新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究_黄艳利
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2024-12-09
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第49 卷第 1期
煤 炭 科学技术
Vol. 49 No. 1
2021 年1月Coal Science and Technology Jan． 2021
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黄艳利，
王文峰，
卞正富．新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究［J］．煤炭科学技术，2021，49（1） ： 319－
330. doi：10. 13199/j. cnki. cst. 2021. 01. 030
YAN Lihuang，WANG Wenfeng，BIAN Zhengfu．Prospects of resource utilization and disposal of coal－based solid
wastes in Xinjiang ［J］． Coal Science and Technology，2021，49 （1） ： 319 －330. doi：10. 13199 /
j. cnki. cst. 2021. 01. 030
新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究
黄艳利
1，2，3
，
王文峰
4
，
卞正富
1，5
（1．中国矿业大学 矿业工程学院，
江苏，
徐州 221116；2．中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，
江苏 徐州 221116；
3．新疆工程学院，
矿业工程与地质学院，
新疆 乌鲁木齐 830023；4．新疆大学 地质与矿业工程学院，
新疆 乌鲁木齐 830046；
5．中国矿业大学 教育部矿山生态修复工程中心，
江苏 徐州 221116）
摘 要：新疆煤炭资源储量丰富，
是我国重要的煤炭生产接续区和战略性储备区，
开发利用过程中产生
的煤基固废合理处置与资源化问题是制约矿区环境保护的难题之一。总结分析了新疆煤基固废的理化
特征和分类形式及其产生的地质背景。分析表明：吐哈、
准噶尔、
伊犁、
库拜 4大煤田产生的煤基固废的
理化特征存在明显地区差异，
以低阶烟煤为主的低变质煤田区域的煤矸石多以砂岩、
黏土岩、
钙质岩为
主；通过对典型煤基固废的综合评价，
提出了新疆煤基固废梯级资源化利用的产业链布局模式；提出了
以煤基固废的就地充填为基础，
协同发展保水开采、
净水开采、
储能开采等煤基固废利用的新方法，
探讨
了煤基固废－电－化、
煤基固废－电－建等高附加值开发利用产业布局模式，
详细阐述了煤基固废在发电
利用、
建材利用、
化工产品制备、
充填处置及工程填料等方面综合资源化利用方法的原理和技术路线，
提
出了以合理处置矸石和水资源保护为目标的煤炭资源高效集约化开采技术。研究成果对新疆地区优化
煤炭产业布局、
煤基固废梯级资源化利用及矿区生态环境保护具有重要的指导意义。
关键词：新疆煤画；煤基固废；资源化利用；充填开采
中图分类号：TQ536．4 文献标志码：A文章编号：0253－2336（2021）01－0319－13
Prospects of resource utilization and disposal of coal－based solid wastes in Xinjiang
HUANG Yanli1，2，3，WANG Wenfeng4，BIAN Zhengfu1，5
（1．School of Mines，China University of Mining and Tednnology，Xu zhou 221116，China；2．State Key Laboratory of Coal Ｒesources and Safe Mining，
China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；3．Xinjiang Institute of Engineering，School of Mining Engineering and Geology，
Wulumuqi 830023，China；4．Xinjiang University，School of Mining Engineering and Geology，Wulumuqi 830046，China；5．Ministry of Education
