矸石煤矸石的環(huán)境危害分析

矸石侵占大量耕地

煤矸石多采取絞車提升、翻矸機傾倒，自然成堆，露天堆放方式，這種方式占用大量土地。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國煤矸石山占地已近1．5萬hm²，而且隨著煤矸石排放量的逐年增加，耕地被侵占的現(xiàn)象將進一步惡化，這將進一步加劇我國土地資源緊缺局面。此外，煤矸石山由于自燃等現(xiàn)象發(fā)生，其植被覆蓋率低、黑色地面大面積暴露，嚴重影響地質(zhì)地貌景觀。

矸石大氣污染

我國很多地區(qū)的煤矸石組成為砂巖、砂礫巖、頁巖，因此煤矸石在露天堆積時，易于風化成微細顆粒被帶到大氣中，這些微細顆粒中的可燃性碳氫化合物在高溫下經(jīng)氧化、分解、脫氫、縮聚等一系列復雜反應而形成炭黑、飛灰等粒狀懸浮物，形成霧霾。

同時煤矸石含碳量為5 %～45 %，煤矸石自燃時將產(chǎn)生大量SO₂、CO、CO₂、NO_x等有毒有害氣 體和煙塵，嚴重污染礦區(qū)環(huán)境。

劉汝海等以東北地區(qū)煤矸石為研究對象分析了煤矸石中碳含量、硫含量，以及揮發(fā)分的比例與煤矸石能否自燃的關系，并報道了煤矸石自燃導致污染和人身傷亡的事故。

矸石重金屬污染

在煤矸石所含污染物質(zhì)中，重金屬元素具有不可降解、在 環(huán)境中存留期長、具有很強的“三致”特性而成 為 國內(nèi)外研究的熱點。

不少學者擔心當煤矸石山選址不好，同防滲措施不到位時煤矸石中的重金屬將會污染周圍土壤、地面及地下 水體。Fanfani等從淋溶元素溶解性角度研究了意大利Montevecchi西部一個礦山尾礦堆放場地對土壤－水環(huán)境的重金屬污染情況。Panov等對俄羅斯頓巴斯大煤田重金屬環(huán)境化學進行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn) 在該地區(qū)的許多土壤樣品中Hg、As、Pb、Zn和Cd含 量 超 標。我國學者對危害較大的Hg、Cr、Pb、Cu、As、Zn等重金屬元素 進 行 了 測 定，對煤矸石山及其附近土壤中重金屬元素污染進行了大量研究。

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB1561—2008）的農(nóng)業(yè)用地水田（pH=5．5～6．5）二級標準，對煤矸石堆場周邊的土壤重金屬進行評價，幾處典型煤矸石堆場周圍土壤中的重金屬元素含量除Cr和Zn外，大多數(shù)都高于標準要求的含量，說明煤矸石堆場對周圍環(huán)境存在著一定的重金屬污染，這可能由于礦區(qū)土壤對重金屬具有富集性和遷移性，因此對其進行治理十分緊迫和必要。

矸石地質(zhì)危害

由于歷史原因，我國煤矸石山基本上未經(jīng)設計，煤矸石堆放極不規(guī)范、結構疏松，穩(wěn)定性 差。在無序開挖和自然雨水沖刷的情況下，極易引發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害，給當?shù)厝藛T的生命和財產(chǎn)安全構成嚴重威脅。

中國煤礦所采用的矸石運輸工具有汽車、火車、礦車和架空索道。平原地區(qū)大多將矸石堆積在荒地，或用來填充煤礦塌陷區(qū)進行復墾，或堆積成錐形或脊形煤矸石山。山區(qū)則將矸石沿山坡自由滾落排放，填平山溝，形成平頂矸石山。由于采用的排矸機械和堆積工藝不同，所形成的矸石山形狀不同，矸石山的粒度結構也不同。不同粒度結構的矸石山具有不同的空氣動力學性質(zhì)。具有自燃傾向的矸石所堆積的錐形山自燃發(fā)火率最高，脊錐形及平頂矸石山次之。

