Current situation of comprehensive utilization of coal gangue and exploration of ways of high-value utilization:A case study of China National Coal Group Corporation
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摘要:
在“双碳”目标背景下，煤炭作为国家能源安全的基石，其绿色开发对我国经济建设和社会发展具有战略意义。中国中煤能源集团有限公司凭借丰富的煤炭资源储量，在保障国家能源供应中发挥重要作用。然而，煤炭资源高产高效回采的同时产生大量煤矸石，造成土壤、大气、水体等污染，煤矸石的不合理处置与非资源化利用问题已成为制约矿区绿色发展的主要瓶颈。调研了中国中煤煤矸石的分布特征、理化性质及利用方式，系统梳理了煤矸石综合利用政策，详细阐述了煤矸石在发电利用、生产建材、化工产品制备、有益矿产回收、农业应用、井下充填及土地复垦等方面的原理和技术路线，调研了中国中煤所属矿井矸石应用进展。结果表明：矿井位于8省20个矿区，受煤矿地质条件、开采技术条件和分选条件影响，矸石分布呈现范围广、结构复杂、类型多样等特征；安徽、江苏、河南和黑龙江煤矸石综合利用呈现“周边辐射型”特点，山西、陕西、内蒙古、新疆地区煤矸石综合利用呈现“自给自足型”应用特点。煤矸石以砂岩、黏土岩、铝质岩为主，其理化性质具备多元利用潜力，但是综合利用方式缺乏系统型、复合型、引领型的科学利用途径，对此提出了煤矸石梯级回收结合资源化利用、源头减量化开采及矿化CO2负碳充填3项建议。研究成果对中国中煤优化煤炭产业布局、促进煤矸石高值化利用、保护矿区生态环境以及贯彻落实“双碳”目标具有重要的指导意义。
Abstract:In the context of the “double carbon” goal, coal is the cornerstone of national energy security, and its green development is of strategic significance to my country’s economic construction and social development. Relying on its rich coal resource reserves, China Coal plays an important role in ensuring the country’s energy supply. However, while high-yield and efficient mining of coal resources, a large amount of coal gangue is produced, causing pollution to soil, air, water and other countries. The issue of reasonable disposal and resource utilization of coal gangue has become the main bottleneck restricting the green development of mining area. The distribution characteristics, physical and chemical properties and utilization methods of coal gangue in China were investigated, the comprehensive utilization policies of coal gangue were systematically sorted out, and the use of coal gangue in power generation utilization, production of building materials, preparation of chemical products, recycling of beneficial minerals, and agriculture were elaborated. The principles and technical routes of utilization methods in aspects such as application, underground filling and land reclamation were investigated, and the application progress of coal gangue in mines belonging to China Coal was investigated. The results show that the mine is located in 20 mining areas in 8 provinces. Affected by coal mine geological conditions, mining technical conditions and washing conditions, the distribution of gangue presents the characteristics of wide range, complex structure, and diverse types; the comprehensive utilization of coal gangue in Anhui, Jiangsu, Henan and Heilongjiang regions presents the characteristics of “peripheral radiation”, and the comprehensive utilization of coal gangue in Shanxi, Shaanxi, Inner Mongolia and Xinjiang regions presents the characteristics of “self-sufficiency” application. Most of the coal gangue is composed of sandstone, clay rock, and aluminous rock, and its physical and chemical properties have multiple utilization potential. However, the comprehensive utilization method lacks systematic, compound, and leading scientific utilization methods. In this regard, a combination of cascade recovery of coal gangue is proposed. Three suggestions are proposed: resource utilization, source reduction mining, and mineralized CO2 negative carbon filling. The research results have important guiding significance for China Coal to optimize the layout of the coal industry, promote the high-value utilization of coal gangue, protect the ecological environment of the Kuangqu, and implement the “double carbon” goal.
