1. 煤矸石山的生態環境危害
煤矸石露天堆放，一方面壓佔大量的土地，另外暴露在空氣中極易發生一些物理化學反應，發生自燃、揚塵等現象，對礦區及其周邊地區的大氣、水體等造成嚴重污染；另一方面煤矸石山在外力的作用下還可能發生坍塌、泥石流等地質危害，產生生態破壞、景觀破壞，引發社會問題，最終危害礦區的生態安全和人類健康（圖1-1）。
圖1-1 煤矸石山可能引起的生態環境危害
一、煤矸石山的物理危害
1.占壓土地
煤矸石是我國目前工業排出的固體廢棄物中數量最大的一種。據統計，我國國有重點煤礦現有煤矸石山1700多座，堆積量達50×108t以上，佔地面積超過20000hm2，而且隨著煤炭的開采，煤矸石以每年約5×108t的數量增加，約占土地面積300～400hm2，造成了大量土地資源的浪費，使農民失去土地，也破壞了原有的土地結構和景觀結構。在我國人多地少的基本國情下，矸石山佔用大量的土地資源，加劇了人地矛盾，對社會和經濟發展造成的影響已不容忽視，必須加快對煤矸石的綜合利用，或進行綠化復墾，進而減少和消除矸石堆放所佔用的寶貴的土地資源（圖1-2）。
圖1-2 煤矸石的堆積壓佔了大量的土地
2.揚塵對大氣環境的污染
煤矸石在空氣中很容易發生風化，遇風會產生揚塵現象。由煤矸石引起的細小粉塵顆粒物質進入人體肺部，導致如呼吸道、肺部的疾病，甚至導致癌症；大粉塵顆粒進入眼、鼻、嘴等器官，容易引起感染，特別是風化粉塵中常常含有對人體有害的重金屬元素和有機元素，危害人體健康。另外，顆粒懸浮於大氣中容易造成氣候異常。
3.煤矸石山引發的地質災害
自然堆放的煤矸石由於堆放方式、自燃、風化等原因，使得煤矸石山很不穩定，從而極易引發地質災害。
（1）煤矸石山崩塌和滑坡。煤矸石山多為自然堆積而成，具有坡度大、內部結構疏鬆的特點，而且受矸石自燃等的影響，煤矸石山非常容易發生崩塌、滑坡。如1994年，山東棗庄煤礦北煤井一矸石堆發生坍塌，導致17人死亡，7人受傷。
（2）煤矸石泥石流。山區煤礦大多數直接將煤矸石傾倒於溝谷中，這些結構疏鬆的煤矸石成為泥石流的物質源，一旦山谷中由於降雨等形成較強的徑流條件，即可形成泥石流災害。如2004年5月，重慶市萬盛區的煤矸石山發生泥石流，造成了嚴重的人員傷亡，有5人遇難，16人失蹤，14間房屋被埋。2009年6月，重慶合川雙鳳煤矸石山引發泥石流，將兩村民埋沒死亡。
（3）煤矸石山爆炸。選煤廠煤矸石和其他具有一定熱值、硫含量較高的煤矸石堆積而成的煤矸石山，一般發熱量可達到3350～6280J。此類煤矸石山由於內部發熱，並隨著溫度的蓄積，溫度最高可達800～1200℃，形成一個高溫高壓的內部環境。風化後的煤矸石山表面覆蓋了一層較細的風化顆粒，內部熱量和瓦斯氣體散發不出來，當煤矸石山內瓦斯氣體的濃度達到一定程度，極易產生爆炸，並引起崩塌、滑坡等地質災害，對附近居民的安全造成嚴重威脅。
自燃煤矸石山爆炸時釋放出大量的熱能，瞬時溫度可達2300～2500℃。爆炸拋出的高溫矸石可引起周圍建築火災，燒毀周邊的樹木、工廠設備，燒傷人員，也是引發連續爆炸的主要熱源。圖1-3所示是某座矸石山發生爆炸產生的高溫熱浪將20多米遠的樹木葉子燒焦，可見爆炸產生熱量之高，危害之大。
圖1-3 矸石山爆炸產生高溫熱浪對環境的破壞
圖1-4 矸石山爆炸產生粉塵對環境的破壞
自燃矸石山爆炸不僅產生高溫，而且爆炸壓力也很高。高壓可以促使爆源附近的氣體以極大的速度向外沖擊，其傳播速度可達2340m/s，對礦井地面建築和器材設施造成破壞，同時，沖擊波可揚起大量矸石粉塵，並使之參與爆炸，造成局部粉塵的連續小爆炸，形成更大的破壞力。沖擊波可以在它的作用區域內產生震盪作用，使物體因震盪而鬆散，甚至破壞。據研究，當沖擊波大面積作用於建築物時，波陣面超壓在20～30kPa內，就足以使大部分磚木結構建築物受到強烈破壞（圖1-4、圖1-5）；超壓在100kPa以上時，除堅固的鋼筋混凝土建築外，其餘部分將全部破壞。
圖1-5 平煤四礦「2005年5月15日」煤矸石爆炸事件災後房屋
2005年5月，河南平煤集團煤矸石山發生自燃崩塌，造成周邊房屋嚴重破壞和人員傷亡；另外在搶險過程中，煤矸石山又發生3次噴發，造成8人遇難，122人灼傷。焦作礦區1988年的一次矸石山爆炸，造成6名兒童死亡。矸石山爆炸已經是我國煤礦常見的地質災害，給礦區人民的生產生活造成了極大的傷害和財產損失。2001年5月13日，陽泉一礦正在使用的排矸場上，發生一起煤矸石山爆炸事故，造成一人死亡。據不完全統計，我國每年發生的矸石山地質災害幾十起。由此可見，我國煤矸石山安全現狀不容樂觀。
4.煤矸石山的水土流失
自然堆放的煤矸石山一般坡度較大，有些煤矸石山的安息角高達40°以上。由於煤矸石的粒徑較大，堆放初期，表面的煤矸石風化程度低，煤矸石山入滲能力較強。隨著表面煤矸石風化程度的提高，入滲能力逐漸降低，使得煤矸石山表面徑流加大，造成土壤的沖刷。近年來煤矸石堆放一般需要經過壓實，經過機械碾壓的煤矸石山表面由於形成緻密的「不滲層」，在暴雨天氣下其上覆蓋的表土極易造成嚴重的水土流失（圖1-6）。
圖1-6 陽泉煤矸石山的水土流失現象
二、煤矸石山的化學危害
1.自燃的危害
由於煤矸石山中含有一定量的殘煤、碳質泥岩、廢木材等可燃物和易氧化釋放熱量的硫鐵礦和硫等化學物質，野外露天堆放的煤矸石極易發生自燃。首先是煤矸石里的黃鐵礦（FeS2）氧化產熱，當溫度達到可燃物的燃點時，引起殘煤、炭質等可燃物質的自燃，進而導致起煤矸石山自燃。自燃後的煤矸石山內部溫度可達800～1200℃，並釋放出大量CO、CO2、SO2、H2S、氮氧化合物、苯芘等有害氣體（表1-5）。
在供氧不足時，主要產生的氣體為：
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
當供氧充足時，碳質物和黃鐵礦的氧化反應更激烈：
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
在高溫作用下：
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
自燃煤矸石山治理與生態重建技術
表1-5 中國部分自燃煤矸石山污染監測結果 單位：mg/m3
據統計，全國國有重點煤礦所屬的1700多座煤矸石山中，約1/3的矸石山正在發生燃燒。其中，山西陽泉煤業集團累計矸石量達1×108t，現有大小煤矸石山20多座，而且大部分都在自燃。煤矸石在自燃過程中放出大量的SO2、H2S、CO、CO2和NOx等有害氣體並伴有大量煙塵。常年自燃的矸石山，每平方米燃燒面積每天將向大氣排放出CO 10.8g、SO2 6.5g、H2S和NOx 2g。大量的SO2、H2S、CO、CO2和NOx等有害氣體的釋放，不僅對礦區環境造成破壞，而且對周圍居民的急、慢性疾病的發生率均有顯著影響。煤矸石自燃時大量SO2、NOx進入大氣，還是造成酸雨的源頭之一。另外，煤矸石在露天堆放時，矸石表面會風化成粉塵，在風力作用下，整個礦區飛沙走石，遮天蓋日，全都籠罩在黑色煤塵包圍之中，對周圍大氣環境造成嚴重不良影響。
