煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的固体废弃物^[1], 其大量堆积不仅占用土地, 还会引发自燃、山体滑坡和地下水污染等一系列环境风险问题^{[2 ~ 6]}. 目前, 我国每年煤矸石产生量6~8亿t^[7], 且近年来利用率维持在74.4%左右, 截至2021年底累计堆存量60~70亿t^[8], 是我国积存量和年产生量最大、分布较广的工业固废之一.

近年来, 我国高度重视煤矸石的处置和综合利用, 自1998年出台《煤矸石综合利用管理办法》以来, 相继修订完善了《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》《煤矸石综合利用技术政策要点》等一系列法规制度, 有效促进了煤矸石的“减量化、无害化、资源化”利用^[9]. 目前, 已形成煤矸石发电^[10]、建材化利用^[11]、有价元素提取^[12]和生态化处置等^[13]多种资源化利用途径并存的综合利用体系, 煤矸石处置逐步规范. 例如, 内蒙古准格尔旗和神东煤炭集团分别利用生态回填手段处置了79%和92%的煤矸石. 华东地区利用土地复垦手段, 将煤矸石回填于采煤沉陷区或回填于天然荒沟, 处置利用率超过10%. 受政策约束、地域差异和经济效益等因素影响, 煤矸石处置利用面临着配套政策不足、区域差异明显且利用成本过高等问题, 成为制约煤炭行业可持续发展的难点, 特别是当前能源保供背景下, 山西、陕西和内蒙古等能源大省的矸石处置利用问题尤为突出, 对煤炭企业正常生产运营造成较大负面影响. 为此, 需要结合煤矸石的利用政策, 开展煤矸石的分级分质利用和成本分析.

目前, 关于煤矸石分级分质和矸石空间资源属性的研究受到关注, 如王玉涛^[14]提出煤矸石的利用方向应向多技术协同发展, 构建循环产业链, 建立“多途径、多组分、多层次+梯级回收+生态修复+封存保护+井下高效自动化充填”规模化处置与综合利用体系. 吴长亮等^[15]提出煤矸石与多元固废协同互补是分级分质利用的重要方向, 应按照煤矸石的理化性质和矿相特点差异化利用, 从而提高综合利用率. 邓代强^[16]从煤矸石的各种潜在危险性出发, 通过对近年来我国西南地区煤矸石的分布和产出特性的研究, 指出了其存在的区域差异, 从而为我国西南地区的健康发展提供科学依据. 然而, 当前研究所提出的分级分质方案主要关注技术路线的组合, 在关联煤矸石理化性质与其适宜的利用途径方面未提供明确判据, 尤其在煤矸石空间资源属性与综合利用路径方面的研究更是缺乏, 对于特定区域或企业制定分级分质利用方案时缺乏有效指导.

本研究系统梳理了煤矸石的综合利用现状及产业政策, 探究煤矸石综合利用的重点鼓励方向及发展趋势；构建全国煤矸石空间分布及理化性质清单, 基于典型企业调研数据, 明晰不同煤矸石利用技术的成本和消纳能力；结合煤矸石理化性质, 综合考虑“性质-技术-成本”, 建立煤矸石分级分质利用理论和给出综合利用产业发展建议.

图 1为2005~2022年间中国GDP、煤炭消耗量和煤矸石产量变化趋势. 从中可知, 随着GDP快速增长, 能源消费量也不断升高, 煤炭作为主体能源, 其变化趋势与之同步. 在2011~2015年煤炭产量短暂下跌, 归因于结构性产能过剩^[17]. 就整体趋势而言, 当前我国的经济发展仍未与煤炭脱钩, 煤炭的开采和利用必然产生大量煤矸石. 2022年煤矸石综合利用率为74.4%^[18], 相比上年增加了1.3%, 相比2011年提升了12.18%^[19]. 近年来, 尽管煤矸石综合利用水平显著提升, 但每年仍有近30%的矸石未得到有效处置, 且随着矸石逐年累积, 潜在环境风险较高^[20]. 综上所述, 短期内煤矸石产量不会发生显著下降, 且堆存量逐年累积, 未来煤矸石的大宗处置消纳仍是困扰地方政府和煤炭企业的重要难题.

