煤矸石固廢無害化處置與資源化綜合利用現狀與展望

王玉濤

(1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077；3.西安理工大學 土木建筑工程學院，陜西 西安 710048)

煤炭作為基礎能源，對我國經濟建設和社會發展起到了重要的支撐和推動作用[1-2]，近十多年來，我國煤炭產量一直占世界煤炭產量的40%以上(圖1)。據國家統計局數據，2020 年我國煤炭產量39.0 億t，約占全球煤炭產量的50.4%。隨著國家能源產業結構的調整，煤炭消費量在一次性能源消費總量的比例雖有所下降，但在一定時期內煤炭依然是我國最重要的一次性能源[3]。

圖1 2000-2020 年我國煤炭生產及消費統計數據Fig.1 China’s coal production and consumption data from 2000 to 2020

煤矸石作為煤炭開采與加工生產過程中的主要固體廢物，占原煤產量的15%～20%，因熱值低、利用困難，一般露天堆放排棄在礦區周邊地表。據統計，目前我國煤矸石累計堆存量已超過60 億t[4]，形成2 600 多座大型矸石山[5-6]，壓占土地1.3 萬hm2[6]。煤矸石堆積不僅占用大量土地，且帶來水土流失、滑坡、泥石流等地質災害隱患；矸石山自燃產生的SO2、NOx 等有毒有害氣體對礦區大氣環境造成嚴重污染；在雨水淋溶和滲濾等作用下，煤矸石產生的有毒有害元素將會對土壤和地下水帶來一系列嚴重的生態環境污染問題[7]。

為保護生態環境，進一步促進煤矸石綜合利用產業健康有序發展，加強煤矸石綜合利用管理，我國針對煤矸石的處置與利用問題出臺了《煤矸石綜合利用管理辦法(2014 年)》《關于推進大宗固體廢棄物綜合利用產業集聚發展的通知》等一系列政策與規定。2021 年3 月28 日，十部委聯合發布的《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》，對煤矸石綜合利用體系、模式和綜合利用率提出了明確要求。

從煤矸石堆放造成的危害、煤矸石處置與綜合利用方面政策法規和緩解我國資源短缺等多個方面來看，開展礦區煤矸石的科學化、規模化處置，提高煤矸石資源的綜合利用率，是解決煤矸石帶來的環境污染、地質災害隱患等問題的有效途徑。筆者在系統梳理煤矸石分類方法、理化性質、綜合利用現狀及發展存在問題的基礎上，詳細論述煤矸石無害處置技術方法和綜合資源化利用途徑，展望我國煤矸石規模化處置與綜合利用的未來發展方向，旨在為我國煤矸石產業未來發展提供借鑒。

1 我國煤矸石排放現狀

1.1 煤矸石分類

根據煤矸石的來源、特征、成分等不同指標，我國形成了以三級分類命名法[8]和等級定量法[9]等為代表的多種煤矸石分類方法。2013 年，國家頒布實施的GB/T 29162—2012《煤矸石分類》標準，從煤矸石資源化再利用的角度，對煤矸石分類方法進行了規范，并按照主要指標依次進行排列編碼。煤矸石具體分類方法見表1。

表1 煤矸石分類方法Table 1 Classification Method of coal gangue

1.2 煤矸石的理化特征

煤矸石是由炭質頁巖、泥巖、砂巖及煤炭等物質組成的黑灰色沉積巖，與煤層伴生，具有含碳量低、比煤硬、干基灰分大于50% 的特點，顆粒密度2 100～2 900 kg/m3。煤矸石發生自燃后其堆積密度有所降低，主要是由于煤矸石中的碳和有機物在燃燒過程中形成氣體，以及熱量作用下巖體結構破壞造成孔隙度增加所致。

根據不同地區煤矸石化學成分數據(表2)，我國煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍較高，大部分地區SiO2質量分數為36.90%～70.25%，Al2O3質量分數為4.68%～42.40%，二者的總量可達52.23%～96.36%，僅陜西長武亭南煤礦、新疆哈密三道嶺2 礦、新疆伊寧達達木圖鄉煤礦及陜西銅川自燃煤矸石的SiO2與Al2O3質量分數小于20%。不同地區煤矸石的化學成分存在一定差異，我國鋁質巖類煤矸石主要分布在山西大同、山西陽泉、山西長治、陜西銅川、內蒙古準格爾、江蘇徐州、安徽淮北、貴州遵義等地區；黏土巖類煤矸石在河北、河南、安徽、云南、新疆、陜西、貴州等地分布較廣；砂巖類煤矸石主要分布在遼寧、新疆和山東等地；鈣質巖類煤矸石主要分布在陜西長武、新疆哈密和伊寧等地。

