峰峰礦區煤矸石治理方法的分析與評價

劉文欣

(濱海金地礦業工程技術(北京)有限公司，北京 100027)

1 煤矸石治理背景

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中排棄的固體廢棄物，其中絕大部分不經過處理即進行自然堆放。由于長期開采煤炭的積累，形成的煤矸石存量巨大，往往以“煤矸石山”的形態分布于我國各大主要煤炭開采礦區。煤矸石主要包括二部分：一部分是礦井巷道掘進過程中排棄的巖石；另一部分是針對煤炭開采過程混入煤中的煤層頂、底板巖石及煤層中間夾石而進行洗煤加工過程中排棄的洗選矸石。其中，由于煤炭洗選加工不能對煤炭資源進行完全回收，造成煤矸石中往往含有少量具有一定發熱量的高灰煤炭，容易造成煤矸石自燃，并因此產生嚴重的環境污染。煤矸石的主要危害包括：一是煤矸石堆積占用了大量土地；二是嚴重污染大氣環境；三是嚴重污染地表水體、地下水體；四是造成土壤中的重金屬超標；五是煤矸石山長期堆積可能造成泥石流、坍塌、滑坡等重力災害。可見，煤矸石對環境的污染影響從天空到地下是全方位的，危害面十分廣泛，迫切需要根本性治理。由于過去數十年的積累，造成我國煤矸石的存量十分巨大，治理難度非常高。

原國家環境保護部于2017年9月25日對峰峰集團管轄的13座矸石山進行了強化督查，指出了一些環保治理不完善的問題。為此，邯鄲市、峰峰礦區兩級政府及峰峰集團都高度重視，成立了企業與地方聯合治理工作組，共同研究制定矸石山治理整改方案，強力協調推動矸石山治理整改工作。

2 峰峰礦區煤矸石山概況

峰峰集團有限公司的前身是峰峰煤礦，是我國最早開發利用的煤炭礦區之一。峰峰礦區煤炭資源以煉焦煤為主，約占70%，貧煤和無煙煤占30%，煤種稀缺，是我國華北地區重要的煉焦煤產區。礦區的煤炭主要供給京津冀、中南、華東地區。目前礦區因資源枯竭和去產能等要求，煤炭發展后勁明顯不足，企業資金短缺，運營較為困難。

峰峰集團下屬煤礦分布于峰峰、武安、磁縣三個區界。其中，峰峰礦區有13個煤礦，武安界有2個煤礦，磁縣界有3個煤礦。煤礦最早的開采年代從 1946 年左右開始，最新的新三礦從 1995 年開始投入生產，煤矸石山的堆積時間在23～72 a之間。

2.1 礦區煤矸石山的數量及分布

峰峰礦區的煤矸石山分布于三個界區，其中，峰峰界內分布有15座煤矸石山(分屬13個煤礦)，武安界內分布有2座煤矸石山，磁縣界內分布有3座煤矸石山。各煤矸石山的基本情況見表1。

從表1可以看出，峰峰集團下屬的峰峰區界、武安界、磁縣界內所有遺留煤矸石山的堆存總量已經達到5 589.10萬t，總占地面積達到179.37 hm2，數量十分驚人。

表1 峰峰礦區峰峰界內各煤礦煤矸石山基本情況

2.2 煤矸石成分特性分析

冀中能源峰峰集團有限公司2018年2月27日委托河北省建材產品質量監督檢驗站，對邯鄲牛兒莊采礦有限公司五礦煤矸石樣品進行采樣分析，檢測結果見表2。

表2 牛兒莊采礦有限公司五礦煤矸石化驗結果

從表2中可看出，峰峰礦區典型的煤矸石成分有以下幾個特點：

煤矸石燒失量只有5.58%，灰分高達94.44%，說明煤矸石比較純，以非含碳的巖石為主，不適合作為發電燃料。

煤矸石成分以SiO2和Al2O3為主，Fe2O3次之，CaO最少。根據煤矸石分類國家標準GB/T—29162(2012)的分類，峰峰礦區的煤矸石屬于低硫、高灰、鋁硅型煤矸石。

煤矸石灰分、SiO2和Al2O3等含量均符合《煤矸石利用技術導則》GB/T— 29163(2012)燒結磚用煤矸石的技術要求。

全硫含量為0.44%，P2O5含量為0.11%，均較低，對大氣、土壤和水體環境的危害程度相對較輕。

2.3 煤矸石污染分析

為了分析研究峰峰礦區的煤矸石成分，選取了堆積年代較長的大社礦和新屯礦煤矸石山作為研究對象。大社礦是峰峰礦區投產最早的礦井之一，于 1950年12月建礦，煤矸石山堆積時間已有68 a，高度70 m。新屯礦是峰峰礦區的一座中型礦井，于1958年建成投產，2014年12月核定生產能力100萬t/a，煤矸石山堆積時間60 a，高度60 m。

