矸石

煤矸石是煤炭開採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，還會發生自燃、雨淋、泥化等情況，對環境產生嚴重危害。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境災害發生的必要措施，也是實現我國煤炭行業生態文明和循環經濟發展的重要工作之一。 ^[2] 

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環境產生污染。

中國煤礦所採用的矸石運輸工具有汽車、火車、礦車和架空索道。平原地區大多將矸石堆積在荒地，或用來填充煤礦塌陷區進行復墾，或堆積成錐形或脊形煤矸石山。山區則將矸石沿山坡自由滾落排放，填平山溝，形成平頂矸石山。由於採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。具有自燃傾向的矸石所堆積的錐形山自燃發火率最高，脊錐形及平頂矸石山次之。 ^[3] 

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，這種方式佔用大量土地。據不完全統計，我國煤矸石山佔地已近1．5萬hm²，而且隨着煤矸石排放量的逐年增加，耕地被侵佔的現象將進一步惡化，這將進一步加劇我國土地資源緊缺局面。此外，煤矸石山由於自燃等現象發生，其植被覆蓋率低、黑色地面大面積暴露，嚴重影響地質地貌景觀。 ^[2] 

我國很多地區的煤矸石組成為砂岩、砂礫岩、頁岩，因此煤矸石在露天堆積時，易於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温下經氧化、分解、脱氫、縮聚等一系列複雜反應而形成炭黑、飛灰等粒狀懸浮物，形成霧霾。 ^[2] 

同時煤矸石含碳量為5 %～45 %，煤矸石自燃時將產生大量SO₂、CO、CO₂、NO_x等有毒有害氣 體和煙塵，嚴重污染礦區環境。

劉汝海等以東北地區煤矸石為研究對象分析了煤矸石中碳含量、硫含量，以及揮發分的比例與煤矸石能否自燃的關係，並報道了煤矸石自燃導致污染和人身傷亡的事故。 ^[2] 

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

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境化學進行調查研究，發現 在該地區的許多土壤樣品中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。 ^[2] 

根據《土壤環境質量標準》（GB1561—2008）的農業用地水田（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，大多數都高於標準要求的含量，説明煤矸石堆場對周圍環境存在着一定的重金屬污染，這可能由於礦區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。 ^[2] 

由於歷史原因，我國煤矸石山基本上未經設計，煤矸石堆放極不規範、結構疏鬆，穩定性 差。在無序開挖和自然雨水沖刷的情況下，極易引發滑坡、崩塌、泥石流等地質災害，給當地人員的生命和財產安全構成嚴重威脅。 ^[2] 

由於煤矸石山佔有大量土地，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。裴宗陽系統研究了煤矸石山生態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、煤矸石山植被恢復的演替規律以及生態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境污染，改善礦區生態環境。 ^[2] 

煤矸石在農業上資源化利用主要體現在生產農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温下經氧化生成二氧化硫，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，經過試驗發現所生產的硫酸銨是一種很好的肥料。

一般來説，新產生的煤矸石偏鹼，而陳化後的煤矸石的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，發現煤矸石能使沙地土壤增加細粒物質，提高土壤水分含量，改善土壤結構，增加土壤中有機質、全N、速效P、速效K的含量，可作為沙地土壤的改良劑，但是煤矸石應用於農業生產需要特別注意污染擴散問題。 ^[2] 

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，將鋁硅質量比（w（Al₂O₃）/w（SiO₂））大於0．5的煤矸石作為製造牆體磚、高級陶瓷、煅燒高嶺土及分子篩的原料；將鋁硅質量比小於0．5的煤矸石（以砂岩質煤矸石為主），配以適當的鋁鐵質校正原料生產水泥熟料；而鋁硅含量（w（Al₂O₃+SiO₂））較高的煤矸石，經過適當活化處理，可用於生產水泥。 ^[2] 