表2 不同地區煤矸石化學成分Table 2 Chemical composition of coal gangue from different areas

1.3 煤矸石排放現狀

近年來，煤炭產量不斷增加，煤矸石產量隨之顯著增加。據統計，2020 年我國產生煤矸石7.29 億t，是1995 年1.47 億t 的4.96 倍。根據煤炭需求與產量預測，“十四五”期間每年產量仍維持在6 億～8 億t，預計到2025 年，我國煤矸石產量約為8 億t。

煤矸石作為煤炭開采與加工生產過程中的主要固體廢物，其產地分布與煤炭資源的賦存狀況和區域分布特點具有顯著的相關性。根據我國聚煤盆地成煤特點，煤矸石產地可劃分為東北、華北、華南、西南和西北5 個區域[28]，如圖2 所示。從分布區域來看，我國煤矸石的總體排放特點是“北多南少，西多東少”[29]。從2018 年我國主要產煤省份煤矸石新增產量統計數據來看，內蒙古、山西、陜西、新疆等9 個煤炭主產省份新產生煤矸石5.79 億t，占全國年新增總產生量的87.38%；僅晉陜蒙3 個省份煤矸石產生量就達到全國的66.38%，如圖3 所示。隨著我國能源產業結構的優化調整和千萬噸級現代化大型煤礦建設的不斷推進，我國煤炭集約化、區塊化、規模化、高效化生產供應水平顯著提高，使煤矸石的生產和排放朝著集中、高產、規模化方向發展。

圖2 我國煤矸石產地區域分布[28]Fig.2 Regional distributionofcoal gangue producing areas in China[28]

圖3 2018 年主要產煤省份矸石新增產量及全國占比Fig.3 New output of gangue in main coal producing provinces and the proportion of each province in China 2018

2 煤矸石處置與綜合利用現狀和途徑

自20 世紀60 年代，我國已開始進行煤矸石處置和綜合利用方面的探索和實踐工作，但進展較為緩慢，利用途徑主要為回填筑路和生產低性能矸石磚瓦建材。近年來，在相關政策的推動與引導下，煤矸石綜合利用技術得到一定發展，利用量保持了相對穩定增長。從統計數據可以看出(圖4)，九五、十五期間綜合利用低于60%，到“十二五”末達到68.4%，2020 年煤矸石綜合利用率達到72.2%[30]，較1995 年增加34.2%。我國煤矸石固體廢物堆存量和排放量巨大，現有煤矸石無害化處置與資源化綜合利用的規模和能力明顯不能滿足國家對生態環境保護及“雙碳”目標下煤炭綜合利用的相關要求。

圖4 1995—2020 年我國煤矸石產量及綜合利用統計數據Fig.4 Statistics of China’s coal gangue output and comprehensive utilization from 1995 to 2020

煤矸石處置與綜合利用方法和途徑很多(圖5)，主要有填坑筑路、土地復墾、塌陷區回填、低熱值燃料煤矸石發電和生產建材產品等方面。2020 年，我國煤矸石綜合利用量約5.26 億t，采空區回填、筑路和土地復墾等方式利用的煤矸石量占總利用量的56%，用于煤矸石及低熱值煤發電的煤矸石量占30%左右，用于生產建筑材料的煤矸石占11%[2]，用于有價元素提取及高附加值化工產品約占3%。目前，煤矸石處置和綜合利用依然是以技術水平相對較低的露天排棄、填坑筑路、土地復墾、塌陷區回填等方式為主，而高技術含量、高價值的煤矸石發電、高附加值化工產品、有價元素和高性能建筑材料利用方面不足50%，高價值綜合利用率依然較低，多組分梯級利用模式尚未建立。

圖5 煤矸石規模化處置與綜合產業化利用途徑Fig.5 Large scale disposal and comprehensive industrial utilization of coal gangue