大社礦煤矸石檢測結果見表3，其中：六價鉻、汞 、砷 、硒、鉍、銻等重金屬含量均低于檢出限。

表3 大社礦煤矸石檢測結果

以上檢測結果顯示，峰峰礦區煤矸石成分有以下特點：

(1)根據國標危險廢物鑒別標準中浸出毒性鑒別的標準值，銅、鋅、鎘、鉛均未檢出，只檢出鉻含量稍高，說明峰峰礦區的煤矸石在重金屬方面對土壤及地下水的危害比較小。可以排除具有危險廢物的特性。

(2)灰分(Ad)89.9%、揮發分(Vad)8.66%，全硫(St)0.55%，說明煤矸石灰分較高、含硫較低，未檢測出發熱量，不易燃燒。

(3)pH值在7.26～7.66，屬于中性偏堿，對減弱重金屬污染非常有利。

(4)檢測出含有極微量的汞、砷等有害金屬，在煤矸石治理過程中需要給予重視。

從以上化驗結果可以判斷，峰峰礦區大社礦煤矸石山屬于一般大宗工業固體廢棄物。新屯礦煤矸石山也有類似化驗結果，只是煤矸石灰分僅83.68%，含碳量比較高，有一定的自燃危險。

3 煤矸石治理措施

峰峰集團是我國成立最早的煤炭開采企業之一，由于煤炭開采排棄的煤矸石在地面大量堆存，企業從90年代起就積極研究探索煤矸石治理利用的方法和途徑，并取得一些成功的經驗與初步成效。采取過的主要治理措施如下：

(1)毛石圍擋：峰峰界內的15座矸石山都建有磚石結構的圍護擋墻及毛石擋墻，累計長度4 000多米，有效防止了矸石山垮塌和雨淋污染土壤。每年都有計劃的對破損圍墻進行維修和加固，以保證圍墻堅固，確保矸石山處置安全。

(2)塑料網布苫蓋：目前，峰峰礦區內的所有煤矸石山山體都已經實現了全塑料網苫蓋，在短期內杜絕了粉塵污染的問題。

(3)灑水降塵：大部分煤矸石山都安裝了高壓水槍等噴灑裝置，灑水管路累計16 813 m，噴水裝置20余套，噴頭397個。這些裝置的使用，提高了煤矸石山綠植存活率，并能有效防止揚塵。

(4)覆土綠化：在煤矸石山的穩定不作業區進行覆土種樹綠化。從90年代起，峰峰集團在每年的植樹節都開展大規模的矸石山覆土種樹綠化活動，目前矸石山綠植面積達6萬m2。

(5)煤矸石膏體泵送充填井下采場：充填骨料為破碎至合格粒度的煤矸石，膠凝材料為普通硅酸鹽水泥，管道輸送性能改良劑為粉煤灰和高效減水劑。上述各種物料在攪拌機中加水進行強力攪拌，形成質量濃度為75%～80%的膏體料漿，經充填管道輸送至采場進行充填。峰峰集團所屬大力礦、羊東礦、新三等礦均已采用此項充填技術。從2008年至今，礦區已經累計回填煤矸石271萬t，取得了非常好的治理效果。煤矸石膏體充填工藝流程如圖1所示。

圖1 煤矸石充填工藝流程示意

(6)煤矸石發電：自20世紀90年代開始，峰峰礦區相繼建有煤矸石熱電廠4座，分別為五礦、孫莊礦、九龍礦與薛村礦煤矸石熱電廠，總裝機容量為122 MW，年利用矸石39萬t、煤泥11萬t。

(7)煤矸石制磚：堅持把矸石作為新型建材利用，從90年代至今建成3座矸石磚廠，年生產矸石磚規模2億塊，年利用矸石88萬t，產值2 000萬元。

(8)其他利用途徑：峰峰集團近年來還利用煤矸石、粉煤灰做水泥配料，代替石子、沙子進行井下噴漿、地面修路、充填塌陷區等。

4 煤矸石治理方面存在的問題

通過分析峰峰礦區煤矸石治理的現狀可以發現，當前的煤矸石治理還存在以下幾個方面的問題：

(1)前期的治理力度不夠，剩余未處理的煤矸石堆存量仍然巨大，生產礦井排出的矸石仍在每年增加，沒有從根本上扭轉峰峰礦區煤矸石總量繼續增加的趨勢，這給新的矸石山治理工作帶來較大難度。新的治理措施必須達到還清舊賬、不欠新賬，至少要實現煤矸石產出和治理利用的平衡，甚至治理利用大于產出。