煤矸石是煤炭開采和洗選加工過程中排出一種固體廢棄物。我國煤矸石已累計堆存50億t以上，且仍在以每年3．0～3．5億t的速度持續(xù)增加，預計到2020年，全國煤矸石年排放量將增至7．29億t。

煤矸石的大量堆存不僅浪費土地資源，還會發(fā)生自燃、雨淋、泥化等情況，對環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害。然而，從資源屬性分析，煤矸石是一種寶貴的二次資源，對其進行資源化利用是防止環(huán)境災害發(fā)生的必要措施，也是實現(xiàn)我國煤炭行業(yè)生態(tài)文明和循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的重要工作之一。

矸石山的固體廢物包括剝離矸石、煤巷矸石、巖巷矸石、手選矸石、選煤廠尾礦等。矸石山的自燃、爆噴、滑坡及矸石山的淋溶水均對礦區(qū)環(huán)境產(chǎn)生污染。

矸石土地復墾

由于煤矸石山占有大量土地，利用煤矸石充填復墾造田、煤矸石山復墾造林成為了煤矸石利用的重要任務。裴宗陽系統(tǒng)研究了煤矸石山生態(tài)恢復的背景理論以及煤矸石山立地條件，指出煤矸石山生態(tài)恢復需重點研究煤矸石山植被恢復體系構建、立地條件系統(tǒng)、煤矸石山植被恢復的演替規(guī)律以及生態(tài)治理的評價體系構建。煤矸石復墾技術可消耗大量煤矸石，減輕煤矸石露天堆放所造成的環(huán)境污染，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

矸石生產(chǎn)農(nóng)肥和改良土壤

煤矸石在農(nóng)業(yè)上資源化利用主要體現(xiàn)在生產(chǎn)農(nóng)肥和改良土壤兩方面。煤矸石特別是高硫煤矸石中的硫化鐵在高溫下經(jīng)氧化生成二氧化硫，再與氨合成生成硫酸銨。早在1992年劉大錳就報道了煤矸石的這種應用，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)所生產(chǎn)的硫酸銨是一種很好的肥料。

一般來說，新產(chǎn)生的煤矸石偏堿，而陳化后的煤矸石的pH值一般較低，高國雄等研究了煤矸石沙障對沙地土壤的改良效用，發(fā)現(xiàn)煤矸石能使沙地土壤增加細粒物質(zhì)，提高土壤水分含量，改善土壤結構，增加土壤中有機質(zhì)、全N、速效P、速效K的含量，可作為沙地土壤的改良劑，但是煤矸石應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要特別注意污染擴散問題。

煤矸石中含有 一定量的氧化鋁和氧化硅成分。在煤矸石的利用中，將鋁硅質(zhì)量比（w（Al₂O₃）/w（SiO₂））大于0．5的煤矸石作為制造墻體磚、高級陶瓷、煅燒高嶺土及分子篩的原料；將鋁硅質(zhì)量比小于0．5的煤矸石（以砂巖質(zhì)煤矸石為主），配以適當?shù)匿X鐵質(zhì)校正原料生產(chǎn)水泥熟料；而鋁硅含量（w（Al₂O₃ SiO₂））較高的煤矸石，經(jīng)過適當活化處理，可用于生產(chǎn)水泥。

煤矸石具有一定熱值，煤矸石用于生產(chǎn)水泥和熟料可節(jié)約部分燃料。但是，煤矸石品質(zhì)波動較大，容易影響水泥熟料質(zhì)量，而且煤矸石中硬質(zhì)砂巖含量較高，應用于水泥生產(chǎn)過程中磨礦能耗大，所以煤矸石用于水泥生產(chǎn)的技術推廣比較緩慢。

然而，煤矸石用于道路工程建設在國外已經(jīng)有很長的歷史。從相關文獻看，法國、美國將燃燒過的煤矸石渣用于道路充填材料，俄羅斯巴斯頓煤礦將加工后的自燃煤矸石鋪筑在瀝青混凝土路面之下，作為底基層材料，英國將煤矸石與鋁土礦按照4∶1比例混合，制成防滑簡易路面。

