煤矸石的环境危害及综合利用研究.pdf

第 2 2卷 第 3 期 2 0 0 6年 6月 气 象 与 环 境 学 报 J OURNAL OF～匝TEORO 3 GY J D E NVI RONM匝NT Vl0 1 ． 2 2 No． 3 J u n e 2 0 0 6 煤矸石的环境危害及综合利用研究 刘迪 辽宁省环境科学研究院， 沈阳1 1 0 0 3 1 摘要 针对我国矿区煤矸石大量排放的现状， 介绍了煤矸石的形成以及煤矸石大量堆放对环境所产生的危害和影响， 并 概述了煤矸石污染的防治措施及其综合利用途径。 关键词 煤矸石； 环境危害； 防治措施 ； 综合利用 煤矸石是在煤炭开采、 洗选加工过程中所产生 的固体废物。目前煤矿的排矸量约占煤炭开采量的 1 0 ％～2 5 ％， 已成为我国累积堆积量和 占用场地最 多的工业废物。全国煤矸石的总积存量约 4 5 亿 t ， 而且仍在逐年增长， 矸石山几乎成为我国煤矿的标 志。同时， 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， 往往会发生 自燃现 象， 并排放 出大量 的 C O， C 0 2 ， s o 2 ， H i S ， N O x和 C m H n 等有害气体， 给周边环境带来了一系列的危 害。此外， 煤矸石兼有煤、 岩石、 化工原料的性质。 因此， 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 煤矸石的组成 煤物质与其他物质相结合而成的可燃性矿石。从狭 义上讲， 将煤炭开采带出来的碳质泥岩、 碳质砂岩称 为煤矸石。从广义上讲， 煤矸石是煤矿建井和生产 过程中排出来的一种混杂岩体 ， 它包括煤矿在井巷 掘进时排出的矸石、 露天煤矿开采时剥离的矸石和 洗选加工过程中排出的矸石。 煤矸石在颗粒构成上， 粒度大至数 1 0锄 粒径 的块石， 小至粘粒乃至胶粒； 在物质成分上， 软、 硬岩 混杂， 残留一定量的煤， 富含有机组分和易挥发的可 燃硫分等， 其灰分一般为 6 0 ％～9 0 ％。煤矸石中常 见的矿物成分有石英、 长石、 粘土矿物、 白云岩及石 灰石等碳酸盐类矿物、 黄铁矿等， 其相对含量与煤系 地层的沉积环境、 岩层组合及岩性等因素有关。煤 矸石的化学成分比较复杂， 主要为一些金属元素和 非金属元素的氧化物， 也含有微量的重金属元素， 其 煤矸石是聚煤盆地煤层沉积过程的产物， 是成 中s io e 和 0 3 占有相当高的比例， 如表 1 E 。 表 1 煤矸石中主要化学成分比例范围 ％ 2 煤矸石对环境的影n l , n 危害 2 ． 1 煤矸石堆存占地且影响大气和生态环境 2 ． 1 ． 1 煤矸石 占用土地 煤矸石堆多位于井口附近， 紧邻居民区， 侵占大 量耕地、 林地 、 居 民地和工矿用地。据不完全统 计 ， 目前全国历年累计堆放的煤矸石约为 4 5亿 t ， 规模 较大的矸石山有 1 6 0 0多座 ， 占用土地 约为 1 ． 5万 h m 2 ， 而且堆积量每年还以1 ． 5 亿 t 一 2 ． 0 亿 t 的速度 增加， 成为我国积存量和年产生量最大、 占用堆积场 地最多的工业废物 。 2 ． 1 ． 2 煤矸石露天堆放会因风化产生扬尘影响周 围的大气环境 煤矸石露天堆放产生的扬尘有以下规律 扬尘 量与风速呈正比； 在相同的风速下， 扬尘量的大小与 物质的粒度、 质量和破碎状态有关。煤的粒度、 质量 和块度较小， 煤粉多， 易被吹扬； 反之， 吹扬量较少。 另外， 矸石山的扬尘量与装卸活动也有关 卸矸时扬 尘量大， 平时场尘量小。有关资料研究表明， 矸石山 对环境有扬尘污染， 且其影 响范 围一般不超过 1 k m[ 2 l 。 2 ． 1 ． 3 煤矸石的堆存破坏了原有地区的地表生态 环境 煤矸石由于长期堆积形成较大的矸石山， 影响自 然 景观。这种现象在煤矿普遍分布在以平原为主的东北 地区尤为明显。如抚顺西露天矿治理前有 3 个大型矸 收稿 日期 2 0 0 60 1 2 6 ； 修订日期 2 0 0 6 0 5 2 4 。 作者简介 刘迪， 女 ， 1 9 7 7 年生， 助理工程师， 主要从事环境影响评价方面的研究， E - ma i l l i u d 抑3 0 7 1 6 3 ． c O m。 维普资讯 第 3期 刘迪 煤矸石的环境危害及综合利用研究 6 1 石舍场， 总占地面积 2 2 ． 4 0 ， 隐火区面积 3 0 2 ． 9 8 h ， 3 个舍场横贯市区南部， 长达 1 5 h 。 2 ． 