煤矸石固废无害化处置与资源化综合利用现状与展望

王玉涛

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；3.西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安 710048)

煤炭作为基础能源，对我国经济建设和社会发展起到了重要的支撑和推动作用[1-2]，近十多年来，我国煤炭产量一直占世界煤炭产量的40%以上(图1)。据国家统计局数据，2020 年我国煤炭产量39.0 亿t，约占全球煤炭产量的50.4%。随着国家能源产业结构的调整，煤炭消费量在一次性能源消费总量的比例虽有所下降，但在一定时期内煤炭依然是我国最重要的一次性能源[3]。

图1 2000-2020 年我国煤炭生产及消费统计数据Fig.1 China’s coal production and consumption data from 2000 to 2020

煤矸石作为煤炭开采与加工生产过程中的主要固体废物，占原煤产量的15%～20%，因热值低、利用困难，一般露天堆放排弃在矿区周边地表。据统计，目前我国煤矸石累计堆存量已超过60 亿t[4]，形成2 600 多座大型矸石山[5-6]，压占土地1.3 万hm2[6]。煤矸石堆积不仅占用大量土地，且带来水土流失、滑坡、泥石流等地质灾害隐患；矸石山自燃产生的SO2、NOx 等有毒有害气体对矿区大气环境造成严重污染；在雨水淋溶和渗滤等作用下，煤矸石产生的有毒有害元素将会对土壤和地下水带来一系列严重的生态环境污染问题[7]。

为保护生态环境，进一步促进煤矸石综合利用产业健康有序发展，加强煤矸石综合利用管理，我国针对煤矸石的处置与利用问题出台了《煤矸石综合利用管理办法(2014 年)》《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》等一系列政策与规定。2021 年3 月28 日，十部委联合发布的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》，对煤矸石综合利用体系、模式和综合利用率提出了明确要求。

从煤矸石堆放造成的危害、煤矸石处置与综合利用方面政策法规和缓解我国资源短缺等多个方面来看，开展矿区煤矸石的科学化、规模化处置，提高煤矸石资源的综合利用率，是解决煤矸石带来的环境污染、地质灾害隐患等问题的有效途径。笔者在系统梳理煤矸石分类方法、理化性质、综合利用现状及发展存在问题的基础上，详细论述煤矸石无害处置技术方法和综合资源化利用途径，展望我国煤矸石规模化处置与综合利用的未来发展方向，旨在为我国煤矸石产业未来发展提供借鉴。

1 我国煤矸石排放现状

1.1 煤矸石分类

根据煤矸石的来源、特征、成分等不同指标，我国形成了以三级分类命名法[8]和等级定量法[9]等为代表的多种煤矸石分类方法。2013 年，国家颁布实施的GB/T 29162—2012《煤矸石分类》标准，从煤矸石资源化再利用的角度，对煤矸石分类方法进行了规范，并按照主要指标依次进行排列编码。煤矸石具体分类方法见表1。

表1 煤矸石分类方法Table 1 Classification Method of coal gangue

1.2 煤矸石的理化特征

煤矸石是由炭质页岩、泥岩、砂岩及煤炭等物质组成的黑灰色沉积岩，与煤层伴生，具有含碳量低、比煤硬、干基灰分大于50% 的特点，颗粒密度2 100～2 900 kg/m3。煤矸石发生自燃后其堆积密度有所降低，主要是由于煤矸石中的碳和有机物在燃烧过程中形成气体，以及热量作用下岩体结构破坏造成孔隙度增加所致。

根据不同地区煤矸石化学成分数据(表2)，我国煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍较高，大部分地区SiO2质量分数为36.90%～70.25%，Al2O3质量分数为4.68%～42.40%，二者的总量可达52.23%～96.36%，仅陕西长武亭南煤矿、新疆哈密三道岭2 矿、新疆伊宁达达木图乡煤矿及陕西铜川自燃煤矸石的SiO2与Al2O3质量分数小于20%。不同地区煤矸石的化学成分存在一定差异，我国铝质岩类煤矸石主要分布在山西大同、山西阳泉、山西长治、陕西铜川、内蒙古准格尔、江苏徐州、安徽淮北、贵州遵义等地区；黏土岩类煤矸石在河北、河南、安徽、云南、新疆、陕西、贵州等地分布较广；砂岩类煤矸石主要分布在辽宁、新疆和山东等地；钙质岩类煤矸石主要分布在陕西长武、新疆哈密和伊宁等地。

