煤矸石的危害与加工利用途径

一、煤矸山危害概况

河南省是一个能源大省，在一次性消耗的能源（煤石油、天然气）中，煤炭占80%以上。河南的煤炭开发有着悠久的历史，隋唐时期太行山东焦作等地已广泛开矿挖煤。新中国成立以来，我省的煤炭工业飞速发展，煤炭保留储量占全国第七位，现产量为全国第五或第六位。然而，随着煤炭产量的提高，作为固体废渣的煤矸石的排放量也随之增长。78年以来，随着采掘机械化的发展，煤层开采条件的逐步恶化，尤其是大量乡镇煤矿的崛起，煤矸山，遍布于各产煤区。煤矸山的危害除了自燃与爆炸污染矿区大气环境、危害人体健康外，还主要表现在以下几个方面：

（一）大量占用土地，污染土壤

据1991年底的初步统计，河南省历年的煤矸石堆放量约有1.5亿吨，矸石山占地450多万平方米，其中占有农田面积约有160多万平方米。1990年以来，我省各类煤矿年总产量为8978～9617万吨，平均年产量达9196万吨。河南煤矸石的排放量约占煤矿开采和洗选总量的20%，煤矸石占地系数为5.6亩／百万吨，以此计算，平均每年排矸1839万吨，占用土地102.98亩。省地方煤矿1990～1994年共产煤25614.26万吨，平均年产5123万吨，年排矸量达1024.6万吨，占用土地57.34亩。五年间，仅地方煤矿就排矸5122.85万吨，相当于全省地方煤矿一年的原煤总产量，占地约1434亩。

省地方煤矿历年堆存的煤矸石占用土地约370万平方米（国有重点矿为80万平方米），其中占有农田140万平方米（国有重点矿约为20多万平方米）。

此外，堆积的煤矸石经长期风吹雨淋而发生氧化、分解、溶滤作用，使其中的有毒有害物质进入土壤，污染土壤和农作物，进而通过食物链危害人体健康。

表14－8　朱村矿煤矸堆旁与其北200米处土壤可溶盐含量对比表

（二）污染水质

煤矸山的长期堆放还会引起滑动塌方等危害。

（三）煤矸石利用的现状

煤矸石的大量堆放带来诸多危害，但利用率却很低。目前，省内国有重点煤矿的煤矸石中综合利用率不高，如1993年仅利用21.13万吨，其中矸石水泥74340吨，耗矸3.5万吨；矸石砖3939.6万块，耗矸12.56万吨；矸石电站0.3609万KW／H，耗矸0.9万吨；沸腾炉耗矸4.17万吨。矸石利用率21.13万t／785.4万t＝2.7%（93年国有重点煤矿年产量为39 28.08万吨）。全省地方煤矿1993年原煤产量为5350.77万吨，排矸约1070万吨，耗矸量仅有4.18万吨，其中矸石水泥151458吨，耗矸2.999万吨，产矸石砖461万块，耗矸1.18万吨，利用率仅有0.39%。

如此之低的矸石利用率，对于减轻日益增长的矸石堆放量和土地占有量来说是无关宏旨，这势必加速矿区环境质量的恶化，加剧煤矸石占用土地的局面，成为制约煤矿发展的重大因素。因此，开展煤矸石的综合利用，变废为宝，对减轻煤矸山危害，增加煤矿收入，具有长远的意义。

二、煤矸石的特性

煤矸石是在采煤和煤炭洗选加工过程中产生的固体废弃物，主要由煤层夹矸、煤层顶底板岩石及少量的煤构成。由于煤层常与粘土岩共伴生，决定了煤矸石的岩石构成以粘土岩为主，另有少量粉砂岩、砂岩和碳酸盐岩。我省豫北及梁洼等地的煤矿，由于岩浆岩侵入煤层，煤矸石中还有侵入岩。矸石的成分虽然比较复杂，所含元素可多达几十种，但主要是SiO2和Al2O3，另有数量不等之Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3等。SiO2含量一般50—70%，Al2O3一般为20—30%，个别竟达40%以上，Fe2O3、CaO、MgO的含量一般很低，除含有碳和SO3外，与粘土岩的成分极其相似。值得提出的是，河南有些煤系地层中，高岭石粘土岩（tonstein）常以煤层夹矸的形式出现，因此某些矿区的煤矸石基本上由高岭石组成，具有很高的利用价值。

