引言

　　煤炭工業是我國重要的支柱產業，煤炭開采在為國民經濟發展發揮巨大作用的同時，也不可避免地對礦區生態環境造成破壞，煤礦固體廢棄物占壓土地及其相關的有害物質進入周圍空氣、水和土壤，進而危害環境和人體健康。“綠水青山就是金山銀山”，樹立資源開采與生態環境可持續發展思想，煤礦區生態環境的修復已成為我國一項十分緊迫的任務，煤炭資源綠色開發和可持續發展勢在必行。

　　煤礦固體廢棄物的儲存與利用不僅關乎環境的長遠影響，更直接關聯到人類的健康。盡管目前已有諸多學者對煤礦固體廢棄物的綜合利用和環境效應進行了研究，但關于這一領域的環境和健康影響尚缺乏系統性的整理與歸納。因此，本文立足國內外研究的前沿，結合知網、Web of Science 和 Google Scholar 數據庫，深入剖析了煤礦固體廢棄物的綜合利用現狀及其理化特征，并全面概述了煤礦固體廢棄物對環境造成的潛在影響以及對人體健康的潛在風險。在此基礎上，指出了當前研究的不足，提出了未來深化研究的重點方向，旨在為實現煤炭工業的綠色發展和可持續戰略提供支撐。

　　1 煤礦固體廢棄物的產生和綜合利用現狀

　　1.1 煤礦固體廢棄物的產生現狀和堆存特征

　　煤礦固體廢棄物在煤炭生產、利用過程中產生，主要是指煤矸石和粉煤灰。煤矸石產生于煤炭開采、洗選和加工過程中，是一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石，以圓錐形或山谷傾倒的形式堆積在煤礦區，產量一般占原煤產量的 10% - 15%。粉煤灰主要由鍋爐、窯爐和民用燃煤產生，包括灰渣和從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰等，是燃煤電廠排出的主要固體廢棄物。粉煤灰以顆粒形態存在，顆粒的礦物組成、粒徑大小、形態各不相同，通常按其形狀分為珠狀顆粒和渣狀顆粒。燃用 1t 煤產生 250 - 300kg 粉煤灰。

　　隨著蓄積量大幅度增加，煤矸石和粉煤灰已成為主要的工業廢棄物。我國的煤矸石存量和排放量極大，截至 2022 年，我國煤矸石累計存量已超 70 億 t，占地面積約70 km2，全國煤矸石堆存整體呈現 “北多南少，西多東少” 的特點。2022 年我國粉煤灰產量達 8.27 億 t，同比增長 9.4%，我國粉煤灰產生地區往往位于產煤大省和自治區，這些地區粉煤灰產生量大，但利用率相對較低，未被綜合利用的粉煤灰基本都集中在這些地區。

　　1.2 煤礦固體廢棄物的綜合利用現狀

　　煤矸石的利用情況在不同國家有很大的差異。在以美國和英國為代表的發達國家，煤矸石利用率已達 90%。中國煤矸石也得到廣泛應用，且煤矸石利用率逐年提高，截至 2022 年，我國煤矸石產量為 8.24 億 t，綜合利用量為 6.21 億 t，綜合利用率為 75%，但與美國和英國等發達國家相比仍偏低。煤矸石作為一種潛在資源，有廣泛的綜合利用價值，還可用于充填采空區、塌陷區、筑基修路、土地復墾等方面，且煤矸石的利用技術應符合國家相關規定。

　　近年來，我國粉煤灰的平均綜合利用率達到了 70%，但與其他國家相比仍有差距，需提高綜合利用水平。例如日本的粉煤灰綜合利用率將近 100%，歐盟 15 國的綜合利用率約 92%。我國粉煤灰主要應用于建工、建材、土壤改良、覆土造田、制備橡塑功能填料、耐火材料、有價元素提取等方面。

　　2 煤礦固體廢棄物的物理化學特征及研究方法

　　2.1 煤礦固體廢棄物的物理特征

　　煤矸石的物理特征主要包括顏色、顆粒大小、密度等。它是多種礦物成分混合而成的質地堅硬的黑灰色巖石，根據顆粒大小可分為粗粒矸石(粒徑大于 25mm)、中粒矸石(粒徑為 1 - 25mm)和細粒矸石(粒徑小于 1mm)，密度介于2100−2900 kg/m3，自燃煤矸石的堆積密度一般比普通煤矸石堆積密度要低，原礦粒度較大，硬度在 3 左右，具有強度低、疏松多孔的特點。

