1、煤矸石综合利用与矿山生态修复的战略思考范晓平1，刘京2，康哲1，董学光1（1.中城院（北京）环境科技股份有限公司，北京100120；2.中国城市建设研究院有限公司，北京100120）【摘要】我国是煤炭资源开采大国，煤炭生产、加工过程中产生了大量的煤基固体废物，对矿区土地资源和生态环境造成了严重的破坏，已成为制约矿山生态修复的重大战略问题。目前，我国煤矸石综合利用存在储量大、综合利用率低、空间分布不均衡等特征，煤矸石综合利用能力难以满足国家对生态环境保护的要求。本研究基于煤矸石主要来源及理化性质，分析了其排放及综合利用现状，阐述了其在矿山生态修复领域的技术应用，同时探讨了我国煤矸石综合利用存在的
2、问题。提出将“充填开采、塌陷区回填、土地复垦修复、地面筑基”的生态修复途径和“煤矸石发电、建筑材料、化工产品、有价元素提取”等资源化利用途径相结合的发展方向。【关键词】煤炭开采；煤基固废；煤矸石；综合利用；生态修复中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）01-0008-08DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.01.002Strategic Thinking of Comprehensive Utilization of Coal Gangue and Ecological Restoration of MinesFAN Xiaoping1，
3、LIU Jing2，KANG Zhe1，DONG Xueguang1（1.CUCDE Environmental Technology Co.Ltd.，Beijing100120；2.China Urban Construction Design&Research InstituteCo.Ltd.，Beijing100120）【Abstract】China is a large country of coal resource mining，a large amount of coal-based solid waste was producedin the process of coal p
4、roduction and processing，which had caused serious damage to land resources and ecologicalenvironment in mining areas，and had become a major strategic issue that restricted the ecological restoration of mines.Atpresent，the comprehensive utilization of coal gangue in China was characterized by large r
5、eserves，low comprehensiveutilization rate and uneven spatial distribution，and the capacity of comprehensive utilization of coal gangue could hardly meetthe national requirements for ecological environmental protection.Therefore，based on the main source and physical andchemical properties of coal gan
6、gue，the current situation of coal gangue discharge and comprehensive utilization wereanalyzed，the technical applications of coal gangue in the field of mine ecological restoration were described，and theproblems of comprehensive utilization of coal gangue in China were analyzed at the same time.The f
7、uture developmentdirection of combining the ecological restoration of“filling and mining，cave-in area backfill，land reclamation andrehabilitation，ground foundation”and other resource utilization paths of“coal gangue power generation，constructionmaterials，chemical products，valuable elements extractio
8、n”were put forward【Key words】coal mining；coal-based solid waste；coal gangue；comprehensive utilization；ecological restoration1引言煤炭是世界上重要的化石能源，在我国能源结构中占主导地位1。煤基固体废物是煤炭资源在开采、加工、燃烧、转化等过程中产生的附属产物，主要包括煤矸石、粉煤灰、锅炉渣、脱硫石膏、煤气化灰渣和煤液化残渣等2。其中煤矸石年产生量达 7.43108t、粉煤灰年排放量达 5.80108t，两种固体废物产生量占煤基固废总产生量的85%以上。煤矸石堆置占用大量土地
