實(shí)現(xiàn)我國煤矸石“無廢”化目標(biāo)的路徑研究

侯波，馬超，田向勤，聶晶磊，趙康*

1.國能龍?jiān)喘h(huán)保有限公司

2.生態(tài)環(huán)境部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心

煤炭作為我國主要能源和重要化工原料，是能源安全的“壓艙石”，對于我國能源安全穩(wěn)定供給和維護(hù)經(jīng)濟(jì)命脈起到了關(guān)鍵性支撐作用[1-2]，但在煤炭開采和洗選加工過程中產(chǎn)生了大量煤矸石。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤矸石產(chǎn)生量占全國一般工業(yè)固體廢物總產(chǎn)量的比例已超過15%，是我國僅次于尾礦的第二大一般工業(yè)固體廢物，通常堆存在地表形成矸石山，造成了嚴(yán)重的固體廢物環(huán)境污染問題。目前，我國煤矸石山已超過2 600 座，累計(jì)堆存量超過60 億t，且每年以約3 億t 的速度持續(xù)增加[3]。

為有效解決我國固體廢物環(huán)境污染突出問題，踐行習(xí)近平生態(tài)文明思想和建設(shè)美麗中國，2018 年12 月國務(wù)院辦公廳印發(fā)《“無廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作方案》，正式啟動“無廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作，對固體廢物實(shí)施以“減量化、資源化、無害化”為原則的治理模式。經(jīng)過3 年多的探索實(shí)踐，我國“無廢城市”建設(shè)工作取得了積極進(jìn)展、積累了初步經(jīng)驗(yàn)，為我國固體廢物環(huán)境污染治理指明了方向。為有效解決我國煤矸石環(huán)境污染問題，基于“無廢城市”建設(shè)理念和經(jīng)驗(yàn)，本文提出了實(shí)現(xiàn)我國煤矸石“無廢”化的目標(biāo)。煤矸石“無廢”化并不是煤矸石產(chǎn)生量為零，也不是煤矸石完全循環(huán)利用；而是從源頭上盡可能減少煤矸石產(chǎn)生，并進(jìn)行資源化利用，將煤矸石的危害性降到最低或可控的范圍[4]。筆者在分析我國煤炭和煤矸石現(xiàn)狀以及煤矸石“無廢”化必要性、煤矸石“無廢”化政策和技術(shù)現(xiàn)狀、煤矸石“無廢”化存在問題的基礎(chǔ)上，闡述我國煤矸石實(shí)現(xiàn)“無廢”化目標(biāo)的措施及路徑，以期通過煤矸石“無廢”化協(xié)同推進(jìn)我國“無廢城市”建設(shè)工作。

1 我國煤炭和煤矸石現(xiàn)狀

1.1 我國煤炭和煤矸石產(chǎn)生、利用處置總體情況

我國煤炭資源十分豐富，近年來全國煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)水平均保持在高位（圖1）。2017—2021 年，全國煤炭總產(chǎn)量和消費(fèi)量分別由35.2 億、39.1 億t增加到41.3 億、42.3 億t（煤炭消費(fèi)量大于產(chǎn)量是由于我國每年煤炭進(jìn)口量為3 億t 左右[5]）。我國煤矸石產(chǎn)生量約占煤炭總產(chǎn)量的10%～20%，近年來全國煤矸石產(chǎn)生量和利用量保持持續(xù)增長的趨勢（圖2）[6]。2017—2021 年，全國煤矸石產(chǎn)生量和利用量分別由6.34 億、4.27 億t 增至7.43 億、5.43 億t，全國煤矸石綜合利用率由67.3%增至73.1%[6]。隨著“雙碳”目標(biāo)的逐步實(shí)現(xiàn)、能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和轉(zhuǎn)型以及大宗固體廢物利用技術(shù)水平提高等方面的影響，未來我國煤炭和煤矸石產(chǎn)生量可能出現(xiàn)下降趨勢。但是在我國“富煤、貧油、少氣”的能源稟賦特征下，煤炭仍是我國最主要的一次能源，短期內(nèi)我國煤炭和煤矸石產(chǎn)生量將繼續(xù)保持高位運(yùn)行。

圖1 2017—2021 年全國煤炭產(chǎn)生和消費(fèi)情況統(tǒng)計(jì)[5]Fig.1 China's coal production and consumption data from 2017 to 2021