表2 不同地区煤矸石化学成分Table 2 Chemical composition of coal gangue from different areas

1.3 煤矸石排放现状

近年来，煤炭产量不断增加，煤矸石产量随之显著增加。据统计，2020 年我国产生煤矸石7.29 亿t，是1995 年1.47 亿t 的4.96 倍。根据煤炭需求与产量预测，“十四五”期间每年产量仍维持在6 亿～8 亿t，预计到2025 年，我国煤矸石产量约为8 亿t。

煤矸石作为煤炭开采与加工生产过程中的主要固体废物，其产地分布与煤炭资源的赋存状况和区域分布特点具有显著的相关性。根据我国聚煤盆地成煤特点，煤矸石产地可划分为东北、华北、华南、西南和西北5 个区域[28]，如图2 所示。从分布区域来看，我国煤矸石的总体排放特点是“北多南少，西多东少”[29]。从2018 年我国主要产煤省份煤矸石新增产量统计数据来看，内蒙古、山西、陕西、新疆等9 个煤炭主产省份新产生煤矸石5.79 亿t，占全国年新增总产生量的87.38%；仅晋陕蒙3 个省份煤矸石产生量就达到全国的66.38%，如图3 所示。随着我国能源产业结构的优化调整和千万吨级现代化大型煤矿建设的不断推进，我国煤炭集约化、区块化、规模化、高效化生产供应水平显著提高，使煤矸石的生产和排放朝着集中、高产、规模化方向发展。

图2 我国煤矸石产地区域分布[28]Fig.2 Regional distributionofcoal gangue producing areas in China[28]

图3 2018 年主要产煤省份矸石新增产量及全国占比Fig.3 New output of gangue in main coal producing provinces and the proportion of each province in China 2018

2 煤矸石处置与综合利用现状和途径

自20 世纪60 年代，我国已开始进行煤矸石处置和综合利用方面的探索和实践工作，但进展较为缓慢，利用途径主要为回填筑路和生产低性能矸石砖瓦建材。近年来，在相关政策的推动与引导下，煤矸石综合利用技术得到一定发展，利用量保持了相对稳定增长。从统计数据可以看出(图4)，九五、十五期间综合利用低于60%，到“十二五”末达到68.4%，2020 年煤矸石综合利用率达到72.2%[30]，较1995 年增加34.2%。我国煤矸石固体废物堆存量和排放量巨大，现有煤矸石无害化处置与资源化综合利用的规模和能力明显不能满足国家对生态环境保护及“双碳”目标下煤炭综合利用的相关要求。

图4 1995—2020 年我国煤矸石产量及综合利用统计数据Fig.4 Statistics of China’s coal gangue output and comprehensive utilization from 1995 to 2020

煤矸石处置与综合利用方法和途径很多(图5)，主要有填坑筑路、土地复垦、塌陷区回填、低热值燃料煤矸石发电和生产建材产品等方面。2020 年，我国煤矸石综合利用量约5.26 亿t，采空区回填、筑路和土地复垦等方式利用的煤矸石量占总利用量的56%，用于煤矸石及低热值煤发电的煤矸石量占30%左右，用于生产建筑材料的煤矸石占11%[2]，用于有价元素提取及高附加值化工产品约占3%。目前，煤矸石处置和综合利用依然是以技术水平相对较低的露天排弃、填坑筑路、土地复垦、塌陷区回填等方式为主，而高技术含量、高价值的煤矸石发电、高附加值化工产品、有价元素和高性能建筑材料利用方面不足50%，高价值综合利用率依然较低，多组分梯级利用模式尚未建立。

图5 煤矸石规模化处置与综合产业化利用途径Fig.5 Large scale disposal and comprehensive industrial utilization of coal gangue

