煤矸石資源綜合利用的途徑分析——以焦作中馬礦為例

呂 鵬，馬守臣

（河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作454010）

1 引言

煤矸石是在煤炭開采、洗選和加工工程中產(chǎn)生的與煤層伴生的各種含碳量低、堅(jiān)硬的黑色巖石，它屬于煤礦排放的固體廢棄物，約占煤炭產(chǎn)量的15%～20%［1］。目前，我國(guó)煤矸石歷年堆存總量已超過(guò)40億t，占全國(guó)工業(yè)固體廢棄物40%。大量廢棄的煤矸石隨意堆存，導(dǎo)致了諸如占?jí)和恋?、破壞景觀生態(tài)、降低土地生產(chǎn)力、自燃矸石山的大氣污染以及矸石淋溶水對(duì)礦區(qū)土壤和水資源的污染等各種生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題，這已經(jīng)成為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的重要內(nèi)容之一［2］。

然而，煤矸石具有雙重性，棄之占?jí)和恋?，并污染環(huán)境；用之則可變廢為寶，成為再生資源，造福于人民。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種煤矸石利用途徑和技術(shù)方法應(yīng)運(yùn)而生，在科研和生產(chǎn)實(shí)踐中都取了一定的進(jìn)展。進(jìn)一步發(fā)展煤矸石資源化綜合利用途徑，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義［3］。

2 研究區(qū)概況

焦作市位于河南省西北部，地處沁河沖積平原，北依太行山，南臨黃河水，是一座在礦產(chǎn)資源開發(fā)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興工業(yè)城市及旅游城市。本文以焦作市規(guī)模較大的中馬村礦作為研究對(duì)象，中馬村礦位于焦作市東郊，于1955年建成投產(chǎn)，有55年的開采歷史，年產(chǎn)量約15萬(wàn)t。礦區(qū)內(nèi)煤矸石直接堆放于地表，矸石山體積約200萬(wàn)m3，占地面積約64 480m2。礦區(qū)現(xiàn)已有典型的錐形矸石山堆積，壓占了大片的耕地良田。山上黑灰色矸石裸露在大氣中，不僅影響景觀，加之矸石風(fēng)化作用嚴(yán)重，很容易造成礦區(qū)大氣污染。此外，矸石山上植被稀疏，南坡上寸草不生，生態(tài)環(huán)境相當(dāng)惡劣。堆存的煤矸石在氧化作用下還會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象，嚴(yán)重污染大氣，有時(shí)候甚至?xí)l(fā)生爆炸，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，對(duì)于中馬礦區(qū)煤矸石山的治理顯得尤為重要［4］。

3 煤矸石綜合利用途徑及方法

煤矸石雖然對(duì)環(huán)境有很多不利影響，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到它也有許多可利用價(jià)值。煤矸石是一種“易被人們丟棄的、多能的資源”。煤矸石可以代替其他資源生產(chǎn)多種建筑材料、化工產(chǎn)品；此外還可以做替代燃料，能被社會(huì)基礎(chǔ)工程、農(nóng)業(yè)等眾多行業(yè)所利用。

煤矸石的資源綜合利用開發(fā)研究，涉及到多個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域。除了受煤矸石資源所存在的地理環(huán)境和綜合效益的制約外，還受煤矸石本身的資源特性及其所決定的開發(fā)利用技術(shù)條件的制約。針對(duì)目前煤矸石資源化的開發(fā)利用研究進(jìn)展，結(jié)合中馬礦區(qū)的實(shí)際情況，主要從以下方面闡述其資源綜合利用途徑。

3.1 煤矸石在農(nóng)業(yè)方面的利用

3.1.1 生產(chǎn)煤矸石營(yíng)養(yǎng)肥料

在對(duì)中馬礦區(qū)煤矸石采樣研究中，發(fā)現(xiàn)煤矸石有機(jī)質(zhì)含有豐富的植物生長(zhǎng)所必須的硼、鋅、銅、鈷、錳等微量元素，比土壤中的含量高2～10倍。選用這些有機(jī)質(zhì)含量較高的煤矸石，粉碎研磨并按一定的比例與磷酸鈣混合，加入一些添加劑和水，經(jīng)充分反應(yīng)活化并堆漚后，采用現(xiàn)代化工造粒技術(shù)，即可制成一種新型的實(shí)用化肥。這種化肥生產(chǎn)加工流程簡(jiǎn)單，原材料價(jià)格低廉且易選易得，投資少，見(jiàn)效快，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

