羅元富

(水城礦業(yè)股份公司 大灣煤礦選煤廠，貴州 六盤水 553000)

煤矸石是在煤礦建設(shè)、開采和煤炭洗選加工過程中所產(chǎn)生的固體廢棄物，是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的巖石，是碳質(zhì)、泥質(zhì)和砂質(zhì)頁巖的混合物，其主要成分是Al2O3和SiO2，還含有數(shù)量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、k2O、P2O5、SO3和微量稀有元素(鎵、釩、鈦、鈷等)。水城礦區(qū)大灣片區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、煤層薄、斷層多、煤質(zhì)差，煤矸石產(chǎn)量占礦井原煤產(chǎn)量的30%～45%。為開展煤矸石綜合利用，大灣煤礦選煤廠自2014年開始對四川、重慶、貴州及周邊地區(qū)煤矸石綜合利用情況進(jìn)行了實地考察和調(diào)研分析。

1 煤矸石的危害

1.1 占用大量土地資源并消耗大量堆存費用

以大灣煤礦選煤廠為例，自建廠以來，已經(jīng)存放煤矸石約1 000萬t，占用土地463畝。根據(jù)當(dāng)前矸石堆場征地、堆場安全及環(huán)保工程建設(shè)、矸石運輸及推矸等各項費用，折算的每噸矸石堆放成本為11.67元。

1.2 長期露天堆放會造成環(huán)境和安全危害

煤矸石滲濾液中的有害元素會破壞周邊水質(zhì)；煤矸石自燃會排放出SO2、CO、CO2等有毒氣體，風(fēng)化后會產(chǎn)生大量粉塵，對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響；并存在滑坡、潰壩、下沉等地質(zhì)災(zāi)害和安全隱患。矸石堆場比照尾礦庫進(jìn)行安全管理，需執(zhí)行安全和環(huán)保的“三同時”建設(shè)規(guī)定。

2 煤矸石綜合利用現(xiàn)狀

2.1 煤矸石的利用價值

煤矸石綜合利用途徑較多，但受到煤矸石自身特性、技術(shù)條件和外部因素的限制，實際具有經(jīng)濟(jì)價值的可實施項目并不多。通常根據(jù)煤矸石的類別及性質(zhì)特征進(jìn)行綜合利用。

2.1.1 根據(jù)煤矸石巖性特征利用

煤矸石可分成高嶺土泥巖(氧化鋁大于60%)、伊利石泥巖(伊利石大于52%，是富鉀高鋁的礦石)、砂質(zhì)泥巖(以氧化硅為主)、砂巖、石灰石。高嶺土泥巖、伊利石泥巖可用于生產(chǎn)燒結(jié)料、磚、陶瓷等；砂質(zhì)泥巖、砂巖可用于生產(chǎn)碎石、混凝土密實骨料；石灰石可用于生產(chǎn)石灰、膠凝材料等。

2.1.2 根據(jù)煤矸石鋁硅比含量利用

當(dāng)鋁硅比大于0.5時，可制作高級陶瓷、分子篩材料。

2.1.3 根據(jù)煤矸石碳含量利用

(1)煤矸石發(fā)熱量在2.09 MJ/kg以下時，可作為水泥混合材料、混凝土骨料和其他建材配料，或用于井下回填；

(2)發(fā)熱量在2.09～6.27 MJ/kg的煤矸石，可直接用于生產(chǎn)水泥、制磚；

(3)發(fā)熱量在5.02～12.56 MJ/kg的煤矸石，一般作為燃料用于電廠發(fā)電。

2.1.4 根據(jù)煤矸石化學(xué)成分利用

(1)當(dāng)煤矸石全硫大于6%時，可用于回收硫精礦；

(2)煤矸石特別是已自燃或發(fā)電的灰渣，SiO2、Al2O3含量較高，可以用于提取和制備氧化鋁、硅膠、白炭黑、肥料、無機紙漿、4A分子篩材料等。

2.2 當(dāng)前煤矸石主要利用方法

2.2.1 煤矸石發(fā)電

利用煤矸石具有的熱值。當(dāng)煤矸石收到基低位發(fā)熱量大于5.02 MJ/kg時，可混合煤泥和中熱值煤作為低熱值電廠燃料進(jìn)行發(fā)電。鶴壁礦業(yè)集團(tuán)2×135 MW發(fā)電機組，采用先進(jìn)的超臨界發(fā)電技術(shù)和除灰脫硫技術(shù)，年消耗煤矸石、煤泥和原煤112萬t。

