典型矿区煤矸石处理处置与绿色规模化利用技术研究

引言

中国是世界上最大的煤炭生产和消费国，能源对工业运行和经济发展具有关键作用。我国能源结构长期以煤为主体，2024年煤炭产量达47.8亿t，伴生煤矸石累计堆积量已超70亿t，并以3～3.5亿t/a的速度增长。黄河流域作为我国煤炭主产区，年产煤炭38亿t，占全国总量80%，相应煤矸石年产量5.7亿t，占10%～20%。煤矸石产量巨大，长期堆放不仅占用土地，还存在自燃风险，释放粉尘及SO2、NOx等有害物质，危害生态环境。为此，国家高度重视煤矸石处置与利用，出台《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》、《黄河流域生态环境保护规划》和《关于深入推进黄河流域工业绿色发展的指导意见》等政策，推动煤矸石减量化、资源化和无害化利用。沿黄各省亦颁布相关法规，强化工业固废综合利用，促进煤炭行业绿色低碳转型。近年来，煤矸石利用技术不断发展，提出了煤炭科学开采、负碳高效充填开采、固废功能利用、骨料及矿物掺合料性能提升等理论与技术体系，为煤矸石绿色利用提供新思路。本文总结了黄河流域煤矸石处理处置与绿色规模化利用的现状与进展，并从减污降碳、绿色高效、水土协同和多介质污染共治等理念出发，构建综合利用技术框架，为资源化利用提供参考。

煤矸石的组成特征

黄河流域几省煤矸石的化学成分与物理特性受地质、成煤条件及环境影响显著，存在明显地域差异。作为煤炭富集区，该流域煤矸石普遍具有高硅铝基质共性（占总质量53%～80%），源于煤系地层富含高岭石、伊利石等黏土矿物。流域内成煤环境差异导致煤矸石特性不同，黄河流域矿区煤矸石成分，如表1所示。山西煤矸石多呈高铝特性（Al2O3成分>25%）；陕北/内蒙古地区富钙镁（方解石含量高）；宁东/陇东地区则硫及砷汞等重金属富集突出。其主要化学成分为SiO2和Al2O3（合计常占干基质量60%以上，甚至>80%），其次为Fe2O3、CaO和MgO，具体成分如表2所示。据此，可将其划分为用于烧结砖、硅酸盐水泥的黏土煤矸石；用于磨料、玻璃原料、建筑材料的岩类煤矸石；用于水泥、石灰填料的钙质煤矸石；以及用于提取氧化铝的铝质煤矸石。

此外，煤矸石利用方式受其碳、硫含量显著影响：碳含量>20%时，主要用于发电、供暖及生产农业废料；碳含量4%~20%时，宜作水泥、混凝土骨料；碳含量<4%时，则多用于填埋、筑路及采空区回填。黄河流域煤矸石总体以硅铝酸盐矿物（高岭石、石英等）为主体，化学成分以SiO2和Al2O为主。其特性随地域变化而不同。这种复杂多变的组成特征，不仅决定其处理处置方式，更直接影响其在建材生产、发电、化工产品提炼等资源化利用方面的潜力。因此，充分掌握特定矿区煤矸石的详细组成特征，是实现有效资源化利用与环境污染防控的必要条件［1］。

煤矸石处理处置与综合利用现状分析

2.1  处理处置技术

黄河流域作为中国重要的能源基地，产生了大量的煤矸石。其处理处置不仅关乎资源循环利用，更对黄河流域的生态环境保护、水土保持和高质量发展至关重要。针对黄河流域煤矸石独特的组成特征，目前，该流域内煤矸石处理处置主流技术主要为煤矸石井下分选回填技术，注浆充填技术、塌陷坑回填和土地复垦技术。

（1）煤矸石井下分选回填技术

煤矸石井下分选回填技术基于煤与矸石密度差异，在采掘工作面附近利用分选设备将其分离，矸石就地回填，实现“矸石不出井”。该技术既解决了矸石资源化利用问题，又避免了升井带来的运输成本与环境压力。青海、甘肃地区因产量少、生态脆弱敏感且水资源稀缺，优先采用此技术。早期主要采用跳汰机、重介质分选等湿式选矸技术，需消耗大量水资源并在有限巷道空间内布置复杂循环水系统及水处理设施，工艺复杂。近年来，湿式技术已被风选、X射线、γ射线及多光谱识别等干式选矸技术取代。但干式技术在井下应用仍受空间狭窄、投资成本高等因素制约，规模化应用受限［2］。

