0 引言

煤矸石是煤炭开采过程中产生的固体废弃物，其排放量占原煤开采量的10%～25%[1]，是我国最大工业固体废物之一。目前，我国14个亿吨级煤炭基地的煤炭产量占全国总产量的90%以上[2]。截至2022年，我国煤矸石总量累计达70亿t[3-4]，其产生量受煤炭资源分布的影响，主要集中在我国中西部地区等大型煤炭基地，其矸石产量占全国总产量的78%。目前我国的煤矸石产业发展相对滞后，煤矸石利用率普遍在60%～70%之间[5]。基于此，本文总结了煤矸石的来源、性质和危害，在分析综合利用现状和存在的问题基础上，对煤矸石规模化综合利用整体解决方案进行探究，综合考虑各地区资源禀赋，提出“源头减量-资源利用-无害处置”整体方案，对煤矸石进行分类、分质梯级利用，以期为我国煤炭行业的绿色低碳发展提供参考。

1 煤矸石现状

1.1 煤矸石的来源及危害

据统计，我国现有规模较大的矸石山1 600多座，占用土地约150 km2，堆积量还以1.5亿～2.0亿t/a的速度增加[6]，造成土地资源严重浪费，并破坏了山体的生态平衡，引发一系列的地质灾害。煤矸石综合利用率低、利用方式单一、大量煤矸石露天堆存，不仅造成资源浪费，还会引发扬尘、自燃、塌方、泥石流等现象，污染土壤、水体环境的同时危害人体健康。煤矸石是开采煤矿和选煤过程中排出的固体废物，由有机物和无机物组成的一种黑色岩石[4，7]。其主要来源有：露天开采煤矿和巷道掘进过程产生的掘进矸；挖掘过程中顶板、夹层以及底板产生的普矸；选煤过程中挑选出的选矸，这3次来源所占比例分别为 45%、35% 和 20%[4-9]。

煤矸石的理化性质主要取决于煤的原始状态，具有含碳量低、硬度大、热值低、灰熔点高等特点[9]，其含碳量为20%～30%，密度介于2 100～2 900 kg/m3 之间，大部分煤矸石的热值均在 6 300 kJ/kg以下，仅有 10%左右的煤矸石发热量在 6 300 kJ/kg 以上[10]。煤矸石由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O 等物质和微量的稀有金属元素(Mn、Mo 等)组成[11]，其主要成分为SiO2和Al2O3，两者的总含量可达50%～95%[12]。煤矸石成分存在明显的地区差距，应根据煤矸石的性质，因地制宜，选择合适的资源化方式。我国部分地区煤矸石成分及资源化利用见表1。

1.2 煤矸石综合利用政策现状

长期以来，我国高度重视煤矸石等大宗固废的利用和处置，从 20 世纪90 年代中期就开始不断制定加强煤矸石治理与综合利用的相关政策(见表2)，在一定程度上促进了煤矸石的综合利用，实现其利用的标准化。

对政策以及研究热点深度进行了分析，总结得出：政策趋势为煤矸石发电→综合利用→井下充填+地面回填；研发趋势为建材→有价元素提取→发电→土地复垦；整体趋势为资源化→高值化→回归到大宗处置。国家及地方政策持续并且逐渐加重比例，将煤矸石生态治理损毁土地/不可利用土地的生态回填模式作为煤矸石大规模利用消纳的重要方向。

2 煤矸石综合利用现状及问题

2.1 综合利用现状

2021年7月，由国家发改委印发的《“十四五”循环经济发展规划》，围绕工业、社会生活、农业三大领域，提出“十四五”循环经济发展的主要任务，重视资源循环利用，鼓励支持科学技术创新和进步，因此煤矸石综合利用途径逐渐广泛。目前国内煤矸石综合利用以充填、发电、制砖为主，其中充填处置量占煤矸石总量的41.6%，煤矸石发电占煤矸石总量的21.6%，制砖占7.5%。研究发现，对煤矸石的多组分梯级利用模式尚未建立，因此探索规模化资源化综合利用路径迫在眉睫[20-21]。煤矸石规模化处置与综合利用途径如图1所示。