3 煤矸石规模化无害处置技术

煤炭开采和洗选是煤矸石来源的2 个主要途径，煤矸石规模无害化处置技术主要包含以下几个方面：

(1) 煤炭开采过程形成煤矸石处置，可采用煤矸石井下“采选充处”一体化固体充填开采技术。

(2) 洗选产生的煤矸石，可采用在洗煤厂增加破碎研磨设备，将煤矸石粉制作成膏体或浆体材料，利用管道，通过钻孔或井筒与巷道输送至采空区进行充填。

(3) 对于堆存或新形成煤矸石，亦可采用煤矸石地面筑基、塌陷坑回填与土地复垦等方式进行处置。

3.1 采空区充填

采空区作为地下固体矿床开采形成的人工空间，以往采取顶板自由垮落方式管理，顶板自然垮落，空间并未得到有效利用。煤矿开采所形成的采空区，引发地表大面积采煤沉陷。截至2018 年底，我国采煤沉陷区面积约为21 600 km2[31]，采煤塌陷对矿区土地和生态造成严重影响。利用煤矸石充填采空区为实现煤矸石的规模化无害处置提供了新的有效途径。

煤矸石采空区充填主要分为固体充填、膏体充填和浆体充填3 类。

1) 井下“采选充处”一体化固体充填开采技术

煤矸石井下“采选充处”一体化固体充填开采技术是以井下矸石不升井、从源头实现煤矸石减量化为出发点，是从源头控制煤矸石排放增量的有效方法，开采模式如图6 所示。

图6 煤矸石井下分选协同原位充填开采模式[14,32]Fig.6 Mode of coal waste separation and coordinated in-situ backfill and mining[14,32]

该技术具有适应性强、处理规模大、处理成本低的特点，其主要包含：井下煤矸石分选、多源固体充填材料、“采选充处”多工序协同智能控制等模块，实现了利用采煤产生的空间进行煤矸石井下快速规模化处置[32]。该技术在实现煤矸石规模化处置的同时，对释放“三下”煤炭资源，防止冲击地压灾害的发生，减小煤层覆岩损伤实现保水采煤，有效控制地面沉降，提高采煤沉陷区地基承载力等方面均具有重要作用，是煤炭生产全过程的重大技术创新。

2) 煤矸石地面采空区膏体与浆体充填技术

煤矸石地面采空区膏体与浆体充填技术是将煤矸石破碎研磨后，将煤矸石粉和胶凝材料与水混合搅拌制备成充填膏体或料浆，通过充填管道、钻孔或井筒与巷道输送到地下采空区、垮落带、裂隙带及离层空隙内，在注浆压力作用下，浆液经过渗流扩散，重新形成“充填结石体、关键层、隔离煤柱、压实垮落岩体”等组成的联合承载结构，以实现控制地表沉降、保护环境的“以废制害”目的。目前，国内外仍广泛采用水泥作为充填胶凝材料[33]，用于采空区注浆充填。该方法是控制煤矸石增量、大规模减少煤矸石堆存量的最有效方法之一，可有效解决煤矸石地面堆放引起的环境污染问题，降低矸石山滑坡、泥石流等地质灾害风险，对减轻老采空区地面塌陷对地表建(构)筑物、耕地与生态环境破坏等有重要作用。

3.2 地面筑基处置

煤矸石是一种优质的工程填筑材料，可单独代替灰土与黏性土、粉煤灰、熟石灰混合，作为普通公路路基或底基层的填料。在保证含水量、压实度和良好粒径级配的条件下，煤矸石可与石灰等发生水化反应，获得较高的承载能力。实践表明：煤矸石路基具有成形快、强度高、稳定性好的特点[34]。目前缺乏统一的指导标准，煤矸石筑路施工随意性较大，重金属和硫化物污染控制问题尚未得到很好解决。由于道路为线性工程，每公里煤矸石消耗量有限，不可能实现煤矸石的集中、连续、大规模利用。

