一、煤矸石及其分类

1、什么是煤矸石？煤矸石综合利用指什么？

煤矸石：是在煤矿建井、开拓掘进、采煤和洗选煤过程中产生的干基灰分>50%的岩石。是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。

煤矸石综合利用：是指利用煤矸石进行井下充填、发电、生产建筑材料、回收矿产品、制取化工产品、筑路、土地复垦等方面。

2、煤矸石产量

2015年我国煤炭产量占世界煤炭消费量的一半，煤矸石相当于煤炭产量的10％-15％。2015年煤矸石排放总量达到7.76亿吨、综合利用量4.8亿吨计，每年约新产生2.7亿吨-3.5亿吨煤矸石。据统计，我国煤矸石已累计堆存50亿吨以上。

3、煤矸石对环境的影响

煤矸石在运输、堆放过程中会产生扬尘；煤矸石自燃排放的有害气体；煤矸石对水体环境的影响主要有物理污染和化学污染二种情况；煤矸石堆积侵占大量耕地、林地；煤矸石的堆积可引起泥石流、坍塌、滑坡和地面塌陷等重力灾害。

4、煤矸石的分类

国家标准（GB/T29162-2012）规定煤矸石分类名称的冠名顺序以全硫含量、灰分产率、灰成分分类依次排列。其编码为XXX或者XXX（X）。

▼按全硫含量分类

▼按灰分产率分类

▼按灰成分分类

二、煤矸石的理化特性

1、煤矸石的化学组成

煤矸石是由无机质和少量有机质组成的混合物。

无机质主要为矿物质和水，构成矿物质成分的元素多达数十种之多，一般以SiO₂、A1₂O₃为主要成分，另外含有数量不等的Fe₂O₃、CaO、MgO、SO₃、K₂O、Na₂O、P₂O₃等无机物，以及微量的稀有金属(如钛、钒、钴等)。

有机质随含煤量的增加而增高，它主要包括碳、氢、氧、氮和硫等。

我国煤矸石的主要化学成分一般以SiO₂和A1₂O₃为主，SiO₂的含量一般在40%～60%之间，但也有极少达80％以上。A1₂O₃含量波动在15%～40%之间，但在高岭土和铝质岩为主的煤矸石中可达40％以上。矸石中CaO含量一般都很低，只有少数矿的矸石可当为石灰石利用，Fe₂O₃含量绝大部分＜10%。

2、煤矸石的矿物组成

煤矸石中主要矿物成分有高岭石、伊利石(水云母)、绿泥石、蒙脱石、多水高岭石、地开石、海泡石、白云母、黑云母、长石(钾长石、斜长石)、石英、蛋白石、方解石、白云石、菱铁矿、菱镁矿、黄铁矿、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铝土矿及微量元素等。

▼不同国家煤矸石的矿物组成

▼我国部分地区典型煤矸石矿物组成

与世界其他国家相比，我国煤矸石中高岭石含量（10%～67%）丰富，石英含量中等（15%～35%）。

高岭石活性易于激发，为其进一步资源化利用提供了便利。

3、煤矸石的物理性质

（1）力学性能

岩石的风化程度和硬度决定了煤矸石的力学性能，岩石的风化愈重，岩石的力学性质愈差；反映在粒度上，粒度越大，强度越大，这是由于强度高的岩石(如砂岩)不易破碎，保持较大的粒度，而强度较低的页岩、粘土岩易破碎，保持较小的粒度。

煤矸石的强度变化范围很大，抗压强度在30～470kg/m²之间。

（2）密度和堆积密度

煤矸石密度在2100kg/m³～2900kg/m³之间，堆积密度在1200kg/m³-1800kg/m³；自燃煤矸石堆积密度在1300kg/m³～900kg/m³范围。

（3）吸水率和塑性指数

煤矸石吸水率在2.0%～6.0%范围，塑性指数3.0～15.0。自燃煤矸石吸水率在3.0%～11.60%范围。

（4）多孔性

自燃煤矸石比未自燃煤矸石具有更多的孔隙，且孔隙结构十分复杂，孔径大小变化幅度较大。

4、煤矸石的燃烧特性

煤矸石的燃烧过程是从挥发分的着火燃烧开始的，挥发分的析出过程制约着煤矸石的燃烧过程。煤矸石挥发分析出过程就是热分解反应过程，具有热分解反应过程的基本特征，主要受化学动力控制。

