煤矸石资源综合利用的途径分析——以焦作中马矿为例

吕 鹏，马守臣

（河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作454010）

1 引言

煤矸石是在煤炭开采、洗选和加工工程中产生的与煤层伴生的各种含碳量低、坚硬的黑色岩石，它属于煤矿排放的固体废弃物，约占煤炭产量的15%～20%［1］。目前，我国煤矸石历年堆存总量已超过40亿t，占全国工业固体废弃物40%。大量废弃的煤矸石随意堆存，导致了诸如占压土地、破坏景观生态、降低土地生产力、自燃矸石山的大气污染以及矸石淋溶水对矿区土壤和水资源的污染等各种生态与环境问题，这已经成为矿区生态恢复的重要内容之一［2］。

然而，煤矸石具有双重性，弃之占压土地，并污染环境；用之则可变废为宝，成为再生资源，造福于人民。随着科学技术的进步，各种煤矸石利用途径和技术方法应运而生，在科研和生产实践中都取了一定的进展。进一步发展煤矸石资源化综合利用途径，具有十分重要的现实意义［3］。

2 研究区概况

焦作市位于河南省西北部，地处沁河冲积平原，北依太行山，南临黄河水，是一座在矿产资源开发基础上发展起来的新兴工业城市及旅游城市。本文以焦作市规模较大的中马村矿作为研究对象，中马村矿位于焦作市东郊，于1955年建成投产，有55年的开采历史，年产量约15万t。矿区内煤矸石直接堆放于地表，矸石山体积约200万m3，占地面积约64 480m2。矿区现已有典型的锥形矸石山堆积，压占了大片的耕地良田。山上黑灰色矸石裸露在大气中，不仅影响景观，加之矸石风化作用严重，很容易造成矿区大气污染。此外，矸石山上植被稀疏，南坡上寸草不生，生态环境相当恶劣。堆存的煤矸石在氧化作用下还会发生自燃现象，严重污染大气，有时候甚至会发生爆炸，造成巨大的经济损失和人员伤亡，对于中马矿区煤矸石山的治理显得尤为重要［4］。

3 煤矸石综合利用途径及方法

煤矸石虽然对环境有很多不利影响，但是应该认识到它也有许多可利用价值。煤矸石是一种“易被人们丢弃的、多能的资源”。煤矸石可以代替其他资源生产多种建筑材料、化工产品；此外还可以做替代燃料，能被社会基础工程、农业等众多行业所利用。

煤矸石的资源综合利用开发研究，涉及到多个交叉学科领域。除了受煤矸石资源所存在的地理环境和综合效益的制约外，还受煤矸石本身的资源特性及其所决定的开发利用技术条件的制约。针对目前煤矸石资源化的开发利用研究进展，结合中马矿区的实际情况，主要从以下方面阐述其资源综合利用途径。

3.1 煤矸石在农业方面的利用

3.1.1 生产煤矸石营养肥料

在对中马矿区煤矸石采样研究中，发现煤矸石有机质含有丰富的植物生长所必须的硼、锌、铜、钴、锰等微量元素，比土壤中的含量高2～10倍。选用这些有机质含量较高的煤矸石，粉碎研磨并按一定的比例与磷酸钙混合，加入一些添加剂和水，经充分反应活化并堆沤后，采用现代化工造粒技术，即可制成一种新型的实用化肥。这种化肥生产加工流程简单，原材料价格低廉且易选易得，投资少，见效快，经济效益明显提高。

3.1.2 煤矸石改良土壤

煤矸石呈现酸碱性不同及含有丰富的微生物和营养成分，根据此特点改良过碱或者贫瘠的土壤。调整土壤的酸碱度和疏松度，提高土壤的肥力，提高土壤含水率，促进土壤中各类细菌新陈代谢、丰富土壤腐殖质，使土地得到肥化，促进农作物生长。对于矿区内部土壤碱性比较强的地区，使用煤矸石作为土壤调节剂，节省资源以达到较好的经济和社会效益。国内许多煤矿已经实施，这也是煤矸石在农业方面综合利用的有效途径［5］。

3.2 煤矸石在工业方面的利用

煤矸石一般具有较高的发热值，发热量可达到4500～12550kJ／kg。利用煤矸石燃烧时间长的特点，可为居民提供低热热源，以其为低热值燃料进行供热发电。我国利用煤矸石发电已经形成一定的规模，全国煤矿已建成煤矸石发电厂128座，每年发电实际消耗煤矸石1200～1800万t。煤矸石发电不仅可缓解矿区能源紧张的局面，产生的炉渣还可以制备各种建材，从而达到调整矿区产业结构、节约能源、减少二次污染的目的。利用煤矸石发电也是综合利用煤矸石的一条重要途径，产生的经济效益、社会效益和环境效益十分显著。

3.3 利用煤矸石生产建筑材料

从表1中可以清晰的看到，目前焦作市煤矸石利用率还是相当可观的，也说明了国家和企业单位越来越重视资源的循环利用。

表1 焦作市现有煤矸石利用企业统计（以2006年计）［6］

3.3.1 煤矸石生产水泥

生产水泥主要原材料是铝和硅，从表2中可以看到中马矿区煤矸石中含有丰富的二氧化硅、氧化铝、三氧化二铁等生产水泥的原材料。利用煤矸石生产水泥，废物利用量大，生产成本低，应用前景非常可观。2006年，南京工业大学研究发现将煤矸石、粉煤灰和鼓风炉的炉渣按一定比例加入水泥浆中，有效地防止了由于热量变化丽引起的建筑物裂缝现象。