3.3 塌陷坑回填与土地复垦

塌陷坑回填与土地复垦是煤矸石规模化处置与综合利用最简单直接与投资最少的方式，是实现矿区生态修复、煤矸石封存保护与减量化最有效途径之一。受煤矸石压占与损毁土地一般采用推土机回填压实，表层覆土的方式进行复垦[35]。煤矸石含有丰富的钾、铁、硅、锰等微量元素与营养成分[7]，能有效改良土壤活性，提高土壤孔隙度，使细菌和氧更好地分解有机质；硫元素可提高土壤酸性，抑制水合铁离子、水合铝离子的水解，增强铝离子和铁离子对水分的吸附，减少土壤水分蒸发，促进植物生长。煤矸石土地复垦应充分发挥自身的修复能力，采取适当、及时、科学的人工干预，实施过程中为避免煤矸石中有害元素浸透到土壤中，应保持土壤结构，建立复垦土地的监测平台。

4 煤矸石资源化综合利用技术

4.1 发电技术

当煤矸石中含碳量超过15%时，其粉碎后颗粒燃烧具有较高发热量，可用于燃烧发电。一般认为，用于发电时，发热量大于6 272 kJ/kg 的煤矸石可直接用作锅炉燃料，发热量在4 181～6 272 kJ/kg 的煤矸石则需混杂一定比例发热量较高的煤泥、中煤等才能进入锅炉[36]。我国利用煤矸石发电的历程随着燃烧锅炉技术法发展大致分为4 个阶段，如图7 所示。

图7 煤矸石发电工业装备与技术发展历程Fig.7 Development history of coal gangue power generation industrial equipment and technology

第一阶段，沸腾锅炉燃烧发电技术。20 世纪70 年代开始开展煤矸石沸腾锅炉工业试验[37]。1981 年，黑龙江鸡西矿务局滴道发电厂采用130 t/h 沸腾炉建成我国第一个25 MW 容量煤矸石发电厂。此后陆续建设了江西萍乡高坑、安源、王坑，重庆赵各庄、安徽淮南八公山等煤矸石电厂。该阶段仅在四川、重庆、江苏等地区个别矿务局进行了煤矸石发电项目示范。

第二阶段，20 世纪90 年代，煤矸石发电技术实现从沸腾锅炉燃烧向循环流化床燃烧和混合燃烧发展。在这一时期，大部分为自备发电项目，用于综合利用坑口煤电资源。循环流化床锅炉已从35 t/h 逐步发展到220 t/h，单机容量在6～135 MW，其中以25 MW 以下小型机组为主要配置。到2000 年底，我国煤矸石发电厂的装机容量达到1 840 MW。

第三阶段，在“十五”和“十一五”期间，300 MW大型循环流化床锅炉燃烧发电技术逐步得到应用，并于2008 年全面实现300 MW 等级循环流化床锅炉国产化，技术达到世界先进水平。2010 年全国煤矸石电厂装机容量达到26 000 MW，年消耗煤矸石约1.3 亿t，节约3 500 万t 标准煤，其中135 MW 和300 MW 等级的机组装机占比超过50%。

第四阶段，“十二五”以来，世界上第一台600 MW超超临界循环流化床锅炉于2013 年在四川白马电厂建成投产，将我国煤矸石发电技术推向一个新的发展阶段。

根据部分煤矸石电厂规模统计数据(表3)可以看出，近年来，我国新建低热值煤矸石电厂多集中在山西、内蒙古、陕西等主要产煤省份的重要煤炭基地周边。据不完全统计，到2020 年底，我国建成的煤矸石及低热值煤综合利用发电装机容量达到42 000 MW，其中300 MW 及以上亚临界发电机组达到90 台。仅2019 年，煤矸石发电厂就消耗1.51 亿t 煤矸石，约占煤矸石总利用量的28.8%，回收能源相当于4 700 万t标准煤[14,38]。煤矸石发电在“煤炭－电力－煤化工－建材”等煤矸石综合利用产业链中起到重要作用。

表3 部分煤矸石电厂规模统计Table 3 Scale statistics of some coal gangue power plants

4.2 高性能建筑材料

4.2.1 生产水泥

煤矸石富含SiO2和Al2O3，将其应用于水泥生产，在充分利用其自身热值，节省节约燃料的同时，又可有效节省黏土资源。煤矸石粉碎后，与石膏、熟料按不同比例混合，可制成快硬、早强、膨胀、无熟料或少熟料以及硫铝酸盐等特种水泥[39]。煤矸石在水泥生产中的应用较早，但工业化发展缓慢，产量较低。虽然在开发高含量煤矸石水泥方面做出了很多努力，但在实际生产中，煤矸石的比例仍然不足15%[40]。目前，如何充分激发煤矸石的水化活性，提高其掺量，仍处于应用开发阶段[41-42]。煤矸石水泥生产工艺复杂，受消费群体分布和运输成本等问题限制，往往难以形成大型煤矸石水泥厂，限制了煤矸石综合利用的规模。

