1. 煤矸石山的生态环境危害
煤矸石露天堆放，一方面压占大量的土地，另外暴露在空气中极易发生一些物理化学反应，发生自燃、扬尘等现象，对矿区及其周边地区的大气、水体等造成严重污染；另一方面煤矸石山在外力的作用下还可能发生坍塌、泥石流等地质危害，产生生态破坏、景观破坏，引发社会问题，最终危害矿区的生态安全和人类健康（图1-1）。
图1-1 煤矸石山可能引起的生态环境危害
一、煤矸石山的物理危害
1.占压土地
煤矸石是我国目前工业排出的固体废弃物中数量最大的一种。据统计，我国国有重点煤矿现有煤矸石山1700多座，堆积量达50×108t以上，占地面积超过20000hm2，而且随着煤炭的开采，煤矸石以每年约5×108t的数量增加，约占土地面积300～400hm2，造成了大量土地资源的浪费，使农民失去土地，也破坏了原有的土地结构和景观结构。在我国人多地少的基本国情下，矸石山占用大量的土地资源，加剧了人地矛盾，对社会和经济发展造成的影响已不容忽视，必须加快对煤矸石的综合利用，或进行绿化复垦，进而减少和消除矸石堆放所占用的宝贵的土地资源（图1-2）。
图1-2 煤矸石的堆积压占了大量的土地
2.扬尘对大气环境的污染
煤矸石在空气中很容易发生风化，遇风会产生扬尘现象。由煤矸石引起的细小粉尘颗粒物质进入人体肺部，导致如呼吸道、肺部的疾病，甚至导致癌症；大粉尘颗粒进入眼、鼻、嘴等器官，容易引起感染，特别是风化粉尘中常常含有对人体有害的重金属元素和有机元素，危害人体健康。另外，颗粒悬浮于大气中容易造成气候异常。
3.煤矸石山引发的地质灾害
自然堆放的煤矸石由于堆放方式、自燃、风化等原因，使得煤矸石山很不稳定，从而极易引发地质灾害。
（1）煤矸石山崩塌和滑坡。煤矸石山多为自然堆积而成，具有坡度大、内部结构疏松的特点，而且受矸石自燃等的影响，煤矸石山非常容易发生崩塌、滑坡。如1994年，山东枣庄煤矿北煤井一矸石堆发生坍塌，导致17人死亡，7人受伤。
（2）煤矸石泥石流。山区煤矿大多数直接将煤矸石倾倒于沟谷中，这些结构疏松的煤矸石成为泥石流的物质源，一旦山谷中由于降雨等形成较强的径流条件，即可形成泥石流灾害。如2004年5月，重庆市万盛区的煤矸石山发生泥石流，造成了严重的人员伤亡，有5人遇难，16人失踪，14间房屋被埋。2009年6月，重庆合川双凤煤矸石山引发泥石流，将两村民埋没死亡。
（3）煤矸石山爆炸。选煤厂煤矸石和其他具有一定热值、硫含量较高的煤矸石堆积而成的煤矸石山，一般发热量可达到3350～6280J。此类煤矸石山由于内部发热，并随着温度的蓄积，温度最高可达800～1200℃，形成一个高温高压的内部环境。风化后的煤矸石山表面覆盖了一层较细的风化颗粒，内部热量和瓦斯气体散发不出来，当煤矸石山内瓦斯气体的浓度达到一定程度，极易产生爆炸，并引起崩塌、滑坡等地质灾害，对附近居民的安全造成严重威胁。
自燃煤矸石山爆炸时释放出大量的热能，瞬时温度可达2300～2500℃。爆炸抛出的高温矸石可引起周围建筑火灾，烧毁周边的树木、工厂设备，烧伤人员，也是引发连续爆炸的主要热源。图1-3所示是某座矸石山发生爆炸产生的高温热浪将20多米远的树木叶子烧焦，可见爆炸产生热量之高，危害之大。
图1-3 矸石山爆炸产生高温热浪对环境的破坏
图1-4 矸石山爆炸产生粉尘对环境的破坏
自燃矸石山爆炸不仅产生高温，而且爆炸压力也很高。高压可以促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，其传播速度可达2340m/s，对矿井地面建筑和器材设施造成破坏，同时，冲击波可扬起大量矸石粉尘，并使之参与爆炸，造成局部粉尘的连续小爆炸，形成更大的破坏力。冲击波可以在它的作用区域内产生震荡作用，使物体因震荡而松散，甚至破坏。据研究，当冲击波大面积作用于建筑物时，波阵面超压在20～30kPa内，就足以使大部分砖木结构建筑物受到强烈破坏（图1-4、图1-5）；超压在100kPa以上时，除坚固的钢筋混凝土建筑外，其余部分将全部破坏。
图1-5 平煤四矿“2005年5月15日”煤矸石爆炸事件灾后房屋
2005年5月，河南平煤集团煤矸石山发生自燃崩塌，造成周边房屋严重破坏和人员伤亡；另外在抢险过程中，煤矸石山又发生3次喷发，造成8人遇难，122人灼伤。焦作矿区1988年的一次矸石山爆炸，造成6名儿童死亡。矸石山爆炸已经是我国煤矿常见的地质灾害，给矿区人民的生产生活造成了极大的伤害和财产损失。2001年5月13日，阳泉一矿正在使用的排矸场上，发生一起煤矸石山爆炸事故，造成一人死亡。据不完全统计，我国每年发生的矸石山地质灾害几十起。由此可见，我国煤矸石山安全现状不容乐观。
4.煤矸石山的水土流失
自然堆放的煤矸石山一般坡度较大，有些煤矸石山的安息角高达40°以上。由于煤矸石的粒径较大，堆放初期，表面的煤矸石风化程度低，煤矸石山入渗能力较强。随着表面煤矸石风化程度的提高，入渗能力逐渐降低，使得煤矸石山表面径流加大，造成土壤的冲刷。近年来煤矸石堆放一般需要经过压实，经过机械碾压的煤矸石山表面由于形成致密的“不渗层”，在暴雨天气下其上覆盖的表土极易造成严重的水土流失（图1-6）。
图1-6 阳泉煤矸石山的水土流失现象
二、煤矸石山的化学危害
1.自燃的危害
由于煤矸石山中含有一定量的残煤、碳质泥岩、废木材等可燃物和易氧化释放热量的硫铁矿和硫等化学物质，野外露天堆放的煤矸石极易发生自燃。首先是煤矸石里的黄铁矿（FeS2）氧化产热，当温度达到可燃物的燃点时，引起残煤、炭质等可燃物质的自燃，进而导致起煤矸石山自燃。自燃后的煤矸石山内部温度可达800～1200℃，并释放出大量CO、CO2、SO2、H2S、氮氧化合物、苯芘等有害气体（表1-5）。
在供氧不足时，主要产生的气体为：
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
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当供氧充足时，碳质物和黄铁矿的氧化反应更激烈：
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
在高温作用下：
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
自燃煤矸石山治理与生态重建技术
表1-5 中国部分自燃煤矸石山污染监测结果 单位：mg/m3
据统计，全国国有重点煤矿所属的1700多座煤矸石山中，约1/3的矸石山正在发生燃烧。其中，山西阳泉煤业集团累计矸石量达1×108t，现有大小煤矸石山20多座，而且大部分都在自燃。煤矸石在自燃过程中放出大量的SO2、H2S、CO、CO2和NOx等有害气体并伴有大量烟尘。常年自燃的矸石山，每平方米燃烧面积每天将向大气排放出CO 10.8g、SO2 6.5g、H2S和NOx 2g。大量的SO2、H2S、CO、CO2和NOx等有害气体的释放，不仅对矿区环境造成破坏，而且对周围居民的急、慢性疾病的发生率均有显著影响。煤矸石自燃时大量SO2、NOx进入大气，还是造成酸雨的源头之一。另外，煤矸石在露天堆放时，矸石表面会风化成粉尘，在风力作用下，整个矿区飞沙走石，遮天盖日，全都笼罩在黑色煤尘包围之中，对周围大气环境造成严重不良影响。