图 1

Fig. 1

图 1 与煤矸石相关指标的变化情况 Fig. 1 Changes in indicators related to coal gangue

我国先后制定了系列政策和法规^[21], 对煤矸石的处置、资源化利用进行了规范, 如图 2所示. 表 1为煤矸石综合利用相关政策及其要点. 自1998年发布《煤矸石综合利用管理办法》首个煤矸石综合利用政策文件以来, 先后发布《煤矸石综合利用技术政策要点》《煤矸石综合利用管理办法（2014年修订版）》等文件, 煤矸石利用受到广泛关注. 在政策引导下, 相关技术研发成为热点. 1998~2009年间, 研究发文量快速增长, 2015年后相关技术趋于成熟, 发文量开始减少. 相应地, 专利申请量自2011年后迅速增长, 相关技术进入实质转化阶段.

图 2

Fig. 2

1.原国家建筑材料工业局《自燃煤矸石轻集料》, 2.经贸委、煤炭部、财政部等八部委《煤矸石综合利用管理办法》, 3.经贸委、科技部《煤矸石综合利用技术政策要点》, 4.发改委《“十一五”资源综合利用指导意见》, 5.发改委、建设部《热电联产和煤矸石综合利用发电项目建设管理暂行规定》, 6.发改委《“十二五”资源综合利用指导意见》《大宗固体废物综合利用实施方案》, 7.发改委、科技部等十部委《煤矸石综合利用管理办法》, 8.国土部、环保部、财政部等六部委《关于加快建设绿色矿山的实施意见》, 9.自然资源部《煤炭行业绿色矿山建设规范》, 10.财政部、税务总局《关于继续执行的资源税优惠政策的公告》, 11.山西省能源局《山西省煤矿充填开采产能增量置换办法》, 12.发改委等十部委《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》, 13.工信部等八部委《关于印发加快推动工业资源综合利用实施方案的通知》 图 2 煤矸石鼓励方向相关政策汇总 Fig. 2 Summary of relevant policies in the direction of coal gangue encouragement

表 1 (Table 1)

表 1 煤矸石综合利用相关政策及其要点 Table 1 Policies related to comprehensive utilization of coal gangue and its connotation 鼓励方向 政策名称 主要要点 综合利用 《煤矸石综合利用管理办法》 重点发展煤矸石发电、煤矸石生产建筑材料及制品和复垦塌陷区等大宗用量、高科技含量和高附加值的实用技术 《煤矸石综合利用技术政策要点》 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 《十一五资源综合利用指导意见》 发展煤矸石发电；大力发展利用煤矸石生产新型墙体材料等为主的利废建材；发展煤矸石等在筑路、回填和复垦等领域的利用 《十二五资源综合利用指导意见》 继续扩大煤矸石发电及生产建材、复垦绿化和井下充填等利用规模；鼓励利用煤矸石提取有用矿物元素制造化工产品和有机矿物肥料等新型利用 《煤炭工业发展“十三五”规划》 大力发展煤矿清洁生产和循环经济；发展煤矸石和粉煤灰制建材, 提高煤矸石新型建材的市场竞争力 《煤矸石综合利用管理办法》 鼓励煤矸石大宗利用和高附加值利用：煤矸石井下充填；循环流化床发电和热电联产；煤矸石生产建筑材料；从煤矸石中回收矿产品；煤矸石土地复垦及矸石山生态环境恢复；其他大宗、高附加值利用方式 《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》 加大采空区煤矸石回填、煤矸石充填和筑基修路的力度；推进煤矸石高值化利用, 提取矿物元素, 重点研发煤矸石生产农业肥料、净水材料和胶结充填专用胶凝材料等高附加值产品 《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》 推进煤矸石在工程建设、塌陷区治理、矿井充填和沙漠化土地生态修复等领域的利用, 有序引导利用煤矸石、粉煤灰生产新型墙体材料和装饰装修材料等绿色建材, 深入推动农业领域应用和有价组分提取, 加强大掺量和高附加值产品应用推广 《“十四五”全国清洁生产推行方案》 探索煤矸石综合处置利用的适宜技术, 试点“规模化、集聚化、产业化”的煤矸石处置模式 《关于加快推动工业资源综合利用的实施方案》 加快推进煤矸石等工业固废在有价组分提取、建材生产、市政设施建设、井下充填、生态修复和土壤治理等领域的规模化利用 《山西省碳达峰实施方案》 大掺量、规模化和高值化利用, 推动建设一批国家大宗固体废物综合利用示范基地 《山西省工业领域碳达峰实施方案》 落实工业资源综合利用税收优惠政策, 积极推进煤矸石等大宗工业固废规模化高值化利用 建材市政 《新型墙材推广应用行动方案》 推进煤矸石在墙材中的综合利用 《2030年前碳达峰行动方案》 支持煤矸石大掺量、规模化和高值化利用 《减污降碳协同增效实施方案》 推动煤矸石资源利用或替代建材生产原料 《关于部分资源综合利用及其他产品增值税政策问题的通知》 利用煤矸石生产的电力实行按增值税应纳税额减半征收的政策 发电 关于加强煤矸石发电项目规划和建设管理工作的通知 认真做好煤矸石综合利用及煤矸石发电规划；用于发电的煤矸石的热值应达到5 000 kJ·kg-1以上 热电联产和煤矸石综合利用发电项目建设管理暂行规定 优先安排建设大中型循环流化床发电机组, 在大型矿区以外的城市近郊区原则上不规划建设燃用煤矸石的热电联产项目 井下充填+生态修复 《煤矿充填开采工作指导意见》 要求加强政策引导, 强化规范管理, 因地制宜, 不断创新, 大力推广充填开采技术 《煤炭清洁高效利用行动计划（2015~2020年）》 提出加大煤矸石等资源化利用的力度, 推广矸石井下充填技术 《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》 增加煤矸石充填和回填的污染控制技术要求, 推动煤矸石规模化利用 关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知 优先采用井下充填技术处置煤矸石；对充填开采置换出来的煤炭减征50%资源税, 允许实施充填开采置换出的煤炭产量按30%折算为产能置换指标, 将煤矿充填开采设计审批权下放给煤矿企业 《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》 拓宽煤矸石等大宗固废利用途径, 扩大综合利用规模；在煤炭行业推广“煤矸石井下充填+地面回填”, 促进矸石减量

