煤矸石對(duì)環(huán)境的危害及其綜合治理與利用
煤矸石是煤炭開(kāi)采、洗選加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄巖石，約占煤炭產(chǎn)量的15 %左右。我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。由于矸石中含有殘煤、碳質(zhì)泥巖、碎木材等可燃物質(zhì)，在長(zhǎng)期露天堆積后，往往發(fā)生自燃現(xiàn)象，排放出大量的CO、CO2、SO2、H2S及NOx、CmHn 等有害氣體，給環(huán)境帶來(lái)了極大的危害。
然而，煤矸石又是一種可利用資源。如能對(duì)其綜合利用，不但能改善礦區(qū)環(huán)境，還能節(jié)約資源、減少占地，從而促進(jìn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。
1 矸石對(duì)環(huán)境的影響
矸石場(chǎng)堆放的矸石主要是采掘矸石（部分礦區(qū)含洗選矸石），來(lái)自開(kāi)采煤層的夾矸和頂、底板巖層，巖性主要為泥巖、砂質(zhì)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(xué)元素。
1. 1煤矸石自燃的危害
由于煤矸石長(zhǎng)期露天堆放，矸石內(nèi)部的熱量逐接積累，當(dāng)溫度達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)（煤的燃點(diǎn)一般為360°C），矸石中的殘煤及其它可燃物便可自燃。全國(guó)國(guó)有煤礦有大小矸石山1500多座，大約有1/3的矸石山發(fā)生過(guò)自燃現(xiàn)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(duì)礦區(qū)環(huán)境造成了嚴(yán)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(jié)核出現(xiàn)，都會(huì)引起自燃發(fā)火。
1. 2危害生態(tài)環(huán)境，破壞自然景觀
目前我國(guó)煤礦產(chǎn)生的矸石大多露天堆放，不同程度地侵占耕地，平原地區(qū)更加明顯，而且還以每年400ha的速度增長(zhǎng)。這對(duì)于人均耕地不足0.1ha的我國(guó)來(lái)說(shuō)，所產(chǎn)生的影響是顯而易見(jiàn)的。矸石的堆放不僅埋壓或破壞了原地貌植被，而且排放過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、自燃時(shí)產(chǎn)生的有毒物質(zhì)對(duì)植物的生存也有較大影響，主要表現(xiàn)在植物生長(zhǎng)緩慢、生長(zhǎng)量降低，草地植被種類減少、病蟲(chóng)害增多等，這對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。
1. 3淋溶水污染
煤矸石受到降雨噴淋或長(zhǎng)期處于浸漬狀態(tài)，矸石中的粉塵會(huì)成為水中懸浮物，有害成分溶解后進(jìn)入水體、土壤、對(duì)水環(huán)境和土壤環(huán)境造成二次污染。當(dāng)酸性較強(qiáng)的淋溶水進(jìn)入水體時(shí)，對(duì)生物產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊力，能消滅或抑制水中微生物的生長(zhǎng)，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(jìn)入水體或滲入土壤后，會(huì)嚴(yán)重影響土壤環(huán)境或水環(huán)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(yīng)成分含量（As除外）。表略。
1. 4污染空氣環(huán)境
對(duì)于露天堆放的煤矸石，干燥和濕潤(rùn)是最重要的因素。如果潮濕的煤矸石處于冷熱交替的環(huán)境下，會(huì)加速風(fēng)化。而處在0.5至幾米的覆層下時(shí)，風(fēng)化程度大大降低。對(duì)于一些長(zhǎng)期堆放的矸石山，由于風(fēng)化嚴(yán)重，顆粒粉碎，稍有風(fēng)吹便塵土飛揚(yáng)，長(zhǎng)期生活在這種環(huán)境中的居民，鼻咽炎、上呼吸道感染等發(fā)病率很高。
1. 5其他災(zāi)害
矸石堆放時(shí)的自然安息角為38 ~ 40°C，如果矸石山堆積過(guò)高、坡度過(guò)大或受到人為開(kāi)挖影響時(shí)，或受到爆炸或暴雨侵蝕時(shí)，就容易形成坍塌、滑坡、渣石流等災(zāi)害。而對(duì)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(xiǎn)，嚴(yán)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(fā)生坍塌，導(dǎo)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(chǎn)過(guò)程中的主要廢棄物，傳統(tǒng)的方式是直接排至地面。在造成污染后再進(jìn)行治理，既沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益，也沒(méi)有環(huán)境效益。因此在治理矸石問(wèn)題上，既要采取從源頭抓起的處理方式，實(shí)施清潔生產(chǎn)，又要搞好綜合治理、保護(hù)環(huán)境，并最大限度地利用礦產(chǎn)資源，走良性發(fā)展的道路。
2.1 減少井下矸石產(chǎn)生量
矸石不出井，不但可減少矸石占地、降低運(yùn)輸成本，而且可減輕對(duì)環(huán)境的污染，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在巷道設(shè)計(jì)、施工工藝設(shè)計(jì)、矸石運(yùn)轉(zhuǎn)和井下充填等多個(gè)環(huán)節(jié)，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(shù)量，降低地面處理的工作量。