煤矸石中挥发分含量越高，燃烧越剧烈，且由于挥发分的燃烧占主要地位，其综合燃烧性能越好；煤矸石的挥发分含量比较高，固定碳含量小，其后期燃烧性能比较好，比较容易燃尽。

燃烧放热分为两个阶段：在燃烧前期，挥发分剧烈燃烧，有明显的放热峰，燃烧后期没有明显的放热峰；煤矸石在燃烧低温段（约700℃以下）的反应级数为1.5左右，活化能较低，在高温段（约700℃以上）反应级数为2.0左右，活化能较高。

三、煤矸石综合利用产业化

1、国外煤矸石综合利用现状

煤矸石的综合利用最早始于发达的西方国家；

煤矸石的综合利用在20世纪60年代后期，才真正引起各国的重视。

20世纪70年代提出了“资源循环”的口号，同时设置了专门的管理机构，如英国煤管局在1970年成立了煤矸石管理处，波兰和匈牙利联合成立了海尔得克斯煤矸石利用公司，专门从事煤矸石处理和利用，制订相关法规和条例。

（1）美国

美国在1970年制订了《资源回收法》，并于1976年制订了《资源保护再生法》。

美国矿业局从70年代开始，对所有煤矸石山进行采样分析，并做出煤矸石综合利用规划。

利用煤矸石生产水泥、轻骨料或作为筑路材料；对含煤量大于20%的煤矸石分选回收煤炭。

从燃烧着的煤矸石山中直接回收热能，这样即能回收热能，又能达到控制污染的目的。

利用煤矸石发电、生产有机矿质肥料等。对于不便利用的矸石山，采用复垦法，使其变为牧场或果园。

（2）英国

英国煤炭局在全国共管辖着191个矿井，煤矸石山有800个，煤矸石量达16亿吨。

煤管局重点目标是尽可能减少矸石山对环境的影响，并有计划地进行土地恢复和更新，在占地面积约0.9亿m²的煤矸石山中，已有0.2亿m²进行复田。

把自燃煤矸石与铝土矿按4:1的比例混合，制成防滑简易路面。

利用煤矸石生产建材，如制备标号较低的混凝土，预制混凝土砌块等。

（3）法国

法国年产量约850万吨，堆存量达10亿吨。

从20世纪70年代起，主要用来制砖、生产水泥。

铺路，煤矸石是很好的建筑充填材料，很容易分层铺成30cm～40cm的路基，易于压实，干密度可达1.18g/cm³，使路基具有良好的不透水性。

法国并将自燃煤矸石进行破碎划分等级，用于空地和公共场所表面装饰，铺路或停车场，对灰分为65-70%的煤矸石进行洗选用于发电。

（4）俄罗斯

俄罗斯（前苏联）对煤矸石的利用主要是三个方面：

一是利用煤矸石和矸石火烧岩生产砖和多孔轻骨料等建筑材料。作为筑路材料，铺在沥青混凝土路面下，作双层垫层的底层。如顿巴期矿区已建成500多公里的大小街道和人行道，年利用煤矸石量达40万m³～50万m³。

二是利用有机质含量在20%以上的煤矸石生产有机矿物肥料。这种煤矸石肥料可提高土壤肥力。在波尔姆洲经多年施用矸石肥料，使所有农作物稳定增产15%-40%。

三是利用高硫煤矸石进行生态无害热处理。制得煤气和硫酸铝A1₂(SO₄)₃·18H₂O（净水剂）；制备硫酸铝后的固体残渣，主要是硅的氧化物，可用于生产建筑材料或者土壤添加剂。

