陜北侏羅紀(jì)煤田煤矸石的特性與研究進(jìn)展*

劉小銘,艾 鋒,李 強(qiáng),劉 浪,張瀟逸,雷青青

(1.榆林學(xué)院 陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 榆林 719000;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;3.榆林市固體廢物管理中心,陜西 榆林 719000)

0 引言

礦產(chǎn)資源開采為國(guó)家?guī)?lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)對(duì)土地、生態(tài)和人居環(huán)境也產(chǎn)生了極大的破壞。據(jù)測(cè)算,露天、地下開采每采萬(wàn)噸煤炭破壞土地面積分別為0.49 hm2和0.27 hm2,排放煤矸石可達(dá)2.0～6.1萬(wàn)m3[1]。以陜西榆林為例,2021年排放煤矸石3 396萬(wàn)t,如圖1所示,煤矸石廢物兼具“資源”和“環(huán)境”雙重屬性以及污染“源”和“匯”雙重屬性,其無(wú)害化和資源化對(duì)保護(hù)黃河流域生態(tài)環(huán)境和保障高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展意義重大。

圖1 2011—2021年全國(guó)和榆林煤矸石排放量Fig.1 Coal gangue discharge of China and Yulin in 2011—2021

從國(guó)家政策來(lái)講,《煤矸石綜合利用管理辦法》要求堅(jiān)持“因地制宜,積極利用”的指導(dǎo)思想,加強(qiáng)煤矸石綜合利用技術(shù)的開發(fā)和推廣應(yīng)用,重點(diǎn)發(fā)展煤矸石復(fù)墾塌陷區(qū)等大宗用量和高科技含量、高附加值的實(shí)用技術(shù)。從國(guó)內(nèi)外煤矸石的研究來(lái)看,側(cè)重建材、膠凝材料、土壤改良等方面[2]。從固廢的處置和實(shí)踐來(lái)看,適宜走一條處置無(wú)害化與消納本地化相結(jié)合的發(fā)展路徑。為此,依托礦山地上地下充填無(wú)疑是大規(guī)模處理一般工業(yè)固體廢棄物的最佳模式,該模式具有修復(fù)生態(tài)環(huán)境與節(jié)省土地資源等優(yōu)點(diǎn),為固廢的處理提供了新的途徑。陜北煤炭開發(fā)以陜北侏羅紀(jì)煤田為主,其煤類主要為不粘煤及長(zhǎng)焰煤,且煤質(zhì)有特低灰、特低硫、特低磷、富油、化學(xué)活性好及熱穩(wěn)定性高的特性,優(yōu)異的煤種導(dǎo)致煤矸石大量排放[3]。根據(jù)調(diào)研,榆林地區(qū)對(duì)煤矸石的利用方式主要以填埋和臨時(shí)堆放為主,一方面煤矸石并沒有經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理,長(zhǎng)此淋溶會(huì)導(dǎo)致重金屬離子沉積污染地下水,另一方面還會(huì)浪費(fèi)寶貴的土壤資源。有研究表明,煤矸石肥料本身的吸附性、粘結(jié)性和離子交換性等性質(zhì),有利于土壤結(jié)構(gòu),增加農(nóng)田土壤微生物的生物量,促進(jìn)土壤-植物系統(tǒng)可持續(xù)。目前關(guān)于煤矸石改性用于土壤生態(tài)修復(fù)研究側(cè)重于利用煤矸石制備土壤化基質(zhì)等方面進(jìn)行技術(shù)突破,取得豐碩的成果。

鑒于此,采用查閱資料、實(shí)踐調(diào)研和數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的研究方法,在厘清煤矸石的來(lái)源及危害及其基本特性的基礎(chǔ)上,結(jié)合陜北實(shí)際,系統(tǒng)剖析煤矸石用于生態(tài)修復(fù)與綜合利用的研究與應(yīng)用。