煤矸石除含有无机矿产资源外，还具有一定的发热量，其发热量可将煤矸石分为四类：

第一，＞6272KJ／kg；

第二，3345～6272KJ／kg；

第三，1254～3345KJ／kg；

第四，＜1245KJ／kg。

不同发热量的矸石具有各自不同的用途。

综上所述，煤矸石不仅含有些可利用的成分，且具有一定热值，从某种意义上说，也是一种有用资源，结合煤矸石的特点，进行科学的开发利用，不仅可消除因煤矸石堆积与自燃造成的环境污染，且可取得显著的经济效益。

三、煤矸石加工利用途径

煤矸石的利用主要有两个方面：一是利用矸石中的有机成分（热值），作为沸腾锅炉或沸腾炉发电厂的燃料；二是利用矸石中无机矿产资源，作为建筑材料的原料，或用于建工、化工、农业等部门。

煤矸石的来源不同，堆放时间长短、是否自燃等因素，决定了煤矸石的不同的理化性能和用途。对于成分较纯的高岭石泥岩夹矸（多为手选矸），可用于生产分子筛或用作造纸涂料，也可用作陶瓷原料，利用价值很高。而已堆积成的煤矸山，成分往往很复杂，不宜进行高技术利用或深加工。煤矸山矸石可分为洗矸、自燃矸（过火矸）及未燃矸。洗矸一般粒度较细，含碳量及含硫量高，热值大；自燃矸烧失量低，粘土矿物因经高温煅烧而具有较高的活性，未燃矸由煤巷矸与岩巷矸构成，成分复杂，不稳定。这三类矸石，因性质不同，在利用时应区别对待，下面介绍一些实用的矸石利用途径。

（一）用煤矸石作燃料供热和发电

煤矸石具有一定热值，尤其是洗煤矸石发热量一般在6270KJ／kg以上，将其加工成粒径＜13mm、水分＜10%的煤矸石，与洗选过程中产生的劣质煤一起配置成发热量为10000～L3000KJ／kg的沸腾煤，即可作为沸腾炉发电厂的燃料，也可用于小型沸腾锅炉的燃料。目前，我国统配煤矿已建设了许多使用沸腾炉的坑口电站，大多使用这种燃料，不仅解决了煤矸石的污染问题，且为国家节约了大量优质煤。我省地方煤矿，若条件允许，亦可筹建矸石电厂。

（二）煤矸石在墙体材料生产中的应用

1.煤矸石制砖

利用煤矸石可生产烧结砖与非烧结砖，生产烧结砖，是用煤矸石代替粘土，经粉碎、成型、干燥、焙烧等工序加工而成。为获得较好的产品，矸石化学成分一般控制在SiO2：50%—70%，Al2O3：10%—30%，Fe2O3—8%，CaO＜5%，MgO＜3%，SO2＜l%。煤矸石粒度要求＜1mm的颗粒达65%。以煤矸石为原料烧结的砖具有耐酸、耐碱、强度比黏土砖高等特点。目前，河南矸石砖厂有10多家，年产砖2.8亿块，是河南大量利用煤矸石的主要途径。

用煤矸石为基料，掺加固化剂（水泥）和外加剂，还可生产非烧结砖，目前已有许多单位研制成功该项技术，正处于推广应用阶段。

2.生产砌块

用未燃、自燃矸石为粗、细骨料，加入少量水泥和水，经搅拌、成型、自然养护，可制成空心、实心砌块和混凝土各类制品。应注意未燃矸石原料在选择上不宜使用含碳的岩质页岩和强度低、易风化的泥岩，因它将影响制品的强度和耐火性能，应选用掘进矸石为好。

