淮南矿区煤矸石综合利用的调研分析

刘衢州，张林林

（国家煤化工产品质量监督检验中心（安徽），安徽淮南 232001）

煤矸石是煤矿开采、洗选过程中所排出的大量固体废弃物，为目前世界上产量最大的工业废弃物之一。煤矸石的堆放占用大量的土地，同时产生煤尘、污染水源、有害气体等一系列问题造成环境污染，堆积如山的矸石山破坏自然景观、存在山体滑坡、火灾等安全隐患，严重影响周边居民的生活生产和生命安全[1]。

淮南市作为国家14个亿吨级重点煤炭能源工业基地之一，矿区煤炭开采历史悠久，长期高强度的煤炭开采囤积了大量的煤矸石，如果没有行之有效的利用方法会成为制约淮南市生态文明建设和绿色发展的主要因素，阻碍经济的可持续发展。

本文通过分析淮南矿区的煤矸石基本情况、性质、利用现状及存在的问题，提出了该地区煤矸石资源化利用的政策性建议，促进淮南市煤炭产业的升级、助力经济高质量转型发展。

1 淮南矿区煤矸石基本情况

淮南矿区煤炭资源储量丰富，总面积3 000 km2，是我国14个亿吨级煤炭基地和6个大型煤电基地之一。淮南矿区煤矸石分为煤炭洗选加工的副产品洗矸和井下巷道掘进成煤过程中产生的岩矸两类。淮南矿区现有生产矿井12对，矸石山17座[2]，矸石存量约3×107t，占地面积约91 hm2，大量煤矸石堆积对环境造成很大的危害，影响周边居民的身体健康。

2 淮南矿区煤矸石性质

2.1 组成成分分析

淮南矿区煤矸石的矿物成分大致相同，主要成分为高岭石和石英，其他还包括伊利石、黄铁矿、方解石等[2]。煤矸石中的岩石类型主要为泥岩、粉砂岩、砂岩、黏土岩等沉积岩。

淮南矿区煤矸石的化学成分主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O 和 Na2O 等。SiO2含量最高，一般为40%～80%；Al2O3含量3%～40%，Fe2O3含量2%～10%，CaO含量0.2%～10.0%，MgO含量0.2%～3.0%。淮南部分矿区煤矸石的化学成分如表1所示[3]。

表1 淮南部分矿区煤矸石的成分组成（单位：%）

2.2 淮南矿区煤矸石综合利用现状

煤矸石综合利用途径较多，根据淮南矿区煤矸石岩石类型、矿物成分、化学成分、发热量等特征进行综合利用，当前主要用于发电、复垦回填和生产新型建材。

2.2.1 煤矸石发电

利用煤矸石具有的热值作为电厂燃料进行发电。目前，淮南拥有潘三电厂、顾桥电厂、新庄孜电厂3家煤矸石综合利用电厂，可充分利用矿区堆积如山的煤矸石。每年可消耗洗矸、煤泥5.19×106t，发电6.1×109kW·h，节约标准煤 6.7×105t[3]。

2.2.2 煤矸石回填复垦

矿区地下煤炭被采出后，地表岩体层的平衡状态受到破坏，达到一定规模后岩层会发生变形，对生态环境造成严重破坏。从20世纪初建矿以来，常年的大规模的开采使淮南地区的采煤塌陷区面积达132.19 km2。煤矸石可用于塌陷区的回填，在上面覆盖一定厚度的土壤后进行夯实便可用于农作物等的种植[4]，主要处理步骤有矸石碾压、坡面处理、表面覆土和植被种植。通过矸石回填复垦治理，已建成“大通煤文化”景区、大通湿地公园，形成了生态旅游基地，不仅减少了煤矸石的污染，也保护了珍贵的土地资源。

2.2.3 煤矸石生产新型建材

煤矸石含有一定的热值，具有可塑性、结合性和烧结性。当煤矸石中SiO2含量为55%～70%、Al2O3含量为15%～25%、Fe2O3含量为2%～8%、CaO含量小于2%、MgO含量小于3%且SO2含量小于1%时，可塑性指数在7～15，放射性符合标准，可全部或部分代替黏土用于生产矸石砖[5]。

近年来，淮南市以发展新型墙体材料为根本，立足煤矸石的综合利用，大力发展煤矸石烧结砖、透水砖及烧结陶粒，煅烧混凝土骨料，制作水泥混合材、混凝土掺合料以及多种工业固废物掺配综合利用，生产高强陶粒，烧制彩瓦、陶瓷制品、防火材料、耐火材料和保温材料，生产土壤调理剂等高精尖综合利用技术。采取政策引导、宣传发动、技术服务、执法检查等措施，着力推动墙改工作的开展，取得了良好的社会效益和环境效益。淮南市现有新型墙体材料生产企业19家，以煤矸石为主要原料生产新型墙体材料的年生产能力已达到22亿块（折合标准砖），年节约标准煤 1.14×105t，使用煤矸石 2.20×106t，节约因矸石堆存占地和取代黏土损毁土地66 hm2，解决就业300人，为淮南市的固废综合利用做出了积极贡献[6-7]。

3 淮南矿区煤矸石综合利用存在的问题

3.1 煤矸石资源化利用总体水平不高

近年来，淮南矿区煤矸石资源化利用有了较大进展，但是煤矸石综合利用率低、利用途径少，产业层次低，没有进行深度研究和开发，产品的附加值和科技含量不高等问题仍比较突出。

目前，煤矸石利用的主要途径仍局限于塌陷区的充填、生产水泥及添加物、燃烧发电、制作煤矸石砖等，品种单一，难以满足市场多层次需求。煤矸石用于制备高附加值的产品技术手段和方向多处于理论研究和实验室阶段，受生产效益、科研资金等的影响，研究进展和生产应用推进较慢。