表 1 煤矸石综合利用相关政策及其要点 Table 1 Policies related to comprehensive utilization of coal gangue and its connotation

《煤矸石综合利用管理办法》首次提出禁止建设永久性煤矸石堆放场（库）, 并将煤矸石井下充填、发电和热电联产、生产建筑材料、回收矿产品、土地复垦及矸石山生态环境恢复作为煤矸石利用主要方向. 然而, 尽管多种煤矸石利用手段均在政策鼓励范围, 但由于经济性和消纳量限制, 政策的侧重点逐步从发电、生产建材等资源化处置手段转向井下充填及土地复垦等生态化处置手段. 在“八五”至“十一五”期间, 随着《“十一五”资源综合利用指导意见》《热电联产和煤矸石综合利用发电项目建设管理暂行规定》等文件明确鼓励煤矸石综合利用发电项目, 煤矸石发电成为这一阶段重点关注的方向. “十二五”期间, 《“十二五”资源综合利用指导意见》指出, 继续扩大煤矸石发电及生产建材、复垦绿化和井下充填等利用规模；鼓励利用煤矸石提取有用矿物元素制造化工产品和有机矿物肥料等新型利用, 政策主要倾向于在煤矸石发电的基础上, 推动煤矸石建材化, 充填复垦. “十三五”期间, 国家鼓励矸石多途径综合利用, 地方制定堆场整治方案, 加大回填和土地复垦. 《关于加快建设绿色矿山的实施意见》规定, 鼓励煤矿采用充填式开采等绿色开采方式, 合理控制地面塌陷, 鼓励矸石不出井, 逐步消灭已有矸石山. “十四五”期间, 探索煤矸石综合处置利用的适宜技术, 煤矸石利用体系已相对完善, 利用技术也具备较高水平, 但对于大宗消纳仍存在一些瓶颈问题, 因矸石堆积或利用方式不当导致的环境问题仍时有发生.