我国煤矸石产量与日俱增，2021 年矸石产量约为 7.43 亿t，比2020年增长了 5.84%。据预测，到 2025 年，煤矸石产量将达到 8 亿 t左右[11]。我国经济增长仍未与能源消耗及煤炭脱钩，煤矸石产量短期内预期不会显著下降，煤矸石充填处置已由2005年1亿t上升至2020年2.9亿t，且近年来仍呈上升趋势；2005-2011年，矸石发电快速发展，但近年来受发电行业状况及选煤技术进步的影响，消纳量较为稳定，消纳量约1.5亿t/a；制砖总体而言消纳量和潜力有限。未来一段时期内，提升煤矸石综合利用率的潜在手段主要集中在充填处置领域。我国经济发展及煤矸石利用状况如图 2所示。

2.2 存在的问题

我国煤矸石综合利用于20 世纪 60 年代开始到现在，取得了较为显著的成就，但仍存在一些问题[22-24]。

(1)利用能力参差不齐，存在区域问题。煤矸石主要集中在西部地区等煤炭基地，其产业发展相对滞后，利用率较为低下。如果将山西等地区的煤矸石运往东南等地区，从经济层面考虑并不可行，煤矸石综合利用存在严重的区域问题，且矸石利用产业发展极不平衡。

(2)利用规模小，处理处置利用不规范。煤矸石排放量大，其利用量小于产生量，导致矸石不断堆积，占用土地资源，污染生态环境。以山西省为例，经调研发现，许多煤炭企业面临矸石无处堆放、库容已满的严峻情况，同时用来堆存的土地审批困难，造成土地资源紧缺。

(3)利用技术落后，技术创新动力不足。我国对煤矸石利用方式主要采用低水平、低价值的利用技术，技术创新驱动力不足，严重制约矸石产业的发展。

(4)资金投入不足，鼓励机制和政策有待完善。缩小区域之间发展差距、研发新技术，需要足够的资金支持。煤矸石利用相关的税收、财政、土地供应等政策统筹力度不够，缺乏长效的鼓励机制，导致企业对矸石利用的内生动力不足。同时综合利用的整个研发和利用周期较长，产生效益的周期也较长。

3 煤矸石规模化综合利用方案

对煤矸石大规模综合利用，主要针对西部地区等煤炭基地。这些地区煤炭资源储量大、品位高，适合用于煤矸石的开发利用。同时拥有成熟的煤炭开采、加工和转化技术，完善的交通、能源基础设施以及政府的重点支持，具备规模化利用煤矸石的生产条件。煤炭产能集中的地区具有得天独厚的优势和条件，适于规模化综合利用，推动矸石产业的发展壮大。本文秉持“减量化、无害化、资源化”的原则，结合资源禀赋差异因地制宜、分类处理，提出煤矸石规模化利用的技术路线如图3所示。

根据矸石的性质和地区实际情况，从煤矸石高值化利用到无法再利用进行设计，将煤矸石综合利用由“低效、低值、分散利用”向“高效、高值、规模利用”转变，有效解决煤矸石规模化利用问题，并形成新的固废处置产业链。

3.1 源头减量化井下充填

煤矿开采会产生大量的地下空间，随着时间推移这些地下空间极易发生坍塌等灾害，对矿区生态环境带来不利影响。据统计，截至2020年，我国煤矿塌陷面积累计2.16万km2[25]，废弃煤矿12.1万处，预计到2030年达2.8万处[26-29]。因此将矸石在开采时就进行井下充填，有利于改变传统充填方法成本高、效率低、浪费资源等缺点，该技术不仅解决了矿山周围煤矸石堆存的问题，还可以避免地表塌陷、提高煤矿回采率且减少矸石排放和治理成本。