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0. 引 言
我国是全球最大的煤炭生产及消费国，能源是我国工业体系畅通运转、社会经济稳定增长的重要支撑。“双碳”目标下，煤炭在能源消费中的占比长期趋降，但当前至碳达峰前后，煤炭在我国能源体系中的主体地位不会改变。根据中国煤炭工业协会统计与信息部统计数据显示，2024年，我国原煤产量达到47.6亿t，其中排名前10家企业原煤产量合计为23.7亿t，进口煤炭5.4亿t，煤炭生产供应仍有部分缺口。习近平总书记强调“富煤贫油少气是我国国情，要夯实国内能源生产基础，保障煤炭供应安全”“能源的饭碗必须端在自己手里”。
作为煤炭保供“国家队”，中国中煤能源集团有限公司（以下简称“中国中煤”）现有可控煤炭资源储量超过700亿t，生产及在建煤矿69座，煤炭总产能超3亿t，煤炭年贸易量近4亿t。中国中煤发挥产供储销产业链优势，加快先进优质产能释放。在确保安全生产的前提下，近年来通过新建、扩建、核增等方式依法合规释放优质产能超1亿t。然而，煤炭资源大规模高效开采的同时，产生了大量的煤矸石固体废弃物，据不完全统计，中国中煤矸石产量超
4000 万t/a，矸石产量大，长期堆积在地表，容易造成土壤、水体、大气等环境污染，严重时易引发自燃爆炸、滑坡等安全隐患[1]，与“绿水青山就是金山银山”环保理念及“双碳”目标严重相悖，煤矸石的大宗处置消纳成为困扰地方政府和煤炭企业的重要难题。目前，鲜有关于中国中煤主要矿区煤矸石的规模化处置与资源化利用方面比较系统的资料报道。基于中国中煤矿区煤矸石治理需求，通过系统梳理煤矸石综合利用政策体系及行业发展趋势，结合实地调查分析矿区矸石产出分布特征，开展典型矿区矸石样品测试揭示矸石理化特性，综合评估煤矸石资源化利用技术发展现状并调研矿井应用进展，据此提出煤矸石梯级回收结合资源化利用、源头减量化开采和加强矿化CO2负碳充填研究3条技术路径，以期为中国中煤实现煤矸石规模化处置、高值化利用及矿区生态保护提供数据支撑与技术路线参考，推动煤炭行业绿色低碳转型。
1. 煤矸石综合利用形势与政策分析
针对矸石处置问题，国家及地方政府出台了系列文件对煤矸石的综合利用进行引导及规范，在环保政策不断收紧的大背景下，煤矸石综合利用过程中的环保要求越来越高，法律法规日益完善，政策由最初的鼓励型、优惠型逐渐向强制型转变。围绕减量化、资源化和无害化处置利用原则，企业需要采用更加先进的环保工艺、技术和设备，减少污染排放。煤矸石综合利用政策可以归纳为4个主要阶段，政策要点如图1所示。
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图 1 煤矸石利用相关政策及要点Figure 1. Policies and key points related to the utilization of coal gangue第1阶段：综合利用途径拓展，从传统的充填、发电、生产建筑材料等领域，不断向制备高价值化工产品及提取有价元素新兴领域拓展。第2阶段：技术创新驱动发展，随着技术的不断更新迭代，煤矸石综合利用水平不断提高，高效、环保的新技术、新工艺不断涌现，如井下智能分选+充填技术，可以实现矸石不升井就地消纳处置，减少无效运输；利用矸石固废生产绿色建材，提升高值化利用水平。第3阶段：政策支持持续加强，国家和地方政府将继续出台相关政策，加大对煤矸石综合利用的支持力度，包括资金补贴、税收优惠、土地供给等方面，以吸引更多的社会资本参与煤矸石综合利用项目。第4阶段：集群发展态势凸显，各地将立足地方产废特点，打造煤基固废综合利用产业集群，形成大中小企业紧密配套、产业链上下游紧密衔接、协同发展的产业链生态。
2. 中国中煤煤矸石区域分布规律
2.1 煤矸石分布特征
矿井位于8省20个矿区，地下矿矸石产量为3 166万t/a，露天矿矸石产量约733万t/a，全部用于矿坑回填。受煤矿地质条件、开采技术条件和分选条件影响，矸石分布呈现范围广、结构复杂、类型多样等特征。内蒙古、陕西、新疆的矿井多属于现代化大型矿井，矿井产能大，煤矸石产量也较大，但属于中低产矸率矿井，多数矿井的地质条件较好，分选矸石量一般大于掘进矸石量。山西地区矿井分布多，不同矿井差异性明显，个别矿井矸石产量和矸石产率都比较大，达到30%以上，主要是矿井地质条件复杂，煤层厚度及倾角变化比较大，断层等不良地质构造发育，导致回采和掘进的矸石量增大。在地质条件较好的矿区，如平朔矿区、乡宁矿区，矸石产量和矸石产率都较小。一方面，地质条件简单，采掘过程中矸石较少；另一方面，矿井煤质较好，采出煤炭不用分选，从而矸石产量很小或者不产出矸石。安徽地区新集矿区整体产能较大，一般老矿井比新建矿井的矸石产量大，新建矿井在开拓采掘设计时更体现先进性。大屯公司矿井建设时间较长，整体矸石产量和矸石产率较大。中国中煤井工矿煤矸石利用分布如图2所示。
如图2所示，矸石产量关系：山西>内蒙古>安徽>陕西>江苏>新疆>河南>黑龙江；矸石产率关系：江苏>山西>安徽>陕西>河南>内蒙古>新疆>黑龙江。中国中煤地下矿煤矸石利用分布如图3所示。
安徽、江苏、河南和黑龙江地区依托便利的交通条件，其煤矸石综合利用呈现“周边辐射型”特征。未来应重点构建技术创新生态链，在现有基础上向高端化延伸，重点突破高附加值提取技术，同步完善物流配送体系，将市场服务半径拓展至更大经济圈。山西、陕西、内蒙古、新疆受地理区位和运输成本制约，呈现“自给自足型”应用模式，矸石仍以低附加值的地面回填及井下充填为主。针对现代化矿井需求，未来应构建“源头减量化—过程资源化—末端无害化”的全链条技术体系，重点发展智能化充填技术和大宗固废协同处置模式，提升矸石综合利用效能。
2.2 煤矸石理化特性
调研测试了中国中煤所属部分矿井矸石的化学组分，测试结果见表1。
表 1 化学组分测试Table 1. Chemical composition testing% 煤矸石来源 w(SiO2) w(Al2O3) w(TiO2) w(Fe2O3) w(MnO) w(MgO) w(CaO) w(Na2O) w(K2O) w(P2O5) 烧失量LOI 葫芦素煤矿 44.76 12.88 0.62 20.83 0.03 1.27 0.52 0.64 2.07 0.09 16.64 南梁煤矿 59.97 18.22 0.77 4.16 0.05 1.70 0.56 1.44 3.23 0.10 10.08 大海则煤矿 68.99 18.38 0.75 1.26 0.01 0.56 0.53 1.06 2.94 0.05 5.84 小回沟煤矿 66.81 24.17 0.75 4.14 0.11 1.02 0.90 0.25 2.01 0.12 11.19 禾草沟煤矿 59.78 30.76 0.66 3.47 0.06 1.26 0.60 0.33 2.22 0.05 18.92 华昱洗煤厂 59.82 38.21 0.35 0.23 <0.01 0.04 0.06 0.02 0.31 0.02 13.26 新集一矿 67.93 28.35 0.72 2.45 0.04 0.54 0.51 1.12 2.38 0.17 12.09 白羊岭煤矿 62.18 31.09 0.91 