矿业科学学报杂志投稿格式参考范文：煤矿固体废弃物理化特征及生态环境影响研究

　　引言

　　煤炭工业是我国重要的支柱产业，煤炭开采在为国民经济发展发挥巨大作用的同时，也不可避免地对矿区生态环境造成破坏，煤矿固体废弃物占压土地及其相关的有害物质进入周围空气、水和土壤，进而危害环境和人体健康。“绿水青山就是金山银山”，树立资源开采与生态环境可持续发展思想，煤矿区生态环境的修复已成为我国一项十分紧迫的任务，煤炭资源绿色开发和可持续发展势在必行。

　　煤矿固体废弃物的储存与利用不仅关乎环境的长远影响，更直接关联到人类的健康。尽管目前已有诸多学者对煤矿固体废弃物的综合利用和环境效应进行了研究，但关于这一领域的环境和健康影响尚缺乏系统性的整理与归纳。因此，本文立足国内外研究的前沿，结合知网、Web of Science 和 Google Scholar 数据库，深入剖析了煤矿固体废弃物的综合利用现状及其理化特征，并全面概述了煤矿固体废弃物对环境造成的潜在影响以及对人体健康的潜在风险。在此基础上，指出了当前研究的不足，提出了未来深化研究的重点方向，旨在为实现煤炭工业的绿色发展和可持续战略提供支撑。

　　1 煤矿固体废弃物的产生和综合利用现状

　　1.1 煤矿固体废弃物的产生现状和堆存特征

　　煤矿固体废弃物在煤炭生产、利用过程中产生，主要是指煤矸石和粉煤灰。煤矸石产生于煤炭开采、洗选和加工过程中，是一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，以圆锥形或山谷倾倒的形式堆积在煤矿区，产量一般占原煤产量的 10% - 15%。粉煤灰主要由锅炉、窑炉和民用燃煤产生，包括灰渣和从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰等，是燃煤电厂排出的主要固体废弃物。粉煤灰以颗粒形态存在，颗粒的矿物组成、粒径大小、形态各不相同，通常按其形状分为珠状颗粒和渣状颗粒。燃用 1t 煤产生 250 - 300kg 粉煤灰。

　　随着蓄积量大幅度增加，煤矸石和粉煤灰已成为主要的工业废弃物。我国的煤矸石存量和排放量极大，截至 2022 年，我国煤矸石累计存量已超 70 亿 t，占地面积约70 km2，全国煤矸石堆存整体呈现 “北多南少，西多东少” 的特点。2022 年我国粉煤灰产量达 8.27 亿 t，同比增长 9.4%，我国粉煤灰产生地区往往位于产煤大省和自治区，这些地区粉煤灰产生量大，但利用率相对较低，未被综合利用的粉煤灰基本都集中在这些地区。

　　1.2 煤矿固体废弃物的综合利用现状

　　煤矸石的利用情况在不同国家有很大的差异。在以美国和英国为代表的发达国家，煤矸石利用率已达 90%。中国煤矸石也得到广泛应用，且煤矸石利用率逐年提高，截至 2022 年，我国煤矸石产量为 8.24 亿 t，综合利用量为 6.21 亿 t，综合利用率为 75%，但与美国和英国等发达国家相比仍偏低。煤矸石作为一种潜在资源，有广泛的综合利用价值，还可用于充填采空区、塌陷区、筑基修路、土地复垦等方面，且煤矸石的利用技术应符合国家相关规定。

　　近年来，我国粉煤灰的平均综合利用率达到了 70%，但与其他国家相比仍有差距，需提高综合利用水平。例如日本的粉煤灰综合利用率将近 100%，欧盟 15 国的综合利用率约 92%。我国粉煤灰主要应用于建工、建材、土壤改良、覆土造田、制备橡塑功能填料、耐火材料、有价元素提取等方面。

