煤矸石的环境问题及其资源化利用.pdf

收稿日期1997 - 12 - 01 第一作者男,1955年生,副教授 煤矸石的环境问题及其资源化利用 姜振泉 1 李 雷 2 1中国矿业大学,徐州 221008 ; 2中日友好环境保护中心,北京 100029 摘 要 煤矸石是煤炭生产中的一种副产品,目前煤矿的排矸量约占煤炭开采量的10 ～25 ,煤矸石已成为我国累积堆积量和占用场地最 多的工业废物。文中介绍了国内外煤矸石综合利用现状及工程利用的主要领域,并就如何提高我国煤矸石工程利用水平提出作者的观点。 关键词 煤矸石 环境 工程利用 Environmental Problems and Resources Utilization on Coal Slag J IANG Zhenquan 1 LI Lei 2 1 China University of Mining 2 Sino - Japan Friendship Center for Environmental Protection ,Beijing 100029 Abstract Coal slag is one of the by - products of coal production. At present ,the amount of coal slag is about 10 ～25 of coal mining amount in China. This paper presents current status and main fieldsof engineering utilization of coal slag ,and givesopinionson tapping China’s potential for increasing coal slag utilization. Keywords Coal slag;Environment ; Engineering utilization 我国煤矸石的堆放已形成1 500余座矸石山, 积存近30亿t ,且每年仍以115亿t左右的速度递 增,矸石堆积占用场地达1133万hm2,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。 1 煤矸石的物质构成 煤矸石在颗粒构成上,粒度大至数10cm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,其灰分一般在60 ～90 范围。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, 其中SiO2和Al2O3占有相当高的比例见表 1 。 2 煤矸石露天堆放的环境问题 露天堆放的煤矸石,经长期风化、 淋溶、 氧化自燃 等物理化学作用,会产生一系列环境问题见图 1 。 表1 煤矸石中主要化学成分的相对比例范围[1] SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO TiO2P2O3Na2O K2OV2O5 51. 0～ 6510 1610～ 3610 2128～ 14163 0186～ 4173 0190～ 410 01078～ 0124 1145～ 319 01008～ 0101 图1煤矸石堆放产生的物化作用及环境问题 地质灾害 爆炸 泥石流 坍塌、 滑坡 大气污染 水体及土壤污染 生态破坏 环境污染 氧化 自燃 淋溶 风化 矸石山 211 环境污染 21111 大气污染 煤矸石中混有残留煤,富含有机质和可燃硫,长 期堆放会自燃发火,产生大量有害气体如SO2,CO , CO2,H2S及苯并芘等。我国矿区有387座矸石山 发生自燃,其中有125座至今仍在自燃[2]。矸石山 的发火自燃导致矿区大气质量严重恶化,呼吸道疾 病流行,部分污染严重的矿区韩城、 徐州、 林东、 丰 城、 萌营等矿区甚至发生工人呼吸中毒昏迷乃至死 第11卷 第3期 环 境 科 学 研 究 Research of Environmental Sciences Vol. 11 ,No. 3 ,1998 亡的恶性事故[3 ,4]。表2为部分矿区的大气监测结 果,矸石山自燃对大气的污染由此可见一斑。 表2 部分矸石山自燃矿区 大气中监测结果[5]mg/ m3标态 矿山SO2COH2S 跃进矿乌达局10161157 阳泉矿阳泉局191012519 桑树坪矿韩城局7102184123 三里洞矿铜川局3145 21112 淋溶污染 煤矸石中普遍含有较高的硫分及其他有害元 素,经过风化及大气降水的长期淋溶作用,形成硫酸 或酸性水及离解出各种有毒有害元素渗入地下,导 致土壤、 地表水体及浅层地下水的污染,形成淋溶酸 性水。如美国俄亥俄州某矿区,受长期的风化淋溶 作用,在10多a的时间内,矸石山附近水体的硫酸 盐浓度增加了20 g/ L ,我国西南、 西北及山西一些 高硫分矿区尤为突出。 21113 生态污染 导致矿区生态污染的原因是多方面的,矸石山 自燃和淋溶污染是其中的主要原因。煤矸石自燃矿 区周边区域往往树木枯萎,农作物严重减产甚至绝 收,煤矿企业每年要向农民支付巨额赔款。 212 地质灾害 21211 矸石山崩塌和滑坡 矿区矸石山多为自然堆积而成,结构疏松,受矸 石中炭分的自燃、 有机质的灰化及硫分的离解挥发 等作用,矸石山的稳定性普遍较差,极易发生崩塌、 滑坡。英国Aberfan附近的矸石山滑坡曾导致144 人丧生,并造成重大的财产损失[6]。 21212 煤矸石泥石流 山区煤矿大都直接将煤矸石堆于沟谷中,成为 泥石流的物质源,一旦山谷中形成较强的径流条件, 即可能形成泥石流灾害。