煤矸石充填是实现其源头减量化规模化无害处置的有效途径，适用于西部地区等煤炭基地，比如山西、内蒙古、新疆等省(区)，主要分为固体充填、膏体充填和浆体充填 3 类。固体填充是直接将煤矸石充填巷道或将煤矸石破碎到一定粒径，再由给料机运输到需要填充的地方，利用矸石置换煤柱中的煤炭，实现解放“三下”压煤，防止发生地质灾害。膏体充填和浆体充填是将煤矸石破碎并研磨，将研磨后的粉末与胶凝材料和水混合搅拌制备成充填膏体或料浆，通过填充管道灌入煤矿冒落采空区，形成一定强度的充填体，起到控制采空区上覆岩层移动与地表塌陷作用。

3.2 资源化梯级利用

根据煤矸石综合利用潜在途径，以发热值为基准构建煤矸石分级综合利用工艺路线，如图4所示。

在煤矸石产量大、煤矿或选煤厂集中的地区，建立集中预处理中心，煤矸石经过分选设备可以将附着的精煤进行有效筛分，分选出热值高的煤进行出售；剩余的原料煤矸石进行第二次分选，分选出热值低的黑矸制烧结砖、白矸制机制砂；烧结砖以及制砂后形成的废渣，进一步得到富集，可与其他原料共同制备生态土。开展煤矸石梯级利用，建立煤矸石综合利用的循环经济路线，可延长煤矸石资源利用的产业链，实现煤矸石利用的最大化。

3.2.1 二次提煤

对煤矸石进行二次提煤不仅能够减少资源浪费，还能为企业带来一定的经济效益。目前二次提煤采用先进的X射线分选法，将含煤量大于10%的煤矸石，通过X射线分选设备分选出精煤、黑矸和白矸，分选后煤中带矸和矸石带煤率可控制在1%～3%范围内，分选精度可达到 97%以上。如400万t煤矸石经分选后约可回收精煤20万t，提取率约5%，因此对煤矸石进行二次提煤具有一定的经济价值，也可为后续煤矸石资源化利用提供便利。

3.2.2 仿生石+烧结砖

煤矸石的主要成分可以代替粘土作为烧结砖的原料，煤矸石制烧结砖、仿生石等建筑材料，已广泛应用于建筑行业。利用煤矸石生产烧结砖等建筑材料，享受增值税和所得税的减免优惠政策，可有效调动建筑材料企业及煤矿企业的积极性，实现了“制砖不用土，烧砖不用煤” ，是煤矸石综合利用的主要方向之一。综合考虑生产规模、产品市场需求、经济效益等因素，将分选后的黑矸通过制备烧结砖、仿生石这2条途径进行消纳。池朋等[30]研究以矸石为主要原料，粉煤灰、水泥、天然砂及添加剂为辅料，通过调整原料配比和成型压力，制备的免烧砖其性能符合《非烧结垃圾尾砖》(JC/T 422-2007)MU25标准要求。黑矸制备仿生石+烧结砖工艺流程如图5所示。

3.2.3 机制砂

我国天然河砂的储量较少，并且砂石消耗量超过 200 亿 t/a[10]，将煤矸石制备成砂石是缓解资源紧张和降低制砂成本的有效方法，但不适于偏远地区，制备的砂石当地无法消纳，外运则成本较高。将分选出可用于机制砂的白矸进行破碎和筛分等工序，将满足要求的细骨料进入砂石粉分离机，进行砂和石粉的分离，当石粉含量降至≤3%，剩余即为满足要求的机制砂产品。冯剑等[31]以煤矸石为原料制备矸石陶粒，采用破碎→干燥→配料→球磨→造球→预热→焙烧的工艺，实验结果表明，用煤矸石陶粒配制的混凝土具有质量轻、强度高的特点。煤矸石制砂工艺流程如图6所示。

3.2.4 生态土

煤矸石中含有植物生长所需的微量元素，例如B、Mn、Cu、Co等微量元素，可改善土壤环境、增加土壤有机质和营养元素含量。煤矸石制备的生态土主要针对煤炭资源丰富的地区较为适宜，并存在大量煤基固废，比如陕西、内蒙古等部分地区，荒漠化严重，不适于填沟造地，因此就地取材开发煤基固废生态修复材料。该材料突破煤基固废制多孔材料的关键技术，并利用煤基固废载体材料-菌根菌-生态治理系统的构效关系，生产出具有保水、保肥、抗贫瘠、抗沙化等逆境的生态土。