1） 改進(jìn)設(shè)計(jì)方式
隨著“高產(chǎn)、高效、高安全”礦井的發(fā)展建設(shè)，采掘速度加快，生產(chǎn)高度集中，礦井或開(kāi)采層面的服務(wù)年限相應(yīng)縮短，巷道支護(hù)技術(shù)在不斷提高，支護(hù)材料逐步改進(jìn)，開(kāi)拓巷道可采用全煤巷開(kāi)拓方式，不必在巖層中開(kāi)拓。國(guó)外如德國(guó)、英國(guó)近年來(lái)已逐漸向全煤巷開(kāi)拓發(fā)展，一些煤礦已取消了排矸系統(tǒng)，我國(guó)一些小煤礦也基本無(wú)巖石巷道。
2） 巷道矸石處理
在巷道施工過(guò)程中，對(duì)于半煤巖巷可采用巷旁存矸或?qū)捪锪繇返却胧。按照巷道位置和使用條件，在滿足生產(chǎn)需求的前提下，以減少矸量為目的，在巷道煤體內(nèi)掘出相應(yīng)的矸石硐，用以存放矸石，或加大巷道斷面，形成沿巷全長(zhǎng)的矸石墻。對(duì)于全巖巷道，由于成本較高，一般采用井下不同地點(diǎn)處理矸石的方式，即將矸石存放在預(yù)留的采空區(qū)或廢棄巷道內(nèi)；或設(shè)專門的存放地點(diǎn)，即在掘進(jìn)巷道附近或其它煤體內(nèi)，根據(jù)所采矸石體積，在不影響采掘及巷道維護(hù)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(huì)直接向大氣排放有害氣體，是礦區(qū)環(huán)境治理的一個(gè)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(shí)等。各地可根據(jù)具體的特點(diǎn)和情況，在堅(jiān)持“以防為主，標(biāo)本兼治，科學(xué)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(shí)，大塊矸石在底部細(xì)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(shí)，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(chǎn)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(zhì)同前述的鹽類形成一層教致密的隔氧層，達(dá)到滅火的目的。通過(guò)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(kuò)大；同時(shí)又能為造林、造田、美化環(huán)境創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。
2.3 矸石山綠化
矸石山經(jīng)過(guò)綠化后，能防止其大范圍的燃燒，從而有效遏制對(duì)環(huán)境的污染，并能美化礦區(qū)環(huán)境。通過(guò)用黃土覆蓋等人為因素改善植物的生長(zhǎng)環(huán)境待根據(jù)復(fù)墾場(chǎng)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(chuàng)造出綠色環(huán)境。由于草木的成活，涵養(yǎng)了水分，創(chuàng)造了草本植物和菌類生物的成活環(huán)境，從而形成較好的微生態(tài)環(huán)境，綠色植被抑制了揚(yáng)塵，減少了淋溶水，改善了大氣環(huán)境與水環(huán)境。這些措施在許多礦區(qū)都有成熟的經(jīng)驗(yàn)。
2. 4煤矸石的衛(wèi)生填埋
衛(wèi)生填埋是世界上最常用的固體廢料處理技術(shù)，它是在科學(xué)選址的基礎(chǔ)上采用必要的場(chǎng)地防護(hù)手合理填埋結(jié)構(gòu)以最大程度地減緩和消除固體廢料對(duì)環(huán)境的污染。經(jīng)過(guò)對(duì)煤矸石的衛(wèi)生填埋，能有效地控制淋溶水的擴(kuò)散，減小對(duì)地下水的污染。而且在其頂部防滲層可植樹(shù)種草，進(jìn)行土地復(fù)墾，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。
3 煤矸石的綜合利用
煤矸石的綜合利用，是煤炭行業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展非煤產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)；也是節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展的重要措施。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)煤矸石年利用量約669Mt，占年排放量的43 %，節(jié)約能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤4.5Mt，減少占地160ha，改善了環(huán)境，提高了資源利用率，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
煤矸石的組成及其性質(zhì)是其綜合利用的基礎(chǔ)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外矸石綜合利用的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，巖性為粘巖類、礦物成分以粘土為主、SiO2、、Al2O3、FeO3等主要化學(xué)成分含量在粘土礦豐度內(nèi)的矸石是良好的建材產(chǎn)品替代原料；矸石中Al、Fe、S 或其它元素含量達(dá)到一定的富礦含量時(shí)，可回收利用。
3.1 利用煤矸石發(fā)電
為搞好煤炭資源的綜合利用充分發(fā)揮煤矸石作為低熱值燃料的特點(diǎn)，解決礦區(qū)用電緊張狀況，可在產(chǎn)矸量大的礦區(qū)建矸石電廠，達(dá)到化害為利、節(jié)約能源、減少污染的目的。同時(shí)還可以解決礦區(qū)的供熱，產(chǎn)生的爐渣還可以制各種建材。至2000年底，全國(guó)有煤矸石、煤泥等低熱值燃料電廠120座，裝機(jī)容量1840MW，年發(fā)電量87億kW•h。對(duì)于調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，緩解能源緊張的局面，解決就業(yè)壓力起到重要作用，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益明顯。