3 煤矸石規模化無害處置技術

煤炭開采和洗選是煤矸石來源的2 個主要途徑，煤矸石規模無害化處置技術主要包含以下幾個方面：

(1) 煤炭開采過程形成煤矸石處置，可采用煤矸石井下“采選充處”一體化固體充填開采技術。

(2) 洗選產生的煤矸石，可采用在洗煤廠增加破碎研磨設備，將煤矸石粉制作成膏體或漿體材料，利用管道，通過鉆孔或井筒與巷道輸送至采空區進行充填。

(3) 對于堆存或新形成煤矸石，亦可采用煤矸石地面筑基、塌陷坑回填與土地復墾等方式進行處置。

3.1 采空區充填

采空區作為地下固體礦床開采形成的人工空間，以往采取頂板自由垮落方式管理，頂板自然垮落，空間并未得到有效利用。煤礦開采所形成的采空區，引發地表大面積采煤沉陷。截至2018 年底，我國采煤沉陷區面積約為21 600 km2[31]，采煤塌陷對礦區土地和生態造成嚴重影響。利用煤矸石充填采空區為實現煤矸石的規模化無害處置提供了新的有效途徑。

煤矸石采空區充填主要分為固體充填、膏體充填和漿體充填3 類。

1) 井下“采選充處”一體化固體充填開采技術

煤矸石井下“采選充處”一體化固體充填開采技術是以井下矸石不升井、從源頭實現煤矸石減量化為出發點，是從源頭控制煤矸石排放增量的有效方法，開采模式如圖6 所示。

圖6 煤矸石井下分選協同原位充填開采模式[14,32]Fig.6 Mode of coal waste separation and coordinated in-situ backfill and mining[14,32]

該技術具有適應性強、處理規模大、處理成本低的特點，其主要包含：井下煤矸石分選、多源固體充填材料、“采選充處”多工序協同智能控制等模塊，實現了利用采煤產生的空間進行煤矸石井下快速規模化處置[32]。該技術在實現煤矸石規模化處置的同時，對釋放“三下”煤炭資源，防止沖擊地壓災害的發生，減小煤層覆巖損傷實現保水采煤，有效控制地面沉降，提高采煤沉陷區地基承載力等方面均具有重要作用，是煤炭生產全過程的重大技術創新。

2) 煤矸石地面采空區膏體與漿體充填技術

煤矸石地面采空區膏體與漿體充填技術是將煤矸石破碎研磨后，將煤矸石粉和膠凝材料與水混合攪拌制備成充填膏體或料漿，通過充填管道、鉆孔或井筒與巷道輸送到地下采空區、垮落帶、裂隙帶及離層空隙內，在注漿壓力作用下，漿液經過滲流擴散，重新形成“充填結石體、關鍵層、隔離煤柱、壓實垮落巖體”等組成的聯合承載結構，以實現控制地表沉降、保護環境的“以廢制害”目的。目前，國內外仍廣泛采用水泥作為充填膠凝材料[33]，用于采空區注漿充填。該方法是控制煤矸石增量、大規模減少煤矸石堆存量的最有效方法之一，可有效解決煤矸石地面堆放引起的環境污染問題，降低矸石山滑坡、泥石流等地質災害風險，對減輕老采空區地面塌陷對地表建(構)筑物、耕地與生態環境破壞等有重要作用。

3.2 地面筑基處置

煤矸石是一種優質的工程填筑材料，可單獨代替灰土與黏性土、粉煤灰、熟石灰混合，作為普通公路路基或底基層的填料。在保證含水量、壓實度和良好粒徑級配的條件下，煤矸石可與石灰等發生水化反應，獲得較高的承載能力。實踐表明：煤矸石路基具有成形快、強度高、穩定性好的特點[34]。目前缺乏統一的指導標準，煤矸石筑路施工隨意性較大，重金屬和硫化物污染控制問題尚未得到很好解決。由于道路為線性工程，每公里煤矸石消耗量有限，不可能實現煤矸石的集中、連續、大規模利用。

