摘要：在碳中和战略的大背景下，实现煤矸石从“无害化”向“规模化资源化”利用，将为能源绿色利用与碳中和战略注入新的动力，减少固废环境污染，促进煤矿开采固体废弃物资源的高效利用和相关循环经济的发展。建筑材料与环境领域是煤矸石固废的规模化资源化利用的核心场景，将煤矸石用于生产建筑材料能够降低传统建筑材料的碳足迹，推动相关低碳经济发展，在环境修复领域煤矸石固体废弃物可以作为土壤改良剂、重金属吸附剂以及矿区生态恢复材料，在改善污染土壤、治理水污染、恢复生态环境等方面发挥作用。煤矸石固废的规模化资源化利用将在技术研发、政策支持、产业布局、市场推广和技术人才等方面因素的综合推动下，成为推动能源绿色经济和碳中和战略实现的重要支撑。
关键词：煤矸石;固体废弃物;固废利用;建筑材料;环境修复;资源化利用
00引言
煤矸石固废，主要是煤矿开采和洗选过程中产生的一类固体废弃物，主要由煤层中的岩石夹层、煤成分较低的部分及洗煤过程中分选出的废料构成，其通常呈块状或颗粒状，化学和矿物成分复杂多样，通常含有黏土矿物、石英、黄铁矿等以及一定量的碳质，热值相对较低，多以堆放储存，常常由于因露天堆放产生酸性排水、造成土壤和水体污染、产生大气污染等，而引发环境领域的关注［1－4］。作为一类因矿业活动而产生的固体废弃物，我国对煤矸石固废的处理经历了从“无害化”向“资源化”利用的转化路径，近年来，我国在煤矸石资源化利用方面取得许多进展［5－8］。中国的固有能源结构中油气储量相对不足而煤炭资源丰富，煤炭资源长期扮演我国能源安全压舱石的角色［9－10］，合理的管理和资源化利用可以减少煤矸石对环境的负面影响，并实现其经济价值的提升，因此，充分研究煤矸石固废等资源化利用路径对于我国能源与相关环境领域可持续发展具有重要意义［11－13］。
近年来，针对煤矸石固体废弃物资源的利用技术研究成果极为丰硕，相关前沿创新技术发展迅速［14－19］，但在行业中的实际规模化资源化利用主要集中在建筑材料与环境修复领域［1－2］，而对行业的规模化资源化实践仍然缺乏总结梳理。因此，本文主要通过对实体行业内领域专家的访谈和项目资料梳理总结相结合的方式，阶段性总结煤矸石固废在建筑材料与环境修复领域作为规模化资源进行利用的现有重要路径，提出我国煤矸石固体废弃物从“无害化”到“规模化资源化”的行业对策与措施，为相关领域从业人员提供参考。
01煤矸石固体废弃物对环境的影响
煤矸石固体废弃物对环境的影响主要体现在对水、土壤、大气的污染，以及堆放自燃、土地资源占用、降低生态系统生物多样性等问题。煤矸石堆放或暴露在自然环境中时，常常产生“酸性矿山排水”(AcidMineDrainage，AMD)等问题［20］，煤矸石常为煤层中泥页岩夹层以及煤渣等的混合物，常常含有黄铁矿等矿物［21］，还可能含有重金属［22－23］，如铅、砷、汞、镉等环境有害物质，这些有害物质在煤矸石堆放的过程中可能渗入土壤中，导致土壤污染。重金属的累积可能影响植物生长、破坏土壤结构，并通过食物链进入人体，进而造成健康风险。煤矸石堆积占用的土壤也往往不适宜作物生长，破坏土壤肥力。煤矸石中的煤渣等有机物质组分，和黄铁矿在特定条件下可能自燃，产生烟尘和其他有害气体，如二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)等，对大气质量产生不利影响，因此，在矿区周围相关地区，雾霾、酸雨等环境问题往往更加严重，煤矸石造成的扬尘也可能在风力作用下对周围居民和生态系统构成威胁。因此，加强煤矸石的环境管理和资源化利用，减少其对环境的负面影响，是当前亟待解决的问题。
02煤矸石固废的资源化利用现状