我国矸石山自燃以黄河中上游一带较为严重，如宁夏的大部分煤矿矸石山，内蒙古的乌达矿矸石山，陕西的铜川矿区矸石山，山西太原西山煤田的东西矿区矸石山、阳泉煤业集团煤矸石山，河南的焦作、平顶山等矿区矸石山均发生大面积自燃，不仅污染大气，还影响人体健康。例如，阳煤集团现在堆积有20多座矸石山，年排矸量约700×104t。由于大量洗矸和部分洗矸中的煤源源不断地堆上了各矿的煤矸石山，一至四矿4座特大型煤矸石山先后发生了大面积自燃，煤矸石山自燃严重污染了排矸作业环境，影响排矸工人身体健康。在排矸现场的工人，经常发生SO2和CO中毒症状，被送往医院抢救。经阳煤集团环境监测站采样监测，SO2平均浓度为19mg/m3，CO为125.9mg/m3，在排矸场局部地区SO2最高浓度达138mg/m3，CO最高浓度达237mg/m3，分别超过国家大气环境质量三级标准196倍和10.9倍，对排矸场周围的农作物和居民都造成了严重污染，使村、矿矛盾尖锐化。例如：铜川矿务局6个自燃矸石山周围均为癌症高发区，在矸石山附近工作过5年的职工，都患有肺气肿。我国乌达跃进选煤厂矸石山燃烧区附近检测结果：SO2平均浓度为10.69mg/m3，超过国家标准70多倍，而H2S平均浓度为1.57mg/m3，超过国家标准150多倍。
煤矸石山自燃产生大量CO、SO2等有毒有害气体。一座煤矸石山自燃可长达十余年至几十年，由于长期释放大量有毒有害气体造成了严重的大气污染，使得自燃煤矸石山周围地区呼吸道等发病率明显高于其他地区（图1-7、图1-8）。煤矸石山自燃释放出的SO2等气体对绿色植物的叶片细胞产生危害作用，导致叶绿素枯死。SO2浓度严重超标，还会导致一些敏感植物死亡。SO2对绿色植物的污染受害浓度见表1-6。
图1-7 煤矸石山的自燃产生大量有毒有害气体
图1-8 阳泉煤矸石山的自燃
表1-6 SO2对绿色植物的污染受害浓度
续表
2.酸性水污染和有毒重金属污染
矸石风化物无粘结性，矿物颗粒可随降水而移动，风化物中有毒元素等某些成分可随降水渗入土壤、进入潜流和水系等。据研究表明，矸石中氯离子、碳酸氢根、镁离子、钙离子、钾离子、钠离子组成和含量与内陆盐渍土的盐分组成和含量相似，影响矸石山上的植物生长。严重的是，矸石中含有多环芳烃等多种微量重金属元素，这些有毒重金属元素通过雨水淋溶渗入土壤或进入水域，对水环境和土壤环境造成污染，其污染程度则取决于这些元素的含量、煤矸石pH和淋溶量的大小。这些重金属元素被农作物吸收，同时通过食物链进入人体，危害人体健康。煤矸石中淋溶析出的金属元素有Cd、Pb、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Al、Ca等，它们的排放与转移会对接纳水体造成污染（图1-9）。Cd、Pb、Hg、Cr、As等重金属离子的毒性非常大，能在环境中蓄积于动植物体内，对人体健康产生长期的不良影响，会引起急、慢性中毒，造成人体肝、肾、肺等组织的伤害，严重时甚至能够导致畸形、癌变和死亡。
图1-9 煤矸石山淋溶产生的酸性矿山废水严重污染周围的土壤和水体
我国许多地区煤矸石含硫量较高，如山西阳泉煤矸石含硫量5.77%，四川南桐煤矿矸石含硫量18.93%，贵州大枝煤矿8%～16.08%，煤矸石中的黄铁矿经过氧化、淋溶作用，形成富含硫酸根、铁、重金属等有毒元素的酸性水；煤矸石山自燃产生的SO2、CO2等与水分子结合，也易使煤矸石山土壤酸化，有的煤矸石山土壤pH可达到3。如2006年甘肃雷坛河遭煤矸石侵袭，致使两万人饮用水源受威胁。河道的一大半已经被一座上面宽约2m、下面宽约10m、高约5m、绵延约200m的煤矸石山占据，底部的煤矸石全部浸泡在河水中，严重污染了河水，使饮用水水源遭到污染。
3.煤矸石对环境的放射性污染
在长期的堆积过程中，煤矸石中放射性元素大量析出，使空气中的放射性元素浓度增大，超过其本底值造成辐射污染。煤矸石中天然放射性元素主要为铀-238、钍-232、镭-226、钾-40。据山西省阳泉等矿区监测，矸石中的天然放射性核心元素均高于原煤和土壤中的相应数值。
依据我国《放射防护规定》、《建筑材料放射卫生防护标准》和《建筑材料用工业废渣放射性物质限制标准》中的有关规定，结合全国部分地区土壤放射性核元素含量，可以认为煤矸石不属于放射性废物，而属于一般工业固体废物。煤矸石即使100%用于建材制品，亦满足有关放射性限制标准和卫生防护限制规定。
三、煤矸石山对矿区景观的破坏
煤矸石山的堆放直接改变了原有土地的结构和功能，毁坏了原有的植物生态系统，使原有土地变成了寸草不生的“石质荒漠”；另外煤矸石多为灰黑色，且大部分煤矸石山山体高大，有的甚至高达100多米，巨大的光秃秃的黑色煤矸石山成了煤矿区最主要的标志物，与矿区周围山体、植被、农田等自然景观极不协调；自燃煤矸石山还冒着白色的烟雾，严重破坏了矿区的自然景观（图1-10）。
图1-10 煤矸石对矿区景观的破坏
煤矸石山的风蚀扬尘、尘埃等颗粒物覆盖在建筑、植物、道路等之上，使其失去原来色调；煤矸石扬尘降低了空气的清洁度和光照度；煤矸石山流水和经雨水冲刷带下的煤矸石风化物，破坏水体景观。煤矸石堆放产生的粉尘、自燃产生的有毒有害气体等对植物生长存在很大的影响，如植物叶色变黄、生长速度降低、草地植被种类减少等，对矿区的生态系统和植被景观产生了严重破坏（图1-11）。
图1-11 煤矸石山对矿区景观的破坏
2. 煤矸石、矿坑水、黄土的最佳配置问题
目前，大峪沟三号井排出的矿坑原水和本次配制的煤矸石矿坑水混合液要实现达标排放，关键的问题是提高废水的pH值。上述实验证明，黄土的掺入是一可行的办法，但需考虑黄土的采挖运输等成本和加入过程中有可能带来的矿化度增高、水质咸化等问题。因此，如何科学合理地控制煤矸石、矿坑原水和黄土三者的比例，使处理后的水既能达到国家规定的排放标准，又能以最少的黄土使用量处理最多的煤矸石和矿坑水，就成为煤矿山废物综合一体化处理方案中一个不可回避的问题。
这一问题实际上就是一个线性规划问题。线性规划是20世纪初由法国数学家Fourier提出，1947年G.Dantzig提出单纯形法求解线性规划问题，使解线性规划的方法通用化。单纯形法的基本思想是:根据问题的标准型，从可行域中任意找出一个基本可行解(称为初始基本可行解)，从这个解出发，转换到另一个基本可行解(顶点)，并保证目标函数的值逐渐增大，当目标函数达到最大值时，就得到了问题的最优解。对于一个实际问题进行线性规划时，应包括以下几方面内容:①首先要根据已知条件及所要求的问题，用一组变量x1，x2，x3，…，xn来表示，这些变量称为决策变量(decision variable);②每一个问题都有一个目标，以决策变量的线性函数来表示，称为目标函数，它是衡量系统优劣的标志，体现了最优规划的一种准则;③每一个问题都有一定的限制条件，这些条件称为约束条件，是用一组线性等式或不等式来表示的。
受时间、条件的限制，上面所讲的最优化方案的获取不可能通过各因子交叉实验来实现，为此，本次研究运用了系统工程中寻求最优化方案的技术予以解决。
研究过程分以下几个步骤。