2 煤矸石 自燃影响大气和生态环境 煤矸石中含有残煤、 碳质泥岩和废木材等可燃 物， 其中碳、 硫可构成矸石自燃的物质基础。煤矸石 野外露天堆放 ， 日积月累， 矸石山内部的热量逐渐积 蓄。当温度达到可燃物的燃点时， 矸石堆中的残煤 便可自燃。自燃后， 矸石山内部温度为 8 0 0 ～1 0 0 0 ℃ [ ，使矸石融结并放出大量的 C O， Co 2 ， S 0 2 ， H 2 S 和 N O x等有害气体 ， 其中以 S 0 2 为主。一座矸石山 自 燃可长达十余年至几十年。这些有害气体的排 放， 不仅降低矸石山周围的环境空气质量， 影响矿区 居民的身体健康， 还常常影响周围的生态环境， 使树 木生长缓慢、 病虫害增多， 农作物减产、 甚至死亡。 本溪矿区曾发生过因矸石自燃而造成人员中毒死亡 的事故。沈煤集团西马煤矿也曾因矸石山自 燃使周 围菜农的蔬菜大量减产。 2 ． 3 煤矸石堆淋滤液污染水和土壤环境 煤矸石除含有 S i O 2 和 2 O 3 以及铁、 锰等常量 元素外， 还有其他微量重金属元素， 如铅、 镉、 汞、 砷、 铬等。这些元素为有毒重金属元素。煤矸石在露天 堆放情况下， 经受风吹、 日晒和雨淋等风化剥蚀作 用， 其中的有毒重金属元素有可能通过雨水淋溶进 人地表水域或渗入土壤， 进而通过土壤渗入浅层地 下水。其污染程度则取决于煤矸石中这些元素的含 量、 淋溶量的大小以及煤矸石的堆存时间。 2 ． 4 煤矸石堆引发重力灾害 煤矸石堆 自然安息角为 3 8 。 ～4 O 。 【 ， 在人为开 挖和降雨淋滤作用下， 易失稳引发重力灾害， 如渣石 流、 坍塌等， 危及附近居民的安全。2 0 0 4 年以来， 我 国先后发生了安徽省淮南市新集煤矿矸石山塌方、 重庆市南桐矿业公司东林煤矿矸石山垮塌引起滑坡 和平煤集团四矿矸石山自燃崩塌等三起重大事故， 造成了严重的人员伤亡和财产损失。 3 煤矸石污染的治理及综合利用 3 ． 1 煤矸石污染治理措施 3 ． 1 ． 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， 而且可减小对环境的污染， 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。 3 ． 1 ． 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、 喷浆法、 灌注法、 深部注浆 法、 推平压实法等[ 。可根据具体的特点和情况， 在 坚持以防为本、 标本兼治、 科学治理的原则下， 因地 制宜地采取治理方法。 许多资料和研究表明， 圆锥的堆放方式最易燃。 煤矸石以圆锥方式堆放时， 大块矸石在底， 细小矸石 在顶部， 自下而上形成许多空隙和通道， 为矸石自燃 提供了氧分和水分通道， 故易引起 自燃。防治的方 法是将矸石粉碎后再存， 并加以夯实， 用黄土或用污 泥覆盖等方法对矸石山进行覆盖。也可以采用石灰 乳灭火， 利用石灰中所含的 C a O在遇水后生成的 C a O H 2 与煤矸石自燃产生的S 0 2 ， s o 3 ， Co 2 等有害 气体生不溶于水的 C a S O 4 ， c s o 3 ， 等 J 。 3 ． 1 ． 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， 从而形成较好的微生态环境， 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 。 3 ． 1 ． 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还可以植树种草， 进行土地 复垦， 恢复生态环境。 3 ． 2 煤矸石的综合利用 煤矸石是一种固体废物， 同时也是一种重要的 资源。国家十分重视煤矸石的综合利用问题， 曾先 后下达了 关于进一步开展资源综合利用的意见 国发 1 9 9 6 1 3 6 号 、 资源综合利用目录 国经贸资 [ 1 9 9 6 1 8 0 9 号 、 煤矸石综合利用管理办法 国经贸 资源[ 1 9 9 8 1 8 0 号 等文件。 煤矸石综合利用管理办 法 中指出， 煤矸石的综合利用包括 利用煤矸石发 电、 生产建筑材料、 回收有益矿产品、 制取化工产品、 改良土壤、 生产肥料、 回填 包括建筑回填、 填低洼地 和荒地、 充填矿井采空区、 煤矿塌陷区复垦 、 筑路 等。由此可见 ， 煤矸石的综合利用前景广阔。 3 ． 2 ． 