（三）利用煤矸石生产水泥

1.作水泥原料

煤矸石的化学成分与粘土基本相似，用它代替粘土配制生料生产水泥是完全可行的。由于煤矸石成分波动较大，原料须经预处理，以满足生产工艺要求，保证产品质量。

2.作水泥混合材

自燃矸石（过火矸）是一种很好的火山灰活性材料。可掺入水泥熟料中作混合材使用，其掺量可达15%—40%，和适量石膏共同磨细制成火山灰水泥。不仅可改善水泥的一些特性，而且增加水泥产量，降低生产成本。因此有自燃矸石或沸腾炉渣的煤矿水泥厂都可利用这些矸、渣作为水泥混合材，将会收到较好的效果。

如禹州方山煤矿，开采二叠系四4煤和五2煤，前者平均厚1.3M，局部夹0.2M厚矸石一层；后者平均厚2M，含夹矸2～3层。自建矿以来，煤矸堆一直燃烧。现在水泥厂拉烧过的矸石做水泥混合材料。不仅减少了该矿煤矸山占地面积，而且增加了该矿的经济收入。

3.生产无熟料水泥

自燃矸石和沸腾炉渣在石灰、石膏的激发下具有水硬性，按矸石渣：石灰：石膏＝70：25：5的比例混合细磨即成无熟料水泥，强度达20MPa以上，可用于硅酸盐建筑制品、砌筑砂浆和墙面粉刷等。(www.xing528.com)

（四）利用煤矸右生产装饰材料

1.煤矸石釉面砖

煤矸石釉面砖是以煤矸石为原料，经粉碎、配料、细碎、成型、素烧、釉烧等工艺制成。作为生产釉面砖的煤矸石原料，Al2O2含量要高，Fe2O3、TiO2含量要低，这样就会增加素烧的白度，减少去杂质的费用，降低生产成本。

2.煤矸石制釉面马赛克

以煤矸石为主要原料，加入其他辅助料，采用湿法生产工艺，经素烧、釉烧两步法生产釉面马赛克。产品具有色彩鲜艳、强度大、粘贴牢固等特点。

（五）煤矸石在化工生产中的应用

1.利用煤矸石生产聚合铝（PAC）

聚合铝用作净化剂，主要用于污水处理。选用Al2O2含量较高的煤矸石，可代替铝矾土生成聚合铝，由于煤矸石中硅铝比一般小于3，适合用酸溶法生产，其工艺流程如下：

2.从煤矸石中回收硫铁矿

硫铁矿是化学工业的原料，也是导致煤矸山自燃的主要因素，近年来，对硫铁矿的回收已得到应有的重视，目前常用的分选设备有跳汰、摇床、水介质旋流器等。采用跳汰—摇床和水介质旋流器一摇床联合流程的脱硫方法，从高硫煤洗矸中回收硫铁矿已收到较好的效果，所得硫精矿含硫品达32%～38%，回收率50%～70%。

煤矸石的利用途径很多，各地方煤矿在进行煤矸石加工利用时，应结合本矿煤矸石的特点及各方面的条件，选择合适的利用途径。

四、煤矸山绿化

随着煤炭工业的快速发展，煤矸石的排放量逐年增加。近年来，煤矸石的综合利用虽已受到煤炭、环保、建材等部门的高度重视，且取得了可喜的成果，但限于经济、技术等原因，煤矸石的利用率还只有20%左右，各矿区煤矸石仍堆积如山，不仅占用良田，还对环境造成严重污染。尤其是地方煤矿，煤矸石加工利用程度更低，占地和污染环境的状况更为严重。

解决上述问题的一条有效途径就是将煤矸山复垦种植，即绿化煤矸山。目前，已有不少煤矸山绿化的范例，昔日的矸石堆，如今已是绿树荫荫，收效良好。

（一）影响煤矸山绿化的主要因素

1.煤矸石的风化程度

煤矸石的风化受当地气候一水热条件的影响，在河南，煤矸石以物理风化为主，化学风化为辅，风化作用不彻底，风化物颗粒较粗。PH值为6～8，呈中～弱碱性，对大多数植物生长有利。