煤矸石经破碎、粉磨、干燥等工序，制备成煤基固废载体材料；载体材料又与农业、养殖副产品、接种剂等混合均匀，充分活化，从而制成生态土，煤矸石制备生态土工艺流程如图7所示。

目前，煤矸石生态土已在山西西山煤电矸石山生态修复项目进行应用，经跟踪监测和专家评估，该材料具有保水、保肥、促进植物养分吸收、改善土壤微生物环境、缩短生态修复时间等特点，施用该生态土，植被覆盖度较对照提高约15%，植物生物量增加约20%，生态修复效果良好。

3.3 无害化填沟造地

填沟造地是煤矸石综合利用最常见的形式，也是成本较低、见效最快的形式，既能减少生态环境破坏，又能缓解土地资源紧张的局面，并且煤矸石还能改变土壤质量。填沟造地适用于山西、内蒙古等资源丰富且地势高低起伏的地区，在山东、陕西等地区则不适用。煤矸石中存在着有毒有害的物质，防止其污染环境必须进行防渗阻隔工程；其次矸石中含有较多的硫化物，内部温度较高时，与 O2接触后易产生自燃现象，必须灭火隔氧降温；最后在填沟的表面矸石上覆盖一定厚度的黄土，种上草本植物、灌木等，进行生态恢复。 例如神东煤炭集团实施了大柳塔、榆家梁、乌兰木伦等煤矿排矸场填沟造地工程，将沟壑地带通过煤矸石填沟造地复垦方式变为良田，造地面积达到87万m2。填沟造地的技术路线如图8所示。

4 效益评估与分析

对煤矸石进行科学化、规模化综合利用，为社会、生态环境和经济等方面带来了不同程度的效益。

4.1 社会效益

(1)增加就业机会。煤矸石综合利用过程中，需要人力资源参与，从而增加就业机会。

(2)促进区域发展。煤矸石综合利用项目的建设和运营，可以带动当地经济发展，改善当地居民生活水平。

(3)提高能源利用效率。通过煤矸石的综合利用，可以减少对传统煤炭的依赖，促进能源结构转型，提高能源利用效率。

4.2 生态环境效益

(1)减少土地占用。目前煤矸石占用土地约1.5万m2，同时每年还以一定速度增加，加大对煤矸石综合利用可减少占用土地资源。

(2)降低环境污染。2021年我国煤矸石产量为74 300万t，其中自燃量约18 600万t[32]，自燃过程中会排放SO2、NOx以及烟尘等污染大气，并且大量堆存，可能会对土壤、水体等环境造成污染。通过科学处理和综合利用，可减少对环境的污染。

(3)降低碳排放。煤矸石碳排放量在7.5亿t/a左右，对煤矸石分类、分质、梯级利用处理可为煤化工行业实现碳达峰、碳中和提供助力，降低煤化工行业碳排放。

4.3 经济效益

(1)资源再利用。煤矸石中含有一定的煤炭和其他矿产资源，400万t煤矸石经分选后约可回收精煤20万t，提取率5%左右，可以实现资源的再利用，提高资源利用效率。

(2)节约成本。据调研，煤矸石井下充填成本为100元/t，通过对煤矸石进行分类、分质、梯级处理和利用，其成本远低于充填成本，可减少废弃物的处置成本，节约企业的生产成本。

(3)增加收入来源。建设处理煤矸石1 000万t 的综合利用项目，建设投资为36 000万元，年均生产毛利为35 680万元，2年可回收成本并获利，创造了新的收入来源，提高企业的盈利能力。

