摘要：在分析我国过去30年能源结构及其变化趋势的基础上，简述了伴随煤炭开采过程中煤矸石排放对生态环境造成的巨大危害，并介绍了煤矸石的物理、化学性质和现有利用方式。综合目前利用方式的弊端，提出了以离层区注浆充填为代表的煤矸石有效大宗利用新工艺。离层区注浆充填技术前期投资小、运行期间与采煤作业相互影响小，在抑制开采沉陷的同时实现了煤矸石废弃物的有效资源化转化，减少了对生态环境的负面影响，为我国煤矸石有效资源化利用提供了有益尝试。

关键词：煤矸石;固体废弃物;资源化利用;离层区注浆;开采沉陷

0引言

我国近30年来经济的高速发展离不开能源的稳定供应，根据相关数据统计，1989—2019年我国累计消耗768亿t标煤能源，其中煤炭占69.0%，石油占19.2%，天然气占3.6%非化石能源占8.2%。贫油、少气、富煤的能源结构是我国的基本国情。至2050年，煤炭在我国一次能源结构中的比重会持续下降，但是还将会达到50%左右，煤炭消费总量保持在30亿吨左右。在煤炭开采和洗选过程中会产生一定比例的煤矸石，据不完全统计，目前我国煤矸石累计堆放量超过70亿t［1］，按照10%～15%的排矸率计算，2050年当年我国仍有3～5亿t煤矸石产生［2］，在我国西北分布多、东南少。

1煤矸石特性

煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，是成煤时期与煤伴生的低碳岩石，主要包括巷道掘进矸石，洗煤作业时洗选出来的煤层顶板、底板及煤层夹层中的矸石。煤矸石含碳量约为20%～30%，其他成分是Al2O3、SiO2以及少量的MgO、Na2O、Fe2O3、CaO、K2O、SO3和稀有元素等微量成分。煤矸石中含有的有用矿物成分有煤、硫铁矿等。煤矸石的排放对矿区周边环境造成了巨大的负面影响，填埋处置不当导致土地贫瘠化、盐渍化、荒漠化;煤矸石产生的淋滤液含有大量有毒有害物质，渗入地下水后造成地下水水质和水生态环境破坏;煤矸石自燃时也会产生有毒有害气体污染环境等。神东煤炭集团保德煤矿煤矸石化学成分、煤矸石中重金属元素含量见表1和表2。

表1保德煤矿煤矸石化学成分分析

表2保德煤矿煤矸石中重金属元素含量

2煤矸石利用

2.1煤矸石常规利用

煤矸石的利用用途比较广，用于土地复垦、建筑材料、化工原料、充填、发电以及提取煤矸石中有用的矿物质等。对于一些资源紧缺型矿井为了提高企业效益采用了各种方式从煤矸石中提取有用矿物。刘峰等［5］对煤矸石中的料石和瓷石进行了提取，其纯净度达到95%以上。陈选等［6］采用从煤矸石中精选硫精矿，累计回收硫精矿超过50万t。丁海萍等［7］采用复合式干法选煤，从煤矸石中回收了大量的低热值煤。利用煤矸石中含有的页岩、黏土等成分可以制砖、混凝土、水泥等建筑材料［7－11］。煤矸石可制成相比于天然砂具有细度模数可控、黏合度和抗压性好、使用寿命长等优点的机制砂，用于铁路、公路、建筑等［12］。冯剑等［13］以煤矸石为主要原材料生产出了陶粒，并对其对混凝土影响进行了研究，得出通过预湿、憎水处理得到的陶粒混凝土可适当改善混凝土的流动性，有望取得兼具流动性能、强度的高性能混凝土。管艳梅等［14］以磷渣和煤矸石为原料经高温熔融制备出基础玻璃，研究基础玻璃与外掺磷渣间的比例关系对建筑微晶玻璃性能的影响，实现废弃磷渣和煤矸石资源利用最大化。冯荣等［15］以煤矸石为主要原料，通过超微细化，发泡控制、温度场调控、多层烧成的技术手段，制备了发泡陶瓷，制作工艺成本低，产品绿色环保、性能优异。穆克汉等［16］对利用煤矸石粉作为树脂锚固剂的填料进行了研究，得出在煤矸石粉掺量为20%时对树脂锚固剂的性能基本没有影响。煤矸石中含有高岭石、伊利石等黏土矿物，为以硅铝酸盐矿物为主要原料的化工品的合成提供了物质基础。孔德顺、郭振坤等［17－18］以煤矸石为原料，通过活化、除杂、晶化等工艺成功地合成出了结晶度高和晶形完整的4A分子筛。郭俊生［19］通过对煤矸石进行焙烧、粉碎、酸提取、铝粉置换等流程，制得了PAC，并对其净水效果进行了检验，净水效果良好。王应兰等［20］利用从煤矸石中分离出来的高效解磷菌解离煤矸石制备肥料，通过对比试验发现，施用制备煤矸石肥料有效提高了植物根际土壤中的破解氮含量。

2.2煤矸石新型利用

煤矸石多渠道利用途径能够消耗一定量的煤矸石，但目前来说处理量少，转化资源利用成本太高，存在的问题也比较突出，如煤矸石容易导致次生灾害、使用量有限、加工能耗高、受运输及地理区域等因素限制。因此，煤矸石的大宗利用依旧得结合煤矿自身的特点，近几十年有些煤矿以抑制开采沉陷为目的开展了煤矸石地下充填的尝试，在减少地面沉陷的同时也为煤矸石的大宗利用提供了有宜尝试。