Engineering Ｒesearch Center for Mine Ecological Ｒestoration，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）
收稿日期：2020－10－18；责任编辑：郭 鑫
基金项目：国家自然科学基金新疆联合基金资助项目（U1903209）
作者简介：黄艳利（1982—） ，
男，
山东沂水县人，
教授，
博士生导师，
博士。E－mail：huangyanli6567@ 163．com
通讯作者：卞正富（1965—） ，
男，
江苏建湖人，
教授，
博士生导师，
博士。E－mail：zfbian@ cumt．edu．cn
Abstract：Xinjiang Vygur Autonomous Ｒegion，abundant with coal resource，is an important coal resource continuation area and strategic
reserve area in China． Ｒeasonable disposal and resource utilization of coal－based solid wastes generated during mining and utilization is
one of the difficult problems restricting the environmental protection of mining areas． This paper summarizes and analyzes the physical and
chemical characteristics，classification and its geological background of coal－based solid wastes in Xinjiang． The analysis shows that there
are obvious regional differences in the physical and chemical characteristics of coal－based solid wastes generated in the four major coal
fields of Tuha，Junggar，Yili and Kubai． The coal gangue generated in the low metamorphic coalfield area is mostly sandstone，clay，and
calcareous rock． Through the comprehensive evaluation of typical coal－based solid wastes，the industrial chain layout model of cascade re-
source utilization of coal－based solid waste in Xinjiang is proposed． Based on the in－situ filling of coal－based solid wastes，a new method
for the coordinated development of water－preserving mining，water purification mining，and energy storage mining is proposed． Coal－based
solid waste－electricity－chemical，coal－based solid waste－electricity－construction and other high value－added development and utilization
industrial layout models are discussed． Then，the principle and technical route of comprehensive resource utilization methods such as pow-
913
2021 年第 1期煤 炭 科学技术 第49 卷
er generation utilization，building materials utilization，chemical product preparation，filling disposal and engineering filling are elaborated
in detail． Finally，a high－efficiency and intensive mining technology for coal resources with the goal of rational disposal of gangue and wa-
