煤矸石对环境的危害及其综合治理与利用
煤矸石是煤炭开采、洗选加工过程中产生的废弃岩石，约占煤炭产量的15 %左右。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。由于矸石中含有残煤、碳质泥岩、碎木材等可燃物质，在长期露天堆积后，往往发生自燃现象，排放出大量的CO、CO2、SO2、H2S及NOx、CmHn 等有害气体，给环境带来了极大的危害。
然而，煤矸石又是一种可利用资源。如能对其综合利用，不但能改善矿区环境，还能节约资源、减少占地，从而促进矿区的可持续发展。
1 矸石对环境的影响
矸石场堆放的矸石主要是采掘矸石（部分矿区含洗选矸石），来自开采煤层的夹矸和顶、底板岩层，岩性主要为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、煤及少量砂岩组成。其中含有碳、氮、氧、硫、硅、铝、钾等多种化学元素。
1. 1煤矸石自燃的危害
由于煤矸石长期露天堆放，矸石内部的热量逐接积累，当温度达到燃点时（煤的燃点一般为360°C），矸石中的残煤及其它可燃物便可自燃。全国国有煤矿有大小矸石山1500多座，大约有1/3的矸石山发生过自燃现象，放出的大量有害气体，如SO2、CO、CO2、H2S、NOx等，并拌有大量烟尘，对矿区环境造成了严重污染。汾西矿物局的分析资料表明：凡煤层含硫在3 %左右，其中硫铁矿占40 %以上的煤矸石，并有硫铁矿结核出现，都会引起自燃发火。
1. 2危害生态环境，破坏自然景观
目前我国煤矿产生的矸石大多露天堆放，不同程度地侵占耕地，平原地区更加明显，而且还以每年400ha的速度增长。这对于人均耕地不足0.1ha的我国来说，所产生的影响是显而易见的。矸石的堆放不仅埋压或破坏了原地貌植被，而且排放过程中产生的粉尘、自燃时产生的有毒物质对植物的生存也有较大影响，主要表现在植物生长缓慢、生长量降低，草地植被种类减少、病虫害增多等，这对矿区的生态环境造成了严重危害。
1. 3淋溶水污染
煤矸石受到降雨喷淋或长期处于浸渍状态，矸石中的粉尘会成为水中悬浮物，有害成分溶解后进入水体、土壤、对水环境和土壤环境造成二次污染。当酸性较强的淋溶水进入水体时，对生物产生很强的冲击力，能消灭或抑制水中微生物的生长，妨碍水体自净。煤矸石中除含有SiO2、AI2O3以及铁、锰等常量元素之外，还有其它痕量重金属，如铅、镉、汞、砷、铬等，这些元素都是有毒重金属元素，在进入水体或渗入土壤后，会严重影响土壤环境或水环境。安徽淮南某矿的煤矸石淋溶水中重金属含量一般均高于土壤中相应成分含量（As除外）。表略。
1. 4污染空气环境
对于露天堆放的煤矸石，干燥和湿润是最重要的因素。如果潮湿的煤矸石处于冷热交替的环境下，会加速风化。而处在0.5至几米的覆层下时，风化程度大大降低。对于一些长期堆放的矸石山，由于风化严重，颗粒粉碎，稍有风吹便尘土飞扬，长期生活在这种环境中的居民，鼻咽炎、上呼吸道感染等发病率很高。
1. 5其他灾害
矸石堆放时的自然安息角为38 ~ 40°C，如果矸石山堆积过高、坡度过大或受到人为开挖影响时，或受到爆炸或暴雨侵蚀时，就容易形成坍塌、滑坡、渣石流等灾害。而对于正在自燃的矸石山，如遇淋溶水的渗入，受热后水气急剧膨胀易引起爆炸危险，严重危及附近居民的安全。如枣庄煤矿北煤井一矸石堆，1994年发生坍塌，导致17人死亡，7人受伤。
2 矸石污染的综合治理
矸石是煤炭生产过程中的主要废弃物，传统的方式是直接排至地面。在造成污染后再进行治理，既没有经济效益，也没有环境效益。因此在治理矸石问题上，既要采取从源头抓起的处理方式，实施清洁生产，又要搞好综合治理、保护环境，并最大限度地利用矿产资源，走良性发展的道路。
2.1 减少井下矸石产生量