图 3为煤矸石研究发文趋势变化与综合利用物质流图. 与煤矸石利用政策演变趋势相近, 煤矸石发电和建材化利用^[22]最早受到关注. 由于早期煤炭洗选技术尚不成熟, 煤矸石含碳量较高, 利用煤矸石发电得到快速发展^[23]；然而, 随着煤炭洗选技术进步, 煤矸石热值显著降低, 现已几乎不具备用于发电的热值条件^[24]. 建材化利用方面, 由于制出的砖在100 km以内尚有微利, 再远则不具备经济效益, 因此尽管技术经历了快速发展, 但受限于市场潜力和经济效益, 相关研究关注度逐渐下降. 由于煤矸石资源化利用技术的经济性和消纳量有限的瓶颈问题难以突破, 以土地复垦^[25]、生态修复^[26]和土壤改良^[27]为核心的生态化处置技术成为新的研究热点. 总体而言, 煤矸石利用相关研究经历了发电、生产建材等资源化处置手段向井下充填及土地复垦等生态化处置手段转变的过程, 如图 3（a）所示.

图 3

Fig. 3

（a）煤矸石研究发文趋势变化（年份表示该关键词第一次出现的年份, 开始年份和结束年份表示该关键词作为前沿的起始和终止年份；红色线条表示该关键词成为学术研究热点的具体历时阶段, 浅蓝色表示节点还未出现, 深蓝色表示节点开始出现；强度值越大, 表示关键词出现强度越高；红色标记线越长, 表示持续时间越久, 前沿性越强）；（b）煤矸石综合利用物质流（百分数表示2020年煤矸石不同利用方式的利用量占煤矸石产量的比例） 图 3 煤矸石研究发文趋势和利用率变化 Fig. 3 Research publication trend and utilization rate change of coal gangue

图 3（b）反映了我国2005~2020年煤矸石综合利用情况. 15 a间, 煤矸石综合利用率由46%提升至72.2%, 增长了26.2%. 其中煤矸石充填利用率增长了16.66%, 是最主要的消纳手段. 从历史变化趋势看, 煤矸石充填处置发展迅速, 且仍呈上升趋势, 其他利用技术的增长潜力有限, 比如, 煤矸石发电每年消纳煤矸石近1.5亿t, 占总量的21.6%；煤矸石制砖占比较低, 仅占7.5%. 因此, 可以判断, 在未来一定时期内, 其他煤矸石利用技术若要对消纳矸石发挥更大的作用, 需要结合煤矸石的空间异质性, 制定更为精细的综合利用方案.

煤矸石分级分质利用理论是制定煤矸石区域化利用方案的理论基础^[28]. 煤矸石含碳量^[29]和热值^[30]存在较大差异, 决定了其利用方式. 如表 2所示, 依据含碳量和热值可将煤矸石分成4类, 其中, 一类煤矸石的含碳量 < 4%, 二类煤矸石的含碳量为4%~6%, 二者的发热量均 < 2.09 MJ·kg^-1, 不易自燃, 可用作煤矿沉降区的回填材料^[31]或者土地复垦^[32]；三类煤矸石的含碳量为6%~20%, 发热量为2.09~6.27 MJ·kg^-1；四类煤矸石含碳量 > 20%, 发热量为4.5~12.55 MJ·kg^-1, 可作燃料, 常用于发电和供暖^[33]. 还可以按照化学成分将煤矸石分为铝质岩矸石、黏土岩矸石、砂岩质矸石和钙质岩矸石, 如表 3所示. 其中, 铝质岩矸石主要含SiO₂和Al₂O₃, 二者含量分别为40%~55%和35%~45%, 可用于生产高岭土、水泥或铝粉及建筑材料^[34]；黏土岩矸石也以SiO₂和Al₂O₃为主, 但是相比铝质岩矸石含有更多的Fe₂O₃、CaO和MgO, 可代替黏土制备烧结砖和硅酸盐水泥等^[35]；砂岩质矸石的ω（SiO₂）为53%~88%, 相比较铝质岩矸石和黏土岩矸石, 高硅低铝的特点使其更适于制备高硅玻璃；钙质岩矸石主要含SiO₂和CaO, ω（SiO₂）为10%~40%, 而ω（CaO）高达40%~80%, 适用于制备肥料和陶瓷等钙含量高的材料^[36].