ter resources protection is proposed． These research results will have important practical significance for optimizing the layout of the coal
industry，cascade resource utilization of coal－based solid wastes，and ecological environment protection in Xinjiang Mining Areas．
Key words：Xinjiang；coal－based solid wastes；resource utilization；backfill mining
0引 言
新疆煤炭资源丰富，
预测资源量 2．19 万亿 t，
约
占全国预测储量的 39．3%［1］。新疆原煤产量逐年上
升，2019 年全区煤炭产量达 2． 38 亿t，
同比增长
24．9%。根据国家能源战略部署和自治区经济社会
发展需要，
新疆是我国第 14 个现代化大型煤炭基
地，
同时已逐步形成以吐哈、
准噶尔、
伊犁、
库拜 4大
煤田为中心的重要能源接替区和战略能源储备
区［2－3］。煤基固废是煤炭资源在开采、
加工、
燃烧等
过程的附属产物，
以煤矸石、
粉煤灰最为常见，
通常
作为固体废弃物排放到地面，
形成煤矸石或粉煤灰
堆场。新疆地区属干旱、
半干旱气候，
生态环境极其
脆弱，
土地沙漠化面积达 7．958×105km2，
是我国荒
漠化危害最严重的地区之一［4］。煤基固废的大量
排放不仅压占大量土地资源，
还会加剧新疆水土流
失、
地质沙漠化以及地下水污染等生态问题。
新疆开采条件特殊，
与中东部地区及晋陕蒙接
壤地区存在较大差异，
尤其是煤炭赋存条件及脆弱
生态环境，
煤基固废大规模排放引起的生态环境问
题尤为突出。新疆煤层埋藏深度浅，
平均不足 200
m，
特厚 /巨厚煤层在新疆各煤田中广泛赋存，
且煤
炭开采多采用先进的综放开采、
大采高综采与露天
开采技术，
煤基固废产量大、
产速快，
且输送至地面
距离短，
煤基固废的堆积量远高于消耗量。新疆煤
炭资源成煤年代多为早－中侏罗纪，
加之全区成煤
地质作用程度不一，
导致煤基固废化学组分具有显
著差异，
煤基固废的消纳处理难以实现统一化。新
疆辖区面积 166 万km2，
煤炭开采以 4大整装煤田
为基点集中布置，
在单一煤田内零星分散，
受运输距
离、
处理成本及用户范围等限制，
难以满足煤基固废
集中化处理的要求。新疆富煤区域多为荒漠绿洲生
态系统集中分布区域，
多数地区土地荒漠化严重，
地
表植被以矮小、
根系欠发达的灌木类为主，
多属于荒
漠化植被类型，
比之树形高大、
根系发达的乔木类，
环
境污染的自修复能力较差，
煤基固废堆积产生的污染
物易透过砂土层污染浅埋含水层，
且污染范围大，
对
脆弱生态环境的损害严峻。总体而言，
新疆地区煤基
固废的排放与处理形势不容乐观，
亟须有针对性地加
强煤基固废的规模化处置及资源化利用理论与技术
研究，
为守护新疆的
“
绿水青山”
、
为国家能源战略西
移和生态环境保护提供必要的理论与技术支撑。
目前，
国内外关于新疆主要煤区煤矸石的规模
化处置与资源化利用方面比较系统的资料鲜有报
道，
中东部地区已经积累的煤基固废处理的做法不
完全适用于新疆地区。基于此，
归纳总结新疆煤基
固废的理化特征以及分类形式，
在其地质背景基础
上构建适宜新疆地区煤基固废规模化处置和资源化
利用模式，
详细分析各种煤基固废综合利用与处理
方法的原理、
优缺点、
处理效率和适用条件等，
提出
加快新疆煤基固废资源化开发利用研究的建议，
为
加快推进新疆煤基固废综合利用技术装备水平，
为
新疆地区煤基固废资源化利用及矿区生态环境保护
提供借鉴。
1新疆煤基固废的区域分布规律
煤基固废主要包括煤矸石、
粉煤灰、
锅炉渣以及
少量的煤气化灰渣、
煤液化残渣和烟气脱硫石膏等。
其中，
煤矸石、
粉煤灰是最常见、
污染最严重的煤基
固体废弃物，
粉煤灰是在以煤为能源的火力发电厂
排出，
其理化性质主要取决于原料煤性质和锅炉炉
型［5］；煤矸石是采煤和选煤过程所排出，
其理化性
质主要取决于煤的原生状态。基于此，
选取煤矸石
为典型代表，
分析总结新疆主要煤区煤基固废的区
域分布规律。
1．1新疆主要煤区煤矸石的理化特征
煤矸石赋存于不同地质年代的煤田中，
其矿物
晶体与化学组分构成多与成煤原始物质及变质程度
相关。在4大整装煤田区域内选取 18 个煤矿区的
煤矸石作为统计样品，
包括准格尔煤田 10 个、
吐哈
煤田 4个、
伊犁煤田 3个和库拜煤田 1个，
样品详细
信息见表 1。按照矸石来源、
岩石类型、
固定碳含
量、Al2O3/SiO2、Fe2O3含量、（CaO+MgO）含量及热值
等指标［6］对煤矸石进行分类（表2）。因统计样本数
据有限，
难以真正反映辖区内煤矸石的理化特征，
仅
对数据样本做出参考性分析。由表 1可知：
1）准噶尔煤田内以黏土岩、