(2)部分治理措施不夠徹底，臨時性、應急性措施比較多，治理效率高、處理煤矸石量大、長效性、根治性的治理措施少。例如：目前采取的圍擋、苫蓋、灑水等措施中，苫蓋只能一定程度減少粉塵的擴散，但是對有害氣體擴散基本不起作用；灑水只能短時間起到減少粉塵的擴散，但對于華北地區蒸發量大于降雨量的情況，灑水只是臨時性措施；圍擋只能對矸石山的穩定坡面起到維護和緩解作用。

(3)治理措施不連續。例如：煤礦井下膏體充填效果好、消耗煤矸石數量大，但由于充填成本高，實際上已經停止作業。煤矸石磚廠在技術上已經能夠實現百分之百利用煤矸石，也有著比較理想的經濟效益，但在地方政府的要求下也已經停產。這二項治理措施都是消耗煤矸石數量比較大的治理途徑，項目的關停對峰峰礦區的煤矸石治理效果影響較大。

(4)治理措施總體單一。礦區最常用的治理措施是綠化覆蓋，但由于矸石山堆存量大、堆放坡度大、水源保證欠缺等因素的影響，使得綠化覆蓋存在成活率低、效果有限等問題，目前只在少量矸石山治理中取得較好效果。而且，綠化覆蓋是一項長期治理措施，提高成活率需要持續投入，短時間內很難見到明顯的成效。

(5)整體資金投入不足，缺乏持續性。在峰峰界內的15座煤矸石山中，只有6座矸石山得到了明顯的治理，其余矸石山的治理效果較差。

(6)部分煤矸石電廠面臨關停。近年來，地方政府對于煤矸石綜合利用電廠的污染排放已不再單獨認定，而是按照燃煤電廠標準執行。由于煤矸石電廠為煤矸石、煤泥綜合利用機組的特殊性，如果按燃煤常規機組考核，則單機容量、排放指標、發電煤耗等難以達標。其中，峰峰集團孫莊電廠1號機組已被政府列入關停范圍。

5 煤矸石治理措施的分析與評價

峰峰礦區的煤矸石山治理措施已經實施多年，也取得了比較好的效果。但在新的宏觀政策背景下，如何繼續實施需要認真分析與評價。

(1)毛石圍擋。峰峰礦區的煤矸石山普遍存在的問題是堆存量大、占地面積小、堆存高度高，部分矸石山的堆積坡面角度非常大，堆積角有的地方高達38～40°，堆高最多近百米。帶來的問題：一是穩定性差，在暴雨誘發下，非常容易發生垮塌、泥石流等安全事故；二是容易形成有害污水污染土壤；三是無法有效保持水土，易造成水土流失，不能保證覆蓋綠植的成活率。毛石圍擋對增加矸石堆積坡面的穩定性、抑制污水外溢、防止水土流失、避免塌方或泥石流等能夠起到重要作用，因此，對矸石山治理需要繼續砌筑毛石圍擋，并配套對矸石山進行削坡處理。

(2)灑水降塵。灑水降塵在治理矸石山前期能起到緩解粉塵擴散的作用，在治理后期伴隨著覆土綠化的實施還要發揮重要作用，所以灑水系統還要繼續完善。最好能夠采用“環狀管網”，使得綠化中的煤矸石山能夠得到充分的灑水，保證和提高綠植的成活率。

(3)煤矸石山覆土綠化。多年來，峰峰礦區每年均安排矸石山覆土綠化工作，并逐年加大力度。覆土綠化是煤矸石山治理最常用、最有效、成本最低、代價最小的方法，應該將其作為主要治理措施予以保留和堅持。對于已經發生過自燃、坡度較緩、煤矸石出路無法解決的矸石山還是要首選覆土綠化治理措施。為了解決目前覆土綠化存在的水土保持差、成活率低等問題，未來應該增加煤矸石山的覆土厚度、噴灑堿性漿液、定時灑水等多種治理措施，做到多管齊下，綜合治理。