表 2 (Table 2)

表 2 按含碳量和热值不同的煤矸石分类 Table 2 Coal gangue classified according to different carbon contents and calorific values 项目 一类 二类 三类 四类 含碳量/% < 4 4~6 6~20 > 20 发热量/MJ·kg-1 < 2.09 < 2.09 2.09~6.27 4.5~12.55

表 2 按含碳量和热值不同的煤矸石分类 Table 2 Coal gangue classified according to different carbon contents and calorific values

表 3 (Table 3)

表 3 不同类型煤矸石的化学成分含量[37]/% Table 3 Chemical composition content of different types of coal gangue/% 分类 铝质岩矸石 黏土岩矸石 砂岩质矸石 钙质岩矸石 SiO2 40~55 24~56 53~88 10~40 Al2O3 35~45 14~34 0.4~20 3~10 Fe2O3 0.2~4 1~7 0.4~4 1~10 CaO 0.1~0.7 0.5~9 0.3~1 40~80 MgO 0.1~1 0.5~6 0.2~2 1~4

表 3 不同类型煤矸石的化学成分含量[37]/% Table 3 Chemical composition content of different types of coal gangue/%

我国各区域所产煤矸石组分差异较大, 建立煤矸石分级分质利用路线图具有重要意义^[38]. 煤矸石利用流程可大致分为3个部分, 首先要进行煤矸石分类, 判断其属于几类煤矸石, 其次分析矸石化学组分含量, 然后对其进行可利用性和经济性评估, 根据《煤矸石利用技术导则》（GB/T 29163-2012）, 根据其特性判断其是否可作为燃料、建材、路基、生产化工产品或是农用, 综合考虑其运输、加工等可能的成本, 综合判断其资源化化利用的可能性. 如果是含碳量高的四类煤矸石, 可考虑燃料发电, 成本一般在100元·t^-1, 每年可消纳100~200万t的矸石；如果是属于三类矸石且矸石化学组分含量分别为ω（SiO₂）：55%~70%, ω（Al₂O₃）：15%~25%, ω（Fe₂O₃）：2%~8%, 可考虑制备烧结砖；若属于二类或一类煤矸石, 则适合土地复垦或者做工程填筑材料, 如果又属于铝质岩矸石, 可考虑做混合材料磨制各种水泥；若不属于二类或一类矸石, 则考虑以下情况：如果矸石中硫含量 > 6%, 可以回收硫铁矿, 成本较高, 在500元·t^-1；若矸石中ω（SiO₂）为30%~50%, ω（Al₂O₃） > 25%, 则适于制取铝盐, 可消纳40万t·a^-1的矸石, 成本 > 1 000元·t^-1；若矸石属于灰分占比≤85%, 含水率 < 2%范围内, 则适用于生产农肥或改良土壤. 具体的流程如图 4所示.

图 4

Fig. 4

图 4 煤矸石利用途径对其物理化学成分的要求 Fig. 4 Requirements of physical and chemical components for the utilization of coal gangue

图 5总结了典型企业煤矸石利用方法及其经济效益. 为了兼顾经济和环境效益, 基于成本和环境角度对不同矸石利用方式特点进行总结对比, 如表 4所示. 山西华鹿阳坡泉煤矿有限公司利用煤矸石填沟造地, 投资和成本均较低, 其中成本为6元·t^-1, 消纳潜力达279万t, 解决了煤矸石露天堆放的问题, 将矸石治理与生态保护、农业发展相结合；开滦唐山矿、寸草塔二矿、布尔台煤矿、高河煤矿和榆家梁煤矿均采用井下充填的方式处置煤矸石, 可能是由于充填技术复杂程度不同, 成本并不相同, 为35~96.5元·t^-1, 消纳了70万~150万t的煤矸石；府谷县鼎乾瑞丰科技有限公司利用煤矸石来制备肥料, 成本是60~70元·t^-1, 可消纳大约200万t的煤矸石, 不仅可以缓解目前的缺土问题, 也可以更好地实现煤矸石的大规模利用；保德县和洪洞县矸石利用项目以及山西富鸿科技有限公司通过制备建材来消纳煤矸石, 初始投资较高, 可达亿元级, 成本为100~150元·t^-1, 能消纳大量煤矸石, 约为100万~200万t；平朔煤矸石发电有限责任公司利用煤矸石发电, 处理成本在268元·t^-1, 消纳了128万t矸石, 既能有效利用煤矸石的热值, 又能够节约大量的煤炭资源, 杜绝二次污染, 经济效益和环境效益显著^[39]；铜川市耀州区煤矸石综合利用产业园通过煤矸石生产陶粒^[40], 其成本较高, 可达500元·t^-1, 贵州现代红腾工业废物利用科技有限公司和山西金宇科林科技有限公司利用煤矸石制备铝硅材料^[41], 成本更高, 可达1 500元·t^-1, 都可以消纳100万~200万t的矸石, 生态环境效益好, 附加值高, 经济效益高, 但成本高, 工艺复杂, 矸石处理量少. 综合考虑成本和环境等因素, 煤矸石填沟造地和充填以及制备肥料是目前成本最低, 环境友好且消纳量最大的一种利用方式, 成本一般小于70元·t^-1, 可消纳大约200万t左右的煤矸石.

