矿井位于8省20个矿区，井工矿矸石产量为3166万t，露天矿矸石产量约733万吨/年，全部用于矿坑回填。受煤矿地质条件、开采技术条件和洗选条件影响，矸石分布呈现范围广、结构复杂、类型多样等特征。内蒙古、陕西、新疆的矿井多属于现代化大型矿井，矿井产能大，煤矸石产量也较大，但矸石产率属于中低产矸率矿井，多数矿井的地质条件较好，洗选矸石量一般大于掘进矸石量。山西地区矿井分布多，不同矿井差异性明显，个别矿井矸石产量和矸石产率都比较大，达到30%以上，主要是矿井地质条件复杂，煤层厚度及倾角变化比较大，断层等不良地质构造发育，导致回采和掘进的矸石量增大。在地质条件较好的矿区，如平朔矿区，乡宁矿区，矸石产量和矸石产率都较小，一方面是地质条件简单，采掘过程中矸石较少，另一方面矿井煤质较好，采出煤炭不用洗选，从而矸石产量很小或者不产出矸石。安徽地区新集矿区整体产能较大，一般老矿井比新建矿井的矸石产量大，新建矿井在开拓采掘设计时更体现先进性。大屯公司矿井建设时间较长，整体矸石产量和矸石产率较大。 煤矸石化学成分以SiO2和Al2O3为主，SiO2含量在45%~69%之间，Al2O3含量在12%~39%之间；矿物组成以高岭石、石英为主，含有少量伊利石、蒙脱石、方解石以及绿泥石。煤矸石多为低热值、高灰分、高中硅铝比黏土岩，具有发电、制备建材、井下充填、土地复垦等多元综合利用属性。 中国中煤所属矿井在煤矸石多态充填以及土地复垦等方面做了大量的研究工作，建立了多项示范工程，取得了良好的应用效果。 固体充填方面，葫芦素煤矿集成巷旁墩柱墙沿空留巷+固体充填技术，建成了综合机械化固体充填沿空留巷工作面，充填效率提高50%以上，矸石充填能力可达100万t/a，矸石处置成本约25元/t；基于矿井煤层夹矸量大和地质构造复杂造成矿压显现剧烈的问题，小回沟煤矿建成综合机械化固体充填系统，改变传统的垂直投料方式为大倾角（23°）长距离下运皮带输送，显著减少了矿建工程量，矸石充填能力为100万t/a。吴玉意[111]提出了综采双掩护漏矸固体充填技术，并研发了综采双掩护漏矸固体充填液压支架，克服了传统固体充填与采煤不能平行作业、支架夯实机构和后刮板运行干涉、刮板易卡顿受损等问题，大幅提高矸石充填能力。 膏体充填方面，黄家沟煤矿、禾草沟煤矿为回采“三下”压覆煤炭资源，相继开展了膏体充填开采技术研究；吴玉意[112]根据现场工程需要，进一步研发了采充凝平行式膏体充填支架，攻克了传统膏体充填技术“以充定采”等工程难题，实现了采充、采凝平行，提高了工作面回采速度及采煤能力。 浆体充填方面，基于蒙陕地区高产高效矿井煤矸石的绿色化低干扰和高效化低成本处置需求，笔者团队[113]提出了煤矸石浆体充填技术，构建了低位灌浆、邻位、高位注浆充填技术体系，先后在黄陵二号煤矿、张家峁煤矿、安山煤矿建立了示范工程；马新青团队[114]和许家林教授团队[115]合作提出了覆岩隔离注浆充填技术，为西部地区矸石处置难题提供了有力支撑。葫芦素煤矿率先建设完成覆岩隔离注浆充填系统，矸石处理能力达150万t/a；大海则煤矿作为中国中煤主力生产矿井，高产高效开采的同时矸石量逐年骤增，应用矸石覆岩离层注浆技术，矸石处置能力可达150万t/a，矸石处置成本约70元/t；门克庆煤矿为了合理开采铁路环线、炸药库下压煤，应用离层注浆减沉技术释放了“三下”煤炭资源146万t，处置了100万t煤矸石，处置成本约70元/t。母杜柴登煤矿建成了矸石离层注浆充填处置系统，矸石处理能力为100万吨/a，处置成本约48元/t。 土地复垦方面，白羊岭煤矿现有排矸场按规定要求边排矸边覆土，并建设有配套污水处理系统，有效避免了污染物质在土壤中逗留、转化、分解、沉积等过程，矸石处置能力达50万t/a。中国中煤所属部分矿井煤矸石规模化处置效果如下所示。 