2.2.2 煤矸石制水泥

利用煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分及爐渣的活性。SiO2、Al2O3、Fe2O3三種成分總含量大于70%的煤矸石，可直接作普通水泥原料；一般采用自燃過的煤矸石、前期煅燒過的矸石或矸石電廠的爐渣和粉煤灰作為水泥原料。重慶市南桐特種水泥有限責(zé)任公司建有一座220萬t/a的水泥生產(chǎn)線，用煤矸石、矸石電廠的爐渣和粉煤灰等作為水泥廠的原料代替石灰石，煤矸石摻合比例達(dá)到70%，年消耗煤矸石等“三廢”約180萬t。

2.2.3 煤矸石制磚

利用煤矸石具有一定的熱值和容易發(fā)生自燃的特性。當(dāng)煤矸石中SiO2含量為55%～70%、Al2O3為15%～25%、Fe2O3為2%～8%、CaO小于2%、MgO小于3%、SO2小于1%時，可塑性在7～15，放射性符合標(biāo)準(zhǔn)時，可全部或部分代替粘土用于生產(chǎn)燒結(jié)磚、空心磚、墻面磚、地面磚等。貴州六盤水市煤矸石磚廠超過100家，年生產(chǎn)能力8.5億塊，其中，貴州水礦集團(tuán)建有年產(chǎn)3 000萬塊標(biāo)磚的矸石磚廠。

2.2.4 煤矸石制輕骨料(陶粒)

輕骨料(陶粒)是為減少混凝土密度而生產(chǎn)的一種多孔骨料，用于建造大跨度橋梁和高層建筑。可利用回轉(zhuǎn)窯燒制煤矸石，生產(chǎn)陶粒輕骨料，或者用煤矸石電廠的粉煤灰生產(chǎn)陶粒輕骨料系列產(chǎn)品。鶴壁礦業(yè)集團(tuán)建有20萬m3/a的粉煤灰混凝土砌塊生產(chǎn)線和10萬m3/a的粉煤灰陶粒生產(chǎn)線，年消耗爐渣和粉煤灰20萬t；雞西礦業(yè)集團(tuán)建有陶粒和陶粒粉廠。

2.2.5 煤矸石制陶瓷

煤矸石主要由粘土礦物組成，其化學(xué)成分與一般瓷土近似，工藝性能在一定條件下可以滿足陶瓷生產(chǎn)的要求。內(nèi)蒙古精誠高壓絕緣子公司已成功開發(fā)用煤矸石生產(chǎn)高壓絕緣子。

2.2.6 煤矸石制化工產(chǎn)品

煤矸石主要成是SiO2、Al2O3等，特別是自燃或燃燒后的煤矸石爐渣和粉煤灰所含的硅、鋁、鐵等氧化物比例極高，且有害元素很低，對其再利用的經(jīng)濟(jì)和社會效益較好。主要利用途徑如下。

(1)煤矸石提取氧化鋁。從煤矸石中提取氧化鋁的主要工藝：矸石→破碎→煅燒活化→酸/堿溶→固液分離→濾液除雜→三氧化二鋁及氫氧化鋁。2014年，山西柳林縣煤矸石綜合利用示范園區(qū)煤矸石提取氧化鋁工業(yè)試驗取得成功；2015年，貴州盤州市紫森源集團(tuán)與昆明理工大學(xué)合作的“年處理5 000 t煤矸石綜合利用中試生產(chǎn)線”試驗取得成功，鋁回收率可達(dá)92%。