我國于1998年京福高速利用煤礦石鋪筑了10km路段，2003年平頂山至臨汾高速也有10．2km路段填筑了煤矸石，這些路況至今良好。煤矸石顆粒表面粗糙并具有棱角性，碾壓后相互嵌擠而比較緊密，產(chǎn)生一定的摩擦力，與水泥膠結作用，更具有良好的路用性能。煤矸石顆粒的組成、膨脹性、密實性、水穩(wěn)性等理化性能優(yōu)良，表明煤矸石可應用于道路工程中。

矸石煤矸石混凝土

王晴等通過正交試驗，采用電通量法來評價煤矸石混凝土氯離子滲透性能。發(fā)現(xiàn)水膠比對煤矸石混凝土抗氯離子滲透性能的影響較為顯著，硅灰摻量影響較大，煤矸石摻量和減水劑摻量對混凝土抗氯離子滲透性能影響較小。制備最佳抗氯離子滲透性能的煤矸石混凝土組合，水膠比為0．30，煤矸石摻量為40 %，減 水 分 劑 摻 量 為0．75 %，硅灰摻量為7 %，此時煤矸石混凝土的6h電通量為943．25C，具有較強的抗氯離子滲透性能。

張玉慶采用不同替代量的煤矸石集料制備透水性生態(tài)混凝土。隨著煤矸石替代量的增加，透水性生態(tài)混凝土的28d抗壓強度和抗折強度逐漸降低，并且都存在著近似的線性關系。替代量不大于40%時，煤矸石集料透水性生態(tài)混凝土可滿足路面的應用要求。

揣丹等以陜西銅川煤矸石為主要原料，以水泥為粘結劑，制成煤矸石－水泥基泡沫混凝土，研究了PVA摻量對泡沫混凝土孔隙結構、力學性能及導電性能的影響。結果表明，摻入PVA可明顯改善泡沫混凝土的孔隙結構且分布更均勻，干密度及吸水率有所降低，當PVA摻量為2 %時，28d抗壓強度、抗折強度分別為6．72、2．04 MPa，且導熱系數(shù)相對較低。

王晴等研究了煤矸石取代碎石對混凝土抗凍性的影響，并且通過使用礦物摻合料和外加劑來提高混凝土的抗凍性。研究結果表明，隨著煤矸石取代量的增加，抗凍性逐漸下降，適宜摻量不超過60%；粉煤灰、高效減水劑、引氣劑的摻入可以改善混凝土的孔結構，減緩隨凍融次數(shù)增加而增長的孔的劣化速率，顯著提高混凝土的抗凍能力。粉煤灰的最佳摻量為膠凝材料的10%；減水劑與引氣劑復合使用效果更好，當摻量分別在0．40 %和0．02 %時，混凝土抗凍能力最強。

煤矸石瀝青混凝土的研究在國內(nèi)開始興起。牛存良等在北京市擔下路鋪筑了首條溫拌WAC－25C煤矸石瀝青混凝土路面底面層，該工程的配合比為：石灰?guī)r（10～30mm）∶石灰?guī)r（10～20mm）：煤矸石（5～10mm）∶機制砂：礦粉=26∶22∶21∶29∶2，最佳油石比為4%，試驗技術指標優(yōu)良，其 中 車 轍 試 驗（60 ℃）動穩(wěn)定度 為1968次/mm，殘留馬歇爾穩(wěn)定度 為93．2 %，凍融劈 裂 殘 留 強度比為81．7 %。該 工 程 共 鋪 筑7cm厚煤矸石瀝青混凝土31898．71m²，使用煤矸石417m³。經(jīng)檢測和實踐表明，溫拌煤矸石瀝青混凝土是低碳環(huán)保型的路面底面層材料。