圖2 2017—2021 年全國煤矸石產(chǎn)生和利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[6]Fig.2 China's coal gangue production and utilization data from 2017 to 2021

1.2 我國煤炭和煤矸石產(chǎn)量分布情況

我國煤炭資源分布范圍廣泛，2021 年全國各?。▍^(qū)、市）煤炭產(chǎn)量[7]如圖3 所示。除重慶、北京、天津、上海、浙江、廣東、海南和西藏7 省（區(qū)、市）外，我國其他地區(qū)均有煤炭產(chǎn)出。其中，山西（11.93 億t）、內(nèi)蒙古（10.3 億t）、陜西（7.0 億t）、新疆（3.3 億t），這4 ?。▍^(qū)）的煤炭年產(chǎn)量總計(jì)達(dá)到32.53 億t，占全國煤炭總產(chǎn)量的78.76%，是我國主要的煤炭產(chǎn)地；我國煤炭年產(chǎn)量小于1 000 萬t 的?。▍^(qū)）分別為江蘇（934.3 萬t）、吉林（875.3 萬t）、湖南（723.4 萬t）、福建（540.7 萬t）、廣西（279.7 萬t）、江西（213.4 萬t）、湖北（29.7 萬t），這7 ?。▍^(qū)）煤炭年產(chǎn)量總計(jì)為3 596.5 萬t，占全國煤炭總產(chǎn)量不足1%[7]。近年來，遼寧、黑龍江、河北、山東、安徽、河南、四川和云南等傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)地區(qū)資源逐漸枯竭，煤炭產(chǎn)能已逐步向山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等西部和西北部地區(qū)轉(zhuǎn)移[8]。

圖3 2021 年全國各省（區(qū)、市）煤炭產(chǎn)量[7]Fig.3 China's coal production data of various provinces in 2021

由于煤炭資源分布極不均衡，導(dǎo)致我國煤矸石分布也極不均衡，2021 年全國主要地區(qū)煤矸石產(chǎn)生情況[6]如圖4 所示。山西、陜西、內(nèi)蒙古、新疆等我國主要的煤炭產(chǎn)地同樣也是我國煤矸石主要產(chǎn)地，2021 年，這4 省（區(qū)）煤矸石總計(jì)產(chǎn)生量為5.86 億t，占全國煤矸石總產(chǎn)量的78.87%，我國各?。▍^(qū)、市）的煤矸石產(chǎn)生量占比與煤炭產(chǎn)生量占比基本相當(dāng)[6]。隨著全國能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，我國煤矸石呈現(xiàn)出集中化、規(guī)?；?、高產(chǎn)化等特點(diǎn)。未來一段時(shí)間，我國煤矸石產(chǎn)地將主要集中在西部和西北部等地區(qū)。

圖4 2021 年全國主要地區(qū)煤矸石產(chǎn)生情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[6]Fig.4 China's coal gangue production data of main provinces in 2021

總體而言，我國煤矸石綜合利用率已在逐年提高，但受資源賦存狀態(tài)、開采和加工技術(shù)、資源分布區(qū)域等多方面因素影響，煤矸石綜合利用情況存在明顯的地域性差異。在我國東部等地區(qū)，煤炭資源產(chǎn)量少決定了煤矸石產(chǎn)生量也較少，加之利用處置技術(shù)發(fā)展快和交通運(yùn)輸便利等，綜合利用率較高；而在我國的山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等西部和西北部地區(qū)煤炭主產(chǎn)地，煤矸石產(chǎn)生量巨大，且多處于交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)，綜合利用率相對偏低；若是考慮將煤炭主產(chǎn)地煤矸石運(yùn)輸?shù)綎|部地區(qū)利用，由于距離遠(yuǎn)運(yùn)輸成本高，則很難產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益[8]。因此，在煤矸石“無廢”化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中，應(yīng)大力推廣煤矸石原地化、規(guī)?；约案咧祷锰幹眉夹g(shù)。

1.3 我國主要煤炭企業(yè)產(chǎn)量情況

2021 年，全國煤炭產(chǎn)量排名前10 名的企業(yè)如圖5 所示。這10 家企業(yè)煤炭累計(jì)產(chǎn)量約為21.7 億t，占全國總產(chǎn)量超過50%。其中，國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司以5.7 億t 煤炭產(chǎn)量排名第一，6 家企業(yè)煤炭產(chǎn)量超過1 億t[9]。根據(jù)上文中我國煤矸石產(chǎn)生量占比與煤炭產(chǎn)量占比基本相當(dāng)?shù)恼撌隹沙醪筋A(yù)測，國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司、晉能控股集團(tuán)有限公司、山東能源集團(tuán)有限公司等煤炭產(chǎn)量排名前10 名的企業(yè)煤矸石總計(jì)產(chǎn)生量占我國煤矸石總產(chǎn)生量將超過50%。因此，在煤矸石“無廢”化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注重要煤炭企業(yè)煤矸石的利用處置情況。