3.2利用煤矸石生產(chǎn)建材
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、健康、高速發(fā)展，為建材市場(chǎng)提供了廣闊的發(fā)展空間。
在全國(guó)有磚瓦企業(yè)約11萬(wàn)個(gè)，每年耗粘土相當(dāng)于73333.3hm2土地，耗能達(dá)7000多萬(wàn)t標(biāo)煤，成為破壞耕地、消耗能源的大戶。為此，國(guó)家制定了一系列限制粘土使用，發(fā)展新型墻體材料的政策，這大大推動(dòng)了煤矸石建材業(yè)的發(fā)展。目前煤矸石磚的產(chǎn)量不到22億塊，僅占粘土產(chǎn)量的1‰，還有很大的發(fā)展?jié)摿。如能達(dá)到粘土產(chǎn)量的1 %，年利用煤矸石量可達(dá)2000多萬(wàn)t，年節(jié)約煤礦炭0.7Mt，少占和少毀土地550hm2，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將非常明顯。新汶礦業(yè)集團(tuán)自行開(kāi)發(fā)的真空硬塑制磚機(jī)，以煤矸石、粉煤灰為原料，生產(chǎn)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(fā)熱進(jìn)行焙燒。這是一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展情景的項(xiàng)目，符合國(guó)家新型墻體材料的發(fā)展方向。這些技術(shù)對(duì)于保護(hù)耕地、節(jié)約能源、發(fā)展資源綜合利用有著積極的推動(dòng)作用。
3.3 開(kāi)發(fā)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(dāng)其含量達(dá)到一定的富礦含量時(shí)，可回收利用。從80年代初開(kāi)始，我國(guó)在高硫煤礦區(qū)南桐、天府等相繼建設(shè)了硫精礦回收車間，回收硫鐵礦。南票、井陘等礦區(qū)，利用煤矸石生產(chǎn)氯化鋁、聚合氯化鋁等凈水劑，豐富了礦區(qū)多種經(jīng)營(yíng)的內(nèi)容，也發(fā)展了礦區(qū)經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)了環(huán)境保護(hù)。
3.4利用煤矸石生產(chǎn)肥料
煤矸石中含有灰質(zhì)頁(yè)巖和含炭粉砂巖，有機(jī)質(zhì)含量在15 %左右，并含有植物生長(zhǎng)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(qū)早已實(shí)施過(guò)。近年來(lái)開(kāi)始發(fā)展以煤矸石為載體生產(chǎn)的無(wú)機(jī)復(fù)合肥和微生物肥料就是優(yōu)質(zhì)、高效、營(yíng)養(yǎng)全面、對(duì)環(huán)境無(wú)污染的新型肥料。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)有微生物菌肥廠50余座，年生產(chǎn)能力40多萬(wàn)t，大部分以煤矸石為載體，獲得了顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。
3.5利用煤矸石筑路、填坑、土地復(fù)墾
利用煤矸石作充填物治理采煤沉陷區(qū)，或用來(lái)填筑沉陷的公路、鐵路路基、堤壩等，進(jìn)行土地復(fù)墾，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。而向沉陷區(qū)直接排矸與向矸石山排矸相比，并不增加費(fèi)用，在經(jīng)濟(jì)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(fù)土還田，直接種植農(nóng)作物。這樣可以同時(shí)解決礦區(qū)塌陷地和煤矸石造成的生態(tài)問(wèn)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(qū)，如河北、河南、兩淮等地已有20多年的應(yīng)用歷史。
此外，煤矸石在經(jīng)過(guò)特殊處理后，還可以做為環(huán)氧化天然橡膠（ENR）的補(bǔ)強(qiáng)填充劑；利用硅質(zhì)煤矸石代替石英砂和大部分價(jià)格較貴的石油焦碳或資源較匱乏的無(wú)煙煤合成SiC，不但可實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化與控制污染的目的，同時(shí)可降低能耗和生產(chǎn)成本。這些研究都為煤矸石的綜合利用開(kāi)辟了新的途徑。
4 結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)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(shù)復(fù)雜，難度大，科研工作滯后，影響了這項(xiàng)工作的進(jìn)一步發(fā)展。我們應(yīng)在國(guó)家有關(guān)政策的指導(dǎo)下，進(jìn)一步加強(qiáng)綜合利用工作的力度，組織技術(shù)攻關(guān)；同時(shí)積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，研究開(kāi)發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)、新設(shè)備，促進(jìn)技術(shù)裝備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，以充分利用礦產(chǎn)資源，減少污染，促進(jìn)資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
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