煤矸石对环境的危害及其综合治理与利用.pdf

2 0 0 3年 第 3期 煤炭加工与综合利用 C O A L P R O C E S S I N G＆C 0 M P R E H 日 V E U 1 1 L IZ A T I O N No ．3． 2 0 o 3 煤矸石对环境的危害及其综合治理与利用 江洪清 中国矿业大学北京校区 煤炭资源教育部重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 煤矸石作为一种固体废弃物， 会对环境造成 多方面的的危害， 只有通过对煤矸石的 综合治理和利用 ， 才能有效降低煤矸石对环境造成的影响； 煤矸石可 以用于电厂燃料、 建筑材料、 土地复垦等。 关键 词 煤 矸 石； 综合 利用 ； 环境 保 护 ； 可持 续 发展 中圈分 类号 T Q 5 3 6 ． 2 文献标 识 码 A 文章鳙 号 1 0 0 5 ． 8 3 9 7 2 0 0 3 0 3 ． 0 0 4 3 - 0 4 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 l 5 ％左右。我 国是世 界上最大的煤炭生产国和消费国， 2 0 0 0年全国煤 矸石排放总量达 1 亿 多 t ， 约 占全国工业废渣排放 量的 1 1 4 。目前全国煤矸石的总积存量 已达 3 O亿 t 以上 ， 形成矸石山 1 0 0 0多座， 占地 1 ． 2万 l l a 2 ， 而 且排放量仍在逐年增长⋯。矸石 山几乎成 为我国 煤矿的“ 标志” 。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 自然现 象 ， 排 放 出大 量 的 C O、 C O 、 S O 、 H 2 S及 收稿日期 2 0 0 3 ． O 1 ． 2 2 作者俺介 江洪清 1 9 7 6 一 ， 男， 辽宁丹东人， 1 9 9 8 年毕业 于黑龙江矿 业学 院资 源开发 工程 系 ， 现 为中 国 矿 业大学北京校区硕士研究生 ， 电话 0 1 0 6 2 3 2 2 3 4 3 。 N O 、 C H 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 若能 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 逐渐积累， 当温度达 到燃点时 煤 的燃点一般 为 日 日 、 日 ’ ’ ’ ’ 、 日 、 自 日 ’ ’ 日 ’ 自 、 日 、 日 、 日 、 日 ’ 、 日 勇 ’ ’ ’ ’ ’ ’ 日 、 ’ 日 、 日 ’ ’ 电。同时 ， 积极向电力行业学习 ， 提高内部管理水 舍区 、 医院 、 学校等生活设施。这些设施的供热问 平 ， 逐步向“ 煤电联营” 方向发展。 题 ， 基本都采用建设区域燃煤锅炉房的方式 来解 3 要充分 利用煤矿的 自身优势。煤矿生产 决， 能源浪费大 ， 供热效果不理想 ， 而且成为矿区 中 ， 总会排出煤矸石 、 矿井水 ； 煤矸石电厂所需的 主要污染源之一。煤矿建设煤矸石电厂后， 供热 这些燃料及水源距离非常近 ； 这些优势是煤矿所 可作为一项重要职能 ， 热电联供 ， 可以对发电的乏 特有的。煤矿在建设电厂时必须立足 自身的这些 汽进行有效利用。 优势 ， 这样不仅能变废 为宝 ， 解决了废物堆放问 5 突出能源综合利用和环保特色。煤矿建 题 ， 而且可以化害 为利 ， 降低发电成本 ， 取得很好 设自备电厂， 必须充分利用国家能源政 策， 确保真 的经济效益。 正建成综合利用电厂 ， 严禁借综合利用之 名行小 4 要立足矿区实际 ， 走企业 自备电厂和热电 火电之实。在环境保护上 ， 必 须严格控制二氧化 联供之路。我国传统的煤矿建设道路都是“ 小而 硫的排放 ， 保证各项环保设施的正常使用， 真正建 全 ， 大而全” ， 每个矿井都建有与之配套的澡堂 、 宿 成环保型电厂。 维普资讯 煤炭加 工与综合 利 用 2 0 0 3年 第 3期 3 6 0 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 1 5 0 0多座， 大约 有 I ／ 3 的矸石山发生过 自然现象 ， 放出的大量有害 气体 ， 如 S O 、 C O、 C O 、 H S 、 N O 等 ， 并伴有大 量 烟尘 ， 对矿区环境造成了严重污染。汾西矿务局 的分析资料表明 凡煤层含硫在 3 ％左右 ， 其中硫 铁矿 占 4 o ％以上的煤矸石 ， 并 有硫铁矿 结核 出 现 ， 都会引起 自然发火 。 I ． 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 4 O O h a的速度增长。这 对于人均耕地不 足 0 ． I h a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。 I ． 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 S i O 、 O 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 A s 除外 J ， 见表 1 。 衰 l 煤矸石与土壤的 元素含量对 比l m g ／ k g 1 ． 4污 染 空 气 环 境 煤矸石在露天堆放时 ， 矸石表面会风化成粉 尘， 在风力作用下 ， 会对周围大气环境造成影响。 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 3 8 4 o℃， 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 ， 1 9 9 4年发生坍塌 ， 导致 l 7人 死亡 ， 7人受伤 J 。 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 石转运和井下充填等 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 少在地面堆积的数量 ， 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， 以减少出矸量为 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 沿巷道全 长的矸石 ● 善 。 西誊 j 蔷 ’ 维普资讯 2 0 0 3年 第 3 期 江洪清 煤矸石 对 环境 的危 害及 其综 合 治理 与 利 用 4 5 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 ， 形成一定的空间后用以堆放矸 石 。 