（5）波兰

波兰研究了以煤矸石为主要原料生产砖制品和空心砌块的工艺。

2、我国有关煤矸石综合利用的政策法规

1986年国家经委、财政部发布了《资源综合利用目录》，《目录》中明确规定了包括煤矸石在内的综合利用产品目录，并于1996年和2003年二次进行了修订。

1994年3月，原国家建筑材料工业局发布了《自燃煤矸石轻集料》建材行业标准（JC/T541-94）。作为我国煤矸石利用的第一个标准，该标准的实施对推动煤矸石的利用起到了积极的作用。

1998年2月，国家经贸委、煤炭部、财政部等八部委联合发布了《煤矸石综合利用管理办法》。

1999年10月，国家经贸委和科技部联合发布《煤矸石综合利用技术政策要点》的通知。提出了煤矸石综合利用要坚持因地制宜，积极利用的指导思想，实行谁排放，谁治理，谁利用，谁受益的原则；指出了煤矸石综合利用重点领域和技术方向，是促进煤矸石综合利用技术发展的指导性文件。

2006年12月，国家发展和改革委员会发布了《“十一五”资源综合利用指导意见》，对煤矸石综合利用提出了具体的要求，煤矸石综合利用率要求达到70％，发展的重点领域、重点工程-具有较高发热量煤矸石发电、利用煤矸石生产建筑材料、筑路、回填、复垦等领域。

2007年1月，国家发展改革委、建设部关于印发《热电联产和煤矸石综合利用发电项目建设管理暂行规定》的通知中明确规定，煤矸石综合利用发电项目的上网电价，执行国家发展改革委颁布的《上网电价管理暂行办法》。煤矸石综合利用发电项目应优先上网发电。

2011年12月国家发展改革委发布了《“十二五”资源综合利用指导意见》和《大宗固体废物综合利用实施方案》，指出：煤矸石利用的主要任务是在大中型矿区，稳步推进煤矸石综合利用发电。扩大煤矸石制砖、水泥等新型建材和筑基铺路的利用规模。探索煤矸石生产增白和超细高岭土、膨润土、聚合氧化铝、陶粒、无机复合肥、特种硅铝铁合金等高附加值利用途径。加大煤矸石用于采空区回填、土地复垦、沉陷区治理力度。

2015年3月，中华人民共和国国家发展和改革委员会、科技部等部委联合修订并发布《煤矸石综合利用管理办法》，引导和规范了煤矸石综合利用行为，减少其对土地资源占用和环境影响，促进循环经济发展，推进生态文明建设。

煤矸石综合利用的原则：应当坚持减少排放和扩大利用相结合，实行就近利用、分类利用、大宗利用、高附加值利用，提升技术水平，实现经济效益、社会效益和环境效益有机统一，加强全过程管理，提高煤矸石利用量和利用率。

利用煤矸石进行土地复垦时，应严格按照《土地复垦条例》和国土、环境保护等相关部门出台的有关规定执行，遵守相关技术规范、质量控制标准和环保要求。

煤矸石发电项目应当按照国家有关部门低热值煤发电项目规定进行规划建设，煤矸石使用量不低于入炉燃料的60%（重量比），且收到基低位发热量不低于5020千焦（1200千卡）/千克。

3、国内煤矸石综合利用现状

（1）能源领域

我国煤矸石发电的历史始于20世纪70年代，四川永荣矿务局和江西萍乡矿务局首先开展煤矸石发电的工业化试验。

2013年，国内煤矸石等低热值燃料发电机组总装机容量达2800万kw，单机容量从6-300兆瓦等级都有，年利用煤矸石1.4亿t，年发电量1600亿kwh。

煤矸石发电企业也面临着两个挑战，一是发电企业大都处于微利运行状态，企业经济效益有待提高；二是发电企业着锅炉渣和飞灰处理、烟尘监测与控制技术难度高等巨大环保压力。

▲神华亿利4×200MW煤矸石电厂

（2）建材领域

包括生产煤矸石砖、代替粘土生产水泥、制备陶瓷、作混凝土轻骨料等。

我国自20世纪60年代就在四川、辽宁等地开展了煤矸石制砖的工业化试验，1964年，四川永荣矿务局建成国内第一座利用煤矸石为原料的砖厂。2012年达到年生产6亿块标砖的生产能力，每年消耗煤矸石约190万吨。我国全煤矸石烧结砖技术装备也达到国际先进水平。免烧砖、砌块有了长足发展。