4.2.2 墙体材料

煤矸石含有丰富的黏土矿物，经过原料选择、均化、粉碎筛分、净化、搅拌成型、码坯、干燥、焙烧、冷却等工序，可加工成各种性能优良的新型墙体材料，如透水砖、多孔砖、免烧砖、釉面瓷砖、微晶玻璃、高档陶瓷等。对于发热量介于2 095～4 190 kJ/kg 的煤矸石制砖是其最常用的利用方式。自1964 年进行煤矸石制砖工业试验以来，在四川、山东、辽宁等多省相继建成了煤矸石制砖厂。到2005 年，我国煤矸石砖厂年生产煤矸石砖达到100 亿块[37]。冯荣等[43]采用发泡陶瓷空心砖体填充煤矸石陶粒制备的透水砖抗压强度达到30 MPa 以上，透水率超过6 000 mL/min。我国在煤矸石烧结砖和空心砖常规生产工艺的基础上，陆续开发了煤矸石无机纤维防火保温材料、自保温砌块、高孔洞率空心砌块、地砖、煤矸石闭孔发泡陶瓷、煤矸石轻质保温砌砖、透水砖、清水装饰墙砖等多种类型不同规格的产品，不断重视民族区域特色、文化装饰、建筑承载和节能等综合功能产品研发。低成本、多功能(高孔洞率、高掺渣量、节能、轻质、高强、装饰)、多品种已成为煤矸石制备墙体材料的未来发展方向。

4.2.3 再生骨料

骨料是混凝土的主要成分，每年我国砂石消耗量超过200 亿t。煤矸石成分和性质与砂石原料相近，CaO 质量分数大于5%、硫含量小于1%、烧失量小于8%的煤矸石[44]，将其作为机制砂石原料，不仅可以扩大机制砂石的原料来源，增加机制砂石产量，而且可以有效缓解骨料资源的短缺，实现煤矸石资源化利用[45]。煤矸石用于制备混凝土再生骨料有2 种方式，一种是直接破碎、筛分作为混凝土粗细骨料利用，该方式具有耗能低、操作简单的优点；另外一种是通过烧制轻骨料陶粒方式进行利用，成品煤矸石陶粒具有隔音隔热、轻质高强、低吸水性等特点，是优质的高强度建筑原材料。采用陶粒配制的高性能混凝土适用于制作混凝土空心砌块、结构保温墙体、复合墙板、屋面保温及多种建筑的预制构件。煤矸石陶粒骨料制备条件的筛选和煤矸石混凝土耐久性能是当前的研究重点与热点。

4.3 有价元素提取

煤矸石中含有丰富的铝、硅、铁和钙等有价元素及镓、钪、锂、钒、钛及稀土等微量稀有元素。有价微量稀有元素的提取是煤矸石深度开发利用的重要方向，是有效缓解我国资源短缺的重要手段。根据煤矸石中矿石赋存状态、含矿品位、嵌布特征等不同，采取不同方法进行分选提取。当煤矸石中全硫质量分数达6%时，可以使用全重介脱硫精选工艺提取硫精矿。煤矸石中黄铁矿常用的分选有跳汰、摇床、水介旋流器、重介旋流器、螺旋溜槽等方法[46-47]。当煤矸石中TiO2的质量分数在0.5%～1.5%，铁质量分数低于0.6% 时，可以用煤矸石冶炼硅铝铁合金的工艺流程生产硅铝钛合金。煤矸石中如镓、钪、锂等稀土元素提取多采用盐酸进行选择性溶解后，用氢氧化铁或氢氧化铝沉淀法有效地分离富集稀土元素，再用草酸盐沉淀将稀土元素与Fe、Al 分离，通过高温焙烧实现稀有元素提取。由于煤矸石中有价元素含量偏低，提取技术成本偏高，后续应进一步加强煤矸石中金属资源分布、赋存的调查研究，亟需提高煤矸石中有价元素的提取利用效率。