2 ． 2 煤 矸石 自燃的 防治 煤矸石自燃 后， 会直接 向大气中排放有 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 复 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 ， 因地治宜地采 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 堆存 ， 并加以夯实 ， 用黄土或 用污泥覆盖 等方法 ， 搞好矸石山的覆盖。也可以采用石灰乳灭 火， 利 用石灰中所的 含 C a O在遇 水后生成 的 c a O H 与煤矸石自燃产生的 s O 、 S O 、 C O 等有害气体生 成不溶于水的 C a ．S O 、 C a ．S O 、 C a C O 等。而且在高 温下， N a O H能与矸石中的 A I 0 ， 、 F e a O ，等形成 的 咬体状物惯同前述的盐类形成一层较致密的隔氧 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 后的漫延扩大 ； 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 ， 或根据待复垦场地的条件 ， 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 护手段和合理的填埋结构 ， 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 6 6 9 l i t ， 占年排 放量的 4 3 ％， 节约能源折 合标准煤 4． 5 Mt ， 减 少 占地 1 6 0 h a ⋯， 改善了环境 ， 提高了资源利 用率， 取得了显著的经济效益 、 社会效益和环境效益。 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 , S i O 、 A 1 2 0 ， 、 F e 0 ， 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 A l 、 F e 、 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兴建矸石 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 2 0 0 0年底 ， 全国有煤矸石 、 煤泥等低热值燃料 电厂 1 2 0座， 装机 容量 1 8 4 0 M W, 年 发 电量 8 7亿 k W 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。现在全国有 砖瓦 企 业 约 1 1万 个 ， 每 年 耗 粘 土 量 相 当 于 7 3 3 3 3 ． 3 h m 土地 ， 耗能 达 7 0 0 0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 维普资讯 煤 炭加 工 与综合 利 用 2 0 0 3年 | l ‘ 3期 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 2 2亿块 ， 仅 占粘土砖产量的 I S ， 还有很 大 的 发 展 潜 力。若 能达 到 粘 土 产量 的 1 ％， 年利用煤矸石量可达 2 O O 0多万 t ， 年节约煤 矿炭 0 ． 7 M t ， 少 占和少毁 土地 5 5 0 h I n 2 ， 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 自身发热量进行焙烧。 这是一项具有广阔发展前景的项 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 、 F e 、 S 、 A s 、 G d等多种元素 ， 当其含量达 到一定的富矿含量时 ， 可回收利用。 从 8 o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n 。 。 ， 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 煤矸石中含有炭质页岩和 含炭粉砂岩 ， 有机 质含量在 l 5 ％左右 ， 并 含有植物 生长所需的 B 、 z I I 、 c u 、 C o 、 M o 、 Mn等微量元素 ， 用煤矸石改 良土 壤， 一些矿区旱已实施过。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 5 0余座 ， 年 生产能力 4 0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 以在其上覆土还田， 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 2 0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 E N R 的补强填充剂n ； 利用硅 质煤矸石代替石英砂和大部分价格较责的石油焦 炭或资源较匮乏 的无 烟煤合成 S i C [ J ， 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 ， 进一步加强综合科用工作 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。 { - | 考文献 [1] 张莉 ， 宋瑞潭 ， 杨仁 泽． 浅淡煤矸石综合利用 与生态环境 [ J ] ． 山西能祸 与节能 ， 2 0 0 1 ， 4 3 43 5 ． [ 2] 王文 ， 桂 祥友 ． 煤矿 区环境污 染与洁净 技术 [ J ] ． 工业安 全与环保 ， 2 0 O 2 ， 2 8 1 4 6 4 8 ． [ 3 ] 崔龙鹅． 淮南煤矿塌陷区煤矸石填充复垦及其对环境的影 响[ J ] ． 安徽地 质， 1 9 9 8 ， 8 3 5 86 1 ． [ 4] 惠润 堂 ． 煤 矸石 的环境 影响 及发 生条件 [ J ] ． 煤 矿环 境保 护 ， 2 0 0 1 ， 1 5 1 5 55 7 ． [ 5] 常允新 ， 朱学 顺， 宋长斌等 ． 煤矸石 的危害与防治 [ J ] ． 中国 地质灾害与防治学报， 2 0 0 1 ， 1 2 2 3 9 4 3 ． [ 6] 王文平 ， 李晋恒 ． 强 化矿区环 境保护 ， 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