1 煤矸石的來(lái)源及危害

煤矸石是煤炭開采和洗選過(guò)程中產(chǎn)生的一般工業(yè)固體廢棄物,是煤炭形成期與煤炭相關(guān)的低碳巖石,一般分為煤巷矸、自燃矸、巖巷矸、手選矸、洗矸和剝離矸6類。煤矸石呈塊狀和層狀結(jié)構(gòu),部分煤矸石呈土狀結(jié)構(gòu),陜北侏羅紀(jì)煤田煤層埋藏較淺、煤炭特性為低灰、低硫、中高發(fā)熱量,有著很好的化學(xué)特性和熱穩(wěn)定性。目前煤矸石多堆積于礦井口附近,占用大量礦區(qū)工作用地和居住用地,勢(shì)必會(huì)影響周邊生態(tài)系統(tǒng),甚至造成一定的社會(huì)問(wèn)題[4-5]。例如,柳凱等[6]研究發(fā)現(xiàn)煤矸石在長(zhǎng)期堆放的過(guò)程中經(jīng)過(guò)風(fēng)化雨淋作用會(huì)析出汞、鎵等有害元素極易對(duì)土壤造成危害,當(dāng)下雨時(shí),煤矸石的化學(xué)成分會(huì)隨著雨水進(jìn)入土壤和地下水,會(huì)影響地下水資源和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)。尚譽(yù)等[7]認(rèn)為矸石山堆積區(qū)以及周邊土壤的Cd、Pb和Zn元素含量更高,隨著煤矸石自然風(fēng)化后,大風(fēng)天氣會(huì)將煤矸石的SO3、CO等有害氣體排至大氣中,降低空氣清潔度,污染生態(tài)環(huán)境,對(duì)人體造成極大危害。

2 煤矸石的特性分析

2.1 煤矸石礦物組成

煤矸石常見的礦物成分以硅酸鹽類、粘土礦物和石英為主,還伴有硫化物、鋁土礦物以及一些少量的金屬礦物[8-10]。由表1可以看出,陜北侏羅紀(jì)煤田煤矸石中普遍存在高嶺石、石英2種晶相礦物,其他存在的晶相礦物包括伊利石、綠泥石、白云母、長(zhǎng)石、黃鐵礦、菱鐵礦、赤鐵礦、方解石等,石英、正長(zhǎng)石、普通角閃石、普通輝石屬于硅酸鹽類,高嶺石、蒙脫石、水白云母屬于黏土礦物,方解石、白云石菱鐵礦屬于碳酸鹽類,黃鐵礦、白鐵礦屬于硫化物,水硬鋁礦、水軟鋁礦、三水鋁礦屬于鋁土礦[11]。

表1 陜北侏羅紀(jì)煤田某煤礦煤矸石礦物組成

2.2 煤矸石物理特性

煤矸石的物理性質(zhì):煤矸石與煤系地層共生,是一種低碳堅(jiān)硬的灰黑色巖石。陜北侏羅紀(jì)煤田煤矸石的密度為1.5～1.8 g/cm3,密度的大小是影響土壤入滲率的重要指標(biāo)[12]。含水率為5.87%～6.82%,矸石含水率的變化會(huì)影響土壤的結(jié)構(gòu)[13]。發(fā)熱量為3.62～4.54 MJ/kg,矸石的熱值高低影響煤矸石能否被有效轉(zhuǎn)換為能源,矸石的熱值越高,其能源利用效率也就越高[14]。燒結(jié)溫度為1 050～1 070 ℃,堆積密度為1.01～1.03 g/cm,煤矸石的燒結(jié)溫度與堆積密度的高低是制備建筑材料的重要影響因素[15-16]。陜北侏羅紀(jì)煤田某煤礦煤矸石主要物理性質(zhì),見表2。

表2 陜北侏羅紀(jì)煤田某煤礦煤矸石主要物理性質(zhì)

2.3 煤矸石化學(xué)特性

煤矸石的化學(xué)成分隨巖石和礦物組成變化而存在差異,是評(píng)價(jià)煤矸石性質(zhì)、決定矸石利用途徑的重要依據(jù)。選取陜西省榆林市6個(gè)煤礦進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)煤矸石的化學(xué)成分主要是SiO2和Al2O3,其次包括Fe2O3、CaO、MgO等氧化物和微量元素,見表3。其中SiO2的含量介于40%～65%,Al2O3介于20%～45%,Fe2O3、CaO和MgO的含量介于0.5%～3%、0.2%～0.5%和0.3%～1%。

