煤礦地質(zhì)環(huán)境與保護

陳曉輝

隨著我國工業(yè)化進程的加快,煤炭資源的需求量不斷增加。大規(guī)模開發(fā)利用煤炭資源,煤礦環(huán)境污染日趨嚴重,帶來了日益突出的環(huán)境問題和社會問題。煤礦環(huán)境保護與煤炭資源開發(fā)利用及地質(zhì)、水文地質(zhì)、地球化學(xué)等有著極為密切的關(guān)系,環(huán)境保護已成為煤礦建設(shè)、生產(chǎn)必不可少的內(nèi)容。因此,煤礦環(huán)境地質(zhì)也就成為煤礦地質(zhì)研究的重要內(nèi)容和煤礦環(huán)境保護的基礎(chǔ)工作。

1 廢水

我國水資源匱乏,特別是西北地區(qū)國有重點大型礦區(qū)集中,礦井與污水的排出加劇了地區(qū)缺水[1]。煤礦廢水主要有采礦廢水、選煤廢水及其它附屬工業(yè)廢水和生活廢水。

1.1 采礦廢水

采礦廢水指外排的礦井水。它是由伴隨礦井開采而產(chǎn)生的地表滲透水、地下含水層滲流水和疏放水以及采掘生產(chǎn)和防塵用水等組成,是煤礦排放量最大的一種廢水。

煤礦礦井水質(zhì)因區(qū)域水文地質(zhì)條件、煤質(zhì)狀況等因素的差異而有所不同。根據(jù)礦井水質(zhì)可將礦井水分為五種類型。

1)含懸浮物礦井水。含有大量的懸浮物、少量可溶有機物和菌群等。這類礦井水在我國煤礦礦區(qū)分布廣泛,主要是由井下生產(chǎn)所產(chǎn)生的大量煤、巖粉以及井下生產(chǎn)和職工生活的各種廢棄物混入礦井水而形成。

3)酸性礦井水。指 p H ＜5.5的礦井水。其形成的主要原因是煤層及其圍巖含硫量偏高,并與礦井密閉程度、大氣流通狀況、礦井水來源與流徑、開采深度等因素有關(guān)。由于酸性水易溶解煤層及圍巖中的金屬元素可使礦井水中 Fe等重金屬元素和無機鹽類離子增加,導(dǎo)致礦化度和硬度升高。這類礦井水在我國南北方都有分布,尤以南方煤礦分布最為廣泛。

4)含特殊污染物礦井水。根據(jù)含污染種類可分為含氟礦井水、含重金屬元素礦井水、含放射性元素礦井水、含油類礦井水等。我國含氟礦井水主要分布于北方的一些礦區(qū),其形成與高氟地下水或礦區(qū)附近的含氟火成巖礦層有關(guān);含重金屬元素礦井水在我國的一些礦區(qū)有少量分布,主要是含鐵、錳礦井水,水中除含有低價態(tài)的 Fe2+、Mn2+外,常含有 Cu2+、Zn2+、Pb2+等離子,其形成與地下水處于還原條件下有關(guān);含放射性礦井水和含油礦井水在我國的一些煤礦也存在,其形成與煤及其圍巖或地下水中含放射性物質(zhì)以及煤系中有含油層有關(guān)。

1.2 選煤廢水

選煤廢水是煤炭濕法洗選過程中產(chǎn)生的廢水。其中含有大量的懸浮煤粒,故也稱其為煤泥水。此外,選煤廢水中還含有一定量的石油類、酚類、醇類、聚丙烯酰胺等有毒有機藥劑和煤中浸出的各種離子和放射性元素等。因此,選煤廢水是一種有毒廢水。其排放量與選煤工藝和設(shè)備有關(guān)。

1.3 其它工業(yè)廢水

主要指機修廠、火藥廠、礦燈廠、焦化廠等煤礦附屬企業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水。雖然其排放量不大,但毒性卻很高,原因是這些廢水中含有不同種類、不同程度的有毒有害物質(zhì)。如機修廠廢水中含有酚、油、鉻、鎘、鎳、鋅等有害物質(zhì);焦化廠廢水中含有酚、氫化物、硫化物、氨等;火藥廠廢水中含有三硝基甲苯、二硝基重氮酚等;礦燈廠廢水中含有氰化物、鎘、鉛、鉻等。

含懸浮物礦井水的污染物主要是煤、巖粉懸浮物和細菌。這類礦井水又經(jīng)常被用作生活用水水源加以處理利用,所以去除礦井水中懸浮物和殺菌消毒是處理的關(guān)鍵。

