煤炭是世界上重要的化石能源，在我國能源結構中占主導地位。煤基固體廢物是煤炭資源在開采、加工、燃燒、轉化等過程中產生的附屬產物，主要包括煤矸石、粉煤灰、鍋爐渣、脫硫石膏、煤氣化灰渣和煤液化殘渣等。其中煤矸石年產生量達7.43×108t、粉煤灰年排放量達5.80×108t，兩種固體廢物產生量占煤基固廢總產生量的85%以上。煤矸石堆置占用大量土地，造成土地資源浪費，使得礦區的地質結構遭到破壞，極易引起地表塌陷、裂縫、下沉等地質災害問題。嚴重時會造成礦區生態環境失衡，增加礦區生態修復的難度。

煤矸石是采煤和洗煤過程所排出的固體廢物，其理化性質主要取決於煤的原生狀態。本研究選取煤矸石為主要研究對象，基於煤矸石的來源、分類及理化性質，分析我國煤矸石的排放現狀和綜合利用現狀，在此基礎上闡述煤矸石在礦山生態修復領域的技術應用，同時分析我國煤矸石綜合利用存在的問題，並對未來發展方向提出建議，旨在為我國煤矸石產業未來發展提供借鑒。

一、我國煤矸石的性質及排放現狀

1. 我國煤炭產量概況

我國煤炭資源儲量十分豐富，近十年來，我國的煤炭產量一直占全球煤炭總產量的40%以上，如圖1所示。2021年，全球煤炭總產量達到8.173×109t，主要集中在中國、印度、印尼、美國等國傢。如圖2所示，其中，我國的煤炭產量達到4.126×109t，約占全球總產量的50.5%。隨著我國能源產業結構調整和轉型升級，能源消費結構日趨低碳化。2021年我國的煤炭消費量占一次能源消費總量的比例已降至56.0%，但在未來一段時期內，煤炭仍是我國最主要的一次性能源。

圖1 2011—2021 年我國煤炭生產及消費統計數據89fb649a04bc384e5e0394b9faea7f91圖2 2021 年全球主要產煤國傢煤炭產量統計數據

2. 煤矸石來源和分類

煤矸石產量約占原煤產量的10%~15%，其主要來源有3種：

（1）露天開采剝離及巷道掘進過程中的掘進矸石；

（2）采掘過程中從頂板、底板及夾層裡采出的矸石；

（3）洗煤過程中挑出的洗矸石。

三者所占比例分別為45%、35%和20%。根據煤矸石的來源、性狀、化學成分、礦物成分及其理化特性，可對煤矸石的類型進行劃分，具體分類方法如表1所示。

表1 煤矸石分類方法

3. 煤矸石的理化性質

煤矸石是由碳質頁巖、泥巖、砂巖及煤炭等物質組成的黑灰色沉積巖，具有含碳量低、比煤硬、幹基灰分大於50%的特點，顆粒密度為2100～2900 kg/m^3 。煤矸石存在於不同地質時期的煤田當中，其礦物結晶和化學成分組成與煤層的原始物質和變質程度有關。

煤矸石的主要成分為 Al_2O_3 、 SiO_2 ，此外還含有數量不等的 Fe_2O_3 、CaO、MgO、 Na_2O 、 K_2O 、 P_2O_5 、 SO_3 和微量稀有元素（鎵、釩、鈦、鈷）。煤矸石中的晶體礦物有高嶺石、石英、伊利石、綠泥石、白雲母、長石、黃鐵礦等。煤矸石中還包含一定量的非晶相物質，主要是水分、碳質、風化物等。煤矸石中的礦巖主要包括黏土巖類、砂巖類、礫巖類、碳酸巖類、石灰巖類和鋁質巖類等沉積巖。

4. 煤矸石的排放現狀

煤矸石占我國煤炭生產總量的15%~20%，由於其熱值低、利用難度大，常被露天堆放在礦區周圍。據統計，2021年煤矸石產生量約為7.43×108t，同比增長5.84%。從煤炭的需求量和產量的預測來看，2025年我國煤矸石的年產生量將達到約8×108t。

煤矸石山不僅占用大量土地，還會污染大氣、水體和土壤，是煤礦區最主要的污染源。矸石山自燃產生的 SO_2 、 NO_x 等有毒有害氣體會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造成嚴重的環境污染。

