煤矸石资源化利用现状与进展

竹 涛 ，武新娟 ，邢 成 ，鞠秋歌 ，苏思源

（1.中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院, 北京 100083；2.中国天津生态环境科学研究院 国家环境保护恶臭污染控制重点实验室, 天津 300191）

0 引 言

煤矸石是煤炭生产中产生的常见固废，占原煤产量的10%～20%[1]。目前我国积存煤矸石已超过10 亿t，且每年还会排出约1 亿t。由于煤矸石综合利用率与深度处理效率低，导致其大量堆积，若得不到合理有效的处理，不仅会导致土地和矿物质资源的严重浪费，还会对周边的环境产生负面影响[2-3]，如污染周边的空气、地下水、土壤，引发水土流失、山体滑坡、煤矸石山自燃等。更严重的是威胁到当地居民以及周围生物的生命，这一系列后果限制了我国经济社会的可持续发展[4]。

随着国家对环保的力度不断加大，煤炭行业开始逐步实施废物转产政策，煤矸石问题已经成为煤炭行业的最大挑战，也是煤炭经济发展中的重要问题。自2021 年以来，国家高度重视煤矸石的治理和利用问题，特别是在采空/塌陷区回填等领域作为新材料的应用。国家发展改革委办公厅发布了《关于开展大宗煤基固废综合利用示范的通知》，明确了以煤矸石、粉煤灰和尾矿（共伴生矿）等为主的大宗煤基固废综合利用示范基地建设方向[5]。一系列政策的颁布和实施，在国内掀起了煤矸石资源化的浪潮。

面对上述系列问题，一方面应在开发矿山时，加强源头治理，尽可能减量；另一方面，更应创新、拓宽其资源化利用途径，实现最大化资源回收，变废为宝，以减少其对自然生态环境的影响[6]。目前，煤矸石的资源化利用与处置方式主要包括燃料燃烧、回收有用组分、生产建筑材料、回填采空区、复垦和生产有机肥料等[7]。其中，煤矸石可以作为燃料进行燃烧，产生热能用于发电或供暖，同时可以减少煤矸石的堆放量。同时，建筑材料生产具体包括煤矸石烧结砖、水泥、陶粒、混凝土掺合料和水泥混合材料的生产等。此外，在矿山开采结束后，利用煤矸石进行复垦，恢复成为适合农业、林业或其他用途的土地，同时还可以改善土壤质量，促进植物生长，实现煤矸石的生态利用。另外，煤矸石中富含有机质的岩石和植物所需的微量元素，可用来生产有机复合肥料[8]。

尽管煤矸石资源化利用技术在我国已取得了较多研究成果，但由于煤矸石综合利用项目的投资大、周期长、回报低，难以吸引大量资金和人才参与其中，使很多企业望而却步。加之现有的利用技术并不成熟，存在一定的局限性，如利用与回收效率相对较低、难以判断长期应用过程中是否会造成二次污染、存在未知风险等，使其更难以实现大规模工业化应用。最终形成了小规模利用“不解渴”，大规模利用“不敢喝”的矛盾。

因此，围绕煤矸石资源化利用展开，在探究其对环境影响的基础上，分析并综述了煤矸石的现有应用途径与资源化利用的研究进展，并对其未来的发展方向做展望，以期为我国煤矸石资源化利用提供借鉴。

1 煤矸石对环境的影响

1.1 对水环境的影响

开采煤矿需要进行地下开挖，通常情况下，开挖深度可达地下数千米，这种施工会导致矿区地下形成大面积的采空区[9]。随着开挖工程的进行，采空区的范围会不断扩大，上方的基岩由于缺乏支撑作用，容易发生塌陷和破裂等问题。长期下去，会形成裂缝带和剥离层，破坏原有水层结构，导致地下水随裂缝流入采空区，造成地下水资源的流失，不利于农业灌溉和人民日常生活用水。同时，随着裂缝带的上升，地表水会渗入地下，导致地表径流量减少，严重时可能导致地表河流干涸，并且煤矸石与水资源接触后，会破坏水生生态系统，影响水中生物的生存和繁衍，对水域生态环境造成严重损害。此外，如果煤矸石在存放时受到雨水冲刷，废石和尾矿中残留的有害物质可能会渗入地下，对地下水资源造成不可挽回的污染[10]。严重的渗入情况可能使水资源带有毒性，对周围居民的正常生活造成影响。

