湖南煤矸石資源特征及綜合利用途徑分析

朱文卿 何 濤

（1.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2藍(lán)山縣自然資源局，湖南 永州 425800）

湖南省含煤地層分布廣，資源儲(chǔ)量相對(duì)豐富，煤炭作為基礎(chǔ)能源的主體地位不會(huì)改變。據(jù)調(diào)查，每產(chǎn)100萬(wàn)t煤炭，排放矸石16萬(wàn)t左右，目前采損煤炭已累計(jì)約13億萬(wàn)t，據(jù)此粗略估計(jì)已排放煤矸石約2億t。大小煤矸石山堆積遍及全省，歷史堆積存量大，且還將以更快速度持續(xù)遞增，已經(jīng)成為固、液、氣三害俱全的污染源。煤矸石的資源屬性大多被忽視，煤矸石大量的堆積是一種資源浪費(fèi)，摸清煤矸石資源特性，開(kāi)展煤矸石綜合利用研究已勢(shì)在必行[1-4]。

1 湖南煤矸石分布特征

湖南省根據(jù)構(gòu)造格架控制可劃分為桑石、黔溆、漣邵、韶山、郴耒、資汝六大煤田（圖1），煤矸石分布于其中。除地處江南隆起剝蝕區(qū)的湘東北地區(qū)沒(méi)有堆存外，全省各地都有集中或零星堆存，主要堆積在湘中的漣邵煤田、湘東南的郴耒煤田及資汝煤田。三個(gè)煤田煤炭資源占全省的80%以上，國(guó)有大型煤礦較集中，開(kāi)采歷史悠久，煤炭?jī)?chǔ)量豐富，煤矸石堆存規(guī)模及預(yù)期產(chǎn)量巨大。

圖1 湖南省六大煤田劃分圖

1.1 漣邵煤田煤矸石分布特征

漣邵煤田是湖南主要產(chǎn)煤區(qū)，礦山數(shù)量多，規(guī)模相對(duì)較大，開(kāi)采強(qiáng)度大，儲(chǔ)量居湖南第一，有規(guī)模相對(duì)較大的煤炭開(kāi)采企業(yè)，如冷水江金竹山煤礦、資江煤礦等，又有許多小型煤礦山星羅棋布。該區(qū)煤矸石堆存總量占全省35%以上，國(guó)有煤礦的矸石堆存集中，多臨近城區(qū)，冷水江、漣源城區(qū)有矸石山環(huán)繞，單個(gè)矸石山可達(dá)百萬(wàn)噸，而各小型煤礦煤矸石堆存數(shù)量眾多、規(guī)模較小、分布散亂，以萬(wàn)至十萬(wàn)噸級(jí)別為主。

1.2 郴耒煤田煤矸石分布特征

郴耒煤田煤炭資源儲(chǔ)量及累計(jì)采損量均較大，有多家較大規(guī)模的煤礦，如宜章梅田、永興湘永等煤礦。該煤田煤矸石堆存總量占全省30%以上，煤矸石以國(guó)有煤礦為主體，在各礦區(qū)范圍內(nèi)較集中，離城區(qū)有一定距離，但國(guó)有煤礦與小型煤礦堆存總量相當(dāng)。小型煤礦分布散亂，環(huán)境問(wèn)題突出，如攸縣黃蘭礦區(qū)開(kāi)采歷史悠久，老窯眾多，煤矸石堆體達(dá)數(shù)百處，堆積總量大于當(dāng)?shù)貒?guó)有礦山。

1.3 資汝煤田煤矸石分布特征

資汝煤田煤炭資源儲(chǔ)量及累計(jì)采損量在湖南所占比重不大，但該區(qū)開(kāi)采歷史長(zhǎng)，區(qū)內(nèi)分布國(guó)有鯉魚江煤礦、唐洞煤礦等現(xiàn)代化礦井七對(duì)。煤矸石堆存占全省比重小，但國(guó)有大型煤礦聚集，煤矸石堆存高度集中，單個(gè)礦山堆存量可達(dá)百萬(wàn)噸級(jí)別，臨近城區(qū)，便于利用。

2 煤矸石資源特征

湖南省煤炭資源形成期時(shí)代多，不同含煤地層、不同礦區(qū)、不同層位的煤矸石理化特性差異較大，本次研究從發(fā)熱量、巖石組成、有益元素等方面對(duì)湖南煤矸石資源分類進(jìn)行了初步探討。