煤矸石具有一定熱值，煤矸石用於生產水泥和熟料可節約部分燃料。但是，煤矸石品質波動較大，容易影響水泥熟料質量，而且煤矸石中硬質砂岩含量較高，應用於水泥生產過程中磨礦能耗大，所以煤矸石用於水泥生產的技術推廣比較緩慢。 ^[2] 

然而，煤矸石用於道路工程建設在國外已經有很長的歷史。從相關文獻看，法國、美國將燃燒過的煤矸石渣用於道路充填材料，俄羅斯巴斯頓煤礦將加工後的自燃煤矸石鋪築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，製成防滑簡易路面。

我國於1998年京福高速利用煤礦石鋪築了10km路段，2003年平頂山至臨汾高速也有10．2km路段填築了煤矸石，這些路況至今良好。煤矸石顆粒表面粗糙並具有稜角性，碾壓後相互嵌擠而比較緊密，產生一定的摩擦力，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、水穩性等理化性能優良，表明煤矸石可應用於道路工程中。 ^[2] 

王晴等通過正交試驗，採用電通量法來評價煤矸石混凝土氯離子滲透性能。發現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。製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。

張玉慶採用不同替代量的煤矸石集料製備透水性生態混凝土。隨着煤矸石替代量的增加，透水性生態混凝土的28d抗壓強度和抗折強度逐漸降低，並且都存在着近似的線性關係。替代量不大於40%時，煤矸石集料透水性生態混凝土可滿足路面的應用要求。 ^[2] 

揣丹等以陝西銅川煤矸石為主要原料，以水泥為粘結劑，製成煤矸石－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佈更均勻，幹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，且導熱係數相對較低。 ^[2] 

王晴等研究了煤矸石取代碎石對混凝土抗凍性的影響，並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，隨着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%；減水劑與引氣劑複合使用效果更好，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開始興起。牛存良等在北京市擔下路鋪築了首條温拌WAC－25C煤矸石瀝青混凝土路面底面層，該工程的配合比為：石灰岩（10～30mm）∶石灰岩（10～20mm）：煤矸石（5～10mm）∶機制砂：礦粉=26∶22∶21∶29∶2，最佳油石比為4%，試驗技術指標優良，其 中 車 轍 試 驗（60 ℃）動穩定度 為1968次/mm，殘留馬歇爾穩定度 為93．2 %，凍融劈 裂 殘 留 強度比為81．7 %。該 工 程 共 鋪 築7cm厚煤矸石瀝青混凝土31898．71m²，使用煤矸石417m³。經檢測和實踐表明，温拌煤矸石瀝青混凝土是低碳環保型的路面底面層材料。 ^[2] 

煤矸石可以配製成煤矸石瀝青混凝土，併成功運用在道路建設中。 ^[2] 

我國20世紀80年代開始研製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於工業試驗階段，多數企業採用迴轉窯法生產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象。

因此，一般被迫採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，嚴重製約了其在結構工程上的應用。 ^[2] 

因此，提高煤矸石輕集料混凝土的體積穩定性，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定性的影響研究，發現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，體積穩定性明顯改善。兩者複合應用更有利於降低 試件的收縮率、提高試件的穩定性。 ^[2] 

煤矸石中含有約15 %～35 %的Al₂O₃，如果能對這一部分鋁加以利用，將產生巨大的經濟效益。利用煤矸石製取含鋁產品的研究一直是煤矸石化工利用的一個熱點。 ^[2] 

對比不同種類煤矸石煅燒後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。煅燒活化後進行酸浸提取鋁，鋁浸取率並不會隨着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 %的範圍內。這説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。 ^[2] 