1)选取约束条件:约束条件的选择应以废水排放的国标为准，兼顾Ca2+、Mg2+、SO42－、矿化度等非限制指标使其尽可能地保持较低浓度。上述实验表明，三者混合液pH值增高的同时，Ca2+、Mg2+、SO42－和Fe、Mn离子的浓度呈下降的态势，所以，可用pH值为6作为该问题的约束条件。另外，上述实验是在常温常压和有氧环境中进行的，固液比保持1∶5，煤矸石与黄土的混合比保持在1∶1～100∶1的范围内，这些也是约束条件，即运筹计算时可行解域不得超出这个范围。
2)目标函数的建立:在最优化决策中，每一个问题都有一个明确目标。这个目标以决策变量的函数式来表达，称为目标函数。本次研究的问题是以满足前面约束条件的前提下，黄土掺入量最少为待求方案，所以目标函数中包括了煤矸石、矿坑原水、黄土和pH值四个决策变量，前三者与pH值的数量关系由实验结果统计得出。
3)最优化方案的计算:本次计算采用具有人工变量的“罚款法”来完成。在解决线性规划问题时，当约束条件为“≤”时，可将约束条件标准化后直接求解。但是，当约束条件为“≥”或“=”时，经标准化后，约束方程组系数不存在单位矩阵，无法形成一个现成的初始基本解。这时需要在约束方程中引入非负的人工变量(artificialvariable)，构成单位矩阵。这种人工变量没有物理意义，仅是为了求解方程方便而引入，所以解的结果必然使这些变量为零，才能保持改变后的课题与原题等价，否则说明原题无解。处理人工变量的方法之一为“罚款法”。
(1)目标函数的建立
煤矸石、矿坑原水、黄土三个决策变量之间的函数表达关系基于前述四组实验(三种物质混合实验)的第24小时实验结果。其中黄土的掺入量用X1表示;煤矸石的处理量用X2表示;矿坑原水的处理量用X3表示;三者混合液的pH值用X4表示。相关数据见表4.18。
表4.18 决策变量的取值
研究发现，三者混合液的pH值与其他变量的统计关系均为非线性(图4.7)，经过多次试算，得到了最佳拟合结果:
煤矿山地质环境问题一体化治理研究
方程的R2=0.995，回归平方和SSR=0.132，残差平方和SSE=0.001。
图4.7 混合液的pH值与其他变量的统计曲线图
该数学模型表达了如下的物理含义:三者混合液的pH值大小是由黄土、矿坑原水、煤矸石相互作用的共同结果;矿坑原水数量越多，pH值越小，两者之间是负相关;黄土和煤矸石对pH值增大产生正的贡献;pH值的大小与三种物质量的多少不是简单的线性(比例)关系;从相关系数平方R2和残差平方和的数值来看，该数学模型证明了四个变量的对数值存在极好的线性统计关系，拟合效果也达到了相当高的精度，可用于进行内插计算。
经移项调整，式(4.3)变为
煤矿山地质环境问题一体化治理研究
将式(4.4)进行变量代换，得
煤矿山地质环境问题一体化治理研究
式中:Z=lnX1+670.823;Z2=lnX2;Z3=lnX3;Z4=lnX4
利用式(4.5)，得到目标函数的数学表达式为
煤矿山地质环境问题一体化治理研究
(2)约束条件的数学表达
综合一体化的处理方案中，寻求最优方案必须满足以下四个条件。
A.煤矸石与黄土混合比
上述有关实验之所以将煤矸石与黄土的混合比限制在1∶1～100∶1之间，是基于以下考虑:黄土的加入可以提高煤矸石矿坑水的pH值。虽然加入量越多，改善效果越佳，但是，添加黄土过多又会使水中的其他组分浓度增高，增加黄土采挖、运输的费用，以及采土占地和固体废弃物(黄土+煤矸石)总量的增大;如果黄土用量过少，又达不到最终要求的pH值。所以黄土与煤矸石的最佳混合比应在上述范围内去寻找，即约束条件应为:X2≥X1。
B.固液比约束
煤矸石、黄土与矿坑原水以什么比例混合，既要考虑最终处理效果，又要考虑煤矸石和矿坑排水的实际生产能力。使产出的废物及时处理掉而不盈余积压，据调查，三号井矿坑水排出量一般为1728～2592m3/d，日处理能力按2500m3/d可满足要求。煤矸石的产量按原煤产量的1/3计算，年均为15×104t，日产量约为410t，为了将多年已积存的煤矸石也逐步消化掉，日处理量按500t约束是可行的，于是约束条件可用下式表达:X3≤2500，X2≤500，1≤X3/(X2+X1)≤5。
C.pH值的约束
按照国标规定，煤矿废水的排放其pH值应在6～9之间，为了避免中和剂(黄土)过多而带来的副作用，pH值以国标的下限为约束，即X4≥6.0。
(3)最优化决策的数学表达形式
目标函数:
max(－Z)=1.23Z2－85.133Z3－8.85Z4
约束条件:
－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。
采用单纯形法中的罚款法寻优计算，得最优解为Z2=6.21，Z3=7.824，Z4=1.792，max(－Z)=－674.301，则Z=674.301。根据前述的变量代换关系，得到以下综合一体化的最优方案:日处理2499.9m3矿坑原水和497.7t煤矸石，只需掺加32.39t的黄土可使排放废水的pH值达6.001。从该方案中可以看出两点:①固液比为1∶4.71，煤矸石与黄土的混合比为15.4∶1，基本符合实验条件。②计算结果还表明，1kg黄土可同时处理77.2L矿坑原水和15.4kg煤矸石使之达到环保的要求。
3. 煤矸石、矿坑废水的成因分析
煤矸石、矿坑废水的化学组分是研究其迁移、聚集过程，形成污染的基本出发点。
(1)煤矸石的成分及酸化成因
野外调查和采样结果表明，三号井的煤矸石堆主要由炭质泥岩、炭质页岩、杂砂岩和少量石灰岩的碎块组成。在自然堆放情况下，大小混杂，无分选，其中块径大于10cm 的煤矸石约占29%、块径5～10cm 约占22%、块径3～5cm 约占14%、块径1～3cm 约占22%、块径0.5～1cm 约占8%，其余为块径小于0.5cm 的碎屑。炭质泥岩和炭质页岩占据的比例较高。这类岩块不仅炭质含量高，还有大量肉眼可识别的黄铁矿晶体聚集体和散晶，有些外表呈现硫化物的黄色或磁铁矿的锈痕。除此之外，X 衍射物相分析表明，煤矸石中还含有比例不等的绿泥石、伊利石、石英和黏土类矿物(表4.2)。
利用ICP-AEs仪器测定，煤矸石碎屑混合样所含的化学成分中，铁、硫的含量十分高，其中铁的含量达148.76g/kg，有效态达4.57g/kg;硫的含量达117.82g/kg，有效态达1.45g/kg，其他化学成分远小于铁和硫，详细情况见表4.3。
由此推算，现堆放的煤矸石山约有4.75×104t铁、1.45×104t硫和相当数量的重金属元素。在酸性水环境中可溶解脱出，随渗出液迁移到下游地区，从而形成矿区一个长期的污染源。
表4.2 大峪沟三号井田煤矸石矿物组成
表4.3 大峪沟三号井田煤矸石化学组分含量(单位:mg/kg)
因为煤矸石中普遍含硫量高而且主要以黄铁矿形式赋存，在风化雨淋过程中缓慢氧化成Fe2O3和SO2，与水作用形成Fe2(SO4)3和H2SO4，这样，一部分硫以气态的形式排放到大气中，还有部分以离子方式进入水体和土壤，从而引起酸化。
(2)矿坑废水的化学组分及成因
据2007年8月9日采集的水样测试分析结果(表4.4，表4.5)，矿坑废水化学组分有如下特点:
1)总含盐量高，其中矿化度达2400mg/L，相当于咸水-微咸水类型，水中悬浮状固形物为2400mg/L，其成分主要为石膏及非晶质物质。
2)阳离子中以碱金属和碱土金属离子为主。钾、钠、钙、镁离子总量占阳离子总量的90%以上，阴离子中硫酸根含量极高，达1685mg/L，占全部阴离子的90%以上，而重碳酸根离子仅为3.05mg/L。