4.4 制取化工产品

4.4.1 铝 系

我国铝土资源相对稀缺，以铝硅比大于0.5，Al2O3质量分数大于35%的高铝煤矸石为原料，采用酸溶或碱溶方式可制备硫酸铝、氢氧化铝等20 多种铝系化工产品，可有效缓解铝土资源短缺的局面。实践证明，煤矸石中氧化铝提取率可达80%以上，铝系化工产品被广泛应用在造纸、橡胶、有机高分子、污水处理及陶瓷材料补强等多个领域。

4.4.2 硅 系

煤矸石含有丰富的二氧化硅，可利用高硅煤矸石为原料合成工业填料碳化硅、水玻璃、白炭黑等多种硅系化工产品。以高硅煤矸石和烟煤为原料，采用Acheson 法[6,48]合成碳化硅，具有速度快、污染少、成本低的特点，为煤矸石利用提供了途径。白炭黑作为一种环保、性能优异的橡胶增强剂和塑料填充剂，在制药、纺织、造纸等多个领域有广泛应用。以煤矸石为原料，替代硅酸钠、四氯化硅和正硅酸乙酯作为硅源，可大幅降低白炭黑的生产成本。煤矸石制备氯化铝的剩余滤渣通过碱化反应，并经沉淀、浓缩处理可生产Na2SiO3，将其与CO2和空气混合，经冷却、沉淀、过滤、脱水、干燥、粉碎等工艺，即可获得成品白炭黑。刘成龙等[49]利用以煤矸石浸取Al、Fe、Ti 等元素后的浸渣为原料，在利用硫酸钠干法制备出水玻璃的基础上，采用碳化法制得比表面积为267.33 m2/g、DBP吸油值为2.77 mL/g 的高纯度白炭黑产品。朱明燕等[50]对煤矸石采用氟盐烧结法分离铝硅，成功制备了主要成分为无定型SiO2的白炭黑，SiO2回收率达到93.72%，符合我国白炭黑行业标准的相关要求。

4.4.3 制备分子筛

煤矸石作为原料通过碱处理不仅可以制备4A 分子筛，还可以制备NaA 和NaX 型、13X 型、CHA、PAFS 与P 型等多种分子筛。4A 分子筛是一种具有微孔立方晶格的合成碱金属硅酸铝盐，骨架上具有均匀的孔径，不仅能吸附水、乙酸等极性溶剂，还能通过静电场吸附气体、液体等分子，在化工冶炼、污水处理和环境保护等众多领域被广泛应用。合成分子筛的工艺流程为：首先将煤矸石经研磨、煅烧、焙烧等工艺活化成活性高岭土，然后经碱胶凝、结晶合成、杂质过滤、干燥得到分子筛。该方法具有较强的竞争力，可大幅度降低分子筛的生产成本，有效促进煤矸石的综合利用。孔德顺等[51]以贵州六盘水矿区煤矸石为原料，利用酸浸除铁、煅烧除碳、碱熔活化的方法，激发了煤矸石的活性，从而获得活性很高的制备分子筛原料，通过水热合成反应，获得了高性能4A 分子筛，钙离子交换量达到国家相关标准。

4.5 农业肥料

煤矸石中有机质质量分数为15%～25%，并含有植物生长所需要的B、Mn、Cu、Co、Zn 等微量元素，可以调节土壤环境不平衡状态，增加有机质和营养元素含量。煤矸石经粉碎、研磨、干燥等工序，与添加剂和水等混合均匀，充分活化，可制成新型有机复合肥料；将煤矸石作为固氮等微生物的基质和载体，亦可对混合料通过喷洒巨大芽孢杆菌和硅酸盐细菌等生物制剂、造粒、干燥、挂膜等工艺制作微生物肥料。