我國煤矸石區域分佈不均衡，主要集中在經濟不發達的中西部地區，煤矸石產業發展相對滯後。特別是山西、內蒙古、陜西、新疆和貴州等產煤大的省份（圖3），其煤矸石產生量占全國總產生量的78.74%，煤矸石已成為城市發展的“頑疾”。在資源短缺的東部地區，煤矸石產生量較少，但綜合利用率高，技術發展快，煤矸石常被用來生產水泥、磚瓦等建築材料，然而若將煤矸石運至東部地區，運輸成本過高，經濟價值較低。

圖3 2021年我國各地區煤矸石產生量數據

二、煤矸石的綜合利用現狀分析

20世紀60年代我國開始對煤矸石的綜合利用進行探索與實踐。初期，煤矸石利用技術發展較慢，主要以地面築基、制磚為主。1985年，其綜合利用率僅為25%。1995—2005年間呈快速增長趨勢。2005年後呈小幅增長趨勢且綜合利用率均在60%以上，如圖4所示。煤矸石綜合利用量已由1990年的2.60×107t增至2021年的5.43×108t，處理能力增長約20倍。

圖4 1990—2021 年我國煤矸石產生量及綜合利用統計數據

國傢相關部門出臺瞭《煤矸石綜合利用管理辦法（2014年修訂版）》《資源綜合利用電廠（機組）認定管理辦法》《煤矸石綜合利用技術政策要點》等，通過采取政策鼓勵、技術示范和典型引導等措施，推動煤矸石綜合利用迅速發展。煤矸石綜合利用途徑如圖5所示，主要以生態修復為主，技術水平較低。而高技術含量、高價值的煤矸石發電、建築材料利用、化工產品、有價元素提取方面不足50%，資源化利用率依然較低，有待進一步研究。

圖5 煤矸石綜合利用途徑

三、礦區煤矸石生態修復技術

1. 充填開采技術

井工開采過程中會形成地下采空區，造成地表移動和變形，形成大規模的采煤沉陷區，對礦區的生態系統造成破壞。采空區以往采取頂板自由垮落管理方式，地下空間並未得到有效利用。將煤矸石作為充填材料用於地下采空區回填，可防止地面沉降塌陷與開裂，減少地質災害的發生。

煤矸石充填開采技術主要分為3種類型：固體充填、膏體充填、漿體充填。固體充填技術是將井下巖巷掘進產生的矸石，直接利用矸石拋矸機充填巷道，巷道充填系統簡單，減輕副井提升壓力。膏體充填和漿體充填技術是將煤矸石破碎研磨處理後，用煤矸石粉等細粒材料進行膠結制備成充填膏體或料漿填充采空區。

張吉雄等通過井下煤矸分選技術、多源固體充填材料、“采選充留”多工序協同智能控制等模塊，形成瞭煤矸石井下分選協同原位充填開采模式，技術原理如圖6所示。王瑩瑩等利用煤矸石與礦渣、石膏等為基礎研制瞭似膏體充填膠凝材料。韓宇峰等利用破碎煤矸石替代水泥制備出水泥-煤矸石充填漿體。崔增娣等發現煤矸石凝石似膏體充填材料具有良好的力學特性和耐受能力，滿足國傢標準要求。煤矸石充填開采技術有效地解決瞭礦區地面塌陷的問題，可實現礦區生態有序恢復。

f4704f9ec2227e2bd3fe240337f9bb24圖6 煤矸石井下分選協同原位充填開采模式

北京中煤采用煤矸石膏體充填技術，成功地在同忻、東周窯、馬道頭、北辛窯4個煤礦礦井完成瞭地下采空區固體廢物充填的工業性試驗，同時針對不同采空區的賦存特征，選用煤矸石膏體、料漿、漿液等多種流體形態進行井下充填，其中同忻煤礦單個鉆孔煤矸石最大回填量達7000t，形成瞭良好的煤矸石返井充填示范效應，建立起探-鉆-註-充完整的技術與裝備體系，為煤矸石充填開采項目提供瞭良好的技術支撐。

2. 塌陷區回填技術

塌陷區是礦山開采活動結束後產生的遺留地，其數量、規模都在日益增加，塌陷區造成的滑坡、泥石流等地質災害給礦區的生態環境和人民生活造成嚴重危害。利用煤矸石回填塌陷區，不僅變塌陷區為可復墾土地，還可以節約用地，減少環境污染。

