开采[20]。

3)煤矸石粉碎泵送技术。杨长俊等[21]提出，首先将矸石山或者煤矿井下开采后产生的煤矸石进行破碎，根据泥浆泵或柱塞泵的特性，掺入一定量的水和其他物质，保证泥浆的黏稠度，然后通过主输料管网进入综采工作面巷道，到达采空区。在此过程中，末端管路由于淤泥堆积会逐渐发生堵塞，为了保证在末端管路堵塞后，仍然能够持续为采空区输送泥浆，在工作面逐渐推进的过程中，需要依次打开三通上的堵盘，直至煤矸石处理完毕。利用泵送技术进行煤矸石回填，具有处理效果好、工作效率高等特点，然而在实际应用中确有一定的技术难点：煤矿混合式泵送自适应调节技术，长距离管路煤泥沉积防阻塞技术及大算力工控机，预裂变片、涡旋引射器、旋流管及叶瓣式单向三通限流器。对此，笔者将清淤工艺与采空区回填有效结合，给出如下解决方法：

a.利用磁性物传感器，实现煤泥黏度、含沙量及含水量的在线实时检测，并将泵送驱动方式划分为轻度、中度和重度多个独立区间，在此基础上分别设计不同泵送控制策略，形成多段管道自适应的控制系统。

b.在煤矸石粉碎后的长距离泥浆输送管道易阻塞点位置，安装涡旋引射器，将低浓度污水通过变径特斯拉阀管加压后，引入容易淤堵的管道弯头内，通过高压射流水，沿管道壁形成高速漩涡，带动泥沙旋搅，使其加速流过淤堵位置。

c.在管道下坡阶段，通过安装旋流管，利用高度差动能及淤泥自身的黏流性，对管道内的淤泥进行搅拌，抑制泥沙离析。

d.建立三通阀门上的裂变片应力与管道流体力学模型的映射关系，实现不同位置裂变应力的差异化，保证采空区泥浆的连续输送。

4 国家政策及煤矿环评批复

为解决由来已久的煤矸石污染问题，国家从1990年代中期开始就不断制定相关的管理政策，归纳如表1所示。

表1 煤矸石治理与综合利用国家相关政策

随着国家科技的快速发展，生态文明建设也需顺应时代要求，在《煤矸石处置与利用环境保护政策法规》里着重强调了煤矸石污染问题，全面系统地收编了关于煤矸石环境污染保护相关的各类文件，用于指导相关部门、相关单位人员的实际活动，以此提高煤矸石综合治理环境保护的整体水平。

为加大贯彻落实生态文明建设，做好污染防治与处理的攻坚战，规范煤炭资源开采的环境影响评价制度，进一步协调煤炭资源开采与生态环境保护之间的矛盾，依照现有技术条件及相关法规等，由生态环境部、国家发展和改革委员会、国家能源局于2020年10月30日联合颁布了《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》。国内几家煤矿的典型环评批复及相关的整改意见如下：

1)2017年2月，内蒙古吉煤矿业收到关于霍林河二号矿井及选煤厂环境影响报告书的批复。报告书中指出项目建设符合矿区总体规划及环评，但由于评价文件审批前就自行开工建设，需要进一步根据整改措施全面保护生态环境。

2)2020年2月，新疆天隆希望五彩湾矿区二号露天煤矿一期工程环境影响报告书得到批复。批复中指出该项目符合规划环评要求，但因环评文件在审批前擅自实施建设，违反了环评法的相关规定，其项目实施结果造成生态、大气等严重污染。在对环境影响报告书中的各项意见进行整改后，项目建设产生的附属危害得到了有效缓解。

3)2020年3月，宁夏煤业集团有限公司煤制烯烃项目环评通过批复。为保证项目顺利实施，在项目前期，成立专项小组实时跟踪进度，建立联合审查制度，并联合当地其他部门协调解决了煤炭消耗综合评价、污染物再生利用等关键问题，确保了环评证书的申报受理。

由此可见，国家对煤矿环评批复极为严格，政策的紧致性将高标准地指导煤矿企业环境达标建设的发展，进而保证环境资源的合理利用。

5 结语

虽然新能源技术取得了突破性进展，但短期内煤炭资源的主体地位仍不可撼动。煤矸石污染问题是我国煤炭生产企业关注的主要问题之一，如何对其进行有效治理，减少对自然环境的污染，且能够产生显著的社会经济效益，是现有研究的难点和特点。煤矸石治理是一个持续过程，任重而道远，如何借助新技术、新方法、新工艺，加快煤矸石的有效处置，将是未来煤矸石治理的主要研究方向。