我國矸石山自燃以黃河中上游一帶較為嚴重，如寧夏的大部分煤礦矸石山，內蒙古的烏達礦矸石山，陝西的銅川礦區矸石山，山西太原西山煤田的東西礦區矸石山、陽泉煤業集團煤矸石山，河南的焦作、平頂山等礦區矸石山均發生大面積自燃，不僅污染大氣，還影響人體健康。例如，陽煤集團現在堆積有20多座矸石山，年排矸量約700×104t。由於大量洗矸和部分洗矸中的煤源源不斷地堆上了各礦的煤矸石山，一至四礦4座特大型煤矸石山先後發生了大面積自燃，煤矸石山自燃嚴重污染了排矸作業環境，影響排矸工人身體健康。在排矸現場的工人，經常發生SO2和CO中毒症狀，被送往醫院搶救。經陽煤集團環境監測站采樣監測，SO2平均濃度為19mg/m3，CO為125.9mg/m3，在排矸場局部地區SO2最高濃度達138mg/m3，CO最高濃度達237mg/m3，分別超過國家大氣環境質量三級標准196倍和10.9倍，對排矸場周圍的農作物和居民都造成了嚴重污染，使村、礦矛盾尖銳化。例如：銅川礦務局6個自燃矸石山周圍均為癌症高發區，在矸石山附近工作過5年的職工，都患有肺氣腫。我國烏達躍進選煤廠矸石山燃燒區附近檢測結果：SO2平均濃度為10.69mg/m3，超過國家標准70多倍，而H2S平均濃度為1.57mg/m3，超過國家標准150多倍。
煤矸石山自燃產生大量CO、SO2等有毒有害氣體。一座煤矸石山自燃可長達十餘年至幾十年，由於長期釋放大量有毒有害氣體造成了嚴重的大氣污染，使得自燃煤矸石山周圍地區呼吸道等發病率明顯高於其他地區（圖1-7、圖1-8）。煤矸石山自燃釋放出的SO2等氣體對綠色植物的葉片細胞產生危害作用，導致葉綠素枯死。SO2濃度嚴重超標，還會導致一些敏感植物死亡。SO2對綠色植物的污染受害濃度見表1-6。
圖1-7 煤矸石山的自燃產生大量有毒有害氣體
圖1-8 陽泉煤矸石山的自燃
表1-6 SO2對綠色植物的污染受害濃度
續表
2.酸性水污染和有毒重金屬污染
矸石風化物無粘結性，礦物顆粒可隨降水而移動，風化物中有毒元素等某些成分可隨降水滲入土壤、進入潛流和水系等。據研究表明，矸石中氯離子、碳酸氫根、鎂離子、鈣離子、鉀離子、鈉離子組成和含量與內陸鹽漬土的鹽分組成和含量相似，影響矸石山上的植物生長。嚴重的是，矸石中含有多環芳烴等多種微量重金屬元素，這些有毒重金屬元素通過雨水淋溶滲入土壤或進入水域，對水環境和土壤環境造成污染，其污染程度則取決於這些元素的含量、煤矸石pH和淋溶量的大小。這些重金屬元素被農作物吸收，同時通過食物鏈進入人體，危害人體健康。煤矸石中淋溶析出的金屬元素有Cd、Pb、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Al、Ca等，它們的排放與轉移會對接納水體造成污染（圖1-9）。Cd、Pb、Hg、Cr、As等重金屬離子的毒性非常大，能在環境中蓄積於動植物體內，對人體健康產生長期的不良影響，會引起急、慢性中毒，造成人體肝、腎、肺等組織的傷害，嚴重時甚至能夠導致畸形、癌變和死亡。
圖1-9 煤矸石山淋溶產生的酸性礦山廢水嚴重污染周圍的土壤和水體
我國許多地區煤矸石含硫量較高，如山西陽泉煤矸石含硫量5.77%，四川南桐煤礦矸石含硫量18.93%，貴州大枝煤礦8%～16.08%，煤矸石中的黃鐵礦經過氧化、淋溶作用，形成富含硫酸根、鐵、重金屬等有毒元素的酸性水；煤矸石山自燃產生的SO2、CO2等與水分子結合，也易使煤矸石山土壤酸化，有的煤矸石山土壤pH可達到3。如2006年甘肅雷壇河遭煤矸石侵襲，致使兩萬人飲用水源受威脅。河道的一大半已經被一座上面寬約2m、下面寬約10m、高約5m、綿延約200m的煤矸石山占據，底部的煤矸石全部浸泡在河水中，嚴重污染了河水，使飲用水水源遭到污染。
3.煤矸石對環境的放射性污染
在長期的堆積過程中，煤矸石中放射性元素大量析出，使空氣中的放射性元素濃度增大，超過其本底值造成輻射污染。煤矸石中天然放射性元素主要為鈾-238、釷-232、鐳-226、鉀-40。據山西省陽泉等礦區監測，矸石中的天然放射性核心元素均高於原煤和土壤中的相應數值。
依據我國《放射防護規定》、《建築材料放射衛生防護標准》和《建築材料用工業廢渣放射性物質限制標准》中的有關規定，結合全國部分地區土壤放射性核元素含量，可以認為煤矸石不屬於放射性廢物，而屬於一般工業固體廢物。煤矸石即使100%用於建材製品，亦滿足有關放射性限制標准和衛生防護限制規定。
三、煤矸石山對礦區景觀的破壞
煤矸石山的堆放直接改變了原有土地的結構和功能，毀壞了原有的植物生態系統，使原有土地變成了寸草不生的「石質荒漠」；另外煤矸石多為灰黑色，且大部分煤矸石山山體高大，有的甚至高達100多米，巨大的光禿禿的黑色煤矸石山成了煤礦區最主要的標志物，與礦區周圍山體、植被、農田等自然景觀極不協調；自燃煤矸石山還冒著白色的煙霧，嚴重破壞了礦區的自然景觀（圖1-10）。
圖1-10 煤矸石對礦區景觀的破壞
煤矸石山的風蝕揚塵、塵埃等顆粒物覆蓋在建築、植物、道路等之上，使其失去原來色調；煤矸石揚塵降低了空氣的清潔度和光照度；煤矸石山流水和經雨水沖刷帶下的煤矸石風化物，破壞水體景觀。煤矸石堆放產生的粉塵、自燃產生的有毒有害氣體等對植物生長存在很大的影響，如植物葉色變黃、生長速度降低、草地植被種類減少等，對礦區的生態系統和植被景觀產生了嚴重破壞（圖1-11）。
圖1-11 煤矸石山對礦區景觀的破壞
2. 煤矸石、礦坑水、黃土的最佳配置問題
目前，大峪溝三號井排出的礦坑原水和本次配製的煤矸石礦坑水混合液要實現達標排放，關鍵的問題是提高廢水的pH值。上述實驗證明，黃土的摻入是一可行的辦法，但需考慮黃土的採挖運輸等成本和加入過程中有可能帶來的礦化度增高、水質咸化等問題。因此，如何科學合理地控制煤矸石、礦坑原水和黃土三者的比例，使處理後的水既能達到國家規定的排放標准，又能以最少的黃土使用量處理最多的煤矸石和礦坑水，就成為煤礦山廢物綜合一體化處理方案中一個不可迴避的問題。
這一問題實際上就是一個線性規劃問題。線性規劃是20世紀初由法國數學家Fourier提出，1947年G.Dantzig提出單純形法求解線性規劃問題，使解線性規劃的方法通用化。單純形法的基本思想是:根據問題的標准型，從可行域中任意找出一個基本可行解(稱為初始基本可行解)，從這個解出發，轉換到另一個基本可行解(頂點)，並保證目標函數的值逐漸增大，當目標函數達到最大值時，就得到了問題的最優解。對於一個實際問題進行線性規劃時，應包括以下幾方面內容:①首先要根據已知條件及所要求的問題，用一組變數x1，x2，x3，…，xn來表示，這些變數稱為決策變數(decision variable);②每一個問題都有一個目標，以決策變數的線性函數來表示，稱為目標函數，它是衡量系統優劣的標志，體現了最優規劃的一種准則;③每一個問題都有一定的限制條件，這些條件稱為約束條件，是用一組線性等式或不等式來表示的。
受時間、條件的限制，上面所講的最優化方案的獲取不可能通過各因子交叉實驗來實現，為此，本次研究運用了系統工程中尋求最優化方案的技術予以解決。
研究過程分以下幾個步驟。
1)選取約束條件:約束條件的選擇應以廢水排放的國標為准，兼顧Ca2+、Mg2+、SO42－、礦化度等非限制指標使其盡可能地保持較低濃度。上述實驗表明，三者混合液pH值增高的同時，Ca2+、Mg2+、SO42－和Fe、Mn離子的濃度呈下降的態勢，所以，可用pH值為6作為該問題的約束條件。另外，上述實驗是在常溫常壓和有氧環境中進行的，固液比保持1∶5，煤矸石與黃土的混合比保持在1∶1～100∶1的范圍內，這些也是約束條件，即運籌計算時可行解域不得超出這個范圍。