3)重金属以锌锰为主，分别为2.4mg/L、1.8mg/L，铜、砷、铅、镉、六价铬含量甚微，均小于0.05mg/L。
4)pH值为3.07，属酸性水。这些特点与矿坑废水形成的条件有着直接关系。
现排放的矿坑水大部分来自一1煤围岩的裂隙水、岩溶水，从一1煤和煤矸石的化学成分可知，这些地层含硫、铁极高。在巷道开拓、回采之前，这些物质处于还原环境，大部分以难溶的硫化物形式封存于地下，一旦人工揭露，巷道和采掘面形成氧化环境，矿坑水酸度就会变大。酸度增高的机理有三个方面:
表4.4 矿坑水排水口、矿井口水样测试数据(单位:mg/L)
注:取样地点，矿坑水排水口(N34°43༾.46″、E113°05ཧ.28″);室内编号，856。
矿井口(未加中和剂)(N34°43གྷ.40″、E113°05ཟ.26″);室内编号，857。
取样时间，2007年7月。
表4.5 矿坑水排水口、矿井口水样测试数据(单位:mg/L)
注:取样地点，矿坑水排水口(N34°43༾.46″、E113°05ཧ.28″);室内编号，1323。
矿井口(未加中和剂)(N34°43གྷ.40″、E113°05ཟ.26″);室内编号，1462。
取样时间，2007年11月。
一是煤层和顶底板中含硫化合物在氧气、水共存条件下，氧化形成游离的H2SO4，反应方程式为
煤矿山地质环境问题一体化治理研究
二是式(4.1)中铁等金属的硫酸盐水解释放H+，其反应过程为
煤矿山地质环境问题一体化治理研究
三是地下水中H2CO3的分解。在大峪沟一1煤井巷的条件下，硫化物的氧化和硫酸铁的水解对矿坑水的酸化影响最为突出。此外，H2CO3的分解也将带出一定量的Ca2+、Mg2+。由于H2SO4浸溶又有可能使Ca、Zn等金属转化为硫酸盐，使之从矿物中析出。在上述反应中，硫化细菌起着重要的催化作用，巷道良好的通风条件，适宜的湿度，促使诸如硫杆菌属的细菌大量繁殖，加速Fe2+氧化速度并从中获得自身繁殖所需的能量，与此同时，它们将煤层中所含的单质硫迅速氧化为硫酸，提高了矿坑水的酸度。
4. 关于焦煤集团演马电厂综合利用煤矸石情况的调研报告
煤矿在生产和洗选加工原煤时，要排放大量煤矸石，这些固体废弃物长期不能被有效利用，占用了矿区及周边城镇大量土地，污染大气环境。焦作煤业（集团）有限责任公司已有109 年的开采历史，伴随着煤炭开采量的不断增加，煤炭开采的伴生物———煤矸石大量堆放，即占地又扬尘，严重影响着焦作这座新兴旅游城市的生态环境。
煤矸石电厂是用煤矸石为燃料，将其燃烧产生的热能转化为蒸汽热能，利用汽轮发电机组发电，属资源综合利用项目。全面步入振兴阶段的焦作煤业（集团）有限责任公司，在科学发展观的指导下，把煤矸石综合利用，促进循环经济发展，作为一项重要产业来抓。这一发展思路符合国务院国发[1996]36号文件的要求。位于焦煤集团演马庄矿东侧的焦作煤业（集团）演马电厂，始建于1988 年10 月，现有装机容量37 兆瓦，在职员工426人。用演马庄矿、九里山矿、凯马煤冶化公司等矿井产出的煤矸石从事发电生产，每年综合利用煤矸石30 万吨左右，发电量可达2 亿多千瓦时，供电煤耗控制在300克/千瓦时以下，降低燃料成本费用千余万元，为建材企业提供灰10余万吨，渣15万吨左右。建厂以来，已利用煤矸石100 余万吨，发电10亿多千瓦时，减少矸石占用耕地60余亩，改善了矿区环境，创造出可观的经济效益和社会效益，成为焦作煤业集团循环经济发展的中坚力量。
一、综合利用矸石数量年年递增
焦煤集团演马电厂是经原国家煤炭工业部批准兴建的煤矸石坑口电厂。一期工程装机容量2×6兆瓦，分别于1992年6月和1994年6月投入生产。二期工程25兆瓦机组于2003年元月投入运行。所发电力主要供给焦煤集团东部矿区使用。锅炉分别采用江苏无锡锅炉厂生产的UG—35/3.82—M12型循环硫化床锅炉和北京锅炉厂生产的 BG130/3.82—M型循环硫化床锅炉，燃料以煤矸石为主。
多年来，该厂始终坚持走煤矸石综合利用之路，依靠资源优势，努力做好煤矸石发电利用及灰渣用于建材这篇大文章。强化煤矸配比，积极探索最佳运行方式，用矸量确保达到2/3以上。在企业内部狠抓节支降耗，加强成本核算，细化生产经营指标。从2004 年9 月份至今，持续开展生产指标劳动竞赛，以比用矸量、标煤耗、发电量等指标为内容的值与值之间的竞赛考核，进一步增强了广大职工的竞争意识，发电量明显提高，煤耗量明显下降，用矸量大幅度上升。
该厂在积极组织集团公司内部矸石的同时，还主动出击到市场上寻找合适矸源，为发电机组正常运行提供有力保障。原来占用耕地并且污染环境的废弃物———煤矸石，在演马电厂得到了充分利用。2003 年用矸13 万吨，用煤9万吨；2004年用矸19.1万吨，用煤7.9万吨；2005年用矸19.2万吨，用煤5.67 万吨，2006 年用矸28.08 万吨，用煤6.46 万吨，发电量2.07亿千瓦时。2007 年第一季度用矸6.8 万吨，用煤1.5 万吨，发电量0.51亿千瓦时。煤矸石利用量逐年提高。
二、技术改造年年创新
为确保煤矸石综合利用效果，几年来，演马电厂大力推行生产设备技术工艺改造和创新，不断提高企业的经济效益。
（1）改造燃料输送系统。煤矸石综合利用的核心就是多用、用好煤矸石。因此煤矸石的筛分、破碎系统是制约使用煤矸石多少的瓶颈。为了不断提高用矸量，演马电厂于2002 年投资140 万元，扩改建原有燃料输送系统，并多次进行技术改造，提高矸石筛分、破碎能力，使符合颗粒尺寸要求的煤矸石供应能力由原来的30吨/小时提高到80吨/小时，入炉煤的煤矸配比由原来的1∶2提高到1∶4以上，极大地提高了燃料保障能力，为煤矸石综合利用夯实了基础。采用集中控制系统。把演马庄矿洗煤厂出来的煤矸石，经皮带走廊运输至厂内，由矸仓运输至筛分破碎系统，再到煤矸配比混合的5部、6部皮带，直至炉前仓，整个操作过程全部由集中控制系统统一完成。
（2）改造计量设备，提高煤矸配比技术。为了保证煤矸配比的科学化、合理化，演马电厂投资30万元进行了计量设备改造，把原来的机械皮带秤改为先进准确的核子秤，煤矸石的使用过程得到全程控制，对每台炉的煤矸瞬时量、班用量、日用量、月用量进行精确的记录和统计。安装使用灰分在线监测仪设备，用于对燃料发热量的瞬时监测，通过煤矸系统的变频给煤机及时调节煤矸配比，确保入炉燃料发热量均匀、稳定，进一步节能降耗。
（3）发电机组、储矸设施改造。2004年投资120万元大修了1号机组，2005年投入近300 万元对3 号机组进行了大修，尤其是3 号锅炉防磨内衬的技术改造，使3号锅炉能稳定、连续、经济运行，并获得了省煤炭工业科技进步二等奖。2006年投资20多万元对3号炉给煤机进行改造，将原刮板给煤机改造为皮带机式给煤机，投运后运行稳定并且节能，故障率降低，维修量大为减少，改造后给煤机的总运行维修费用每年可节约20多万元左右。针对3号汽轮机经常出现的失磁、跳闸、无功不稳定现象，2007 年投入20余万元，采用中国电力科学院设计的励磁调节装置，彻底消除励磁机存在的隐患。投资10万元，为发电机组直流系统增加一组蓄电池，进一步提高直流系统稳定运行及备用能力。2004 年以来，投资600 多万元对煤矸棚进行了改造，使煤矸石储量增加一倍。