我国煤炭资源开发利用历史悠久，煤矸石是我国主要的矿业固体废弃物之一，约占我国工业固废总量的25%，2024年，我国年产煤矸石固废总量超过了8亿t。受限于我国富煤、缺油、少气的资源禀赋特点，煤炭资源长期扮演我国能源结构和能源安全“压舱石”的角色，煤炭资源产量达到全球煤炭资源总产量的40%以上，2024年，我国原煤产量达到47．8亿t，煤炭资源消费在能源总消费量中的占比达到了53．2%，煤矸石产量超过原煤产量的15%。在相当长的时期内，煤矸石固废堆积严重，早在60年代我国就尝试对煤矸石固废进行利用，但对煤矸石固废的处理较为简单、低效，综合利用率相对较低，未能实现规模化资源化利用。近年来，我国高度重视生态建设，煤矸石固废的处理利用受到重视，尤其是在“双碳”战略目标和高质量发展的背景下，随着固废绿色高效处理技术等的发展，煤矸石固废处理利用向资源化、规模化、高附加值和绿色清洁方向发展，目前，综合利用率已超过70%。随着我国不断出台完善煤矸石综合利用相关规章制度，为煤矸石固废的无害化资源化利用指明了方向。
03煤矸石固废的资源化利用路径
煤矸石固体废弃物具有无害化、资源化潜力，煤矸石固废经过处理和改良后，利用途径多样，尤其在建筑材料、土壤改良和环境修复等领域，已有许多行业利用案例，总体来看，煤矸石固废在建筑领域的再利用主要是作为建筑材料原料或掺合料，在环境修复领域的再利用则主要涉及土壤修复、水污染治理、生态恢复和废弃矿区回填等方面。
3.1 作为建筑材料原料或掺合料
目前，煤矸石的资源化利用较多的途径是被作为建筑材料原料或掺合料。煤矸石作为一种矿物质原料，具有较高的硅、铝含量，可以用于水泥、砖等建筑材料生产的原料，或作为混凝土中的骨料或掺合料，减少对天然资源的依赖，并通过合理的利用方式，提高建筑材料性能。通过使用煤矸石替代部分原料，可以减少石灰石的使用，从而降低开采石灰石所需的能源消耗。煤矸石经过适当粉碎、脱硫、脱重金属处理后，可以用于生产烧结砖、空心砖、实心砖等建筑材料，常常采用煤矸石与少量粘土或其他矿物混合，经过高温烧结制成。煤矸石可以作为轻质骨料加入混凝土等中，其轻质特性和较好的力学性能使其适用于各种建筑构件的生产，尤其是对于一些需要减轻建筑物自重的工程，如高层建筑的外墙、内隔墙以及一些装饰性混凝土结构，通过合理的预处理和掺合，可以在减轻结构重量、提升保温隔热性能等方面取得材料性能优势。煤矸石还可用于生产石膏板、墙体材料等其他建筑材料，煤矸石石膏板具有较好的隔音和防火性能，适用于需要安静环境或防火要求较高的建筑，有效提高建筑物的安全性能、内饰质量和隔音效果。煤矸石在建筑材料中的应用能够显著降低相关建材生产的能源消耗和二氧化碳排放，降低传统建筑材料的碳足迹与生产成本，减少煤矸石的堆积，更加适应碳中和背景下的建筑材料优化。
3.2 作为矿山开采后的回填材料
除作为原材料外，煤矸石在实际应用中，往往作为矿山开采后的回填材料，用于填充采空区防止矿井坍塌，或填埋矿坑、修复塌陷区，以恢复土地。在采矿塌陷区填充煤矸石，可以减少地表沉降，有利于稳定地形、防止地面塌陷，提高土地稳定性;在露天矿坑填充煤矸石可以恢复地形，在表层覆盖土壤，可以加速恢复区域生态，促进土地复垦，提高土地利用率。利用煤矸石回填采矿废弃地，可以有效减少废弃煤矸石的堆积，防止污染扩散，并有助于恢复地形，但煤矸石的回填也需要对煤矸石进行处理，控制煤矸石湿度和粒径，去除重要污染物，以避免引发自燃和污染水体等问题，也有部分实践将其作为道路和建筑基础填料，用于交通基础设施建。
3.3 作为土壤改良剂
在环境修复领域，煤矸石可以作为土壤改良剂，尤其是在一些土壤条件差、相对贫瘠的土地上使用，经处理的煤矸石固废对酸性土壤具有一定中和作用，可以增加土壤的通气性、改善土壤的物理结构，提高土壤的pH值和营养成分，促进植物或作物的生长，因此，可用于改良沙漠化、盐碱化或矿山开采导致的贫瘠土地，但在应用时，应确保去除煤矸石中的重金属或有害物质，避免其对土壤和作物造成污染。煤矸石的矿物成分(如硅酸盐、铝酸盐)可与重金属结合，形成稳定的化合物，减少重金属进入植物体内的风险，因此，将煤矸石粉碎并与其他材料(如石灰、磷肥)混合后，施用于重金属污染土壤，可减少重金属的迁移性，降低重金属污染土壤的生态风险，提高土壤修复效率。