(4)煤矸石電廠。河北省對煤矸石電廠的管理思路是“關小建大”。但是，這種思路也有很大的弊病。目前煤矸石電廠最大單機規模可達600 MW，建設的起步規模基本上達到了300 MW以上。這種規模的電廠，所用燃料即使按50%的煤矸石摻入率，也需要煤矸石達60萬t/a以上。而峰峰礦區所屬礦井規模都比較小，礦井排棄矸石也以掘進矸石和手選矸石為主，數量比較少。如要建設大規模矸石電廠，需要將各煤礦的矸石進行運輸集中，這不但會大大增加煤矸石運輸成本，而且會造成運輸污染。因此，最好的辦法仍是維持目前煤矸石電廠與礦井配套建設和生產的模式。

(5)煤矸石制磚。峰峰礦區利用煤矸石制磚，治理效果非常顯著。一方面消耗了大量煤矸石，另一方面可代替黏土，保護了土地資源，還可以解決就業，是利國利民的好事。而且，峰峰礦區的煤矸石成分組成符合國標《煤矸石利用技術導則》對燒結磚矸石原料的要求，非常適合制磚。而且，現代化的制磚工藝通過脫硫、脫硝技術完全可以達到國家環保排放標準。但是，過去的矸石磚廠規模小，生產成本高，抗風險能力差，新的環保要求增加了制磚企業的規模門檻，同時國家政策也禁止黏土制磚，這對建設矸石磚廠非常有利。建議峰峰礦區把煤矸石制磚作為重要的煤矸石治理手段。對于新建矸石磚廠要擴大生產規模，實現規模化生產。

(6)煤矸石井下充填。峰峰礦區的煤矸石充填主要分為二種方式：一是新屯礦、羊東礦采用的膏體充填工藝，二是梧桐莊礦采用的干法充填、濕法注漿工藝。二種充填工藝的概況對比見表4。

表4 峰峰礦區煤矸石井下充填工藝對比

從表4可以看出，新屯礦、羊東礦采用的膏體充填工藝成本高、投資大；梧桐莊礦采用的干法充填、濕法注漿工藝成本低。目前，峰峰礦區煤矸石膏體充填的主要問題是充填成本比較高、事故率高，大部分已經停產和拆除。梧桐莊礦的煤矸石干法充填由于煤矸分離難度大等原因也處于停產狀態。從上表還可以看出，梧桐莊礦采用的干法充填、濕法注漿充填工藝矸石充填量大，注漿量少，對煤炭資源的置換率很高，在有條件的煤礦應該優先推廣。

從實踐經驗上看，煤矸石充填技術消耗矸石量大，在礦井下處理煤矸石是解決采煤地面沉陷、煤矸石地面堆積、減少占用土地等非常現實、有效的治理手段，屬于一種煤炭綠色開采技術。在我國其他一些礦區有條件的礦井可作為煤矸石治理的主要措施或者重要的輔助治理措施。

可以考慮把膏體充填站建設在煤礦井下，并且與井下預排矸技術結合起來，使得煤矸石膏體充填距離大大縮短、充填壓力大幅降低。同時尋找可代替粉煤灰、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。過去，峰峰礦區的二礦煤矸石經過簡單篩分、破碎等加工生產砼輕集料、道路基材等建材產品，但目前也已經停止。從實施效果看，煤矸石經過簡單加工作為建筑材料應用廣泛、市場空間廣闊，也符合國家產業政策，應該作為煤矸石治理的重要手段之一。尤其是礦區內部分煤矸石山已經堆放了60多年，大部分經歷過自燃發火，已經成為了“紅矸”，更適合作為道路基材的輕集料使用，尤其是鄉村道路、城鄉輔助道路的鋪筑等。

(8)回填筑路造地。過去，峰峰礦區的煤矸石曾大量被用來填筑路基、凹地等，可以低成本消耗大量煤矸石。例如：二礦煤矸石山、三礦煤矸石山就曾被大量用于回填。特別是通二社區煤矸石山大部分被利用，目前只剩下很少的存量，約5萬t左右。

峰峰礦區的大部分煤礦都位于響堂山東麓，處于山地與平原的過渡地區，分布著大量可以用來回填煤矸石的沖溝、凹地等天然回填場地。峰峰礦區的煤矸石除了萬年礦煤矸石氟化物含量偏高外，其他礦井煤矸石的天然有害成分硫、磷及重金屬鉻、鎘、汞、鉛的含量等都非常低。礦區內還有大量自燃過的煤矸石，這些煤矸石的有害揮發成分經過數十年的釋放已經余量很小和非常穩定。同時，新排棄的煤矸石本身都是從地下礦床開采的天然礦物質，沒有經過任何化學、物理加工，不存在化學殘留問題。這些因素使得峰峰礦區的煤矸石非常適合用來回填造地。