（4）对水系统进行改造。完成了化水两台净水器的改造。改造后演马庄矿的来水净化量明显加大，地下水利用量明显减少。改造3号净水器；将反渗透浓水改至厂区中心花园的人工湖，使废水得到有效利用；改造燃运除尘系统供水方式，水源由深井水改为净化后的矿井排水，节约全厂总用水量。
演马电厂3号机组的锅炉为循环流化床锅炉，经过多次技术改造，不断加强职工技术培训，提高职工技术素质和操作水平，目前机组整体运行状况达到历史最好水平。通过生产指标竞赛、系统节能降耗等活动，锅炉入炉燃料始终控制在2500千卡/千克以下。目前，操作人员对低热值燃料运行的适应能力大大增强。从2003 年下半年至今，经过不断的探索，逐步加大掺矸量，降低煤耗，入炉燃料在1500 千卡/千克左右也可稳定运行，2000千卡/千克可满负荷运行，煤矸石燃烧技术是我国同类型机组中的佼佼者。
三、拓展循环经济链条
演马电厂致力于提高灰渣活性，增加灰渣的综合利用价值。该厂年产出废渣15万多吨，全部被焦煤集团千业水泥厂、焦作市强胜建材厂等厂家利用。产飞灰10万多吨，全部被焦作市强胜建材厂、焦作韩王工业有限公司及待王水泥厂所用，做到了煤矸石、渣灰等废弃物的充分回收利用。起到了“煤———电———建材”产业链中承上启下、变废为宝的作用，促进循环经济的良性发展。
自1994年至今，演马电厂连续7 次被省市等有关部门认定为综合利用企业。《资源节约与综合利用审核方法》试行期间，演马电厂作为河南省发改委确定的首批试点审核企业进行了审批，并且是惟一一家达标的审核企业。2004年底，经省发改委复查继续被认定为资源综合利用企业。认定证书编号为ZQRD—05—141。
2003～2005年，共完成发电量7.78 亿千瓦时，供电量6.76 亿千瓦时，创产值233400万元。2006年完成发电量2.07 亿千瓦时，供电量1.78 亿千瓦时，销售收入4668.45 万元，煤耗量6.46 万吨，矸耗量28.08 万吨，发电煤耗242 克/千瓦时，供电煤耗 281 克/千瓦时，燃料费用成本降低了1163.91万元，创造了可观的经济效益和社会效益，为焦煤集团的发展作出了巨大贡献。
四、强化以人为本管理理念
演马电厂注重强化以人为本、科学发展的管理理念，始终坚持“安全第一，预防为主”的方针，把安全生产作为企业管理的永恒主题。经常组织职工开展了多种形式的安全活动，每年都举办安全法律法规知识答题及考试，合格率100%。坚持每年开展两次“百日安全无事故”活动，每年6月份开展“安全生产月”活动，组织职工安全操作规程知识答题及安规测试，提高全体职工的安全意识。
扎实推进安全文明生产达标工作，每月召开一次安全现场办公会，组织一次安全大检查，对查出的安全隐患及时整改。2007 年元月在河南省煤炭行业组织的质量标准化达标验收中，演马电厂获得省特级质量标准化企业。截至2007年3月底，该厂已实现安全文明生产5382天。
以人为本，关心员工，坚持把全心全意为职工群众服务落到实处，给职工群众提供良好的工作生活环境，及时解决职工群众生活福利方面的问题。近年来为职工群众办了多件实事：一是为职工解决上下班班车问题。二是提高职工夜班费，并落实班中餐待遇。三是加强职工食堂管理，保障职工食堂饭菜供应。四是在运行职工中开展首席员工及技术能手评选活动，激发职工的工作热情。
作为焦作煤业集团所属的一家新兴综合利用型企业，演马电厂十几年的建设与发展，带动了集团公司及所在地区的循环经济发展。在企业发展的同时，也陷入窘境，面临一些问题，值得审慎探讨：
（1）发展煤矸石电厂，以煤矸石综合利用促循环经济发展的产业结构，有利于煤炭企业采用清洁生产技术，推进煤炭企业节能生产，延伸煤炭产业链，走循环发展和多元发展的道路，促进煤炭企业的转型。同时，发展煤矸石电厂对促进环境保护、缓和缺电矛盾、缓解矿区就业压力、促进地方税收增长都有积极的作用。综合利用煤矸石发展循环经济既利废又节能，是煤炭开采地区一项十分有益的重大课题。演马电厂的建设与发展，尽管收到了较好的经济效益、社会效益和环境效益，但是也面临着小火电机组被关停的危机。因此，政府在制定关停小火电机组政策时，应该给煤矸石综合利用型机组多一些相关的扶持政策，把煤矸石综合利用机组与一般小火电机组区别对待，不应该将其纳入小火电机组的关停之列，以保证其在节能减排发展循环经济中发挥更好的作用。
（2）作为综合利用型企业，演马电厂把社会效益同企业经济效益联系在一起，加大环境保护投入。近几年来，演马电厂坚持采用含硫量在0.2%～0.3%以下的特低硫入炉燃料，同时利用循环硫化床锅炉自身脱硫优势，采用石灰石脱硫法进行炉内脱硫，使二氧化硫排放量降低到了200 毫克/标准立方米以下。使用先进的电除尘设施有效降尘，按国家环保政策要求，投资140万元在烟气系统安装烟气在线监测设备，保证烟尘排放控制在标准要求之内。
承担着循环经济发展重要任务的演马电厂，仍需进一步提高节能减排意识，加大环保治理工作力度，确保综合利用企业的发展既能产生企业效益又能产生社会效益，有利于保护自然环境。
5. 黄土、煤矸石、矿坑水综合处理试验
众所周知，在酸性矿坑水中施加碱性物质发生中和，可有效降低水的酸度。根据这一常识，可选用黄土作为天然的中和剂，解决煤矸石、矿坑水混合液酸度过高的问题。
(1)黄土的物理化学特性
黄土是一种灰黄色、浅棕黄色的第四纪土状堆积物，广泛分布于我国中西部的干旱半干旱地区。大峪沟矿区的黄土以中更新统的离石黄土为主，仅在局部地段可见上更新统的马兰黄土。经分析，这些黄土主要为粒径0.05～0.005mm的碎屑矿物、黏土矿物和自生矿物组成。其中伊利石占15%，长石占25%，方解石占10%，石英占30%，其余为绿泥石和一些自生矿物。黄土具有大孔隙和裂隙，透水性良好。
水-岩作用研究表明(武胜忠，2006)，黄土在处理酸性废水时表现出多种良好的特性:①酸性废水通过黄土时，可以去除废水中的一些悬浮颗粒和化学沉淀物，起到过滤的作用;②由于黄土粒度较小，比表面积大，具有较强的物理吸附和化学吸附能力，对Pb、Cu、Zn、Cd等重金属都有明显的吸附固持作用;③黄土中碳酸盐含量较高可与酸性水中进行中和反应，提高废水的pH值。与此同时，黄土还是酸性废水的一种絮凝剂，可使呈分散状态的固体颗粒、胶体或某些金属离子(如Fe3+、Mn2+、Fe2+等)形成矾花，达到絮凝沉淀效果。
尽管如此，黄土毕竟是一种含可溶盐较多的物质，将其作为掺加物处理煤矸石矿坑水混合液，是否会带来一些新的问题，仍需要进一步研究。为此，本次研究做了专门的对比实验。
(2)黄土对混合液中化学组分的影响
按照上述同样的固液配比(即取黄土500g与2500mL蒸馏水混合)和实验方法，得到的结果见表4.8。
表4.8 黄土-蒸馏水浸泡实验结果
由表4.8可以看出，黄土水溶液pH值达到7.75，为碱性，能起到改善煤矸石矿坑水混合液pH值的作用。黄土水溶液中重金属的含量大部分处于检出限以下，不会对煤矸石矿坑水混合液产生明显的负面影响;除Cl－、F－、HCO3－含量较矿坑水原水稍大外，阴阳离子含量均小于矿坑原水，其矿化度仅为569.06mg/L，仍属良好的淡水。
考虑到水-岩作用是个复杂的物理、化学过程，不能仅凭黄土水溶液的组分，推断混合液掺加黄土后的效果。所以，本次研究做了煤矸石、黄土、矿坑原水三者混合的实验。