4.89 0.11 1.23 0.34 0.96 2.66 0.21 10.06 高家庄煤矿 59.44 37.98 0.45 3.19 0.05 1.66 2.33 1.19 3.05 0.44 11.56 王家岭煤矿 48.55 31.13 0.80 2.37 <0.01 0.26 0.39 0.36 0.61 0.06 15.42 孔庄煤矿 48.73 31.78 0.50 3.41 0.01 0.12 0.36 0.12 0.03 0.02 15.59 徐庄煤矿 55.95 26.52 0.42 1.86 0.01 0.12 0.35 0.13 0.04 0.02 15.04 姚桥煤矿 57.79 25.34 1.02 3.48 0.01 0.28 0.37 0.02 1.53 0.05 9.86 芒来露天矿 55.12 26.94 0.73 2.11 0.01 0.13 0.36 0.11 0.10 0.02 14.80 大南湖七号煤矿 53.06 20.60 0.97 3.27 0.03 1.96 0.79 0.56 2.85 0.14 7.45 注：煤矸石样品受取样时间、取样地点等因素影响，部分数据与现场实际略有差异。 煤矸石化学成分以SiO2和Al2O3为主，SiO2质量分数介于45%～69%，Al2O3质量分数介于12%～39%；矿物组成以高岭石和石英为主，含有少量伊利石、蒙脱石、方解石及绿泥石。煤矸石多为低热值、高灰分和高中硅铝比黏土岩，具有发电、制备建材、井下充填和土地复垦等多元综合利用属性。依据测试分析结果结合《煤矸石利用技术导则》，对调研矿井的煤矸石资源属性分类见表2。
表 2 矸石资源属性分类Table 2. Classification of Gangue Resources Attributes省份 矿区 矿井 含碳量（热值） 灰分产率 灰分成分 岩石类型 陕西 子长矿区 禾草沟煤矿 二类煤矸石 中灰煤矸石 高铝硅比 黏土岩矸石 榆横矿区 大海则煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 低铝硅比 砂岩质矸石 神府矿区 南梁煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 砂岩质矸石 内蒙古 呼吉尔特矿区 葫芦素煤矿 二类煤矸石 高灰煤矸石 低铝硅比 黏土岩矸石 露天矿 芒来露天矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 砂岩质矸石 新疆 哈密矿区 大南湖七号煤矿 二类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 黏土岩矸石 山西 平朔矿区 华昱洗煤厂 一类煤矸石 高灰煤矸石 高铝硅比 铝质岩矸石 西山矿区 小回沟煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 砂岩质矸石 离柳矿区 高家庄煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 高铝硅比 铝质岩矸石 阳泉矿区 白羊岭煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 黏土岩矸石 乡宁矿区 王家岭煤矿 四类煤矸石 高灰煤矸石 高铝硅比 黏土岩矸石 江苏 大屯矿区 孔庄煤矿 二类煤矸石 高灰煤矸石 高铝硅比 黏土岩矸石 徐庄煤矿 二类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 黏土岩矸石 姚桥煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 黏土岩矸石 安徽 新集矿区 新集一矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 砂岩质矸石 3. 煤矸石综合利用技术发展现状
目前，煤矸石在发电、建筑、农业、充填和土地复垦等领域均得到了广泛应用。同时，国内外学者逐步开展了煤矸石在化工、有价元素提取和制备生态土壤等方面的研究，取得了一定的研究成果。
3.1 矸石资源化利用
3.1.1 煤矸石发电
“双碳”目标下，利用低热值煤矸石掺加中煤或煤泥发电已经成为煤炭产业生态文明建设的重要举措，破碎后的煤矸石颗粒在炉内充分燃烧和反应，产生的热量可用于发电，其灰渣可用于生产建筑材料。
循环流化床(Circulating Fluidized Bed, CFB)燃烧发电技术，作为一种劣质煤适应性强、污染控制成本低的燃烧技术，在我国得到了充分发展。20世纪60年代以来，我国相继开发了高性能CFB锅炉、节能型CFB锅炉、超低排放CFB锅炉和超临界CFB锅炉，实现了从模仿学习到国际领先的跨越[2]。弋治军等[3]开发了燃用超低热值纯煤矸石的40 t/h CFB锅炉，燃料热值4.187～5.443 MJ/kg范围内，底渣可燃物含量低于1%，飞灰可燃物含量低于2%，锅炉热效率达到了80.05%。黄陵二号煤矿[4]建成2台1 065 t/h CFB锅炉，配套2×300 MW发电机组，每年可消耗煤矸石140.39万t，发电量38×108 kWh，燃烧后灰渣及粉煤灰用于制转、生产陶粒及水泥。
煤矸石发电具有良好的经济效益，低成本、低污染的烟尘检测与控制等技术仍需进一步研究。
3.1.2 煤矸石制建材
煤矸石富含SiO2和Al2O3，在制备胶凝材料、地质聚合物、混凝土骨料及陶粒、路面路基材料、微晶玻璃和制砖等方面具有潜在优势。
近年来石灰石的逐渐减少导致水泥价格飙升，并且“两磨一烧”工艺会导致环境污染，能源浪费等众多问题，使得煤矸石制备胶凝材料成为研究热点。潘昱蒿等[5]将15%煤矸石粉、5%超细粉煤灰掺入硫铝酸盐水泥中，胶凝材料各龄期的强度提升10.1%～13.6%。高建荣等[6]利用煤矸石、镁渣和粉煤灰等多种工业废渣复配制备胶凝材料，28 d抗折强度可达8.2 MPa、抗压强度可达42.4 MPa。王莹莹等[7]利用煤矸石配以水泥熟料、矿渣和石膏制备充填胶结料，抗压强度能够达到32.5和42.5 MPa。万惠文等[8]试验研究发现煤矸石与页岩活化后可制备无熟料胶凝材料，质量比为7∶3且内掺5%脱硫石膏时，煅烧温度780 ℃，保温2 h且在空气中进行急冷的条件下，制备出的胶凝材料胶砂抗压强度可达P.C32.5强度等级。
地质聚合物(Geopolymer)是一类利用硅铝质矿物原料在常温条件下制备的无机聚合材料，原料通常由活性硅铝质材料及激发剂组成，具备无机胶凝特性，以及高强度、快硬、耐酸碱、耐高温、环境友好等优异性能，在CO2捕集、废水处理、重金属固化和隔声材料等方面广泛应用[9]。张卫清等[10]研究发现煤矸石基地质聚合物的单轴抗压强度（UCS）、界面过渡及重金属浸出与矸石粒径息息相关，机械活化以及热活化可以提高材料力学强度。王菲等[11]利用煤矸石制备地质聚合物，得出钠铝比和激发剂模数对抗压强度和微观结构有影响，在当钠铝比为0.62，激发剂模数为1.65时，试样7 d的抗压强度可达到52 MPa。沙东等[12]针对煤矸石等地质聚合物的聚反应不佳、脆性高、韧性差等问题，综述了机械活化、元素改性、纤维改性、有机物改性等方法及其作用机制。邹小童等[13]研究发现了煤矸石、粉煤灰可作为地质聚合物制备原料，质量比为9∶1，硅灰掺量为7%时基体对Cu2+、Pb2+具有较好的固化作用，28 d抗压强度可达40 MPa。周梅等[14]以煅烧煤矸石、矿渣和粉煤灰做主体材料，水玻璃和氢氧化钾做配体制备地质聚合物，28 d抗折强度分别达到9.38 MPa，抗压强度达到77.1 MPa。张娟等[15]利用污泥煤矸石复合制备地质聚合物，经900 ℃焙烧45 min的污泥，以40%的掺量取代煤矸石后，抗压强度高达39.8 MPa。王超等[16]利用煤矸石、赤泥制备地质聚合物对重金属最大吸附量达到137.7 mg/g。