砂岩类煤矸石为
主，1 ～ 5、9、10 号煤矸石中 SiO2相对质量分数为
023
黄艳利等：新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究 2021 年第 1期
44．42% ～ 70．25%，6 ～ 8 号煤矸石中 SiO2相对质量分
数小于 30%；1、3 ～5、7、9、10 号煤矸石中 Al2O3相对
质量分数为 12．53% ～ 21．15%，Al2O3含量相对较高，
多数为中低铝煤矸石，
当Al2O3相对质量分数小于
35%时，
不适宜直接提取铝元素和铝系产品；除6 ～ 8
号煤矸石外，
其他煤矸石（SiO2+Al2O3）相对质量分
数均 大于 60%；Fe2O3相对质量分数为 1． 01% ～
9．91%，
多数属于少铁或中铁煤矸石，
仅有 4号煤
矸石的 Fe2O3相对质量分数大于15%，Fe2O3主要
影响烧结制品的颜色和烧成温度； （ CaO+MgO）相
对质量分数为0．69% ～ 8．6%，
属于少钙或中钙煤矸
石，
仅有 8号煤矸石（CaO+MgO）的相对质量分数
大于 15%，
属于高钙煤矸石；准噶尔煤田内煤矸石
烧失量多数小于 25%，
固定碳含量较低，
热值相对
较低。
2）吐哈煤田内吐鲁番和哈密地区煤矸石具有
显著差异，11 ～ 13 号煤矸石地处哈密地区，
煤矸石
成分接近，SiO2、Al2O3、Fe2O3的相对质量分数均小
于5%，
（CaO+MgO）的相对质量分数超过 30%，
属于
钙质岩矸石，
烧失量将近 70%，
按碳含量分属四类
煤矸石，
热值较高；而吐鲁番地区的 14 号煤矸石主
要以 SiO2、Al2O3为主，
相对质量分数超过 80%，
属于
黏土岩类煤矸石。
3）伊犁煤田内数据样本均来源于伊达县，
同县
区域内煤矸石差别仍较大；15、17 号煤矸石化学组
分相似，
主要以 SiO2、Al2O3为主，
相对质量分数超过
80%，Fe2O3、CaO、MgO 相对质量分数不超过 3%，
属
于中铁、
低铝、
低钙；而16 号煤矸石的 SiO2、Al2O3、
Fe2O3的相对质量分数均小于 10%，（ CaO+MgO）的
相对质量分数超过 30%，
属于钙质岩矸石，
烧失量将
近50%，
按碳含量分属三类煤矸石，
热值相对较高。
4）库拜煤田数据样品仅 1个，
来源于阿克苏地
区，
以SiO2、Al2O3为主，
相对质量分数超过 75%，
Fe2O3、CaO、MgO 含量不高，
属于黏土岩类煤矸石。
1．2新疆煤矸石产生地质背景特征
根据国家能源局公告，
截至 2018 年底，
新疆共
有生产煤矿 81 座，
合计产能 15 806 万t /a，
预测煤
矸石产生量 2 370．9 万t /a，
新疆煤矿产能及矸石产
量预测如图 1所示。昌吉回族自治州煤矿数量最
多，
总产能为 6 152 万t /a，
预测煤矸石产量达 922．8
万t /a。吐哈、
准噶尔、
伊犁、
库拜 4大整装煤田区域
内预测煤矸石产量分别占全区比例为 35%、49%、
7%、8%，
煤矸石产量主要集中在准噶尔煤田和吐哈
煤田，
年产量分别约为 1 177．5 万、832．5 万t，
总计占
比达 84%。然而，
煤矸石的处置量与利用量远小于
产出量，
地表现存煤矸石已对堆积地区周围的大气、
水体、
土壤、
地面环境造成了严重危害。
1—乌鲁木齐；2—吐鲁番市；3—哈密市；4—昌吉回族自治州；
5—巴音郭楞蒙古自治州；6—阿克苏地区；
7—喀什地区；8—和田地区；
9—伊犁哈陕克自治州；10—塔城地区
图1新疆煤矿产能及矸石产量预测 ［1］
Fig．1 Production capacity of coal mine
and forecast of gangue output in Xinjiang
新疆煤炭资源呈现“
北多南少”
分布不均的现
象，
北疆煤炭资源储量占全疆煤炭资源储量的 90%
以上，
聚煤盆地主要有准噶尔盆地、
伊犁盆地、
塔里
木盆地、
吐哈盆地，
新疆主要煤田煤质分类见表 3。
新疆主要含煤区煤矸石地质年代特征如下［17－18］：准
噶尔盆地侏罗系含煤地层沉积环境为湖泊沼泽和河
控三角洲体系，
准噶尔东部、
准西北含煤盆地总体为
低变质烟煤带，
煤类以长焰煤、
不黏煤为主，
煤矸石
多属于砂岩矸、
黏土岩矸；准南煤田处在低变质带，
煤类以长焰煤、
弱黏煤为主，
局部含有变质程度较高
的气煤和肥煤，
煤矸石多属于黏土岩矸。吐哈盆地
侏罗系含煤地层沉积环境为三角洲间湾及下三角洲
平原，
吐哈盆地中部总体为低变质烟煤带，
煤类以长
焰煤、
不黏煤为主，
局部地段出现变质程度更低的褐
煤，
煤矸石多属于钙质岩矸，
含碳量和热值均较高，
（CaO+MgO）的相对质量分数超过 30%；吐哈盆地西
部艾维尔沟和东部野马泉煤矿区处在低变质带，
分
布有变质程度较高的气煤、
肥煤、
焦煤和瘦煤等，
煤
矸石多属于黏土岩矸。伊犁盆地侏罗系八道湾组主
要为河流和湖泊沉积环境，
