摘要：在碳中和戰(zhàn)略的大背景下，實現(xiàn)煤矸石從“無害化”向“規(guī)?；Y源化”利用，將為能源綠色利用與碳中和戰(zhàn)略注入新的動力，減少固廢環(huán)境污染，促進煤礦開采固體廢棄物資源的高效利用和相關(guān)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。建筑材料與環(huán)境領(lǐng)域是煤矸石固廢的規(guī)?；Y源化利用的核心場景，將煤矸石用于生產(chǎn)建筑材料能夠降低傳統(tǒng)建筑材料的碳足跡，推動相關(guān)低碳經(jīng)濟發(fā)展，在環(huán)境修復領(lǐng)域煤矸石固體廢棄物可以作為土壤改良劑、重金屬吸附劑以及礦區(qū)生態(tài)恢復材料，在改善污染土壤、治理水污染、恢復生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮作用。煤矸石固廢的規(guī)?；Y源化利用將在技術(shù)研發(fā)、政策支持、產(chǎn)業(yè)布局、市場推廣和技術(shù)人才等方面因素的綜合推動下，成為推動能源綠色經(jīng)濟和碳中和戰(zhàn)略實現(xiàn)的重要支撐。
關(guān)鍵詞：煤矸石;固體廢棄物;固廢利用;建筑材料;環(huán)境修復;資源化利用
00引言
煤矸石固廢，主要是煤礦開采和洗選過程中產(chǎn)生的一類固體廢棄物，主要由煤層中的巖石夾層、煤成分較低的部分及洗煤過程中分選出的廢料構(gòu)成，其通常呈塊狀或顆粒狀，化學和礦物成分復雜多樣，通常含有黏土礦物、石英、黃鐵礦等以及一定量的碳質(zhì)，熱值相對較低，多以堆放儲存，常常由于因露天堆放產(chǎn)生酸性排水、造成土壤和水體污染、產(chǎn)生大氣污染等，而引發(fā)環(huán)境領(lǐng)域的關(guān)注［1－4］。作為一類因礦業(yè)活動而產(chǎn)生的固體廢棄物，我國對煤矸石固廢的處理經(jīng)歷了從“無害化”向“資源化”利用的轉(zhuǎn)化路徑，近年來，我國在煤矸石資源化利用方面取得許多進展［5－8］。中國的固有能源結(jié)構(gòu)中油氣儲量相對不足而煤炭資源豐富，煤炭資源長期扮演我國能源安全壓艙石的角色［9－10］，合理的管理和資源化利用可以減少煤矸石對環(huán)境的負面影響，并實現(xiàn)其經(jīng)濟價值的提升，因此，充分研究煤矸石固廢等資源化利用路徑對于我國能源與相關(guān)環(huán)境領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［11－13］。
近年來，針對煤矸石固體廢棄物資源的利用技術(shù)研究成果極為豐碩，相關(guān)前沿創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展迅速［14－19］，但在行業(yè)中的實際規(guī)模化資源化利用主要集中在建筑材料與環(huán)境修復領(lǐng)域［1－2］，而對行業(yè)的規(guī)?；Y源化實踐仍然缺乏總結(jié)梳理。因此，本文主要通過對實體行業(yè)內(nèi)領(lǐng)域?qū)＜业脑L談和項目資料梳理總結(jié)相結(jié)合的方式，階段性總結(jié)煤矸石固廢在建筑材料與環(huán)境修復領(lǐng)域作為規(guī)?；Y源進行利用的現(xiàn)有重要路徑，提出我國煤矸石固體廢棄物從“無害化”到“規(guī)?；Y源化”的行業(yè)對策與措施，為相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)人員提供參考。
01煤矸石固體廢棄物對環(huán)境的影響
煤矸石固體廢棄物對環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在對水、土壤、大氣的污染，以及堆放自燃、土地資源占用、降低生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性等問題。煤矸石堆放或暴露在自然環(huán)境中時，常常產(chǎn)生“酸性礦山排水”(AcidMineDrainage，AMD)等問題［20］，煤矸石常為煤層中泥頁巖夾層以及煤渣等的混合物，常常含有黃鐵礦等礦物［21］，還可能含有重金屬［22－23］，如鉛、砷、汞、鎘等環(huán)境有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)在煤矸石堆放的過程中可能滲入土壤中，導致土壤污染。