2)目標函數的建立:在最優化決策中，每一個問題都有一個明確目標。這個目標以決策變數的函數式來表達，稱為目標函數。本次研究的問題是以滿足前面約束條件的前提下，黃土摻入量最少為待求方案，所以目標函數中包括了煤矸石、礦坑原水、黃土和pH值四個決策變數，前三者與pH值的數量關系由實驗結果統計得出。
3)最優化方案的計算:本次計算採用具有人工變數的「罰款法」來完成。在解決線性規劃問題時，當約束條件為「≤」時，可將約束條件標准化後直接求解。但是，當約束條件為「≥」或「=」時，經標准化後，約束方程組系數不存在單位矩陣，無法形成一個現成的初始基本解。這時需要在約束方程中引入非負的人工變數(artificialvariable)，構成單位矩陣。這種人工變數沒有物理意義，僅是為了求解方程方便而引入，所以解的結果必然使這些變數為零，才能保持改變後的課題與原題等價，否則說明原題無解。處理人工變數的方法之一為「罰款法」。
(1)目標函數的建立
煤矸石、礦坑原水、黃土三個決策變數之間的函數表達關系基於前述四組實驗(三種物質混合實驗)的第24小時實驗結果。其中黃土的摻入量用X1表示;煤矸石的處理量用X2表示;礦坑原水的處理量用X3表示;三者混合液的pH值用X4表示。相關數據見表4.18。
表4.18 決策變數的取值
研究發現，三者混合液的pH值與其他變數的統計關系均為非線性(圖4.7)，經過多次試算，得到了最佳擬合結果:
煤礦山地質環境問題一體化治理研究
方程的R2=0.995，回歸平方和SSR=0.132，殘差平方和SSE=0.001。
圖4.7 混合液的pH值與其他變數的統計曲線圖
該數學模型表達了如下的物理含義:三者混合液的pH值大小是由黃土、礦坑原水、煤矸石相互作用的共同結果;礦坑原水數量越多，pH值越小，兩者之間是負相關;黃土和煤矸石對pH值增大產生正的貢獻;pH值的大小與三種物質量的多少不是簡單的線性(比例)關系;從相關系數平方R2和殘差平方和的數值來看，該數學模型證明了四個變數的對數值存在極好的線性統計關系，擬合效果也達到了相當高的精度，可用於進行內插計算。
經移項調整，式(4.3)變為
煤礦山地質環境問題一體化治理研究
將式(4.4)進行變數代換，得
煤礦山地質環境問題一體化治理研究
式中:Z=lnX1+670.823;Z2=lnX2;Z3=lnX3;Z4=lnX4
利用式(4.5)，得到目標函數的數學表達式為
煤礦山地質環境問題一體化治理研究
(2)約束條件的數學表達
綜合一體化的處理方案中，尋求最優方案必須滿足以下四個條件。
A.煤矸石與黃土混合比
上述有關實驗之所以將煤矸石與黃土的混合比限制在1∶1～100∶1之間，是基於以下考慮:黃土的加入可以提高煤矸石礦坑水的pH值。雖然加入量越多，改善效果越佳，但是，添加黃土過多又會使水中的其他組分濃度增高，增加黃土採挖、運輸的費用，以及采土佔地和固體廢棄物(黃土+煤矸石)總量的增大;如果黃土用量過少，又達不到最終要求的pH值。所以黃土與煤矸石的最佳混合比應在上述范圍內去尋找，即約束條件應為:X2≥X1。
B.固液比約束
煤矸石、黃土與礦坑原水以什麼比例混合，既要考慮最終處理效果，又要考慮煤矸石和礦坑排水的實際生產能力。使產出的廢物及時處理掉而不盈餘積壓，據調查，三號井礦坑水排出量一般為1728～2592m3/d，日處理能力按2500m3/d可滿足要求。煤矸石的產量按原煤產量的1/3計算，年均為15×104t，日產量約為410t，為了將多年已積存的煤矸石也逐步消化掉，日處理量按500t約束是可行的，於是約束條件可用下式表達:X3≤2500，X2≤500，1≤X3/(X2+X1)≤5。
C.pH值的約束
按照國標規定，煤礦廢水的排放其pH值應在6～9之間，為了避免中和劑(黃土)過多而帶來的副作用，pH值以國標的下限為約束，即X4≥6.0。
(3)最優化決策的數學表達形式
目標函數:
max(－Z)=1.23Z2－85.133Z3－8.85Z4
約束條件:
－2.23Z2+85.133Z3+8.850Z4≤670.823，即(X2≥X1);
Z2≤6.21，即(X2≤500);
Z3≤7.824，即(X3≤2500);
Z4≥1.792，即(X4≥6.0);
Z2、Z3、Z4≥0。
採用單純形法中的罰款法尋優計算，得最優解為Z2=6.21，Z3=7.824，Z4=1.792，max(－Z)=－674.301，則Z=674.301。根據前述的變數代換關系，得到以下綜合一體化的最優方案:日處理2499.9m3礦坑原水和497.7t煤矸石，只需摻加32.39t的黃土可使排放廢水的pH值達6.001。從該方案中可以看出兩點:①固液比為1∶4.71，煤矸石與黃土的混合比為15.4∶1，基本符合實驗條件。②計算結果還表明，1kg黃土可同時處理77.2L礦坑原水和15.4kg煤矸石使之達到環保的要求。
3. 煤矸石、礦坑廢水的成因分析
煤矸石、礦坑廢水的化學組分是研究其遷移、聚集過程，形成污染的基本出發點。
(1)煤矸石的成分及酸化成因
野外調查和采樣結果表明，三號井的煤矸石堆主要由炭質泥岩、炭質頁岩、雜砂岩和少量石灰岩的碎塊組成。在自然堆放情況下，大小混雜，無分選，其中塊徑大於10cm 的煤矸石約佔29%、塊徑5～10cm 約佔22%、塊徑3～5cm 約佔14%、塊徑1～3cm 約佔22%、塊徑0.5～1cm 約佔8%，其餘為塊徑小於0.5cm 的碎屑。炭質泥岩和炭質頁岩占據的比例較高。這類岩塊不僅炭質含量高，還有大量肉眼可識別的黃鐵礦晶體聚集體和散晶，有些外表呈現硫化物的黃色或磁鐵礦的銹痕。除此之外，X 衍射物相分析表明，煤矸石中還含有比例不等的綠泥石、伊利石、石英和黏土類礦物(表4.2)。
利用ICP-AEs儀器測定，煤矸石碎屑混合樣所含的化學成分中，鐵、硫的含量十分高，其中鐵的含量達148.76g/kg，有效態達4.57g/kg;硫的含量達117.82g/kg，有效態達1.45g/kg，其他化學成分遠小於鐵和硫，詳細情況見表4.3。
由此推算，現堆放的煤矸石山約有4.75×104t鐵、1.45×104t硫和相當數量的重金屬元素。在酸性水環境中可溶解脫出，隨滲出液遷移到下游地區，從而形成礦區一個長期的污染源。
表4.2 大峪溝三號井田煤矸石礦物組成
表4.3 大峪溝三號井田煤矸石化學組分含量(單位:mg/kg)
因為煤矸石中普遍含硫量高而且主要以黃鐵礦形式賦存，在風化雨淋過程中緩慢氧化成Fe2O3和SO2，與水作用形成Fe2(SO4)3和H2SO4，這樣，一部分硫以氣態的形式排放到大氣中，還有部分以離子方式進入水體和土壤，從而引起酸化。
(2)礦坑廢水的化學組分及成因
據2007年8月9日採集的水樣測試分析結果(表4.4，表4.5)，礦坑廢水化學組分有如下特點:
1)總含鹽量高，其中礦化度達2400mg/L，相當於鹹水-微鹹水類型，水中懸浮狀固形物為2400mg/L，其成分主要為石膏及非晶質物質。
2)陽離子中以鹼金屬和鹼土金屬離子為主。鉀、鈉、鈣、鎂離子總量占陽離子總量的90%以上，陰離子中硫酸根含量極高，達1685mg/L，佔全部陰離子的90%以上，而重碳酸根離子僅為3.05mg/L。
