山西沁源地区煤矸石综合利用现状及展望

袁春玉，王 浩

(河南理工大学，河南 焦作 454150)

1 引 言

煤矸石是在煤形成过程中与煤共生、伴生的岩石，是煤炭生产和洗选加工过程中产生的固体废弃物[1]。不同煤矿由于地质条件不同，煤矸石的产量会有差异；不同生产阶段煤矸石的产量也会有所不同，如基建期的矿井所产矸石量就要大于生产期。煤矸石曾被视作固体废物而被忽视，以致矸石堆积成山，难以治理。

据统计，我国煤矸石堆存占地约106hm2，近40亿t煤矸石堆存量使煤矸石已经成为我国最主要的固体废物之一。煤矸石堆放不但占用大量土地资源，有些煤矸石自燃产生的有害气体还会污染空气、危害人体健康，雨水冲刷矸石会使有害离子随雨水进入土壤和河流，污染土壤和水质。矸石山结构不稳定，会出现滑坡甚至崩塌等安全灾害隐患。

煤矸石作为一种“放错位置的资源”，对其进行合理综合利用将会产生显著的社会、经济效益。煤矸石由于其所携带一定热值、含有多种化学成分、物理性质稳定等特点，因此利用前景宽广。大力开展煤矸石综合利用，不但可以缓解资源紧张问题，而且可以减轻煤矸石对空气、土地、水源的污染[2]。对历史堆积煤矸石的治理和综合利用是煤炭行业转型发展的必然需要，是矿区生态文明建设的重要抓手，也是煤炭产业可持续发展的重要内容之一。

在以煤炭产业为支柱产业的沁源县，煤炭生产在推动地方经济和社会发展的同时，产生的大量煤矸石固体废物难以处理，对环境造成严重破坏。因此，对煤矸石进行处置、利用分析，对于建设“绿色沁源”具有重要意义。

2 沁源地区煤矸石排放及综合利用现状

沁源县煤矿一般开采煤层为薄和中厚煤层，煤层底板多为稳定和中等稳定，矿井多采用走向长壁综合机械化开采。煤层厚度变化较大，且主采煤层的矿井多为高瓦斯矿井，主要煤矿中高瓦斯矿井17个，低瓦斯矿井11个。

沁源县煤炭产能3 030万t/a，主要煤矿28个，选煤厂11座，其中生产矿井20个，产能1 940万t/a，基建矿井8个，产能1 050万t/a。按井型可分为中型矿井16个(60万t/a矿井3个，90万t/a矿井12个)，大型矿井15个(120万t/a矿井10个，180万t/a矿井2个，210万t/a矿井1个)。煤矸石每年产生量约为300万t。沁源县目前煤矸石综合利用方法主要为地表或山谷充填、发电、制砖三种方式。其中地表、山谷充填利用矸石量约240万t/a，占年产矸石量的80%；煤矸石发电利用矸石量约33万t/a，占年产矸石量的11%；煤矸石制砖利用矸石量约27万t/a，占年产矸石量的9%，如图1所示。从图1可见，沁源县煤矸石的利用主要是充填地表山谷。

图1 沁源县煤矸石处置方式及所占比例

沁源县煤矸石利用现状见表1。

表1 沁源县煤矸石利用现状

2.1 煤矸石充填地表山谷

沁源县将煤矸石用于地表山谷充填的企业需根据环评标准建立矸石场，但由于沁源县煤矸石产量相对较大，企业的矸石场库容量并不能满足目前需要。对于企业现使用的煤矸石堆场，需配套建设排洪渠、导流渠、拦矸坝、消力池、排水函洞等设施。堆存煤矸石时，应设计稳定的边坡角度，及时采取分层覆土压实，一般每层煤矸石堆存厚度不超过3 m，覆土厚度不低于0.5 m。