　　粉煤灰的物理性質包括顏色、顆粒大小等。它是煤粉經高溫燃燒后形成的一種似火山灰質混合材料，顆粒一般為灰色，也可為淺灰色或深灰色，顏色越深，顆粒越粗。粉煤灰顆粒一般較細，尺寸大多在 10 - 25μm，平均尺寸一般小于 20μm，還具有含水量較高、堆積密度較低、比表面積較大等特點，密度為1.76−2.83 g/cm3，變化較大。

　　煤礦固體廢棄物的物理性質因其成分和來源的不同而有所差異，這些特性決定了其在綜合利用過程中的應用途徑。煤礦固體廢棄物的顏色主要通過肉眼觀察，粒徑大小通過《無機化工產品中粒度的測定 篩分法：GB/T 21524—2008》進行測量，相對密度可通過密度瓶法或依據靜水力學稱量法(《化工產品密度、相對密度的測定：GB/T 4472—2011》)進行測定，硬度的評估則主要遵循《巖石物理力學性質試驗規程 第 6 部分：巖石硬度試驗：DZ/T 0276.6—2015》來測定。

　　2.2 煤礦固體廢棄物的地球化學特征及研究方法

　　2.2.1 煤礦固體廢棄物的礦物組成及研究方法

　　煤矸石由多種礦物組成，礦物成分十分復雜，主要由黏土礦物(高嶺石、蒙脫石、伊利石等)、石英、方解石及黃鐵礦等組成。不同地區煤矸石礦物組成不同，煤矸石在風化后，高嶺石和伊利石的含量顯著增加，長石的含量顯著降低，在 1200℃時，燃燒灰分的礦物相為莫來石、石英、磁鐵礦、赤鐵礦和硬石膏。

　　粉煤灰的礦物組分主要來源于燃燒用煤，可分為非晶相和結晶相兩大類。其中非晶相的含量在 40% - 93% 之間，平均為 73%，主要為玻璃體，約占粉煤灰總量的 50% - 80%;結晶相主要為莫來石、石英、云母、赤鐵礦、鉀長石、斜長石、石膏、方解石等，但結晶相往往被玻璃體包裹，單獨存在的結晶體極為少見，單獨提純結晶礦物相也十分困難。

　　煤礦固體廢棄物的礦物組成的定性和半定量結果都是通過 X 射線衍射(X - ray diffraction，XRD)分析獲得的。XRD 對樣品沒有損傷，具有無污染、快捷、測量精度高，能得到大量有關晶體完整性的信息等優點，但影響 XRD 結果的因素較多，對樣品制備、掃描速度要求很嚴格，X 射線衍射數據多用于定量分析。

　　2.2.2 煤礦固體廢棄物的化學組成及研究方法

　　初步判定煤礦固體廢棄物的化學性質，需要對其進行工業分析，獲得燒失量、熱值、揮發分、固定碳、灰分、水分以及全硫含量等參數。煤礦固體廢棄物主要成分為Al2O3、SiO2

　　​，另外還含有數量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3，元素組成主要為和 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會對人體和環境造成危害。

　　元素的測定主要依靠先進的儀器，常用的設備和分析方法有原子吸收光譜(AAS)、原子熒光光譜法(AFS)、儀器中子活化分析(INAA)、電感耦合等離子體 - 質譜法(ICP - MS)、電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP - OES)、X 射線熒光光譜儀(XRF)等。