3)重金屬以鋅錳為主，分別為2.4mg/L、1.8mg/L，銅、砷、鉛、鎘、六價鉻含量甚微，均小於0.05mg/L。
4)pH值為3.07，屬酸性水。這些特點與礦坑廢水形成的條件有著直接關系。
現排放的礦坑水大部分來自一1煤圍岩的裂隙水、岩溶水，從一1煤和煤矸石的化學成分可知，這些地層含硫、鐵極高。在巷道開拓、回採之前，這些物質處於還原環境，大部分以難溶的硫化物形式封存於地下，一旦人工揭露，巷道和採掘面形成氧化環境，礦坑水酸度就會變大。酸度增高的機理有三個方面:
表4.4 礦坑水排水口、礦井口水樣測試數據(單位:mg/L)
注:取樣地點，礦坑水排水口(N34°43༾.46″、E113°05ཧ.28″);室內編號，856。
礦井口(未加中和劑)(N34°43གྷ.40″、E113°05ཟ.26″);室內編號，857。
取樣時間，2007年7月。
表4.5 礦坑水排水口、礦井口水樣測試數據(單位:mg/L)
注:取樣地點，礦坑水排水口(N34°43༾.46″、E113°05ཧ.28″);室內編號，1323。
礦井口(未加中和劑)(N34°43གྷ.40″、E113°05ཟ.26″);室內編號，1462。
取樣時間，2007年11月。
一是煤層和頂底板中含硫化合物在氧氣、水共存條件下，氧化形成游離的H2SO4，反應方程式為
煤礦山地質環境問題一體化治理研究
二是式(4.1)中鐵等金屬的硫酸鹽水解釋放H+，其反應過程為
煤礦山地質環境問題一體化治理研究
三是地下水中H2CO3的分解。在大峪溝一1煤井巷的條件下，硫化物的氧化和硫酸鐵的水解對礦坑水的酸化影響最為突出。此外，H2CO3的分解也將帶出一定量的Ca2+、Mg2+。由於H2SO4浸溶又有可能使Ca、Zn等金屬轉化為硫酸鹽，使之從礦物中析出。在上述反應中，硫化細菌起著重要的催化作用，巷道良好的通風條件，適宜的濕度，促使諸如硫桿菌屬的細菌大量繁殖，加速Fe2+氧化速度並從中獲得自身繁殖所需的能量，與此同時，它們將煤層中所含的單質硫迅速氧化為硫酸，提高了礦坑水的酸度。
4. 關於焦煤集團演馬電廠綜合利用煤矸石情況的調研報告
煤礦在生產和洗選加工原煤時，要排放大量煤矸石，這些固體廢棄物長期不能被有效利用，佔用了礦區及周邊城鎮大量土地，污染大氣環境。焦作煤業（集團）有限責任公司已有109 年的開采歷史，伴隨著煤炭開采量的不斷增加，煤炭開採的伴生物———煤矸石大量堆放，即佔地又揚塵，嚴重影響著焦作這座新興旅遊城市的生態環境。
煤矸石電廠是用煤矸石為燃料，將其燃燒產生的熱能轉化為蒸汽熱能，利用汽輪發電機組發電，屬資源綜合利用項目。全面步入振興階段的焦作煤業（集團）有限責任公司，在科學發展觀的指導下，把煤矸石綜合利用，促進循環經濟發展，作為一項重要產業來抓。這一發展思路符合國務院國發[1996]36號文件的要求。位於焦煤集團演馬庄礦東側的焦作煤業（集團）演馬電廠，始建於1988 年10 月，現有裝機容量37 兆瓦，在職員工426人。用演馬庄礦、九里山礦、凱馬煤冶化公司等礦井產出的煤矸石從事發電生產，每年綜合利用煤矸石30 萬噸左右，發電量可達2 億多千瓦時，供電煤耗控制在300克/千瓦時以下，降低燃料成本費用千餘萬元，為建材企業提供灰10餘萬噸，渣15萬噸左右。建廠以來，已利用煤矸石100 余萬噸，發電10億多千瓦時，減少矸石佔用耕地60餘畝，改善了礦區環境，創造出可觀的經濟效益和社會效益，成為焦作煤業集團循環經濟發展的中堅力量。
一、綜合利用矸石數量年年遞增
焦煤集團演馬電廠是經原國家煤炭工業部批准興建的煤矸石坑口電廠。一期工程裝機容量2×6兆瓦，分別於1992年6月和1994年6月投入生產。二期工程25兆瓦機組於2003年元月投入運行。所發電力主要供給焦煤集團東部礦區使用。鍋爐分別採用江蘇無錫鍋爐廠生產的UG—35/3.82—M12型循環硫化床鍋爐和北京鍋爐廠生產的 BG130/3.82—M型循環硫化床鍋爐，燃料以煤矸石為主。
多年來，該廠始終堅持走煤矸石綜合利用之路，依靠資源優勢，努力做好煤矸石發電利用及灰渣用於建材這篇大文章。強化煤矸配比，積極探索最佳運行方式，用矸量確保達到2/3以上。在企業內部狠抓節支降耗，加強成本核算，細化生產經營指標。從2004 年9 月份至今，持續開展生產指標勞動競賽，以比用矸量、標煤耗、發電量等指標為內容的值與值之間的競賽考核，進一步增強了廣大職工的競爭意識，發電量明顯提高，煤耗量明顯下降，用矸量大幅度上升。
該廠在積極組織集團公司內部矸石的同時，還主動出擊到市場上尋找合適矸源，為發電機組正常運行提供有力保障。原來佔用耕地並且污染環境的廢棄物———煤矸石，在演馬電廠得到了充分利用。2003 年用矸13 萬噸，用煤9萬噸；2004年用矸19.1萬噸，用煤7.9萬噸；2005年用矸19.2萬噸，用煤5.67 萬噸，2006 年用矸28.08 萬噸，用煤6.46 萬噸，發電量2.07億千瓦時。2007 年第一季度用矸6.8 萬噸，用煤1.5 萬噸，發電量0.51億千瓦時。煤矸石利用量逐年提高。
二、技術改造年年創新
為確保煤矸石綜合利用效果，幾年來，演馬電廠大力推行生產設備技術工藝改造和創新，不斷提高企業的經濟效益。
（1）改造燃料輸送系統。煤矸石綜合利用的核心就是多用、用好煤矸石。因此煤矸石的篩分、破碎系統是制約使用煤矸石多少的瓶頸。為了不斷提高用矸量，演馬電廠於2002 年投資140 萬元，擴改建原有燃料輸送系統，並多次進行技術改造，提高矸石篩分、破碎能力，使符合顆粒尺寸要求的煤矸石供應能力由原來的30噸/小時提高到80噸/小時，入爐煤的煤矸配比由原來的1∶2提高到1∶4以上，極大地提高了燃料保障能力，為煤矸石綜合利用夯實了基礎。採用集中控制系統。把演馬庄礦洗煤廠出來的煤矸石，經皮帶走廊運輸至廠內，由矸倉運輸至篩分破碎系統，再到煤矸配比混合的5部、6部皮帶，直至爐前倉，整個操作過程全部由集中控制系統統一完成。
（2）改造計量設備，提高煤矸配比技術。為了保證煤矸配比的科學化、合理化，演馬電廠投資30萬元進行了計量設備改造，把原來的機械皮帶秤改為先進准確的核子秤，煤矸石的使用過程得到全程式控制制，對每台爐的煤矸瞬時量、班用量、日用量、月用量進行精確的記錄和統計。安裝使用灰分在線監測儀設備，用於對燃料發熱量的瞬時監測，通過煤矸系統的變頻給煤機及時調節煤矸配比，確保入爐燃料發熱量均勻、穩定，進一步節能降耗。
（3）發電機組、儲矸設施改造。2004年投資120萬元大修了1號機組，2005年投入近300 萬元對3 號機組進行了大修，尤其是3 號鍋爐防磨內襯的技術改造，使3號鍋爐能穩定、連續、經濟運行，並獲得了省煤炭工業科技進步二等獎。2006年投資20多萬元對3號爐給煤機進行改造，將原刮板給煤機改造為皮帶機式給煤機，投運後運行穩定並且節能，故障率降低，維修量大為減少，改造後給煤機的總運行維修費用每年可節約20多萬元左右。針對3號汽輪機經常出現的失磁、跳閘、無功不穩定現象，2007 年投入20餘萬元，採用中國電力科學院設計的勵磁調節裝置，徹底消除勵磁機存在的隱患。投資10萬元，為發電機組直流系統增加一組蓄電池，進一步提高直流系統穩定運行及備用能力。2004 年以來，投資600 多萬元對煤矸棚進行了改造，使煤矸石儲量增加一倍。