1 利用煤矸石发电和生产建筑材料 煤矸石具有低热值燃料的特点， 且其 中含有高 维普资讯 气 象 与 环 境 学 报 第 2 2 卷 比例的 S i O 2和 03 。因此， 可 以用来 发电和生产 建筑材料。由于项 目具有良好的经济、 社会和环境 效益， 已经成为目前发展较快、 利用最广泛和具有发 展前景的2 种综合利用方式。这些综合利用项 目多 以煤炭生产企业建厂为主， 仅在辽宁就有多家已建、 在建的煤矸石综合利用厂。辽宁已经建成投产的煤 矸石热电厂有沈煤集团投资的灯塔市红阳热电有限 公司 已经通过环保验收 ； 正在建设的有阜矿集团 投资的阜新金山煤矸石热电有限公司； 着手建设的 有铁煤集团投资的调兵山煤矸石发电厂。辽宁已经 建成的煤矸石砖厂有沈煤集团林盛煤矸石砖厂、 抚 矿集团煤矸石砖厂、 铁煤集团晓南煤矸石砖厂； 正在 筹建的有沈煤集团蒲河砖厂和清水砖厂。 3 ． 2 ． 2 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 2 0 世纪 8 0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 3， 丰富了矿区多种经营的项目。 3 ． 2 ． 3 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 含量为1 5 ％左右， 并含有植物生长所需的B ， Z n ， C u ， C o ， Mo ， Mn等微量元素。采用煤矸石改良土壤， 一 些矿区早已实施过。据不完全统计 ， 全国现有微生 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， 获得了显著的环境和社会效益。 3 ． 2 ． 4 利用煤矸石筑路填坑和土地复垦 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。 4 结语和讨 论 多年来， 矿区一直受到煤矸石大量排放的困扰。随 着其堆放所引发的种种环境问题的出现和国家对环境 保护的重视， 以及本身具有的二次资源特点， 国家加大 了其综合 利用力度， 并在政策 匕 给与一定的支持[ 。煤 矸石的综合利用可以解决其对环境的危害、 缓解资源紧 张问题， 是各矿区实现循环经济发展的主要思路。过 去， 由于煤矿经济困难和综合利用技术等问题， 使多数 企业无法投入大量资金开展矸石山的治理和综合利用。 如今， 煤矿的经济效益好了， 综合利用技术成熟了， 理应 加大综合利用力度。但值得注意的是 在进行煤矸石综 合利用项目的同时， 不能因追求单独的经济效益而忽视 新建项目 本身的污染治理问题， 导致新的环境问题的产 生， 这样就得不偿失了。例如 高硫煤矸石在综合利用 问题上就容易产生此种问题。建议采取回收硫铁矿的 利用方式， 如果利用其发电或制砖， 就一定要采取适宜 的脱硫措施确保s o 2 排放浓度达到 火电厂大气污染物 排放标准 C 3 2 2 3 2 0 0 3 和 工业炉窑大气污染物排 放标 G 王 j9 0 7 8 1 9 9 6 中相应标准值， 确保排放总量 满足地方环保部门下达的总量控制指标。 在我国全面建立“ 资源节约型、 环境友好型” 社 会的进程中， 煤炭企业只有通过多种途径开展煤矸 石综合利用， 培植新的经济增长点， 改变单一的以煤 炭采选为主的生产方式， 正确理解环境保护的意义 并积极采取措施治理环境污染， 才能增强企业竞争 能力 ， 获得良好的经济、 社会和环境效益， 从而实现 矿区的可持续发展。 参 考文献 [ 1 ] 姜振泉， 李雷． 煤矸石的环境问题及其资源化利用 [ J ] ． 环境科学研究 ， 1 9 9 8 3 5 75 9 ． [ 2 ] 谢宏全， 张光灿． 煤矸石对生态环境的影响和治理对策 [ J ] ． 北京工业职业技术学院， 2 0 0 2 3 2 8 ． [ 3 ] 刘汝海， 王起超 ， 刘景双． 东北地区煤矸石环境危害及 对策[ J ] ． 地理科学， 2 0 0 2 1 1 1 0 1 1 2 ． [ 4 ] 常允新 ， 朱学顺， 宋长斌等． 煤矸石的危害与防治[ J ] ． 中 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； En vir o nm e n t a l h a z a r d； P r e v e n t i o n an d c u r e me a s u r es ； Co mp r e h e n s i v e u t i l i z a t i o n 维普资讯