煤矸石用于代替黏土作为生产水泥的原料，在实际生产中的掺加量仍然很低。国内外在煤矸石生产水泥方面仍停留在如何充分激发煤矸石的水泥化活性以提高其掺加量等应用开发阶段。

▲煤矸石烧结砖

▲煤矸石砌块

▲煤矸石陶粒

（3）工程填料

包括煤矸石筑路、造地复垦、回填采空区和塌陷区等。煤矸石筑路、回填等方面的利用也是煤矸石综合利用的重要途径之一。

安徽省在该方面开展较早。如1973年，淮北矿务局张庄煤矿和朱庄煤矿利用煤矸石充填塌陷区造地，并在其上建起职工住宅。

2011年我国充填采空区、塌陷区、筑基修路、土地复垦等利用煤矸石达到2.15亿吨。

煤矸石用作工程填料不需要增加成本、且用量大，给煤矿带来较好的经济效率，缺点是粗放利用，不能很好实现资源综合有效利用。

▲煤矸石山作为路基材料

▲煤矸石山造地复垦

▲修复后的常村煤矿煤矸石山

（4）化工产品领域

煤矸石中含有多种元素，特别是稀有元素，其化学成分中含量最高的是SiO₂和Al₂O₃。煤矸石化工用途主要有三类：一是通过各种不同的方法提取煤矸石中的某一种稀有元素，如Ga、Se、Ti、Co等；二是回收煤矸石中的有益矿产品，如高岭土、硫铁矿等；三是生产含硅、铝、硫等无机化工产品，如合成碳化硅、制备分子筛、制取白炭黑、聚合氧化铝、硅铝铁合金等。

用煤矸石生产化工产品可解决传统技术不足，使其资源化再利用，是煤矸石重要的高值化利用的途径。

▲煤系高岭石

▲煤矸石制备的沸石

▲硅酸铝（陶瓷）耐火纤维针刺毯

（5）农业领域

利用煤矸石生产有机复合肥、微生物肥料或土壤改良剂。

采用煤矸石制肥，主要是根据煤矸石含有较丰富的有机碳(有机质)，施入土壤后，可使土壤中的有机质含量大大增加。同时，作为煤矸石肥料主要原料的煤矸石本身含有丰富的微量元素，特别是农作物生长所必须的Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素，这就保证了农作物生长期过程中对微量元素的需要。

四、煤矸石综合利用的思考和展望

1、转变观念，树立煤矸石是“资源”的思想

转变人们对煤矸石作为资源综合利用的认识不足，仅把煤矸石作为煤炭生产过程中废弃物的观念；要把煤矸石看成像铝土矿、粘土矿、高岭石矿和燃料一样，是一种宝贵的资源。

克服把煤矸石作为“废弃物”而进行“堆放”的消极思想观念，从“以堆存为主”逐步过渡到“以用为主”。

依靠科技进步，尽快消化、生产、转换、利用这一丰富资源，变废为宝，化害为利，努力实现经济效益、社会效益和环境效益相统一。

2、充分落实优惠政策，使企业得到实惠

国家出台了一系列促进煤矸石综合利用的减免所得税等优惠政策。我们一定要用足用好这些政策，充分发挥政策的导向作用。

各地政府也应积极研究和制定促进煤矸石综合利用的财政、税收、价格等方面的激励政策。如煤矸石电厂减免增值税政策，对煤矸石发电在上网、电价、调峰等方面的优惠政策。

解决煤矸石综合利用项目上的资金严重不足问题，特别是商业银行对煤矸石综合利用贷款条件苛刻，企业筹借资金困难。设立资源综合利用专项资金，对重点开发、示范项目给予补贴或贴息支持。要研究将煤矸石综合利用项目纳入国家政策性银行，优先贷款，适当延长还贷期等方面的优惠政策。