　　2 煤矿固体废弃物的物理化学特征及研究方法

　　2.1 煤矿固体废弃物的物理特征

　　煤矸石的物理特征主要包括颜色、颗粒大小、密度等。它是多种矿物成分混合而成的质地坚硬的黑灰色岩石，根据颗粒大小可分为粗粒矸石(粒径大于 25mm)、中粒矸石(粒径为 1 - 25mm)和细粒矸石(粒径小于 1mm)，密度介于2100−2900 kg/m3，自燃煤矸石的堆积密度一般比普通煤矸石堆积密度要低，原矿粒度较大，硬度在 3 左右，具有强度低、疏松多孔的特点。

　　粉煤灰的物理性质包括颜色、颗粒大小等。它是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质混合材料，颗粒一般为灰色，也可为浅灰色或深灰色，颜色越深，颗粒越粗。粉煤灰颗粒一般较细，尺寸大多在 10 - 25μm，平均尺寸一般小于 20μm，还具有含水量较高、堆积密度较低、比表面积较大等特点，密度为1.76−2.83 g/cm3，变化较大。

　　煤矿固体废弃物的物理性质因其成分和来源的不同而有所差异，这些特性决定了其在综合利用过程中的应用途径。煤矿固体废弃物的颜色主要通过肉眼观察，粒径大小通过《无机化工产品中粒度的测定 筛分法：GB/T 21524—2008》进行测量，相对密度可通过密度瓶法或依据静水力学称量法(《化工产品密度、相对密度的测定：GB/T 4472—2011》)进行测定，硬度的评估则主要遵循《岩石物理力学性质试验规程 第 6 部分：岩石硬度试验：DZ/T 0276.6—2015》来测定。

　　2.2 煤矿固体废弃物的地球化学特征及研究方法

　　2.2.1 煤矿固体废弃物的矿物组成及研究方法

　　煤矸石由多种矿物组成，矿物成分十分复杂，主要由黏土矿物(高岭石、蒙脱石、伊利石等)、石英、方解石及黄铁矿等组成。不同地区煤矸石矿物组成不同，煤矸石在风化后，高岭石和伊利石的含量显著增加，长石的含量显著降低，在 1200℃时，燃烧灰分的矿物相为莫来石、石英、磁铁矿、赤铁矿和硬石膏。

　　粉煤灰的矿物组分主要来源于燃烧用煤，可分为非晶相和结晶相两大类。其中非晶相的含量在 40% - 93% 之间，平均为 73%，主要为玻璃体，约占粉煤灰总量的 50% - 80%;结晶相主要为莫来石、石英、云母、赤铁矿、钾长石、斜长石、石膏、方解石等，但结晶相往往被玻璃体包裹，单独存在的结晶体极为少见，单独提纯结晶矿物相也十分困难。

　　煤矿固体废弃物的矿物组成的定性和半定量结果都是通过 X 射线衍射(X - ray diffraction，XRD)分析获得的。XRD 对样品没有损伤，具有无污染、快捷、测量精度高，能得到大量有关晶体完整性的信息等优点，但影响 XRD 结果的因素较多，对样品制备、扫描速度要求很严格，X 射线衍射数据多用于定量分析。

　　2.2.2 煤矿固体废弃物的化学组成及研究方法

　　初步判定煤矿固体废弃物的化学性质，需要对其进行工业分析，获得烧失量、热值、挥发分、固定碳、灰分、水分以及全硫含量等参数。煤矿固体废弃物主要成分为Al2O3、SiO2

　　​，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3，元素组成主要为和 Si，并含有一些微量元素(Hg、As、Cr、Cd、Pb、U、Ge 等)，其中一些有害、有毒以及放射性元素会对人体和环境造成危害。

　　元素的测定主要依靠先进的仪器，常用的设备和分析方法有原子吸收光谱(AAS)、原子荧光光谱法(AFS)、仪器中子活化分析(INAA)、电感耦合等离子体 - 质谱法(ICP - MS)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP - OES)、X 射线荧光光谱仪(XRF)等。