1.2 对大气环境的影响

在分洗过程中，大量燃料如煤炭、天然气和石油等被使用，导致大量二氧化碳和其他温室气体的排放，同时还释放出有害气体和物质，例如氮气、硫元素等，对大气和土壤造成严重污染。一些矿石中也含有温室气体，如煤矿中的甲烷，其释放也会对大气环境产生影响。同时，煤矸石的堆积也会对大气环境产生负面影响。煤矸石堆极易自燃，不充分燃烧释放出大量的二氧化碳和其他温室气体，引起大气环境的污染。此外，煤矸石产生的飘尘也会对大气环境造成污染。矸石在风吹日晒的作用下，会释放出硫化物和重金属等物质，给大气环境带来无法逆转的污染[11]。因此，煤矸石堆积和环境之间密切相关，如果煤矸石得不到及时且适当的处理，对环境造成的破坏和影响将是无法预测的。

图1 煤矸石对环境的影响Fig.1 Environmental impact of coal gangue

1.3 对土壤环境的影响

首先，煤矸石的储存需要大量的空间，占用了本可用于开发的土地，导致土地资源变得更加有限，而且由于煤矸石结构的松散性，还带来了许多灾害风险。煤矿地质灾害主要有滑坡和地面沉降2 种，与煤矿开采规模逐渐增大、开采方式落后以及开采区域回填不及时等因素有关[12]。通常，在煤矿实际开采过程中，排矸场区域逐渐扩大，占用了部分林地或草地等土地资源，破坏了地表原有的绿色植被，且恢复时间较长，导致岩石长时间裸露在外，增加了矿区自然灾害的风险，改变了矿区的地形和地貌[13]。在极端恶劣的强降水天气下，由于地表植被覆盖率低，易出现泥石流和滑坡等自然灾害。同时，采空区未能及时回填同样会增加矿区出现地面塌陷事故的几率，尤其在强降水天气下，安全事故如滑坡或地面塌陷就会发生，严重威胁采矿人员的生命安全[14-15]。煤矸石堆放在雨季容易发生崩塌滑坡、地裂缝、地面塌陷、泥石流、地下水排干和污染等安全事故风险。此外，开发过程中可能造成土壤承载能力的降低，甚至导致地表塌陷或裂缝等情况，对现场人员的安全构成潜在威胁，引发区域性环境问题[16]。

2 煤矸石的应用途径

随着煤炭资源的利用，煤矸石的处理方式成为关键问题，如何有效地消耗利用煤矸石，是解决矿山生态环境问题、保护土地资源甚至缓解土地资源供需矛盾的关键[17]。为减轻这些潜在危害，需要对煤矸石进行处理。近年来，出现了许多新技术和新方法来利用煤矸石资源，主要利用方式包括煤矸石发电、化工产品制备、建筑材料化利用以及其他工业应用，如图2 所示。

图2 煤矸石主要应用途径Fig.2 Main application ways of coal gangue

图3 铁尾矿制备含铁介孔二氧化硅材料[68]Fig.3 Iron-containing mesoporous silica material was prepared from iron tailings[68]

图4 煤基吸附剂制备工艺流程及机理[71-73]Fig.4 Process and mechanism of preparation of coal-based adsorbent[71-73]