重金屬的累積可能影響植物生長、破壞土壤結(jié)構(gòu)，并通過食物鏈進入人體，進而造成健康風險。煤矸石堆積占用的土壤也往往不適宜作物生長，破壞土壤肥力。煤矸石中的煤渣等有機物質(zhì)組分，和黃鐵礦在特定條件下可能自燃，產(chǎn)生煙塵和其他有害氣體，如二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)等，對大氣質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，因此，在礦區(qū)周圍相關(guān)地區(qū)，霧霾、酸雨等環(huán)境問題往往更加嚴重，煤矸石造成的揚塵也可能在風力作用下對周圍居民和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。因此，加強煤矸石的環(huán)境管理和資源化利用，減少其對環(huán)境的負面影響，是當前亟待解決的問題。
02煤矸石固廢的資源化利用現(xiàn)狀
我國煤炭資源開發(fā)利用歷史悠久，煤矸石是我國主要的礦業(yè)固體廢棄物之一，約占我國工業(yè)固廢總量的25%，2024年，我國年產(chǎn)煤矸石固廢總量超過了8億t。受限于我國富煤、缺油、少氣的資源稟賦特點，煤炭資源長期扮演我國能源結(jié)構(gòu)和能源安全“壓艙石”的角色，煤炭資源產(chǎn)量達到全球煤炭資源總產(chǎn)量的40%以上，2024年，我國原煤產(chǎn)量達到47．8億t，煤炭資源消費在能源總消費量中的占比達到了53．2%，煤矸石產(chǎn)量超過原煤產(chǎn)量的15%。在相當長的時期內(nèi)，煤矸石固廢堆積嚴重，早在60年代我國就嘗試對煤矸石固廢進行利用，但對煤矸石固廢的處理較為簡單、低效，綜合利用率相對較低，未能實現(xiàn)規(guī)模化資源化利用。近年來，我國高度重視生態(tài)建設(shè)，煤矸石固廢的處理利用受到重視，尤其是在“雙碳”戰(zhàn)略目標和高質(zhì)量發(fā)展的背景下，隨著固廢綠色高效處理技術(shù)等的發(fā)展，煤矸石固廢處理利用向資源化、規(guī)?；?、高附加值和綠色清潔方向發(fā)展，目前，綜合利用率已超過70%。隨著我國不斷出臺完善煤矸石綜合利用相關(guān)規(guī)章制度，為煤矸石固廢的無害化資源化利用指明了方向。
03煤矸石固廢的資源化利用路徑
煤矸石固體廢棄物具有無害化、資源化潛力，煤矸石固廢經(jīng)過處理和改良后，利用途徑多樣，尤其在建筑材料、土壤改良和環(huán)境修復等領(lǐng)域，已有許多行業(yè)利用案例，總體來看，煤矸石固廢在建筑領(lǐng)域的再利用主要是作為建筑材料原料或摻合料，在環(huán)境修復領(lǐng)域的再利用則主要涉及土壤修復、水污染治理、生態(tài)恢復和廢棄礦區(qū)回填等方面。
3.1 作為建筑材料原料或摻合料
目前，煤矸石的資源化利用較多的途徑是被作為建筑材料原料或摻合料。煤矸石作為一種礦物質(zhì)原料，具有較高的硅、鋁含量，可以用于水泥、磚等建筑材料生產(chǎn)的原料，或作為混凝土中的骨料或摻合料，減少對天然資源的依賴，并通過合理的利用方式，提高建筑材料性能。通過使用煤矸石替代部分原料，可以減少石灰石的使用，從而降低開采石灰石所需的能源消耗。煤矸石經(jīng)過適當粉碎、脫硫、脫重金屬處理后，可以用于生產(chǎn)燒結(jié)磚、空心磚、實心磚等建筑材料，常常采用煤矸石與少量粘土或其他礦物混合，經(jīng)過高溫燒結(jié)制成。煤矸石可以作為輕質(zhì)骨料加入混凝土等中，其輕質(zhì)特性和較好的力學性能使其適用于各種建筑構(gòu)件的生產(chǎn)，尤其是對于一些需要減輕建筑物自重的工程，如高層建筑的外墻、內(nèi)隔墻以及一些裝飾性混凝土結(jié)構(gòu)，通過合理的預處理和摻合，可以在減輕結(jié)構(gòu)重量、提升保溫隔熱性能等方面取得材料性能優(yōu)勢。煤矸石還可用于生產(chǎn)石膏板、墻體材料等其他建筑材料，煤矸石石膏板具有較好的隔音和防火性能，適用于需要安靜環(huán)境或防火要求較高的建筑，有效提高建筑物的安全性能、內(nèi)飾質(zhì)量和隔音效果。煤矸石在建筑材料中的應(yīng)用能夠顯著降低相關(guān)建材生產(chǎn)的能源消耗和二氧化碳排放，降低傳統(tǒng)建筑材料的碳足跡與生產(chǎn)成本，減少煤矸石的堆積，更加適應(yīng)碳中和背景下的建筑材料優(yōu)化。