煤矸山上，矸石的风化程度与其堆放时间和岩性有关，一般泥岩、页岩风化快，而砂岩、粉砂岩、石灰岩风化慢，由于煤矸石的风化程度决定了风化层厚度、风化物的粒度及酸碱度、水分状况及湿度等条件，也就决定了煤矸山的复垦方式风化程度高者可直接复垦，风化程度中等者可覆盖薄层土后复垦，而对风化程度差者则需要覆盖厚层土。

2.自燃后煤矸山的复垦

自燃矸石硬度变大，亲水性变小，黏结性不好，不易风化，且矸石燃烧过程中，黏土矿物品格已发生变化，可溶量达1～2%，PH值达5～3，同时还存在活性铝，因此自燃后的矸石山上寸草不生，但有些自燃矸石山，因表层散热好，还保留一层灰黑色的未燃矸石风化层，还是可以复垦的。

在控制煤矸山自燃时，常用石灰乳灌浆法，灌过石灰乳的矸石山，地表存在几厘米厚的石灰层，不能生长植物。因此用石灰浆灭火对复垦不利。

3.煤矸山堆积类型

根据当地的地形条件，煤矸山堆积方式不同，有的沿山沟或斜坡倾倒，有的平地堆成圆锥体。我省地方煤矿煤矸山以圆锥体居多。圆锥体型因都是斜坡，会给复垦带来困难，应予平整后再进行复垦种植。

（二）煤矸山绿化

1.选择适宜的复垦方式

根据煤矸山表面风化程度的高低，选择是否在复垦之前用黄土覆盖，若需覆盖，黄土层要有多厚。

直接复垦适用于风化程度高的煤矸山，要求10cm左右厚的风化层中沙粒及其以下粒级的含量达10%～20%，大石块少见。此类复垦，应选择成活率高的树苗，断根蹲苗一段时间，带土移栽。

煤矸山上覆盖土的厚度，一方面涉及植物的立地条件，另一方面涉及土源及复垦投资，二者应兼顾。覆盖黄土的标准是用土将黑色地面完全覆盖即可（土层厚2～5cm），为解决直接播种草籽保留难的问题，可先播种草籽，再覆盖黄土。

2.植物种类的选择

煤矸石风化物与土的性状大不相同，复垦种植初期选择合适的“先锋植物”尤为重要。根据煤矸石风化物贫瘠、缺水、立地条件差、易受粉尘、SO2、SO3等侵蚀的特点，应选择耐干旱、贫瘠、抗粉牟、抗酸气污染的豆科牧草，豆科阔叶树（榆树、臭椿、洋槐）和带土球的针叶树（侧柏、杜松）等为宜。

3.加强管理矿井消除永久矸石山

煤矸山复垦种植，虽需要一定投资，但除解决环境污染、改善生态环境外，还可获得一定经济效益。矿井矸石做到综合利用，亦可变害为宝，矿井可做到消除永久矸石山。尤其是焦作矿区在近五十多年先后成功运用煤矸石发电、煤矸石制砖、矸石粉碎蒸压制造轻质砌块、矸石粉碎制浆采空区充填、过火矸石水泥填料、采空区充填注浆地基加固建筑重新利用。其中煤矸石制砖生产建筑材料和采空区法理综合利用效果尤为显著。

20世纪八十年代以来，焦煤矿区开始大规模开展煤矸石综合利用研究，先后投入巨额资金在王封、李封、朱村、焦西、焦东、冯营、演马庄、中马村等矿井矸石山下修建了煤矸石制砖厂，产品不仅满足了企业建筑需要，还向市场大量供应，由于煤矸砖耐压强度大、耐腐蚀抗风化、价格低质量好，产品一直供不应求。经过三十多年的制砖消耗利用，目前焦煤矿区许多矸石山已经消失，新建的矿井基本没有矸石大量堆放现象，取而代之的现象是原来靠近市区的焦东、焦西、王封、李封矿井矸石山位置，经过矸石制砖置换土地后如今耸立起造型优美的新建居民小区，焦西、朱村、李封、焦东矿采空区经过植树造林绿化建设已经变成了生态旅游大型森林公园。

平顶山二矿在废弃的矸石山建起的公园如图所示。

平顶山二矿在废弃的矸石山上建起的公园