实验中固液比均按1∶5配置，即煤矸石和黄土的总量保持500g，矿坑原水2500mL，根据煤矸石与黄土的比例不同分为四组，质量比分别为1∶1、5∶1、10∶1、100∶1。为了把握反应进行的程度，每组又进一步置备了六个实验过程，分别按0.5、1、3、8、10、24小时单独取浸泡液样分析，结果见表4.9～表4.14。
由煤矸石、矿坑原水、黄土三者混合液中的K++Na+、Ca2+、Mg2+、SO42－、pH值随时间的变化过程(图4.2～图4.6)可以看出，反应初期，各离子浓度不稳定，总体呈现先下降后升高的震荡现象。这种现象产生的原因主要是使用的煤矸石为小于5mm的碎屑和粉末，粒度不均匀且各种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、数量和所需时间都会有差别。经过10小时的浸泡，上述现象明显改观，浓度差别变小，并呈单向收敛态势。浸泡24小时后，水样中各离子浓度大小已呈有序排列，说明反应过程已近平衡状态，能够作为三种物质混合反应的最终结果。
表4.9 淋滤实验数据表A(单位:mg/L)
注:①前面数字表示浸泡时间，后面数字表示比例。例如，淋滤实验样3/1，表示浸泡时间为3小时，黄土∶煤矸石的比例为1∶1。
淋滤实验样0.5/1;室内编号，920。淋滤实验样0.5/5;室内编号，921。淋滤实验样0.5/10;室内编号，922。淋滤实验样0.5/100;室内编号，923。
取样时间，2007年7月。
表4.10 淋滤实验数据表B(单位:mg/L)
注:淋滤实验样1/1;室内编号，924。淋滤实验样1/5;室内编号，925。淋滤实验样1/10;室内编号，926。淋滤实验样1/100;室内编号，927。
表4.11 淋滤实验数据表C(单位:mg/L)
注:淋滤实验样3/1;室内编号，904。淋滤实验样3/5;室内编号，905。淋滤实验样3/10;室内编号，906。淋滤实验样3/100;室内编号，907。
表4.12 淋滤实验数据表D(单位:mg/L)
注:淋滤实验样8/1;室内编号，908。淋滤实验样8/5;室内编号，909。淋滤实验样8/10;室内编号，910。淋滤实验样8/100;室内编号，911。
表4.13 淋滤实验数据表E(单位:mg/L)
注:淋滤实验样10/1;室内编号，912。淋滤实验样10/5;室内编号，913。淋滤实验样10/10;室内编号，914。淋滤实验样10/100;室内编号，915。
表4.14 淋滤实验数据表F(单位:mg/L)
注:淋滤实验样24/1;室内编号，916。淋滤实验样24/5;室内编号，917。淋滤实验样24/10;室内编号，918。淋滤实验样24/100;室内编号，919。
图4.2 K++Na+浓度随时间变化曲线
图4.3 Ca2+浓度随时间变化曲线
图4.4 Mg2+浓度随时间变化曲线
图4.5 SO42－浓度随时间变化曲线
图4.6 pH值随时间变化曲线
煤矸石、矿坑原水掺加黄土后，水质发生了明显的变化(表4.15～表4.17)，具体情况如下:
表4.15 蒸馏水浸土、煤矸石、泥实验数据表(单位:mg/L)
注:取样时间，2007年7月
表4.16 矿坑水浸黄土、煤矸石实验数据(单位:mg/L)
注:取样时间，2007年11月。
表4.17 混匀液浸黄土、煤矸石实验数据(单位:mg/L)
注:取样时间，2007年11月。
K+、Na+浓度的变化:掺加黄土后，三者混合液的K++Na+浓度为92.0～64.86mg/L之间，较矿坑原水的244.49mg/L有明显下降，但比煤矸石矿坑水混合液的49.77mg/L有所增高。由图4.2中可以看出，K++Na+增加的程度与煤矸石黄土的掺和比有关，黄土的比例越高，增加效果越明显，说明发生了离子交换作用。
Ca2+浓度的变化:三者混合液的Ca2+浓度为201.60～664.13mg/L，比矿坑原水的316.43mg/L增大了1倍多，但比煤矸石矿坑水混合液的1093.38mg/L有了大幅度下降。这一点可从黄土中CaCO3含量高，与水中的残存酸发生中和反应的角度予以解释。
Mg2+浓度的变化:三者混合液的Mg2+浓度为113.97～98.78mg/L，与矿坑原水的112.75mg/L持平或略有下降，且低于煤矸石矿坑水的Mg2+浓度。由图4.4可以看出，Mg2+浓度的大小与黄土煤矸石混合比相关，黄土掺加量越大，Mg2+浓度越低，说明黄土对Mg2+有一定的吸附作用。
SO42－浓度的变化:三者混合液的SO42－浓度为2144.06～1994.21mg/L，与矿坑原水相比，升高了200～400mg/L，但远低于煤矸石矿坑水混合液的3365.94mg/L。
pH值的变化:三者混合液的pH值为6.90～4.35，比矿坑原水的3.07有明显提高。与煤矸石矿坑水混合液相比，则视黄土掺加量的多少而定，当黄土与煤矸石掺和比达1∶1时，pH值增大效果最明显。若两者掺和比低于100∶1时，不会改善混合液的pH值。
Fe、Mn、F离子的变化:三者混合液的Fe离子浓度(包括Fe3+、Fe2+)介于0.14～0.04mg/L之间，其高低与黄土煤矸石掺和比有关，黄土比例越高，Fe浓度越低，且低于矿坑原水(15.01mg/L)和煤矸石矿坑水混合液(5.48mg/L);三者混合液的Mn离子含量与矿坑原水相同(1.80mg/L)，低于煤矸石矿坑水的(2.80mg/L);与之相反的是，掺加黄土后的F－浓度为1.88～1.60mg/L，高于矿坑原水，也略高于煤矸石矿坑水混合液的1.60mg/L，表明黄土有脱F的迹象。
总之，黄土作为掺和物，可起到改善废水的良好作用，特别是对提高废水的pH值，降低Fe、SO42－、Ca2+浓度有明显效果。
6. 加强矿山废弃物的综合利用
西南地区不同类型矿产开发过程中形成的大量尾矿、煤矸石、废石、废土等固体废弃物、矿山废水和废气排放，是造成矿山地质环境污染、矿山地质灾害和矿山资源破坏的主要因素，如能将这些废弃物加以综合利用，变废为宝，是恢复治理矿山地质环境的重要措施。
（一）矿山尾矿的综合利用
矿山尾矿是选矿加工过程中排放的固体废渣，储存在矿山尾矿库中。西南地区截至2002年，累计堆存尾矿量已超过6×104t，主要分布在大型国有矿山，中、小型矿山一般未建尾矿库，直接排入山谷、河湖和洼地，污染环境，压占大片土地资源。尾矿中含有丰富的有用元素可综合利用，有的元素价值甚至超过了主要元素，如四川省丹巴县杨柳坪镍矿，尾矿中含有大量的铂和钯可综合利用，其价值远超过镍金属，现在杨柳坪镍矿已改名为铂镍矿；四川攀枝花钒钛磁铁矿伴生的钪，其价值亦超过其他有价元素的总和。价值很高的伴生组分选矿时往往未得到回收而进入尾矿，因此尾矿的综合利用潜力极大，可作为资源进行二次开发，同时亦可减少矿山环境污染和土地资源破坏。
国外尾矿综合利用较好的美国，在明尼苏达州铁矿山建立了一个年处理百万吨的尾矿选矿厂，年回收铁精矿20×104t，精矿品位达60%；美国用浸溶法提取铜矿山废渣，每年回收铜在20×104t以上。南非利用老尾矿建成日处理4000t尾矿的选厂，专门提取金和铀（任永云，1980）。
西南地区尾矿堆积最多的典型矿山有云南个旧锡矿区和四川攀枝花钒钛磁铁矿区，前者已堆存13000×104t尾矿，后者堆存有11000×104t尾矿，两者都有极高的综合利用价值，矿区已采取措施开发利用。