3.2 作為礦山開采后的回填材料
除作為原材料外，煤矸石在實際應(yīng)用中，往往作為礦山開采后的回填材料，用于填充采空區(qū)防止礦井坍塌，或填埋礦坑、修復塌陷區(qū)，以恢復土地。在采礦塌陷區(qū)填充煤矸石，可以減少地表沉降，有利于穩(wěn)定地形、防止地面塌陷，提高土地穩(wěn)定性;在露天礦坑填充煤矸石可以恢復地形，在表層覆蓋土壤，可以加速恢復區(qū)域生態(tài)，促進土地復墾，提高土地利用率。利用煤矸石回填采礦廢棄地，可以有效減少廢棄煤矸石的堆積，防止污染擴散，并有助于恢復地形，但煤矸石的回填也需要對煤矸石進行處理，控制煤矸石濕度和粒徑，去除重要污染物，以避免引發(fā)自燃和污染水體等問題，也有部分實踐將其作為道路和建筑基礎(chǔ)填料，用于交通基礎(chǔ)設(shè)施建。
3.3 作為土壤改良劑
在環(huán)境修復領(lǐng)域，煤矸石可以作為土壤改良劑，尤其是在一些土壤條件差、相對貧瘠的土地上使用，經(jīng)處理的煤矸石固廢對酸性土壤具有一定中和作用，可以增加土壤的通氣性、改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，提高土壤的pH值和營養(yǎng)成分，促進植物或作物的生長，因此，可用于改良沙漠化、鹽堿化或礦山開采導致的貧瘠土地，但在應(yīng)用時，應(yīng)確保去除煤矸石中的重金屬或有害物質(zhì)，避免其對土壤和作物造成污染。煤矸石的礦物成分(如硅酸鹽、鋁酸鹽)可與重金屬結(jié)合，形成穩(wěn)定的化合物，減少重金屬進入植物體內(nèi)的風險，因此，將煤矸石粉碎并與其他材料(如石灰、磷肥)混合后，施用于重金屬污染土壤，可減少重金屬的遷移性，降低重金屬污染土壤的生態(tài)風險，提高土壤修復效率。
3.4 作為環(huán)境修復介質(zhì)
煤矸石經(jīng)過處理后，可以作為多種環(huán)境修復介質(zhì)，例如在處理后用于吸附重金屬離子(如鉛Pb、鎘Cd、砷As等)、酸性污染物和有機污染物，在處理工業(yè)廢水、酸性礦山排水(AMD)治理等方面已有應(yīng)用，其吸附效果受煤矸石本身組成、處理方法及水質(zhì)等多方面因素的影響。近年來，吸附材料的處理工藝也取得了新進展，初步證實其可以適用于工業(yè)廢水、礦山廢水和城市污水處理。在處理有機污染物方面，可以通過改性(如高溫活化或酸堿處理)提高煤矸石的比表面積，使其具有更好的有機污染物吸附能力，用于去除水中的染料、農(nóng)藥、石油污染物等有害有機物。
04行業(yè)對策與措施
在我國能源轉(zhuǎn)型與碳中和戰(zhàn)略的大背景下，實現(xiàn)煤矸石從“無害化”向“資源化”利用不僅能夠減少環(huán)境負擔，還可以提升固廢資源的經(jīng)濟價值，有助于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展［24－26］。對于建筑材料領(lǐng)域，行業(yè)應(yīng)通過技術(shù)演進，有效促進煤矸石在建筑材料中的高效利用，提升煤矸石建筑材料的市場接受度，完善產(chǎn)品標準，發(fā)展智能制造與低碳工藝，結(jié)合綠色燒結(jié)技術(shù)、余熱回收技術(shù)、自動化與智能化生產(chǎn)降低能耗、提高利用過程中的碳友好程度［27－30］。對于環(huán)境修復領(lǐng)域，應(yīng)當大力拓展煤矸石固廢用于土壤改良、礦山生態(tài)修復、酸性礦山水處理和重金屬污染治理的典型案例，形成應(yīng)用技術(shù)方案與相關(guān)標準［31－33］。通過煤矸石固廢在建筑與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，形成“火車頭效應(yīng)”，進一步牽引煤矸石固廢的規(guī)模化資源化利用。針對我國煤矸石固廢從“無害化”到“資源化”的可持續(xù)發(fā)展，本研究提出以下行業(yè)對策和措施:
1)提升煤矸石綜合利用技術(shù)水平，拓展煤矸石固廢規(guī)?；Y源化利用途徑。促進煤矸石綜合利用領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新，對煤矸石精細化分選技術(shù)、高效破碎和磨礦技術(shù)、改性處理技術(shù)、高附加值元素提取技術(shù)等重要工藝技術(shù)進行攻關(guān)實踐，促進高附加值規(guī)模化資源化利用技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，引入前沿技術(shù)手段，通過精細化分選技術(shù)分選煤矸石中的可燃成分、礦物質(zhì)和金屬元素，提高其利用效率，開發(fā)高效、節(jié)能的破碎和磨礦設(shè)備，發(fā)展配套綠色高效資源化利用工藝，高效利用煤矸石中的高附加值資源成分，對煤矸石進行改性處理，提升其在各領(lǐng)域的適用性和性能。在行業(yè)實踐角度，強化煤矸石固廢規(guī)模化資源化利用產(chǎn)能，引導煤矸石固廢的“分級分質(zhì)”和“梯級回收利用”，促進煤矸石固廢資源的梯級利用，例如，先提取稀土、金屬氧化物，再依次導入建材、土壤改良、化工催化、高端陶瓷等鏈條，形成“高附加值+大宗消納”組合，構(gòu)建煤矸石固廢綠色產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈;促進煤矸石固廢利用在建筑材料生產(chǎn)、土壤修復利用、礦區(qū)生態(tài)恢復、污水處理等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，提升高附加值資源化利用在煤矸石固廢綜合利用中的占比。
2)加強煤矸石固廢規(guī)?；Y源化利用政策支持，推動煤矸石固廢規(guī)?；Y源化利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。出臺相應(yīng)的鼓勵政策推動企業(yè)加大對煤矸石資源化利用的投資，促進煤矸石固廢規(guī)?；Y源化項目投產(chǎn)，制定和完善煤矸石利用的相關(guān)標準和規(guī)范，設(shè)立國家/省級煤矸石資源化創(chuàng)新機制，指導企業(yè)科學利用煤矸石資源，使其在建筑、環(huán)保等多個領(lǐng)域得到規(guī)范化應(yīng)用。引導完善相關(guān)標準體系，建立從原料分級、產(chǎn)品性能到過程排放的系列標準與認證，增強與煤矸石固廢相關(guān)的市場接受度。建立健全煤矸石固廢綜合利用的科技人才支撐體系，加大對煤矸石資源化利用技術(shù)的科研投入，鼓勵高校、科研機構(gòu)和企業(yè)合作，推動產(chǎn)學研聯(lián)合培養(yǎng)復合型人才，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，建立共享實驗平臺與開放數(shù)據(jù)集，加速成果轉(zhuǎn)化，推廣相關(guān)職業(yè)培訓和教育，培養(yǎng)一批具備專業(yè)知識和技能的科技人才，為煤矸石的無害化和資源化利用提供人力支持，提高公眾對煤矸石資源化利用重要性的認識，引導市場選擇使用改性煤矸石或相關(guān)產(chǎn)品，從而增加市場需求，驅(qū)動企業(yè)加大投入。實施煤矸石資源化利用示范項目，探索產(chǎn)業(yè)實踐新模式，推廣利用經(jīng)驗，促進煤電、建材、環(huán)保等相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，整合資源實現(xiàn)綜合效益的最大化。
3)促進煤矸石固廢資源化利用領(lǐng)域適應(yīng)智能化前沿發(fā)展要求。促進人工智能等前沿技術(shù)在煤矸石固廢資源化利用領(lǐng)域的應(yīng)用。人工智能領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，極大地釋放了煤矸石固廢與人工智能形成AI+融合技術(shù)產(chǎn)業(yè)模態(tài)的想象空間，促進人工智能技術(shù)在煤矸石固廢評估、原料分選、工藝優(yōu)化、產(chǎn)品設(shè)計、污染監(jiān)測、供應(yīng)鏈協(xié)同、決策支持等環(huán)節(jié)過程中發(fā)揮作用，有助于構(gòu)建更加科學高效的煤矸石固廢綜合利用體系。