矸石不出井，不但可减少矸石占地、降低运输成本，而且可减轻对环境的污染，具有较好的经济效益和社会效益。在巷道设计、施工工艺设计、矸石运转和井下充填等多个环节，要充分考虑矸石的井下处理，从源头上减少矸石的出井量，从而减少地面堆积的数量，降低地面处理的工作量。
1） 改进设计方式
随着“高产、高效、高安全”矿井的发展建设，采掘速度加快，生产高度集中，矿井或开采层面的服务年限相应缩短，巷道支护技术在不断提高，支护材料逐步改进，开拓巷道可采用全煤巷开拓方式，不必在岩层中开拓。国外如德国、英国近年来已逐渐向全煤巷开拓发展，一些煤矿已取消了排矸系统，我国一些小煤矿也基本无岩石巷道。
2） 巷道矸石处理
在巷道施工过程中，对于半煤岩巷可采用巷旁存矸或宽巷留矸等措施。按照巷道位置和使用条件，在满足生产需求的前提下，以减少矸量为目的，在巷道煤体内掘出相应的矸石硐，用以存放矸石，或加大巷道断面，形成沿巷全长的矸石墙。对于全岩巷道，由于成本较高，一般采用井下不同地点处理矸石的方式，即将矸石存放在预留的采空区或废弃巷道内；或设专门的存放地点，即在掘进巷道附近或其它煤体内，根据所采矸石体积，在不影响采掘及巷道维护的情况下，提前采出或部分采出煤炭，形成一定空间后用以堆放矸石。
2.2 煤矸石自燃的防治
煤矸石自燃后，会直接向大气排放有害气体，是矿区环境治理的一个重要方面。
熄灭矸石自燃一般有清除燃料、降温、隔氧等途径，采用的方法有挖掘熄灭法、表面封闭法（覆盖法）、喷浆法、灌注法、深部注浆、推平压实等。各地可根据具体的特点和情况，在坚持“以防为主，标本兼治，科学治理”的原则下，因地制宜地采用治理方法。
许多资料和研究表明，圆锥的堆放方式最易自燃。煤矸石以圆锥方式堆放时，大块矸石在底部细小矸石在顶部，自下而上形成许多空隙和曲折通道，为矸石自燃提供了氧分和水分通道，故极易引起自燃。防治的方法是，将矸石粉碎后再堆放，并加以夯实，用黄土或污泥覆盖等方法，搞好矸石山的覆盖。也可以采用石灰乳灭火，利用石灰中所含的CaO在遇水后生成的Ca（OH）2与煤矸石自燃产生的SO2SO3CO2等有害气体生成不溶于水的CaSO4、CaSO3、CaCO3 等。而且在高温下，NaOH能与矸石中的AI2O3、Fe2O3等形成的胶体状物质同前述的盐类形成一层教致密的隔氧层，达到灭火的目的。通过覆盖，一方面减少矸石的透气性供氧量），另一方面可防止煤矸石自燃后的蔓延扩大；同时又能为造林、造田、美化环境创造基础条件。
2.3 矸石山绿化
矸石山经过绿化后，能防止其大范围的燃烧，从而有效遏制对环境的污染，并能美化矿区环境。通过用黄土覆盖等人为因素改善植物的生长环境待根据复垦场地的条件，选择各种抗限制因子的植被，如刺槐、沙棘等植被，创造出绿色环境。由于草木的成活，涵养了水分，创造了草本植物和菌类生物的成活环境，从而形成较好的微生态环境，绿色植被抑制了扬尘，减少了淋溶水，改善了大气环境与水环境。这些措施在许多矿区都有成熟的经验。
2. 4煤矸石的卫生填埋
卫生填埋是世界上最常用的固体废料处理技术，它是在科学选址的基础上采用必要的场地防护手合理填埋结构以最大程度地减缓和消除固体废料对环境的污染。经过对煤矸石的卫生填埋，能有效地控制淋溶水的扩散，减小对地下水的污染。而且在其顶部防渗层可植树种草，进行土地复垦，恢复生态环境。
3 煤矸石的综合利用
煤矸石的综合利用，是煤炭行业调整产业结构、发展非煤产业的重点；也是节约能源、保护环境、实现煤矿可持续发展的重要措施。据不完全统计，目前我国煤矸石年利用量约669Mt，占年排放量的43 %，节约能源折合标准煤4.5Mt，减少占地160ha，改善了环境，提高了资源利用率，取得了显著的经济效益和社会效益。
煤矸石的组成及其性质是其综合利用的基础。根据国内外矸石综合利用的理论研究和实践经验，岩性为粘岩类、矿物成分以粘土为主、SiO2、、Al2O3、FeO3等主要化学成分含量在粘土矿丰度内的矸石是良好的建材产品替代原料；矸石中Al、Fe、S 或其它元素含量达到一定的富矿含量时，可回收利用。