煤矸石可以配制成煤矸石瀝青混凝土，并成功運用在道路建設中。

矸石煤矸石輕集料混凝土

我國20世紀80年代開始研制煤矸石陶粒輕集料混凝土，但是目前煤矸石輕集料混凝土尚處于工業(yè)試驗階段，多數(shù)企業(yè)采用回轉(zhuǎn)窯法生產(chǎn)膨脹性的煤矸石陶粒，實際混凝土工程中仍普遍存在混凝土開裂現(xiàn)象。

因此，一般被迫采取增加膠凝材料用量、摻加高效減縮劑和活性礦物摻合料的技術措施來防止開裂，但又造成了混凝土的明顯收縮、開裂和耐久性下降，嚴重制約了其在結構工程上的應用。

因此，提高煤矸石輕集料混凝土的體積穩(wěn)定性，減少收縮開裂是決定煤矸石輕集料混凝土應用的關鍵。邱景平等開展了減縮劑、陶粒預濕對煤矸石陶粒輕集料混凝土體積穩(wěn)定性的影響研究，發(fā)現(xiàn)增加減縮劑摻量與提高煤矸石陶粒預濕程度，均會造成煤矸石陶粒輕集料混凝土試件的收縮率明顯下降，體積穩(wěn)定性明顯改善。兩者復合應用更有利于降低 試件的收縮率、提高試件的穩(wěn)定性。

煤矸石中含有約15 %～35 %的Al₂O₃，如果能對這一部分鋁加以利用，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。利用煤矸石制取含鋁產(chǎn)品的研究一直是煤矸石化工利用的一個熱點。

矸石煤矸石中鋁含量與浸取率的關系

對比不同種類煤矸石煅燒后粉煤灰中鋁的提取率，可以看出，不同種類煤矸石樣品提取的鋁含量有較大差異。煅燒活化后進行酸浸提取鋁，鋁浸取率并不會隨著煤矸石中鋁含量的升高而升高或降低，而是在同等試驗條件下煅燒活化提取煤矸石中的鋁時，其浸取率總會保持在60 %～70 %的范圍內(nèi)。這說明煤矸石中的鋁浸取率與煤矸石的來源無關，這也為低鋁煤矸石提鋁提供了理論依據(jù)。

矸石煤矸石中提取氫氧化鋁

煤矸石中的主要 礦物相為高嶺石（Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）與石英（SiO₂），高嶺石具有單層網(wǎng)結構，單網(wǎng)層間由氫鍵相聯(lián)，因此氧化鋁的活性差，要從高嶺石中提取氧化鋁十分困難。為從煤矸石中提取氧化鋁，需將煤矸石進行礦物改性處理，使高嶺石中的氧化鋁成為活性氧化鋁。

任雪嬌以煤矸石為原料，經(jīng)機械活化、熱活化、酸浸提鋁，酸浸液利用Fe³ 、A1³ 水解pH值的差異分離鋁鐵，制備氫氧化鋁，確定了最佳工藝條件為粒度0．178mm，焙燒溫度750 ℃，焙燒時間120min，浸取溫度95 ℃，浸取時間4h，液固質(zhì)量比3，硫酸質(zhì)量分數(shù)40 %。此條件下煤矸石中Al₂O₃的浸取率達到81．8 %。耿學文等采用堿石灰燒結法從高鋁煤矸石中提取了氫氧化鋁，試驗原料經(jīng)過堿液預處理，使其中的鋁硅質(zhì)量比由原來的0．86提高到2．21。在燒結溫度為1200 ℃、Na2O/Al2O3物質(zhì)的量比為1．0，CaO/SiO2物質(zhì)的量比為2．1時，熟料的燒結質(zhì) 量 最 好，其 中 氧 化 鋁 的 浸 取 率 最 高 達 到94 %。最佳條件下得到的溶出液以一水鋁石為晶種，在添加甲醇并于30℃下分解5h，鋁酸鈉溶液中氧化鋁的分解率達到88．9%；掃描電鏡結果顯示，生成的鋁氧水合物呈片狀生長。

