胡振琪教授：煤矸石规模化生态利用原理与关键技术

煤炭作为基础能源在我国一次能源消费中的占比长期大于  50 % ， 为我国的经济建设 、 社会发展贡献了重要力量。 2022  年 ， 我国煤炭产量达到 45.6  亿  t ，  煤炭消费量占一次性能源消费总量的 56.2 % 。随着碳达峰 、 碳中和战略实施以及国家能源产业结构的调整 ， 煤炭消费量在一次能源消费总量的占比将会有所下降 ， 但煤炭作为我国能源安全的压舱石地位短期不会发生改变。

煤矸石是采煤和洗煤加工过程所排出的主要固体废物 ， 产量占原煤产量的  15 % ~ 30 % ， 有的地方甚至达到 30 % ~ 40 % ， 占中国工业废弃物年排放量的  25 % 。 2021  年我国煤矸石产生量达到 7.43  亿 t ， 根据预测到 2025  年 ， 我国煤矸石年产量将达到  8.00  亿  t 。不同聚煤阶段沉积的含煤地层的岩性和矿物成分不同 ， 煤矸石的成分也不同 ， 呈现出一定的区域差异。由于成分差异较大 ， 煤矸石的综合利用途径也不同。在资源节约 、 能源利用 、 生态保护 、 污染防治等政策要求和相关激励机制的支持下 ， 煤矸石综合利用途径越来越多。目前 ， 煤矸石在建筑 、 发电 、 农业和回填等领域得到了广泛应用。也探索了将煤矸石转化成化工产品 、 环保材料 ， 进行有价元素提取和用于对采空区的充填等方面的应用。多年来 ， 研 究人员一直致力于开发大规模有效利用煤矸石的方式。 2020  年 ， 我国 56 % 的煤矸石用于采空区回填 、 筑路和土地复垦 ， 30 % 左右用于发电 ， 其余用于生产建筑材料。据 《 2022  年煤炭行业发展报告 》， 2022  年全国煤矸石综合利用率为 73.2 % 。且东西部差异巨大 ， 我国西部山西 、 内蒙古 、 陕西 、 新疆和贵州等产煤 大省其煤矸石产生量占到全国总产生量的 78.74 % ， 但利用效率明显低于东部地区 ， 其主要原因为 : 一方面煤矸石井下充填成本高 ， 经济合理性有待提高 ; 另 一方面煤矸石发电 、 制砖等利用方式不仅在总量上无法满足处置要求 ， 而且受市场因素影响波动较大。因此 ， 缺乏合理利用途径 、 大量煤矸石堆积已成为阻碍矿区可持续发展的 “ 绊脚石 ” 。目前我国现有煤矸石累计存量已超过 70  亿  t ， 形成万座以上矸石山 ， 压占大量土地。不合理的煤矸石堆积不仅压占土地 ， 还易引发大气 、 水 、 土壤污染 ，  甚至泥石流 、 滑坡等地质灾害。根据国家发展改革委等 10 部委联合发布的 《 煤矸石综合利用管理办法  (2014  修订版 ) 》， 禁止新建煤矿及选煤厂建设永久性煤矸石堆场 ， 加上建设用地指标紧张等政策约束 ， 新排煤矸石亟需大规模利用途径解决其出路问题。目前许多矿山正在进行矸石地面充填造地等规模化利用实践 ， 但存在许多环境方面的质疑和限制 ， 导致难以推进。因此 ， 煤矸石规模化的生态利用就成为亟待解决的难题。究竟能否在规模化利用时实现生态化和环境安全呢 ? 笔者正是针对当前煤矿企业发展中亟待破解的煤矸石规模化生态利用难题 ， 提出一些见解 ， 以期促进矿山绿色发展。

煤炭是我国主要能源，是能源安全的压舱石。煤矸石作为采煤和洗煤加工过程中的必然产物，每年产出量达 7  亿 t 以上，亟需规模化、生态化利用技术，以破解煤矸石作为企业发展绊脚石的难题。在分析煤矸石大规模利用中的生态损伤机理的基础上，提出煤矸石规模化生态利用原理，从技术视角探讨了环境安全的规模化生态利用具体解决途径，提出了酸性煤矸石山原位污染控制与生态修复和煤矸石地面充填造地两大规模化生态利用方式关键技术。

结果表明:

1.煤矸石规模化生态利用的关键是环境污染的防控，通过对矸石的可利用性和经济性评价，结合风险管控手段，可实现煤矸石规模化生态利用。

2.对已堆积的矸石山采用原位污染控制基础上的植被恢复以实现生态化利用，提出了污染源头诊断 ? 防灭火与污染阻隔 ? 植被恢复一体化的生态利用技术。基于矸石氧化产酸产热导致污染的机理分析，采用热红外与测绘技术相耦合进行煤矸石山深部燃点 ( 氧化点 ) 定位;研发了杀菌剂与还原菌耦合的氧化抑制剂并结合惰性材料覆盖碾压进行抑氧隔氧污染阻隔;对自燃区采用喷浆控火与注浆灭火结合的安全灭火技术;氧化抑制剂结合惰性材料覆盖碾压的长效防火技术;提出以乡土草灌为主的防燃型植被恢复技术，可实现酸性煤矸石山的 原位污染控制与生态修复。

3 通过地面充填生态化利用可行性分析、充填生态化利用技术和维护 管理长期监测，可实现煤矸石地面充填造地的生态化利用。其关键是矸石材料筛选的污染风险分析、地面充填场地选择的可行性分析以及充填全过程的环保措施，包括充填前的场地底部防渗阻 隔、渗滤液导排等安全环保措施，充填中的分层充填技术、防火控酸的污染防控和土壤剖面重构 技术，充填后的侵蚀控制、植被恢复等技术。煤矸石规模化生态利用不仅解决了矿区固废堆存带来的生态环境问题，还通过对新、旧矸石的科学合理利用，打造矿区生态修复的新模式。