圖5 2021 年全國主要企業(yè)煤炭產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)[9]Fig.5 Coal production data of China's main enterprises in 2021

1.4 我國煤矸石主要理化特性

煤矸石是在成煤過程中與煤共同沉積的有機(jī)化合物和無機(jī)化合物混合在一起的巖石，通常呈薄層夾在煤層中或煤層頂、煤層底。煤矸石按主要來源可分為兩大類，一是煤炭露天或井工開采過程中產(chǎn)生的掘進(jìn)矸石，其中井工開采矸石大多留在巷道中；二是煤炭洗選加工過程中產(chǎn)生的洗選矸石，其多排放到地表臨時(shí)排矸場。

根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)對煤矸石進(jìn)行分類，結(jié)果如表1所示。受地質(zhì)成礦條件、開采工藝以及加工利用技術(shù)等因素的影響，煤矸石的理化特性存在一定的差異性。煤矸石中含有一定量碳，其具有低熱值，干基灰分一般大于50%，顆粒密度為2 100～2 900 kg/m3，堆積密度為1 200～1 800 kg/m3[10]。煤矸石最主要化學(xué)成分是Al2O3和SiO2，另外還含有數(shù)量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素（鎵、釩、鈦、鈷）。此外，煤矸石中還含有一定量的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)的含量隨含碳量的增加而增加，有機(jī)質(zhì)的主要成分是碳、氫、氧、氮、硫等元素。煤矸石的礦物組成種類較為復(fù)雜，主要礦物是石英、高嶺石、伊利石、菱鐵礦、黃鐵礦、方解石，還含有鈣長石、白云石和TiO2等[11-12]。

表1 煤矸石分類方法[10-12]Table 1 Classification methods of coal gangue

2 煤矸石“無廢”化的必要性分析

2.1 促進(jìn)煤炭資源清潔高效利用

煤炭作為我國主體能源的地位短期內(nèi)不會發(fā)生根本性改變，同時(shí)在現(xiàn)代煤化工技術(shù)大力發(fā)展下煤炭作為重要工業(yè)原料的屬性也愈發(fā)突出。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，煤炭資源的開發(fā)利用必然產(chǎn)生煤矸石。煤矸石的堆放處置不僅占用和浪費(fèi)大量土地資源，而且造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，如地表水污染、空氣污染、土壤污染和地質(zhì)災(zāi)害。如何處置利用煤矸石已經(jīng)成為解決煤炭行業(yè)環(huán)境污染問題和煤炭清潔高效利用必須面對的難題，煤矸石“無廢”化以實(shí)現(xiàn)煤矸石產(chǎn)生最小化、資源利用最大化、最終處置無害化（或危害在環(huán)境可接受的范圍）和規(guī)范化為目標(biāo)。探索研究煤矸石減量、資源化利用和無害化處置路徑可促進(jìn)煤炭行業(yè)清潔高效發(fā)展，有效緩解由煤矸石造成的固體廢物環(huán)境污染壓力。

2.2 協(xié)同推進(jìn)煤炭行業(yè)減污降碳

“十四五”時(shí)期，我國環(huán)境治理的新目標(biāo)是減污降碳。首先，固體廢物中含有活性物質(zhì)，容易與大氣、水等發(fā)生作用造成二次污染；其次，隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，固體廢物含有的活性物質(zhì)，具有一定的資源化利用價(jià)值，例如煤矸石等煤基固體廢物已經(jīng)成為混凝土、磚、陶粒、裝配式建筑材料等的原材料。因此，加強(qiáng)固體廢物治理，實(shí)現(xiàn)固體廢物資源化利用對減污降碳具有重要作用[13]。煤矸石作為我國主要的一般工業(yè)固體廢物之一，實(shí)現(xiàn)“無廢”化將為全國實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。同時(shí)，煤矸石實(shí)現(xiàn)“無廢”化也是推動實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑，更是培育煤炭行業(yè)推動生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展的有益探索[14]。