2.1 發(fā)熱量分類

煤矸石的發(fā)熱量決定著煤矸石資源化利用的方向。根據(jù)《國(guó)家能源局關(guān)于促進(jìn)煤矸石發(fā)電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，用于發(fā)電煤矸石發(fā)熱量不得低于5.02 MJ/kg，根據(jù)《邵陽(yáng)市關(guān)于加強(qiáng)磚瓦用頁(yè)巖開(kāi)發(fā)利用管理的通知》，磚用煤矸石發(fā)熱量不低于2.52 MJ/kg，將其分為三類：一類＞5.02 MJ/kg，二類2.52～5.02 MJ/kg，三類＜2.52 MJ/kg。一類煤矸石發(fā)熱量相對(duì)較高，一般宜用作煤矸石電廠發(fā)電燃料，二類煤矸石可利用其發(fā)熱量生產(chǎn)內(nèi)燃磚、瓦等建材制品，三類煤矸石可根據(jù)其物質(zhì)組成特征確定其利用方向，如作為生產(chǎn)水泥、化肥、陶瓷原材，或作為建筑石材直接利用。

本次調(diào)查收集了郴耒煤田梅田礦區(qū)、漣邵煤田常樂(lè)礦區(qū)6組煤矸石樣品化驗(yàn)資料（表1），測(cè)試結(jié)果表明，梅田礦區(qū)3組樣品煤矸石發(fā)熱量為4.73～7.88 MJ/kg，平均6.08 MJ/kg；常樂(lè)礦區(qū)3組樣品煤矸石發(fā)熱量為2.37～4.81 MJ/kg，平均3.20 MJ/kg。

表1 煤矸石樣品工業(yè)分析結(jié)果及發(fā)熱量分類表

2.2 巖石組分分類

煤矸石為多種巖石混合物，以礦物組成為基礎(chǔ)，湖南省產(chǎn)于不同地區(qū)、不同時(shí)代層位、不同開(kāi)采方式的煤矸石化學(xué)成分差別很大，一般可分為粘土類矸石、砂巖類矸石兩類。粘土類矸石多產(chǎn)自煤層夾矸、直接頂?shù)装?，主要由碳質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，多呈黑色、深灰色，粉末狀、碎塊狀，碳含量、粘土含量相對(duì)較高，石英含量低。砂巖類矸石一般產(chǎn)自掘進(jìn)巷，主要由粉砂、細(xì)砂巖、中粒砂巖組成，多呈淺灰色，塊狀，較堅(jiān)硬，其碳含量、粘土含量低，石英含量低。

煤矸石中SiO2、Al2O3、CaO等化學(xué)成分含量與巖石組成相關(guān)。粘土類矸石，Al203含量高；砂巖類矸石，SiO2含量高。張術(shù)根等根據(jù)矸石Al2O3、SiO2的含量將煤矸石劃分為高鋁質(zhì)、粘土巖質(zhì)、砂巖質(zhì)三大類（表2），可大致區(qū)別其利用途徑。高鋁質(zhì)矸石主要利用其高嶺石或Al2O3；粘土巖質(zhì)可用于燒制磚瓦、陶瓷，制造硅酸鹽水泥；而砂巖質(zhì)矸石重在利用SiO2和石英，可制作高硅微晶玻璃。

表2 高鋁質(zhì)、粘土巖質(zhì)、砂巖質(zhì)煤矸石分類依據(jù)

2.3 煤矸石中有益元素分類

煤矸石中含種類繁多的稀有稀土元素，當(dāng)煤矸石中某種元素或幾種元素富集到具工業(yè)利用價(jià)值時(shí),可根據(jù)其稀有元素含量進(jìn)行分類，以便利用。本次收集了湖南4個(gè)煤矸石樣品重金屬元素含量分析結(jié)果，各類重金屬元素含量均較低，目前不具有回收利用的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性，見(jiàn)表3。

表3 部分煤礦煤矸石重金屬元素含量 （g/t）

3 煤矸石綜合主要利用途徑

3.1 煤矸石發(fā)電

利用煤矸石發(fā)電，是煤矸石最有效利用途徑。湖南有多個(gè)礦區(qū)煤矸石發(fā)熱量滿足要求，目前湖南省已有多個(gè)煤矸石發(fā)電項(xiàng)目，如資興市三都礦區(qū)有大量煤矸石產(chǎn)出與堆積，固廢污染嚴(yán)重，為此投建煤矸石發(fā)電廠，每年利用煤矸石約60萬(wàn)t，發(fā)電3.6億度，增加就業(yè)崗位近300個(gè)，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益顯著。

