湖南煤矸石资源特征及综合利用途径分析

朱文卿 何 涛

（1.湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014；2蓝山县自然资源局，湖南 永州 425800）

湖南省含煤地层分布广，资源储量相对丰富，煤炭作为基础能源的主体地位不会改变。据调查，每产100万t煤炭，排放矸石16万t左右，目前采损煤炭已累计约13亿万t，据此粗略估计已排放煤矸石约2亿t。大小煤矸石山堆积遍及全省，历史堆积存量大，且还将以更快速度持续递增，已经成为固、液、气三害俱全的污染源。煤矸石的资源属性大多被忽视，煤矸石大量的堆积是一种资源浪费，摸清煤矸石资源特性，开展煤矸石综合利用研究已势在必行[1-4]。

1 湖南煤矸石分布特征

湖南省根据构造格架控制可划分为桑石、黔溆、涟邵、韶山、郴耒、资汝六大煤田（图1），煤矸石分布于其中。除地处江南隆起剥蚀区的湘东北地区没有堆存外，全省各地都有集中或零星堆存，主要堆积在湘中的涟邵煤田、湘东南的郴耒煤田及资汝煤田。三个煤田煤炭资源占全省的80%以上，国有大型煤矿较集中，开采历史悠久，煤炭储量丰富，煤矸石堆存规模及预期产量巨大。

图1 湖南省六大煤田划分图

1.1 涟邵煤田煤矸石分布特征

涟邵煤田是湖南主要产煤区，矿山数量多，规模相对较大，开采强度大，储量居湖南第一，有规模相对较大的煤炭开采企业，如冷水江金竹山煤矿、资江煤矿等，又有许多小型煤矿山星罗棋布。该区煤矸石堆存总量占全省35%以上，国有煤矿的矸石堆存集中，多临近城区，冷水江、涟源城区有矸石山环绕，单个矸石山可达百万吨，而各小型煤矿煤矸石堆存数量众多、规模较小、分布散乱，以万至十万吨级别为主。

1.2 郴耒煤田煤矸石分布特征

郴耒煤田煤炭资源储量及累计采损量均较大，有多家较大规模的煤矿，如宜章梅田、永兴湘永等煤矿。该煤田煤矸石堆存总量占全省30%以上，煤矸石以国有煤矿为主体，在各矿区范围内较集中，离城区有一定距离，但国有煤矿与小型煤矿堆存总量相当。小型煤矿分布散乱，环境问题突出，如攸县黄兰矿区开采历史悠久，老窑众多，煤矸石堆体达数百处，堆积总量大于当地国有矿山。

1.3 资汝煤田煤矸石分布特征

资汝煤田煤炭资源储量及累计采损量在湖南所占比重不大，但该区开采历史长，区内分布国有鲤鱼江煤矿、唐洞煤矿等现代化矿井七对。煤矸石堆存占全省比重小，但国有大型煤矿聚集，煤矸石堆存高度集中，单个矿山堆存量可达百万吨级别，临近城区，便于利用。

2 煤矸石资源特征

湖南省煤炭资源形成期时代多，不同含煤地层、不同矿区、不同层位的煤矸石理化特性差异较大，本次研究从发热量、岩石组成、有益元素等方面对湖南煤矸石资源分类进行了初步探讨。

2.1 发热量分类

煤矸石的发热量决定着煤矸石资源化利用的方向。根据《国家能源局关于促进煤矸石发电产业健康发展的通知》，用于发电煤矸石发热量不得低于5.02 MJ/kg，根据《邵阳市关于加强砖瓦用页岩开发利用管理的通知》，砖用煤矸石发热量不低于2.52 MJ/kg，将其分为三类：一类＞5.02 MJ/kg，二类2.52～5.02 MJ/kg，三类＜2.52 MJ/kg。一类煤矸石发热量相对较高，一般宜用作煤矸石电厂发电燃料，二类煤矸石可利用其发热量生产内燃砖、瓦等建材制品，三类煤矸石可根据其物质组成特征确定其利用方向，如作为生产水泥、化肥、陶瓷原材，或作为建筑石材直接利用。

本次调查收集了郴耒煤田梅田矿区、涟邵煤田常乐矿区6组煤矸石样品化验资料（表1），测试结果表明，梅田矿区3组样品煤矸石发热量为4.73～7.88 MJ/kg，平均6.08 MJ/kg；常乐矿区3组样品煤矸石发热量为2.37～4.81 MJ/kg，平均3.20 MJ/kg。

表1 煤矸石样品工业分析结果及发热量分类表

2.2 岩石组分分类

煤矸石为多种岩石混合物，以矿物组成为基础，湖南省产于不同地区、不同时代层位、不同开采方式的煤矸石化学成分差别很大，一般可分为粘土类矸石、砂岩类矸石两类。粘土类矸石多产自煤层夹矸、直接顶底板，主要由碳质泥岩、泥岩、砂质泥岩组成，多呈黑色、深灰色，粉末状、碎块状，碳含量、粘土含量相对较高，石英含量低。砂岩类矸石一般产自掘进巷，主要由粉砂、细砂岩、中粒砂岩组成，多呈浅灰色，块状，较坚硬，其碳含量、粘土含量低，石英含量低。