3 煤矸石“無廢”化現(xiàn)狀及存在問題

3.1 政策現(xiàn)狀

我國一直高度重視煤矸石等固體廢物利用和處置相關(guān)工作，實(shí)施了一系列關(guān)于加強(qiáng)煤矸石等固體廢物利用的辦法、指導(dǎo)意見和標(biāo)準(zhǔn)（表2），為煤矸石“無廢”化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了支撐和指導(dǎo)。

表2 煤矸石等固體廢物綜合利用辦法、指導(dǎo)意見和標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Measures,guiding opinions and standards for comprehensive utilization of solid waste including coal gangue

3.2 技術(shù)現(xiàn)狀

煤矸石實(shí)現(xiàn)“無廢”化的技術(shù)種類多樣，主要包括煤矸石源頭化減量、資源化利用和無害化規(guī)模消納3 個(gè)方面（圖6）。

圖6 實(shí)現(xiàn)我國煤矸石“無廢”化的技術(shù)Fig.6 Technology of realizing "zero-waste" of coal gangue in China

3.2.1 煤矸石源頭化減量技術(shù)

（1）井下無巖巷布置與矸石井下處理技術(shù)。通過分層開拓、無盤區(qū)劃分、立交巷道平交化布置以及工作面無矸過斷層等集成了井下無巖巷布置技術(shù)，減少煤矸石產(chǎn)生量；針對開采過程產(chǎn)生的煤矸石，通過充填廢巷和貯矸硐室進(jìn)行井下處理，實(shí)現(xiàn)掘矸不升井。如神東煤炭公司結(jié)合神東礦區(qū)煤層賦存與開采技術(shù)特征，應(yīng)用井下無巖巷布置與矸石井下處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了噸煤出矸率由25%降至5%[15]。

（2）井下采選充一體化煤炭開采技術(shù)。為解決煤炭資源開發(fā)造成的地表沉陷、地下水資源破壞以及煤矸石大量堆存環(huán)境污染等問題?？妳f(xié)興等[16]在固體充填采煤技術(shù)、煤炭井下分選方法與系統(tǒng)及裝備等發(fā)展的基礎(chǔ)上，逐步形成了煤炭井下分選與矸石井下固體充填采煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)體系。張吉雄等[17]從深部開采圍巖環(huán)境角度分析了深部充填開采面臨的技術(shù)難題，提出了深部煤炭資源采選充綠色化開采構(gòu)想、理論和關(guān)鍵技術(shù)；根據(jù)充填不同的控制目標(biāo)，進(jìn)一步提出了煤炭井下“采選充+X”綠色化開采新理念、技術(shù)體系和工程設(shè)計(jì)方法[18]。張昊等[19]在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)性的采選充系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)煤炭資源安全、高效、綠色開采。目前，采選充一體化采煤技術(shù)已在開灤集團(tuán)唐山礦業(yè)分公司、平煤集團(tuán)十二礦、山東能源新巨龍煤礦等建設(shè)了示范化工程，井下系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了煤炭高效開采、井下洗選和煤矸石充填一體化[17-19]。

3.2.2 煤矸石資源化利用技術(shù)

（1）煤矸石發(fā)電。由于煤矸石中含有碳等可燃物質(zhì)，其燃燒產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電或供熱。一般認(rèn)為，熱值大于6 270 kJ/kg 的煤矸石可直接作為燃料，熱值為4 180～6 270 kJ/kg 的煤矸石需經(jīng)過再選或與煤泥、中煤等摻配才可作為燃料[20]。從20 世紀(jì)70 年代開始，我國就進(jìn)行了煤矸石沸騰爐燃燒發(fā)電方面的研究和應(yīng)用，由于存在效率低、能耗高、污染嚴(yán)重等問題；20 世紀(jì)90 年代以來，原料適應(yīng)性和大氣污染物控制等方面具備顯著優(yōu)勢的煤矸石循環(huán)流化床燃燒發(fā)電在我國得到了迅速發(fā)展，并逐步成為煤矸石發(fā)電的最佳選擇方案；近10 年來，隨著山西國金2×350 MW 煤矸石超臨界循環(huán)流化床發(fā)電項(xiàng)目、晉煤集團(tuán)2×660 MW 超超臨界低熱值煤矸石發(fā)電項(xiàng)目、神華國能彬長660 MW 低熱值煤超超臨界循環(huán)流化床發(fā)電項(xiàng)目等建設(shè)投產(chǎn)，煤矸石等低熱值煤炭資源進(jìn)入了超超臨界高效發(fā)電的新發(fā)展階段[21]。