(2)煤矸石提取白炭黑。白炭黑是以SiO2為主要成分的白色無定形微細(xì)粉狀物，用作油漆涂料填充劑、橡膠補強劑等。煤矸石中SiO2含量達(dá)40%～60%時可用于提取白炭黑。山東科技大學(xué)已經(jīng)成功研發(fā)利用煤矸石制取白炭黑和氧化鋁技術(shù)，對煤矸石分解率高，無廢氣、廢水、廢渣。

(3)煤矸石提取硫鐵礦。當(dāng)煤矸石中全硫含量達(dá)6%時，可使用平板搖床等工藝技術(shù)提取硫精礦，用于化工廠制造硫酸。南桐礦業(yè)集團(tuán)針對煤矸石中硫含量高的特性，在提取硫精礦后再將煤矸石供給電廠作燃料。

(4)煤矸石生產(chǎn)肥料。當(dāng)煤矸石中腐植酸含量在30%以上，鈣、鎂離子含子在2%以下時，可用于生產(chǎn)腐植酸肥料；另外，可利用煤矸石中含有植物所需的硅、鉀、硫、鈣、鎂、鐵、銅、鋅、錳等元素及有機質(zhì)，生產(chǎn)復(fù)合微生物肥料。從事該項研究的單位主要有北京林業(yè)大學(xué)、貴州大學(xué)、鄭州大學(xué)等，目前國內(nèi)已有的煤矸石生產(chǎn)復(fù)合微生物肥料的企業(yè)規(guī)模較小，一般在1～2萬t/a，消耗煤矸石0.3～0.6萬t/a。

(5)煤矸石造紙。將煤矸石在高溫爐內(nèi)融化，再用高速離心專用設(shè)備將1 600 ℃的煤矸石熔體直接制成超細(xì)無機纖維，可替代植物纖維用于造紙，且可以自然降解。鶴壁潔聯(lián)新材料科技公司研發(fā)了“煤矸石制取無機纖維及產(chǎn)業(yè)化成套工藝技術(shù)”，已于2012年取得成功。

(6)煤矸石制4A分子篩材料。4A分子篩是一種人工合成、有微孔型立方晶格的堿金屬硅酸鋁鹽。生產(chǎn)工藝主要是粉碎、焙燒、晶化。4A分子篩材料是深度開發(fā)煤矸石中硅鋁類礦物質(zhì)的優(yōu)化方法。中國鋁業(yè)山東分公司已成功開發(fā)。

2.2.7 煤矸石井下充填

井下充填是以煤矸石為主要充填材料，利用煤矸石置換煤炭，其優(yōu)點是在回收“三下”煤炭資源的同時，減少了煤矸石出井占用土地資源和環(huán)境污染，減少了煤礦開采后的沉陷危害。近幾年來，根據(jù)煤礦充填技術(shù)的發(fā)展方向，中國礦業(yè)大學(xué)、冀中能源、開灤集團(tuán)等科研院所和礦山企業(yè)，先后開發(fā)了采空區(qū)高效機械化矸石充填采煤技術(shù)、井下黃土充填長壁綜合機械化采煤技術(shù)、安全高效高回收率綜合機械化固體充填采煤技術(shù)等，并在新汶、霍州、邢臺、唐山等礦區(qū)取得成功應(yīng)用，解放了礦區(qū)建筑物下所壓的大量煤炭資源，同時避免了矸石的大量排放。

2.2.8 煤矸石復(fù)墾

將矸石分層碾壓后，在表層覆土、植草種樹，達(dá)到綠色礦山建設(shè)和矸石山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)目的。利用煤矸石進(jìn)行土地復(fù)墾主要集中在兩淮、西北地區(qū)。