（2）煤矸石注浆充填技术

随着千万吨级的大型矿井不断增多，带动了矸石充填处置技术的发展。煤矸石注浆充填技术是将煤矸石浆体充填至采空区和离层区［3］，能够有效减缓地表沉降，该项技术在黄河流域张家峁和曹家滩等典型煤矿中均有应用。煤矸石注浆充填技术工艺包括矸石破碎、矸石粉调浆和泵送等环节。然而，该技术需要煤矸石浆体材料长距离管道运输，一旦发生管道堵塞，在高压条件下容易发生管道爆裂，因此，需要进一步解决浆体的分散性和流动性。

（3）塌陷坑回填与土地复垦技术

煤矸石回填塌陷坑技术是一种将煤矿开采过程中产生的煤矸石作为主要充填材料，替代传统砂石土方，用于修复采煤塌陷区，恢复土地功能的综合工程技术，是规模化处置利用最简单直接的形式，具有投资少、见效快等优势。但该技术存在对土壤和地下水的污染风险，需要对煤矸石进一步的无害化处理。

煤矸石用做土地复垦技术是利用其中含有的微量元素与营养成分，特别是煤矸石中含有大量的硅元素［4］，对黄河流域的西部盐碱地具有良好的修复作用。该技术的核心是将煤矸石转化为土壤改良材料，同时，避免煤矸石中有害离子析出至土壤表面，产生有害作用。宁夏、内蒙古、山西、陕西作为煤炭的主产区，煤矸石产量巨大，目前，生态复垦和回填应用较广。

2.2  综合利用现状

黄河流域是我国重要能源聚集区，煤炭资源丰富，开采历史悠久，长期支撑国家能源供给。伴随煤炭工业发展，采选过程产生大量煤矸石，其广泛堆存显著加剧区域生态系统压力。长期露天堆放不仅侵占土地、破坏地貌，风化过程释放的重金属、有害气体及酸性渗滤液更严重威胁土壤、水体与大气环境安全。

2012至2022年黄河流域煤矸石资源化利用率，如图1所示。根据文献统计，其利用率由2012年的55%提升至2022年的70%［5］。受煤矸石复杂矿物组分、高硫含量及较差燃烧性能等理化特性制约，当前利用主要集中于三大方向：（1）作为低热值燃料掺烧于流化床锅炉发电；（2）加工为建筑材料（如烧结砖、水泥掺合料、混凝土骨料及地基填料），利用其胶结性与骨架结构；（3）提取铝、硅、铁等元素制备化工产品（如高岭土、分子筛、白炭黑）以提升附加值。此外，煤矸石在生态修复、土壤改良及地下回填等环境友好型利用方向亦呈探索性应用，不断拓宽资源化边界。

（1）煤矸石发电

低热值煤基固废发电是煤矸石大规模利用的重要途径。发热量高于6272kJ/kg的煤矸石可直接作为锅炉燃料；发热量在4181~6272kJ/kg的，则需掺混高发热量煤泥或中煤用于发电。在黄河流域，尤其陕西、内蒙、山西等煤炭主产区，煤矸石发电应用广泛，是实现其无害化、减量化、资源化的重要手段。该区域“几字弯”地带的煤矸石以长焰煤、气煤为主，含碳量高、热值大、易自燃，部分已风化或烧结，是重点发电区域。河南、甘肃、山东等地产量较少，以中小型热电厂为主。2019年黄河流域煤矸石电厂消耗煤矸石1.51亿t（占总利用量28.8%），相当于回收4700万t标准煤。典型案例如陕西黄陵二号煤矿的2×300MW机组（配2×1065t/h循环流化床锅炉），消耗煤矸石140万t/a，发电量38亿kW·h/a，灰渣用于生产建材原料。煤矸石发电有效解决了其堆积污染问题并实现了资源化利用。