（2）有用（價(jià)）組分回收或利用。針對富含高嶺土的高嶺巖型煤矸石，可通過重選、磁選、色選等工藝進(jìn)行除雜提純，并使用超細(xì)粉碎、煅燒、改性等深加工技術(shù)制備非金屬礦物材料和工業(yè)基礎(chǔ)材料。針對全硫量大于6%的高硫煤矸石，常使用重選、浮選或重-浮聯(lián)合工藝回收煤矸石中硫精礦[22]。在研究煤矸石中有價(jià)元素賦存和分布狀態(tài)后，針對煤矸石中鎵、鈧、鋰、鋁、鐵等有價(jià)元素常使用焙燒活化-酸浸選擇性溶解等工藝進(jìn)行回收，浸出率一般可達(dá)到90%以上。但由于煤矸石中有價(jià)元素含量較低，酸浸提取法成本較高，同時(shí)煤矸石浸出液組成復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)浸出液中多種有價(jià)元素高效分離困難[23]。對于高鋁煤矸石，常使用效率高、操作簡單的酸浸工藝提取Al2O3用于制備硫酸鋁、氫氧化鋁、聚合氯化鋁等多種鋁鹽化工產(chǎn)品；為了提高煤矸石中Al2O3浸出率，常先使用機(jī)械活化和熱活化等技術(shù)對煤矸石進(jìn)行活化[24]。煤矸石中SiO2含量豐富，可活化后進(jìn)一步生產(chǎn)加工碳化硅、白炭黑、水玻璃等硅系化工產(chǎn)品[25]。煤矸石中鋁元素和硅元素含量豐富，是制備分子篩的理想鋁源和硅源，可通過水熱合成法、堿熔法、堿熔-水熱合成法等工藝技術(shù)制備4A 型、NaA 型和NaX 型等多種分子篩；煤矸石中的碳、鐵等雜質(zhì)元素影響合成分子篩的工藝和質(zhì)量，研發(fā)煤矸石中雜質(zhì)元素的高效分離技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤矸石制備分子篩等高值化利用的重要一步[26]。

（3）制備建筑材料。煤矸石制磚是其作為建筑材料資源化利用的主要方法之一，煤矸石制備燒結(jié)磚、免燒磚、空心磚等工業(yè)化實(shí)踐應(yīng)用豐富、技術(shù)成熟，大摻量、高質(zhì)量、低能耗以及高值化是未來煤矸石制磚的發(fā)展重點(diǎn)。煤矸石中黏土礦物相對含量較高，SiO2、A12O3、Fe2O3的總含量一般大于80%，可以替代黏土用作水泥原料[27]；煤矸石具有一定熱值，可用于水泥生產(chǎn)過程中的內(nèi)燃，降低水泥生產(chǎn)燃料消耗；機(jī)械化學(xué)活化、高溫煅燒、堿處理等技術(shù)具有改善煤矸石活性和提高煤矸石在水泥中摻配量的效果[28]。為拓展機(jī)制砂原料來源和煤矸石資源化綜合利用途徑，采用破碎、篩分等方法生產(chǎn)煤矸石機(jī)制砂，用于替代混凝土中砂石骨料[29]。煤矸石等煤基固體廢物制備輕質(zhì)陶粒、新型裝配式綠色發(fā)泡陶瓷墻體材料、加氣混凝土等高性能建筑材料是煤矸石資源化和高值化利用重點(diǎn)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向[30]。目前，國家能源集團(tuán)神東煤炭煤矸石綜合利用陶粒燒制模擬生產(chǎn)線已公開招標(biāo)，陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)40 萬m3/a 煤矸石制陶粒項(xiàng)目已開工建設(shè)，中國能建裝配式產(chǎn)業(yè)公司煤矸石制備裝配建材和高附加值建材已開工建設(shè)。煤矸石制備高性能建筑材料已經(jīng)成為其資源化利用最主要發(fā)展方向之一。