含懸浮物礦井水處理經(jīng)常采用的工藝流程圖見圖 1,其優(yōu)點是流程相對簡單,節(jié)省基建投資。

圖 1 石灰石中和滾筒法處理酸性礦井水流程圖

2 井下瓦斯抽放與利用

煤礦向大氣排放的廢氣量和有害物成分的多少,主要取決于礦井煤層瓦斯含量和生產(chǎn)時的瓦斯涌出量。如在煤礦生產(chǎn)過程中預(yù)先抽出煤層中的瓦斯加以利用,可以有效地甚至是大幅度地減少生產(chǎn)中瓦斯涌出量。這不僅是確保安全生產(chǎn)的重要技術(shù)措施,也是減輕礦井排放廢氣對環(huán)境污染的重要途徑。從通風(fēng)安全的角度可以不考慮抽放出來的瓦斯利用,只要排至礦井以外便達到預(yù)期目標(biāo);而從減輕污染的角度,則必須強調(diào)抽放出來的瓦斯加以充分利用,變害為利。山西省陽泉煤礦是較早利用瓦斯的范例。

3 煤矸石利用

礦山工業(yè)固體廢物主要是煤矸石和圍巖剝離物等混入物,是數(shù)量較大的礦山固體廢物。此外,煤礦開采會產(chǎn)生占煤炭產(chǎn)量的 10%～20%的矸石,目前我國煤矸石有 40億 t,占用土地 10 000 hm2[2]。

3.1 生產(chǎn)煤矸石磚

利用煤矸石生產(chǎn)燒結(jié)磚。煤矸石經(jīng)破碎、粉磨、攪拌、壓制、成型、干燥、焙燒而成燒結(jié)磚,利用煤矸石代替粘土制磚可以化害為利,變廢為寶,節(jié)省土地,改善環(huán)境,創(chuàng)造利潤。為了適應(yīng)建材發(fā)展的需要,國家對發(fā)展煤矸石建材,提供了一系列優(yōu)惠政策?！笆濉逼陂g,淘汰 2萬家黏土磚企業(yè),煤矸石綜合利用率由2000年的 43%提高到 50%以上,重點煤礦和重點地區(qū)的煤矸石綜合利用率達到 80%以上,這將促使煤炭企業(yè)產(chǎn)品向多元化發(fā)展。目前,已開發(fā)生產(chǎn)的有：豎孔承重空心轉(zhuǎn)、煤矸石鋪地磚、釉面磚等多種類型的新產(chǎn)品。

3.2 生產(chǎn)水泥

煤矸石中 SiO2、A l2O3、Fe2O3的含量較高 ,總含量在 80%以上,是一種天然黏土質(zhì)原料,可以代替黏土作生產(chǎn)水泥的原料。利用煤矸石可生產(chǎn)煤矸石普通硅酸鹽水泥、煤矸石火山灰水泥、煤矸石無熟料水泥。

3.3 發(fā) 電

含炭量較高的煤矸石可作為低熱值燃料利用,如建煤矸石發(fā)電廠。以砂巖、粉砂巖為主要成分的煤矸石除建材外,還可做井下采空區(qū)充填、地表塌陷區(qū)復(fù)墾充填或路基充填石料等的利用。

3.4 矸石回填復(fù)墾

塌陷礦坑可采用矸石充填或電廠粉煤灰分層充填加高,逐層壓實,表層可覆土造地。當(dāng)矸石復(fù)墾的土地用作農(nóng)林種植,充填層下部應(yīng)密實,上部疏松,以利保水保肥,表層覆土厚應(yīng)大于 0.5 m。建筑用地覆土0.2～0.5 m。

4 粉 塵

煤礦的采掘、運輸、選煤等生產(chǎn)過程以及燃煤、煤層和矸石山自燃等都會產(chǎn)生粉塵。其中采掘過程和煤炭洗選加工是煤礦產(chǎn)生粉塵的主要因素。如在地下開采中,采掘工作面產(chǎn)生的粉塵可占礦井產(chǎn)塵總量的70%～85%。

煤礦粉塵以煤塵為主,也有巖粉和其它物質(zhì)粉塵。并具有濕潤性、黏附性、電荷性、爆炸性、氣溶性等一些特殊性質(zhì),可懸浮于礦井水和空氣之中或沉附于各種物體表面。產(chǎn)塵量一般與煤及其夾矸的性質(zhì)、采煤方法、地質(zhì)構(gòu)造的破壞程度以及煤層的附存狀況和水文地質(zhì)條件等因素有關(guān)。

5 噪 音

煤礦在開發(fā)建設(shè)中會產(chǎn)生許多噪聲,如工業(yè)噪聲、交通運輸噪聲、建筑施工噪聲和社會生活噪聲等。煤礦生產(chǎn)所用設(shè)備多屬高噪聲設(shè)備,如扇風(fēng)機、空氣壓縮機、鑿巖機、采煤機和洗煤廠的跳汰機、破碎機、振動篩等均是高噪聲設(shè)備。此外,采掘爆破噪聲亦是高噪聲。這些噪聲都屬于煤礦生產(chǎn)噪聲。