矸石场闭场后，应设置完整的排水系统，保证防洪和排水设施符合规范要求[3]。矸石场平整和覆土处理过程中，堆放高度不超过5～8 m，台阶宽度应在1 m以上，台阶边坡坡度小于33%，覆土厚度50 cm以上，形成有利于林木植被恢复的地表条件[4]。同时，要坚持因地制宜，宜林则林、宜草则草、草灌优先，依据景观相似性原则选择植物种进行绿化或景观恢复植被，恢复后的植被覆盖率不应低于当地同类土地植被覆盖率，植被类型要与原有类型相似、与周围景观协调。

从沁源县多山谷的地势情况看，地表山谷充填具有良好的地理条件，地表充填处置煤矸石投入较小，处置量大。但由于地表充填环境危害较大，危险性较高，且环保部门对矸石场建设条件极为严格，致使地表充填并不能有效解决沁源县的煤矸石堆存问题。

2.2 煤矸石发电

(1)技术原理。煤矸石发电主要采用的是循环流化床(CFB)发电技术，投入锅炉中的固体颗粒在气流的作用下在空中漂浮，使得煤矸石固体颗粒与空气的接触面积增大，固体颗粒燃烧的热效率得到提高[5]。

(2)煤矸石发电的效益分析。煤矸石发电可以减少煤炭资源的使用，减轻能源压力[6]；煤矸石发电可以消耗一部分煤矸石，减轻煤矸石对环境的污染[7]；煤矸石电厂可以为当地提供工作岗位，缓解就业压力；煤矸石电厂的余热可为周围地区冬季供暖。

(3)煤矸石发电的缺点。煤矸石发电前期成本投入高，产能较低；煤矸石热值低，含灰量大，含硫量高，锅炉点火过程复杂，发电厂能耗较大[8]；煤矸石发电的尾气处理需要大量投入资金。

(4)实例分析。位于山西省沁源县李元镇李元村的山西沁新集团煤业有限公司煤矸石发电厂，占地面积184 760 m2，装机容量57 MW，是沁源县较为成功的煤矸石发电企业之一。该电厂2018年消耗煤矸石共计4.2万t，所产电能大部分供企业自身用电，属于自备电厂。同时，电厂还为李元区400万m2的地区供热取暖，实现“热电联产”，提升了电厂的经济效益。但是，由于其产能较低，煤矸石发电厂的发展受限，效益较低。

2.3 煤矸石制砖

(1)工艺流程。作为煤矸石最主要的利用方式，煤矸石制砖具有用矸量大、技术要求和前期投入较低等优势。煤矸石制砖生产工艺流程见图2。

图2 煤矸石制砖生产工艺流程示意

(2)效益分析。由于煤矸石具有一定热值，煤矸石砖烧制过程中可节约能源；用煤矸石作原料制砖还可以大大减少黏土的用量[9]，使砖块的生产成本大幅度降低，也使得黏土砖破坏耕地的现象得到缓解。因此，煤矸石制砖具有可观的经济效益和环境效益，具有一定的市场前景。一些高铝、高铁、高钙、高硫煤矸石不适合直接烧制砖块，但可以通过水泥等外加剂，采用压块形式生产非烧结砖，此类产品具有技术简单、消耗煤矸石量大、能源消耗低等优点。

(3)实例分析。位于沁源县郭道镇郭道村的明源集团煤矸石制砖厂属明源集团旗下产业之一，依托明源集团下属煤矿、选煤厂、发电厂等优势，处理煤矿生产过程中遗留的煤矸石固体废物。目前，该制砖厂日产砖量过万块，年产砖量约5 000万块。一块矸石砖约消耗2.5 kg煤矸石，则砖厂年利用煤矸石约12万t。煤矸石制砖不仅有效减少了矸石外排，还变废为宝，为企业创造了一定的经济效益。制砖过程中，将选煤厂筛出的矸石作为制砖原材料，经过粉碎达到一定粒度，再根据煤矸石的实际发热量配以一定量的黏土后制作矸石砖。对烧制过程中破损的矸石砖，则将其进行粉碎后重新回炉再烧，达到循环利用的目的。目前，制砖厂所制矸石砖与普通粘土砖在硬度以及价格方面均没有差别，用户遍布沁源县各地。据了解，该制砖厂已完全解决了明源集团产煤所排出的煤矸石处理问题，是明源集团产业链的重要组成部分。由于煤矸石制砖产能较低，若以传统的窑炉烧制煤矸石砖，会产生大量有害气体污染空气；加之目前煤矸石砖市场占有率较低，运输成本较高，这些因素都制约着矸石砖产业的发展。