（4）對水系統進行改造。完成了化水兩台凈水器的改造。改造後演馬庄礦的來水凈化量明顯加大，地下水利用量明顯減少。改造3號凈水器；將反滲透濃水改至廠區中心花園的人工湖，使廢水得到有效利用；改造燃運除塵系統供水方式，水源由深井水改為凈化後的礦井排水，節約全廠總用水量。
演馬電廠3號機組的鍋爐為循環流化床鍋爐，經過多次技術改造，不斷加強職工技術培訓，提高職工技術素質和操作水平，目前機組整體運行狀況達到歷史最好水平。通過生產指標競賽、系統節能降耗等活動，鍋爐入爐燃料始終控制在2500千卡/千克以下。目前，操作人員對低熱值燃料運行的適應能力大大增強。從2003 年下半年至今，經過不斷的探索，逐步加大摻矸量，降低煤耗，入爐燃料在1500 千卡/千克左右也可穩定運行，2000千卡/千克可滿負荷運行，煤矸石燃燒技術是我國同類型機組中的佼佼者。
三、拓展循環經濟鏈條
演馬電廠致力於提高灰渣活性，增加灰渣的綜合利用價值。該廠年產出廢渣15萬多噸，全部被焦煤集團千業水泥廠、焦作市強勝建材廠等廠家利用。產飛灰10萬多噸，全部被焦作市強勝建材廠、焦作韓王工業有限公司及待王水泥廠所用，做到了煤矸石、渣灰等廢棄物的充分回收利用。起到了「煤———電———建材」產業鏈中承上啟下、變廢為寶的作用，促進循環經濟的良性發展。
自1994年至今，演馬電廠連續7 次被省市等有關部門認定為綜合利用企業。《資源節約與綜合利用審核方法》試行期間，演馬電廠作為河南省發改委確定的首批試點審核企業進行了審批，並且是惟一一家達標的審核企業。2004年底，經省發改委復查繼續被認定為資源綜合利用企業。認定證書編號為ZQRD—05—141。
2003～2005年，共完成發電量7.78 億千瓦時，供電量6.76 億千瓦時，創產值233400萬元。2006年完成發電量2.07 億千瓦時，供電量1.78 億千瓦時，銷售收入4668.45 萬元，煤耗量6.46 萬噸，矸耗量28.08 萬噸，發電煤耗242 克/千瓦時，供電煤耗 281 克/千瓦時，燃料費用成本降低了1163.91萬元，創造了可觀的經濟效益和社會效益，為焦煤集團的發展作出了巨大貢獻。
四、強化以人為本管理理念
演馬電廠注重強化以人為本、科學發展的管理理念，始終堅持「安全第一，預防為主」的方針，把安全生產作為企業管理的永恆主題。經常組織職工開展了多種形式的安全活動，每年都舉辦安全法律法規知識答題及考試，合格率100%。堅持每年開展兩次「百日安全無事故」活動，每年6月份開展「安全生產月」活動，組織職工安全操作規程知識答題及安規測試，提高全體職工的安全意識。
扎實推進安全文明生產達標工作，每月召開一次安全現場辦公會，組織一次安全大檢查，對查出的安全隱患及時整改。2007 年元月在河南省煤炭行業組織的質量標准化達標驗收中，演馬電廠獲得省特級質量標准化企業。截至2007年3月底，該廠已實現安全文明生產5382天。
以人為本，關心員工，堅持把全心全意為職工群眾服務落到實處，給職工群眾提供良好的工作生活環境，及時解決職工群眾生活福利方面的問題。近年來為職工群眾辦了多件實事：一是為職工解決上下班班車問題。二是提高職工夜班費，並落實班中餐待遇。三是加強職工食堂管理，保障職工食堂飯菜供應。四是在運行職工中開展首席員工及技術能手評選活動，激發職工的工作熱情。
作為焦作煤業集團所屬的一家新興綜合利用型企業，演馬電廠十幾年的建設與發展，帶動了集團公司及所在地區的循環經濟發展。在企業發展的同時，也陷入窘境，面臨一些問題，值得審慎探討：
（1）發展煤矸石電廠，以煤矸石綜合利用促循環經濟發展的產業結構，有利於煤炭企業採用清潔生產技術，推進煤炭企業節能生產，延伸煤炭產業鏈，走循環發展和多元發展的道路，促進煤炭企業的轉型。同時，發展煤矸石電廠對促進環境保護、緩和缺電矛盾、緩解礦區就業壓力、促進地方稅收增長都有積極的作用。綜合利用煤矸石發展循環經濟既利廢又節能，是煤炭開采地區一項十分有益的重大課題。演馬電廠的建設與發展，盡管收到了較好的經濟效益、社會效益和環境效益，但是也面臨著小火電機組被關停的危機。因此，政府在制定關停小火電機組政策時，應該給煤矸石綜合利用型機組多一些相關的扶持政策，把煤矸石綜合利用機組與一般小火電機組區別對待，不應該將其納入小火電機組的關停之列，以保證其在節能減排發展循環經濟中發揮更好的作用。
（2）作為綜合利用型企業，演馬電廠把社會效益同企業經濟效益聯系在一起，加大環境保護投入。近幾年來，演馬電廠堅持採用含硫量在0.2%～0.3%以下的特低硫入爐燃料，同時利用循環硫化床鍋爐自身脫硫優勢，採用石灰石脫硫法進行爐內脫硫，使二氧化硫排放量降低到了200 毫克/標准立方米以下。使用先進的電除塵設施有效降塵，按國家環保政策要求，投資140萬元在煙氣系統安裝煙氣在線監測設備，保證煙塵排放控制在標准要求之內。
承擔著循環經濟發展重要任務的演馬電廠，仍需進一步提高節能減排意識，加大環保治理工作力度，確保綜合利用企業的發展既能產生企業效益又能產生社會效益，有利於保護自然環境。
5. 黃土、煤矸石、礦坑水綜合處理試驗
眾所周知，在酸性礦坑水中施加鹼性物質發生中和，可有效降低水的酸度。根據這一常識，可選用黃土作為天然的中和劑，解決煤矸石、礦坑水混合液酸度過高的問題。
(1)黃土的物理化學特性
黃土是一種灰黃色、淺棕黃色的第四紀土狀堆積物，廣泛分布於我國中西部的乾旱半乾旱地區。大峪溝礦區的黃土以中更新統的離石黃土為主，僅在局部地段可見上更新統的馬蘭黃土。經分析，這些黃土主要為粒徑0.05～0.005mm的碎屑礦物、黏土礦物和自生礦物組成。其中伊利石佔15%，長石佔25%，方解石佔10%，石英佔30%，其餘為綠泥石和一些自生礦物。黃土具有大孔隙和裂隙，透水性良好。
水-岩作用研究表明(武勝忠，2006)，黃土在處理酸性廢水時表現出多種良好的特性:①酸性廢水通過黃土時，可以去除廢水中的一些懸浮顆粒和化學沉澱物，起到過濾的作用;②由於黃土粒度較小，比表面積大，具有較強的物理吸附和化學吸附能力，對Pb、Cu、Zn、Cd等重金屬都有明顯的吸附固持作用;③黃土中碳酸鹽含量較高可與酸性水中進行中和反應，提高廢水的pH值。與此同時，黃土還是酸性廢水的一種絮凝劑，可使呈分散狀態的固體顆粒、膠體或某些金屬離子(如Fe3+、Mn2+、Fe2+等)形成礬花，達到絮凝沉澱效果。
盡管如此，黃土畢竟是一種含可溶鹽較多的物質，將其作為摻加物處理煤矸石礦坑水混合液，是否會帶來一些新的問題，仍需要進一步研究。為此，本次研究做了專門的對比實驗。
(2)黃土對混合液中化學組分的影響
按照上述同樣的固液配比(即取黃土500g與2500mL蒸餾水混合)和實驗方法，得到的結果見表4.8。
表4.8 黃土-蒸餾水浸泡實驗結果
由表4.8可以看出，黃土水溶液pH值達到7.75，為鹼性，能起到改善煤矸石礦坑水混合液pH值的作用。黃土水溶液中重金屬的含量大部分處於檢出限以下，不會對煤矸石礦坑水混合液產生明顯的負面影響;除Cl－、F－、HCO3－含量較礦坑水原水稍大外，陰陽離子含量均小於礦坑原水，其礦化度僅為569.06mg/L，仍屬良好的淡水。
考慮到水-岩作用是個復雜的物理、化學過程，不能僅憑黃土水溶液的組分，推斷混合液摻加黃土後的效果。所以，本次研究做了煤矸石、黃土、礦坑原水三者混合的實驗。