3.2 制備內(nèi)燃磚

隨著粘土磚的全面禁用，煤矸石成為制磚的主要材料之一。因煤矸石自身具有一定發(fā)熱量，燒制時(shí)可節(jié)省大量燃料，同時(shí)煤矸石磚抗壓、抗剪強(qiáng)度高于傳統(tǒng)粘土磚，且具有質(zhì)輕、保溫等特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)的綠色建材。湖南邵陽(yáng)縣在煤矸石制磚方面取得了顯著成效，年產(chǎn)約1億塊，利用煤矸石約20萬(wàn)t，節(jié)約原煤0.6萬(wàn)t，減少CO2排放約1.5萬(wàn)t，既大幅節(jié)約制磚成本，又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

3.3 水泥原料

煤矸石中含有較高的Al2O3、SiO2、CaO，同時(shí)具備一定發(fā)熱量，可作為水泥生產(chǎn)的原、燃料，既可利用其物質(zhì)成分代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥原料的物質(zhì)組分，又可利用其自身發(fā)熱量，使得煅燒更為充分。如湖南宜章縣輝亮水泥廠，利用煤矸石取代粘土，年利用煤矸石約3萬(wàn)t，節(jié)約原煤0.5萬(wàn)t。

3.4 在陶瓷工業(yè)中的應(yīng)用

大量的研究和實(shí)踐表明，部分煤矸石礦物成分和化學(xué)組分與粘土相近，其工藝性能在一定的技術(shù)條件下符合陶瓷生產(chǎn)的要求。Al2O3含量高的矸石是燒制陶瓷的優(yōu)質(zhì)原料，如湖南青峰煤礦煤矸石滿足制陶要求。

3.5 生產(chǎn)農(nóng)肥

碳含量高的煤矸石中，富含植物生長(zhǎng)所需的多種微量元素，同時(shí)煤矸石具有微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，具有較好的吸附容量，是攜帶固氮、解磷、解鉀等微生物最理想的基質(zhì)和載體，可制備有機(jī)復(fù)合長(zhǎng)效肥料。肥料顆粒風(fēng)化伴隨著有機(jī)養(yǎng)分的逐漸釋放，在2～3年內(nèi)可保持化肥持續(xù)發(fā)揮作用，玉米、谷物較常規(guī)化肥增產(chǎn)約10%。

3.6 充填塌陷區(qū)、復(fù)墾及建筑石材

對(duì)于沒(méi)有深加工價(jià)值的煤矸石，一般直接用于礦山采空區(qū)、塌陷填充或建筑石材。在寧鄉(xiāng)市煤炭壩礦區(qū)采空區(qū)塌陷治理、湘潭縣譚家山礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中，煤矸石復(fù)墾及填充塌陷取得較好效果。耒陽(yáng)市富興煤礦以砂巖質(zhì)矸石制備不同粒徑石材，已成為礦山新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

4結(jié)論與建議

湖南煤矸石資源豐富，品類繁多，具有多重資源屬性，煤矸石的綜合利用將化害為利，減少環(huán)境污染，有效調(diào)和生態(tài)環(huán)境與礦業(yè)活動(dòng)之間的矛盾。為充分發(fā)揮煤矸石資源屬性，最大限度地實(shí)現(xiàn)廢物資源化，具體建議如下：

（1）對(duì)湖南煤矸石資源特征及堆存現(xiàn)狀展開(kāi)系統(tǒng)調(diào)查，以掌握煤矸石空間分布、堆存數(shù)量、物質(zhì)組成、物理性質(zhì)、化學(xué)成分等特征，基于利用途徑，對(duì)全省主要煤矸石進(jìn)行分類、分級(jí)。

（2）倡導(dǎo)全省煤礦建立煤矸石臺(tái)賬，排矸進(jìn)行分類堆放，統(tǒng)計(jì)各類矸石產(chǎn)出情況，以實(shí)時(shí)掌握矸石產(chǎn)出情況。

（3）支持煤矸石綜合利用項(xiàng)目科研立項(xiàng)，科技先行，以攻克煤矸石高層次利用中的技術(shù)難點(diǎn)，為煤矸石生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品提供技術(shù)保障。

（4）出臺(tái)一系列煤矸石綜合利用的鼓勵(lì)政策，扶持煤矸石綜合利用企業(yè)，進(jìn)而建立煤矸石綜合利用示范基地，以點(diǎn)帶面輻射推廣。