煤矸石骨料能够替代碎石和河砂制备矸石基混凝土，减少原材料需求，避免开山碎石、河底淘砂对生态环境的损害，同时可替代部分水泥，降低了井下水泥水化放热等高温热害，实现矸石资源化利用。但是煤矸石初始缺陷多、孔隙率大、吸水率高易导致材料失稳破坏，利用过程中应分析矸石混凝土的流动性能、力学性能及耐久性能。马宏强等[17]认为煤矸石做骨料最大掺量受混凝土设计强度和所处环境的限制，强度设计值为C30时，煤矸石可完全替代碎石制备混凝土且不需要煅烧；强度设计值为C50时，掺煅烧煤矸石最大掺量为45%，掺未煅烧煤矸石最大掺量为33%。刘瀚卿等[18]研究表明煤矸石混凝土抗折强度与煤矸石含碳量、煤矸石取代率及水灰比有关，随着掺量增大，抗折强度均呈现不同程度衰减。周梅等[19]用自燃煤矸石配制预拌混凝土，添加少量复掺矿物掺合料和高效减水剂，显著提高了混凝土抗氯离子渗透和抗冻融能力。于乐乐等[20]提出利用煤矸石表面裹浆、热活化和微生物矿化等技术来提高煤矸石混凝土骨料的力学及耐久性能。
煤矸石除直接破碎作骨料利用外还可烧制陶粒，主要工艺为破碎、预热、焙烧和冷却等步骤，广泛应用于建筑、园艺、农业、污水处理和石油化工等领域，陶粒焙烧膨胀需同时具备2个条件：一是高温下生成有一定黏度的熔融物；二是原料达到一定黏稠状态时，内部可产生足够的气体[21]。李虎杰等[22]以煤矸石为主要原料，烧制出800级的高强煤矸石陶粒，各项指标均优于规范指标。陈彦文等[23]开展煤矸石烧制陶粒试验研究，发现煤矸石、粉煤灰、膨胀剂的质量比为78∶15∶7，烧结温度为1 150 ℃时，陶粒堆积密度为785 kg /m3，筒压强度为5.9 MPa，吸水率为3.5%。武文龙等[24]烧制出900级陶粒，可用于结构保温混凝土或高强混凝土。王萍等[25]制备出陶粒滤料用于生物滤池反应器，6 d化学需氧量（COD）的除去率可达到90.36%。裴会芳等[26]研究发现，当煤矸石与城市污泥质量比为（80∶20）～（50∶50），烧结温度1 120 ℃、保温1 h，制备的多孔陶粒密度为1 030～1 200 kg/m3，显气孔率为26%～50%，吸水率为23%～35%。刘国杰等[27]通过对煤矸石破碎、磨矿、成球及烧结，加入一定添加剂制作陶粒，陶粒吸水率为25.78%，密度为1.925 kg/m3。
煤矸石用作道路路基填料，具有广阔的发展前景，但煤矸石材料在路基面层的应用研究相对较少。邓友生等[28]利用试验研究发现煤矸石桩具有承载性能，配合土工格室加筋垫层可有效减小路堤沉降。王川等[29]利用煤矸石协同矿粉制备路基充填材料，发现煤矸石掺量为30%～40%时，28 d强度高于P.O32.5水泥，吸水率小于30%。杨晓凯等[30]利用活化煤矸石做填料改性沥青，沥青胶浆的抗剪强度和高温性能大幅提高。邬俊等[31]研究发现煤矸石作为路基填料压实度应不小于93%。耿琳等[32]对掺煤矸石高速铁路路基填料冻胀特性试验研究，得出煤矸石填料的冻胀量比普通填料稍大，但满足冻胀稳定性要求，具有可行性。煤矸石用作路基面层材料具备可行性和实用的价值，能够节约石料资源，但是煤矸石路基重金属元素的扩散需要重点关注。
微晶玻璃的生产以化学原料为主，综合了玻璃和陶瓷的优越性能，其生产成本高、资源及能源消耗大，利用煤矸石生产微晶玻璃可以降低生产成本，实现固废资源化利用，符合政策倡导的高值化利用理念。王长龙等[33]利用煤矸石、铁尾矿制备微晶玻璃，抗压强度可达981 MPa，抗折强度为129 MPa，抗冲击强度为2.92 kJ/m2。罗冰等[34]以煤矸石和石棉尾矿为原料，在1 180 ℃下烧结60 min制备微晶玻璃，材料吸水率为1.23%，密度为1.48 g/m3，满足GB/T 4100—2015中Ⅰb类低吸水率炻质砖标准。湛玲丽等[35]利用活化煤矸石制得微晶玻璃，密度、硬度、断裂韧性等性能良好的情况下煤矸石掺量可达70%。管艳梅等[36]利用磷渣和煤矸石制备微晶玻璃，体积密度和抗弯强度分别达到2.65 g/cm和81.9 MPa。孙道胜等[37]在熔制温度仅为
1350 ℃，晶化温度950 ℃下，制备出酸、碱失量为0.25%和0.10%的致密微晶玻璃，煤矸石利用率为60%，为煤矸石微晶玻璃的产业化提供技术支持。煤矸石富含SiO2、Al2O3等组分，可制备烧结砖、免烧砖等建材，用于挡土墙、排水渠、路沿、河堤等领域。王瑞荣等[38]系统性地总结了煤矸石烧结砖生产技术，提出采用中塑性原料，SiO2质量分数介于50%～70%，Al2O3质量分数介于10%～20%、CaO、MgO、SO3质量分数不宜过高条件下制砖效果较好。煤矸石烧结砖工艺流程如图4所示。
金彪等[39]利用煤矸石、页岩和污泥为原材料，制备的烧结砖强度可以达到MU15等级。刘灏等[40]在烧结的页岩砖内掺入30%煤矸石粉末，发现砖体泛霜及石灰爆裂等性能均在规范要求以内。王占锋等[41]以煤矸石、粉煤灰和膨润土为原料制备烧结保温砖，得出煤矸石掺量60%，粒径小于0.25 mm，烧成温度为950 ℃，成型压力为8 MPa，抗压强度为5.69 MPa，导热系数为0.23 W/ (m·K)。李学军等[42]以煤矸石为原料制备免烧结煤矸石透水砖，得出煤矸石粒径为4.75～9.5 mm，与水泥的质量比3∶1，成型压力为4 MPa时，透水系数为2.34×10−2 cm/s，劈裂抗拉强度为1.4 MPa。李珠等[43]以煤矸石、黏土为主要原料制备陶瓷透水砖，一定条件下劈裂抗拉强度为3.75 MPa，透水系数为0.355×10−2 cm/s。尹青亚等[44]采用煤矸石、赤泥等制备烧结多孔砖，煤矸石和赤泥总用量达到75%，强度等级可达到MU18。煤矸石烧结砖能够实现固废资源化利用，但是存在环境污染风险。王明仕等[45]试验研究发现pH、时间对煤矸石烧结砖微量元素浸出量具有显著影响，Co、Ni和As的最大浸出量分别达到III类地下水环境质量标准的1.8、2.8和4.6倍，环境敏感地区不宜使用。未来，应在不影响制砖强度的条件下加强对重金属元素的污染控制。
煤矸石块状颗粒较大以及含有部分炭和有机物，自身结构存在缺陷，需要进行严格的前处理；煤矸石活性低，制备高性能建材需要对其活化，此过程工艺复杂，成本高昂，限制了其大规模推广应用。此外，煤矸石建材的长期耐久性和环境影响监测等工作也亟待补充。
3.1.3 煤矸石制化工产品
煤矸石是制备铝基、硅基等化工原料的廉价资源。经高温焙烧令煤矸石中矿物的晶相结构发生改变，采用酸浸、碱浸和烧结等方法可使硅铝化合物等元素溶出。根据煤矸石中的不同化学元素，可制备包括Al(OH)3、Al2O3、Al2(SO4)3等铝系化工原料，SiC、Na2SiO3、白炭黑等多种硅系化工原料，铁红和铁黄等铁系化工原料，以及其他复合化工原料。
贾敏等[46]对煤矸石热活化后进行酸浸处理，氧化铝溶出率可以达到94.09%。李浩林等[47]利用低温中和−加压酸浸工艺，铝浸出率为95.77%，铁浸出率为98.37%。相亚军等[48]采用石灰烧结法提取煤矸石氧化铝，最佳试验条件下氧化铝溶出率可高达89.5%，郭丽君等[49]将煤矸石进行机械−热复合活化，硅溶出量68.46 mg/g，铝溶出量为131.69 mg/g。