3.3 塌陷坑回填與土地復墾

塌陷坑回填與土地復墾是煤矸石規模化處置與綜合利用最簡單直接與投資最少的方式，是實現礦區生態修復、煤矸石封存保護與減量化最有效途徑之一。受煤矸石壓占與損毀土地一般采用推土機回填壓實，表層覆土的方式進行復墾[35]。煤矸石含有豐富的鉀、鐵、硅、錳等微量元素與營養成分[7]，能有效改良土壤活性，提高土壤孔隙度，使細菌和氧更好地分解有機質；硫元素可提高土壤酸性，抑制水合鐵離子、水合鋁離子的水解，增強鋁離子和鐵離子對水分的吸附，減少土壤水分蒸發，促進植物生長。煤矸石土地復墾應充分發揮自身的修復能力，采取適當、及時、科學的人工干預，實施過程中為避免煤矸石中有害元素浸透到土壤中，應保持土壤結構，建立復墾土地的監測平臺。

4 煤矸石資源化綜合利用技術

4.1 發電技術

當煤矸石中含碳量超過15%時，其粉碎后顆粒燃燒具有較高發熱量，可用于燃燒發電。一般認為，用于發電時，發熱量大于6 272 kJ/kg 的煤矸石可直接用作鍋爐燃料，發熱量在4 181～6 272 kJ/kg 的煤矸石則需混雜一定比例發熱量較高的煤泥、中煤等才能進入鍋爐[36]。我國利用煤矸石發電的歷程隨著燃燒鍋爐技術法發展大致分為4 個階段，如圖7 所示。

圖7 煤矸石發電工業裝備與技術發展歷程Fig.7 Development history of coal gangue power generation industrial equipment and technology

第一階段，沸騰鍋爐燃燒發電技術。20 世紀70 年代開始開展煤矸石沸騰鍋爐工業試驗[37]。1981 年，黑龍江雞西礦務局滴道發電廠采用130 t/h 沸騰爐建成我國第一個25 MW 容量煤矸石發電廠。此后陸續建設了江西萍鄉高坑、安源、王坑，重慶趙各莊、安徽淮南八公山等煤矸石電廠。該階段僅在四川、重慶、江蘇等地區個別礦務局進行了煤矸石發電項目示范。

第二階段，20 世紀90 年代，煤矸石發電技術實現從沸騰鍋爐燃燒向循環流化床燃燒和混合燃燒發展。在這一時期，大部分為自備發電項目，用于綜合利用坑口煤電資源。循環流化床鍋爐已從35 t/h 逐步發展到220 t/h，單機容量在6～135 MW，其中以25 MW 以下小型機組為主要配置。到2000 年底，我國煤矸石發電廠的裝機容量達到1 840 MW。

第三階段，在“十五”和“十一五”期間，300 MW大型循環流化床鍋爐燃燒發電技術逐步得到應用，并于2008 年全面實現300 MW 等級循環流化床鍋爐國產化，技術達到世界先進水平。2010 年全國煤矸石電廠裝機容量達到26 000 MW，年消耗煤矸石約1.3 億t，節約3 500 萬t 標準煤，其中135 MW 和300 MW 等級的機組裝機占比超過50%。

第四階段，“十二五”以來，世界上第一臺600 MW超超臨界循環流化床鍋爐于2013 年在四川白馬電廠建成投產，將我國煤矸石發電技術推向一個新的發展階段。

根據部分煤矸石電廠規模統計數據(表3)可以看出，近年來，我國新建低熱值煤矸石電廠多集中在山西、內蒙古、陜西等主要產煤省份的重要煤炭基地周邊。據不完全統計，到2020 年底，我國建成的煤矸石及低熱值煤綜合利用發電裝機容量達到42 000 MW，其中300 MW 及以上亞臨界發電機組達到90 臺。僅2019 年，煤矸石發電廠就消耗1.51 億t 煤矸石，約占煤矸石總利用量的28.8%，回收能源相當于4 700 萬t標準煤[14,38]。煤矸石發電在“煤炭－電力－煤化工－建材”等煤矸石綜合利用產業鏈中起到重要作用。

表3 部分煤矸石電廠規模統計Table 3 Scale statistics of some coal gangue power plants

4.2 高性能建筑材料

4.2.1 生產水泥

煤矸石富含SiO2和Al2O3，將其應用于水泥生產，在充分利用其自身熱值，節省節約燃料的同時，又可有效節省黏土資源。煤矸石粉碎后，與石膏、熟料按不同比例混合，可制成快硬、早強、膨脹、無熟料或少熟料以及硫鋁酸鹽等特種水泥[39]。煤矸石在水泥生產中的應用較早，但工業化發展緩慢，產量較低。雖然在開發高含量煤矸石水泥方面做出了很多努力，但在實際生產中，煤矸石的比例仍然不足15%[40]。目前，如何充分激發煤矸石的水化活性，提高其摻量，仍處于應用開發階段[41-42]。煤矸石水泥生產工藝復雜，受消費群體分布和運輸成本等問題限制，往往難以形成大型煤矸石水泥廠，限制了煤矸石綜合利用的規模。