5 煤矸石无害化处置与资源化综合利用存在问题与研究展望

5.1 存在问题

“十三五”期间我国在煤矸石无害化处置与资源化利用方面取得了显著成绩，但仍存在很多问题没有得到有效解决。

(1) 煤矸石处置与综合利用率低，煤矸石堆存导致环境与安全问题突出。由于能源需求的持续增加，煤炭开采量的增大，煤矸石处置与综合利用能力严重不足，堆积形成的大量矸石山。煤矸石长期露天堆放，在自燃、淋溶、浸泡等作用下，有毒有害成分和化学物质对矿区大气、土壤、地表及地下水带来严重环境污染风险，同时也成为泥石流、滑坡等地质灾害危险源。

(2) 煤矸石利用地区发展极不平衡。对于能源紧缺的地区，如东部地区和西南部地区，煤矸石的利用率比较高，技术发展较快，而在煤炭资源丰富的地区，如山西、陕西和东北三省等，煤矸石产业发展相对滞后。

(3) 煤矸石无害化处置与资源化综合利用总体技术水平较低，产业链不完善，产业发展层次不高，高附加值利用量比例较小。煤矸石企业规模小，利润低，盈利能力普遍存在问题。一些高科技含量的煤矸石利用技术还没有真正落地，煤矸石无害化向资源化利用转变过程中的盈利能力问题需要持续改善。受区域经济低迷、需求疲软的市场空间限制，企业投资动力普遍不足。

5.2 研究展望

“双碳”目标下的煤矸石固废无害化处置与资源化综合利用是煤炭工业发展循环经济的有效途径，对实现矿区生态环境保护具有重要意义，相关研究迫在眉睫。煤矸石处置与资源化综合利用产业化发展应以“物尽其用、因地制宜”为基本思想。重点应开展以下研究内容：

(1) 煤炭生产基地煤矸石分类和理化特性、资源属性与空间地理分布规律研究。从聚煤规律、成岩特征、地质作用等方面探索煤矸石固体废弃物的成因、类型、组成及地质特征的规律；构建煤矸石固体废物理化性质、资源环境属性和空间地理分布数据库；划定煤矸石梯级利用分区，编制煤矸石综合利用规划，为实现煤矸石的多层次、多途径、快速高效综合利用提供基础数据。

(2) 采煤沉陷区煤矸石土地生态修复利用技术、煤矸石井下“采选充处”一体化充填开采技术及煤矸石地面采空区膏体与浆体充填技术研究，开发基于煤矸石的土地修复与生态恢复新型环保材料，集成矿区生态环境恢复治理和煤矸石固废综合利用与煤炭协同开采一体化成套技术与装备，从源头实现煤矸石减量化和资源化。

(3) 煤矸石发电、高性能建筑材料及高附加值化工产品利用方法研究，构建煤矸石规模化无害处置和资源化多层级综合开发利用模式，形成具有集煤炭开采、发电、化工、煤基固废综合利用、稀有元素提取等产业有机结合完整产业链。

(4) 煤矸石固废资源环境特性、有害物质迁移规律、生态环境影响效应、规模化无害处置与资源化综合开发利用的大数据管理应用平台开发。

(5) 构建“煤炭—固废发电—有价元素提取—化工产品—建材材料—井下充填—地面回填—农业应用”的闭合循环产业链模式。

(6) 建立“梯级回收+生态修复+封存保护+井下高效自动化充填”规模化处置与综合利用体系。提高煤矸石综合利用率，促进煤矸石多元素、多组分梯级利用与减量化，建设绿色矿山。

6 结论

a.我国煤矸石具有存量和排放量大、产量高度集中、综合利用率低、区域发展极不平衡的特点，煤矸石无害化处置与资源化综合利用总体技术水平较低，产业链不完善，产业发展层次不高，高附加值利用量比例较小，不能满足国家对生态环境保护及“双碳”目标下煤矸石综合利用的相关要求。

b.提出了从源头实现煤矸石减量化和资源化的有效途径和具体方法，详细阐述煤矸石在发电、建材、资源回收、化工产品制备及农业等方面的综合资源化利用途径，构建了闭合循环产业链发展模式，提出了基于“多途径、多组分、多层次+梯级回收+生态修复+封存保护+井下高效自动化充填”规模化处置与综合利用体系的煤矸石未来产业化发展方向，为煤矸石规模化处置与综合利用提供借鉴。