3 其他煤矸石综合利用方法

3.1 煤矸石生产水泥

对于含二氧化硅较多的煤矸石可以用来烧制水泥，对于二氧化硅含量较少的煤矸石可以在生产水泥时作为惰性材料以一定的比例掺入其中。今后可以加强对煤矸石生产硫铝酸盐水泥等高性能水泥的研究，并在降低高性能水泥成本的基础上，提升煤矸石的经济价值。

3.2 井下巷道填充

井下巷道煤矸石充填技术是固体充填采煤技术的初步尝试，该技术利用高速动力抛矸机将原生矸石以较快的冲击速度抛投至采空区，达到废弃矸石井下处理和岩层移动控制的目的。井下巷道煤矸石充填技术关键设备为高速动力抛矸机，其结构和工作原理如图3所示。该技术曾在我国的邢台、新汶、兖州、枣庄等矿区先后推广应用[10]。

图3 抛矸机结构及工作原理示意

3.3 煤矸石人工景观公园

采用煤矸石对地表进行充填复垦后，地表可以建造矿山公园，国内已有多个成功案例。但这种利用煤矸石的方式需要一定的外界条件，并不是所有地区都适合建造自然景观。煤矸石充填复垦后建造景观公园可以有效治理煤矸石污染问题，但见效慢、投入大、回报少等因素都制约了这种方式的发展，但如果在交通、地质条件优越的地区，却是值得发展的煤矸石利用项目。

4 前景展望

目前国内常见的煤矸石利用方法有井下充填、矸石山人工植被、开采塌陷区充填、煤矸石发电、煤矸石有用成分提纯、煤矸石制砖及水泥等建筑材料。沁源地区对于煤矸石的开发利用仍处于探索阶段，技术经验仍不成熟。

根据沁源地区交通、矸石产量等情况，沁源地区可优先发展用矸石量大的煤矸石建材产业。煤矸石建材主要以煤矸石砖、煤矸石骨料混凝土、煤矸石水泥、煤矸石微晶玻璃等为主。其中煤矸石砖分为实心砖、空心砖等，煤矸石空心砖由于具有自重较轻、堆砌方便、造价低廉、节能降耗等优点在煤矸石建材产品中较为突出。沁源地区的煤矸石制砖企业可引进相应的先进技术，逐渐淘汰技术落后、污染较大的传统实心砖，转为生产煤矸石空心砖，以便在减少黏土使用的同时，降低产品能耗。

5 结论及建议

(1)沁源地区煤矸石产量丰富，适合发展煤矸石综合利用相关产业。

(2)沁源县煤矸石处置方式应以地表充填为主，此方式虽然简便，前期投入较低，且处理量巨大，但面临的环境压力巨大，后期需对环境整治进行投入。

(3)沁源县可在交通状况良好、地理条件适宜的矸石场开展特色旅游开发项目，将荒废的矸石场进行人工装饰，建设矿山主题公园，在获取一定经济效益的同时，可美化环境，更好的推动“绿色沁源”发展模式，促进沁源县的经济转型发展。

(4)目前沁源对煤矸石的利用仍处于探索阶段，主要的利用方式技术水平比较低，今后应发展煤矸石骨料、水泥等产业，逐渐形成多种煤矸石利用模式。