而西山窑组主要为滨浅
湖及过渡三角洲沉积环境，
伊宁煤田、
昭苏煤田煤
类较单一，
多为长焰煤和不黏煤，
尼勒克煤田处在
低变质带，
以气煤、
肥煤为主，
伊宁煤田煤矸石多
属于砂岩矸，
其他 2处煤田暂无样本统计。库拜
煤田煤的变质程度由东向西增高，
东部主要为不
黏煤、
弱黏煤、
少量气煤；中部以气煤、
肥煤和焦煤
为主；西部则为高变质无烟煤和贫煤。由于煤质
变化差异较大，
限于统计样本数量，
难以推断煤矸
石所属岩石类型。
123
2021 年第 1期煤 炭 科学技术 第49 卷
表1新疆主要煤区煤矸石化学成分［7－16］
Table 1 Chemical composition of coal gangue in main coal areas in Xinjiang［7－16］
煤田 编号 化学组分及性质
烧失量aw（SiO2）aw（Fe2O3）aw（Al2O3）aw（CaO）aw（MgO）a热值bFCad a
准噶尔煤田
1 22．18 48．97 5．38 12．53 3．72 4．88 4913 3．76
2 18．20 70．25 1．01 4．68 1．22 1．10 4401 6．20
3 21．93 47．40 9．91 13．25 1．63 1．79 ——
43．24 55．57 15．12 17．07 3．95 1．70 — —
5 2．09 66．61 4．68 17．45 1．07 2．28 — —
6 93．00 1．00 2．40 0．47 0．46 0．23 — —
7 1．49 27．46 2．38 17．72 0．15 2．13 — —
8 51．90 17．70 1．77 5．72 15．10 4．54 — —
9 0．92 63．98 7．60 17．71 4．30 1．92 — —
10 23．76 44．42 5．16 21．15 1．87 7 800 —
吐哈煤田
11 69．19 0．68 2．91 0．23 18．52 15．15 17 053 30．73
12 68．90 0．76 4．04 0．20 15．74 13．91 17 019 30．95
13 72．38 0．46 1．40 0．30 18．26 14．00 18 054 33．79
14 3．56 64．2 5．47 17．29 2．5 1．59 — —
伊犁煤田
15 9．07 67．91 1．08 17．14 1．89 1．62 1 756 0．45
16 55．44 9．71 2．24 2．47 14．22 18．27 12 253 15．27
17 1．02 71．76 2．25 20．38 0．92 1．23 — —
库拜煤田 18 6．61 62．26 8．32 16．57 1．32 3．36 — —
注：1为硫磺沟矿；2位五彩湾矿；3位准东某矿；4为六道湾煤矿；5为苇湖梁煤矿；6为凯源；7为塔城；8为石河子；9为乌昌；10 为某兵团煤矿；11
为哈 1矿；12 为哈 2矿；13 为哈露矿；14 为吐鲁番鄯善县；15 为伊喀矿；16 为伊达矿；17 为伊达县某矿；18 为阿克苏；a单位为%；b单位为 kJ /kg。
表2新疆主要煤区煤矸类型划分［7－16］
Table 2 Classification of coal gangue in main coal areas in Xinjiang
［7－16］
煤田 编号按矸石
来源分
按岩石
类型分
按碳相对质
量分数分
按Fe2O3相对
质量分数分
按Al2O3
/SiO2分
按（CaO+MgO）相对
质量分数分
准噶尔煤田
1煤巷矸 黏土岩 一类 次高铁 低铝 中钙
2剥离矸 砂岩 三类 中铁 低铝 低钙
3—黏土岩 一类 高铁 低铝 低钙
4煤巷矸 黏土岩 一类 高铁 低铝 中钙
5煤巷矸 黏土岩 一类 中铁 低铝 低钙
6——四类 低铁 高铝 低钙
7—黏土岩 一类 低铁 高铝 低钙
8—钙质岩 三类 低铁 中铝 高钙
9选煤矸 黏土岩 一类 高铁 低铝 中钙
10 —黏土岩 二类 高铁 中铝 低钙
吐哈煤田
11 手选矸 钙质岩 四类 中铁 中铝 高钙
12 自燃矸 钙质岩 四类 次高铁 低铝 高钙
13 手选矸 钙质岩 四类 低铁 低铝 高钙
14 选煤矸 黏土岩 一类 高铁 低铝 中钙
伊犁煤田
15 剥离矸 砂岩 一类 中铁 低铝 低钙
16 煤巷矸 钙质岩 三类 中铁 低铝 高钙
17 选煤矸 黏土岩 一类 中铁 低铝 低钙
库拜煤田 18 选煤矸 黏土岩 一类 高铁 低铝 中钙
注：1为硫磺沟矿；2为五彩湾矿；3为准东某矿；4为六道湾煤矿；5为苇湖梁煤矿；6为凯源；7为塔城；8为石河子；9为乌昌；10 为某兵团煤
矿；11 为哈一矿；12 为哈二矿；13 为哈露矿；14 为吐鲁番鄯善县；15 为伊喀矿；16 为伊达矿；17 为伊达县某矿；18 为阿克苏。
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