煤矸石對環境的危害及其綜合治理與利用
煤矸石是煤炭開采、洗選加工過程中產生的廢棄巖石，約占煤炭產量的15 %左右。我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國。由于矸石中含有殘煤、碳質泥巖、碎木材等可燃物質，在長期露天堆積后，往往發生自燃現象，排放出大量的CO、CO2、SO2、H2S及NOx、CmHn 等有害氣體，給環境帶來了極大的危害。
然而，煤矸石又是一種可利用資源。如能對其綜合利用，不但能改善礦區環境，還能節約資源、減少占地，從而促進礦區的可持續發展。
1 矸石對環境的影響
矸石場堆放的矸石主要是采掘矸石（部分礦區含洗選矸石），來自開采煤層的夾矸和頂、底板巖層，巖性主要為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、煤及少量砂巖組成。其中含有碳、氮、氧、硫、硅、鋁、鉀等多種化學元素。
1. 1煤矸石自燃的危害
由于煤矸石長期露天堆放，矸石內部的熱量逐接積累，當溫度達到燃點時（煤的燃點一般為360°C），矸石中的殘煤及其它可燃物便可自燃。全國國有煤礦有大小矸石山1500多座，大約有1/3的矸石山發生過自燃現象，放出的大量有害氣體，如SO2、CO、CO2、H2S、NOx等，并拌有大量煙塵，對礦區環境造成了嚴重污染。汾西礦物局的分析資料表明：凡煤層含硫在3 %左右，其中硫鐵礦占40 %以上的煤矸石，并有硫鐵礦結核出現，都會引起自燃發火。
1. 2危害生態環境，破壞自然景觀
目前我國煤礦產生的矸石大多露天堆放，不同程度地侵占耕地，平原地區更加明顯，而且還以每年400ha的速度增長。這對于人均耕地不足0.1ha的我國來說，所產生的影響是顯而易見的。矸石的堆放不僅埋壓或破壞了原地貌植被，而且排放過程中產生的粉塵、自燃時產生的有毒物質對植物的生存也有較大影響，主要表現在植物生長緩慢、生長量降低，草地植被種類減少、病蟲害增多等，這對礦區的生態環境造成了嚴重危害。
1. 3淋溶水污染
煤矸石受到降雨噴淋或長期處于浸漬狀態，矸石中的粉塵會成為水中懸浮物，有害成分溶解后進入水體、土壤、對水環境和土壤環境造成二次污染。當酸性較強的淋溶水進入水體時，對生物產生很強的沖擊力，能消滅或抑制水中微生物的生長，妨礙水體自凈。煤矸石中除含有SiO2、AI2O3以及鐵、錳等常量元素之外，還有其它痕量重金屬，如鉛、鎘、汞、砷、鉻等，這些元素都是有毒重金屬元素，在進入水體或滲入土壤后，會嚴重影響土壤環境或水環境。安徽淮南某礦的煤矸石淋溶水中重金屬含量一般均高于土壤中相應成分含量（As除外）。表略。
1. 4污染空氣環境
對于露天堆放的煤矸石，干燥和濕潤是最重要的因素。如果潮濕的煤矸石處于冷熱交替的環境下，會加速風化。而處在0.5至幾米的覆層下時，風化程度大大降低。對于一些長期堆放的矸石山，由于風化嚴重，顆粒粉碎，稍有風吹便塵土飛揚，長期生活在這種環境中的居民，鼻咽炎、上呼吸道感染等發病率很高。
1. 5其他災害
矸石堆放時的自然安息角為38 ~ 40°C，如果矸石山堆積過高、坡度過大或受到人為開挖影響時，或受到爆炸或暴雨侵蝕時，就容易形成坍塌、滑坡、渣石流等災害。而對于正在自燃的矸石山，如遇淋溶水的滲入，受熱后水氣急劇膨脹易引起爆炸危險，嚴重危及附近居民的安全。如棗莊煤礦北煤井一矸石堆，1994年發生坍塌，導致17人死亡，7人受傷。
2 矸石污染的綜合治理
矸石是煤炭生產過程中的主要廢棄物，傳統的方式是直接排至地面。在造成污染后再進行治理，既沒有經濟效益，也沒有環境效益。因此在治理矸石問題上，既要采取從源頭抓起的處理方式，實施清潔生產，又要搞好綜合治理、保護環境，并最大限度地利用礦產資源，走良性發展的道路。
2.1 減少井下矸石產生量