利用煤矸石回填造地可以取得一舉三得的效果。企業排棄的煤矸石有了穩定的去處，通過回填可以增加土地供應，還避免了煤矸石占用良田，保護了優質土地資源。尤其是三礦社區、九龍礦等煤矸石山都有很好的回填條件，地方政府也對回填造地很有興趣，企業應該創造條件推動政府在煤矸石回填方面頒布可行政策，把煤矸石回填作為煤矸石治理的重要手段之一。

曾有資料對干壓碎石、手擺塊石、紅矸石三者作為道路基材的經濟性進行了對比，三者基層造價分別為97.5元/m3，82.57元/m3和56元/m3。顯然，用紅矸石作道路基層材料不但技術上合理，在經濟上也是合算的。

6 結語及建議

綜合上述分析，并結合筆者對煤矸石治理工作的了解，對峰峰礦區煤矸石治理工作提出如下建議：

(1)煤矸石治理是一項政策性非常強的工作，沒有政策的支持，煤矸石治理工作不可能取得成功。要始終把爭取地方政府在煤矸石治理方面給予政策支持放在煤矸石治理各項工作的首位，只有地方政府能夠提供符合國家法規要求、適合地方發展特色的各項政策，煤矸石治理工作才能取得事半功倍的效果。

(2)峰峰礦區煤矸石堆積數量十分龐大，堆積地點非常分散，治理難度非常突出。由于企業負擔重，在短期內投入大量資金治理并不現實。必須充分認識到煤矸石治理工作絕非一朝一夕、一蹴而就之事，要立足于長遠，常抓不懈。

(3)由于煤矸石數量太大，采用單一技術治理手段難以達到徹底根治的效果，必須在政府層面加大政策扶持、管理傾斜，在企業層面加強重視、保持持續投資等，多種途徑形成合力、綜合施策。企業應該在利用煤矸石治理的政策制定方面主動發力，借助政策利好推動煤矸石治理目標的實現。

(4)煤矸石治理在短期內難以取得好的經濟效益，政府和企業都不要寄予過高期望。對于煤炭開采為主的企業來說，應該樹立煤矸石治理微虧就是盈利的理念，隨著政府配套政策逐步到位、環保治理要求越來越嚴格，以及大量煤矸石治理新技術的不斷應用，煤矸石治理的經濟效益會略有提高。未來，可以不斷挖掘煤矸石治理的產業鏈、價值鏈，使得煤矸石治理逐漸成為一個有廣闊發展前途的朝陽產業。

(5)煤炭企業要扭轉“重開采、輕治理”思想，要將煤矸石治理的重要性提高到企業戰略目標的層次，必須從資金扶持、績效考核、管理機制上給予重點傾斜，必須樹立徹底解決問題的決心。

(6)煤矸石治理在符合政策法規要求的前提下，還要充分考慮市場化，煤矸石治理只有實現市場化，才能保證治理效果的長效性。市場化要立足于本地區，使得煤矸石治理工作與本地區的建材市場、地方需求充分融合，為煤礦企業的煤矸石提供一個長期穩定的接納空間。企業不但要每年編制煤炭開采計劃，還要編制煤矸石治理、

消納計劃，使得二者能夠配套，實現產出與治理的平衡。要由過去的“以儲為主”向“儲用結合”轉變。要把煤炭開采、洗選加工、綜合利用形成一條可持續發展的、完整的產業鏈。要把煤矸石井下預分選、井下充填、地面篩分、地面破碎等技術結合起來，使得煤矸石從“廢品”變為“產品”，為煤矸石利用找到合適的出路。

(7)峰峰礦區大部分礦井都分布在華北平原地區，今后產生的煤矸石堆放占用土地會越來越緊張，付出的代價也會越來越高。煤矸石堆放沒有限制的狀況已經成為過去。今后的煤炭開采，煤矸石的產生和治理必須實現動態平衡，甚至實現煤矸石的“減量化”，如此才能使礦井實現綠色開采。

(8)煤矸石治理工作不能只盯住所謂的高科技項目，這些項目往往都是投資巨大、處理量小、需要政策扶持等，很難在短時間內取得明顯治理效果，只宜作為輔助手段。而一般的煤矸石成分很難有特定利用價值。比較可靠的利用途徑仍然是對現有煤矸石山創造條件進行綠化，繼續利用煤矸石制磚、制取其他建材、回填造地、回填筑路等傳統手段有效治理煤矸石。