（4）農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用。煤矸石中含有較多的有機(jī)質(zhì)和植物生長所需要的微量元素，可以用于制備土壤調(diào)理劑、生態(tài)基質(zhì)和肥料等。在土壤中添加適量的煤矸石具有改善土壤容重、孔隙結(jié)構(gòu)和為微生物提供良好生存環(huán)境的效果，達(dá)到改良土壤性質(zhì)的作用。由于煤矸石具備肥料的潛質(zhì)，可以煤矸石為主要原料，摻配不同成分有機(jī)原料，通過混合堆制等工藝制備生態(tài)基質(zhì)[31]。煤矸石制備肥料主要包括3 種技術(shù)：一是化學(xué)法或微生物法制肥實(shí)現(xiàn)煤矸石分解轉(zhuǎn)化，提高煤矸石中可作為肥料的有效成分，但是僅以煤矸石為原料制備的肥料有效成分單一且不足；二是煤矸石與化肥、無機(jī)礦物、糞便、污泥等進(jìn)行復(fù)合制備復(fù)合肥，實(shí)現(xiàn)各類制肥原料的互補(bǔ)，提高肥料效果；三是利用煤矸石中特有元素制備肥料，如煤矸石硅肥、硒肥等[32]。但考慮到煤矸石中重金屬元素等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，煤矸石在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用還需要進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究和謹(jǐn)慎論證。

3.2.3 煤矸石無害化規(guī)模消納技術(shù)

（1）礦井充填。為有效解決煤炭資源開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)、礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展之間的問題，近年來形成了以煤矸石等煤基固廢為主要充填原料的固體充填、膏體充填、長壁逐巷膠結(jié)充填和覆巖隔離注漿充填等為核心技術(shù)的現(xiàn)代綠色化煤基固廢充填開采技術(shù)體系[33]。煤矸石充填采煤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤矸石規(guī)?；{的有效方法之一，不僅能解決煤矸石堆存引起的環(huán)境污染問題，而且有效減少地表下沉和變形，具有保護(hù)生態(tài)環(huán)境和水體的作用。目前，陜西、內(nèi)蒙古等地區(qū)和國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司、陜西煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司等煤炭企業(yè)已在多座礦山開展煤矸石井下充填項(xiàng)目建設(shè)，煤矸石井下充填對提高全國煤矸石綜合利用率具有重要作用。

（2）采坑以及塌陷區(qū)回填復(fù)墾。以煤矸石為主要回填原料，常采用煤矸石壓實(shí)回填—表層覆土等工藝對采坑以及塌陷區(qū)進(jìn)行回填復(fù)墾。晉城礦務(wù)局王臺鋪礦使用煤矸石等煤基固體廢物采用“剝離表土層—貯存表土層—回填煤矸石—推平—壓實(shí)—覆土—回填表土層—復(fù)墾”工藝對采煤塌陷區(qū)進(jìn)行了回填復(fù)墾，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著[34]。陳利生等[35]以孟莊煤礦為例，在分析煤矸石性質(zhì)的基礎(chǔ)上，從場地規(guī)劃、復(fù)墾工藝以及基地承載力測試等方面提出煤矸石回填建筑用地復(fù)墾體系。采坑以及塌陷區(qū)回填復(fù)墾是煤矸石等煤基固體廢物無害化規(guī)模處置與綜合利用最簡單直接與投資最少的方式，但須高度重視存在的重金屬污染隱患等環(huán)境問題。

（4）路基材料。路基材料也是一種規(guī)?；{煤矸石的方法。采用分層回填、多次振壓、分區(qū)分塊施工方法，經(jīng)振動壓實(shí)后的煤矸石路基承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然土地基[36]。此外，煤矸石也可與粉煤灰等煤基固體廢物混合，改善優(yōu)化路基性能。但煤矸石作為路基材料，路基延伸長，跨區(qū)域廣，造成重金屬污染等環(huán)境問題的風(fēng)險(xiǎn)較高。

3.3 存在問題

近年來，我國在煤矸石利用和處置方面取得了顯著成效，但仍然存在以下問題亟待有效解決。

3.3.1 煤矸石產(chǎn)生地區(qū)分布不平衡

山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等煤炭產(chǎn)能集中區(qū)域，煤矸石產(chǎn)生量特別大，但市場消納容量卻非常有限，導(dǎo)致我國煤矸石集中區(qū)域綜合利用率相對較低，產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯后。對于東部沿海和南方等地區(qū)，一方面煤矸石產(chǎn)生量低，另一方面煤矸石是用作生產(chǎn)水泥等建筑材料的主要原料，綜合利用率相對較高。綜合考慮運(yùn)輸距離、經(jīng)濟(jì)效益等問題，煤矸石及其再利用產(chǎn)品難以遠(yuǎn)距離跨區(qū)域運(yùn)輸。