图 5

Fig. 5

E1山西华鹿阳坡泉煤矿有限公司, E2开滦唐山矿, E3府谷县鼎乾瑞丰科技有限公司, E4寸草塔二矿, E5布尔台煤矿, E6高河煤矿, E7榆家梁煤矿, E8保德县煤矸石制建材综合利用项目, E9洪洞县600万吨煤炭固废综合利用一期项目, E10山西富鸿科技有限公司, E11平朔煤矸石发电有限责任公司, E12耀州区煤矸石综合利用产业园, E13贵州现代红腾工业废物利用科技有限公司, E14山西金宇科林科技有限公司, E15盘县红果经济开发区紫森源集团 图 5 典型企业煤矸石综合利用的经济效益 Fig. 5 Economic benefits of comprehensive utilization of coal gangue in typical enterprises

表 4 (Table 4)

表 4 煤矸石不同处理方式的对比 Table 4 Comparison of different treatment methods for coal gangue 处理方式 初始投资 单位处理成本/元·t-1 消纳量/万t 备注 文献 发电 亿元级 > 100 > 100 既能有效利用煤矸石的热值, 又能够节约大量的煤炭资源, 还减少了水土流失和废物占地, 杜绝二次污染, 经济效益和环境效益显著 [42] 建材 亿元级 100~150 100~200 造价低廉、节能降耗, 能消纳大量煤矸石 [43] 充填 亿元级 30~100 70~150 投入较少, 处置量大 [44] 填沟造地 百万元级 20~50 > 200 解决了煤矸石露天堆放造成的矸石自燃、土地及水体污染等问题, 将矸石治理与生态保护、农业发展相结合 [45] 制备肥料 百万元级 60~70 200 促进植物生长, 不仅可以缓解目前的缺土问题, 也可以更好地实现煤矸石的大规模利用 [46] 化工产品 千万元级 > 1 000 50~150 生态环境效益好, 附加值高, 经济效益高, 但成本高, 工艺复杂, 矸石处理量少 [47]

表 4 煤矸石不同处理方式的对比 Table 4 Comparison of different treatment methods for coal gangue

我国煤矸石以SiO₂和Al₂O₃为主要成分, 还含有少量的Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O和SO₃等^[48], 其含量随煤矸石岩石类型的不同差别较大. 大部分地区煤矸石中ω（SiO₂）为38.37%~66.71%, ω（Al₂O₃）为16.57%~33.16%^[49], 仅新疆煤矸石中ω（SiO₂）低于20%, 江苏、江西和新疆所产煤矸石中ω（Al₂O₃）低于20%. 各地区的煤矸石类别存在差异, 如内蒙古地区矸石中SiO₂和Al₂O₃成分多, ω（SiO₂）和ω（Al₂O₃）分别为40%~55%和35%~45%, 主要为铝质岩矸石；华东地区的煤矸石也以SiO₂和Al₂O₃为主, 但是相比铝质岩矸石含有更多的Fe₂O₃、CaO和MgO^[50], 并且部分地区ω（CaO）高达40%~80%, 主要为黏土岩类和钙质岩矸石；山西地区的煤矸石中ω（SiO₂）高达53%~88%, 主要为砂岩质矸石. 为了探索分区域煤矸石分级分质利用方案, 收集整理中国各省份煤矸石产量、不同省份所分布煤矿的矸石类型以及化学组成, 形成中国煤矸石空间分布及理化性质清单, 如图 6和图 7所示, 分区域提出分级分质利用方案.