3.4 作为环境修复介质
煤矸石经过处理后，可以作为多种环境修复介质，例如在处理后用于吸附重金属离子(如铅Pb、镉Cd、砷As等)、酸性污染物和有机污染物，在处理工业废水、酸性矿山排水(AMD)治理等方面已有应用，其吸附效果受煤矸石本身组成、处理方法及水质等多方面因素的影响。近年来，吸附材料的处理工艺也取得了新进展，初步证实其可以适用于工业废水、矿山废水和城市污水处理。在处理有机污染物方面，可以通过改性(如高温活化或酸碱处理)提高煤矸石的比表面积，使其具有更好的有机污染物吸附能力，用于去除水中的染料、农药、石油污染物等有害有机物。
04行业对策与措施
在我国能源转型与碳中和战略的大背景下，实现煤矸石从“无害化”向“资源化”利用不仅能够减少环境负担，还可以提升固废资源的经济价值，有助于实现可持续发展［24－26］。对于建筑材料领域，行业应通过技术演进，有效促进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场接受度，完善产品标准，发展智能制造与低碳工艺，结合绿色烧结技术、余热回收技术、自动化与智能化生产降低能耗、提高利用过程中的碳友好程度［27－30］。对于环境修复领域，应当大力拓展煤矸石固废用于土壤改良、矿山生态修复、酸性矿山水处理和重金属污染治理的典型案例，形成应用技术方案与相关标准［31－33］。通过煤矸石固废在建筑与环境领域的应用，形成“火车头效应”，进一步牵引煤矸石固废的规模化资源化利用。针对我国煤矸石固废从“无害化”到“资源化”的可持续发展，本研究提出以下行业对策和措施:
1)提升煤矸石综合利用技术水平，拓展煤矸石固废规模化资源化利用途径。促进煤矸石综合利用领域技术创新，对煤矸石精细化分选技术、高效破碎和磨矿技术、改性处理技术、高附加值元素提取技术等重要工艺技术进行攻关实践，促进高附加值规模化资源化利用技术应用发展，引入前沿技术手段，通过精细化分选技术分选煤矸石中的可燃成分、矿物质和金属元素，提高其利用效率，开发高效、节能的破碎和磨矿设备，发展配套绿色高效资源化利用工艺，高效利用煤矸石中的高附加值资源成分，对煤矸石进行改性处理，提升其在各领域的适用性和性能。在行业实践角度，强化煤矸石固废规模化资源化利用产能，引导煤矸石固废的“分级分质”和“梯级回收利用”，促进煤矸石固废资源的梯级利用，例如，先提取稀土、金属氧化物，再依次导入建材、土壤改良、化工催化、高端陶瓷等链条，形成“高附加值+大宗消纳”组合，构建煤矸石固废绿色产业供应链;促进煤矸石固废利用在建筑材料生产、土壤修复利用、矿区生态恢复、污水处理等领域发挥更大作用，提升高附加值资源化利用在煤矸石固废综合利用中的占比。
2)加强煤矸石固废规模化资源化利用政策支持，推动煤矸石固废规模化资源化利用产业化发展。出台相应的鼓励政策推动企业加大对煤矸石资源化利用的投资，促进煤矸石固废规模化资源化项目投产，制定和完善煤矸石利用的相关标准和规范，设立国家/省级煤矸石资源化创新机制，指导企业科学利用煤矸石资源，使其在建筑、环保等多个领域得到规范化应用。引导完善相关标准体系，建立从原料分级、产品性能到过程排放的系列标准与认证，增强与煤矸石固废相关的市场接受度。建立健全煤矸石固废综合利用的科技人才支撑体系，加大对煤矸石资源化利用技术的科研投入，鼓励高校、科研机构和企业合作，推动产学研联合培养复合型人才，突破关键技术瓶颈，建立共享实验平台与开放数据集，加速成果转化，推广相关职业培训和教育，培养一批具备专业知识和技能的科技人才，为煤矸石的无害化和资源化利用提供人力支持，提高公众对煤矸石资源化利用重要性的认识，引导市场选择使用改性煤矸石或相关产品，从而增加市场需求，驱动企业加大投入。实施煤矸石资源化利用示范项目，探索产业实践新模式，推广利用经验，促进煤电、建材、环保等相关领域的产业链协同，整合资源实现综合效益的最大化。