以1 000万t煤矸石综合处理项目为例，具体内容见表3。

综上所述，煤矸石的科学规模化综合处理和利用可以带来一系列的社会效益、生态环境效益和经济效益，对于煤炭行业可持续发展和资源循环利用具有重要意义。

5 结语

我国煤矸石排放量大，其分布高度集中于煤炭资源丰富的地区，具有区域性、利用率低下等特点，存在利用规模小、产业链不完整、区域供需不均衡、前端分类预处理缺乏规范等问题。因此针对煤矸石利用存在的一系列问题，提出“源头减量-资源利用-无害处置”规模化处理整体方案，该方案适用于西部地区等煤炭基地，资源匮乏地区则适用高值化的利用方式。通过对煤矸石进行分类、分质、梯级利用，推动煤矸石的规模化和资源化利用，带来一系列社会、环境和经济效益，实现煤炭行业的绿色高质量发展。

参考文献：

[1] 姚苏琴,查文华,刘新权,等.萍乡废弃煤矸石理化特性及热活化性能研究[J].硅酸盐通报,2021,40(7):2280-2287.

[2] 王刚,陈雪畅,程卫民,等.煤孔裂隙多尺度表征及其对渗透率的影响分析——以中国14个大型煤炭基地为例[J/OL].重庆大学学报:1-17[2024-03-12].http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1044.N. 202306 15.0835.002.html.

[3] 田莉,于晓萌,秦津.煤矸石资源化利用途径研究进展[J].河北环境工程学院学报,2020,30(5):31-36.

[4] 李启辉.煤矸石的性质及综合利用研究进展[J].应用化工,2023,52(5):1576-1581.

[5] 王小云,牛艳霞.煤矸石研究综述:分类、危害及综合利用[J].化工矿物与加工,2023,52(11):18-25.

[6] 张吉雄. 矸石直接充填综采岩层移动控制及其应用研究[D].徐州:中国矿业大学,2008.

[7] 惠鹏岳.煤矸石的特性分析及综合利用研究[J].内蒙古煤炭经济,2023(1):70-72.

[8] 徐良骥,黄璨,李青青,等.煤矸石粒径结构对充填复垦重构土壤理化性质及农作物生理生态性质的影响[J].生态环境学报,2016,25(1):141-148.

[9] 杨越.我国煤矸石堆存现状及其大宗量综合利用途径[J].中国资源综合利用,2014,32(6):18-22.

[10] 王浩森,胡社荣,徐方,等.东胜矿区煤矸石堆自燃的控制因素及类型划分[J].中国矿业,2013,22(4):114-117.

[11] 周海亮.煤矸石的特性分析及综合利用研究[J].山西化工,2021,41(6):221-223.

[12] 王玉涛.煤矸石固废无害化处置与资源化综合利用现状与展望[J].煤田地质与勘探,2022,50(10):54-66.

[13] 王国平,孙传敏.浅论煤矸石资源化及其分类[J].煤炭经济研究,2004(5):19-20.

[14] ZHANG Luyi, ZHANG Huayong, GUO Wei, et al. Sorption characteristics and mechanisms of ammonium by coal by-products:Slag,honeycomb-cinder and coal gangue[J]. International Journal of Environmental Science and Technology,2013,10(6):1309-1318.

[15] 郭洋楠,李能考,何瑞敏.神东矿区煤矸石综合利用研究[J].煤炭科学技术,2014,42(6):144-147.

[16] 杜恒.煤矸石处置与综合利用研究[J].能源与环保,2022,44(3):139-145.

[17] LI Yu, YAO Yuan, LIU Xiaoming, et al. Improvement on pozzo-lanic reactivity of coal gangue by integrated thermal and chemic-al activation[J]. Fuel,2013,109:527-533.

[18] 金会心,吴复忠,朱明燕,等.贵州六盘水煤矸石的矿物特性[J].过程工程学报,2014,14(1):151-156.

[19] 2021年固体废物处理利用行业综述与2022年发展展望[J].中国轮胎资源综合利用,2022, 298(4):10-18.

[20] 中国资源综合利用年度报告(2014)(续完)[J].再生资源与循环经济,2014,7(10):3-8.

[21] 唐志华,呼和涛力,郭华芳,等.宁夏工业固废处置与资源化利用战略研究[J].中国煤炭,2021,47(6):40-52.