3、加强煤矸石综合利用的基础研究工作

我国煤矸石综合利用基础研究薄弱，且煤矸石资源综台利用体系迄今没有全面形成。

煤矸石综合利用产品的技术含量较低，其规模利用主要集中于制砖和水泥生产，高层次煤矸石资源化再利用产品所占比例较少，产品附加值不高，竞争力不强。

研究开发一批煤矸石综合利用技术，如生态复垦微生物复垦技术、高岭土深加工等技术的研究开发，以及地面煤矸石山综合处置利用技术和工艺的开发。

4、推进煤矸石综合利用技术装备的开发

技术装备落后，创新能力不强。缺乏自主知识产权的技术装备，主要体现在技术装备落后，企业规模小，发展后劲不足，竞争力弱等方面。

煤矸石综合利用技术装备水平与国际先进水平相比还存在较大差距，一些技术含量高的煤矸石综合利用技术还未得到广泛应用。如用现代的制砖设备和硬塑、半硬塑成型技术改造落后的技术装备，使煤矸石制砖上规模、上水平。加大技术引进和国产化步伐，尽快缩短我国煤矸石综合利用技术装备水平与世界的差距。

5、探索煤矸石高附加值利用途径

目前煤矸石主要为发电、生产建材产品、筑基铺路、土地复垦、塌陷区治理和井下充填换煤等方式和煤矸石井下充填置换煤技术实现了矸石不升井、不占地等途径，但水平较低。

应积极探索煤矸石生产增白和超细高岭土、膨润土、聚合氧化铝、陶粒、无机复合肥、特种硅铝铁合金等高附加值利用途径。

6、加快建立煤矸石综合利用信息网络

在国民经济发展统计体系中缺乏对煤矸石资源综合利用基础数据的统计，统计数据不完整、方法不统一，基础数据匮乏，信息交流不畅，难以作为宏观调控的基础材料。

建立健全煤矸石综合利用技术和产品的推广和技术转让网络，迅速、准确、有效地发布技术信息和供需信息。实现煤矸石综合利用资金信息流、物资信息流、技术信息流、客户信息流的整合和优化，加快煤炭煤矸石综合利用商务系统的建设与发展。

7、煤矸石综合利用的技术原则

煤矸石综合利用以大宗量利用为重点，将煤矸石发电、煤矸石建材及制品、复垦回填以及煤矸石山无害化处理等大宗量利用煤矸石技术作为主攻方向，发展高科技含量、高附加值的煤矸石综合利用技术和产品。

加强煤矸石资源化利用的评价工作，对煤矸石的分布、积存量、矸石类型、特性等进行系统研究和分析，逐步建立煤矸石资料数据库，为合理有效利用煤矸石提供翔实可靠的基础资料。根据煤矸石的矿物特性和理化性能确定综合利用途径。

煤矸石发电应采用大型循环流化床燃烧技术，并改造现有的煤矸石电厂，提高燃烧效率，提高废弃物的综合利用率和利用水平，实现污染物达标排放。

煤矸石建材及制品，以发展高掺量煤矸石烧结制品（如陶瓷）为主，积极发展煤矸石轻质保温墙体材料、轻骨料等新型建材，逐步替代普通烧结砖；鼓励煤矸石建材及制品向多功能、多品种、高档次方向发展。

对于含有有用元素的煤矸石，在技术经济合理的前提下，按照先加工提取、后处置的原则，分采分选；对暂时不能利用的要单独存放，不应随废渣一起弃置。

鼓励利用煤矸石复垦塌陷区，发展种植业，改善生态环境。新建煤矿（厂）应在矿井建设的同时，制定煤矸石利用和处置方案，不宜设立永久性矸石山。老矿井的矸石山，应因地制宜有计划地治理和利用，让出或减少所占土地。

五、结语

近年来，我国煤矸石资源的开发利用研究及产业化已经取得了长足进展和成效，特别在发电、建材和工程填料等领域取得了较大经济效益和社会效益；在高附加值的新材料、新产品利用领域也有了很大的发展。

但相对于巨大的煤矸石产生量，现有的产业化利用途径仍然不能满足其处理需求，一些综合利用新技术与大规模工业化仍然存在差距，煤矸石综合利用水平和效率不高，需广大科技工作者和企业管理者共同努力，推进煤矸石高值化利用的产业化进程。