表3 陜北侏羅紀(jì)煤田煤矸石的主要化學(xué)成分含量

2.4 煤矸石環(huán)境特性

陜北侏羅紀(jì)煤田煤層埋藏較淺、開發(fā)難度較低,煤炭特性為低灰、低硫、中高發(fā)熱量,有著很好的化學(xué)特性,且熱穩(wěn)定性較高[17]。采用抽樣方法,選取榆林市10個(gè)典型煤礦,榆林市煤矸石的重金屬是否會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn),煤矸石環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)選擇為潛在生態(tài)危害指數(shù)法,結(jié)合煤矸石評(píng)價(jià)元素的背景值(表4)、毒性系數(shù)及有害元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子,可以看出Cd元素,Cu、Cr、As、Pb、Zn元素都處于合理的安全值;從潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子得出,各元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子RI均處于安全值內(nèi),說(shuō)明這些元素并沒有嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

表4 煤矸石評(píng)價(jià)元素的背景值、毒性系數(shù)及有害元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子

3 煤矸石資源化利用現(xiàn)狀

國(guó)家發(fā)改委等部門印發(fā)的《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》明確指出,到2025年,煤矸石綜合利用率需達(dá)到60%以上。目前關(guān)于煤矸石的利用聚焦在能源發(fā)電、生態(tài)修復(fù)和建材利用領(lǐng)域。

3.1 煤矸石摻燒協(xié)同工業(yè)發(fā)電

榆林煤矸石的灰分達(dá)40%～70%,發(fā)熱量為3.55～6.13 MJ/kg。可以充分利用煤矸石內(nèi)的熱值進(jìn)行發(fā)電,提高能源的轉(zhuǎn)化利用率[18],是榆林煤矸石利用的主要途徑。煤矸石發(fā)電不僅會(huì)有力地緩解區(qū)域性用電緊張問(wèn)題,而且發(fā)電產(chǎn)生的灰渣,還可以進(jìn)行二次利用,用于制備建材,農(nóng)業(yè)肥料等。中國(guó)矸石發(fā)電技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,在鍋爐燃燒、環(huán)保技術(shù)等技術(shù)方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,發(fā)電技術(shù)也已趨于成熟,循環(huán)流化床鍋爐處理能力已達(dá)240 t/h,熱效率提高5%～15%[19],連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超2 000 h,脫硫率85%～90%。每燃燒1 000萬(wàn)t煤矸石,減少排放SO224～38萬(wàn)t、少占地20 ha。榆林煤矸石的利用主要以發(fā)電為主,目前榆林地區(qū)的矸石發(fā)電廠接近20座,總裝機(jī)容量達(dá)到4 000 kW[20]。

3.2 煤矸石回填協(xié)同地質(zhì)環(huán)境治理

榆林市域共有各類煤礦251處,原煤產(chǎn)量達(dá)到5.71億t,占全國(guó)產(chǎn)量的12.4%,已形成大量采空區(qū),造成嚴(yán)重的水土流失與土壤沙化,使原本脆弱的生態(tài)系統(tǒng)變得更加敏感。煤矸石采空區(qū)充填成為大規(guī)模處理一般工業(yè)固體廢棄物的最佳模式。例如,神東礦區(qū)近年來(lái)開展和創(chuàng)新無(wú)巖巷布置技術(shù),由原來(lái)1 t煤出矸率的20%下降到5%,實(shí)現(xiàn)從開采源頭減少煤矸石的產(chǎn)出。同時(shí)在井下利用廢棄礦道作為矸石的充填空間,并在永久煤柱內(nèi)開展貯矸硐室充填技術(shù),做到以矸換煤,且矸石不出井就可被處理,創(chuàng)新井下矸石處理技術(shù)[21-22]。用煤矸石充填采煤沉陷積水區(qū),復(fù)墾耕地是采煤沉陷區(qū)土地復(fù)墾的主要技術(shù)之一,它既可以解決沉陷區(qū)填充物不足的難題,又恢復(fù)了土地,同時(shí)也處置了礦山固體廢棄物,減少固體廢棄物對(duì)土地的壓占破壞,一舉多得,經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境效益頗高。近年來(lái),神東礦區(qū)針對(duì)當(dāng)?shù)靥赜械耐寥赖刭|(zhì)條件在沉陷區(qū)采用直接復(fù)墾或者薄覆蓋復(fù)墾2種方式:直接復(fù)墾需要選擇比較健壯的樹種,同時(shí)要帶土移植,且這類樹苗要具備一定的養(yǎng)分,可以在培養(yǎng)基里面快速生長(zhǎng),這樣才能更好地適應(yīng)煤矸石充填復(fù)墾后的土地;薄覆蓋復(fù)墾是把表土覆蓋在煤矸石上,這種方法可以很好解決直接播種草籽保苗難的問(wèn)題,但要注重后續(xù)栽培等問(wèn)題[23]。神東礦區(qū)利用矸石回填交叉,灌漿防漏,有效地復(fù)墾沉陷區(qū),使得原本的廢棄土地得以重新種植農(nóng)作物,有效地減少矸石堆放的費(fèi)用,這種矸石充填深埋復(fù)墾造地技術(shù)針對(duì)榆林當(dāng)?shù)赝寥赖刭|(zhì)條件,創(chuàng)造了陜北特有的生態(tài)復(fù)墾模式。用榆林市某煤礦煤矸石測(cè)試法,見表5,得出總浸入體積、孔面積、表觀密度和孔隙率增大,孔徑和堆積密度變小,說(shuō)明得到的活化土結(jié)構(gòu)更有利于保水透氣,適宜植物生長(zhǎng)。