图 6

Fig. 6

基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS（2023）2767号的标准地图制作, 底图无修改；各省份煤矸石产量数据来自：中国煤炭工业协会统计与信息部, 未统计西藏、广东、浙江、广东、海南、天津、上海、重庆、北京, 以及中国台湾、香港、澳门的煤矸石产量数据 图 6 煤矸石产量分布及各类煤矿分布位置 Fig. 6 Distribution of coal gangue output and location distribution of various coal mines

图 7

Fig. 7

1.山西大同煤矿, 2.山西阳泉煤矿, 3.山西长治石圪节煤矿, 4.江苏徐州煤矿, 5.安徽淮北煤矿, 6.陕西铜川煤矿, 7.内蒙古准格尔煤矿, 8.内蒙古大青山煤矿, 9.贵州遵义煤矿, 10.河北开滦唐山煤矿, 11.河北开滦钱家营煤矿, 12.河南平顶山三矿, 13.安微淮南矿区, 14.安徽淮北某矿, 15.云南宣威煤矿, 16.云南峨山煤矿, 17.新疆吐鲁番鄯善县矿区, 18.新疆乌鲁木齐六道湾煤矿, 19.山东新汶翟镇煤矿, 20.陕西白水煤矿, 21.陕西韩城桑树坪煤矿, 22.陕西神木大柳塔煤矿, 23.北京房山矿区, 24.内蒙古赤峰矿区, 25.山西河曲上榆泉煤矿, 26.贵州六盘水盘县, 27.贵州桐梓煤矿, 28.贵州泮水煤矿, 29.辽宁阜新煤矿, 30.新疆昌吉五彩湾煤矿, 31.新疆伊宁县喀拉亚尕奇乡煤矿, 32.山东滕南煤矿, 33.陕西长武亭南煤矿, 34.新疆哈密三道岭二矿, 35.新疆伊宁县达达木图乡煤矿, 36.辽宁阜新煤矿, 37.辽宁铁法煤业大明二矿, 38.贵州轿子山煤矿, 39.陕西铜川矿区, 40.重庆酉阳矿区, 41.河南鹤壁九矿, 42.吉林营城煤矿, 43.江苏徐州龙东煤矿, 44.山西太原西山煤矿, 45.山东孙村煤矿 图 7 各类煤矿的化学组成 Fig. 7 Chemical composition of various coal mines

山西所产煤矸石量大^[51], 且多属于砂岩质矸石, 固定碳含量差别较大. 其中, 长治煤矸石的固定碳含量可达21.3%^[52], 属于四类煤矸石, 适于作燃料发电, 成本为 > 100元·t^-1, 预计可消纳大于100万t的煤矸石, 该方式矸石消纳潜力较高；在朔州、忻州、吕梁和晋中等地, 煤矸石的含碳量为9.7%~16.2%, 属于三类煤矸石, 且ω（SiO₂）为55%~63.2%, ω（Al₂O₃）为22.7%~35.9%, 更适合用于制备建材, 矸石消纳量为100~200万t. 总体上, 山西所产煤矸石适用于发电和建材一体化.

新疆的煤矸石不同于其他省, 集中在四大煤田, 化学组成差异较大, 且受运输距离和处理成本等的限制, 各地区适宜的处理方式不同. 比如, 准噶尔煤田和库拜煤田所产煤矸石以黏土岩、砂岩类矸石为主, 固定碳含量较低, 属于一类或二类矸石, 可作为生产水泥的混合材, 也可用于生产普通水泥和制砖, 适合被就近的建材厂利用, 处理成本为100~150元·t^-1；哈密地区和伊犁煤田所产煤矸石中ω（CaO）超过18%, 属于钙质岩矸石, 是四类煤矸石, 热值较高, 适用于发电和肥料制备, 大约可以消纳煤矸石300万t^[53].

内蒙古也属于产矸量多的自治区, 所产煤矸石大多属于铝质岩矸石, 含碳量 < 4%^[54], 属一类矸石, 由于距离较远, 应优先考虑就近利用和制备高值化产品. 比如, 制备建材和部分矸石充填或者填沟造地, 其成本分别是100~150元·t^-1和30~100元·t^-1；还有少量矸石可以通过提取铝来制备铝盐, 其经济效益较高.