陳旗寶日希勒礦由於無序開采產生的“草原天坑”利用塌陷區回填技術被完全修復，治理前後效果如圖7所示。采用“土壤剝離、交錯回填、灌漿防滲”等技術，高質量地完成瞭煤矸石回填塌陷區復墾造地工程。

煤矸石回填塌陷區對周圍土壤環境和水環境的影響較小，符合規范要求，且煤矸石經過分層回填、多次振壓後，其承載能力要遠高於天然土地。塌陷區回填技術簡單且成本較低，我國煤矸石用於回填塌陷區占其綜合利用總產量的15%左右，處置利用量大。塌陷區回填不僅實現瞭煤矸石的綜合利用，也是礦山生態修復的有效途徑之一。

61240b2dd7cbfaa4866ce92781c2cf6d圖7 寶日希勒塌陷區治理前後對比

在煤矸石於塌陷區回填的應用中，海拉爾謝爾塔拉一般工業固體廢物處置項目是將煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏作為填充材料回填露天礦坑，該項目每年可處置煤矸石1.0×106t，不僅解決大量礦山固體廢物的消納問題，也解決瞭廢棄礦坑生態恢復所需充填材料的來源問題，拓寬瞭煤矸石綜合利用處置渠道，推動礦區生態修復治理。

3. 土地復墾修復技術

礦山生態修復已成為我國環境保護工作中的一個重要方向。煤矸石壓占和毀壞的土地，通常可采取推土機回填壓實、表層覆土的方式進行復墾。一般用於復墾的煤矸石以砂巖、石灰巖為主。對於表層已風化成土的煤矸石無需覆土，可直接進行植樹或開墾為農田。土地復墾修復是煤矸石最簡單直接的治理方式之一，能夠有效解決煤矸石自燃、土地閑置等問題，使矸石山“由黑變綠，變廢為寶”。

於亞軍等和龐碧琳等研究發現煤矸石復墾地的土壤質量未達到普通農田水平；徐良驥等研究瞭煤矸石復墾地的重金屬分佈特征，發現煤矸石中的重金屬有向上遷移的趨勢，但當覆土厚度為70~80cm時，土壤質量符合國傢標準。

改善礦區土壤理化性質是恢復礦區生態環境的關鍵因素之一。煤矸石是一種較好的土壤改良劑，它含有植物生長所需的營養成分和多種微量元素，如有機質、B、Mn、Cu、Co、Zn等，可以調節土壤環境不平衡狀態，同時提高土壤孔隙度，增強土壤的保水能力，減少水分蒸發，促進植物生長。

Blagodatskaya等發現在土壤中加入煤矸石可以提高土壤中微生物活性和生物量，改善土壤微環境，促進植物生長。焦赫等發現煤矸石充填復墾後會改善土壤的理化性質，且土壤表層的優勢菌相對豐度較高；王順等研究瞭煤矸石對重構土壤水分分佈的影響，發現煤矸石具有良好的阻水性能，可提升土壤的持水能力。

綜上所述，煤矸石憑借其理化性質在礦區土壤改良中起到瞭重要的作用，但其也會造成一定的污染風險，例如重金屬污染問題，所以要科學合理地發揮煤矸石在礦區土地復墾修復中的作用。

西銘礦溝西灣矸石山治理將滅火防復燃、山體整形和生態系統重建3個環節作為一個有機整體，治理前後對比如圖8所示。矸石山平臺以山楂樹、棗樹、核桃樹、梨樹等經濟林為主，坡面以草灌為主、喬木為輔，形成瞭具有當地特色的集旅遊、采摘、運動為一體的綜合生態園區，使矸石山完成瞭“從火焰山”到“綠水青山”的轉變。

圖8 西銘礦溝西灣矸石山治理前後對比

4. 煤矸石地面築基技術

煤矸石可以單獨代替灰土或與黏性土、粉煤灰、熟石灰等混合使用，用作公路路基或底基層的築基填料。煤矸石在築基施工後，會發生吸水、膨脹、解理等多種作用，從而使其發生變形，煤矸石中殘留煤的自燃、有機質灰化或分解及軟巖泥化等都會對其性能產生較大的影響，所以如何保證煤矸石在工程應用中的穩定性是研究的熱點。

