煤矸石污染研究进展及公路应用现状

摘 要：煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的固体废物，它含有多种有害微量元素，这些微量元素一定程度上对环境和人类造成危害。国内外多名学者在煤矸石堆放对土壤和水所造成的污染这一课题均有研究，结论是煤矸石堆放经过自燃、淋滤、风化等作用使有害元素逸出对水和土壤带来污染。煤炭作为当今社会的主要能源产量一直增加，煤矸石产量随之增加，煤矸石资源化利用具有较强的急迫性。煤矸石因其特性作为路基材料具有可行性，在法国、美国、前苏联、英国等国家公路中的应用成为煤矸石消耗的主要途径，我国也已有工程实例。煤矸石在公路上的应用可能会对地下水和土壤造成污染，现在尚无确切研究说明这一问题，这必将是我们下一步所面临的新课题。

关键词：煤矸石；环境；公路；污染

引言

煤炭作为重要的能源资源，其主要地位短时间内不能被取代，且随着社会发展，对能源的需求量逐渐增加，因此煤的产量也日益增加来满足社会需要。煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量低，比煤坚硬的黑灰色岩石，排放量约为煤炭产量的15%～20%，每年正以3亿～4亿吨的产量堆积，是我国目前年排放量和累计存量最大的工业废弃物之一。煤矸石中含有多种有害、有毒以及放射性元素，如汞、铍、铅、铬、镉、氟、锰以及一些放射性元素等，会对环境和人类健康造成危害。

1 煤矸石对土壤—水环境的污染

煤矸石日益堆积，必会占用更多的土地，原本我国人均耕地占有量就少，矿区又多靠近农田，煤矸石产量增加占用农田土地，且煤矸石的颜色较深影响环境美观，同时粉尘也会对大气造成一定程度的污染，堆放的煤矸石极易发生自燃现象，带来诸多不利影响。煤矸石堆放所带来的危害中，最突出的是，煤矸石的大量堆存，使其在风化、淋溶等作用下对土壤和地下水资源造成了污染，不符合可持续发展的理念，国内外已经对这一危害进行了多方面研究论证。

B.S.Panov等对俄罗斯著名煤田Donets所处生物圈中的煤矿废物即煤矸石堆的沉积过程进行调查，共采集了30000个土壤样品，对土壤中的重金属及其其他元素化合物的分布进行了研究，测定样本中汞、砷、铅、锌、镉等其他元素含量，分析结果表明，这些元素含量均超标，砷甚至是标准的24倍。此项研究证实了煤矸石堆放带给土壤不可避免的重金属污染[1]。

Teixeira E C等对Baixo Jacui地区煤炭开采区域河流底部沉积物进行研究分析，其化学成分中存在高浓度的铬、铜、铁、镍、锌，表明河流已经受到采矿活动的污染[2]。

华南理工大学党志、中国科学院地球化学研究所刘丛强和牛津布鲁克斯大学的Martin J. Haigh 在英国南威尔士的Blaenavon煤矿区采集样本，分别采用两种不同的方法，即矿物方法和连续提取等对国家现有煤矸石的重金属的化学形态分析。结果表明，煤矸石中重金属的流动性取决于自身状态、其来源矿物的稳定性以及煤矸石自身属性。煤矸石的风化会释放一部分的重金属到环境中，随着淋溶作用重金属抵达土壤内部。此研究表明煤矸石在自然风化和雨水淋溶作用下会对周围环境造成一定的危害，最主要的便是对土壤和水资源带来污染[3]。

崔龙鹏等在对淮南矿区煤矸石堆附近土壤中汞的含量调查中，发现煤矸石中汞由于长期风化淋溶作用有一定的但是过程缓慢的迁移。同时从不同开采历史的3个矿井区选择了4条土壤采样线，对煤矸石堆附近的土壤样品进行系统采集，对土壤中主要有害元素铜、镍、锌、铅、锡、铬进行分析，并评价重金属的富集水平。结果表明，矿区土壤已经被来自煤矸石堆积重金属所污染，并具有一定的累积性，各有害元素有较强的迁移性，部分矿井区土壤中所含量已超过国家一级污染标准[4，5]。

王心义等对焦作矿区煤矸石长期堆放造成的重金属污染进行研究，结果表明，煤矸石中重金属淋出具有长期性，矿区土壤对重金属具有富集性和迁移性[6]。

王新伟等对平煤矿区煤矸石堆积区地下水重无机盐成分分析，结果表明，平煤矿区煤矸石堆积区地下水污染严重，主要污染来源于煤矸石[7]。

以上国内外学者的研究表明，煤矸石对土壤-水环境造成的污染比较严重，处理不当便会给周围居住人们带来对身体健康的威胁。煤矸石堆放带来的问题已经十分突出，因此对煤矸石这一固体废物的资源化利用问题已有刻不容缓的趋势。

2 路用煤矸石

2.1 煤矸石的路用性能

煤矸石从化学成分上来说，以硅铝为主，并含有较低的碳；从矿物成分角度说，以石英、云母、长石、伊利石、高岭石等为主。煤矸石颗粒具有一定粗糙的表面和一定的棱角，碾压后相互嵌挤比较紧密，产生一定的摩擦力，并且煤矸石颗粒与水泥胶结材料作用，是煤矸石具有良好的路用性能。理化特性（如颗粒组成、膨胀性及崩解性、压密性、水稳性、渗透性、剪切强度等）非常符合路面基层材料的要求，并且用于道路基层适用于多种类型煤矸石，没有其他特殊要求。这些特性表明，将煤矸石应用于公路之中，是消耗煤矸石的优良途径。

2.2 国内外煤矸石路用现状

从国外看，将煤矸石应用于公路建设中这种资源化利用途径开始的较早。现在，消耗煤矸石的主要途径即将煤矸石做为路基填充材料。法国目前拥有500多座煤矸石山，堆存量达10亿吨。红色煤矸石，即燃烧过的煤矸石渣，被认为是很好的填充材料，易于压实，可使路基具有良好的不透水性，法国北部所有载重道路都是使用这种材料作为路基。美国利用红色煤矸石作为筑路材料，是其国内目前煤矸石用量最大的一种途径。前苏联巴斯顿矿区每年排出6000万吨煤矸石，积存的矸石约8亿吨。加工后的自燃煤矸石作为筑路材料，铺在沥青混凝土路面下，作双层垫层的底层，提高路面的稳定性和耐久性。英国煤矸石山有800座，煤矸石量达16亿吨。在煤矸石的公路应用中，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，煤矸石被认为是一种优良和经济的材料，得到广泛应用。

我国对于煤矸石的资源化利用自20世纪70年代开始，但是由于经济条件和设备条件的制约，煤矸石在公路上的应用尚处于初步发展阶段。但是也有具体路段采用煤矸石作为路基填充材料，如1998年京福高速公路曲张段做了煤矸石筑路的试验，取得了成功，并推广应用在后来的10多公里路段中。2003年12月开工的平顶山至临汾高速公路，是“国家重点公路建设规划”中所确定的16条东西干线之一的上海至洛阳国家重点公路之重要段落，该项目有10.2km的路段全部用煤矸石填筑，至2005年7月完工，使用状况至今良好。同时，国内也将二灰煤矸石应用在旧路冷再生技术中。