4.2.2 墻體材料

煤矸石含有豐富的黏土礦物，經過原料選擇、均化、粉碎篩分、凈化、攪拌成型、碼坯、干燥、焙燒、冷卻等工序，可加工成各種性能優良的新型墻體材料，如透水磚、多孔磚、免燒磚、釉面瓷磚、微晶玻璃、高檔陶瓷等。對于發熱量介于2 095～4 190 kJ/kg 的煤矸石制磚是其最常用的利用方式。自1964 年進行煤矸石制磚工業試驗以來，在四川、山東、遼寧等多省相繼建成了煤矸石制磚廠。到2005 年，我國煤矸石磚廠年生產煤矸石磚達到100 億塊[37]。馮榮等[43]采用發泡陶瓷空心磚體填充煤矸石陶粒制備的透水磚抗壓強度達到30 MPa 以上，透水率超過6 000 mL/min。我國在煤矸石燒結磚和空心磚常規生產工藝的基礎上，陸續開發了煤矸石無機纖維防火保溫材料、自保溫砌塊、高孔洞率空心砌塊、地磚、煤矸石閉孔發泡陶瓷、煤矸石輕質保溫砌磚、透水磚、清水裝飾墻磚等多種類型不同規格的產品，不斷重視民族區域特色、文化裝飾、建筑承載和節能等綜合功能產品研發。低成本、多功能(高孔洞率、高摻渣量、節能、輕質、高強、裝飾)、多品種已成為煤矸石制備墻體材料的未來發展方向。

4.2.3 再生骨料

骨料是混凝土的主要成分，每年我國砂石消耗量超過200 億t。煤矸石成分和性質與砂石原料相近，CaO 質量分數大于5%、硫含量小于1%、燒失量小于8%的煤矸石[44]，將其作為機制砂石原料，不僅可以擴大機制砂石的原料來源，增加機制砂石產量，而且可以有效緩解骨料資源的短缺，實現煤矸石資源化利用[45]。煤矸石用于制備混凝土再生骨料有2 種方式，一種是直接破碎、篩分作為混凝土粗細骨料利用，該方式具有耗能低、操作簡單的優點；另外一種是通過燒制輕骨料陶粒方式進行利用，成品煤矸石陶粒具有隔音隔熱、輕質高強、低吸水性等特點，是優質的高強度建筑原材料。采用陶粒配制的高性能混凝土適用于制作混凝土空心砌塊、結構保溫墻體、復合墻板、屋面保溫及多種建筑的預制構件。煤矸石陶粒骨料制備條件的篩選和煤矸石混凝土耐久性能是當前的研究重點與熱點。

4.3 有價元素提取

煤矸石中含有豐富的鋁、硅、鐵和鈣等有價元素及鎵、鈧、鋰、釩、鈦及稀土等微量稀有元素。有價微量稀有元素的提取是煤矸石深度開發利用的重要方向，是有效緩解我國資源短缺的重要手段。根據煤矸石中礦石賦存狀態、含礦品位、嵌布特征等不同，采取不同方法進行分選提取。當煤矸石中全硫質量分數達6%時，可以使用全重介脫硫精選工藝提取硫精礦。煤矸石中黃鐵礦常用的分選有跳汰、搖床、水介旋流器、重介旋流器、螺旋溜槽等方法[46-47]。當煤矸石中TiO2的質量分數在0.5%～1.5%，鐵質量分數低于0.6% 時，可以用煤矸石冶煉硅鋁鐵合金的工藝流程生產硅鋁鈦合金。煤矸石中如鎵、鈧、鋰等稀土元素提取多采用鹽酸進行選擇性溶解后，用氫氧化鐵或氫氧化鋁沉淀法有效地分離富集稀土元素，再用草酸鹽沉淀將稀土元素與Fe、Al 分離，通過高溫焙燒實現稀有元素提取。由于煤矸石中有價元素含量偏低，提取技術成本偏高，后續應進一步加強煤矸石中金屬資源分布、賦存的調查研究，亟需提高煤矸石中有價元素的提取利用效率。