6 復(fù)墾技術(shù)

資料顯示,我國因采礦破壞的土地面積達 400 hm2,最近幾年損壞的土地面積仍以每年20萬 hm2的速度遞增。20年來,我國土地復(fù)墾取得了一定的成效,國土資源部成立以后,采取切實有效的措施,重點加大了對歷史遺留廢棄地的投資力度。目前,土地復(fù)墾率達到 15%左右。

6.1 生態(tài)農(nóng)業(yè)復(fù)墾技術(shù)

生態(tài)農(nóng)業(yè)復(fù)墾技術(shù)是指根據(jù)生態(tài)學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟學(xué)原理,應(yīng)用復(fù)墾工程技術(shù)和生態(tài)工程技術(shù),通過合理配置植物、動物、微生物等,進行立體種植、養(yǎng)殖和加工。生態(tài)農(nóng)業(yè)復(fù)墾技術(shù)充分利用塌陷區(qū)形成積水的特點,根據(jù)魚類等各種水生生物的生活規(guī)律、食性以及在水中所處的生態(tài)位置,按照生態(tài)學(xué)的食物鏈原理進行合理組合,實現(xiàn)農(nóng) —漁 —畜綜合經(jīng)營的生態(tài)農(nóng)業(yè)類型。在生態(tài)系統(tǒng)中,生物之間以營養(yǎng)為紐帶的物質(zhì)循環(huán)和能量流動,形成多級的循環(huán)利用。在徐州、淮北和開灤礦區(qū),這種類型的復(fù)墾技術(shù)取得了良好效果。

6.2 生物復(fù)墾技術(shù)

微生物復(fù)墾技術(shù)是利用微生物活化藥劑或微生物與有機物的混合劑,對復(fù)墾后的貧瘠土地進行熟化和改良,恢復(fù)土壤肥力和活性。采用微生物方法復(fù)墾,對煤矸石、露天礦剝離物等堆放場地不需覆蓋表土,經(jīng)一個植物生長周期(6個月),就可建立穩(wěn)定的活性條件,第二年可種植農(nóng)作物。三五年后能完全達到高產(chǎn)田的肥力,并維持數(shù)年不衰減。該方法也能使其它類型貧瘠土壤或酸性土壤恢復(fù)成良田,對種植品種沒有任何限制。而且微生物復(fù)墾只需普通材料和機具,費用低,效率高,效益好。該項技術(shù)首先由匈牙利開發(fā),并在前蘇聯(lián)、捷克、加拿大、美國和巴西等國推廣使用。我國尚未開發(fā),應(yīng)積極引進、立項研究。

6.3 土壤改良主要有以下幾種方法

1)綠肥法。這種方法的實質(zhì)是在復(fù)墾區(qū)種植多年生或一年生豆科草本植物。這些植物的綠色部分在土壤微生物作用下,除大量養(yǎng)分外,還可以轉(zhuǎn)化成腐植質(zhì);其根系腐爛后也有膠結(jié)和團聚作用,能改善土壤理化性質(zhì)。

2)施肥法。本方法以施用大量有機肥料來提高土壤中的有機物含量,改良土壤結(jié)構(gòu),消除過黏、過砂土壤的不良理化特性。

3)客土法。對過砂、過黏土壤,采用“泥入砂、砂摻泥”的方法,調(diào)整耕作層的泥砂比例,達到改良質(zhì)地、改善耕地、提高土壤肥力的目的。

4)化學(xué)法。該方法主要用于酸性土壤改良。中和酸性土層,一般用石灰作摻合劑;變堿性為中性,常用石膏、氯化鈣、硫酸等作調(diào)節(jié)劑。

一般植被品種篩選是通過實驗室模擬種植試驗、現(xiàn)場種植試驗、經(jīng)驗類比等手段篩選確定。篩選出的品種應(yīng)生長快、產(chǎn)量高、適應(yīng)性強、抗逆性好、耐貧瘠。盡量選用優(yōu)良的當(dāng)?shù)仄贩N,條件適宜時引進外來速生品種。

7 結(jié) 論

綜上所述,我國礦山建設(shè)還存在許多環(huán)境問題。當(dāng)前需要加大科技投入,推動技術(shù)創(chuàng)新,努力發(fā)展綠色開采技術(shù),完善綠色礦山體系。政府應(yīng)該以市場為導(dǎo)向,通過引導(dǎo)培育和部分投入,使礦山環(huán)境治理和土地復(fù)墾產(chǎn)業(yè)化。

[1] 譚維文.礦山環(huán)境學(xué)[M].北京：地震出版社,2008：23-26.

[2] 許家林,錢鳴高.綠色開采的理念與技術(shù)框架[J].科學(xué)導(dǎo)報,2007,28(7)：61-64.