3.1.2 煤矸石改良土壤

煤矸石呈現(xiàn)酸堿性不同及含有豐富的微生物和營(yíng)養(yǎng)成分，根據(jù)此特點(diǎn)改良過(guò)堿或者貧瘠的土壤。調(diào)整土壤的酸堿度和疏松度，提高土壤的肥力，提高土壤含水率，促進(jìn)土壤中各類細(xì)菌新陳代謝、豐富土壤腐殖質(zhì)，使土地得到肥化，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)。對(duì)于礦區(qū)內(nèi)部土壤堿性比較強(qiáng)的地區(qū)，使用煤矸石作為土壤調(diào)節(jié)劑，節(jié)省資源以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。國(guó)內(nèi)許多煤礦已經(jīng)實(shí)施，這也是煤矸石在農(nóng)業(yè)方面綜合利用的有效途徑［5］。

3.2 煤矸石在工業(yè)方面的利用

煤矸石一般具有較高的發(fā)熱值，發(fā)熱量可達(dá)到4500～12550kJ／kg。利用煤矸石燃燒時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，可為居民提供低熱熱源，以其為低熱值燃料進(jìn)行供熱發(fā)電。我國(guó)利用煤矸石發(fā)電已經(jīng)形成一定的規(guī)模，全國(guó)煤礦已建成煤矸石發(fā)電廠128座，每年發(fā)電實(shí)際消耗煤矸石1200～1800萬(wàn)t。煤矸石發(fā)電不僅可緩解礦區(qū)能源緊張的局面，產(chǎn)生的爐渣還可以制備各種建材，從而達(dá)到調(diào)整礦區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、節(jié)約能源、減少二次污染的目的。利用煤矸石發(fā)電也是綜合利用煤矸石的一條重要途徑，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益十分顯著。

3.3 利用煤矸石生產(chǎn)建筑材料

從表1中可以清晰的看到，目前焦作市煤矸石利用率還是相當(dāng)可觀的，也說(shuō)明了國(guó)家和企業(yè)單位越來(lái)越重視資源的循環(huán)利用。

表1 焦作市現(xiàn)有煤矸石利用企業(yè)統(tǒng)計(jì)（以2006年計(jì)）［6］

3.3.1 煤矸石生產(chǎn)水泥

生產(chǎn)水泥主要原材料是鋁和硅，從表2中可以看到中馬礦區(qū)煤矸石中含有豐富的二氧化硅、氧化鋁、三氧化二鐵等生產(chǎn)水泥的原材料。利用煤矸石生產(chǎn)水泥，廢物利用量大，生產(chǎn)成本低，應(yīng)用前景非常可觀。2006年，南京工業(yè)大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)將煤矸石、粉煤灰和鼓風(fēng)爐的爐渣按一定比例加入水泥漿中，有效地防止了由于熱量變化麗引起的建筑物裂縫現(xiàn)象。

表2 中馬礦區(qū)煤矸石化學(xué)成分

3.3.2 煤矸石燒制結(jié)磚

在我國(guó)的建筑墻體材料產(chǎn)品中，幾乎全部使用的是粘土燒制的實(shí)心磚。統(tǒng)計(jì)我國(guó)磚瓦企業(yè)近11萬(wàn)個(gè)，年生產(chǎn)磚塊近7000億塊，每年毀壞良田數(shù)十萬(wàn)畝，耗費(fèi)煤炭資源達(dá)7000多萬(wàn)t，已經(jīng)成為破壞耕田和生態(tài)環(huán)境，消耗能源的大戶。煤矸石的成分和粘土相似，具有一定的可塑性、結(jié)合性和燒結(jié)性，經(jīng)凈化、均化和陳化等工藝加工處理后，可以代替原有對(duì)耕地破壞挖掘出的粘土作為生產(chǎn)新型磚塊原材料，煤矸石磚更具有免燒、免蒸、加壓成型、自然養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。在礦區(qū)附近建立煤矸石磚廠，利用煤矸石代替粘土燒制磚塊，不僅節(jié)約資源，減少因挖掘粘土造成的土地挖損和生態(tài)破壞，還為煤矸石的治理獻(xiàn)出良策，一舉多得。新型煤矸石磚的研制和生產(chǎn)，滿足了礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的要求，還為解決礦區(qū)待業(yè)人員提供了更多的就業(yè)機(jī)會(huì)，分流了礦區(qū)剩余勞動(dòng)力，得到了很好的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