3)促进煤矸石固废资源化利用领域适应智能化前沿发展要求。促进人工智能等前沿技术在煤矸石固废资源化利用领域的应用。人工智能领域的技术发展，极大地释放了煤矸石固废与人工智能形成AI+融合技术产业模态的想象空间，促进人工智能技术在煤矸石固废评估、原料分选、工艺优化、产品设计、污染监测、供应链协同、决策支持等环节过程中发挥作用，有助于构建更加科学高效的煤矸石固废综合利用体系。例如，在煤矸石固废评估中，利用AI+遥感等数据识别堆存量、堆存空间分布以及潜在填埋处理空间，结合多源数据预测不同矿区煤矸石的成分与品质范围;在原料分选中，建立煤矸石多元组分数据库，在破碎、筛分、浮选线上部署机器视觉与强化学习算法，实现实时粒径/成分识别和自适应控制，提高选矸效率;在工艺方案设计中，基于智能化分析技术构建检测—方案设计—性能预测的一体化检测－利用模型，在生产利用工艺中引入智能化技术，实现煤矸石固废原料的科学分级、智能设计和闭环质量监控，基于人工智能算法优化升提取元素、烧结建材等过程的能效，建设煤矸石固废资源综合利用工业互联网平台，串接矿山、洗选厂、利用企业实时数据，优化物料流向并实现联调;在煤矸石固废相关产品设计中，利用材料生成模型快速匹配煤矸石配比、烧成制度与目标性能，缩短煤矸石固废相关高附加值产品的开发周期;在供应链协同与决策支持方面，基于AI调度运输产能与库存，实现“矿区—利用企业—终端”联动，降低全链条碳排与成本，构建知识图谱集成政策、技术、市场信息，为煤矸石固废资源化利用项目的投资、产能方案制定等提供定量化评估和风险提示。
4)强化对煤矸石固废规模化资源化利用的环境影响监测。强化全过程环保控制，发展碳捕集、低温裂解、热能耦合等绿色制备工艺，制定氟、硫、重金属等相关释放指标及监测方案，推行残渣闭环回收，确保达标排放。煤矸石现有利用途径与建筑、环境紧密相关，需要加强对煤矸石固废资源化利用的长期环境影响研究，尤其是对规模化利用的环境影响监测，对于过去开展的煤矸石固废资源化利用项目工程，也需要进行环境影响的补充评价与监测，以避免产生长期的环境代价问题。在煤矸石固废规模化资源化利用过程中，构建“源头－过程－排放－周界”一体化监测，覆盖固废原料、生产过程与敏感区域，搭建数据平台，引入智能化处理分析技术，实现关键污染因子越限征兆提前预警和污染物迁移扩散预测等功能，优化煤矸石固废规模化资源化利用环境影响监测，制定精细化排放指标，将氟化物、SO2、重金属等主要潜在污染物纳入分级标准，基于“双碳+环保”考核机制，促进全过程环境影响评估，建立公众开放机制，促进社会公众监督，科学制定配套应急预案和机制，明确监测异常后的治理和应对流程，保障规模化利用的环境安全。
05结语
在碳中和和绿色可持续发展的背景下，煤矸石作为一种典型的工业固体废弃物，其资源化利用对于减少环境污染、节约自然资源、推动循环经济发展具有重要意义。煤矸石固废资源化利用在建筑与环境修复领域具有重要意义，不仅能够有效减少煤矸石堆存对环境造成的污染，还能将其转化为有价值的资源，推动绿色建筑和生态修复的可持续发展。在建筑领域，通过将煤矸石用于生产建筑材料，能够降低传统建筑材料的碳足迹，推动建筑材料领域固废利用相关低碳经济发展。在环境修复方面，煤矸石作为土壤改良剂、重金属吸附剂以及矿区生态恢复材料，能够有效改善污染土壤、治理水污染、恢复生态环境，促进资源循环利用。展望未来，随着技术的不断创新和政策的支持，煤矸石资源化利用将不断扩展应用范围，在技术研发、政策支持、产业布局、市场推广和技术人才参与等方面的综合推动下，成为推动能源绿色经济以及能源领域碳中和战略实现的重要支撑。
来源｜《能源研究与利用》
作者｜赵迪斐、陈虹羽、尹俊凯等