泥石流灾害主要发生在山 区矿井,主要发生于雨季,形成的灾害程度有大有 小,70年代发生于美国西弗吉尼亚州法罗山谷的煤 矸石泥石流灾害造成116人死亡,546间房屋和1 000多辆汽车被毁,使4 000多人无家可归[4]。 21213 矸石山爆炸 当矸石山内的瓦斯气体聚集至一定浓度,且得 不到有效释放时,则极易产生爆炸,并引起崩塌、 滑 坡,形成连锁灾害。矸石山爆炸也是我国煤矿常见 的地质灾害,80年代以来,发生大小矸石山爆炸事 故10余起,导致30多人死亡,焦作矿区1988年的 一次矸石山爆炸即造成6名儿童丧生。 213 煤矸石环境问题的治理 目前国内外主要从两方面解决煤矸石的环境问 题① 采用一定的措施控制矸石山的物化作用;② 对 煤矸石进行综合利用,通过减少煤矸石的地面堆积 量达到治理目的,其具体途径如图2所示。 抑制煤矸石的物化作用,虽可有效控制污染,但 需大量的资金投入,对煤炭企业形成了巨大的经济 压力,也制约了先进灭火技术的推广应用。与此相 比,煤矸石综合利用的效益是综合型的,可减少乃至 消除煤矸石的地面堆积,能够从根本上解决煤矸石 图2煤矸石环境问题治理措施及效益 巨额资金投入 环境效益 控制矸石山风化及淋溶治理矸石山自燃社会效益环境效益经济效益 资源回收利用工程利用 煤矸石综合利用 注浆隔氧法挖掘排热法密封隔氧法 矸石山绿化 生物方法工程方法 煤矸石环境问题治理 85环 境 科 学 研 究第11卷 的占地和污染问题,也获得了较高的商业利益和明 显的社会效益。因此,煤矸石的综合利用已成为世 界各主要产煤国解决煤矸石环境问题的主要途径。 3 煤矸石的综合利用 311 利用途径 煤矸石的利用途径可以分为资源回收利用和工 程利用2种。主要利用技术有① 用作沸腾炉燃料 进行发电;② 对伴生矿物提质利用,如制取氧化铝、 聚合铝、 矾土及硫酸产品等;③ 生产建筑材料如制取 矸石砖、 矸石水泥及耐火材料和陶瓷等。工程利用 则是将煤矸石作为充填材料进行复田和土工利用。 312 综合利用的现状 我国对煤矸石的综合利用目前主要限于煤炭系 统,其主要的利用领域及利用水平如表3所列。 表3 我国煤矸石综合利用的现状[2 ,5] 利用途径主要项目利用规模备注矸石类型及消耗量 资 源 回 收 利 用 矸石发电 矸石电厂72座,总装机容量83万kW ,单机 容量0115～212万kW 煤矸石与劣质煤混 烧 生产矸石砖 及矸石水泥 砖厂200座,年生产能力18亿块;水泥厂50 座,年生产能力200万t 煤矸石替代粘土 回收硫精砂设计年生产能力50万t已达产30万t ① 主要利用洗选矸石; ② 每年洗矸消耗量约011万t ,占当 年洗矸产生量的20 左右,约占 当年煤矸石利用量的6 工 程 利 用 回填塌陷 区复田 年复田面积0146万hm2复垦率达23 土工利用基本属空白 ① 主要利用采掘矸石; ② 利用煤矸石约015万t ,约占当年 煤矸石利用量的70 313 我国煤矸石利用工作的重点问题 a1 煤矸石的资源回收利用主要以洗矸为原料, 其利用对矸石有相应的品质要求,存在着原料来源 的相对不足的问题。因此,我国目前对洗矸的利用 水平还很低,当年的洗矸利用率不足20 。与此相 比,煤矸石的工程利用对煤矸石品质无特殊要求,且 处理量大,应成为我国煤矸石利用的主要领域。 b1 我国煤矸石回填塌陷区的利用水平较低,截 止1994年底,历年的塌陷区只有8 得以回填复 垦,近年复垦率虽有提高,但也只达到22 的水平, 与国外大多数国家相比有很大差距一些主要产煤 国大都超过50 ,英国、 美国及德国等在70 以 上。因此,应借鉴国外先进经验,建立合理实用的 排矸复田系统,探索高效率高质量的复田施工工艺。 c1 煤矸石具有良好的工程性能,可以作为建筑 材料广泛应用于土木工程领域,国外的煤矸石工程 应用几乎涉及各类工程建筑如表 4 。我国煤矸石 的70 为采掘矸石,适于在土木工程中利用,煤矸 石的土工利用在我国具有广阔的前景,因此,应重点 加强此项应用技术的研究。 d1 加强煤矸石工程利用技术的研究,包括 ① 煤 矸石不良工程性质的改良、 压实处理工艺及特殊加 固技术等;② 煤矸石作为工程充填材料可能导致的 二次污染问题。 表4 国外煤矸石土工利用情况 工程类型用途主要工程实例 公路包括 普通 公 路 和高 速 公 路 路基和路堤的 充填材料、 承载路面 法国北部公路网;德国Ruhr地 区 公 路 网;英 国Nottingham , Liverpool等 地 区 干 线 公 路 及 Gateshead高速公路等 铁路 路基和路堤 充填材料 英国Gloucester ,Croydon铁路编 组站、Victoria - Brighne铁路 水工建筑 坝体充填材 料、 护层 拦海坝、 潜坝荷兰 ; 海岸护堤 水库大坝、 运河河堤等英国 其 他地基垫层停车场地基、 软弱地基处理等 4 结语 煤矸石综合利用直接关系到我国煤炭行业的可 持续发展和环境保护,随着经济的持续发展和国土 的大规模开发,水利、 能源、 交通等基础建设将随之 迅速发展,这为煤矸石的大规模开发利用提供了广 阔的领域。 5 参考文献 1 董保澍.固体废物的处理与利用.北京冶金工业出版社,1988. 108～121 2 煤碳工业部.煤炭工业 “九五” 环境保护计划1996～2000 .煤矿 环境保护,1997 ,111 20 3 钱玉山.矸石中硫的转化及危害.煤矿环境保护,1992 ,62 51 4 屈连忠.煤矸石综合利用技术.煤矿环境保护,1997 ,111 41 5 芮素生主编.煤炭工业的持续发展与环境.北京煤炭工业出版 社,1994. 15～40 6 刘传正.矿区环境工程地质问题浅析.见孙昌仁主编.中国环境 地质研究.北京科学出版社,1988. 158～166 95第3期姜振泉,等煤矸石的环境问题及其资源化利用