　　2.2.3 煤礦固體廢棄物中元素的賦存狀態

　　元素的賦存形態是指元素的化學結合狀態，也就是元素存在的價態、化合物形態及在煤中的物理分布。微量元素的賦存狀態決定了其在加工和利用過程中釋放的難易程度和生物活性，弄清元素在煤和矸石中的賦存狀態十分重要。同一種元素的賦存形態有多種，在不同的煤礦固體廢棄物中的賦存形態也往往不一樣。目前精確研究元素的微觀賦存形態實際上還很困難，研究元素賦存狀態的方法分為直接方法和間接方法。直接方法指顯微探針方法(電子、離子和 X 射線探針)和譜學方法(X 射線吸收精細結構譜方法);間接方法則包括數理統計方法、浮沉試驗方法和化學方法(逐級化學提取實驗) 。煤礦固體廢棄物中元素賦存狀態及其影響因素十分復雜，要全面弄清仍需直接方法和間接方法相結合，取長補短。

　　近年來，逐級化學提取法(SCEE)被廣泛應用于煤礦固體廢棄物中元素賦存狀態的研究。SCEE 當前最為普遍采納的方法體系，源自于 1979 年 Tessier 所創立的 Tessier 法，該方法專為土壤與沉積物中重金屬的形態分析而設計。隨后，在 Tessier 法的基礎上，1985 年歐共體標準測量與檢測局(Bureau Community of Reference，BCR)進行了進一步的拓展。直至 1999 年，這一體系由 Rauret 等提出改進，形成了現行的 BCR 法。Tessier 連續提取法將元素形態分為可交換態、碳酸鹽結合態、氧化物結合態、有機結合態和殘渣態 5 種，BCR 提取法將元素賦存狀態分為弱酸提取態、可還原態、可氧化態和殘渣態。

　　3 煤礦固體廢棄物的環境影響

　　煤矸石除了部分充填和綜合利用外，大部分長期堆存形成矸石山，不僅占用土地資源，還會對周圍環境造成破壞，如自燃產生的廢氣污染大氣環境、淋濾液污染地下水和土壤等。粉煤灰只有一小部分得到了綜合利用，其余的露天堆放會對周圍環境造成污染。煤矸石和粉煤灰都會對環境造成一定的危害，從而影響人類的健康，成為當前的重要污染源之一。

　　3.1 煤礦固體廢棄物對大氣環境的影響

　　3.1.1 煤礦固體廢棄物自燃產生的有害氣體

　　煤矸石中含有一定量的硫和碳，還夾雜著一些燃點較低的可燃物，在長期堆放過程中易自燃，釋放NOx、SO2等有害氣體。據統計，常年自燃的煤矸石山燃燒時，每平方米向大氣排放的CO2、SO2和H2S遠超國家大氣污染物排放標準。煤矸石自燃還會加快 CO 的釋放，在一定條件下會產生大量的H2S氣體，嚴重影響排矸場周圍的大氣環境，導致周圍環境質量惡化、呼吸道疾病流行，甚至發生工人中毒昏迷乃至死亡的惡性事故。煤礦區空氣中的多環芳烴主要來源于煤矸石自燃，自燃產生的多環芳烴總量遠大于未自燃前，種類也增多，需要對煤矸石堆場附近的大氣環境嚴格管理并加強綜合調查。

　　3.1.2 煤礦固體廢棄物產生的大氣顆粒物

　　煤礦固體廢棄物存放和運輸過程中會加重大氣顆粒物的污染。煤矸石長期露天堆存會發生揚塵現象，粒徑越小的顆粒，對大氣產生的污染越嚴重。煤矸石在風化條件下形成的細小顆粒和粉塵會導致大氣顆粒物濃度增高，且其中含有的有害微量元素會進入大氣顆粒物中，使煤礦附近大氣顆粒物中有害元素含量增加，部分元素的致癌風險明顯較高。粉煤灰在堆放過程中也會發生揚塵現象，周圍空氣中污染物的濃度會隨風力的強弱而變化。

　　3.2 煤礦固體廢棄物對水環境的影響

　　3.2.1 煤礦固體廢棄物對地表水的污染

　　煤矸石與空氣長期接觸，在雨季長時間浸泡下會產生氧化反應或其他化學反應，影響地表水的水質。矸石山附近水質總體較差，重金屬元素有不同程度的富集，濃度均值超出地表水環境質量標準限定值，水質健康風險較高。粉煤灰表面受雨水的淋漓及洪水的沖刷后，其灰渣會大量進入水體，導致地表水體中的懸浮物、溶解性有毒有害元素或物質濃度增高或超標。