3.3.2 煤矸石綜合利用總體技術(shù)水平較低

目前，我國煤矸石主要以露天堆存、塌陷區(qū)回填、筑路和土地復(fù)墾等技術(shù)水平相對較低的方法進(jìn)行利用處置，煤矸石發(fā)電、煤矸石有價(jià)元素回收提取、煤矸石制備高性能建筑材料等高技術(shù)含量綜合利用水平偏低，煤矸石多組分梯級綜合利用還在探索階段。2020 年，全國煤矸石不同處置利用方法占比[21]如圖7 所示。此外，關(guān)于煤矸石綜合利用全過程中環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)還未進(jìn)行系統(tǒng)深入研究。

圖7 2020 年煤矸石綜合利用技術(shù)分布占比[21]Fig.7 Proportion of comprehensive utilization technology of coal gangue in 2020

3.3.3 煤矸石源頭化減量和無害化規(guī)模消納技術(shù)有待完善

目前，井下采選充一體化技術(shù)處于試驗(yàn)研發(fā)階段，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化推廣應(yīng)用還需進(jìn)行大量研究。井下充填雖然能在一定程度上實(shí)現(xiàn)煤矸石無害化規(guī)模消納，但存在影響煤炭開采效率和充填成本較高等問題。

3.3.4 煤矸石利用技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)缺失

煤矸石利用的方向和技術(shù)多樣、資源化利用產(chǎn)品種類豐富，無論是制備建材，還是生產(chǎn)有機(jī)肥、生態(tài)土等都需要明確利用過程中的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)，以及產(chǎn)品性能和使用過程中的污染控制技術(shù)要求，但目前缺少專門針對煤矸石的利用技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，影響了相關(guān)生產(chǎn)項(xiàng)目的審批和落地實(shí)施。

4 煤矸石“無廢”化路徑

4.1 建設(shè)綠色生態(tài)煤礦

以補(bǔ)還歷史欠賬，加強(qiáng)環(huán)境污染防治，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)導(dǎo)向，實(shí)施煤矸石違規(guī)堆放治理、采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)、露天排土場復(fù)墾等重點(diǎn)工程。因地制宜應(yīng)用充填開采、無煤柱開采等先進(jìn)煤炭開采技術(shù)，從源頭減少污染物排放。開發(fā)煤系礦產(chǎn)資源（煤層氣、煤系高嶺土、煤矸石、鎵、鋰等）綜合利用技術(shù)，促進(jìn)建立“塌陷區(qū)（排土場）治理+風(fēng)光發(fā)電+井下（采坑）空間利用+生態(tài)農(nóng)業(yè)”四位一體化煤礦開發(fā)利用模式[37]，多方面推進(jìn)綠色生態(tài)煤礦建設(shè)工作。

4.2 提高重點(diǎn)地區(qū)（企業(yè)）煤矸石綜合利用率

針對山西、陜西、內(nèi)蒙古、新疆等煤矸石主要聚集重點(diǎn)地區(qū)，在充分研究本地區(qū)煤矸石產(chǎn)生、利用現(xiàn)狀和物化特性的基礎(chǔ)上，建設(shè)區(qū)域性煤矸石資源化綜合利用示范基地，制定重點(diǎn)地區(qū)煤矸石綜合利用規(guī)劃，探索落實(shí)企業(yè)生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度，形成煤矸石綜合利用區(qū)域產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)綜合利用水平的提高。以“無廢城市”建設(shè)為基礎(chǔ)，推動國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司、晉能控股集團(tuán)有限公司、山東能源集團(tuán)有限公司等大型國有煤炭企業(yè)開展“無廢集團(tuán)”建設(shè)工作，制定煤炭企業(yè)煤矸石“無廢”化發(fā)展規(guī)劃，鼓勵(lì)大型國有煤炭企業(yè)參與大型煤基固體廢物資源化綜合利用示范基地建設(shè)；借助大型煤炭企業(yè)運(yùn)輸優(yōu)勢，探索煤矸石及其資源化利用產(chǎn)品跨區(qū)域運(yùn)輸利用路徑。

4.3 開展煤矸石資源化綜合利用技術(shù)研發(fā)攻關(guān)

