煤矸石資源綜合利用的途徑分析——以焦作中馬礦為例

呂 鵬，馬守臣

（河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作454010）

1 引言

煤矸石是在煤炭開采、洗選和加工工程中產生的與煤層伴生的各種含碳量低、堅硬的黑色巖石，它屬于煤礦排放的固體廢棄物，約占煤炭產量的15%～20%［1］。目前，我國煤矸石歷年堆存總量已超過40億t，占全國工業固體廢棄物40%。大量廢棄的煤矸石隨意堆存，導致了諸如占壓土地、破壞景觀生態、降低土地生產力、自燃矸石山的大氣污染以及矸石淋溶水對礦區土壤和水資源的污染等各種生態與環境問題，這已經成為礦區生態恢復的重要內容之一［2］。

然而，煤矸石具有雙重性，棄之占壓土地，并污染環境；用之則可變廢為寶，成為再生資源，造福于人民。隨著科學技術的進步，各種煤矸石利用途徑和技術方法應運而生，在科研和生產實踐中都取了一定的進展。進一步發展煤矸石資源化綜合利用途徑，具有十分重要的現實意義［3］。

2 研究區概況

焦作市位于河南省西北部，地處沁河沖積平原，北依太行山，南臨黃河水，是一座在礦產資源開發基礎上發展起來的新興工業城市及旅游城市。本文以焦作市規模較大的中馬村礦作為研究對象，中馬村礦位于焦作市東郊，于1955年建成投產，有55年的開采歷史，年產量約15萬t。礦區內煤矸石直接堆放于地表，矸石山體積約200萬m3，占地面積約64 480m2。礦區現已有典型的錐形矸石山堆積，壓占了大片的耕地良田。山上黑灰色矸石裸露在大氣中，不僅影響景觀，加之矸石風化作用嚴重，很容易造成礦區大氣污染。此外，矸石山上植被稀疏，南坡上寸草不生，生態環境相當惡劣。堆存的煤矸石在氧化作用下還會發生自燃現象，嚴重污染大氣，有時候甚至會發生爆炸，造成巨大的經濟損失和人員傷亡，對于中馬礦區煤矸石山的治理顯得尤為重要［4］。

3 煤矸石綜合利用途徑及方法

煤矸石雖然對環境有很多不利影響，但是應該認識到它也有許多可利用價值。煤矸石是一種“易被人們丟棄的、多能的資源”。煤矸石可以代替其他資源生產多種建筑材料、化工產品；此外還可以做替代燃料，能被社會基礎工程、農業等眾多行業所利用。

煤矸石的資源綜合利用開發研究，涉及到多個交叉學科領域。除了受煤矸石資源所存在的地理環境和綜合效益的制約外，還受煤矸石本身的資源特性及其所決定的開發利用技術條件的制約。針對目前煤矸石資源化的開發利用研究進展，結合中馬礦區的實際情況，主要從以下方面闡述其資源綜合利用途徑。

3.1 煤矸石在農業方面的利用

3.1.1 生產煤矸石營養肥料

在對中馬礦區煤矸石采樣研究中，發現煤矸石有機質含有豐富的植物生長所必須的硼、鋅、銅、鈷、錳等微量元素，比土壤中的含量高2～10倍。選用這些有機質含量較高的煤矸石，粉碎研磨并按一定的比例與磷酸鈣混合，加入一些添加劑和水，經充分反應活化并堆漚后，采用現代化工造粒技術，即可制成一種新型的實用化肥。這種化肥生產加工流程簡單，原材料價格低廉且易選易得，投資少，見效快，經濟效益明顯提高。

3.1.2 煤矸石改良土壤

煤矸石呈現酸堿性不同及含有豐富的微生物和營養成分，根據此特點改良過堿或者貧瘠的土壤。調整土壤的酸堿度和疏松度，提高土壤的肥力，提高土壤含水率，促進土壤中各類細菌新陳代謝、豐富土壤腐殖質，使土地得到肥化，促進農作物生長。對于礦區內部土壤堿性比較強的地區，使用煤矸石作為土壤調節劑，節省資源以達到較好的經濟和社會效益。國內許多煤礦已經實施，這也是煤矸石在農業方面綜合利用的有效途徑［5］。

3.2 煤矸石在工業方面的利用

煤矸石一般具有較高的發熱值，發熱量可達到4500～12550kJ／kg。利用煤矸石燃燒時間長的特點，可為居民提供低熱熱源，以其為低熱值燃料進行供熱發電。我國利用煤矸石發電已經形成一定的規模，全國煤礦已建成煤矸石發電廠128座，每年發電實際消耗煤矸石1200～1800萬t。煤矸石發電不僅可緩解礦區能源緊張的局面，產生的爐渣還可以制備各種建材，從而達到調整礦區產業結構、節約能源、減少二次污染的目的。利用煤矸石發電也是綜合利用煤矸石的一條重要途徑，產生的經濟效益、社會效益和環境效益十分顯著。

3.3 利用煤矸石生產建筑材料

從表1中可以清晰的看到，目前焦作市煤矸石利用率還是相當可觀的，也說明了國家和企業單位越來越重視資源的循環利用。

表1 焦作市現有煤矸石利用企業統計（以2006年計）［6］

3.3.1 煤矸石生產水泥

生產水泥主要原材料是鋁和硅，從表2中可以看到中馬礦區煤矸石中含有豐富的二氧化硅、氧化鋁、三氧化二鐵等生產水泥的原材料。利用煤矸石生產水泥，廢物利用量大，生產成本低，應用前景非常可觀。2006年，南京工業大學研究發現將煤矸石、粉煤灰和鼓風爐的爐渣按一定比例加入水泥漿中，有效地防止了由于熱量變化麗引起的建筑物裂縫現象。