（2）建筑材料

煤矸石富含硅、铝等元素，可通过化学激发与石膏、熟料等混合制备早强快硬的特种硫酸盐水泥［5］。其成分与混凝土骨料相近，可作为砂石替代原料，实现资源化利用并缓解砂石短缺。煤矸石还可与粉煤灰等固废及脱硫石膏复合，经特定工艺制成高抗压强度的蒸压砖、空心砖等建材。黄河流域的应用具有地域性：青、甘、陕、晋、蒙的主产区多加工成烧结砖、砌块等以大宗消纳；中游黄土塬区（陕北、晋西、宁东）则侧重生产兼具结构和生态功能的生态混凝土砖、挡土墙块体等用于生态修复；中下游（豫、鲁）依托工业基础，发展煤矸石与粉煤灰、炉渣、脱硫石膏协同利用的新型建材满足城镇化需求。然而，煤矸石建材化利用仍受限：煤矸石砖经济优势不显著，尤其西部矿区受成本、运输和市场制约；作水泥骨料时掺量有限（结构混凝土15%～25%，非结构30%～40%），且限制中高硫矸石。当前利用高度依赖地方生态补偿政策，亟需向高端产品转型升级。

（3）高附加值利用

煤矸石富含铝硅酸盐、有机质及微量元素，可作为化工原料生产铝基/硅基化学品（如氧化铝、硅酸钠）和硅基多孔材料（如白炭黑、吸附剂、分子筛）。生产过程需根据目标产物调控原料特性（如分子筛需控制硅铝比，陶瓷材料要求高岭土占比>60%），并通过预处理脱除重金属及硫化物等有害杂质，确保产物纯度和环境安全。此外，利用物理、化学及生物法从煤矸石中高值回收稀土元素、锂、铁等矿产成为研究热点［6］。例如，高硅铝型煤矸石可通过酸浸-沉淀工艺定向分离氧化铝；含硫煤矸石则可用微生物氧化法转化黄铁矿并回收硫资源。然而，煤矸石化工利用及矿产回收在实际推广中面临局限：强酸/强碱活化提纯工艺（尤其是湿法冶金的酸浸环节）易产生含重金属废液。同时，黄河流域相关产业在降低生产成本和避免二次污染方面仍需突破。

煤矸石绿色规模化利用新技术

3.1  煤矸石制备地聚物充填技术

（1）技术原理

煤矸石制备地聚物充填技术是近年来矿山固废协同处置与绿色开采领域的一个重要方向，该技术以高硅铝比的煤矸石、粉煤灰等工业废料为主要原料，通过添加不同性质的水泥、碱激发剂、高分子凝胶材料和骨料等原料混合，形成的高强度无机三维网状结构的胶凝充填材料。本质上是“碱激发硅铝酸盐溶解-再聚合”的过程，在强碱性激发剂（NaOH/KOH）作用下溶解出单体硅酸根（SiO44－）、铝酸根（Al（OH）4－）及低聚硅铝氧阴离子（Si2O52－、AlSi2O73－），经水解-缩聚反应形成硅氧（Si－O－Si）和硅铝氧（Si－O－Al）键，最终聚合为三维网络结构的无定形N－A－S－H凝胶（关键反应式如下），实现煤矸石固废资源化与低碳胶凝材料的高效合成。

（2）技术优势及应用前景

该技术在黄河流域（蒙、陕、晋、宁、豫等）应用前景广阔：区域内煤矸石储量大、活性组分高，且井下采空区广布，绿色矿山建设需求迫切。相比传统水泥，煤矸石基地聚物具有低碳环保、强度高、性能可调、固废消耗量大并可利用部分矿井水等显著优势，契合“双碳”目标。其显著的环境、经济和社会效益，使其在黄河流域绿色矿山建设、采空区治理及生态修复工程中极具规模化推广潜力。

（3）案例分析

该技术已从早期矸石直接充填发展为系统化方案，在神东、陕、晋等地应用。典型如董书宁团队提出的“固液协同”技术：将煤基固废（煤矸石、粉煤灰）与高盐废水（矿井水、煤化工废水）协同处理，活化固废中铝硅酸盐生成胶凝膏体，充填材料碱激发制备原理如图2（a）所示［7］。此技术利用高盐废水替代添加剂，固废胶凝材料替代水泥，实现固液废物的低成本、全量化循环利用，显著促进无废矿山建设并带来经济环境效益。其创新点在于利用高矿化度浓水中的硫酸盐（如硫酸钙、硫酸钠），在激发剂作用下与地聚物组分重组生成增强强度的钙矾石结晶，达到“水固同治”目的。

