煤矸石的綜合治理及其開發利用現狀

（六盤水市環境工程評估中心，貴州 六盤水 553001）

煤矸石是煤炭開采和加工過程中產生的固體廢棄物，是一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石。煤矸石包括巷道掘進、從頂板、底板及夾層里采出的矸石以及洗煤過程中挑出的洗矸石，其排放量占原煤的10%～25%，是礦區主要的污染源之一。煤矸石經風化或自燃會釋放大量有毒氣體和粉塵，嚴重影響生態環境，污染大氣和水體，同時對周邊的居民和植被產生較大影響，最終導致嚴重的社會問題。煤矸石并不完全是廢棄物，是可以使用的資源。煤矸石在發電、生產建筑材料、修路建設、生產高附加值產品等方面具有較高的應用價值。本文對煤矸石的結構、危害、治理方法、開發利用等方面研究現狀進行綜述，以期為煤矸石的有效治理、深度研發、合理利用提供參考。

1 煤矸石的結構組成

1.1 化學成分

現代研究表明，煤矸石由SiO2（52%～65%）、Al2O3（16% ～ 36%）、Fe2O3（2.28% ～ 14.63%）、CaO（0.42%～2.32%）、MgO（0.44%～2.41%）、TiO2（0.90%～4.00%）、P2O5（0.007%～0.240%）、V2O5（0.008%～0.030%）、Na2O+K2O（1.45%～3.90%）組成。此外，還含有許多微量元素，如Al、Fe、Ga、Ge、U等。其中，Ga、Ge等元素在自然界中含量很低，被認為是稀有金屬元素，可用于航空航天、大規模集成電路等。Al、Fe具有潛在可回收利用價值。

1.2 結構組成

結構決定性質，通過了解煤矸石結構，人們可以更好地掌握其性質。煤矸石是由多種礦物組成的混合物，煤矸石可根據其礦物質組成以及狀態來分，以礦物質組成分為黏土巖類（高嶺石、伊利石、蒙脫石、勃姆石）、砂石巖類（石英）、碳酸鹽類（方解石、菱鐵礦、白云母）、鋁質巖類（三水鋁礦、一水軟鋁礦、一水硬鋁礦）四大類；以物質狀態分為掘進矸石、選煤矸石、自然矸石三大類。

2 煤矸石的危害

煤矸石由大量金屬和非金屬元素組成。其中某些元素具有重要的回收利用價值，煤矸石的長期堆積不僅造成資源的浪費，而且造成巨大的生態環境和安全隱患，導致土地資源的嚴重浪費，影響水生生態系統，造成土壤污染和大氣污染，引發嚴重的地質災害。煤矸石自燃會釋放大量有毒有害氣體，危害大氣環境。此外，煤矸石的自然傾角一般在38°～40°，當沉積和坡度過大時，受人工開挖、爆破、雨水淋溶、山洪和地震等影響，煤矸石堆積體易產生泥石流、滑坡、崩塌等嚴重地質災害，嚴重威脅生態環境及周邊居民的生命財產安全。

3 煤矸石治理

3.1 煤矸石自燃防治

當矸石山的含硫量＞3%、含碳量＞20%時，煤矸石在有氧通風條件下易自燃，釋放有毒有害氣體（CO、CO2、SO2、H2S、NOx）。 其 中，SO2、NOx排入大氣中會產生酸雨，從而威脅地面農作物、建筑物以及人體健康。煤矸石預防的方法有：微生物脫硫法、分層堆積法、分層壓實法。其中，最好的脫硫方法是微生物脫硫法，該法具有操作簡單、成本低、低碳環保等優點。原理是應用氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌脫去黃鐵礦中的無機硫。分層堆積法和分層壓實法分別是對煤矸石山進行放坡逐層堆積和壓實，而后覆土植被，從而達到預防煤矸石自燃的效果。

3.2 煤矸石自燃治理

煤矸石自燃治理方法有挖除火源法、覆蓋法、滲灌法、注漿法和控制燃燒法。各方法均具利弊。當煤矸石復燃火勢較小、火區分布少、火源較淺時，采用上述方法治理可以取得顯著效果。當火勢蔓延嚴重、火區分布廣、火源埋藏深時，應該綜合考慮，合理利用上述方法。煤矸石山一旦自燃，滅火困難，耗資大且復燃的可能性大。建議各地根據具體情況，因地制宜地采取相應措施。

3.3 煤矸石生態治理

煤矸石的生態治理以植物復墾為主。國內不同地區煤矸石生態修復植物選擇如表1所示[1-14]。

4 石煤矸的開發利用

煤矸石的開發利用必須以其化學成分為基礎。目前，煤矸石在世界各地的開發利用程度不盡相同。在國外，煤矸石主要用于復田造地（英國西達勒姆礦區、青野露天礦區）和做建材（波蘭、比利時等國用煤矸石生產輕骨料）[15]。在國內，煤矸石主要用于發電、生產建筑材料、生產肥料、筑路、填坑、土地復墾及生產高附加值產品等[16-20]。由于煤矸石每年的排放量遠遠超出其利用率，因此人們需要對煤矸石進行深度研究，以期實現開發利用的最大化。

表1 國內不同地區煤矸石生態恢復樹種選擇

5 結語

煤矸石的主要成分SiO2和Al2O3，主要危害有大氣污染、水體污染、土壤污染、土地占用等，主要治理方法包括自燃治理法、自燃預防法、生態治理法，開發利用方向有發電、生產建筑材料、生產肥料、筑路、填坑、土地復墾、生產高附加值產品等。

煤矸石綜合治理及開發利用方面已有成效，但仍存在一些問題亟待解決。一是最佳煤矸石治理方法目前仍無定論，因煤矸石的治理方法較多，各方法均有利弊，建議因地制宜地選擇煤矸石治理方法；二是煤矸石的開發利用主要集中于發電、生產建筑材料、生產肥料、筑路、填坑、土地復墾及生產高附加值產品等，雖用量大，但產品附加值不高；三是煤矸石的結構復雜，化學成分多，不同區域化學組成差異較大，煤矸石有效成分研究及開發利用還需進一步深化；四是煤矸石的資源化利用讓廢渣“變廢為寶”，然而將煤矸石的有效治理和產業相結合帶動扶貧的模式尚未見報到，煤矸石有效治理模式的植物篩選有待進一步研究。