表2 中马矿区煤矸石化学成分

3.3.2 煤矸石烧制结砖

在我国的建筑墙体材料产品中，几乎全部使用的是粘土烧制的实心砖。统计我国砖瓦企业近11万个，年生产砖块近7000亿块，每年毁坏良田数十万亩，耗费煤炭资源达7000多万t，已经成为破坏耕田和生态环境，消耗能源的大户。煤矸石的成分和粘土相似，具有一定的可塑性、结合性和烧结性，经净化、均化和陈化等工艺加工处理后，可以代替原有对耕地破坏挖掘出的粘土作为生产新型砖块原材料，煤矸石砖更具有免烧、免蒸、加压成型、自然养护等优点。在矿区附近建立煤矸石砖厂，利用煤矸石代替粘土烧制砖块，不仅节约资源，减少因挖掘粘土造成的土地挖损和生态破坏，还为煤矸石的治理献出良策，一举多得。新型煤矸石砖的研制和生产，满足了矿区可持续发展的要求，还为解决矿区待业人员提供了更多的就业机会，分流了矿区剩余劳动力，得到了很好的社会效应和经济效应。

3.4 煤矸石在其他方面的利用

煤矸石可做公路地基。使用强度高、风化轻、热值低和具有活性的煤矸石作为路基铺设的添筑材料，具有较好的经济效益。煤矸石和熟石灰混合后成为灰矸材料，这种材料具有高强度，在水中不易变质，遇到水浸不泥泞的特点，在季节变化时，既有较好的抗水性和抗冻性，完全符合现在道路铺设规范。在政府基础设施建设中，道路的铺设将会有大的资源耗竭，使用煤矸石作为路基材料具有很广泛的推广价值。

煤矸石充填采空区和塌陷区。大量的采矿活动造成了中马矿区大面积出现采空区和塌陷区，这些地区不仅环境景观不美观，还存在安全隐患，使得中马矿区附近居民不得不搬离采矿区。采用煤矸石作为井下采空区和地表沉陷区的填充材料，既可以使煤矸石破坏的土地得到恢复，又可以减少矸石压占土地和对环境的污染，也是煤矸石大宗利用的有效途径之一［7］。

3.5 煤矸石山资源转型

煤矸石废弃地通过改造可以将其资源转型，变成一种生态景观类型。对矸石山的生态重建技术主要以生态景观再生为理论导向，将生态恢复和景观重建的理论技术相结合，在废弃的矸石山上综合开发利用煤矸石，从而探索出针对煤矸石山的景观重建模式。经过矸石山生态重建技术，使煤矸石山进行资源转型，使之成为一个新的生态环境场所，从而产生经济、生态和环境的综合效益。潞安集团常村矿内一座煤矸石的生态重建效果非常好，充分挖掘资源优势，利用景观设计的3R原则，采用减量、再用、循环与再生、最终处置的具体方法。中马矿完全可以参照这种模式，将矸石山废弃地重建为生态工业园区、生态休闲区、生态林游憩区、生态度假区、现代农业生产区等五个功能分区，使景观与场地完美结合，景观促进经济和生态，最终获得良好的综合效益。

4 结语

煤矸石既是工业固体废弃物，又是一种可供开发和利用的资源。应使其从“堆存”向“利用”转变，使其无害化、资源化，变废为宝，化害为利。煤矸石山的资源转型利用，是有效解决煤矸石山侵占土地的良策，也根除煤矸石山污染环境的最彻底方法。研究煤矸石资源综合利用的新方法、新思路、新途径和新技术，不仅增加工业发展中的附加经济价值，还形成不同的产业链，生产出新材料和新产品，是值得我国大多数煤矿区借鉴的地方。在不久的将来，我国将加大对煤矸石资源利用的研发工作，力争使我国矿区走上可持续发展的道路，为建设绿色矿区、和谐矿区做出不懈努力。

［1］张凤成.煤矸石及其综合利用［J］.中国环保产业，2004（10）：14～15.

［2］潘志刚，姚艳斌，黄文辉.煤矸石的污染危害与综合利用途径分析［J］.资源·产业，2005（2）.

［3］潘荣锟，余明高.自燃煤矸石山爆炸的危害及治理技术［J］.河南理工大学学报：自然科学版，2007，26（5）.

［4］程功林，陈永春.煤矸石山的危害及植被生态重建途径探讨［J］.每天地质勘探，2009，37（4）.

［5］崔保红.焦作市粉煤灰综合利用现状及建议［J］.调查与研究，2008（4）.

［6］朱宝忠，谢承卫.煤矸石综合利用的研究进展［J］.贵州大学学报：自然科学版，2007，24（5）.

［7］彭 岩，李 强，郭晓倩，等.我国煤矸石应用现状及发展方向［J］.矿业快报，2008（11）：11.