2.3 煤矸石綜合利用中存在的問題

(1)除煤矸石發(fā)電、制水泥、制磚和井下充填技術(shù)對煤矸石用量較大外，其他的技術(shù)對煤矸石消耗量小。

(2)各種開發(fā)利用技術(shù)的投資和加工成本都較高。

(3)利用后的附加值或增值較低。

(4)很多技術(shù)屬于研發(fā)和試產(chǎn)，還未形成規(guī)模。

(5)除井下充填、土地復(fù)墾、生產(chǎn)建材外，其他多數(shù)利用途徑需進(jìn)行大氣、粉塵及廢渣的環(huán)保達(dá)標(biāo)處理，環(huán)保投入較大。

2.4 水城礦區(qū)煤矸石綜合利用現(xiàn)狀及存在的問題

(1)煤矸石產(chǎn)生量大。水城礦區(qū)受限于地質(zhì)結(jié)構(gòu)和煤層結(jié)構(gòu)，煤層主要為中厚煤層和薄煤層，根據(jù)巷道斷面和綜采三機高度，原煤灰分基本在40%～45%，矸石量大。

(2)煤矸石綜合利用率低。水城礦區(qū)煤矸石綜合利用率總體不到30%，遠(yuǎn)低于《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)煤炭采選行業(yè)》(HJ446-2008)規(guī)定不小于70%的第三級基本水平。

(3)煤矸石利用途徑少。水城礦區(qū)的煤矸石利用以生產(chǎn)水泥和制磚為主。礦區(qū)地處云貴高原山區(qū)，石多土少，用于復(fù)墾的土壤較為稀缺，鋪路、建筑地基等主要為就近取材的石料；隨著選煤技術(shù)的發(fā)展，煤矸石中含碳量低、熱值基本小于2.06 MJ/kg時，不能用作發(fā)電燃料，原設(shè)計的矸石發(fā)電廠現(xiàn)主要以煤泥和原煤為燃料。

(4)綜合利用技術(shù)落后，推進(jìn)較慢。煤矸石充填開采、制陶瓷、制化工產(chǎn)品等大多處于科研試驗和技術(shù)論證階段，且受限于資金投入，科研進(jìn)展和生產(chǎn)應(yīng)用推進(jìn)較慢。

(5)綜合利用企業(yè)市場競爭力差。煤矸石制磚是水城礦區(qū)主要的利用途徑之一，磚塊銷售市場主要為城鎮(zhèn)，但煤矸石均位于較偏僻的山區(qū)，矸石磚廠受銷售半徑和市場制約，運輸成本高，在與黏土磚廠、砂石磚廠的市場競爭中處于劣勢。

3 煤矸石綜合利用政策分析

國家現(xiàn)行與煤矸石利用相關(guān)的政策法規(guī)主要有國家發(fā)改委、環(huán)保部等聯(lián)合發(fā)布的《煤矸石綜合利用管理辦法》(2014年18號令)和《資源綜合利用產(chǎn)品和勞務(wù)增值稅優(yōu)惠目錄》(財稅【2015】78號)等。

3.1 政策新規(guī)

《煤矸石綜合利用管理辦法》界定了煤矸石綜合利用的范圍，提出堅持“因地制宜、積極利用”的指導(dǎo)思想，明確了相關(guān)優(yōu)惠政策及管理措施，促進(jìn)了煤矸石綜合利用健康發(fā)展。同時明確要求：禁止新建煤礦及選煤廠建設(shè)永久性煤矸石堆場，確需建設(shè)臨時堆場(庫)，其占地規(guī)模要與煤炭生產(chǎn)和洗選加工能力相匹配，原則上占地規(guī)模按不超過3 a儲矸量設(shè)計，且應(yīng)有后續(xù)綜合利用方案。煤矸石臨時性堆放場(庫)選址、設(shè)計、建設(shè)及運行管理應(yīng)當(dāng)符合《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》、《煤炭工程項目建設(shè)用地指標(biāo)》等相關(guān)要求。