2.1 生产能源

煤矸石平均含碳量为20%～30%，可用于发电。高于6 272 kJ/kg 的高热值煤矸石可直接作为锅炉燃料，而低于6 272 kJ/kg 的煤矸石可通过可控阴燃或混合利用技术实现内能的提取[18]。通过混合高热值煤或分选回收可燃组分，进行充分燃烧后用于发电，例如燃烧洗中煤和洗矸的混合物来发电，发热量可达8 372 kJ/kg。含硫煤矸石由于易自燃的特点，常被用于生产能源。我国早期利用沸腾炉燃烧发电，现在由于循环流化床锅炉等技术的应用，可更好地适应低热值的煤矸石燃烧发电。同时，利用煤矸石（混合）内能燃烧可有效解决煤矸石堆放自燃带来的环境污染和碳排放问题。据统计，我国每年至少有1.4亿t 煤矸石被用于发电，相当于节约3 800 万t 标准煤[19]。尽管废弃物燃烧技术逐渐成熟，煤矸石发电技术取得了较大进步，但由于煤矸石的低热值、高灰分和硬度大等问题，仍需进一步深入研究。

2.2 有价金属回收

煤矸石中富含SiO2、Al2O3和Fe2O3等多种化合物，其中的丰富铝元素可用于生产化工原料，比如AlCl3、Al(OH)3和Al2(SO4)3。对矿石或尾砂进行物理、化学或生物处理，以提高金、银、铜、铁、铅、锌、硫和镓等金属的回收率。利用不同矿石或尾砂中金属矿物的物理性质差异进行分离，包括重选、浮选、磁选等物理手段，提高金属的回收率[20]。通过浸出、溶解、还原等化学手段，将金属从矿石或尾砂中溶解到溶液中，然后通过沉淀、电解等方法将金属沉淀或析出。生物方法利用某些微生物特性，通过生物浸出的方式将金属从矿石中溶解出来，然后通过沉淀、电解等方法将金属沉淀或析出。通过这些手段合理提取和利用这些元素，不仅可以将煤矸石转化为宝贵资源，减少对环境的危害，还能极大提高煤矸石的价值利用。李科等[21]通过多步骤处理煤矸石，分离出碳和二氧化硅，然后利用焙烧和溶解得到硅酸钙和钛酸钙的料渣，可用于涂料制作，同时生成其他化学物质用于涂料和无机阻燃添加剂。张雨涵等[22]使用CaCl2对煤矸石进行氯化焙烧除铁，通过响应面模型优化了工艺参数，明确了各因素间的交互作用，使产品符合国家标准中对煅烧高岭土的要求，可用于涂料、造纸和橡胶工业。陈延信等[23]利用分散态磁化焙烧-磁选方法回收某金尾矿中的铁，研究表明磁场强度对精矿品位和回收率的影响最为显著；絮凝剂对精矿品位的影响强于分散剂，但对精矿回收率的影响较弱。新型提取技术可以大规模处理低品位的矿石或尾砂，有效提高金属的回收率，实现资源的高效利用和环境的可持续发展。

2.3 建筑材料

煤矸石中富含高浓度的硅和铝，且具有黏土质地，不仅可用于生产建筑和装饰材料，还可用于制造铝硅酸盐聚合凝胶材料，如烧结砖、轻质骨料、混凝土砌块和煤矸石微晶玻璃等[20,24]。此外，它们还可以替代黏土成分用于制造普通硅酸盐水泥、特种水泥和无熟水泥等建筑材料[25]。一些研究表明，利用煤矸石和铁尾矿等制备烧结砖，可以在特定比例和烧结条件下获得良好的工艺效果，提高抗压强度，降低吸水率，并满足毒性与腐蚀性检验要求[26-27]。一般发热量低于2 090 kJ/kg、含碳量低于4%的适合用作混凝土骨料及建材原料使用[28]；生产空心砌块时需要煤矸石与一定比例的生石灰和石膏配合作为胶粘剂等缺点[29]。另外，一些研究还指出，增加辅料粉煤灰可提高矸石固废混合材料的压实性能[30-31]。由钨尾矿制备的玻璃陶瓷具有良好的晶体结构和良好的性能，在建筑材料方面具有潜在的应用前景[32]。采用机械磨矿和化学活化剂对尾矿进行活化，并制备了一系列水泥砂浆样品，活化尾砂作为胶凝材料，可以解决水泥工业中尾砂污染和降低成本的问题[33]。同时，利用煤基固废制备浆体填充材料，并结合微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术，最终实现CO2矿化封存，具有潜在的环境和工程应用价值[34]。煤矸石还可用于替代自然资源生产硫铝酸盐凝胶材料，从而实现硫铝酸盐基3D 打印胶凝建筑材料，对建筑的快速成型技术具有重要意义，与绿色建筑理念相吻合[35]。利用煤矸石进行建筑装饰新材料，并结合建筑快速成型的新技术体系，具有潜力和价值，对采矿区的环境问题改善起到积极作用。