煤矸石地下充填主要分为采空区充填和离层区注浆充填。采空区充填是将煤矸石以各种方式充入采空区，通过充填材料对顶板的支撑作用控制地表沉陷，同时也减少了煤矸石对环境的负面影响。但是该方法也存在着前期投入资金大、效益低、影响井下煤炭回采速度、增加工序复杂程度等问题［21］。离层区注浆充填技术是传统注浆开采技术与条带开采技术的结合。该技术是将高压浆液通过地面或井下施工的定向或者非定向钻孔注入离层区内，达到压实离层区下面导水裂隙带与支撑上覆岩层从而抑制开采沉陷的目的。该技术具备前期投入低、成本低、煤炭的采出率高、环境污染小等优点。各种常见充填开采工艺具体优缺点见表3。

表3充填开采工艺优缺点对比

2.3离层区注浆充填技术

离层区注浆充填技术是在岩层运动中的离层现象和及相关规律的研究中发展起来的［22］，主要包括煤矸石预处理，确定注浆层位、注浆压力、注浆浓度，确定钻孔布置等。该技术最早在波兰研究并试验应用，我国抚顺老虎台煤矿引进该技术并取得了较好的效果［23］。20世纪90年代徐庄煤矿进行了离层注浆充填试验;同期，东滩煤矿也进行了离层注浆充填试验，这是我国第1次在放顶煤条件下进行的工程试验;21世纪初唐山煤矿进一步开展了试验工作，开展了多层注浆试验工程;此外，华丰煤矿、龙泉煤矿、门克庆煤矿、夏店煤矿等煤矿也开展了离层区注浆试验。

煤矸石预处理：目前注浆充填材料多以粉煤灰为主，主要原因是粉煤灰本身粒度小，作为注浆充填材料时不需要额外处理，应用成本低。把煤矸石作为充填材料需要经过特定工序，使其粒度符合要求后即可使用。煤矸石预处理包括破碎机、制砂机破碎，球磨机研磨粉碎等。

注浆层位选择：注浆层位的选择是注浆充填工程能否达到预期效果的关键因素之一。注浆层位选择偏高，在注浆压力作用下，无法压实下面的冒落带与裂隙带;注浆层位选择偏低，浆液可能进入导水裂隙带中，沿导水裂隙带进入工作面的浆液会对正常回采造成影响。

确定注浆压力：注浆压力对于主注浆层位的形成和地表控制效果非常重要。注浆压力偏大，则可能导致地表抬升，会对建筑物造成损坏;注浆压力太小，则无法有效的支撑上覆岩层、压实下部冒落带和裂隙带，导致地面建筑物破坏，减少煤矸石的注入量。

注浆材料浓度：材料浓度的确定会影响到泥浆流动性等一系列性能。如果浆液浓度过高，浆液流动性变差，需要更大功率的泵才能送至指定位置。更严重的是，泥浆可能堵塞钻孔导致整个注浆工程停滞。如果浆液浓度偏低，其流动性虽会增强，但单位浆液中所携带的注浆材料量会减少，从而降低灌浆工程的效率。

钻孔位置设计：钻孔位置的确定需要从注浆目的(保护地面建筑物或者煤矸石处理)、钻孔布置方式、钻孔间距、施工地点(地面或者井下)等方面进行确定。为实现煤矸石的有效大宗利用，应该充分发挥离层区注浆充填技术的优势，在地表建(构)筑物需要保护时严格按照技术要求进行注浆作业，保证注浆效果，严格控制地面沉陷量。当以需要处理大量矸石而不涉及或很少涉及地表建(构)筑物保护时，在不影响正常采煤作业的情况下，尽可能充填更多的矸石。充填工艺也不再以保证充填效果为主，而是当一个步距采煤作业完成需要移架时，不再考虑矸石的充填量，及时完成移架作业，保证正常采煤生产，从而有更多的充填空间处理矸石。

3结语

离层区注浆技术相比于传统的解决方案，克服了原料与市场距离远、使用成本高、消耗量小等问题，解决了煤矸石大宗利用的问题，减少了煤矸石肆意排放对生态环境的影响。同时在该技术利用时也存在一些问题需要日后进一步研究。一是，浅埋深、大采高工作面回采后导水裂隙直接贯通地表，覆岩离层发育不好，导致在采用该技术时存在无空间可注的困境，日后应该进一步研究在浅埋深、大采高条件下离层区发育规律或者采用更加优化的采矿方式使得不影响采煤效率的同时实现煤矸石的资源化利用。二是，煤矸石作为注浆材料注入离层区后析出的水在各种压力作用下存在沿着导水通道进入采矿空间的情况，容易产生次生灾害;应该研究煤矸石注浆材料添加剂，降低其沁水导致危害的风险。三是，离层注浆作业需要大量的水资源作为注浆材料的载体，但是中国北方多数矿区(例如西北)严重缺水，有些连生产用水都难以保障;鉴于注浆作业对水质要求不高，可以借鉴发展地下水库技术，将生产用水和矿井涌水蓄积到地下水库中备用，实现有限水资源的最大化重复利用。

作者：张伟龙 刘刚

来源：《陕西煤炭》

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