3.2 財稅優(yōu)惠政策

煤矸石利用企業(yè)可享受《資源綜合利用產(chǎn)品和勞務(wù)增值稅優(yōu)惠目錄》(財稅[2015]78號)規(guī)定的財稅政策。

(1)退稅70%：生產(chǎn)磚瓦(不含燒結(jié)普通磚)、砌塊、陶粒防火材料、耐火材料(鎂鉻磚除外)、保溫材料、礦(巖)棉、微晶玻璃、U型玻璃等產(chǎn)品的原料70%以上來自煤矸石；煤矸石生產(chǎn)水泥，42.5級及以上等級水泥的原料20%以上來自煤矸石，其他水泥、水泥熟料的原料40%以上來自煤矸石。

(2)退稅50%：生產(chǎn)建筑砂石骨料的原料90%以上來自煤矸石；生產(chǎn)氧化鋁、活性硅酸鈣的生產(chǎn)原料25%以上來自煤矸石；生產(chǎn)瓷絕緣子的原料中煤矸石所占比重30%以上；煅燒高嶺土生產(chǎn)原料中煤矸石所占比重90%以上；電廠燃料60%以上來自煤矸石并符合燃煤發(fā)電的相關(guān)技術(shù)要求。

另外，對符合燃煤發(fā)電機組環(huán)保電價及環(huán)保設(shè)施運行管理的煤矸石綜合利用發(fā)電(含熱電聯(lián)產(chǎn))企業(yè)，可享受環(huán)保電價政策。

4 水城礦區(qū)煤矸石綜合利用途徑分析

4.1 煤矸石性質(zhì)分析

水城礦區(qū)以焦煤、1/3焦煤、氣煤、肥煤、無煙煤為主，大灣煤礦煤矸石有較強的代表性。分別對大灣煤礦選煤廠3個矸石場區(qū)的煤矸石進(jìn)行了采樣與化驗分析，檢測結(jié)果見表1、表2。

根據(jù)《煤矸石綜合利用技術(shù)政策要點》的分類及主要利用途徑，該礦選煤廠煤矸石平均灰分80.89%，鋁硅比為0.63，含硫小于1.0%(屬含硫二類)，發(fā)熱量約1.33～2.06 MJ/kg(屬含碳三類或四類)，屬于砂質(zhì)泥巖(按巖石特征)。

4.2 綜合利用途徑分析

結(jié)合該礦區(qū)煤矸石的性質(zhì)特征和利用條件，對水城礦區(qū)煤矸石綜合利用方案分析如下。

4.2.1 發(fā)電

低熱值矸石發(fā)電廠要求的煤矸石發(fā)熱量高于5.02 MJ/kg，該礦煤矸石發(fā)熱量僅1.53 MJ/kg，不能直接用于發(fā)電；若摻配煤泥或中熱值煤作為電廠燃料，經(jīng)濟(jì)上不可行，且燃料中煤矸石需占60%以上方可享受退稅50%的財稅政策。因此，該煤矸石不適用于發(fā)電。

4.2.2 生產(chǎn)建材

(1)生產(chǎn)水泥。根據(jù)煤矸石生產(chǎn)水泥的成分指標(biāo)要求，對比分析如表3所示。

由表3可見，該礦煤矸石主要指標(biāo)均滿足或接近生產(chǎn)水泥的參考指標(biāo)要求，因此，從煤矸石組分上具備生產(chǎn)水泥的可行性。

(2)制磚。根據(jù)煤矸石制磚的成分指標(biāo)要求，對比分析如表4所示。

表3 煤矸石生產(chǎn)水泥的參考指標(biāo)對比

表4 煤矸石制磚的相關(guān)指標(biāo)對比

由表4可見，該礦煤矸石主要指標(biāo)均不符合煤矸石制磚的要求，不宜直接用于制磚，且該礦區(qū)距離市(縣)城區(qū)約40 km，產(chǎn)品銷售運距遠(yuǎn)、運輸成本高，不具備市場競爭力。