　　2.2.3 煤矿固体废弃物中元素的赋存状态

　　元素的赋存形态是指元素的化学结合状态，也就是元素存在的价态、化合物形态及在煤中的物理分布。微量元素的赋存状态决定了其在加工和利用过程中释放的难易程度和生物活性，弄清元素在煤和矸石中的赋存状态十分重要。同一种元素的赋存形态有多种，在不同的煤矿固体废弃物中的赋存形态也往往不一样。目前精确研究元素的微观赋存形态实际上还很困难，研究元素赋存状态的方法分为直接方法和间接方法。直接方法指显微探针方法(电子、离子和 X 射线探针)和谱学方法(X 射线吸收精细结构谱方法);间接方法则包括数理统计方法、浮沉试验方法和化学方法(逐级化学提取实验) 。煤矿固体废弃物中元素赋存状态及其影响因素十分复杂，要全面弄清仍需直接方法和间接方法相结合，取长补短。

　　近年来，逐级化学提取法(SCEE)被广泛应用于煤矿固体废弃物中元素赋存状态的研究。SCEE 当前最为普遍采纳的方法体系，源自于 1979 年 Tessier 所创立的 Tessier 法，该方法专为土壤与沉积物中重金属的形态分析而设计。随后，在 Tessier 法的基础上，1985 年欧共体标准测量与检测局(Bureau Community of Reference，BCR)进行了进一步的拓展。直至 1999 年，这一体系由 Rauret 等提出改进，形成了现行的 BCR 法。Tessier 连续提取法将元素形态分为可交换态、碳酸盐结合态、氧化物结合态、有机结合态和残渣态 5 种，BCR 提取法将元素赋存状态分为弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态。

　　3 煤矿固体废弃物的环境影响

　　煤矸石除了部分充填和综合利用外，大部分长期堆存形成矸石山，不仅占用土地资源，还会对周围环境造成破坏，如自燃产生的废气污染大气环境、淋滤液污染地下水和土壤等。粉煤灰只有一小部分得到了综合利用，其余的露天堆放会对周围环境造成污染。煤矸石和粉煤灰都会对环境造成一定的危害，从而影响人类的健康，成为当前的重要污染源之一。

　　3.1 煤矿固体废弃物对大气环境的影响

　　3.1.1 煤矿固体废弃物自燃产生的有害气体

　　煤矸石中含有一定量的硫和碳，还夹杂着一些燃点较低的可燃物，在长期堆放过程中易自燃，释放NOx、SO2等有害气体。据统计，常年自燃的煤矸石山燃烧时，每平方米向大气排放的CO2、SO2和H2S远超国家大气污染物排放标准。煤矸石自燃还会加快 CO 的释放，在一定条件下会产生大量的H2S气体，严重影响排矸场周围的大气环境，导致周围环境质量恶化、呼吸道疾病流行，甚至发生工人中毒昏迷乃至死亡的恶性事故。煤矿区空气中的多环芳烃主要来源于煤矸石自燃，自燃产生的多环芳烃总量远大于未自燃前，种类也增多，需要对煤矸石堆场附近的大气环境严格管理并加强综合调查。

　　3.1.2 煤矿固体废弃物产生的大气颗粒物

　　煤矿固体废弃物存放和运输过程中会加重大气颗粒物的污染。煤矸石长期露天堆存会发生扬尘现象，粒径越小的颗粒，对大气产生的污染越严重。煤矸石在风化条件下形成的细小颗粒和粉尘会导致大气颗粒物浓度增高，且其中含有的有害微量元素会进入大气颗粒物中，使煤矿附近大气颗粒物中有害元素含量增加，部分元素的致癌风险明显较高。粉煤灰在堆放过程中也会发生扬尘现象，周围空气中污染物的浓度会随风力的强弱而变化。

　　3.2 煤矿固体废弃物对水环境的影响

　　3.2.1 煤矿固体废弃物对地表水的污染

　　煤矸石与空气长期接触，在雨季长时间浸泡下会产生氧化反应或其他化学反应，影响地表水的水质。矸石山附近水质总体较差，重金属元素有不同程度的富集，浓度均值超出地表水环境质量标准限定值，水质健康风险较高。粉煤灰表面受雨水的淋漓及洪水的冲刷后，其灰渣会大量进入水体，导致地表水体中的悬浮物、溶解性有毒有害元素或物质浓度增高或超标。