表2 中馬礦區煤矸石化學成分

3.3.2 煤矸石燒制結磚

在我國的建筑墻體材料產品中，幾乎全部使用的是粘土燒制的實心磚。統計我國磚瓦企業近11萬個，年生產磚塊近7000億塊，每年毀壞良田數十萬畝，耗費煤炭資源達7000多萬t，已經成為破壞耕田和生態環境，消耗能源的大戶。煤矸石的成分和粘土相似，具有一定的可塑性、結合性和燒結性，經凈化、均化和陳化等工藝加工處理后，可以代替原有對耕地破壞挖掘出的粘土作為生產新型磚塊原材料，煤矸石磚更具有免燒、免蒸、加壓成型、自然養護等優點。在礦區附近建立煤矸石磚廠，利用煤矸石代替粘土燒制磚塊，不僅節約資源，減少因挖掘粘土造成的土地挖損和生態破壞，還為煤矸石的治理獻出良策，一舉多得。新型煤矸石磚的研制和生產，滿足了礦區可持續發展的要求，還為解決礦區待業人員提供了更多的就業機會，分流了礦區剩余勞動力，得到了很好的社會效應和經濟效應。

3.4 煤矸石在其他方面的利用

煤矸石可做公路地基。使用強度高、風化輕、熱值低和具有活性的煤矸石作為路基鋪設的添筑材料，具有較好的經濟效益。煤矸石和熟石灰混合后成為灰矸材料，這種材料具有高強度，在水中不易變質，遇到水浸不泥濘的特點，在季節變化時，既有較好的抗水性和抗凍性，完全符合現在道路鋪設規范。在政府基礎設施建設中，道路的鋪設將會有大的資源耗竭，使用煤矸石作為路基材料具有很廣泛的推廣價值。

煤矸石充填采空區和塌陷區。大量的采礦活動造成了中馬礦區大面積出現采空區和塌陷區，這些地區不僅環境景觀不美觀，還存在安全隱患，使得中馬礦區附近居民不得不搬離采礦區。采用煤矸石作為井下采空區和地表沉陷區的填充材料，既可以使煤矸石破壞的土地得到恢復，又可以減少矸石壓占土地和對環境的污染，也是煤矸石大宗利用的有效途徑之一［7］。

3.5 煤矸石山資源轉型

煤矸石廢棄地通過改造可以將其資源轉型，變成一種生態景觀類型。對矸石山的生態重建技術主要以生態景觀再生為理論導向，將生態恢復和景觀重建的理論技術相結合，在廢棄的矸石山上綜合開發利用煤矸石，從而探索出針對煤矸石山的景觀重建模式。經過矸石山生態重建技術，使煤矸石山進行資源轉型，使之成為一個新的生態環境場所，從而產生經濟、生態和環境的綜合效益。潞安集團常村礦內一座煤矸石的生態重建效果非常好，充分挖掘資源優勢，利用景觀設計的3R原則，采用減量、再用、循環與再生、最終處置的具體方法。中馬礦完全可以參照這種模式，將矸石山廢棄地重建為生態工業園區、生態休閑區、生態林游憩區、生態度假區、現代農業生產區等五個功能分區，使景觀與場地完美結合，景觀促進經濟和生態，最終獲得良好的綜合效益。

4 結語

煤矸石既是工業固體廢棄物，又是一種可供開發和利用的資源。應使其從“堆存”向“利用”轉變，使其無害化、資源化，變廢為寶，化害為利。煤矸石山的資源轉型利用，是有效解決煤矸石山侵占土地的良策，也根除煤矸石山污染環境的最徹底方法。研究煤矸石資源綜合利用的新方法、新思路、新途徑和新技術，不僅增加工業發展中的附加經濟價值，還形成不同的產業鏈，生產出新材料和新產品，是值得我國大多數煤礦區借鑒的地方。在不久的將來，我國將加大對煤矸石資源利用的研發工作，力爭使我國礦區走上可持續發展的道路，為建設綠色礦區、和諧礦區做出不懈努力。

［1］張鳳成.煤矸石及其綜合利用［J］.中國環保產業，2004（10）：14～15.

［2］潘志剛，姚艷斌，黃文輝.煤矸石的污染危害與綜合利用途徑分析［J］.資源·產業，2005（2）.

［3］潘榮錕，余明高.自燃煤矸石山爆炸的危害及治理技術［J］.河南理工大學學報：自然科學版，2007，26（5）.

［4］程功林，陳永春.煤矸石山的危害及植被生態重建途徑探討［J］.每天地質勘探，2009，37（4）.

［5］崔保紅.焦作市粉煤灰綜合利用現狀及建議［J］.調查與研究，2008（4）.

［6］朱寶忠，謝承衛.煤矸石綜合利用的研究進展［J］.貴州大學學報：自然科學版，2007，24（5）.

［7］彭 巖，李 強，郭曉倩，等.我國煤矸石應用現狀及發展方向［J］.礦業快報，2008（11）：11.