孔德顺等[50]对煤矸石采用煅烧，酸溶后碱熔，再水淬并酸化，经烘干得到白炭黑产品，符合HG/T 3061—1999标准要求。龙金芬等[51]以煤矸石酸浸渣、硅酸钠溶液为原料制备白炭黑，得到最优工艺条件为10 mL蒸馏水稀释硅酸钠溶液、pH为7.0、水浴温度85 ℃，硫酸质量分数为10%，白炭黑的产率较高。朱晓波等[52]以煤矸石为原料，通过活化焙烧和联合浸出的方法制得的白炭黑产品品位大于99.5%。朱明燕等[53]在一定条件下制得白炭黑SiO2的质量分数为94.02%，回收率达到93.72%。
从煤矸石中提取氧化铁产品，可以应用于颜料、建材、橡胶、塑料、磨料、催化剂、传感和磁性材料。王健璋等[54]利用预加热−碳热还原−磁选法提取煤矸石中的铁，TFe的回收率达到71.3%。张又中等[55]利用热活化−酸浸法提取煤矸石中铝和铁，Fe3+、Al3+浸出率分别为66.039%、35.844%。刘成龙等[56]研究发现，Na2CO3质量浓度为70 g/L、反应温度为45 ℃、Fe2+质量浓度为18.06 g/L、反应时间为2.0 h条件下，铁红产品纯度可达97%。孔德顺等[57]利用硫酸酸浸、分步沉淀、高温煅烧和高温煅烧等工艺制得氧化铁红，产品可以达到标准要求。
煤矸石活性低，需要利用活化技术改变晶体结构提高浸出率，再采用溶剂萃取、吸附、沉淀、离子交换等方法从浸出液中提取稀有金属。郭文超等[58]利用萃取剂P507萃取回收煤矸石硫酸浸出液中镓，萃取率高达98.4%。王梓硕等[59]采用氧化焙烧—盐酸浸出工艺从煤矸石中提取锂，锂浸出率可达98.14%。刘成龙等[60]利用微波法提取煤矸石钛，酸矸比1.5、微波功率800 W、微波加热时间90 min、溶解温度75 ℃条件下钛的提取率达到79.85%。
有价关键金属的提取不仅有利于煤矸石的高附加值利用，还能有效缓解我国资源供需矛盾，但煤矸石组分波动大、有价金属元素含量偏低且赋存状态复杂导致提取难度高，技术落地面临能耗双控的限制，难以实现工业化推广。未来应探索多种有价元素梯级分离提取工艺，降低成本，提高酸碱液利用率，实现多产品输出。
煤矸石作为吸附剂在废水处理领域广泛应用。赵丽等[61]试验研究发现煤矸石对矿井水中的溶解性有机碳（DOC）的去除能力可达到64%，对氨氮的去除效率达到81%，主要与铝硅酸盐矿物对有机物的吸附、降解作用有关。迟爽等[62]以煤矸石为原料，采用“加碱焙烧—酸浸—聚合”工艺制备了聚硅酸铝铁（PAFS）絮凝剂，对氟化工废水的去浊率达96.94%。曹敏等[63]以煤矸石为原料，采用直接浸润法合成聚合氯化铝铁(PAFC)絮凝剂用于煤泥水处理。孙统才等[64]利用ZnCl2对煤矸石进行改性处理用于吸附染料废水。
此外，煤矸石经活化、酸浸等工艺可制备多孔材料。刘博等[65]采用溶胶−凝胶法和真空干燥法制备矸石基气凝胶，王旭东等[66]制备煤矸石基介孔材料，样品比表面积达到207.57 cm2/g，孔的总体积为0.33 cm3/g，平均孔径为6.34 nm。尚瑞瑞等[67]采用发泡法制备煤矸石基多孔材料，对Pb2+的最佳吸附率为99.92%，吸附量为12.48 mg/L。煤矸石还可以利用水热合成法、碱熔法、碱熔−水热法和微波合成法等制备分子筛，在低碳转化、气体净化、污水及重金属处理和土壤改良等方面广泛应用，实现“以废治废”。闫振雷等[68]利用煅烧煤矸石与粉煤灰脱硅液以水热合成法制备出13X分子筛，比表面积为681.7 m2/g，相对结晶度高达94.59%，晶粒大小为4 μm左右。张博超等[69]采用碱熔−水热法制备沸石分子筛，比表面积为66.27 m2/g，沸石分子筛投加量为0.35 g，溶液pH为6，吸附温度为45 ℃，吸附时间为55 min时，对Cu2+吸附效果最佳。姚隆帆等[70]采用“高温焙烧—碱熔—碱溶—晶化”过程水热合成NaY分子筛，比表面积达到584 m2/g。全翠等[71]以煤矸石为原料，采用水热晶化法制备沸石分子筛，一定条件下分子筛比表面积达249.86 m2/g，总孔容积为0.249 cm3/g，CO2吸附量为1.16 mmol/g。刘甜等[72]利用煅烧−水热晶化法制得NaA-750和NaA-500分子筛，对Cd2+的最高吸附量分别为392.9和208.9 mg/g。梁止水等[73]采用碱熔法制备NaX型分子筛，在投加量为2 g/L、废水初始pH为5、吸附温度为25 ℃的条件下。对Cd2+（100 mg/L）的去除率达到90%以上。金世良等[74]采用常规水热合成法制得ZSM-5分子筛吸附降解亚甲基蓝，一定条件下脱色率和降解率分别达到98.23%和95.16%。煤矸石制备分子筛流程如图5所示[75]。
煤矸石制备化工产品，可以实现煤矸石高值化利用。但是煤矸石活性低，制备过程中需要对其活化，通常采用的活化方式有机械活化、热活化、微波活化、化学活化及复合活化等，成本高昂导致销售渠道受阻，无法给企业带来经济效益，企业积极性不强。酸浸、碱浸带来的废料污染问题也不容忽视，处理这些液体废料还会进一步增加成本，使多数企业望而却步。此外，煤矸石成分复杂，单一元素的提取及分离既是技术难点也是研究热点。
3.1.4 回收有益矿产
煤矸石能够回收煤炭用于销售或者燃煤发电，在利用煤矸石生产建筑材料、化工产品时必须去除碳质成分；还能够提取高岭土用于造纸、涂料、医药、建材和纺织等行业；同时能够利用跳汰分选、摇床分选，旋流器分选、螺旋溜槽分选和浮选等方法回收硫铁矿，提高利用价值。曹泽宇等[76]利用煤矸石煅烧高岭土制备无机涂料，涂层耐洗刷次数在4万次以上，硬度在5H以上，耐水性能良好。张雨涵等[77]采用超重力法制备纳米级煤矸石煅烧高岭土，其片层厚度为2～8 nm。宋志敏等[78]发现用加热到300～400 ℃的硫铁矿来处理含六价铬废水的效果比天然煤系硫铁矿高2倍。韦敏等[79]从煤矸石中回收黄铁矿，回收率45.15%，达到国家Ⅰ级标准。
3.1.5 煤矸石农业应用
煤矸石富含有机质及氮磷钾等元素，可用于沙地、盐碱地等土地改良，丰富土壤养分，激发土壤活性，增大土壤中的空隙度，提高土壤透气性和疏松土质，使土壤更有利于植被的生根。何宪波等[80]试验研究发现煤矸石可改良盐碱土地，在掺入量为30%时马铃薯种植效果最佳。胡寒等[81]利用中低温微氧化煤矸石，发现在中低温氧化1～3 h后，溶解性有机碳质量浓度由8.76 mg/L提升至176.72 mg/L，有机碳质量分数由1.2%提升至6.0%以上，显著提高土壤的持水率。王琼等[82]通过室内培养试验，得出细度70目（0.212 mm）、用量≥32 g/kg的高硫煤矸石可有效改良土壤结构，降低土壤的pH。
煤矸石中的有机物和B、Zn、Cu等植物生长所需的微量元素加工为农业肥料，现有加工原理和工艺分为煤矸石复合肥和微生物肥料2种。
煤矸石可以与化肥、无机矿物、动物粪便、污泥等材料复合制备肥料。白雪雨等[83]以钠盐为添加剂，对煤矸石进行焙烧活化处理，制备硅肥，有效硅质量比能够达到50.8 g/kg。刘信平等[84]利用Na2CO3活化富硒煤矸石，硒活化率81.24%，进一步与鸡猪粪便混合后制备复合肥种植大蒜，显著提高土壤及大蒜硒含量。
煤矸石中含有大量有机物，是携带固氮、解磷、解钾等微生物最理想的基质和载体，所以可以作为微生物肥料。孔涛等[85]研究发现中等剂量木霉菌能够提高煤矸石基质碳氮磷含量以及过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性，有助于植物生长。盛定红等[86]利用菌株GZU-7处理煤矸石制备煤矸石肥料，在磷石膏掺杂比例为30%、pH为7、菌液浓度为105 CFU/mL、煤矸石的粒径为0.83 mm、解离时间为5 d条件下，有效磷含量提高20.74倍。王应兰等[87]利用藤黄微球菌解离煤矸石制备肥料，通过烟草盆栽试验煤矸石肥料均会显著提高烟苗根际土壤中的碱解氮、有效磷和速效钾含量。袁向芬等[88]利用巨大芽孢杆菌解离煤矸石制备肥料，相比未处理煤矸石，碱解氮、有效磷和速效钾含量分别提高26.84、65.76和10.55倍，有效硫、有效钙和有效硅的含量分别比提高2.70、1.27和1.07倍。