9、，造成土地资源浪费，使得矿区的地质结构遭到破坏，极易引起地表塌陷、裂缝、下沉等地质灾害问题。严重时会造成矿区生态环境失衡，增加矿区生态修复的难度3-4。煤矸石是采煤和洗煤过程所排出的固体废物，其理化性质主要取决于煤的原生状态2。本研究选取煤矸石为主要研究对象，基于煤矸石的来源、分类及理化性质，分析我国煤矸石的排放现状和综合利用现状，在此基础上阐述煤矸石在矿山生收稿日期：2022-10-14；录用日期：2022-12-12第 31 卷第 1 期2023年2月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.1Feb.2023态修复领域的技术应
10、用，同时分析我国煤矸石综合利用存在的问题，并对未来发展方向提出建议，旨在为我国煤矸石产业未来发展提供借鉴。2我国煤矸石的性质及排放现状2.1我国煤炭产量概况我国煤炭资源储量十分丰富，近十年来，我国的煤炭产量一直占全球煤炭总产量的 40%以上，如图 1 所示。2021 年，全球煤炭总产量达到8.173109t，主要集中在中国、印度、印尼、美国等国家，如图 2 所示，其中，我国的煤炭产量达到 4.126109t，约占全球总产量的 50.5%。随着我国能源产业结构调整和转型升级，能源消费结构日趋低碳化5。2021 年我国的煤炭消费量占一次能源消费总量的比例已降至 56.0%，但在未来一段时期内，煤炭
11、仍是我国最主要的一次性能源。煤炭产量及消费量/108t5040302010020112012 201320142015201620172018201920202021年份100806040200比例/%我国煤炭产量我国煤炭消费量我国煤炭产量占全球煤炭总产量比例我国煤炭消费量占一次能源消费总量比例煤炭产量/108t504030201006050403020100比例/%中国印度印尼美国澳大利亚俄罗斯南非德国哈萨克斯坦波兰41.268.116.145.244.794.342.341.26 1.16 1.08煤炭产量占全球煤炭产量的比例国家图 22021 年全球主要产煤国家煤炭产量统计数据Figur
12、e 2Coal production statistics of major coal producingcountries in the world in 20212.2煤矸石来源和分类煤矸石产量约占原煤产量的 10%15%，其主要来源有 3 种6：露天开采剥离及巷道掘进过程中的掘进矸石；采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石；洗煤过程中挑出的洗矸石。三者所占比例分别为 45%、35%和 20%。根据煤矸石的来源、性状、化学成分、矿物成分及其理化特性，可对煤矸石的类型进行划分，具体分类方法如表 1 所示7-10。表 1煤矸石分类方法Table 1Classification methods
13、 of coal gangue分类指标来源颜色自燃性质风化程度岩石类型碳质量分数/%硫质量分数/%铁化合物质量分数/%全硫（St，d）质量范围/%灰分（Ad）产率范围/%灰分（CaO+MgO）成分/%硅铝比m（Al2O3）/m（SiO2）/%煤矸石类型煤巷矸、岩巷矸、自燃矸、洗矸、手选矸和剥离矸 6 类黑矸、灰矸、白矸、红矸等可燃煤矸石、不可燃煤矸石未风化、微风化、中等风化、完全风化黏土岩矸石、砂岩矸石、钙质岩矸石和铝质岩矸石等一类4.0、二类（4.06.0、三类（6.020.0、四类20.0一类0.5、二类（0.53.0、三类（3.06.0、四类6.0低铁1.0、中铁（1.03.5、次高铁（
14、3.58.0、高铁8.0低硫1.0、中硫（1.03.0、中高硫（3.06.0、高硫6.0低灰70、中灰（7085、高灰85硅铝型10、钙镁型10低级0.3、中级（0.30.5、高级0.52.3煤矸石的理化性质煤矸石是由碳质页岩、泥岩、砂岩及煤炭等物质组成的黑灰色沉积岩，具有含碳量低、比煤硬、干基灰分大于 50%的特点，颗粒密度为2 1002 900 kg/m311。煤矸石存在于不同地质时期的煤田当中，其矿物结晶和化学成分组成与煤层的原始物质和变质程度有关12。煤矸石的主要成 分 为 Al2O3、SiO2，此 外 还 含 有 数 量 不 等 的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O
15、5、SO3和微量稀有元素（镓、钒、钛、钴）。煤矸石中的晶体矿物有高岭石、石英、伊利石、绿泥石、白云母、长石、黄铁矿等。煤矸石中还包含一定量的非晶相物质，主要是水分、碳质、风化物等13。煤矸石中的矿岩主要包括黏土岩类、砂岩类、砾岩类、碳酸岩类、石灰岩类和铝质岩类等沉积岩14。2.4煤矸石的排放现状煤矸石占我国煤炭生产总量的 15%20%，由于其热值低、利用难度大，常被露天堆放在矿区周围。据统计，2021 年煤矸石产生量约为 7.43108t，同比增长 5.84%。从煤炭的需求量和产量的预测来看，2025 年我国煤矸石的年产生量将达到约 8108t。煤矸石山不仅占用大量土地，还会污染大气、水体和土
16、壤，是煤矿区最主要的污染源15。矸石山自燃产生的 SO2、NOx等有毒有害气体会对矿区大气环境造成严重污染16；在雨水淋溶和渗滤等作用下，煤矸石产生的有毒有害元素将会对土壤图 120112021 年我国煤炭生产及消费统计数据Figure 1Statistics of coal production and consumption inChina from 2011 to 2021范晓平，等.煤矸石综合利用与矿山生态修复的战略思考 9环境卫生工程2023 年 2 月第 31 卷第 1 期和地下水造成严重的环境污染17。我国煤矸石区域分布不均衡，主要集中在经济不发达的中西部地区，煤矸石产业发展相对滞后。特别是山西、内蒙古、陕西、新疆和贵州等产煤大的省份（图 3），其煤矸石产生量占全国总产生量的 78.74%，煤矸石已成为城市发展的“顽疾”。在资源短缺的东部地区，煤矸石产生量较少，但综合利用率高，技术发展快，煤矸石常被用来生产水泥、砖瓦等建筑材料，然而若将煤矸石运至东部地区，运输成本过高，经济价值较低。煤矸石产生量/108t3.02.52.01.51.00.50302520151050比例/