贵州所产煤矸石的Fe和Si含量较高, 而Al含量低^[55], 属于黏土岩矸石, 是二、三类煤矸石^[56], SiO₂、Al₂O₃及Fe₂O₃三者含量总和占煤矸石化学成分的70%左右. 此类煤矸石能够替代黏土生产烧结砖和硅酸盐水泥等, 预计可消纳矸石100~200万t.

东北三省所产大多数煤矸石中ω（SiO₂）为53%~70%, ω（Al₂O₃）为16%~24%, ω（Fe₂O₃）为0.4%~4%^[57], 属于砂岩质矸石, 是一类矸石. 从经济效益角度考虑, 大部分矸石适合作为煤矿沉降区的回填材料和土地复垦, 成本分别为30~100元·t^-1和20~50元·t^-1；还有少量煤矸石可以制备高硅玻璃.

山东、江苏、陕西和江西的煤矸石大多属于黏土岩类矸石, 且便于运输, 可优先用于建材生产. 这些区域的煤矸石产量少, 建材市场可消纳本地所产全部煤矸石, 甚至供不应求. 我国东部资源匮乏, 多采用煤矸石生产水泥和砖瓦等建材, 由于煤矸石产生量较少, 市场足以消纳煤矸石基建材, 因此综合利用率高, 然而若将煤矸石运至东部地区, 运输成本过高, 经济价值较低, 因此, 在煤矸石的主要产区, 煤矸石建材化利用消纳量有限, 市场约束明显.

另外, 在青海、四川、云南和广西等地, 煤矸石产量极少, 且钙含量较高, 属于钙质岩矸石, 更适合制备肥料, 一般成本为60~70元·t^-1, 预计可消纳200万t的煤矸石, 具有较好的经济效益和生态效益；也可以用于制备陶瓷等钙含量高的功能材料.

（1）煤矸石的回收和综合利用在减少煤矸石数量和资源消耗方面拥有广阔前景, 在未来一定时期内, 提升煤矸石综合利用率的有效潜在手段主要是充填处置.

（2）在选择和合理利用煤矸石时, 应该将其归类, 并依据其理化特征和矿相的不同分区分质利用, 提高煤矸石的综合利用率.

（3）依据国家产业政策, 结合我国煤炭资源开发现状, 制定煤炭资源开发利用方案. 鼓励填沟造地作为煤矸石消纳的重要手段, 一方面可以大规模消纳矸石, 另一方面有望产生显著的经济、生态效益.

（1）随着煤炭资源开采利用, 煤矸石产生量及堆存量将不断增加. 在煤矸石利用重点鼓励方向中, 由于经济性和消纳量限制, 政策及相关研究的侧重点逐步从发电、生产建材等资源化处置手段转向井下充填及土地复垦等生态化处置手段. 因此, 煤矸石生态化处置将是煤矸石利用的主要增长点, 煤矸石综合利用的主要措施为充填和土地复垦.

（2）对煤矸石采用不同利用方式所产生的成本从高到低排序为：提取化工产品 > 发电 > 制备建材 > 制备肥料 > 充填 > 填沟造地, 消纳煤矸石的量从多到少排序为：填沟造地 > 制备肥料 > 制备建材 > 充填 > 发电 > 提取化工产品. 综合考虑成本和环境等因素, 煤矸石填沟造地和充填以及制备肥料是目前成本最低, 环境友好且消纳量最大的一种利用方式, 成本一般小于70元·t^-1, 可消纳大约200万t左右的煤矸石.

（3）针对各个省份, 从矸石所属类别和化学组成来进行分级分质利用, 利用方式各有侧重. 山西、陕西和内蒙古地区矸石集中度高, 应建立充填处置为主、加工利用为辅的综合利用方案. 其中, 内蒙古煤矸石以铝质岩矸石为主, 可优先鼓励提铝和建材化利用；山西煤矸石属砂岩质矸石, 且热值较高, 适合发电和制备建材；华东地区煤矸石属黏土岩类和钙质岩矸石, 且产量相对较少, 当地建材市场足以覆盖矸石产出量, 可作为优先利用方向；山东、河北等地部分矿区因“三下”压煤占资源量的比例较高, 可通过“以矸换煤”延长矿井服务年限.