實驗中固液比均按1∶5配置，即煤矸石和黃土的總量保持500g，礦坑原水2500mL，根據煤矸石與黃土的比例不同分為四組，質量比分別為1∶1、5∶1、10∶1、100∶1。為了把握反應進行的程度，每組又進一步置備了六個實驗過程，分別按0.5、1、3、8、10、24小時單獨取浸泡液樣分析，結果見表4.9～表4.14。
由煤矸石、礦坑原水、黃土三者混合液中的K++Na+、Ca2+、Mg2+、SO42－、pH值隨時間的變化過程(圖4.2～圖4.6)可以看出，反應初期，各離子濃度不穩定，總體呈現先下降後升高的震盪現象。這種現象產生的原因主要是使用的煤矸石為小於5mm的碎屑和粉末，粒度不均勻且各種岩屑的岩性成分也不完全一致，岩屑和岩粉中可析出的成分、數量和所需時間都會有差別。經過10小時的浸泡，上述現象明顯改觀，濃度差別變小，並呈單向收斂態勢。浸泡24小時後，水樣中各離子濃度大小已呈有序排列，說明反應過程已近平衡狀態，能夠作為三種物質混合反應的最終結果。
表4.9 淋濾實驗數據表A(單位:mg/L)
注:①前面數字表示浸泡時間，後面數字表示比例。例如，淋濾實驗樣3/1，表示浸泡時間為3小時，黃土∶煤矸石的比例為1∶1。
淋濾實驗樣0.5/1;室內編號，920。淋濾實驗樣0.5/5;室內編號，921。淋濾實驗樣0.5/10;室內編號，922。淋濾實驗樣0.5/100;室內編號，923。
取樣時間，2007年7月。
表4.10 淋濾實驗數據表B(單位:mg/L)
注:淋濾實驗樣1/1;室內編號，924。淋濾實驗樣1/5;室內編號，925。淋濾實驗樣1/10;室內編號，926。淋濾實驗樣1/100;室內編號，927。
表4.11 淋濾實驗數據表C(單位:mg/L)
注:淋濾實驗樣3/1;室內編號，904。淋濾實驗樣3/5;室內編號，905。淋濾實驗樣3/10;室內編號，906。淋濾實驗樣3/100;室內編號，907。
表4.12 淋濾實驗數據表D(單位:mg/L)
注:淋濾實驗樣8/1;室內編號，908。淋濾實驗樣8/5;室內編號，909。淋濾實驗樣8/10;室內編號，910。淋濾實驗樣8/100;室內編號，911。
表4.13 淋濾實驗數據表E(單位:mg/L)
注:淋濾實驗樣10/1;室內編號，912。淋濾實驗樣10/5;室內編號，913。淋濾實驗樣10/10;室內編號，914。淋濾實驗樣10/100;室內編號，915。
表4.14 淋濾實驗數據表F(單位:mg/L)
注:淋濾實驗樣24/1;室內編號，916。淋濾實驗樣24/5;室內編號，917。淋濾實驗樣24/10;室內編號，918。淋濾實驗樣24/100;室內編號，919。
圖4.2 K++Na+濃度隨時間變化曲線
圖4.3 Ca2+濃度隨時間變化曲線
圖4.4 Mg2+濃度隨時間變化曲線
圖4.5 SO42－濃度隨時間變化曲線
圖4.6 pH值隨時間變化曲線
煤矸石、礦坑原水摻加黃土後，水質發生了明顯的變化(表4.15～表4.17)，具體情況如下:
表4.15 蒸餾水浸土、煤矸石、泥實驗數據表(單位:mg/L)
注:取樣時間，2007年7月
表4.16 礦坑水浸黃土、煤矸石實驗數據(單位:mg/L)
注:取樣時間，2007年11月。
表4.17 混勻液浸黃土、煤矸石實驗數據(單位:mg/L)
注:取樣時間，2007年11月。
K+、Na+濃度的變化:摻加黃土後，三者混合液的K++Na+濃度為92.0～64.86mg/L之間，較礦坑原水的244.49mg/L有明顯下降，但比煤矸石礦坑水混合液的49.77mg/L有所增高。由圖4.2中可以看出，K++Na+增加的程度與煤矸石黃土的摻和比有關，黃土的比例越高，增加效果越明顯，說明發生了離子交換作用。
Ca2+濃度的變化:三者混合液的Ca2+濃度為201.60～664.13mg/L，比礦坑原水的316.43mg/L增大了1倍多，但比煤矸石礦坑水混合液的1093.38mg/L有了大幅度下降。這一點可從黃土中CaCO3含量高，與水中的殘存酸發生中和反應的角度予以解釋。
Mg2+濃度的變化:三者混合液的Mg2+濃度為113.97～98.78mg/L，與礦坑原水的112.75mg/L持平或略有下降，且低於煤矸石礦坑水的Mg2+濃度。由圖4.4可以看出，Mg2+濃度的大小與黃土煤矸石混合比相關，黃土摻加量越大，Mg2+濃度越低，說明黃土對Mg2+有一定的吸附作用。
SO42－濃度的變化:三者混合液的SO42－濃度為2144.06～1994.21mg/L，與礦坑原水相比，升高了200～400mg/L，但遠低於煤矸石礦坑水混合液的3365.94mg/L。
pH值的變化:三者混合液的pH值為6.90～4.35，比礦坑原水的3.07有明顯提高。與煤矸石礦坑水混合液相比，則視黃土摻加量的多少而定，當黃土與煤矸石摻和比達1∶1時，pH值增大效果最明顯。若兩者摻和比低於100∶1時，不會改善混合液的pH值。
Fe、Mn、F離子的變化:三者混合液的Fe離子濃度(包括Fe3+、Fe2+)介於0.14～0.04mg/L之間，其高低與黃土煤矸石摻和比有關，黃土比例越高，Fe濃度越低，且低於礦坑原水(15.01mg/L)和煤矸石礦坑水混合液(5.48mg/L);三者混合液的Mn離子含量與礦坑原水相同(1.80mg/L)，低於煤矸石礦坑水的(2.80mg/L);與之相反的是，摻加黃土後的F－濃度為1.88～1.60mg/L，高於礦坑原水，也略高於煤矸石礦坑水混合液的1.60mg/L，表明黃土有脫F的跡象。
總之，黃土作為摻和物，可起到改善廢水的良好作用，特別是對提高廢水的pH值，降低Fe、SO42－、Ca2+濃度有明顯效果。
6. 加強礦山廢棄物的綜合利用
西南地區不同類型礦產開發過程中形成的大量尾礦、煤矸石、廢石、廢土等固體廢棄物、礦山廢水和廢氣排放，是造成礦山地質環境污染、礦山地質災害和礦山資源破壞的主要因素，如能將這些廢棄物加以綜合利用，變廢為寶，是恢復治理礦山地質環境的重要措施。
（一）礦山尾礦的綜合利用
礦山尾礦是選礦加工過程中排放的固體廢渣，儲存在礦山尾礦庫中。西南地區截至2002年，累計堆存尾礦量已超過6×104t，主要分布在大型國有礦山，中、小型礦山一般未建尾礦庫，直接排入山谷、河湖和窪地，污染環境，壓佔大片土地資源。尾礦中含有豐富的有用元素可綜合利用，有的元素價值甚至超過了主要元素，如四川省丹巴縣楊柳坪鎳礦，尾礦中含有大量的鉑和鈀可綜合利用，其價值遠超過鎳金屬，現在楊柳坪鎳礦已改名為鉑鎳礦；四川攀枝花釩鈦磁鐵礦伴生的鈧，其價值亦超過其他有價元素的總和。價值很高的伴生組分選礦時往往未得到回收而進入尾礦，因此尾礦的綜合利用潛力極大，可作為資源進行二次開發，同時亦可減少礦山環境污染和土地資源破壞。
國外尾礦綜合利用較好的美國，在明尼蘇達州鐵礦山建立了一個年處理百萬噸的尾礦選礦廠，年回收鐵精礦20×104t，精礦品位達60%；美國用浸溶法提取銅礦山廢渣，每年回收銅在20×104t以上。南非利用老尾礦建成日處理4000t尾礦的選廠，專門提取金和鈾（任永雲，1980）。
西南地區尾礦堆積最多的典型礦山有雲南個舊錫礦區和四川攀枝花釩鈦磁鐵礦區，前者已堆存13000×104t尾礦，後者堆存有11000×104t尾礦，兩者都有極高的綜合利用價值，礦區已採取措施開發利用。