表5 榆林市某煤礦煤矸石測(cè)試(壓汞法)

3.3 煤矸石破碎協(xié)同土壤生態(tài)修復(fù)

煤矸石含有40%～65%的SiO2,通過(guò)激發(fā)其活性可制備植物易于吸收的硅肥。申午艷[24]將煤矸石與草木灰進(jìn)行煅燒合成硅肥,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出硅肥對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)以及鹽漬化的改善有較好效果。榆林屬于干旱半干旱地區(qū),土地風(fēng)沙化和鹽漬化現(xiàn)象嚴(yán)重,利用煤矸石生產(chǎn)的硅肥可提高土壤滲透性,增加土壤的保水保肥能力,改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),有助于改善土壤板結(jié)、沙化、鹽堿化,減輕土壤重金屬污染等[25-26]。煤矸石中有機(jī)物含量相對(duì)較高,摻雜相應(yīng)數(shù)量的煤矸石可改善土壤環(huán)境,改善土壤的空隙,提高土壤微生物活力[27-28]。因此,煤矸石可作為一種很好的改良土壤材料,尤其在對(duì)榆林的沙質(zhì)土、鹽漬土的土壤改良中可以起到很好的作用。例如,高國(guó)雄等[29]于1997年在毛烏素沙地金雞灘煤礦區(qū)流動(dòng)沙地上布設(shè)煤矸石沙障固沙試驗(yàn),結(jié)果顯示將煤矸石鋪在地表,既能增大地表粗糙度,降低風(fēng)速,減輕風(fēng)蝕,也能提高土壤水分和有機(jī)質(zhì)。張宇航等[30]將不同用量和不同粒徑的煤矸石施用于鹽堿土壤,結(jié)果發(fā)現(xiàn)煤矸石在20%用量下,小粒徑和混合粒徑在處理鹽堿地土壤還有植物的生長(zhǎng)效果最好,這為榆林土壤鹽堿綠化以及煤矸石資源化利用提供技術(shù)性指導(dǎo)和理論基礎(chǔ)。榆林地區(qū)的沙性土壤分布廣泛[31],而無(wú)論是洗選矸石還是掘進(jìn)矸石,均以黏土礦物為主,粉碎或風(fēng)化后就是粘性土,含有植物生長(zhǎng)需要的腐殖酸。煤矸石用于沙地土壤質(zhì)地改良應(yīng)是榆林市煤矸石利用的新途徑,也是2023年榆林市印發(fā)《關(guān)于榆林市支持固體大宗廢物綜合利用管理辦法》重點(diǎn)支持的產(chǎn)業(yè)方向之一。李全聲[32]開展了以表土、煤矸石、巖土剝離物、粉煤灰為原材料的礦區(qū)重構(gòu)土壤配比研究、室內(nèi)土壤盆栽試驗(yàn)研究、固廢含量對(duì)重構(gòu)土壤植物生長(zhǎng)特征的影響研究等成果內(nèi)容,可為榆林市煤矸石與沙土混合改良土壤沙性基質(zhì)研究提供借鑒。