1.云南个旧锡矿山尾矿综合利用
云南个旧是我国锡都，锡业公司始建于1883年，是我国老工业基地，锡产量约占全国的三分之一，占世界的10%，年选矿石量430余万t，选矿平均回收率锡62.56%、铜71.04%。矿石中伴生的有用组分铅、锌、铋、钨、钼、铁等，都进入尾矿。个旧锡矿有大小选矿厂28个，堆存尾矿量13000×104t。主要选厂尾矿化学成分见表6-7。其中前5位金属元素Sn，Pb，Cu，Zn，Fe的平均含量（算术平均法）分别为Sn0.15%，Pb.30%，Cu0.25%，Zn0.54%，Fe19.4%，都达到了可供综合利用的程度（丁其光等，1995），而且资源量相当可观，锡金属量达20×104t，相当于4个大型锡矿床的规模；铜金属量达32.5×104t，铅金属量169×104t，锌金属量70.2×104t，铁金属量2522×104t。
表6-7 个旧锡矿主要选厂尾矿化学成分 单位：%
1983年云南个旧锡矿的尾矿综合利用问题受到国家重视，被列入国家科技攻关项目。1984年研究成果通过国家科委鉴定验收。尾矿综合开发利用取得了较好指标：黄茅山尾矿，含Sn0.15%～0.176%，经二次选矿回收产品含Sn2%～2.2%，选矿回收率57.42%～69.72%；古山尾矿含Sn0.158%～0.172%，经二次选矿回收产品含Sn2%～2.28%，选矿回收率为50.93%～65.23%。选矿成本3.6～8.48元/t，取得了较好的效益。在此基础上，逐步开展了尾矿工业生产。
2.四川攀枝花钒钛磁铁矿尾矿综合利用
四川攀枝花是我国重要钢铁基地，所开采的钒钛磁铁矿石铁保有储量约占全国铁矿储量的9.4%，占西南地区的52%，占四川省的74%；钒储量占全国总储量的60.14%；钛储量占全国储量的90.54%，是我国第二大铁矿山。年产矿石1350×104t，为露天开采。矿石中除上述3种元素外，还伴生有钪、铬、镓、钴、镍、铜、硫、磷、锰、硒、碲、铂族元素等多种有价元素，其含量均达工业综合利用的要求，但目前这些成分均未回收而进入了尾矿中。
攀枝花钒铁磁铁矿的尾矿都堆存在马家田尾矿库中，堆存量约11000×104t，是西南地区最大的尾矿库。尾矿的化学成分见表6-8。
根据目前的选矿技术条件，马家田尾矿库尾砂中的钛可以被二次选矿利用。特别是尾矿库标高1188m以下约5841×104t，属早期选铁尾矿，是选钛的宝贵资源。如按表6-8中TiO2含量为9.37%计算，5841×104t尾矿中含TiO2约有540×104t，按26%的回收率计，可回收TiO2142.9×104t，折合47.5%品位的钛精矿约300×104t，相当于现在攀枝花选钛厂12年的产量。而1188m标高以上还有5000×104t以上的尾矿，也有回收价值（丁其光等，1995），表明该尾矿库中钛资源量是相当可观的。这些尾矿的综合利用，既可解决国家资源急需，又可缓解矿山地质环境问题。
表6-8 马家田尾矿库堆存尾矿化学成分 单位：%
（二）矿山煤矸石、废渣、废水综合利用
1.煤矸石综合利用
西南地区采煤过程中形成的煤矸石堆存量约90000×104t，在矿坑附近堆积成山，占压大量土地面积，暴雨季节易形成滑坡、泥石流地质灾害，污染矿山周边河湖水系。但煤矸石又是重要的资源，可综合利用。主要利用措施如下：
1）直接用于建筑、交通工程填方、垫路基等；
2）用于充填采空塌陷区或沟谷，进行土地复垦和改造地形；
3）用来制造建筑材料，如：制矸石砖、生产水泥或水泥混合材料；
4）用作矸石电厂发电燃料。
从西南地区情况来看，由于近几年建筑、交通工程发展较快，尤其煤矿山附近公路建设，利用大量煤矸石用于路基铺垫。但煤矸石制作建材，如生产矸石砖、水泥、矸石发电等深化利用，发展较为缓慢，仅部分矿山企业综合利用效果较好，如：四川峨眉市龙池镇八益煤矿年产煤15×104t，年产煤矸石和尾矿粉共8×104t，矿山因交通方便，专门修建了砖厂，利用煤矸石和尾矿粉生产建筑用砖，年利用量达6×104t，综合利用率达75%，大大缓解了环境压力。贵州省盘江煤电集团、水矿集团所属大、中型矿山利用煤矸石发电，解决了60%的自身动力用电。利用煤矸石生产页岩砖、充填采空区，年消耗矸石量40×104t，产生了很好的经济效益。利用矿山周围沟谷堆放煤矸石，沟谷填满后覆土复耕、植树，还田于民，改善了工农关系，创造了一定社会效益。此外，以天然煤矸石为原料，通过酸溶一步法将煤矸石中的氧化铝溶解出来，并通过试验，确定溶出量最高时的工艺条件，再经过盐基度的调整（70%左右），形成碱式聚合氯化物，该聚合物具有很好的絮凝作用，从而成为一种新型高效净化剂（刘红艳等，2004）。可用于工业用水和污水的净化作用，具有广阔的应用前景。入选全国首批6个循环经济试点城市的重庆市，为发展循环经济，使煤矸石变废为宝，目前全市已批准投资30亿元，修建7个煤矸石综合利用发电厂，总装机容量58×104kW，并逐步形成产业链。
重庆最大的动力煤生产基地——松藻煤电公司，煤炭年产400×104t，煤矸石年排放量100×104t。现已堆积成的6座煤矸石山，既占用土地又污染环境。为使煤矸石变废为宝，松藻煤电公司将投资13亿元建起西南最大的环保发电厂——重庆松藻煤电公司安稳煤矸石火力发电厂。这座装机容量为30×104kW的煤矸石火力发电厂，采用废弃的煤矸石为燃料，每年可吃掉150×104t煤矸石，年发电量可达16×108kW·h。
合川市三汇镇煤炭资源丰富，年产煤炭150×104t，每年同样产生大量废弃煤矸石。为此，他们引进新技术，投资2.6亿元建成5.5×104kW的煤矸石发电厂，用煤矸石发电，变废为宝。而用煤矸石发电，每年又可产生30多万吨粉煤灰。于是电厂和富丰水泥集团联手，通过技术改造，建成一条利用粉煤灰生产水泥的生产线。据悉，富丰水泥集团还计划投入8000万元，拟建一座1.5×104kW的热发电厂，利用余热发电，以消除水泥生产中产生的余热对环境的不良影响。
2.煤灰渣的综合利用
西南地区能源矿山大量堆存的煤灰渣是一种重要矿产资源，应加强综合利用，减少环境污染，其主要成分是SiO2，约占50%；其次是Al2O3和Fe2O3，占40%左右；其余为CaO，MgO，SO3及其他稀有分散元素。国外对煤灰的综合利用非常重视，综合利用率最高为英国，达70%，西德为65%～70%、法国50%、日本52%、美国50%左右。我国排灰量居世界前列，但利用率仅20%～30%。
美国根据他们国家煤灰渣中普遍含有1%的钛、15%的铝、7.5%～15%的铁等特点，从中提炼铝和铁；并从煤的飞灰中提取锗、镓、铀、硒等稀有分散元素。我国用磁选法从含铁10%以上的煤灰中试验提取的铁精粉，品位达到48%～50%，所炼生铁完全合格；从含铝高含铁低的煤灰渣中生产了聚合铝、氯化铝的硫酸铝等产品。
提炼了金属铝、铁和稀有分散元素后的煤灰渣可供制作煤灰水泥，这种水泥的吃灰量大、成本低、工艺简单，而且具有抗渗性能好、后期强度高、抗拉强度高、水化热低等特点。高442m的美国芝加哥新西尔斯塔状楼，从墙体、楼板到防火设施等全部构件都用煤灰水泥制成。