矸石不出井，不但可減少矸石占地、降低運輸成本，而且可減輕對環境的污染，具有較好的經濟效益和社會效益。在巷道設計、施工工藝設計、矸石運轉和井下充填等多個環節，要充分考慮矸石的井下處理，從源頭上減少矸石的出井量，從而減少地面堆積的數量，降低地面處理的工作量。
1） 改進設計方式
隨著“高產、高效、高安全”礦井的發展建設，采掘速度加快，生產高度集中，礦井或開采層面的服務年限相應縮短，巷道支護技術在不斷提高，支護材料逐步改進，開拓巷道可采用全煤巷開拓方式，不必在巖層中開拓。國外如德國、英國近年來已逐漸向全煤巷開拓發展，一些煤礦已取消了排矸系統，我國一些小煤礦也基本無巖石巷道。
2） 巷道矸石處理
在巷道施工過程中，對于半煤巖巷可采用巷旁存矸或寬巷留矸等措施。按照巷道位置和使用條件，在滿足生產需求的前提下，以減少矸量為目的，在巷道煤體內掘出相應的矸石硐，用以存放矸石，或加大巷道斷面，形成沿巷全長的矸石墻。對于全巖巷道，由于成本較高，一般采用井下不同地點處理矸石的方式，即將矸石存放在預留的采空區或廢棄巷道內；或設專門的存放地點，即在掘進巷道附近或其它煤體內，根據所采矸石體積，在不影響采掘及巷道維護的情況下，提前采出或部分采出煤炭，形成一定空間后用以堆放矸石。
2.2 煤矸石自燃的防治
煤矸石自燃后，會直接向大氣排放有害氣體，是礦區環境治理的一個重要方面。
熄滅矸石自燃一般有清除燃料、降溫、隔氧等途徑，采用的方法有挖掘熄滅法、表面封閉法（覆蓋法）、噴漿法、灌注法、深部注漿、推平壓實等。各地可根據具體的特點和情況，在堅持“以防為主，標本兼治，科學治理”的原則下，因地制宜地采用治理方法。
許多資料和研究表明，圓錐的堆放方式最易自燃。煤矸石以圓錐方式堆放時，大塊矸石在底部細小矸石在頂部，自下而上形成許多空隙和曲折通道，為矸石自燃提供了氧分和水分通道，故極易引起自燃。防治的方法是，將矸石粉碎后再堆放，并加以夯實，用黃土或污泥覆蓋等方法，搞好矸石山的覆蓋。也可以采用石灰乳滅火，利用石灰中所含的CaO在遇水后生成的Ca（OH）2與煤矸石自燃產生的SO2SO3CO2等有害氣體生成不溶于水的CaSO4、CaSO3、CaCO3 等。而且在高溫下，NaOH能與矸石中的AI2O3、Fe2O3等形成的膠體狀物質同前述的鹽類形成一層教致密的隔氧層，達到滅火的目的。通過覆蓋，一方面減少矸石的透氣性供氧量），另一方面可防止煤矸石自燃后的蔓延擴大；同時又能為造林、造田、美化環境創造基礎條件。
2.3 矸石山綠化
矸石山經過綠化后，能防止其大范圍的燃燒，從而有效遏制對環境的污染，并能美化礦區環境。通過用黃土覆蓋等人為因素改善植物的生長環境待根據復墾場地的條件，選擇各種抗限制因子的植被，如刺槐、沙棘等植被，創造出綠色環境。由于草木的成活，涵養了水分，創造了草本植物和菌類生物的成活環境，從而形成較好的微生態環境，綠色植被抑制了揚塵，減少了淋溶水，改善了大氣環境與水環境。這些措施在許多礦區都有成熟的經驗。
2. 4煤矸石的衛生填埋
衛生填埋是世界上最常用的固體廢料處理技術，它是在科學選址的基礎上采用必要的場地防護手合理填埋結構以最大程度地減緩和消除固體廢料對環境的污染。經過對煤矸石的衛生填埋，能有效地控制淋溶水的擴散，減小對地下水的污染。而且在其頂部防滲層可植樹種草，進行土地復墾，恢復生態環境。
3 煤矸石的綜合利用
煤矸石的綜合利用，是煤炭行業調整產業結構、發展非煤產業的重點；也是節約能源、保護環境、實現煤礦可持續發展的重要措施。據不完全統計，目前我國煤矸石年利用量約669Mt，占年排放量的43 %，節約能源折合標準煤4.5Mt，減少占地160ha，改善了環境，提高了資源利用率，取得了顯著的經濟效益和社會效益。
煤矸石的組成及其性質是其綜合利用的基礎。根據國內外矸石綜合利用的理論研究和實踐經驗，巖性為粘巖類、礦物成分以粘土為主、SiO2、、Al2O3、FeO3等主要化學成分含量在粘土礦豐度內的矸石是良好的建材產品替代原料；矸石中Al、Fe、S 或其它元素含量達到一定的富礦含量時，可回收利用。