呂淑珍用碳化法從煤矸石中制備高純超細氫氧化鋁粉體，在氧化鋁活化過程中巧妙地利用C₂S晶相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積膨脹，造成硅酸二鈣連同其他礦物一起粉化（自粉化），省去了傳統(tǒng)的粉磨工序，這不僅可節(jié)省電能，而且化學粉碎形成的粉末比機械粉磨的粉末更細，有利于以NaAlO2形式提取鋁組分，用高效分散劑碳化法制備超細氫氧化鋁。在用8 %Na2CO3溶液從煤矸石自粉化料中以NaAlO2形式提取鋁組分，用高效分散劑碳化法制備超細氫氧化鋁粉體的研制過程中，找出了高效分散劑碳化法制備超細氫氧化鋁粉體的最佳條件，為煤矸石的高價值利用開辟了一條新的途徑。

矸石利用煤矸石制取絮凝劑聚鋁

（鐵）絮凝劑具有生產(chǎn)成本低、無 毒、高效、沉降速度快等特點，產(chǎn)品市場潛力大，可廣泛用于石油化工、印染、造紙、冶金等行業(yè)廢水處理。用煤矸石制備聚合硫酸鋁鐵主要是利用煤矸石中Al2O3、Fe2O3與 硫 酸 反 應 生 成Al₂（SO₄）3和Fe₂（SO4）₃，然后再通過聚合反應制取聚合鋁鐵。加入聚合劑后，[Al₂（SO4）₃和[Fe₂（SO₄）₃逐步縮 聚為多聚體[Al₂（OH）_n（SO₄）_3－m/2]_n和[Fe₂（OH）_n（SO₄）_3－n/2]_m即為凈水劑 主要成分。

孔德順等以高鐵型煤矸石酸浸液為原料，制備了高效無機高分子絮凝劑聚合硫酸鋁鐵（PAFS），并通過單因素試驗研究了制備體系反應條件對聚合硫酸鋁鐵去濁率的影響。制備聚合硫酸鋁鐵優(yōu)化工藝條件如 下：鐵離子與 鋁離子總濃度為0．5mol/L，鐵離子與鋁離子物質(zhì)的量比為0．25，體系pH值為0．8，80 ℃下 聚 合8h，室溫熟 化24h。采用X射線衍射（XRD）及 紅 外光譜（IR）對優(yōu)化條件下制備的聚合硫酸鋁鐵進行了表征，表明產(chǎn)物為鐵聚合較完全而鋁部分聚合的聚合硫酸鋁鐵。

羅道成利用煤矸石為原料制備高效混凝劑聚硅酸鋁，用該混凝劑處理工業(yè)廢水，并與聚合硫酸鐵的處理效果比較表明，出水COD和色度去除率分別提高約20 %和25 %，SS去除率提高約10 %，廢水處理效果良好，該種混凝劑具有良好的工業(yè)應用前景。

煤矸石資源化利用研究取得了很大的進展，但是其綜合利用率仍不高，利用潛力巨大，后期的應用需要在對環(huán)境無害的基礎上注重煤矸石耗量大和高附加值產(chǎn)品雙向的開發(fā)利用，最終實現(xiàn)我國礦區(qū)煤矸石“零排放”，建設我國綠色生態(tài)的文明礦山。

后期具體工作如下。1）進一步 開展對煤矸石環(huán)境危害的持續(xù)研究，建立煤矸石對土壤、水、大氣污染的實時監(jiān)控體系，探索安全控制的技術途徑。

2）煤矸石具有良好的路用性能，后期研究需加大對巖質(zhì)煤矸石的加工工藝研究，加大煤矸石在瀝青混凝土方面應用的研究力度，以期將煤矸石路用方面應用盡快產(chǎn)業(yè)化推廣。

3）煤矸石富含SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO和碳等成分，這為其在化工方面應用提供了基礎。