4.4 制取化工產品

4.4.1 鋁 系

我國鋁土資源相對稀缺，以鋁硅比大于0.5，Al2O3質量分數大于35%的高鋁煤矸石為原料，采用酸溶或堿溶方式可制備硫酸鋁、氫氧化鋁等20 多種鋁系化工產品，可有效緩解鋁土資源短缺的局面。實踐證明，煤矸石中氧化鋁提取率可達80%以上，鋁系化工產品被廣泛應用在造紙、橡膠、有機高分子、污水處理及陶瓷材料補強等多個領域。

4.4.2 硅 系

煤矸石含有豐富的二氧化硅，可利用高硅煤矸石為原料合成工業填料碳化硅、水玻璃、白炭黑等多種硅系化工產品。以高硅煤矸石和煙煤為原料，采用Acheson 法[6,48]合成碳化硅，具有速度快、污染少、成本低的特點，為煤矸石利用提供了途徑。白炭黑作為一種環保、性能優異的橡膠增強劑和塑料填充劑，在制藥、紡織、造紙等多個領域有廣泛應用。以煤矸石為原料，替代硅酸鈉、四氯化硅和正硅酸乙酯作為硅源，可大幅降低白炭黑的生產成本。煤矸石制備氯化鋁的剩余濾渣通過堿化反應，并經沉淀、濃縮處理可生產Na2SiO3，將其與CO2和空氣混合，經冷卻、沉淀、過濾、脫水、干燥、粉碎等工藝，即可獲得成品白炭黑。劉成龍等[49]利用以煤矸石浸取Al、Fe、Ti 等元素后的浸渣為原料，在利用硫酸鈉干法制備出水玻璃的基礎上，采用碳化法制得比表面積為267.33 m2/g、DBP吸油值為2.77 mL/g 的高純度白炭黑產品。朱明燕等[50]對煤矸石采用氟鹽燒結法分離鋁硅，成功制備了主要成分為無定型SiO2的白炭黑，SiO2回收率達到93.72%，符合我國白炭黑行業標準的相關要求。

4.4.3 制備分子篩

煤矸石作為原料通過堿處理不僅可以制備4A 分子篩，還可以制備NaA 和NaX 型、13X 型、CHA、PAFS 與P 型等多種分子篩。4A 分子篩是一種具有微孔立方晶格的合成堿金屬硅酸鋁鹽，骨架上具有均勻的孔徑，不僅能吸附水、乙酸等極性溶劑，還能通過靜電場吸附氣體、液體等分子，在化工冶煉、污水處理和環境保護等眾多領域被廣泛應用。合成分子篩的工藝流程為：首先將煤矸石經研磨、煅燒、焙燒等工藝活化成活性高嶺土，然后經堿膠凝、結晶合成、雜質過濾、干燥得到分子篩。該方法具有較強的競爭力，可大幅度降低分子篩的生產成本，有效促進煤矸石的綜合利用。孔德順等[51]以貴州六盤水礦區煤矸石為原料，利用酸浸除鐵、煅燒除碳、堿熔活化的方法，激發了煤矸石的活性，從而獲得活性很高的制備分子篩原料，通過水熱合成反應，獲得了高性能4A 分子篩，鈣離子交換量達到國家相關標準。

4.5 農業肥料

煤矸石中有機質質量分數為15%～25%，并含有植物生長所需要的B、Mn、Cu、Co、Zn 等微量元素，可以調節土壤環境不平衡狀態，增加有機質和營養元素含量。煤矸石經粉碎、研磨、干燥等工序，與添加劑和水等混合均勻，充分活化，可制成新型有機復合肥料；將煤矸石作為固氮等微生物的基質和載體，亦可對混合料通過噴灑巨大芽孢桿菌和硅酸鹽細菌等生物制劑、造粒、干燥、掛膜等工藝制作微生物肥料。