胡建勇通過去除煤矸石中的殘留煤和黃鐵礦，減少煤矸石路段自燃現象的發生。賀建清等發現將煤矸石和黏土按照一定比例混合，不僅會改善煤矸石的隔水效果，還會增加其壓縮模量、加州承載比（CaliforniaBearingRatio，CBR）值和抗剪強度。馮新軍等發現煤矸石粉能夠顯著提高瀝青膠漿的高溫穩定性，改善其感溫性，提高與瀝青的黏結力。

煤矸石用於地面築基時，其中的重金屬和硫化物污染並未得到很好處置。各地區煤矸石成分差異較大，目前沒有統一的規范，所以對於煤矸石的地面築基處置，仍需進一步探索。

邯鄲市陶一礦將煤矸石作為青蘭高速公路邯涉段6.6km的路基填築材料，填方量達到6.85×105 m^3 ，使陶一礦的矸石山比原來減少瞭1/3。邢汾高速邢臺至冀晉界路段83.37km使用煤矸石進行地面築基，填方量約1.70×106 m^3 。利用煤矸石作為地面路基填築材料，既解決瞭煤矸石污染環境的問題，又節約瞭當地稀缺的土壤資源，降低瞭工程成本，具有良好的社會效益和經濟效益。

四、煤矸石綜合利用存在的問題與展望

我國在煤矸石綜合利用方面雖然取得瞭顯著成就，但還存在以下幾個方面的問題，可根據具體問題重點開展研究：

（1）我國煤矸石堆存量巨大，雖然綜合利用途徑較多，但由於處置技術水平限制，資源化利用率偏低，應加強對煤矸石資源化利用技術的研究。

（2）我國煤矸石空間分佈不均衡且成分差異較大。可根據區域特點，對當地煤矸石的理化特性進行全面分析，建立起我國煤矸石的分佈規律與理化特性之間的關系，深化研究不同類型的煤矸石綜合利用模式，為不同地區煤矸石綜合利用模式選擇提供理論依據。

（3）充填開采技術研究日益成熟，但實際利用率低。我國在充填開采方面取得瞭一定的成就，但由於充填開采成本高、效率低，降低瞭礦山企業的積極性，實際應用案例較少，該技術主要還停留在理論建設和實驗室研究方面。應加強充填開采技術水平的研究，致力於解決填充材料、成本、效率的難題，同時政府應在政策、稅收、專項資金等方面對礦山企業給予更多支持，為充填開采技術的研究與推廣提供基礎。

（4）探索煤矸石綜合利用新模式。礦山煤矸石生態修復技術雖然在一定程度上緩解瞭煤矸石的處置問題，但未能充分利用煤矸石中的隱藏價值。應加強煤矸石生態修復技術與資源化利用技術的有機結合，形成集“充填開采、塌陷區回填、土地復墾修復、地面築基”的生態修復途徑和“煤矸石發電、建築材料、化工產品、有價元素提取”等資源化利用途徑相結合的多層次綜合開發利用全產業鏈模式。

在煤炭行業推廣煤矸石井下原位充填技術，切實從源頭實現煤矸石減量化，爭取做到煤矸石不出井；同時建立“梯級回收+資源化利用”體系，對於高價值的煤矸石類型，大力推進利用煤矸石發電和生產新型綠色建築材料，在風險可控的前提下深入推動化工領域應用和有價組分提取，充分發揮煤矸石的利用價值。對於未能資源化利用的煤矸石，實行土地復墾、塌陷區回填進行生態修復與封存保護，就地消納。實現煤矸石分類管理、源頭減量、資源化利用、生態修復相結合的綜合處置，提高綜合利用水平。

五、結束語

煤矸石治理是礦山生態修復的重要組成部分，目前，我國煤矸石資源化利用率低，技術難度大，難以滿足國傢生態文明建設及“雙碳”目標的戰略需求，因此必須探索礦山煤矸石的綜合利用新思路和技術。本研究提出的多層次綜合開發利用的全產業鏈模式，可促使煤矸石變廢為寶，得到高效利用，礦區生態環境得以恢復，再造綠水青山的生態景觀，為礦區煤矸石的綜合高效利用探索出一條可行的新途徑。

來源：《CE碳科技》公眾號

作者：中城環境 范曉平、劉京、康哲、董學光

原文鏈接：煤矸石綜合利用與礦山生態修復的戰略思考

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