3.4 煤矸石制備協(xié)同建材應(yīng)用

陜北侏羅紀(jì)煤田煤矸石含有黏土類、碳酸鹽類、石英等礦物成分,而黏土是制磚的主要材料[21]。且侏羅紀(jì)煤矸石發(fā)熱量介于3.55～6.13 MJ/kg適宜生產(chǎn)磚[33]。目前,由于煤矸石的制磚和成熟的生產(chǎn)工藝已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。沈笑君等[34]將煤矸石和綠頁(yè)巖以45%∶55%的質(zhì)量比強(qiáng)力攪拌、加水混勻、混合處理、擠壓成型、干燥焙燒后得到了性能優(yōu)良的煤矸石空心磚。池朋等[35]利用煤矸石和天然砂為主要原料并輔之以粉煤灰、水泥、水、減水劑,在此等配比情況下免燒磚抗壓強(qiáng)度比較高,不易彎折,且性能符合JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾磚》MU25標(biāo)準(zhǔn)要求為榆林煤矸石資源化利用提供理論基礎(chǔ)。據(jù)調(diào)研,2020年神木大柳塔煤礦建設(shè)雙廟梁磚廠可年產(chǎn)3 400萬(wàn)塊空心磚項(xiàng)目,一年可以處理25萬(wàn)t矸石;府谷縣昊田煤電冶化有限公司研究論證自建配套1.2億塊免燒磚廠,拓寬了煤矸石無(wú)害化處置和綜合利用發(fā)展的路徑。

4 結(jié)論與展望

2021年國(guó)家發(fā)改委等10部委印發(fā)《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》提出要整合資源,加快能源轉(zhuǎn)型,推進(jìn)大型固體廢棄物綜合利用工作,煤矸石作為固體廢棄物應(yīng)加以生態(tài)化利用,不僅大大提高資源的利用率,而且還可以創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。2021年榆林市煤矸石年產(chǎn)總量約3 396萬(wàn)t,綜合利用量926萬(wàn)t,資源利用率僅27%,生產(chǎn)的速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于利用的速度。近年來(lái),礦區(qū)大面積采空沉陷引起的水土流失、煤矸石大量外排堆放造成的土地占用、生態(tài)環(huán)境破壞等諸多問(wèn)題,積極開展“生態(tài)修復(fù)”工作勢(shì)在必行[36]。利用廢棄的煤矸石作為填充物,復(fù)墾造地,發(fā)電,改善土壤環(huán)境,生產(chǎn)建筑材料,既有利于解決煤矸石堆存堆放、保護(hù)環(huán)境和減少水土流失問(wèn)題,又可增加耕地面積,造福當(dāng)?shù)厝罕姟?/p>

政府在科技創(chuàng)新導(dǎo)向上應(yīng)該扶持鼓勵(lì)企業(yè)高校并加大關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)投入力度,建立基礎(chǔ)研發(fā)平臺(tái),依托高校和科研院所,加大關(guān)鍵技術(shù)共性攻關(guān),推動(dòng)矸石綜合利用產(chǎn)業(yè)的高端化,助力固廢綜合利用技術(shù)裝備的研發(fā)、整合和應(yīng)用。在政策法規(guī)激勵(lì)機(jī)制導(dǎo)向上,建立健全大宗固廢綜合利用法規(guī),以達(dá)到政策的長(zhǎng)效性,完善資金引導(dǎo)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字化市場(chǎng)等高效服務(wù)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè),標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)助力于提高榆林矸石的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力;協(xié)同發(fā)展是榆林市固廢綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式,目前榆林市對(duì)煤矸石的利用規(guī)模小,多企協(xié)同處置也比較少,政府鼓勵(lì)多產(chǎn)業(yè)協(xié)同利用,在產(chǎn)業(yè)協(xié)同上,推進(jìn)產(chǎn)業(yè)間深度融合,推動(dòng)跨區(qū)域協(xié)同利用。

創(chuàng)新管理方式,利用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段,逐步實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+大宗固廢”的協(xié)同管理模式;在資源配置上,鼓勵(lì)社會(huì)力量開展大宗固廢綜合利用交易信息服務(wù),提高資源配置效率,進(jìn)一步開拓煤矸石農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)地改良與復(fù)墾新方向,增加煤礦井下煤矸分選及地下充填處置新途徑,拓展煤矸石充填置換掘采煤炭資源新途徑。煤矸石綜合利用路線如圖2所示。

圖2 陜北侏羅紀(jì)煤田煤矸石綜合利用路線Fig.2 Comprehensive utilization route of coal gangue in Jurassic coal field in Northern Shaanxi