4.3.1 煤矸石基礎(chǔ)理化性質(zhì)研究

針對不同地區(qū)成礦特點(diǎn)、開采以及洗選加工技術(shù)的不同，對煤矸石化學(xué)組成、礦物組成、粒度組成等基礎(chǔ)理化性質(zhì)以及應(yīng)用途徑進(jìn)行系統(tǒng)化的研究，建設(shè)煤矸石性質(zhì)與利用途徑信息化平臺，為煤矸石資源化利用提供支撐。

4.3.2 煤矸石利用環(huán)境影響研究

針對煤矸石中含有一定量的重金屬等有害元素以及資源化綜合利用過程中化學(xué)藥劑等的使用，深入開展煤矸石、煤矸石資源化利用過程以及煤矸石產(chǎn)品環(huán)境屬性分析研究，確保煤矸石資源化利用以及產(chǎn)品使用全過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)可控。

4.3.3 源頭減量和綜合利用產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)研究

井下采選充一體化技術(shù)、礦井充填以及塌陷區(qū)（采坑）回填生態(tài)修復(fù)是實(shí)現(xiàn)煤矸石無害化規(guī)模消納的核心技術(shù)，也是國家推廣技術(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用示范，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化推廣應(yīng)用，從源頭實(shí)現(xiàn)煤矸石減量化和無害化規(guī)模消納綜合利用。

煤矸石發(fā)電、有用（價(jià)）組分回收、建筑材料、農(nóng)業(yè)應(yīng)用等資源化高值化利用研究，應(yīng)重點(diǎn)構(gòu)建“發(fā)電—有用（價(jià)）組分回收或利用—制備建材或農(nóng)業(yè)應(yīng)用或礦井充填”的資源化利用產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)煤矸石中多組分梯級分質(zhì)高值化利用。

4.4 制定煤矸石綜合利用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

基于煤矸石原料特性、利用工藝技術(shù)、產(chǎn)品基礎(chǔ)性質(zhì)和應(yīng)用性能等研究，逐步建立健全煤矸石利用標(biāo)準(zhǔn)體系，拓展綜合利用產(chǎn)品應(yīng)用場景。鼓勵(lì)政府和煤炭企業(yè)在采購中優(yōu)先選擇符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的煤矸石綜合利用產(chǎn)品。

5 結(jié)論

（1）我國煤矸石具有產(chǎn)生量極大、地域分布集中、不同地區(qū)理化性質(zhì)存在差異等特點(diǎn)。雖然我國實(shí)施了一系列支持煤矸石“無廢”化的標(biāo)準(zhǔn)和政策，促使我國在煤矸石利用處置技術(shù)方面取得了顯著成效，但仍然存在煤矸石綜合利用總體技術(shù)水平較低、源頭減量和無害化規(guī)模消納技術(shù)不完善、資源化綜合利用技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)缺失等問題，是限制煤矸石“無廢”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的主要障礙。

（2）煤矸石“無廢”化將有效促進(jìn)煤矸石的減量化、資源化和無害化，可有效解決煤矸石造成的固體廢物環(huán)境污染問題；煤矸石作為原料或材料實(shí)現(xiàn)變廢為寶，有利于減污降碳協(xié)同增效目標(biāo)實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，煤矸石“無廢”化可有效協(xié)同推進(jìn)“無廢城市”建設(shè)工作。通過建設(shè)綠色生態(tài)煤礦、提高煤矸石利用水平、開展煤矸石利用基礎(chǔ)和工業(yè)化應(yīng)用研究、制定煤矸石產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和綠色采購制度等方面可有效實(shí)現(xiàn)煤矸石“無廢”化目標(biāo)。

（3）實(shí)現(xiàn)煤矸石“無廢”化目標(biāo)過程中，加強(qiáng)研究應(yīng)用煤炭井下采選充一體化技術(shù)、煤矸石礦井充填等技術(shù)從源頭減少煤矸石的產(chǎn)生，基于煤矸石理化性質(zhì)開展煤矸石發(fā)電、有用（價(jià)）組分回收、建筑材料、農(nóng)業(yè)應(yīng)用等能促進(jìn)煤矸石多組分梯級分質(zhì)資源化利用，將煤矸石用于塌陷區(qū)（采坑）回填生態(tài)修復(fù)可實(shí)現(xiàn)煤矸石的無害化規(guī)模消納利用。但在開展各方面工作的過程中，應(yīng)高度重視環(huán)境、安全等方面的風(fēng)險(xiǎn)評估和論證。