近年来，煤矸石直接破碎制备生态土壤成为消纳煤矸石的重要途径。秦琪焜等[89]利用煤矸石与污泥混合制备植生基质种植高羊茅，发现体积比为1∶1，煤矸石粒径≤2.36 mm时，土壤的保水保肥性效果最佳。柯凯恩等[90]通过盆栽试验研究了煤矸石生态基质的配方以及肥力特征，发现煤矸石粒径、含量以及堆肥种类与肥力具有显著影响。邵玉飞等[91]利用活化煤矸石制作水稻育苗基质，煤矸石最大添加量体积比可达80%，成活率为94.9%。唐升引等[92]研究发现煤矸石存在一定的斥水性，通过一定的改良具备在栽培基质中使用。苏迪等[93]利用煤矸石制备多孔土壤，与天然土壤相比松装密度和流失率降低，保水量增加且保温性更优，但是pH偏高，适合种耐碱植物。姚粉霞等[94]以煤矸石、生活污泥和牛粪等废物为原料制备人工土壤，发现土壤能够满足植物生长需求，但是固废重金属污染应进一步研究。张汝翀等[95]、杜韬等[96]利用煤矸石与土壤混合，并添加粉煤灰、玉米秸秆和保水剂等材料制备基质，不仅有助于植物生长，还能抑制重金属污染。
煤矸石用于改良土壤、制肥以及制备生态土，可以实现矸石固废的规模化处置，保护环境的同时还能产生经济价值。但是，煤矸石含有重金属元素，短期内虽然元素含量符合标准，长期使用造成重金属积累威胁作物生长进而通过食物链向人体富集的潜在可能性不容忽视，因此，重金属的固化应是下一阶段重点研究方向。
3.2 煤矸石规模化利用
3.2.1 煤矸石井下充填
基于不同工程背景及现实需要，矸石充填开采技术发展主要经历3个阶段。
第1阶段：主要用于“三下”资源回采以及矿井灾害治理，先后研发了膏体充填、固体充填、高水充填以及覆岩离层分区隔离注浆充填技术以及“采选充+X”技术[97]。周华强、张吉雄、刘建功、冯光明、许家林等学者在邢台、邢东、新汶、兖州、枣庄等矿区进行了大量的工程实践，形成了成熟的工艺，材料及装备，取得了良好的应用效果，积累了大量经验。
第2阶段：煤炭开发总体布局调整为压缩东部、限制中部和东北、优化西部，充填开采技术主要用于西部地区脆弱生态环境保护，应用较多的技术主要以膏体充填、固体充填保水开采，可以实现矸石规模化处置的浆体充填技术，以及优化后的覆岩隔离注浆充填技术为主。
第3阶段：在“双碳”目标下，充填技术开始向负碳充填工艺、材料、装备研发等方向转变。谢和平等[98]提出了负碳高效充填开采技术，即利用高孔隙率、高力学强度、高储碳能力的新型充填材料，将CO2、矸石与快速胶结材料混合充填至采空区，为负碳高效充填的工程实施与推广提供了路径参考。王双明等[99]阐述了煤基固废矿化材料制备、封存空间构筑及稳定性监测等科学问题，形成了利用煤矿采空区实现CO2低碳封存的新模式。刘浪等[100]等提出了利用CO2矿化冶金−煤基固废制备固碳矿用材料的多场景利用技术框架，研发的负碳充填材料28 d抗压强度可达6.18 MPa；高宇恒等[101]进一步利用煤矸石、镁渣与粉煤灰混合制备了一种不含胶凝材料的充填材料，碳化养护7 d强度可达8.94 MPa，可吸收16.34% CO2。马立强等[102]利用煤基固废制备的保水开采负碳充填材料28 d强度能达到5.12 MPa，CO2吸附量为1.39 mg/g。
煤矸石井下充填经过多年的发展，理论、技术、工艺、材料、装备等研究已经成熟。“双碳”目标下，煤矸石等煤基固废负碳充填成为研究热点，但是尚停留在试验阶段，CO2低成本捕集、材料负碳机理、CO2扩散迁移规律、负碳充填工艺、封存空间稳定性等理论问题，以及高效反应装备均未攻克，但是经过近几年的研究，已经具备试验基础，下一阶段应开始小试、中试，为工业化推广提供数据支撑。
3.2.2 煤矸石土地复垦
土地复垦是指将人为或自然灾害造成的土壤退化，通过工程整治后恢复生态系统，并对其加以利用的过程，主要采用填埋、剥离和覆土等修复措施，复垦区域主要是露天矿坑、取土场、采煤塌陷区和地表天然沟壑等。
胡振琪等[103]认为煤矸石土地复垦是规模化利用主要途径，但是要注意矸石的选择、充填位置的选址、环境与安全控制，以及后期维护、管理与长期监测等环节。马腾辉等[104]研究发现煤矸石复垦林地、耕地对有机碳的积累及微生物量碳的恢复具有积极的作用，土壤速效磷、碱解氮和全氮含量均随复垦年限均有增大。焦赫等[105]研究发现煤矸石充填复垦地的土壤细菌群落多样性与丰富度低于普通耕地，经过工程扰动后，40～60 cm层细菌群落组成差异较大。陈敏等[106]研究发现煤矸石填埋进行土壤重构时存在“障碍带”，对土壤具有双重影响，既有利于下层土壤水分的保持，又不利于上层土壤的水分供给，回填时应将矸石充分破碎，增加覆土厚度以及少量多次灌溉来规避影响。王忠波等[107]对煤矸石复垦侵蚀沟4 a后的土壤进行测试分析，发现土壤氮素、钾素及土壤有机质含量低于对照土壤，但是土壤综合肥力高于地区平均水平，证明了煤矸石土地复垦的可行性。
西部地区大型露天矿坑、地表自然沟壑、采石坑为煤矸石土地复垦创造了良好的填埋条件，但是其生态环境呈现复杂性、敏感性及脆弱性特征，抗扰动能力差，因此煤矸石土地复垦环境污染问题应进一步研究。
冯印成等[108]使用Hydrus-1D软件对煤矸石土地复垦的重金属淋溶规律进行研究，发现溶入渗深度分别为Cr(Ⅵ)=Pb>Ni>Hg，重金属淋溶浓度分别为Pb>Cr(Ⅵ)>Ni>Hg，均为超过限值。董兴玲等[109]研究发现黄土区中的古土壤层对煤矸石淋溶液的扩散具有抑制作用，原因是淋溶液与古土壤发生化学反应生成沉淀物堵塞土壤空隙。王新富等[110]以草原煤矿区土壤背景值为对比，研究发现研究区内生物易受到Zn和Hg的不利影响。
目前煤矸石土地复垦相关标准规范并不完善，在实际工程中不能以偏概全，一概而论，需要结合当地水文地质条件具体分析，对于土壤的理化性质、土壤菌群与微生物状况及重金属污染等属性应重点关注。
4. 中国中煤煤矸石应用进展及面临挑战
4.1 煤矸石资源化应用进展
中国中煤建有新疆伊犁、中煤平朔电厂、江苏大屯热电、山西塔山电厂和河南姚孟等电厂，可以消纳部分矸石，矸石消纳量可达200万t/a，部分电厂统计见表3。
表 3 部分矸石利用供热机组统计Table 3. Statistics of some gangue utilization heating units序号 电厂 机组规模/MW 供热量/1013 J 1 安徽宣城电厂 630+660 82.76 2 甘肃靖远二电 4×330 173.16 3 新疆伊犁电厂 2×330 575.34 4 河南姚孟电厂 3×300+2×630 496.68 5 江苏大屯热电 2×350 306.95 6 山西晋城热电 2×300 641.07 7 山西王家岭电厂 2×50 45.23 8 山西安平电厂 2×150 176.97 9 山西塔山电厂 2×135 356.77 大海则煤矿在20203回风巷铺设12 m的煤矸石基混凝土，12 h后通车后未发现混凝土出现开裂与压坏等现象，现场实测28 d抗压强度34.7 MPa。新集矿区利用矿井煤矸石铺设矿井周边道路，经过压实可满足重载汽车使用要求。刘庄煤矿和新集煤矿等将矸石销售给制砖企业用于制砖，每吨矸石可盈利32.7元，但是随着房地产市场持续低迷，建筑材料需求下滑，厂家自产材料销售渠道受阻，进而导致以矸石为原材制备的建材基本处于滞销状态。小塔山煤矿开采的石炭二叠纪煤系含有大量的、极具经济价值的高岭岩，储量估算结果为1 668.7万t，煅烧高岭土利用矸石5万t/a。中国中煤部分矿井制砖情况统计见表4。