　　3.2.2 煤矿固体废弃物对地下水的污染

　　煤矸石会造成周边地区广泛的土壤盐碱化，使地下水矿化度严重超标，还会导致矿区地下水受到多环芳烃和重金属的污染。煤矸石在雨水冲刷作用下，其中的重金属元素会析出，随淋滤液进入含水层污染地下水。大量煤矸石填入地下开挖空间，若重金属析出释放到矿井水中，会造成地下水环境的污染。粉煤灰的可溶性重金属会逐渐向下渗透，污染附近的地下水含水层。

　　3.3 煤矿固体废弃物对土壤环境的影响

　　3.3.1 煤矿固体废弃物周围土壤中重金属污染

　　煤矸石堆积区土壤重金属污染是煤炭开采中具有代表性和普遍性的生态环境破坏实例之一。许多学者通过各种评估方法对矸石山附近土壤中重金属污染进行评估，结果表明，矸石山附近的绝大多数农田土壤中存在重金属污染情况，Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 等重金属的平均含量高于相关土壤背景值和国家农田土壤重金属风险管控标准。在煤燃烧过程中，无机元素(包括重金属)积聚在粉煤灰中，会影响粉煤灰堆场周围土壤中的重金属元素浓度。

　　3.3.2 煤矿固体废弃物堆存区周围土壤中多环芳烃污染

　　多环芳烃(PAHs)主要由碳质物质不完全燃烧和热解产生，具有致癌、致毒、致畸、致突变危害。土壤通常被认为是环境中多环芳烃的主要汇入区，煤矿区周围的表层土壤成分更为复杂，受到煤矸石中 PAHs 的污染。PAHs 也存在于粉煤灰中，会随淋溶水深入周围土壤中，从而产生不利影响。

　　4 煤矿固体废弃物健康效应

　　煤矿固体废弃物中所含的重金属元素、多环芳烃等有害组分会引起人体健康疾病。大量流行病学调查显示，高剂量多环芳烃的环境和职业暴露可诱发多种癌症。煤矿固体废弃物中硒元素含量过高会对机体的生长发育造成毒性作用。煤矿固体废弃物在生产、储运过程中会进入环境及食物链，威胁人类健康和生命安全，对周边动植物的影响也较大，会使动植物生理生化过程紊乱。暴露于粉煤灰会对体外和体内系统造成有害影响，主要是诱导氧化损伤。目前，废弃矿区污染已严重影响人体健康，必须持续关注接触低水平有毒有害元素的儿童所受的影响，重视煤矿固体废弃物中元素污染的防治。

　　5 结论与展望

　　煤矿固体废弃物伴随着煤炭生产、利用的整个生命周期，会造成大气、水和土壤等环境要素的污染，进而危害生态环境和人体健康。这些危害与煤矿固体废弃物理化特征密切相关。

　　针对煤矿固体废弃物的生态环境与健康影响的研究，今后应该聚焦在以下几个方面:

　　资源化再利用组分研究：详细调查我国不同地区煤矿固体废弃物的理化特性、数量分布等基础资料，编制精细化的煤矿固体废弃物现状清单，为煤矿固体废弃物的针对性综合利用奠定基础。

　　大气污染相关研究：煤矿固体废弃物周围环境中的污染气体、大气细颗粒物等大气污染物的产生机理、污染变化规律和健康影响及毒理学等方面的研究。

　　与水相互作用机制研究：自然环境下煤矿固体废弃物与水的相互作用机制。研究煤矿固体废弃物有毒有害物质在地表、地下水中的迁移富集规律，评估煤矿固体废弃物堆场周边水质健康风险及其毒理学。

邵龙义;张亚星;耿苏倩;杨书申;王佟;宋晓焱;刘君霞;郑继东,中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院;天津市勘察设计院集团有限公司;中原工学院能源与环境学院;中国煤炭地质总局;华北水利水电大学地球科学与工程学院;中国循环经济协会;河南理工大学资源环境学院,202405