煤矸石中SiO2、Al2O3、CaO等化学成分含量与岩石组成相关。粘土类矸石，Al203含量高；砂岩类矸石，SiO2含量高。张术根等根据矸石Al2O3、SiO2的含量将煤矸石划分为高铝质、粘土岩质、砂岩质三大类（表2），可大致区别其利用途径。高铝质矸石主要利用其高岭石或Al2O3；粘土岩质可用于烧制砖瓦、陶瓷，制造硅酸盐水泥；而砂岩质矸石重在利用SiO2和石英，可制作高硅微晶玻璃。

表2 高铝质、粘土岩质、砂岩质煤矸石分类依据

2.3 煤矸石中有益元素分类

煤矸石中含种类繁多的稀有稀土元素，当煤矸石中某种元素或几种元素富集到具工业利用价值时,可根据其稀有元素含量进行分类，以便利用。本次收集了湖南4个煤矸石样品重金属元素含量分析结果，各类重金属元素含量均较低，目前不具有回收利用的经济和技术可行性，见表3。

表3 部分煤矿煤矸石重金属元素含量 （g/t）

3 煤矸石综合主要利用途径

3.1 煤矸石发电

利用煤矸石发电，是煤矸石最有效利用途径。湖南有多个矿区煤矸石发热量满足要求，目前湖南省已有多个煤矸石发电项目，如资兴市三都矿区有大量煤矸石产出与堆积，固废污染严重，为此投建煤矸石发电厂，每年利用煤矸石约60万t，发电3.6亿度，增加就业岗位近300个，社会、经济及生态效益显著。

3.2 制备内燃砖

随着粘土砖的全面禁用，煤矸石成为制砖的主要材料之一。因煤矸石自身具有一定发热量，烧制时可节省大量燃料，同时煤矸石砖抗压、抗剪强度高于传统粘土砖，且具有质轻、保温等特点，是一种优质的绿色建材。湖南邵阳县在煤矸石制砖方面取得了显著成效，年产约1亿块，利用煤矸石约20万t，节约原煤0.6万t，减少CO2排放约1.5万t，既大幅节约制砖成本，又保护了生态环境。

3.3 水泥原料

煤矸石中含有较高的Al2O3、SiO2、CaO，同时具备一定发热量，可作为水泥生产的原、燃料，既可利用其物质成分代替传统水泥原料的物质组分，又可利用其自身发热量，使得煅烧更为充分。如湖南宜章县辉亮水泥厂，利用煤矸石取代粘土，年利用煤矸石约3万t，节约原煤0.5万t。

3.4 在陶瓷工业中的应用

大量的研究和实践表明，部分煤矸石矿物成分和化学组分与粘土相近，其工艺性能在一定的技术条件下符合陶瓷生产的要求。Al2O3含量高的矸石是烧制陶瓷的优质原料，如湖南青峰煤矿煤矸石满足制陶要求。

3.5 生产农肥

碳含量高的煤矸石中，富含植物生长所需的多种微量元素，同时煤矸石具有微观孔隙结构发育，具有较好的吸附容量，是携带固氮、解磷、解钾等微生物最理想的基质和载体，可制备有机复合长效肥料。肥料颗粒风化伴随着有机养分的逐渐释放，在2～3年内可保持化肥持续发挥作用，玉米、谷物较常规化肥增产约10%。

3.6 充填塌陷区、复垦及建筑石材

对于没有深加工价值的煤矸石，一般直接用于矿山采空区、塌陷填充或建筑石材。在宁乡市煤炭坝矿区采空区塌陷治理、湘潭县谭家山矿区生态修复中，煤矸石复垦及填充塌陷取得较好效果。耒阳市富兴煤矿以砂岩质矸石制备不同粒径石材，已成为矿山新的经济增长点。

4结论与建议

湖南煤矸石资源丰富，品类繁多，具有多重资源属性，煤矸石的综合利用将化害为利，减少环境污染，有效调和生态环境与矿业活动之间的矛盾。为充分发挥煤矸石资源属性，最大限度地实现废物资源化，具体建议如下：

（1）对湖南煤矸石资源特征及堆存现状展开系统调查，以掌握煤矸石空间分布、堆存数量、物质组成、物理性质、化学成分等特征，基于利用途径，对全省主要煤矸石进行分类、分级。

（2）倡导全省煤矿建立煤矸石台账，排矸进行分类堆放，统计各类矸石产出情况，以实时掌握矸石产出情况。

（3）支持煤矸石综合利用项目科研立项，科技先行，以攻克煤矸石高层次利用中的技术难点，为煤矸石生产高附加值产品提供技术保障。

（4）出台一系列煤矸石综合利用的鼓励政策，扶持煤矸石综合利用企业，进而建立煤矸石综合利用示范基地，以点带面辐射推广。