3.4 煤矸石在其他方面的利用

煤矸石可做公路地基。使用強(qiáng)度高、風(fēng)化輕、熱值低和具有活性的煤矸石作為路基鋪設(shè)的添筑材料，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。煤矸石和熟石灰混合后成為灰矸材料，這種材料具有高強(qiáng)度，在水中不易變質(zhì)，遇到水浸不泥濘的特點(diǎn)，在季節(jié)變化時(shí)，既有較好的抗水性和抗凍性，完全符合現(xiàn)在道路鋪設(shè)規(guī)范。在政府基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，道路的鋪設(shè)將會(huì)有大的資源耗竭，使用煤矸石作為路基材料具有很廣泛的推廣價(jià)值。

煤矸石充填采空區(qū)和塌陷區(qū)。大量的采礦活動(dòng)造成了中馬礦區(qū)大面積出現(xiàn)采空區(qū)和塌陷區(qū)，這些地區(qū)不僅環(huán)境景觀不美觀，還存在安全隱患，使得中馬礦區(qū)附近居民不得不搬離采礦區(qū)。采用煤矸石作為井下采空區(qū)和地表沉陷區(qū)的填充材料，既可以使煤矸石破壞的土地得到恢復(fù)，又可以減少矸石壓占土地和對(duì)環(huán)境的污染，也是煤矸石大宗利用的有效途徑之一［7］。

3.5 煤矸石山資源轉(zhuǎn)型

煤矸石廢棄地通過(guò)改造可以將其資源轉(zhuǎn)型，變成一種生態(tài)景觀類型。對(duì)矸石山的生態(tài)重建技術(shù)主要以生態(tài)景觀再生為理論導(dǎo)向，將生態(tài)恢復(fù)和景觀重建的理論技術(shù)相結(jié)合，在廢棄的矸石山上綜合開發(fā)利用煤矸石，從而探索出針對(duì)煤矸石山的景觀重建模式。經(jīng)過(guò)矸石山生態(tài)重建技術(shù)，使煤矸石山進(jìn)行資源轉(zhuǎn)型，使之成為一個(gè)新的生態(tài)環(huán)境場(chǎng)所，從而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境的綜合效益。潞安集團(tuán)常村礦內(nèi)一座煤矸石的生態(tài)重建效果非常好，充分挖掘資源優(yōu)勢(shì)，利用景觀設(shè)計(jì)的3R原則，采用減量、再用、循環(huán)與再生、最終處置的具體方法。中馬礦完全可以參照這種模式，將矸石山廢棄地重建為生態(tài)工業(yè)園區(qū)、生態(tài)休閑區(qū)、生態(tài)林游憩區(qū)、生態(tài)度假區(qū)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)等五個(gè)功能分區(qū)，使景觀與場(chǎng)地完美結(jié)合，景觀促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)，最終獲得良好的綜合效益。

4 結(jié)語(yǔ)

煤矸石既是工業(yè)固體廢棄物，又是一種可供開發(fā)和利用的資源。應(yīng)使其從“堆存”向“利用”轉(zhuǎn)變，使其無(wú)害化、資源化，變廢為寶，化害為利。煤矸石山的資源轉(zhuǎn)型利用，是有效解決煤矸石山侵占土地的良策，也根除煤矸石山污染環(huán)境的最徹底方法。研究煤矸石資源綜合利用的新方法、新思路、新途徑和新技術(shù)，不僅增加工業(yè)發(fā)展中的附加經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還形成不同的產(chǎn)業(yè)鏈，生產(chǎn)出新材料和新產(chǎn)品，是值得我國(guó)大多數(shù)煤礦區(qū)借鑒的地方。在不久的將來(lái)，我國(guó)將加大對(duì)煤矸石資源利用的研發(fā)工作，力爭(zhēng)使我國(guó)礦區(qū)走上可持續(xù)發(fā)展的道路，為建設(shè)綠色礦區(qū)、和諧礦區(qū)做出不懈努力。

［1］張鳳成.煤矸石及其綜合利用［J］.中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2004（10）：14～15.

［2］潘志剛，姚艷斌，黃文輝.煤矸石的污染危害與綜合利用途徑分析［J］.資源·產(chǎn)業(yè)，2005（2）.

［3］潘榮錕，余明高.自燃煤矸石山爆炸的危害及治理技術(shù)［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，26（5）.

［4］程功林，陳永春.煤矸石山的危害及植被生態(tài)重建途徑探討［J］.每天地質(zhì)勘探，2009，37（4）.

［5］崔保紅.焦作市粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀及建議［J］.調(diào)查與研究，2008（4）.

［6］朱寶忠，謝承衛(wèi).煤矸石綜合利用的研究進(jìn)展［J］.貴州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，24（5）.

［7］彭 巖，李 強(qiáng)，郭曉倩，等.我國(guó)煤矸石應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.礦業(yè)快報(bào)，2008（11）：11.