1.雲南個舊錫礦山尾礦綜合利用
雲南個舊是我國錫都，錫業公司始建於1883年，是我國老工業基地，錫產量約佔全國的三分之一，佔世界的10%，年選礦石量430餘萬t，選礦平均回收率錫62.56%、銅71.04%。礦石中伴生的有用組分鉛、鋅、鉍、鎢、鉬、鐵等，都進入尾礦。個舊錫礦有大小選礦廠28個，堆存尾礦量13000×104t。主要選廠尾礦化學成分見表6-7。其中前5位金屬元素Sn，Pb，Cu，Zn，Fe的平均含量（算術平均法）分別為Sn0.15%，Pb.30%，Cu0.25%，Zn0.54%，Fe19.4%，都達到了可供綜合利用的程度（丁其光等，1995），而且資源量相當可觀，錫金屬量達20×104t，相當於4個大型錫礦床的規模；銅金屬量達32.5×104t，鉛金屬量169×104t，鋅金屬量70.2×104t，鐵金屬量2522×104t。
表6-7 個舊錫礦主要選廠尾礦化學成分 單位：%
1983年雲南個舊錫礦的尾礦綜合利用問題受到國家重視，被列入國家科技攻關項目。1984年研究成果通過國家科委鑒定驗收。尾礦綜合開發利用取得了較好指標：黃茅山尾礦，含Sn0.15%～0.176%，經二次選礦回收產品含Sn2%～2.2%，選礦回收率57.42%～69.72%；古山尾礦含Sn0.158%～0.172%，經二次選礦回收產品含Sn2%～2.28%，選礦回收率為50.93%～65.23%。選礦成本3.6～8.48元/t，取得了較好的效益。在此基礎上，逐步開展了尾礦工業生產。
2.四川攀枝花釩鈦磁鐵礦尾礦綜合利用
四川攀枝花是我國重要鋼鐵基地，所開採的釩鈦磁鐵礦石鐵保有儲量約佔全國鐵礦儲量的9.4%，佔西南地區的52%，佔四川省的74%；釩儲量佔全國總儲量的60.14%；鈦儲量佔全國儲量的90.54%，是我國第二大鐵礦山。年產礦石1350×104t，為露天開采。礦石中除上述3種元素外，還伴生有鈧、鉻、鎵、鈷、鎳、銅、硫、磷、錳、硒、碲、鉑族元素等多種有價元素，其含量均達工業綜合利用的要求，但目前這些成分均未回收而進入了尾礦中。
攀枝花釩鐵磁鐵礦的尾礦都堆存在馬家田尾礦庫中，堆存量約11000×104t，是西南地區最大的尾礦庫。尾礦的化學成分見表6-8。
根據目前的選礦技術條件，馬家田尾礦庫尾砂中的鈦可以被二次選礦利用。特別是尾礦庫標高1188m以下約5841×104t，屬早期選鐵尾礦，是選鈦的寶貴資源。如按表6-8中TiO2含量為9.37%計算，5841×104t尾礦中含TiO2約有540×104t，按26%的回收率計，可回收TiO2142.9×104t，摺合47.5%品位的鈦精礦約300×104t，相當於現在攀枝花選鈦廠12年的產量。而1188m標高以上還有5000×104t以上的尾礦，也有回收價值（丁其光等，1995），表明該尾礦庫中鈦資源量是相當可觀的。這些尾礦的綜合利用，既可解決國家資源急需，又可緩解礦山地質環境問題。
表6-8 馬家田尾礦庫堆存尾礦化學成分 單位：%
（二）礦山煤矸石、廢渣、廢水綜合利用
1.煤矸石綜合利用
西南地區採煤過程中形成的煤矸石堆存量約90000×104t，在礦坑附近堆積成山，占壓大量土地面積，暴雨季節易形成滑坡、泥石流地質災害，污染礦山周邊河湖水系。但煤矸石又是重要的資源，可綜合利用。主要利用措施如下：
1）直接用於建築、交通工程填方、墊路基等；
2）用於充填采空塌陷區或溝谷，進行土地復墾和改造地形；
3）用來製造建築材料，如：制矸石磚、生產水泥或水泥混合材料；
4）用作矸石電廠發電燃料。
從西南地區情況來看，由於近幾年建築、交通工程發展較快，尤其煤礦山附近公路建設，利用大量煤矸石用於路基鋪墊。但煤矸石製作建材，如生產矸石磚、水泥、矸石發電等深化利用，發展較為緩慢，僅部分礦山企業綜合利用效果較好，如：四川峨眉市龍池鎮八益煤礦年產煤15×104t，年產煤矸石和尾礦粉共8×104t，礦山因交通方便，專門修建了磚廠，利用煤矸石和尾礦粉生產建築用磚，年利用量達6×104t，綜合利用率達75%，大大緩解了環境壓力。貴州省盤江煤電集團、水礦集團所屬大、中型礦山利用煤矸石發電，解決了60%的自身動力用電。利用煤矸石生產頁岩磚、充填采空區，年消耗矸石量40×104t，產生了很好的經濟效益。利用礦山周圍溝谷堆放煤矸石，溝谷填滿後覆土復耕、植樹，還田於民，改善了工農關系，創造了一定社會效益。此外，以天然煤矸石為原料，通過酸溶一步法將煤矸石中的氧化鋁溶解出來，並通過試驗，確定溶出量最高時的工藝條件，再經過鹽基度的調整（70%左右），形成鹼式聚合氯化物，該聚合物具有很好的絮凝作用，從而成為一種新型高效凈化劑（劉紅艷等，2004）。可用於工業用水和污水的凈化作用，具有廣闊的應用前景。入選全國首批6個循環經濟試點城市的重慶市，為發展循環經濟，使煤矸石變廢為寶，目前全市已批准投資30億元，修建7個煤矸石綜合利用發電廠，總裝機容量58×104kW，並逐步形成產業鏈。
重慶最大的動力煤生產基地——松藻煤電公司，煤炭年產400×104t，煤矸石年排放量100×104t。現已堆積成的6座煤矸石山，既佔用土地又污染環境。為使煤矸石變廢為寶，松藻煤電公司將投資13億元建起西南最大的環保發電廠——重慶松藻煤電公司安穩煤矸石火力發電廠。這座裝機容量為30×104kW的煤矸石火力發電廠，採用廢棄的煤矸石為燃料，每年可吃掉150×104t煤矸石，年發電量可達16×108kW·h。
合川市三匯鎮煤炭資源豐富，年產煤炭150×104t，每年同樣產生大量廢棄煤矸石。為此，他們引進新技術，投資2.6億元建成5.5×104kW的煤矸石發電廠，用煤矸石發電，變廢為寶。而用煤矸石發電，每年又可產生30多萬噸粉煤灰。於是電廠和富豐水泥集團聯手，通過技術改造，建成一條利用粉煤灰生產水泥的生產線。據悉，富豐水泥集團還計劃投入8000萬元，擬建一座1.5×104kW的熱發電廠，利用余熱發電，以消除水泥生產中產生的余熱對環境的不良影響。
2.煤灰渣的綜合利用
西南地區能源礦山大量堆存的煤灰渣是一種重要礦產資源，應加強綜合利用，減少環境污染，其主要成分是SiO2，約佔50%；其次是Al2O3和Fe2O3，佔40%左右；其餘為CaO，MgO，SO3及其他稀有分散元素。國外對煤灰的綜合利用非常重視，綜合利用率最高為英國，達70%，西德為65%～70%、法國50%、日本52%、美國50%左右。我國排灰量居世界前列，但利用率僅20%～30%。
美國根據他們國家煤灰渣中普遍含有1%的鈦、15%的鋁、7.5%～15%的鐵等特點，從中提煉鋁和鐵；並從煤的飛灰中提取鍺、鎵、鈾、硒等稀有分散元素。我國用磁選法從含鐵10%以上的煤灰中試驗提取的鐵精粉，品位達到48%～50%，所煉生鐵完全合格；從含鋁高含鐵低的煤灰渣中生產了聚合鋁、氯化鋁的硫酸鋁等產品。
提煉了金屬鋁、鐵和稀有分散元素後的煤灰渣可供製作煤灰水泥，這種水泥的吃灰量大、成本低、工藝簡單，而且具有抗滲性能好、後期強度高、抗拉強度高、水化熱低等特點。高442m的美國芝加哥新西爾斯塔狀樓，從牆體、樓板到防火設施等全部構件都用煤灰水泥製成。
煤灰渣內含有鋁硅酸鹽玻璃質，還大量用來製造人工輕質骨料，以代替卵石和黃沙。英國來特格公司用煤灰渣原料建設了一座年產13×104t人工輕質骨料廠，效益很好。國外利用煤灰製造人工輕質骨料發展很快，已成為建材工業中的一支勁旅。