3.1 利用煤矸石發電
為搞好煤炭資源的綜合利用充分發揮煤矸石作為低熱值燃料的特點，解決礦區用電緊張狀況，可在產矸量大的礦區建矸石電廠，達到化害為利、節約能源、減少污染的目的。同時還可以解決礦區的供熱，產生的爐渣還可以制各種建材。至2000年底，全國有煤矸石、煤泥等低熱值燃料電廠120座，裝機容量1840MW，年發電量87億kW•h。對于調整產業結構，緩解能源緊張的局面，解決就業壓力起到重要作用，經濟效益、社會效益明顯。
3.2利用煤矸石生產建材
隨著我國國民經濟的持續、健康、高速發展，為建材市場提供了廣闊的發展空間。
在全國有磚瓦企業約11萬個，每年耗粘土相當于73333.3hm2土地，耗能達7000多萬t標煤，成為破壞耕地、消耗能源的大戶。為此，國家制定了一系列限制粘土使用，發展新型墻體材料的政策，這大大推動了煤矸石建材業的發展。目前煤矸石磚的產量不到22億塊，僅占粘土產量的1‰，還有很大的發展潛力。如能達到粘土產量的1 %，年利用煤矸石量可達2000多萬t，年節約煤礦炭0.7Mt，少占和少毀土地550hm2，經濟效益和社會效益將非常明顯。新汶礦業集團自行開發的真空硬塑制磚機，以煤矸石、粉煤灰為原料，生產承重空心磚和非承重空心磚，不需任何外摻料、外投煤，只利用煤矸石自身發熱進行焙燒。這是一項具有廣闊發展情景的項目，符合國家新型墻體材料的發展方向。這些技術對于保護耕地、節約能源、發展資源綜合利用有著積極的推動作用。
3.3 開發煤矸石中的共伴生礦物
煤矸石中含有Al、Fe、S、As、Gd等多種因素，當其含量達到一定的富礦含量時，可回收利用。從80年代初開始，我國在高硫煤礦區南桐、天府等相繼建設了硫精礦回收車間，回收硫鐵礦。南票、井陘等礦區，利用煤矸石生產氯化鋁、聚合氯化鋁等凈水劑，豐富了礦區多種經營的內容，也發展了礦區經濟，促進了環境保護。
3.4利用煤矸石生產肥料
煤矸石中含有灰質頁巖和含炭粉砂巖，有機質含量在15 %左右，并含有植物生長所需的B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素，用煤矸石改良土壤，一些礦區早已實施過。近年來開始發展以煤矸石為載體生產的無機復合肥和微生物肥料就是優質、高效、營養全面、對環境無污染的新型肥料。據不完全統計，全國有微生物菌肥廠50余座，年生產能力40多萬t，大部分以煤矸石為載體，獲得了顯著的環境效益和社會效益。
3.5利用煤矸石筑路、填坑、土地復墾
利用煤矸石作充填物治理采煤沉陷區，或用來填筑沉陷的公路、鐵路路基、堤壩等，進行土地復墾，恢復生態環境。而向沉陷區直接排矸與向矸石山排矸相比，并不增加費用，在經濟上是可行的。用煤矸石填埋后的塌陷地，可以用作建筑用地，也可以在其上復土還田，直接種植農作物。這樣可以同時解決礦區塌陷地和煤矸石造成的生態問題。這些大批量處理矸石的方法，是解決矸石污染的有效途徑之一。這種方法在平原礦區，如河北、河南、兩淮等地已有20多年的應用歷史。
此外，煤矸石在經過特殊處理后，還可以做為環氧化天然橡膠（ENR）的補強填充劑；利用硅質煤矸石代替石英砂和大部分價格較貴的石油焦碳或資源較匱乏的無煙煤合成SiC，不但可實現廢棄物資源化與控制污染的目的，同時可降低能耗和生產成本。這些研究都為煤矸石的綜合利用開辟了新的途徑。
4 結束語
我國煤矸石的利用水平還很低。矸石資源化利用方面的工藝技術復雜，難度大，科研工作滯后，影響了這項工作的進一步發展。我們應在國家有關政策的指導下，進一步加強綜合利用工作的力度，組織技術攻關；同時積極引進國外先進技術設備，研究開發有自主知識產權的新技術、新設備，促進技術裝備的國產化進程，以充分利用礦產資源，減少污染，促進資源與環境的可持續發展。
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