浅谈煤矸石负价值的转化

孙 莹

煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石［1］。煤矸石的主要来源有：1)在岩石巷道和井筒掘进过程开凿出的岩石，其中主要包含有粉砂岩、砾岩、泥岩、砂岩、石灰岩和页岩。2)在开采煤层和掘进煤层巷道过程中，是由煤层中的夹矸或者削下部分煤层的底板和顶板两部分共同组成。3)在分选煤层过程中，向外排出的煤矸石，主要是由煤层中各种类夹石，例如：黏土、高岭石、黄铁矿结合核等。煤矸石是由无机质和一些少量有机质组成的混合物，它的化学成分主要包括SiO2、C和Al2O3。煤矸石的化学成分很不稳定，在不同的地区变化差异较大，但变化通常在一定的范围内。煤矸石含有的矿物成分，主要为黏土矿物和石英，颗粒直径从数10 cm的块石到黏粒甚至胶粒，最常见的矿物有蒙脱石、高岭石、黄铁矿、长石、方解石、伊利石、水铝石以及一些少量稀有金属矿物等，其中高岭石含量高达68%［2］。

负价值是开发利用矿产资源所导致的一切社会经济环境损失，煤矸石所产生的资源环境负价值是显而易见的。

1 煤矸石的危害

1.1 自 燃

矸石山自燃的必要条件是水和氧，而煤矸石中含有的碳元素和硫铁矿是矸石山自燃的物质前提。因为硫铁矿燃点比较低，在水的促进下能够发生氧化反应，生成硫酸型水溶液，同时伴随反应放出大量的热，进而加快煤的水解;在有氧供应条件下，硫铁矿能低温自燃，并释放出热量，随着时间的推移，矸石山内部的热量不断积聚，温度不断升高，当温度达到燃点时，引起含碳物质的燃烧，最后导致矸石山自燃。

1.2 对大气的污染

煤矸石对大气环境的影响主要包括两个方面：一是煤矸石在运输、堆放过程中会产生扬尘，这些扬尘不仅对周边的空气质量造成了严重影响，而且还将周围的农作物、道路、居房大面积覆盖，在大气雨水的作用下，这些扬尘形成酸性物质，对矸石山周边的水质造成严重破坏，进而影响到了人们的身体健康和生活环境。二是煤矸石自燃排放的有害气体，由于煤矸石中含有大量的黄铁矿、有机质和炭质等可燃物，长期暴露在大气中，与氧长期接触可产生大量有毒气体SO2、H2S及窒息性气体 CO、氮氧化合物等［3］。严重危害煤矿区的生态环境影响人们的生活、生产和身心健康。

1.3 对水体的污染

煤矸石一般含有硫分和其他有害元素，它经过长期的风化和大气降雨淋溶作用，产生酸性物质和各种有毒的金属元素渗入到地下，对土壤有严重污染，进而使地表水以及浅层地下水受到污染，形成淋溶酸性水，而毒性大的重金属将对人体牲畜健康产生长远的不良影响，直接或者间接地危及整个生态系统［4］。

1.4 对土壤的污染

我国煤矸石的利用率低，多堆积成山，侵占大量土地，而侵占的土地要购买和补偿，这些给煤矿本身造成了相当的经济负担。另一方面，矸石山长期风化飘落的降尘中含有大量重金属元素，它能使土壤受到严重污染，并改变土壤的PH值和土壤中微量重金属含量的平衡［5］，同时对植物的光合作用也起到一定的阻碍作用。

在主要矿产资源人均占有量不足世界平均水平一半的我国，如果将煤矸石充分利用，使其负价值转换，不仅可以减轻对环境污染和资源的消耗，还具有巨大的社会经济价值。

2 煤矸石负价值的转化

煤矸石主要的来源有煤岩巷道及岩石、硐室掘进和煤炭中杂混的矸石。目前，随着开采深度的逐步加深，为了满足一些设备在安装、运输以及正常生产时的通风条件，不断加大其巷道断面、煤岩巷道的数量或岩石巷道。因此，在开拓掘进时会产生大量的煤矸石。虽然一些相关部门已经采取了措施，例如加强顶板支护、控制采掘机械割破顶底板岩石，但是在原煤中煤矸石的含量仍占到了40%以上。