2.4 其他方向

煤矸石具有多种应用方向和广泛的应用领域。化工利用煤矸石原料起步较早，近年来发展迅速。改性煤矸石因其孔隙结构和吸附性能而被认为是一种经济高效的废水处理解决方案[36]。改性后的煤矸石对工业废水中的氨氮和COD 具有良好的吸附效果，并具有较高的可行性[37]。同时，煤矸石作为吸附剂，在吸附柱动态试验中显示出对溶解性有机物（DOM）的主要吸附发生在其表面，其表面羟基及孔隙与DOM 中各种官能团相结合形成配合物[38]。此外，利用廉价的煤矸石原料制备分子筛和其他复合吸附材料，以及提取煤矸石中有价值元素制备化工产品等方向都受到广泛关注和应用。利用煤矸石合成沸石分子筛不仅解决了煤矸石的堆积问题，还降低了沸石分子筛的生产成本，可应用于废水废气治理，实现废物利用、资源节约、环境改善和经济效益提高，是一种经济环保双赢的应用[39-40]。

3 煤矸石资源化利用研究进展

自20 世纪60 年代起，为减少矿山煤矸石对环境的影响，许多国家开始重视煤矸石的处理和利用。作为矿区主要的煤基固废，煤矸石常被直接使用或改性后与其他材料混合使用，以实现“从土中来回土中去”的最佳处理方法[41]。由于煤矸石天然存在于土地中，具有良好的稳定性和生态适宜性，因此国家鼓励使用煤矸石进行复垦[42]。研究表明，在矿区开采时，应充分考虑开采与地面复垦措施的耦合，通过合理减轻土地损毁的开采措施和沉陷前或沉陷过程中的复垦时机与方案的优选，实现采矿与复垦同步进行。煤矸石资源化利用主要集中在以下3 个方面[43]。

3.1 防止重金属污染

煤矸石充填复垦是重要的采煤陷落耕地恢复手段，但会释放重金属，对土壤环境构成威胁。研究表明，巯基丙基三甲氧基硅烷改性煤矸石可钝化土壤中的Co，且土壤pH 对其影响不明显[44]。盆栽试验显示，秸秆与粉煤灰联合对煤矸石污染土壤中黑麦草的影响，对Fe、Mn 具有较大的修复潜力[45]。开发煤矸石吸附剂不仅可有效利用煤矸石，还可降低重金属离子废水的处理成本。氨基修饰后的煤矸石材料具有吸附性能好等优点，具有潜在的工业应用价值[46]。研究还表明，巯基改性煤矸石对Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)污染土壤进行修复后，较稳定形态的相对含量升高，而较不稳定形态的相对含量明显降低[47]。在复垦矿区土壤重建过程中，土壤性质复杂演变，影响重金属的分布，形成复杂的网络关系。

3.2 土壤基质改良

国外研究表明，粉煤灰、风化的褐色砂岩、第三纪风化的黄土，以及在煤矸石中掺入粉煤灰系列燃烧产物和污泥堆肥、板岩粉末等，均可作为人造土壤替代天然土壤，并且栽培的植物生长效果良好[48-51]。有研究利用煤矸石-土壤混合物添加了不同比例的玉米秸秆、粉煤灰和保水剂，制备了一种煤矸石植生基质，旨在应用于水土资源短缺的煤矿区生态修复和植物生长[52]。另外，李侠等[53]将煤矸石粉磨后按一定比例与粉煤灰混合后用于土壤中，张汝翀等[54]将煤矸石与聚丙烯酰胺、粉煤灰、玉米秸秆按比例混合用于土壤中，经测试，均可在生态修复中对植物生长起到促进作用。此外，铁尾矿、煤矸石与污泥、脱硫石膏等混合，也可以与赤泥混合改良，或者经过发酵后与水基钻屑混合，均可用于制作人造土壤[55-59]。这些人造土壤对重金属的控制符合标准，其pH 值和所含营养成分适合植物生长。杜韬等[60]的研究表明，在煤矸石-土壤混合物中，添加玉米秸秆、粉煤灰、保水剂等材料，可以提高水土资源短缺的矿区生态修复和植物生长的保水性能。