煤矸石中的主要 礦物相為高嶺石（Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）與石英（SiO₂），高嶺石具有單層網結構，單網層間由氫鍵相聯，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，製備氫氧化鋁，確定了最佳工藝條件為粒度0．178mm，焙燒温度750 ℃，焙燒時間120min，浸取温度95 ℃，浸取時間4h，液固質量比3，硫酸質量分數40 %。此條件下煤矸石中Al₂O₃的浸取率達到81．8 %。耿學文等採用鹼石灰燒結法從高鋁煤矸石中提取了氫氧化鋁，試驗原料經過鹼液預處理，使其中的鋁硅質量比由原來的0．86提高到2．21。在燒結温度為1200 ℃、Na2O/Al2O3物質的量比為1．0，CaO/SiO2物質的量比為2．1時，熟料的燒結質 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，在添加甲醇並於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。 ^[2] 

呂淑珍用碳化法從煤矸石中製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晶相轉變產生的體積膨脹，造成硅酸二鈣連同其他礦物一起粉化（自粉化），省去了傳統的粉磨工序，這不僅可節省電能，而且化學粉碎形成的粉末比機械粉磨的粉末更細，有利於以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製過程中，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闢了一條新的途徑。 ^[2] 

（鐵）絮凝劑具有生產成本低、無 毒、高效、沉降速度快等特點，產品市場潛力大，可廣泛用於石油化工、印染、造紙、冶金等行業廢水處理。用煤矸石製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，然後再通過聚合反應製取聚合鋁鐵。加入聚合劑後，[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即為淨水劑 主要成分。 ^[2] 

孔德順等以高鐵型煤矸石酸浸液為原料，製備了高效無機高分子絮凝劑聚合硫酸鋁鐵（PAFS），並通過單因素試驗研究了製備體系反應條件對聚合硫酸鋁鐵去濁率的影響。製備聚合硫酸鋁鐵優化工藝條件如 下：鐵離子與 鋁離子總濃度為0．5mol/L，鐵離子與鋁離子物質的量比為0．25，體系pH值為0．8，80 ℃下 聚 合8h，室温熟 化24h。採用X射線衍射（XRD）及 紅 外光譜（IR）對優化條件下製備的聚合硫酸鋁鐵進行了表徵，表明產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製備高效混凝劑聚硅酸鋁，用該混凝劑處理工業廢水，並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應用前景。 ^[2] 

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，後期的應用需要在對環境無害的基礎上注重煤矸石耗量大和高附加值產品雙向的開發利用，最終實現我國礦區煤矸石“零排放”，建設我國綠色生態的文明礦山。

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

2）煤矸石具有良好的路用性能，後期研究需加大對巖質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業化推廣。

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，天然的煤矸石結構緻密，必須先對其進行改性，提高煤矸石的活性。後期需要對煤矸石改性特別是化學改性方面作進一步研究。 ^[2] 

利用工作面採空區處置煤矸石的充填採煤方法，既可以減少煤礦固體廢棄物排放，又可以減輕開採沉陷災害、提高礦井資源回收率，是實現煤礦綠色開採的關鍵技術途徑之一，目前，已經形成了矸石直接充填採煤的技術框架，其中包括綜採矸石充填技術、普採矸石充填技術和掘巷充填技術等。 ^[4] 

長壁綜採是我國目前普遍應用於中厚及厚煤層開採、機械化程度高的採煤方法，綜採充填採煤就是基於長壁綜採而研發的。目前，此項採煤技術已成功應用於我國的邢台、新汶等礦區。 ^[4] 

普採(或炮採)仍是我國目前應用普遍的採煤工藝，研究開發與長壁普採配套的高效矸石充填技術設備和工藝,對於全面推廣矸石充填採煤技術至關重要。目前，此項採煤技術已成功應用於我國的新汶等礦區。 ^[4] 

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，後期的應用需要在對環境無害的基礎上注重煤矸石耗量大和高附加值產品雙向的開發利用，最終實現我國礦區煤矸石“零排放”，建設我國綠色生態的文明礦山。

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

2）煤矸石具有良好的路用性能，後期研究需加大對巖質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業化推廣。

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，天然的煤矸石結構緻密，必須先對其進行改性，提高煤矸石的活性。後期需要對煤矸石改性特別是化學改性方面作進一步研究。 ^[2]