煤灰渣還可以直接摻入混凝土。美國建築業通常每立方米摻入12054.43kg煤灰渣，可以節約20%的水泥和10%的沙子，如美國芝加哥高200m的市政大樓就是用摻煤灰混凝土建成的（王在霞，1980）。由於煤灰的傳熱系數比很小，是理想的絕熱材料，可以製成各種保溫混凝土。
煤灰渣還可直接用於築路，用其作柏油路的底基層或路基，其特點是防凍、防翻漿和龜裂，並且防水性能良好。據統計，美國四車道的公路每千米用煤灰渣作路基耗量100t，用量很大。
煤灰經過加工處理後，製成的農業肥料，用於鹽鹼地可以改良土壤；用於沙土地可以保水防滲；用於粘土地可以疏鬆土壤。由於煤灰有孔隙，透氣性好有利微生物活動分解。煤灰中含有多種微量元素，可促進植物的生長。
煤灰渣的用途范圍正日益擴大，如試制絕緣纖維材料；利用其作充填塑料、油漆、噴料、橡膠化合物、防火劑等理想配料；從煤灰中還可以提取合成潤滑油等。
四川主要煤礦可採煤層煤灰樣的分析結果顯示，煤灰成分較前述美國煤灰成分為優。例如晚三疊世須家河煤系的煤層，煤灰中的鋁含煤特別高，一般在20%～30%之間；含鐵大多低於10%；含鈦高於1%，廣旺煤礦為1%～3%，白臘坪煤礦1%～1.8%；含鍺量較高者如永榮西山、安富等井田為50×10-6以上（工業品位為20×10-6）；雅安的天全、蘆山、寶興等地的大炭、粗糠炭的煤灰中鍺可富集到100×10-6左右；涪陵高子灣井田煤灰中的鈾為302×10-6～800×10-6。晚二疊世龍潭煤系的煤層灰分含鐵較高，一般為20%～30%；含鋁相對較低，一般為10%～20%，但底部煤層含鋁量有增多的趨勢，如魚田堡煤礦的K1煤層鋁含量高達25%～35%，比上部煤層高出10%以上；其他如鈦、鍺、鎵、鈾等的含量在有的礦區相當富集，打通煤礦8號煤層鈦的含量為2.75%～5.54%，華雲山高頂山二號井田為3.74%，李子埡煤礦為1.1%～3.9%，南桐二井煤灰中鍺可富集到70×10-6～120×10-6，江油松木咀除鍺含量較高外鈾含量達455×10-6，敘永古宋區K1煤層的鈾為117×10-6～378×10-6；此外，鎵的含量是隨鋁含量增高而增高，當鋁在25%左右時，鎵的含量大多在40×10-6左右（工業品位30×10-6）。
四川省煤灰中鋁的含量普遍在20%左右，這是提煉鋁的重要資源。如果能把大量煤灰利用起來，按每年回收100×104t煤灰提取20%的鋁計，同時將富集的鍺、鈾、鎵、鈦等提出，再將煤灰渣製作為水泥或人工輕質骨料等，這項收入是相當可觀的。
此外，利用含鋁高的煤灰或煤矸石提取聚合鋁，氯化鋁已在遼寧南票礦務局大規模生產。四川省須家河煤系夾矸或煤灰渣含鋁高，重慶市塗山煤礦小型試驗所提取的聚合鋁在處理污水時具有用量少（10 t水用0.25 kg）、效果好、速度快等優點。
為能使大量煤灰渣和煤矸石變害為利，物盡其用，國外對煤灰等的研究和利用極為重視，許多國家設有灰渣研究的專門機構，例如日本已批准從煤炭開發基金中撥款用於研究煤灰渣的利用技術。美國政府認為，由於煤灰渣綜合利用的前景日漸擴大，因此，已不再把灰渣視為廢物，而當成一項自然資源予以充分利用。美國內政部主編的礦物年鑒已將煤灰渣作為第6種固體礦物，列入國家統計。美國還成立了「國家煤灰協會」，並出版《煤灰利用》學術刊物，西德有些電廠，已經不設灰場，煤灰已作為商品外售。羅馬尼亞《科研發展綱要》，已將煤灰利用列入國家立項的研究課題，在政府有關部門領導下有計劃地開展研究工作。
我國煤灰利用的研究尚未全面展開，建議有關部門把煤灰綜合利用列入日程。目前排灰量逐年增大，再不積極統籌安排，化害為利，負擔將更加沉重。資源的再利用問題已是十分緊迫。
3.加強對與煤共生礦產的綜合利用
西南地區煤礦普遍共生有硫鐵礦和粘土岩，其數量相當大，是重要的礦產資源。但採煤過程中，作為廢渣堆存礦山，造成環境地質問題，應加強綜合利用，變廢為寶。
重慶市天府煤田與煤共生的硫鐵礦層長8000m，垂深500m，厚160m，分布面積5.4km2，平均含硫15.2%，初步估算資源量（333＋334）為1177×104t，為煤系沉積的大型硫鐵礦床，有較大的綜合利用價值。
廣泛分布於川南和川東的晚二疊世龍潭煤系，含有3～5層可採煤層。在龍潭煤系的底部，普遍發育一層硫鐵礦粘土岩，除硫一般都達到了工業開採的品位外，粘土岩亦為質量比較優良的硬質或軟質耐火粘土。僅川南宜賓專區的珙縣、興文、敘永、古藺等縣1000餘平方千米的范圍內，通過區測和地質勘探以後，除有60多億噸無煙煤外；尚有硫鐵礦30餘億噸；耐火粘土近億噸。
川南硫鐵礦粘土岩礦層距可採煤層近的只有半米多，遠的也僅3～4m。因此在考慮煤或硫的開采時，必須統籌規劃，否則將會造成顧此失彼的嚴重後果，既浪費大量寶貴資源，又造成礦山環境地質問題。四川敘永縣六潤壩、古藺德躍關等地硫鐵礦粘土岩層具有廣闊的綜合利用價值。礦層平均厚2.15m，含硫平均有效品位16.03%，通過單礦浮選一次最終精礦產率為41.8%，品位38.12%，有效硫回收率為98.21%，有害雜質小於1%，目前有民營企業在開采。
礦石浮選後的尾礦即粘土岩的分析結果見表6-9，其耐火度為1710～1730℃。
以上各項指標介於國家標准Ⅰ級與Ⅱ級硬質耐火粘土之間。
此外，該礦層在制選過硫酸（用沸騰爐法）以後，剩下的殘渣所作分析結果見表6-10。
表6-9 硫鐵礦尾礦粘土岩的分析結果
表6-10 硫鐵礦殘渣的分析結果
以上各元素指標均符合冶鐵高爐富礦要求（王在霞，1980）。
敘永縣六澗壩硫鐵礦粘土岩礦石，提取了硫精砂以後的礦石尾礦，可以全部加工成Ⅰ級至Ⅱ級軟質耐火粘土，並具有較好的工藝性能，收縮率很低，在800℃高溫下仍不變形，無裂紋或破裂的情況。因此在燒制耐火磚或陶瓷時可以直接用生料一次成型，不需加工成熟料，減少工藝流程，省錢省時。
川南古藺縣德躍關小漢炭煤層的直接底板是一層厚3～4m的粘土岩。經采樣試驗，屬於Ⅰ級至Ⅱ級硬質耐火粘土岩。在該區的龍潭煤系最底部的硫鐵礦高嶺石粘土岩，經重選硫鐵礦後的尾砂屬於Ⅰ級軟質耐火粘土。
此外，浮選硫鐵礦後的尾砂，爐渣中尚相對富集V2O5，TiO2，Ga，Au等礦產，有的已達到綜合利用價值。
4.金屬、非金屬礦山廢渣、廢水綜合利用措施
西南地區金屬、非金屬礦山廢渣堆存量有10多億噸，綜合利用量小。綜合利用措施主要是直接用於鋪墊公路路基和其他建築工程填方，以及用於企業附近充填溝谷改造地形。少部分岩性較好，含土質少的廢石加工為建築石料用於工業民用建築。個別企業廢石（土）、尾礦利用成效較好。四川省江油市馬角壩鎮四川雙馬投資有限公司石灰石礦，年產水泥用石灰石200×104t，產出廢石47.83×104t，廢石全部被粉碎作為水泥原料加以利用，綜合利用率達100%。
雲南省東川礦務局投資105萬元對落雪銅礦選廠尾礦水循環系統進行了改造，使循環率提高到66.28%，減少了廢水排放；投資2.75萬元對落雪銅礦精礦溢流水作了沉澱凈化處理，使其固體含量大大降低，每年多收1000t礦砂。此外，1984年礦務局科研所與東川市磚瓦廠合作，用尾礦作主要原料，燒制磚獲得成功，產品經雲南省建材研究所鑒定，達到100號黏土磚標准。這些措施對礦山地質環境問題起到了緩解作用。