3.3 防止水土流失

目前的煤矸石资源化研究主要关注防止重金属污染和促进植物生长，但对土壤基质的保水性、抗流失性等问题关注不足，容易导致水土流失问题。固废的存在会严重影响关键的土壤变量，包括容重、结构、保水、水运动和溶质运输速率[61]。采煤塌陷会破坏土壤含水层构造并导致地下水位下降，间接改变土壤含水率空间分布特征；露天采矿与复垦过程中机械压实导致土壤孔隙数量减少，连通性减弱，土壤水分入渗受阻。土壤重构与植被重建技术能够有效改善土壤结构，缓解土壤水分流失[62]。基于土壤-植被-水分间的耦合关系，可以优化调控措施，促进干旱半干旱煤矿区的复垦与生态修复。研究表明，矿区复垦后通过还田、还草、还林3 种土地利用方式能改善矿区土壤机械组成，且土壤水分扩散率随土壤体积含水率增大急剧增大，当体积含水率接近饱和时水分扩散率趋近于无穷增大[63]。煤矸石在矿区生态修复中常被直接或改性后使用，但直接使用效果较差，改性和混合其他材料或保水剂使用效果较好，但存在成本很高或使用条件受限等问题。在合适的范围内，保水剂用量随着土壤含水率的增加而增加，出苗率处于较高水平[64]。保水剂的使用效果受到多种因素的影响，需要寻找其他更合适的方法来解决保水性、抗流失性等问题。因此，在今后的研究中需要探寻其他更合适的方法来解决这些问题。

4 未来发展方向

煤矸石资源化利用一直是国内外学者们研究的重点，也是国家可持续发展的重大需求。我国煤矸石煤矸石无害化处置与资源化综合利用总体技术水平较低，产业链不完善，产业发展层次不高，高附加值利用量比例较小，不能满足国家对生态环境保护及“双碳”目标下煤矸石综合利用相关要求。

目前煤矸石的常规用途已实现规模化应用，而在煤矸石的特殊用途上，尽管取得了一些进展，但多数工艺仍处于实验阶段，难以实现工业化应用。未来的煤矸石综合利用需要根据当地情况进行整体规划和资源整合，将大量用于常规目的的煤矸石与用于生产高附加值产品的特殊用途相结合，实现煤矸石的综合化和资源化利用。因此，必须根据当前煤矸石利用所面临的问题，确定未来的研究和发展方向。

4.1 新型人造土壤

目前矿区生态修复中使用客土覆盖的方法存在多个问题，不仅破坏开挖地的生态，还会导致修复地水土流失等问题。由于土壤资源紧缺，现有资源无法满足需求。因此，研发新型人造土壤成为一种解决方案。人造土壤不仅可以缓解土壤资源需求压力，还能扩大可用的土壤面积，提供更多的生态修复可能性。这样既能避免开挖和运输客土带来的问题，又能充分利用煤矸石资源，实现废物再利用，解决煤矸石堆存可能产生的问题，达到多重效益。适量添加煤矸石到土壤中可以促进植物生长，因为土壤具备为植物提供生长所需的水分、养分和其他生存条件的能力。将煤矸石与一定量的土壤混合，不仅能提供支持植物生长的条件，还能有效消耗和利用煤矸石，改善矿山生态环境。此外，煤矸石中含有多种农作物所需的微生物肥料成分，我国相关机构已进行了煤矸石为基质的生物肥料菌种研究，并取得了良好的预期效果。煤矸石还可以用于提取稀有元素制备肥料，并用于土地复垦、土壤改良、生物肥料携带、复合肥料调配和吸附剂等，有效改善土壤质量[65]。此外，研究发现煤矸石充填土壤细菌群落间关系以协同合作为主导，披碱草与菌根菌复配应用于矿区土壤也为菌剂与土壤方式相结合提供了新思路[66-67]。多孔煤矸石具有吸附性能好、表面基团丰富等特点，可有效用于土壤及水体重金属离子与有害物质的固定和去除，同时可用于改善土壤结构、降低土壤碱化度、保水增肥等多重功效[68]。使用煤矸石等煤基固废制备多孔土壤，对于煤矸石资源化与生态修复具有重要意义，通过对比多孔土壤与自然土壤的特性表明，煤矸石多孔土壤保水量、保温性增加，流失率降低，且适用于种植耐碱性植物[69]。