然而，天然的煤矸石結構致密，必須先對其進行改性，提高煤矸石的活性。后期需要對煤矸石改性特別是化學改性方面作進一步研究。

矸石直接充填采煤方法

利用工作面采空區(qū)處置煤矸石的充填采煤方法，既可以減少煤礦固體廢棄物排放，又可以減輕開采沉陷災害、提高礦井資源回收率，是實現(xiàn)煤礦綠色開采的關鍵技術途徑之一，目前，已經(jīng)形成了矸石直接充填采煤的技術框架，其中包括綜采矸石充填技術、普采矸石充填技術和掘巷充填技術等。

矸石綜采充填采煤方法

長壁綜采是我國目前普遍應用于中厚及厚煤層開采、機械化程度高的采煤方法，綜采充填采煤就是基于長壁綜采而研發(fā)的。目前，此項采煤技術已成功應用于我國的邢臺、新汶等礦區(qū)。

矸石普采(或炮采)充填采煤方法

普采(或炮采)仍是我國目前應用普遍的采煤工藝，研究開發(fā)與長壁普采配套的高效矸石充填技術設備和工藝,對于全面推廣矸石充填采煤技術至關重要。目前，此項采煤技術已成功應用于我國的新汶等礦區(qū)。

煤矸石資源化利用研究取得了很大的進展，但是其綜合利用率仍不高，利用潛力巨大，后期的應用需要在對環(huán)境無害的基礎上注重煤矸石耗量大和高附加值產(chǎn)品雙向的開發(fā)利用，最終實現(xiàn)我國礦區(qū)煤矸石“零排放”，建設我國綠色生態(tài)的文明礦山。

1）進一步開展對煤矸石環(huán)境危害的持續(xù)研究，建立煤矸石對土壤、水、大氣污染的實時監(jiān)控體系，探索安全控制的技術途徑。

2）煤矸石具有良好的路用性能，后期研究需加大對巖質(zhì)煤矸石的加工工藝研究，加大煤矸石在瀝青混凝土方面應用的研究力度，以期將煤矸石路用方面應用盡快產(chǎn)業(yè)化推廣。

3）煤矸石富含SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、CaO和碳等成分，這為其在化工方面應用提供了基礎。

然而，天然的煤矸石結構致密，必須先對其進行改性，提高煤矸石的活性。后期需要對煤矸石改性特別是化學改性方面作進一步研究。 2100433B

中國煤礦所采用的矸石運輸工具有汽車、火車、礦車和架空索道。平原地區(qū)大多將矸石堆積在荒地，或用來填充煤礦塌陷區(qū)進行復墾，或堆積成錐形或脊形煤矸石山。山區(qū)則將矸石沿山坡自由滾落排放，填平山溝，形成平頂矸石山。由于采用的排矸機械和堆積工藝不同，所形成的矸石山形狀不同，矸石山的粒度結構也不同。不同粒度結構的矸石山具有不同的空氣動力學性質(zhì)。具有自燃傾向的矸石所堆積的錐形山自燃發(fā)火率最高，脊錐形及平頂矸石山次之。

通過矸石井實現(xiàn)的是煤礦矸石傳統(tǒng)的處理方式，這種方式下，矸石由井下提至地表堆積，形成煤礦特有的地表特征“建筑物”——矸石山。但是隨著煤礦矸石量排出的增加矸石山將占用越來越多的土地，對環(huán)境造成很大的破壞。矸石井下處理可斷絕其污染源，消除其危害。通過井下研石充填系統(tǒng)設計，合理選擇研石井下處理設備，優(yōu)化巷采研石充填生產(chǎn)系統(tǒng)設計，實現(xiàn)研石安全、快速、方便充填。

中國礦業(yè)大學張吉雄教授在2006年首次提出矸石井下處理技術研究的總體思路，并在邢東礦井試驗成功。實現(xiàn)了矸石井下處理與建筑物等下的煤炭資源的開發(fā)利用，取得了較好的經(jīng)濟效益與社會效益。

煤礦和選煤廠集中堆置矸石的場所。

矸石山的固體廢物包括剝離矸石、煤巷矸石、巖巷矸石、手選矸石、選煤廠尾礦等。矸石山的自燃、爆噴、滑坡及矸石山的淋溶水均對礦區(qū)環(huán)境產(chǎn)生污染。