煤矸石资源化利用的研究进展

王晓栋，张 玥，陈 松，丁会敏，张 宇

（黑龙江省能源环境研究院，黑龙江 哈尔滨150090）

煤矸石是指煤炭开采、洗选加工过程中产生的固体废弃物。据统计，我国目前煤矸石累计存量达70亿t以上，占地面积70km2，且仍以3.0～3.5亿t·a-1的速度增加[1,2]。煤矸石的大量堆放，不仅占用土地，还会造成土壤、水体、空气污染，引发地质灾害[3,4]。本文鉴于煤矸石大量堆积所产生的危害，根据其矿物组成及化学成分差异，对煤矸石进行资源化利用，以期为煤矸石更深入的开发提供参考。

1 来源与性质

煤炭在开采、洗选加工过程中产生大量的煤矸石、粉煤灰等固体废弃物。其中，煤矸石是由粘土岩类、铝质岩类、砂岩类、碳酸盐类等多种矿岩组成的混合物。不同的岩石含有不同的矿物组成，其岩石种类和矿物组成直接影响煤矸石的化学成分。煤矸石主要由无机质构成，其中含有少量有机质。无机质主要是矿物质和水。构成矿物质的主要成分为SiO2、Al2O3，另外含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O、Na2O等氧化物，以及微量的Ti、V、Co等过渡金属，此外，还含有As、Pb、Cd、Hg、Cr等有毒有害物质[5,6]。煤矸石中有机质的主要元素为C，其它为H、O、N和S等元素。可见，煤矸石的化学成分较为复杂，不同地区的煤矸石矿物组成及化学成分不同。化学成分决定煤矸石的理化性质，所以在煤矸石利用之前，首先进行矿物组成及化学成分分析，以更好的进行资源化利用。

2 危害性

煤矸石的大量堆放，给环境带来巨大危害，影响人们身心健康。具体危害如下：（1）矸石山的不稳定性，引发地质灾害[7]；（2）大量堆积，占用土地；（3）经雨水冲刷后有毒有害物质污染水体、土壤，影响周边植物生长[8,9]；（4）风吹日晒导致煤矸石风化，产生大量扬尘，污染空气[10]；（5）煤矸石中含有C、S等可燃物，长期堆放蓄热燃烧，释放SO2、CO、H2S等有毒、有害气体[11]。鉴于煤矸石给人类带来的危害，如何将其资源化利用是当前研究的重点。

3 资源化利用

3.1 燃料发电

20世纪80年代初，我国开始利用煤矸石发电，在几十年的发展历程中煤矸石发电产业规模越来越大。煤矸石热值低，不能单独用其发电，通常加入适量的煤或泥煤进行发电。如永陇矿区低热值煤综合利用就是采用不同比例的末原煤、矸石、煤泥混合发电[12]。

3.2 回填采空区

煤炭开采过程中伴随着采空区的形成，不及时回填容易诱发地质灾害。但并不是所有的采空区都能用煤矸石进行回填，这就需要根据采空区的位置及上覆岩层的物理性质进行具体分析研究。选择透水性好、可燃成分低、易粉碎及有毒重金属含量低的煤矸石，可选用机械、风力或水力等填充方式进行回填工作[13]。

3.3 生产建材

煤矸石中含有的矿物成分与粘土类似，因此，煤矸石可以代替粘土作为制砖、生产水泥的原料。西安墙体材料研究设计院采用我省双鸭山市利用煤矸石代替粘土生产了空心砖的技术[14]。生产水泥的主要原料为石灰石和粘土，其中粘土可用煤矸石替代。生产过程主要分为3个阶段（生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨），其中熟料煅烧直接影响着水泥的质量，刘朋采用不同的活化方法（机械激发、热激发、化学激发、复合激发）激发煤矸石的活性，同时研究了活化后的煤矸石在水泥基材料中的应用[15]。

煤矸石还可以制备轻骨料。孙鹏[16]等以煤矸石为主要原料，白云石粉为发泡剂制备煤矸石轻骨料。研究不同百分比的白云石粉掺量和不同烧结温度对骨料结构及性能的影响。结果表明，白云石粉掺量为10%时，温度为1250℃，时间30min的条件下，制备出孔隙率达40.71%，表观密度为1528kg·m-3，孔径为0.5～1.5mm左右，颗粒抗压强度为5.76MPa的煤矸石轻骨料[16]。

此外，可将煤矸石、粉煤灰和石灰混合制得路面基层材料，其强度与抗变形能力均能满足相关要求，路用性能相对较好，可在低等级公路中进行推广使用[17]。

3.4 制备化工产品

在化工业方面，国内外学者一直致力于煤矸石资源化利用的价值开发。从前，利用煤矸石制备Al2（SO4）3、AlCl3、沸石分子筛等化工产品。目前，主要用于催化剂和吸附剂的研究，应用于光催化降解及污水处理等行业。谢娟[18]等以煤矸石为原料，利用沸腾回流法制备了一系列α-Fe2O3-ZnO/煤矸石复合光催化剂，目标降解物为五氯酚，模拟太阳光照条件观察样品的降解效果。实验结果表明，此催化剂具有光催化降解效果及可重复使用的特点。舒航[19]等以煤矸石为原料，制备高效无机高分子混凝剂聚合氯化铝铁钛。实验结果表明，此混凝剂对城镇污水处理厂二沉池出水的浊度和总磷有极好的去除效果，同时对COD和氨氮有一定去除能力。

3.5 农业应用

煤矸石含有丰富的有机质和微量元素，经过加工活化可以用来生产农肥及作为育苗基质材料。但是煤矸石中也含有毒有害的重金属元素，农用时一定检测重金属含量，做相应的处理，防止土壤污染。

我国早在70年代就有报道关于煤矸石用于制备化学肥料，但在农业应用方面却少有研究。房晓宇[20]等将煤矸石陶粒与木质素保水剂联用，因为煤矸石陶粒内部疏松多孔可吸附化学肥料。邵玉飞[21]利用煤矸石生产水稻育苗基质，目前具备实验室工艺，但是并没有进行大田实验。

4 结语

尽管煤矸石占用土地、污染环境，给人类带来一定的危害性，但它也是一种资源。近年来，我国煤矸石在能源、建筑、化工、农业等行业都有应用，而且取得了一定的进展。目前，我们应该在原有基础上改进现有技术，加大煤矸石高效利用技术的研发，实现煤矸石的高附加值利用。