4.2 新型吸附材料

由于煤矸石资源种类繁多、物相组成复杂、含有丰富有价元素等特点，可利用物理、化学、生物等多种技术手段来提取有价成分。这些技术手段可根据固废的组分和结构特点，制备出环境友好型多孔吸附材料，如分子筛、净水剂等，为规模化高值化利用固废资源提供关键技术支持。例如，煤矸石是一种无机废物，可用于去除水中混合物中的重金属。然而，该吸附剂的单体吸附能力有限，因此制备海藻酸盐-煤矸石（ACCG）复合材料来提高重金属的吸附能力[70]。试验结果表明，ACCG 复合材料作为吸附剂进行批量脱除Zn(II)和Mn(II)取得了优异的效果，并且热力学研究表明锌和锰在ACCG 复合材料上的吸附是自发的。另外，通过将煤矸石与残煤结合起来，直接转化为新型吸附剂“煤-铝矾复合”。经过水热碱活化处理后，改性煤负载在铝石表面增强了铝石的吸附能力，从而实现了重金属离子与复合材料之间的化学吸附[71]。除此之外，还利用富含石英的煤矸石制备NaY 沸石，试验结果表明离子交换是NaY 沸石吸附Pb2+的主要机制[72]。最后，有研究还利用铁尾矿合成高表面积六方有序介孔二氧化硅材料，通过酸浸-水热碱反应预处理工艺成功利用铁尾矿，从而为有效回收煤矸石，制备先进功能材料提供了一定的见解[73]。

综上所述，煤矸石应结合本身的地域需求及煤质特点，合理选择相关利用途径，本着“规模化、高值化、可持续”的原则，将大批量消耗的常规用途和生产高附加值产品的特殊用途相结合，推动煤矸石资源化利用向更加高效、环保、可持续的方向发展，为我国经济社会可持续发展做出更大的贡献。

5 结 论

1）我国煤矸石体量巨大，但由于其综合利用率不高，对周边环境产生了诸多负面影响，不符合可持续发展战略需求，也不能满足国家对生态环境保护及“双碳”目标下煤矸石综合利用的相关要求。亟需研发新方法，探索新途径。

2）传统的煤矸石资源化利用途径主要为燃烧发电、回收有价金属、生产建筑材料、制备吸附材料等。但普遍存在成本高、工艺复杂、副产品难处理等问题，且大多需要异地处置，与当地实际情况结合较少。在煤矸石当地资源化治理方面，利用煤矸石研发新型人造土壤不仅可以减轻矿区土壤资源需求压力，还能扩大可利用的土地面积，为进一步深度资源化利用提供场所。同时可避免因开挖和运输客土带来的问题，又能充分“消化”当地堆存的煤矸石，达到多重效益。

3）煤矸石资源种类繁多、物相组成复杂、含有丰富有价元素，可利用其开发出新型环境友好的多孔吸附材料，可重点研发煤矸石生产分子筛、净水材料等高附加值产品。同时，积极推动简约化、绿色化的煤矸石制备工艺，实现降本增效，节能减排。

4）煤矸石资源化利用应结合自身煤质特点和当地需求，合理选择相关利用途径，本着“规模化、高值化、可持续”的原则，将大批量消耗的常规用途和生产高附加值产品的特殊用途相结合，以实现煤矸石的分段式资源化利用，实现物尽其用，变废为宝。