2.1 在工程方面的应用

煤矸石在工程方面主要应用于制砖、制水泥、铁路和公路路基、土地复垦、矿区回填等。因为煤矸石具有一定的烧结性和可塑性，可以通过均化、破碎、净化和陈化等工艺加工处理后，用来制做砖块;由于煤矸石同黏土的化学组成成分十分相近，并能释放一定的热量，可以用它代替黏土和一些部分燃料，用来生产普黏土通水泥可以提高熟料的质量;煤矸石中含有一定量的活性物质，具有比较好的路用性能、强度以及很好的抗风雨侵蚀性能，因此，可以用它做铁路和公路的底基层或者路基填料［6］，可以利用以前废弃的岩矸做为资源，这样可以大大降低建设成本，并且减少了工程中常规石料的使用量，进而减少了因开山采石造成的山林破坏，保护了生态环境。对于那些没有工业生产利用价值的煤矸石，可以用来充填沟谷、塌陷区和复垦造地，同时进行综合整治，这样既能处理煤矸石固体废物，减少了堆存煤矸石的占地面积，又可以使原来因采煤沉陷的土地得到恢复和利用，对于我国土地资源的保护，意义十分重大。

2.2 煤矸石发电

当煤矸石的发热量大于5 000 kJ/kg时，可利用煤矸石发电，或在煤矸石中掺入煤或者煤泥进行发电，发电的灰渣还可做建材，这样可以将资源利用最大化，变废为宝，还能搞活地方经济，解决就业。

2.3 在化工方面的应用

煤矸石中含有铝、铁、钡、钙锗、钛等化学元素，当其中某一种或几种元素的含量，能够达到工业利用价值时，就可以将其进行提取，制成化工原料以及化工产品。煤矸石的主要化学成分是Al2O3和SiO2，当煤矸石成分中Al2O3的质量分数达到35%时，即可以利用其中的铝元素，生产硫聚合氯化铝铁。当用煤矸石生产聚合氯化铝时，剩留的硅渣中经常含有大量SiO2，可以将其与碱进行反应(例如NaOH)，就可以制成水玻璃，当煤矸石中TiO2质量分数达到7.2%时，可制备钛白粉。

2.4 在农业方面的应用

煤矸石在农业的应用方面有：因为煤矸石成分中含有粉砂岩、炭质页岩和微量元素等，将其经过粉碎细磨后，并按照一定的比例与过磷酸钙相混合，同时加入适量的活化剂和水，然后进行充分搅匀堆沤，可以制成新型农用肥料［6］;经研究，煤矸石和风化煤中都含有大量的有机物，是用来携带解磷、固氮、解钾等一些微生物最理想的载体和基质，因此，可以用作微生物肥料;用煤矸石和廉价的磷矿粉作为原料基质，可以制成主要以固氮磷肥、菌肥、钾细菌肥为主的煤矸石生物肥料;利用煤矸石的酸碱性，以及本身含有的营养成分，再加入一些有机肥料，可以对土壤结构产生有效的改良、增加土壤透气性以及疏松度，并提高了土壤中的含水率，促进了土壤各类细菌进行新陈代谢、丰富土壤腐植质，使土壤肥化，促进植被生长。

综上所述，我国矿产资源人均占有量不足世界平均水平的一半，开发和利用新的自然资源不但能缓冲资源匮乏的情况，还能充分利用资源，减少对环境的污染。煤矸石是在煤炭开采过程中产生的废弃物，重视它的重复利用，使它的经济价值最大化，不但是用循环经济模式对煤炭企业进行的产业规划和转型，还是煤炭企业和谐、可持续发展的生产方式。