表 4 部分矿井制砖情况统计Table 4. Statistics on brick making in some mines序号 矿井 矸石利用量/(万t·a−1) 成本/(元·t−1) 1 母杜柴登煤矿 18.00 −53.50 2 王家岭煤矿 3.80 — 3 裕丰煤矿 12.00 +3.00 4 平山煤矿 7.36 — 5 大屯洗煤中心 147.00 — 6 刘庄煤矿 170.00 +32.70 7 新集二矿 67.50 +32.70 8 口孜东煤矿 55.00 — 9 王行庄煤矿 17.10 — 10 新登煤矿 13.10 +5.00 11 依兰三矿 3.50 — 笔者团队将煤矸石破碎至一定粒径后与污泥、动物源有机肥、煤矸石专用菌剂按一定配比混合成煤矸石组料，经搅拌、发酵和晾晒翻搅后制备成煤矸石基有机生态土，种植了玉米等作物长势良好。平朔矿区相继开展了煤矸石制备生态土壤工业化种植试验，种植了玉米、蔬菜和草莓等作物，植物长势良好，土壤取样化验铅、铬、砷、镍和汞等元素均在重金属指标限值以内。中国中煤所属部分矿井煤矸石资源化效果如图6所示。
4.2 煤矸石规模化应用进展
中国中煤所属矿井在煤矸石多态充填及土地复垦等方面做了大量的研究工作，建立了多项示范工程，取得了良好的应用效果。
固体充填方面，葫芦素煤矿集成巷旁墩柱墙沿空留巷+固体充填技术，建成了综合机械化固体充填沿空留巷工作面，充填效率提高50%以上，矸石充填能力可达100万t/a，矸石处置成本约25元/t；基于矿井煤层夹矸量大和地质构造复杂造成矿压显现剧烈的问题，小回沟煤矿建成综合机械化固体充填系统，改变传统的垂直投料方式为大倾角（23°）长距离下胶带输送，显著减少了矿建工程量，矸石充填能力为100万t/a。吴玉意等[111]提出了综采双掩护漏矸固体充填技术，并研发了综采双掩护漏矸固体充填液压支架，克服了传统固体充填与采煤不能平行作业、支架夯实机构和后刮板运行干涉、刮板易卡顿受损等问题，大幅提高矸石充填能力。
膏体充填方面，黄家沟煤矿、禾草沟煤矿为回采“三下”压覆煤炭资源，相继开展了膏体充填开采技术研究；吴玉意等[112]根据现场工程需要，进一步研发了采充凝平行式膏体充填支架，攻克了传统膏体充填技术“以充定采”等工程难题，实现了采充和采凝平行，提高了工作面回采速度及采煤能力。
浆体充填方面，基于蒙陕地区高产高效矿井煤矸石的绿色化低干扰和高效化低成本处置需求，笔者团队[113]提出了煤矸石浆体充填技术，构建了低位灌浆、邻位和高位注浆充填技术体系，先后在黄陵二号煤矿、张家峁煤矿和安山煤矿建立了示范工程；马新青团队[114]和许家林团队[115]合作提出了覆岩隔离注浆充填技术，为西部地区矸石处置难题提供了有力支撑。葫芦素煤矿率先建设完成覆岩隔离注浆充填系统，矸石处理能力达150万t/a；大海则煤矿作为中国中煤主力生产矿井，高产高效开采的同时矸石量逐年骤增，应用矸石覆岩离层注浆技术，矸石处置能力可达150万t/a，矸石处置成本约70元/t；门克庆煤矿为了合理开采铁路环线、炸药库下压煤，应用离层注浆减沉技术释放了“三下”煤炭资源146万t，处置了100万t煤矸石，处置成本约70元/t。母杜柴登煤矿建成了矸石离层注浆充填处置系统，矸石处理能力为100万t/a，处置成本约48元/t。
土地复垦方面，白羊岭煤矿现有排矸场按规定要求边排矸边覆土，并建设有配套污水处理系统，有效避免了污染物质在土壤中逗留、转化、分解和沉积等过程，矸石处置能力达50万t/a。中国中煤所属部分矿井煤矸石规模化处置效果如图7所示。
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图 7 煤矸石规模化利用现场实拍Figure 7. Large-scale utilization of coal gangue on-site real shooting4.3 煤矸石综合利用面临挑战
为了响应煤矿绿色开采和“双碳”目标的需求，中国中煤近年来一直致力于煤矸石多途径综合利用的研究和应用，在煤矸石发电、生产建材、回收有益矿产、农业应用、井下充填和土地复垦等方面取得了长足进展，而在煤矸石制备化工产品方面亟待攻关。由于煤炭生产矿区地理跨度大，煤层赋存条件差异大，地质条件复杂多变等客观因素所导致的中国中煤煤矸石产出及其综合利用面临如下挑战。
1）煤矸石分布范围广、资源属性差异性大，煤矸石分布、产出特征与矸石可利用特性不清晰，综合利用技术的确定方法缺乏科学依据。
2）各矿区普遍存在矸石产出与利用能力的不平衡，矸石处置技术和装备发展水平不充分，缺乏系统型、复合型和引领型的科学综合化利用途径。
3）各矿区面临的环境政策不同、区域经济结构不同，导致煤炭资源规模化开发与煤矸石利用刚性经济及环境约束之间存在矛盾。
4.4 煤矸石综合利用技术展望
4.4.1 构建梯级回收结合资源化利用体系
技术攻关层面，通过筛分、磁选、浮选等方法，分离煤矸石中的有用矿物和杂质。利用化学试剂溶解或转化煤矸石中的特定成分，提取有价值的元素或化合物。通过微生物的作用，分解煤矸石中的有机物质，提取有用成分。矸石优先以制备化工产品、绿色建材、农业应用等资源化、高值化利用为主；不符合标准的矸石及高值化利用后剩余矸石实行井下充填、土地复垦、塌陷区回填等进行生态修复与封存保护，就地消纳。
标准制定层面，现阶段针对煤矸石不同资源化技术路径，在施工工艺、污染控制和监测指标等方面缺乏统一的标准规范指导，同时针对不同地区，环境污染的监测数据标准值适应性有待商榷。政府加强引导，制定相关政策鼓励高校、科研院所和厂家积极参与，尽快形成适应于不同地区、不同应用场景的统一标准指导施工。同步建立煤矸石资源化产品的市场交易机制，促进资源有效配置。煤矸石梯级利用示意如图8所示。
4.4.2 煤矸石源头减量化开采
矸石实现源头减量化开采，可以在采煤端、选煤端及充填端进行一体化布局，煤矸石源头减量示意如图9所示。
采煤阶段，优化巷道布置，将巷道布置于煤巷内；通过先进的传感器、数据采集和三维建模技术，使地下环境“可视化”，为矿山开采提供数据支持；采煤机搭载系列传感器，自主调整截割轨迹，实现源头减量精准开采。选煤阶段结合X射线、红外、激光等多种传感器，提升识别精度；设备小型化、集中化和模块化布置，压缩巷道布置空间，减少巷道掘进，提高作业安全。充填阶段，利用笔者团队自主研发的浆体充填技术，以及固体、膏体充填液压支架等装备，实现采充平行，提高工作面充填采煤能力，最终实现产矸量和充填量的动态平衡。
4.4.3 加强煤矸石矿化CO2负碳充填研究
延伸煤矸石捕集矿化CO2制备浆体的工业化工艺路线和相关材料、装备，揭示采空区储层CO2运移规律、围岩变形规律，丰富CO2封存安全及环境影响评价等理论；形成煤矸石矿化CO2制备负碳充填体综合解决方案，最终实现煤矸石与CO2高效协同处理以及煤矸石高值化利用引领示范。煤矸石浆体负碳充填如图10所示。
5. 结 论
1）中国中煤所属矿井分布于8省20个矿区，煤矸石化学成分以SiO2和Al2O3为主，SiO2质量分数介于45%～69%，Al2O3质量分数介于12%～39%，矸石主要类型为高硅铝、中硅铝比的黏土岩，其理化性质具备多元利用潜力。
2）受煤矿地质条件、开采技术条件和分选条件影响，矸石分布呈现范围广、结构复杂、类型多样等特征。安徽、江苏、河南和黑龙江地区煤矸石综合利用呈现“周边辐射型”特点，山西、陕西、内蒙古和新疆地区煤矸石综合利用呈现“自给自足型”应用特点。
3）中国中煤在煤矸石发电、生产建材、井下充填、土地复垦等方面取得了长足进展，而在煤矸石制备化工产品方面亟待攻关。由于煤炭生产矿区地理跨度大，煤层赋存条件差异大，地质条件复杂多变等客观因素导致中国中煤煤矸石产出及利用缺乏系统型、复合型和引领型科学综合利用途径。
4）展望了煤矸石梯级回收结合资源化利用、煤矸石源头减量化开采及煤矸石矿化CO2负碳充填研究，为中国中煤煤矸石高值化、规模化和无害化处置利用提供技术支撑，为煤炭资源绿色开采及“双碳”目标实现提供一条技术经济均可行的技术路径。