3.2 未来矿区大量煤矸石难以处置消耗

统计发现，淮南矿区岩矸的平均产率为12.5%；炼焦煤选煤厂洗矸平均产率为29%；动力煤选煤厂洗矸平均产率为16%。根据矿井生产规划，2019—2022年产煤5.62×107t，每年煤矸石产生量约1.60×107t。随着煤矿市场的疲软、洗煤技术的提高，洗选矸石发热量大幅降低，洗矸加工销售量大幅降低，洗矸堆存场地需求越来越大，若仍然没有高效利用手段，未来矿区大量煤矸石难以处置消耗。

4 淮南矿区煤矸石资源化利用规划及建议

本次调研主要对丁集、谢桥、新庄孜、张集、顾桥等煤矿的煤矸石进行样品采集，通过检验分析，提出综合利用的途径，为煤矸石的综合利用和资源化提供可靠的参考。根据淮南矿区煤矸石的物理化学指标，对照主要综合利用的指标要求，从技术可行性的角度分析，扩大资源化利用途径。

4.1 煤矸石用于建筑材料

煤矸石砖在建筑材料中的应用主要有以下4种类型。（1）用于生产墙体材料。通过黏结料与煤矸石生产矸石砖，是煤矸石应用于建筑材料中的最常用的方式。该种矸石砖与传统的黏土砖相比，强度、耐压性、抗折性更好，同时矸石有一定的燃烧热量可减少制砖过程中的能量损耗，利用矸石作为砖的生产原料也可减少土地资源的消耗。（2）作为水泥的混合材料。可减少水泥的用量，减少建筑成本，同时增加了混合材料的物理填充度和对水的吸附性。（3）筑路原料。由于煤矸石有较强的硬度，添加到筑路材料中可以有效提升耐压、耐磨、抗侵蚀性能。

淮南市目前已培育了30家大宗固体废物亿元产值的综合利用企业，其中新型墙体材料生产企业共有19家，煤电工业固体废物综合利用率在95%以上。未来，政府应积极鼓励相关企业进行技术研发，进一步加强固体废物综合利用。

4.2 煤矸石直接用于回填矿井

（1）煤矸石用于复垦绿化。根据煤矸石山种类、风化程度的不同，采用不同治理方案，主要采取分区作业、分层排放、分层碾压、分层覆土、复垦还田的处置工艺，用于耕地、经济林地、水产养殖。目前，淮南的新庄孜煤矿附近人口密集、耕地减少与人口增长矛盾严峻，土地的复垦对于缓解该地区人口和土地的矛盾，显现了目前煤矸石利用的社会效益。通过复垦绿化增加了土地利用率，提高了矿区居民的经济收入和生活水平，为矿区人员提供一个良好的生态环境和舒适的生活空间。

（2）煤矸石直接用于回填采煤区。实现矸石不升矿井，降低生产成本，减少地表沉陷时间，最大化地保护地表建筑物和土地，减少煤矿开采后形成塌陷区的危害。淮南矿业集团采用“矸石充填就地熟土覆盖技术”分别对新庄孜矿、张集矿、潘一矿进行复垦工程，治理总面积达76.8 hm2。该技术首先将地表50～100 cm的熟土掀起，下层填充矸石，碾压至设计标高，最后将熟土重新覆盖于矸石表面。3年后进行“覆土材料环境因素监测”，结果显示复垦地土壤质量符合国家二级土壤环境质量标准。

4.3 煤矸石用于发电

目前，煤矸石用于发电的工艺较为成熟。煤矸石发电以循环流化床锅炉为主要炉型，具有一定可燃物的煤矸石可以代替常用可燃煤应用于发电。淮南市作为我国六个大型煤电基地之一，在煤矸石用于燃烧发电方面应用效果良好。目前，全市大宗煤电工业固体废物综合利用率在85%左右，煤矸石年利用量是2 000万吨以上，综合利用率为100%。2020年淮南市已建设2项粉煤灰储存及深加工一体化项目，5条粉煤灰作为水泥混合材料，掺和料，聚合物活性材料的生产线，用于燃烧发电后续处理，全面消纳淮南地区发电企业粉煤灰废渣。

4.4 制备高附加值产品

从表1可以看出淮南部分矿区煤矸石的化学组成丰富，以煤矸石作为原料可以提取出多种化工原料，经过再加工可制成高附加值的产品。煤矸石高附加值利用方向主要有制备特种陶瓷、无机纤维保温材料、造纸，提取有价元素（Al、Si、Fe、Ca等）制备硫酸铝、氧化铝、白炭黑，提取农作物生长所需的微量元素用于制作肥料等。

4.5 产学研结合，促进煤矸石利用可持续发展

煤矿企业应积极与科研院所、高校等单位合作，对煤矸石开展深入检测分析和试验，论证利用煤矸石用于其他产品和行业的可行性，如用于农作物生产：对矿区废弃的煤矸石进行一定的工艺处理，混合制成新的复合型种植土壤，真正将废弃物变为可用物料；有的煤矸石营养元素可满足农作物生长需要，且有害元素未超标，可初步分析其制作肥料的可行性等。

5 结语

煤矸石是一种开发潜力较大的多能新资源，要强化源头治理、推进高效利用。从生产水泥、井下回填、铺设道路的直接利用，到初级加工后用作建筑材料，再到矸石发电的资源化利用，如今，工艺技术、材料及装备的快速发展给煤矸石的利用带来了新的生机。应该加大煤矸石综合利用的研究力度，使煤矸石真正成为生态文明建设理念的践行标杆。