3.1 利用煤矸石发电
为搞好煤炭资源的综合利用充分发挥煤矸石作为低热值燃料的特点，解决矿区用电紧张状况，可在产矸量大的矿区建矸石电厂，达到化害为利、节约能源、减少污染的目的。同时还可以解决矿区的供热，产生的炉渣还可以制各种建材。至2000年底，全国有煤矸石、煤泥等低热值燃料电厂120座，装机容量1840MW，年发电量87亿kW•h。对于调整产业结构，缓解能源紧张的局面，解决就业压力起到重要作用，经济效益、社会效益明显。
3.2利用煤矸石生产建材
随着我国国民经济的持续、健康、高速发展，为建材市场提供了广阔的发展空间。
在全国有砖瓦企业约11万个，每年耗粘土相当于73333.3hm2土地，耗能达7000多万t标煤，成为破坏耕地、消耗能源的大户。为此，国家制定了一系列限制粘土使用，发展新型墙体材料的政策，这大大推动了煤矸石建材业的发展。目前煤矸石砖的产量不到22亿块，仅占粘土产量的1‰，还有很大的发展潜力。如能达到粘土产量的1 %，年利用煤矸石量可达2000多万t，年节约煤矿炭0.7Mt，少占和少毁土地550hm2，经济效益和社会效益将非常明显。新汶矿业集团自行开发的真空硬塑制砖机，以煤矸石、粉煤灰为原料，生产承重空心砖和非承重空心砖，不需任何外掺料、外投煤，只利用煤矸石自身发热进行焙烧。这是一项具有广阔发展情景的项目，符合国家新型墙体材料的发展方向。这些技术对于保护耕地、节约能源、发展资源综合利用有着积极的推动作用。
3.3 开发煤矸石中的共伴生矿物
煤矸石中含有Al、Fe、S、As、Gd等多种因素，当其含量达到一定的富矿含量时，可回收利用。从80年代初开始，我国在高硫煤矿区南桐、天府等相继建设了硫精矿回收车间，回收硫铁矿。南票、井陉等矿区，利用煤矸石生产氯化铝、聚合氯化铝等净水剂，丰富了矿区多种经营的内容，也发展了矿区经济，促进了环境保护。
3.4利用煤矸石生产肥料
煤矸石中含有灰质页岩和含炭粉砂岩，有机质含量在15 %左右，并含有植物生长所需的B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素，用煤矸石改良土壤，一些矿区早已实施过。近年来开始发展以煤矸石为载体生产的无机复合肥和微生物肥料就是优质、高效、营养全面、对环境无污染的新型肥料。据不完全统计，全国有微生物菌肥厂50余座，年生产能力40多万t，大部分以煤矸石为载体，获得了显著的环境效益和社会效益。
3.5利用煤矸石筑路、填坑、土地复垦
利用煤矸石作充填物治理采煤沉陷区，或用来填筑沉陷的公路、铁路路基、堤坝等，进行土地复垦，恢复生态环境。而向沉陷区直接排矸与向矸石山排矸相比，并不增加费用，在经济上是可行的。用煤矸石填埋后的塌陷地，可以用作建筑用地，也可以在其上复土还田，直接种植农作物。这样可以同时解决矿区塌陷地和煤矸石造成的生态问题。这些大批量处理矸石的方法，是解决矸石污染的有效途径之一。这种方法在平原矿区，如河北、河南、两淮等地已有20多年的应用历史。
此外，煤矸石在经过特殊处理后，还可以做为环氧化天然橡胶（ENR）的补强填充剂；利用硅质煤矸石代替石英砂和大部分价格较贵的石油焦碳或资源较匮乏的无烟煤合成SiC，不但可实现废弃物资源化与控制污染的目的，同时可降低能耗和生产成本。这些研究都为煤矸石的综合利用开辟了新的途径。
4 结束语
我国煤矸石的利用水平还很低。矸石资源化利用方面的工艺技术复杂，难度大，科研工作滞后，影响了这项工作的进一步发展。我们应在国家有关政策的指导下，进一步加强综合利用工作的力度，组织技术攻关；同时积极引进国外先进技术设备，研究开发有自主知识产权的新技术、新设备，促进技术装备的国产化进程，以充分利用矿产资源，减少污染，促进资源与环境的可持续发展。
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