致谢：现场调研时中国中煤所属企业给予大力支持，在此衷心感谢！
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图 1 煤矸石利用相关政策及要点
Figure 1. Policies and key points related to the utilization of coal gangue
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图 7 煤矸石规模化利用现场实拍
Figure 7. Large-scale utilization of coal gangue on-site real shooting
表 1 化学组分测试
Table 1 Chemical composition testing
% 煤矸石来源 w(SiO2) w(Al2O3) w(TiO2) w(Fe2O3) w(MnO) w(MgO) w(CaO) w(Na2O) w(K2O) w(P2O5) 烧失量LOI 葫芦素煤矿 44.76 12.88 0.62 20.83 0.03 1.27 0.52 0.64 2.07 0.09 16.64 南梁煤矿 59.97 18.22 0.77 4.16 0.05 1.70 0.56 1.44 3.23 0.10 10.08 大海则煤矿 68.99 18.38 0.75 1.26 0.01 0.56 0.53 1.06 2.94 0.05 5.84 小回沟煤矿 66.81 24.17 0.75 4.14 0.11 1.02 0.90 0.25 2.01 0.12 11.19 禾草沟煤矿 59.78 30.76 0.66 3.47 0.06 1.26 0.60 0.33 2.22 0.05 18.92 华昱洗煤厂 59.82 38.21 0.35 0.23 <0.01 0.04 0.06 0.02 0.31 0.02 13.26 新集一矿 67.93 28.35 0.72 2.45 0.04 0.54 0.51 1.12 2.38 0.17 12.09 白羊岭煤矿 62.18 31.09 0.91 4.89 0.11 1.23 0.34 0.96 2.66 0.21 10.06 高家庄煤矿 59.44 37.98 0.45 3.19 0.05 1.66 2.33 1.19 3.05 0.44 11.56 王家岭煤矿 48.55 31.13 0.80 2.37 <0.01 0.26 0.39 0.36 0.61 0.06 15.42 孔庄煤矿 48.73 31.78 0.50 3.41 0.01 0.12 0.36 0.12 0.03 0.02 15.59 徐庄煤矿 55.95 26.52 0.42 1.86 0.01 0.12 0.35 0.13 0.04 0.02 15.04 姚桥煤矿 57.79 25.34 1.02 3.48 0.01 0.28 0.37 0.02 1.53 0.05 9.86 芒来露天矿 55.12 26.94 0.73 2.11 0.01 0.13 0.36 0.11 0.10 0.02 14.80 大南湖七号煤矿 53.06 20.60 0.97 3.27 0.03 1.96 0.79 0.56 2.85 0.14 7.45 注：煤矸石样品受取样时间、取样地点等因素影响，部分数据与现场实际略有差异。 
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表 2 矸石资源属性分类
Table 2 Classification of Gangue Resources Attributes
省份 矿区 矿井 含碳量（热值） 灰分产率 灰分成分 岩石类型 陕西 子长矿区 禾草沟煤矿 二类煤矸石 中灰煤矸石 高铝硅比 黏土岩矸石 榆横矿区 大海则煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 低铝硅比 砂岩质矸石 神府矿区 南梁煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 砂岩质矸石 内蒙古 呼吉尔特矿区 葫芦素煤矿 二类煤矸石 高灰煤矸石 低铝硅比 黏土岩矸石 露天矿 芒来露天矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 砂岩质矸石 新疆 哈密矿区 大南湖七号煤矿 二类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 黏土岩矸石 山西 平朔矿区 华昱洗煤厂 一类煤矸石 高灰煤矸石 高铝硅比 铝质岩矸石 西山矿区 小回沟煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 砂岩质矸石 离柳矿区 高家庄煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 高铝硅比 铝质岩矸石 阳泉矿区 白羊岭煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 黏土岩矸石 乡宁矿区 王家岭煤矿 四类煤矸石 高灰煤矸石 高铝硅比 黏土岩矸石 江苏 大屯矿区 孔庄煤矿 二类煤矸石 高灰煤矸石 高铝硅比 黏土岩矸石 徐庄煤矿 二类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 黏土岩矸石 姚桥煤矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 黏土岩矸石 安徽 新集矿区 新集一矿 一类煤矸石 高灰煤矸石 中铝硅比 砂岩质矸石
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表 3 部分矸石利用供热机组统计
Table 3 Statistics of some gangue utilization heating units
序号 电厂 机组规模/MW 供热量/1013 J 1 安徽宣城电厂 630+660 82.76 2 甘肃靖远二电 4×330 173.16 3 新疆伊犁电厂 2×330 575.34 4 河南姚孟电厂 3×300+2×630 496.68 5 江苏大屯热电 2×350 306.95 6 山西晋城热电 2×300 641.07 7 山西王家岭电厂 2×50 45.23 8 山西安平电厂 2×150 176.97 9 山西塔山电厂 2×135 356.77
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表 4 部分矿井制砖情况统计
Table 4 Statistics on brick making in some mines
序号 矿井 矸石利用量/(万t·a−1) 成本/(元·t−1) 1 母杜柴登煤矿 18.00 −53.50 2 王家岭煤矿 3.80 — 3 裕丰煤矿 12.00 +3.00 4 平山煤矿 7.36 — 5 大屯洗煤中心 147.00 — 6 刘庄煤矿 170.00 +32.70 7 新集二矿 67.50 +32.70 8 口孜东煤矿 55.00 — 9 王行庄煤矿 17.10 — 10 新登煤矿 13.10 +5.00 11 依兰三矿 3.50 —
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