[22] 常纪文,杜根杰,杜建磊,等.我国煤矸石综合利用的现状、问题与建议[J].中国环保产业,2022(8):13-17.

[23] 马淑杰.新征程下大宗固废综合利用产业发展研究[J].中国矿业,2023,32(6):10-18.

[24] 石晓莉,杜根杰,高建勇,等.准格尔旗煤矸石综合利用及生态修复产业现状与建议[J].能源与节能,2022(5):53-55.

[25] 潘树仁,潘海洋,朱开成,等.煤矿开采若干生态环境地质问题及解决思路[J].中国煤炭地质,2020,32(9):21-25,53.

[26] 谢和平,高明忠,高峰,等.关停矿井转型升级战略构想与关键技术[J].煤炭学报,2017,42(6):1355-1365.

[27] 王争,李国富,周显俊,等.山西省废弃矿井煤层气地面钻井开发关键问题与对策[J].煤田地质与勘探,2021,49(4):86-95.

[28] 孟召平,李国富,田永东,等.晋城矿区废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究进展[J].煤炭科学技术,2022,50(1):204-211.

[29] 陈迪. 高硫煤废弃矿井微生物群落演替规律及铁硫代谢基因的功能预测[D].徐州:中国矿业大学,2020.

[30] 池朋,吴小文,赵海卿,等.煤矸石基免烧砖制备工艺及力学性能研究[J].矿产保护与利用,2020,40(3):95-99.

[31] 冯剑,胡欣,周春红,等.煤矸石轻质骨料的性能研究[J].江西建材,2019(12):6-7,11.

[32] 朱闰勤,刘永团.煤矸石自燃机理及防治[J].能源与节能,2023(4):109-111.

Research on the overall solution of coal gangue large-scale comprehensive utilization

SHI Xiaokai1,2, CHEN Wenhui1, WANG Hao3, LI Wenjun1,4, DI Zichen1, ZHAO Ruitong1, SONG Huiping1, WU Haibin1

(1. Shanxi University, Taiyuan, Shanxi 030006, China;2. Shanxi Dadi Minji Ecological Environment Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030027, China;3. Shanxi Coking Coal Group Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030024, China;4. Shanxi Transportation Holding Ecological Environment Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030006, China)

Abstract Based on the sources, properties and hazards of coal gangue in China, the status quo and existing problems of coal gangue comprehensive utilization are studied and analyzed, focusing on exploring the overall solution of large-scale comprehensive utilization of coal gangue. According to the coal resource occurrence characteristics, the large-scale comprehensive utilization method of coal gangue is put forward with a scheme of " source reduction, resources utilization and harmless disposal", realizing coal gangue classification and quality-based graded utilization, so as to achieve the harmless, large-scale, high-value utilization of coal gangue. The scheme is applicable to large coal bases in western China and other regions. Combine with the social benefits, ecological and environmental benefits, and economic benefits, the evaluation and analysis of the overall solution can provide reference for the sustainable development and resource recycling of the coal industry.

Keywords coal gangue; large scale; comprehensive utilization; graded utilization; overall solution

中图分类号 TD849.5

文献标志码 A

引用格式：史晓凯，陈文慧，王浩，等. 煤矸石规模化综合利用整体解决方案研究[J].中国煤炭，2024，50(3)133-142.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.03.016 SHI Xiaokai，CHEN Wenhui，WANG Hao，et al. Research on the overall solution of coal gangue large-scale comprehensive utilization [J]. China Coal，2024，50(3)：133-142.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.03.016

基金项目：国家重点研发计划-政府间国际科技创新合作项目(2023YFE0100700)；山西焦煤集团公司横向项目(2022-448)；山西交控生态环境股份有限公司研发项目(2022-YF10)

作者简介：史晓凯(1985-)，男，山西泽州县人，博士，高级工程师，主要从事生态修复及固体废弃物综合利用研究工作。E-mail：shixiaokai001@126.com

通讯作者：吴海滨(1981-)，男，宁夏中宁县人，硕士，高级工程师，研究方向为固废资源化与资源增效减碳。E-mail：haibin@sxu.edu.cn

(责任编辑 王雅琴)