例如，在煤矸石固廢評估中，利用AI+遙感等數(shù)據(jù)識別堆存量、堆存空間分布以及潛在填埋處理空間，結(jié)合多源數(shù)據(jù)預測不同礦區(qū)煤矸石的成分與品質(zhì)范圍;在原料分選中，建立煤矸石多元組分數(shù)據(jù)庫，在破碎、篩分、浮選線上部署機器視覺與強化學習算法，實現(xiàn)實時粒徑/成分識別和自適應(yīng)控制，提高選矸效率;在工藝方案設(shè)計中，基于智能化分析技術(shù)構(gòu)建檢測—方案設(shè)計—性能預測的一體化檢測－利用模型，在生產(chǎn)利用工藝中引入智能化技術(shù)，實現(xiàn)煤矸石固廢原料的科學分級、智能設(shè)計和閉環(huán)質(zhì)量監(jiān)控，基于人工智能算法優(yōu)化升提取元素、燒結(jié)建材等過程的能效，建設(shè)煤矸石固廢資源綜合利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，串接礦山、洗選廠、利用企業(yè)實時數(shù)據(jù)，優(yōu)化物料流向并實現(xiàn)聯(lián)調(diào);在煤矸石固廢相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計中，利用材料生成模型快速匹配煤矸石配比、燒成制度與目標性能，縮短煤矸石固廢相關(guān)高附加值產(chǎn)品的開發(fā)周期;在供應(yīng)鏈協(xié)同與決策支持方面，基于AI調(diào)度運輸產(chǎn)能與庫存，實現(xiàn)“礦區(qū)—利用企業(yè)—終端”聯(lián)動，降低全鏈條碳排與成本，構(gòu)建知識圖譜集成政策、技術(shù)、市場信息，為煤矸石固廢資源化利用項目的投資、產(chǎn)能方案制定等提供定量化評估和風險提示。
4)強化對煤矸石固廢規(guī)?；Y源化利用的環(huán)境影響監(jiān)測。強化全過程環(huán)?？刂?，發(fā)展碳捕集、低溫裂解、熱能耦合等綠色制備工藝，制定氟、硫、重金屬等相關(guān)釋放指標及監(jiān)測方案，推行殘渣閉環(huán)回收，確保達標排放。煤矸石現(xiàn)有利用途徑與建筑、環(huán)境緊密相關(guān)，需要加強對煤矸石固廢資源化利用的長期環(huán)境影響研究，尤其是對規(guī)?；玫沫h(huán)境影響監(jiān)測，對于過去開展的煤矸石固廢資源化利用項目工程，也需要進行環(huán)境影響的補充評價與監(jiān)測，以避免產(chǎn)生長期的環(huán)境代價問題。在煤矸石固廢規(guī)?；Y源化利用過程中，構(gòu)建“源頭－過程－排放－周界”一體化監(jiān)測，覆蓋固廢原料、生產(chǎn)過程與敏感區(qū)域，搭建數(shù)據(jù)平臺，引入智能化處理分析技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵污染因子越限征兆提前預警和污染物遷移擴散預測等功能，優(yōu)化煤矸石固廢規(guī)模化資源化利用環(huán)境影響監(jiān)測，制定精細化排放指標，將氟化物、SO2、重金屬等主要潛在污染物納入分級標準，基于“雙碳+環(huán)?！笨己藱C制，促進全過程環(huán)境影響評估，建立公眾開放機制，促進社會公眾監(jiān)督，科學制定配套應(yīng)急預案和機制，明確監(jiān)測異常后的治理和應(yīng)對流程，保障規(guī)?；玫沫h(huán)境安全。
05結(jié)語
在碳中和和綠色可持續(xù)發(fā)展的背景下，煤矸石作為一種典型的工業(yè)固體廢棄物，其資源化利用對于減少環(huán)境污染、節(jié)約自然資源、推動循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。煤矸石固廢資源化利用在建筑與環(huán)境修復領(lǐng)域具有重要意義，不僅能夠有效減少煤矸石堆存對環(huán)境造成的污染，還能將其轉(zhuǎn)化為有價值的資源，推動綠色建筑和生態(tài)修復的可持續(xù)發(fā)展。在建筑領(lǐng)域，通過將煤矸石用于生產(chǎn)建筑材料，能夠降低傳統(tǒng)建筑材料的碳足跡，推動建筑材料領(lǐng)域固廢利用相關(guān)低碳經(jīng)濟發(fā)展。在環(huán)境修復方面，煤矸石作為土壤改良劑、重金屬吸附劑以及礦區(qū)生態(tài)恢復材料，能夠有效改善污染土壤、治理水污染、恢復生態(tài)環(huán)境，促進資源循環(huán)利用。展望未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和政策的支持，煤矸石資源化利用將不斷擴展應(yīng)用范圍，在技術(shù)研發(fā)、政策支持、產(chǎn)業(yè)布局、市場推廣和技術(shù)人才參與等方面的綜合推動下，成為推動能源綠色經(jīng)濟以及能源領(lǐng)域碳中和戰(zhàn)略實現(xiàn)的重要支撐。
來源｜《能源研究與利用》
作者｜趙迪斐、陳虹羽、尹俊凱等