5 煤矸石無害化處置與資源化綜合利用存在問題與研究展望

5.1 存在問題

“十三五”期間我國在煤矸石無害化處置與資源化利用方面取得了顯著成績，但仍存在很多問題沒有得到有效解決。

(1) 煤矸石處置與綜合利用率低，煤矸石堆存導致環境與安全問題突出。由于能源需求的持續增加，煤炭開采量的增大，煤矸石處置與綜合利用能力嚴重不足，堆積形成的大量矸石山。煤矸石長期露天堆放，在自燃、淋溶、浸泡等作用下，有毒有害成分和化學物質對礦區大氣、土壤、地表及地下水帶來嚴重環境污染風險，同時也成為泥石流、滑坡等地質災害危險源。

(2) 煤矸石利用地區發展極不平衡。對于能源緊缺的地區，如東部地區和西南部地區，煤矸石的利用率比較高，技術發展較快，而在煤炭資源豐富的地區，如山西、陜西和東北三省等，煤矸石產業發展相對滯后。

(3) 煤矸石無害化處置與資源化綜合利用總體技術水平較低，產業鏈不完善，產業發展層次不高，高附加值利用量比例較小。煤矸石企業規模小，利潤低，盈利能力普遍存在問題。一些高科技含量的煤矸石利用技術還沒有真正落地，煤矸石無害化向資源化利用轉變過程中的盈利能力問題需要持續改善。受區域經濟低迷、需求疲軟的市場空間限制，企業投資動力普遍不足。

5.2 研究展望

“雙碳”目標下的煤矸石固廢無害化處置與資源化綜合利用是煤炭工業發展循環經濟的有效途徑，對實現礦區生態環境保護具有重要意義，相關研究迫在眉睫。煤矸石處置與資源化綜合利用產業化發展應以“物盡其用、因地制宜”為基本思想。重點應開展以下研究內容：

(1) 煤炭生產基地煤矸石分類和理化特性、資源屬性與空間地理分布規律研究。從聚煤規律、成巖特征、地質作用等方面探索煤矸石固體廢棄物的成因、類型、組成及地質特征的規律；構建煤矸石固體廢物理化性質、資源環境屬性和空間地理分布數據庫；劃定煤矸石梯級利用分區，編制煤矸石綜合利用規劃，為實現煤矸石的多層次、多途徑、快速高效綜合利用提供基礎數據。

(2) 采煤沉陷區煤矸石土地生態修復利用技術、煤矸石井下“采選充處”一體化充填開采技術及煤矸石地面采空區膏體與漿體充填技術研究，開發基于煤矸石的土地修復與生態恢復新型環保材料，集成礦區生態環境恢復治理和煤矸石固廢綜合利用與煤炭協同開采一體化成套技術與裝備，從源頭實現煤矸石減量化和資源化。

(3) 煤矸石發電、高性能建筑材料及高附加值化工產品利用方法研究，構建煤矸石規模化無害處置和資源化多層級綜合開發利用模式，形成具有集煤炭開采、發電、化工、煤基固廢綜合利用、稀有元素提取等產業有機結合完整產業鏈。

(4) 煤矸石固廢資源環境特性、有害物質遷移規律、生態環境影響效應、規模化無害處置與資源化綜合開發利用的大數據管理應用平臺開發。

(5) 構建“煤炭—固廢發電—有價元素提取—化工產品—建材材料—井下充填—地面回填—農業應用”的閉合循環產業鏈模式。

(6) 建立“梯級回收+生態修復+封存保護+井下高效自動化充填”規模化處置與綜合利用體系。提高煤矸石綜合利用率，促進煤矸石多元素、多組分梯級利用與減量化，建設綠色礦山。

6 結論

a.我國煤矸石具有存量和排放量大、產量高度集中、綜合利用率低、區域發展極不平衡的特點，煤矸石無害化處置與資源化綜合利用總體技術水平較低，產業鏈不完善，產業發展層次不高，高附加值利用量比例較小，不能滿足國家對生態環境保護及“雙碳”目標下煤矸石綜合利用的相關要求。

b.提出了從源頭實現煤矸石減量化和資源化的有效途徑和具體方法，詳細闡述煤矸石在發電、建材、資源回收、化工產品制備及農業等方面的綜合資源化利用途徑，構建了閉合循環產業鏈發展模式，提出了基于“多途徑、多組分、多層次+梯級回收+生態修復+封存保護+井下高效自動化充填”規模化處置與綜合利用體系的煤矸石未來產業化發展方向，為煤矸石規模化處置與綜合利用提供借鑒。