煤灰渣内含有铝硅酸盐玻璃质，还大量用来制造人工轻质骨料，以代替卵石和黄沙。英国来特格公司用煤灰渣原料建设了一座年产13×104t人工轻质骨料厂，效益很好。国外利用煤灰制造人工轻质骨料发展很快，已成为建材工业中的一支劲旅。
煤灰渣还可以直接掺入混凝土。美国建筑业通常每立方米掺入12054.43kg煤灰渣，可以节约20%的水泥和10%的沙子，如美国芝加哥高200m的市政大楼就是用掺煤灰混凝土建成的（王在霞，1980）。由于煤灰的传热系数比很小，是理想的绝热材料，可以制成各种保温混凝土。
煤灰渣还可直接用于筑路，用其作柏油路的底基层或路基，其特点是防冻、防翻浆和龟裂，并且防水性能良好。据统计，美国四车道的公路每千米用煤灰渣作路基耗量100t，用量很大。
煤灰经过加工处理后，制成的农业肥料，用于盐碱地可以改良土壤；用于沙土地可以保水防渗；用于粘土地可以疏松土壤。由于煤灰有孔隙，透气性好有利微生物活动分解。煤灰中含有多种微量元素，可促进植物的生长。
煤灰渣的用途范围正日益扩大，如试制绝缘纤维材料；利用其作充填塑料、油漆、喷料、橡胶化合物、防火剂等理想配料；从煤灰中还可以提取合成润滑油等。
四川主要煤矿可采煤层煤灰样的分析结果显示，煤灰成分较前述美国煤灰成分为优。例如晚三叠世须家河煤系的煤层，煤灰中的铝含煤特别高，一般在20%～30%之间；含铁大多低于10%；含钛高于1%，广旺煤矿为1%～3%，白腊坪煤矿1%～1.8%；含锗量较高者如永荣西山、安富等井田为50×10-6以上（工业品位为20×10-6）；雅安的天全、芦山、宝兴等地的大炭、粗糠炭的煤灰中锗可富集到100×10-6左右；涪陵高子湾井田煤灰中的铀为302×10-6～800×10-6。晚二叠世龙潭煤系的煤层灰分含铁较高，一般为20%～30%；含铝相对较低，一般为10%～20%，但底部煤层含铝量有增多的趋势，如鱼田堡煤矿的K1煤层铝含量高达25%～35%，比上部煤层高出10%以上；其他如钛、锗、镓、铀等的含量在有的矿区相当富集，打通煤矿8号煤层钛的含量为2.75%～5.54%，华云山高顶山二号井田为3.74%，李子垭煤矿为1.1%～3.9%，南桐二井煤灰中锗可富集到70×10-6～120×10-6，江油松木咀除锗含量较高外铀含量达455×10-6，叙永古宋区K1煤层的铀为117×10-6～378×10-6；此外，镓的含量是随铝含量增高而增高，当铝在25%左右时，镓的含量大多在40×10-6左右（工业品位30×10-6）。
四川省煤灰中铝的含量普遍在20%左右，这是提炼铝的重要资源。如果能把大量煤灰利用起来，按每年回收100×104t煤灰提取20%的铝计，同时将富集的锗、铀、镓、钛等提出，再将煤灰渣制作为水泥或人工轻质骨料等，这项收入是相当可观的。
此外，利用含铝高的煤灰或煤矸石提取聚合铝，氯化铝已在辽宁南票矿务局大规模生产。四川省须家河煤系夹矸或煤灰渣含铝高，重庆市涂山煤矿小型试验所提取的聚合铝在处理污水时具有用量少（10 t水用0.25 kg）、效果好、速度快等优点。
为能使大量煤灰渣和煤矸石变害为利，物尽其用，国外对煤灰等的研究和利用极为重视，许多国家设有灰渣研究的专门机构，例如日本已批准从煤炭开发基金中拨款用于研究煤灰渣的利用技术。美国政府认为，由于煤灰渣综合利用的前景日渐扩大，因此，已不再把灰渣视为废物，而当成一项自然资源予以充分利用。美国内政部主编的矿物年鉴已将煤灰渣作为第6种固体矿物，列入国家统计。美国还成立了“国家煤灰协会”，并出版《煤灰利用》学术刊物，西德有些电厂，已经不设灰场，煤灰已作为商品外售。罗马尼亚《科研发展纲要》，已将煤灰利用列入国家立项的研究课题，在政府有关部门领导下有计划地开展研究工作。
我国煤灰利用的研究尚未全面展开，建议有关部门把煤灰综合利用列入日程。目前排灰量逐年增大，再不积极统筹安排，化害为利，负担将更加沉重。资源的再利用问题已是十分紧迫。
3.加强对与煤共生矿产的综合利用
西南地区煤矿普遍共生有硫铁矿和粘土岩，其数量相当大，是重要的矿产资源。但采煤过程中，作为废渣堆存矿山，造成环境地质问题，应加强综合利用，变废为宝。
重庆市天府煤田与煤共生的硫铁矿层长8000m，垂深500m，厚160m，分布面积5.4km2，平均含硫15.2%，初步估算资源量（333＋334）为1177×104t，为煤系沉积的大型硫铁矿床，有较大的综合利用价值。
广泛分布于川南和川东的晚二叠世龙潭煤系，含有3～5层可采煤层。在龙潭煤系的底部，普遍发育一层硫铁矿粘土岩，除硫一般都达到了工业开采的品位外，粘土岩亦为质量比较优良的硬质或软质耐火粘土。仅川南宜宾专区的珙县、兴文、叙永、古蔺等县1000余平方千米的范围内，通过区测和地质勘探以后，除有60多亿吨无烟煤外；尚有硫铁矿30余亿吨；耐火粘土近亿吨。
川南硫铁矿粘土岩矿层距可采煤层近的只有半米多，远的也仅3～4m。因此在考虑煤或硫的开采时，必须统筹规划，否则将会造成顾此失彼的严重后果，既浪费大量宝贵资源，又造成矿山环境地质问题。四川叙永县六润坝、古蔺德跃关等地硫铁矿粘土岩层具有广阔的综合利用价值。矿层平均厚2.15m，含硫平均有效品位16.03%，通过单矿浮选一次最终精矿产率为41.8%，品位38.12%，有效硫回收率为98.21%，有害杂质小于1%，目前有民营企业在开采。
矿石浮选后的尾矿即粘土岩的分析结果见表6-9，其耐火度为1710～1730℃。
以上各项指标介于国家标准Ⅰ级与Ⅱ级硬质耐火粘土之间。
此外，该矿层在制选过硫酸（用沸腾炉法）以后，剩下的残渣所作分析结果见表6-10。
表6-9 硫铁矿尾矿粘土岩的分析结果
表6-10 硫铁矿残渣的分析结果
以上各元素指标均符合冶铁高炉富矿要求（王在霞，1980）。
叙永县六涧坝硫铁矿粘土岩矿石，提取了硫精砂以后的矿石尾矿，可以全部加工成Ⅰ级至Ⅱ级软质耐火粘土，并具有较好的工艺性能，收缩率很低，在800℃高温下仍不变形，无裂纹或破裂的情况。因此在烧制耐火砖或陶瓷时可以直接用生料一次成型，不需加工成熟料，减少工艺流程，省钱省时。
川南古蔺县德跃关小汉炭煤层的直接底板是一层厚3～4m的粘土岩。经采样试验，属于Ⅰ级至Ⅱ级硬质耐火粘土岩。在该区的龙潭煤系最底部的硫铁矿高岭石粘土岩，经重选硫铁矿后的尾砂属于Ⅰ级软质耐火粘土。
此外，浮选硫铁矿后的尾砂，炉渣中尚相对富集V2O5，TiO2，Ga，Au等矿产，有的已达到综合利用价值。
4.金属、非金属矿山废渣、废水综合利用措施
西南地区金属、非金属矿山废渣堆存量有10多亿吨，综合利用量小。综合利用措施主要是直接用于铺垫公路路基和其他建筑工程填方，以及用于企业附近充填沟谷改造地形。少部分岩性较好，含土质少的废石加工为建筑石料用于工业民用建筑。个别企业废石（土）、尾矿利用成效较好。四川省江油市马角坝镇四川双马投资有限公司石灰石矿，年产水泥用石灰石200×104t，产出废石47.83×104t，废石全部被粉碎作为水泥原料加以利用，综合利用率达100%。
云南省东川矿务局投资105万元对落雪铜矿选厂尾矿水循环系统进行了改造，使循环率提高到66.28%，减少了废水排放；投资2.75万元对落雪铜矿精矿溢流水作了沉淀净化处理，使其固体含量大大降低，每年多收1000t矿砂。此外，1984年矿务局科研所与东川市砖瓦厂合作，用尾矿作主要原料，烧制砖获得成功，产品经云南省建材研究所鉴定，达到100号黏土砖标准。这些措施对矿山地质环境问题起到了缓解作用。