　　3.2.2 煤礦固體廢棄物對地下水的污染

　　煤矸石會造成周邊地區廣泛的土壤鹽堿化，使地下水礦化度嚴重超標，還會導致礦區地下水受到多環芳烴和重金屬的污染。煤矸石在雨水沖刷作用下，其中的重金屬元素會析出，隨淋濾液進入含水層污染地下水。大量煤矸石填入地下開挖空間，若重金屬析出釋放到礦井水中，會造成地下水環境的污染。粉煤灰的可溶性重金屬會逐漸向下滲透，污染附近的地下水含水層。

　　3.3 煤礦固體廢棄物對土壤環境的影響

　　3.3.1 煤礦固體廢棄物周圍土壤中重金屬污染

　　煤矸石堆積區土壤重金屬污染是煤炭開采中具有代表性和普遍性的生態環境破壞實例之一。許多學者通過各種評估方法對矸石山附近土壤中重金屬污染進行評估，結果表明，矸石山附近的絕大多數農田土壤中存在重金屬污染情況，Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 等重金屬的平均含量高于相關土壤背景值和國家農田土壤重金屬風險管控標準。在煤燃燒過程中，無機元素(包括重金屬)積聚在粉煤灰中，會影響粉煤灰堆場周圍土壤中的重金屬元素濃度。

　　3.3.2 煤礦固體廢棄物堆存區周圍土壤中多環芳烴污染

　　多環芳烴(PAHs)主要由碳質物質不完全燃燒和熱解產生，具有致癌、致毒、致畸、致突變危害。土壤通常被認為是環境中多環芳烴的主要匯入區，煤礦區周圍的表層土壤成分更為復雜，受到煤矸石中 PAHs 的污染。PAHs 也存在于粉煤灰中，會隨淋溶水深入周圍土壤中，從而產生不利影響。

　　4 煤礦固體廢棄物健康效應

　　煤礦固體廢棄物中所含的重金屬元素、多環芳烴等有害組分會引起人體健康疾病。大量流行病學調查顯示，高劑量多環芳烴的環境和職業暴露可誘發多種癌癥。煤礦固體廢棄物中硒元素含量過高會對機體的生長發育造成毒性作用。煤礦固體廢棄物在生產、儲運過程中會進入環境及食物鏈，威脅人類健康和生命安全，對周邊動植物的影響也較大，會使動植物生理生化過程紊亂。暴露于粉煤灰會對體外和體內系統造成有害影響，主要是誘導氧化損傷。目前，廢棄礦區污染已嚴重影響人體健康，必須持續關注接觸低水平有毒有害元素的兒童所受的影響，重視煤礦固體廢棄物中元素污染的防治。

　　5 結論與展望

　　煤礦固體廢棄物伴隨著煤炭生產、利用的整個生命周期，會造成大氣、水和土壤等環境要素的污染，進而危害生態環境和人體健康。這些危害與煤礦固體廢棄物理化特征密切相關。

　　針對煤礦固體廢棄物的生態環境與健康影響的研究，今后應該聚焦在以下幾個方面:

　　資源化再利用組分研究：詳細調查我國不同地區煤礦固體廢棄物的理化特性、數量分布等基礎資料，編制精細化的煤礦固體廢棄物現狀清單，為煤礦固體廢棄物的針對性綜合利用奠定基礎。

　　大氣污染相關研究：煤礦固體廢棄物周圍環境中的污染氣體、大氣細顆粒物等大氣污染物的產生機理、污染變化規律和健康影響及毒理學等方面的研究。

　　與水相互作用機制研究：自然環境下煤礦固體廢棄物與水的相互作用機制。研究煤礦固體廢棄物有毒有害物質在地表、地下水中的遷移富集規律，評估煤礦固體廢棄物堆場周邊水質健康風險及其毒理學。

邵龍義;張亞星;耿蘇倩;楊書申;王佟;宋曉焱;劉君霞;鄭繼東,中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院;天津市勘察設計院集團有限公司;中原工學院能源與環境學院;中國煤炭地質總局;華北水利水電大學地球科學與工程學院;中國循環經濟協會;河南理工大學資源環境學院,202405