3.2  煤矸石水塬共治技术

（1）技术原理

水塬共治技术通过结构性整治塌陷区，构建生态隔离墙。墙内铺设煤矸石与有机质复合填层，利用煤矸石增强地基强度，有机质改善土壤孔隙度与保水性；上方交替填埋煤矸石与煤泥、污泥等基质，形成兼具营养供给与水分调控功能的多功能覆土系统。该系统可阻隔水土流失及外源污染扩散，提升生态系统自我修复能力［8］。

（2）技术优势及应用前景

针对黄河流域中游（陕、晋、蒙）采煤导致的黄土塬区地表塌陷、水土流失及塬体破碎问题，该技术以多目标协同治理模式，将煤矸石资源化用于工程填料（垫填、筑坝等），实现塬体修复与水土保持，同步削减矸石堆存成本，达成“以废治废、以矸修塬”。修复后的塬面可复垦为高标准农田或发展林草生态产业，提升土地利用效率并支撑乡村振兴。其高度契合黄河流域生态保护与高质量发展战略，应用前景广阔。

（3）案例分析

张凯、苏佩东团队于神东布连塔矿区实践煤矸石无害化土地整治技术：将煤矸石与粉煤灰制备人工表土基质，通过分层覆土与表土重构实现采空区复垦绿化，并利用废弃巷道消纳煤基固废。该技术以生产废物替代传统生态修复材料，降低治理成本，推动生产过程向生态导向转型，为矸石无害化处置提供技术借鉴。

3.3  煤矸石改性制吸附剂的多介质污染防治新技术

（1）技术原理

将煤矸石研磨改性后复配沉淀剂，利用其含有的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等成分作为载体，在其表面形成Al团簇并与氟化物形成稳定的Al－F键（除氟活性位点），制备矿井水除氟吸附剂［9］。该技术结合地下水库应用，可将高氟矿井水处理至达标排放，已在神东矿区示范应用。

（2）技术优势及应用前景

煤矸石改性吸附剂在黄河流域应用前景广阔：原料丰富、成本低廉；经物理、化学或热处理改性后吸附性能优良，可协同治理水体（重金属、有机物）、土壤（重金属钝化修复）及空气（VOCs/有害气体）污染［10］。同时也能与生态修复工程结合，适用于沉陷区、尾矿库、农田等多种场景，促进生态恢复与土地再利用。其绿色、低碳、经济特性契合“双碳”战略与黄河流域保护政策，推广潜力显著。

（3）案例分析

神东矿区应用该技术，通过机械研磨（剪切、摩擦、挤压等）对煤矸石施加机械能诱导物化性质改变，提高反应活性，制备改性除氟剂，改性煤矸石除氟原理（图2（b））。基于此建造的“改性煤基固废吸附除氟装置”现场试验表明，成功将补连塔、上湾和布尔台矿井水氟化物降至1mg/L以下，降低吨水处理成本超30%。该技术具有良好的应用前景与技术经济性，为煤矸石高值化利用提供了重要途径。

3.4  煤矸石利用技术框架构建

以“减量化-无害化-资源化”为目标［11］，构建黄河流域煤矸石处理处置与绿色规模化利用技术框架，如图3所示。该框架基于区域特性形成两大方向：（1）在开采密集区（陕北、晋东、宁东）推进源头减量-地表治理协同，实施井下分选回填、注浆充填及塌陷地复垦，并开发发电、绿色建材与高附加值材料；（2）针对典型环境问题，发展多功能填充、“水塬共治”与多介质污染防控技术，如“固液协同”充填、土地整治-生态复垦及煤矸石除氟-储水耦合。该体系支撑流域资源型城市低碳转型与矿区生态安全治理。

结语

（1）黄河流域煤矸石以硅铝酸盐矿物（高岭石、石英等）为主，主要成分为SiO2和Al2O3，其组成特征存在地域性差异。该复杂性直接影响其处理处置方式，并决定了资源化潜力。

（2）通过剖析黄河流域煤矸石在分选回填、注浆充填和塌陷坑回填与土地复垦的处理处置与发电、建材和高附加值利用的综合利用现状，构建了黄河流域煤矸石利用技术框架。

（3）煤矸石中的硅铝酸盐组分可制备新型吸附材料，亦可合成性能优良的人造土，用于矿区生态修复及盐碱地改良。建议加强中试规模技术验证，推动其规模化应用。