为了响应煤矿绿色开采和“双碳”目标的需求，中国中煤近年来一直致力于煤矸石多途径综合利用的研究和应用，在煤矸石发电、生产建材、回收有益矿产、农业应用、井下充填、土地复垦等方面取得了长足进展，而在煤矸石制备化工产品方面亟待攻关。由于煤炭生产矿区地理跨度大，煤层赋存条件差异大，地质条件复杂多变等客观因素所导致的中国中煤煤矸石产出及其综合利用面临如下挑战： （1）煤矸石分布范围广、资源属性差异性大，煤矸分布、产出特征与矸石可利用特性不清晰，综合利用技术的确定方法缺乏科学依据。 （2）各矿区普遍存在矸石产出与利用能力的不平衡，矸石处置技术和装备发展水平不充分，缺乏系统型、复合型、引领型的科学综合化利用途径。 （3）各矿区面临的环境政策不同、区域经济结构不同，导致煤炭资源规模化开发与煤矸石利用刚性经济及环境约束之间存在矛盾。 技术攻关层面，通过筛分、磁选、浮选等方法，分离煤矸石中的有用矿物和杂质。利用化学试剂溶解或转化煤矸石中的特定成分，提取有价值的元素或化合物。通过微生物的作用，分解煤矸石中的有机物质，提取有用成分。矸石优先以制备化工产品、绿色建材、农业应用等资源化、高值化利用为主；不符合标准的矸石以及高值化利用后剩余矸石实行井下充填、土地复垦、塌陷区回填等进行生态修复与封存保护，就地消纳。 标准制定层面，现阶段针对煤矸石不同资源化技术路径，在施工工艺、污染控制、监测指标等方面缺乏统一的标准规范指导，同时针对不同地区，环境污染的监测数据标准值适应性有待商榷。政府加强引导，制定相关政策鼓励高校、科研院所、厂家积极参与，尽快形成适应于不同地区、不同应用场景的统一标准指导施工。同步建立煤矸石资源化产品的市场交易机制，促进资源有效配置。煤矸石梯级利用示意如下所示。 开采矸石实现源头减量化开采，可以在采煤端、选煤端及充填端进行一体化布局，煤矸石源头减量示意如下所示。 采煤阶段，优化巷道布置，将巷道布置于煤巷内；通过先进的传感器、数据采集和三维建模技术，使地下环境“可视化”，为矿山开采提供数据支持；采煤机搭载系列传感器，自主调整截割轨迹，实现源头减量精准开采。选煤阶段结合X射线、红外、激光等多种传感器，提升识别精度；设备小型化、集中化、模块化布置，压缩巷道布置空间，减少巷道掘进，提高作业安全。充填阶段，利用笔者团队自主研发的浆体充填技术以及固体、膏体充填液压支架等装备，实现采充平行，提高工作面充填采煤能力，最终实现产矸量和充填量的动态平衡。 延伸煤矸石捕集矿化CO2制备浆体的工业化工艺路线和相关材料、装备，揭示采空区储层CO2运移规律、围岩变形规律，丰富CO2封存安全及环境影响评价等理论；形成煤矸石矿化CO2制备负碳充填体综合解决方案，最终实现煤矸石与CO2高效协同处理以及煤矸石高值化利用引领示范。煤矸石浆体负碳充填如下所示。 （1）中国中煤所属矿井分布于8省20个矿区，煤矸石化学成分以SiO2和Al2O3为主，SiO2含量在45%~69%之间，Al2O3含量在12%~39%之间，矸石主要类型为高硅铝、中硅铝比以及黏土岩，其理化性质具备多元利用潜力。 （2）受煤矿地质条件、开采技术条件和洗选条件影响，矸石分布呈现范围广、结构复杂、类型多样等特征。安徽、江苏、河南和黑龙江地区煤矸石综合利用呈现“周边辐射型”特点，山西、陕西、内蒙古、新疆地区煤矸石综合利用呈现“自给自足型”应用特点。 （3）中国中煤在煤矸石发电、生产建材、井下充填、土地复垦等方面取得了长足进展，而在煤矸石制备化工产品方面亟待攻关。由于煤炭生产矿区地理跨度大，煤层赋存条件差异大，地质条件复杂多变等客观因素导致中国中煤煤矸石产出及利用缺乏系统型、复合型、引领型科学综合利用途径。 （4）提出煤矸石梯级回收结合资源化利用、煤矸石源头减量化开采以及煤矸石矿化CO2负碳充填研究3项展望，为中国中煤煤矸石高值化、规模化、无害化处置利用提供技术支撑，为煤炭资源绿色开采及“双碳”目标实现提供一条技术经济均可行的技术路径。
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