4.2.3 生產(chǎn)陶瓷制品

基于該礦煤矸石富硅多鋁的組成特點，符合對煤矸石提值及實現(xiàn)高附加值資源化利用的一般要求(高嶺石含量大于80%，SiO2含量為30%～50%，Al2O3含量大于25%，鋁硅比大于0.64)，可通過外加原料，調(diào)控鋁、鎂含量，采用固相法煅燒合成得到莫來石、堇青石陶瓷粉料，用于制備陶瓷耐火材料及耐磨材料，可以廣泛應(yīng)用于建材、窯爐、冶金、煤礦等領(lǐng)域。

4.2.4 回收有益礦產(chǎn)及制取化工產(chǎn)品

(1)提取硫鐵礦、氧化鋁、白炭黑等。根據(jù)該煤矸石化學(xué)成分檢查結(jié)果，其主要成分含量比例不符合要求，回收硫鐵礦、制取鋁鹽等達(dá)不到回收品位。

(2)煤矸石生產(chǎn)肥料。目前，國內(nèi)利用煤矸石生產(chǎn)肥料主要有生產(chǎn)腐植酸肥料和微生物復(fù)合肥料。該礦區(qū)為主焦煤，腐植酸含量低，不適宜生產(chǎn)腐植酸肥料；對比北京林業(yè)大學(xué)采用生物菌劑生產(chǎn)復(fù)合微生物肥料的相關(guān)數(shù)據(jù)，該礦煤矸石中硅、鋁含量與之較接近，但鐵、鈣、鎂等含量偏高，且氮、磷、鉀等元素未進(jìn)行檢測，需對煤矸石做全面檢測并與科研單位合作試驗，進(jìn)一步論證該煤矸石作為生產(chǎn)復(fù)合微生物肥料原材料的可行性。

4.2.5 井下充填

充填開采技術(shù)已較成熟，國內(nèi)已有較多的應(yīng)用實例。2018年以來，水礦集團(tuán)通過赴唐山等地實地考察，并開展“三下”采煤可行性研究分析，水城礦區(qū)大灣煤礦滿足建筑物下、水體下、鐵路及公路下采煤的技術(shù)可行性。采用綜合機械化矸石充填采煤技術(shù)之后，充填采煤工作面可采出煤量為52.6萬t/a，采用充填采煤而增加的噸煤成本約77.7元，噸煤利潤按100元計算，每年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益5 260萬元，整個充填區(qū)域可采出煤炭約518.7萬t，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)51 870萬元。

4.2.6 矸石山復(fù)墾

該礦煤矸石含硫、含碳較低，無自燃現(xiàn)象，具備復(fù)墾條件，在有合適土壤來源的情況下，可通過分層碾壓、表層覆土、植草種樹等，達(dá)到綠色礦山建設(shè)和矸石山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)之目的。

5 結(jié) 語

綜上，根據(jù)水城礦區(qū)煤矸石的物理化學(xué)指標(biāo)，對照主要綜合利用的指標(biāo)要求，從技術(shù)可行性的角度分析，適宜該礦區(qū)煤矸石的綜合利用途徑主要有：

(1)生產(chǎn)水泥?？蓪⒚喉肥苯幼鳛樯a(chǎn)水泥的原料組分。

(2)井下充填。借鑒華北等地區(qū)部分煤礦的矸石回填換煤技術(shù)，對矸石在井下進(jìn)行回填，置換回收“三下”煤炭資源，可減少煤矸石占用土地資源和污染環(huán)境，減少煤礦開采后的沉陷危害。

(3)復(fù)墾。在有合適土壤來源的情況下，采用適當(dāng)方法，可復(fù)墾出耕地、林地、草地。

(4)進(jìn)一步檢查分析論證。與科研單位合作進(jìn)行進(jìn)一步檢測分析和試驗，論證利用煤矸石生產(chǎn)復(fù)合微生物肥料的可行性，以及制備高附加值陶瓷粉體及其耐磨器件的可行性。