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    我國(guó)煤矸石環(huán)境效應(yīng)研究現(xiàn)狀與防治對(duì)策

    2015-02-25 16:01:55
    西部探礦工程 2015年6期
    關(guān)鍵詞:環(huán)境效應(yīng)煤矸石矸石

    劉 玲

    (貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,貴州 貴陽(yáng)550005)

    我國(guó)煤矸石環(huán)境效應(yīng)研究現(xiàn)狀與防治對(duì)策

    劉 玲*

    (貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,貴州 貴陽(yáng)550005)

    煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工中排放的固體物質(zhì),目前是我國(guó)年排放量和累計(jì)堆存量最大的工業(yè)固體廢物之一。不僅占用了大量農(nóng)田和土地,而且嚴(yán)重污染環(huán)境。綜述了煤矸石的組成、煤矸石山自燃及淋濾環(huán)境效應(yīng)機(jī)理,對(duì)我國(guó)煤矸石環(huán)境污染現(xiàn)狀進(jìn)行概述,并提出了防治措施,最后指出了煤矸石環(huán)境效應(yīng)研究存在的問(wèn)題及建議。

    煤矸石;環(huán)境效應(yīng);綜合防治

    中國(guó)是世界上最早發(fā)現(xiàn)和利用煤炭資源的國(guó)家,且保有儲(chǔ)量居世界第三[1]。據(jù)1999中國(guó)煤炭地質(zhì)總局所做的第三次煤炭資源預(yù)測(cè),我國(guó)煤炭資源總量5.57× 1012t,截至2002年底,全國(guó)查明煤炭?jī)?chǔ)量為10190.59× 108t[2]。煤炭是中國(guó)的主要能源,在中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占戰(zhàn)略性地位,而且在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi),煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位不會(huì)發(fā)生根本改變[3]。中國(guó)也是世界煤炭生產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的國(guó)家,2005年煤炭產(chǎn)量約為21.1×108t。2004年燃煤電廠的發(fā)電量占全國(guó)發(fā)電量的82.5%[4]。

    長(zhǎng)期以來(lái),中國(guó)煤炭工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用,與此同時(shí)燃煤排入大氣的二氧化硫、氮氧化物和煤礦廢棄物造成了較嚴(yán)重的環(huán)境污染[5]。隨著煤炭產(chǎn)量的增長(zhǎng),煤矸石的堆放量也不斷增加,目前全國(guó)煤矸石儲(chǔ)存量已達(dá)40多億噸,占地面積已超過(guò)120km2,不僅占用大量糧田,而且風(fēng)化、自燃后的煤矸石還會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體和物質(zhì),對(duì)大氣和地下水造成污染,進(jìn)而破壞生態(tài)環(huán)境[6]。因此,加強(qiáng)對(duì)煤矸石的環(huán)境效應(yīng)與治理研究,能有效解決煤礦區(qū)周邊環(huán)境污染問(wèn)題,具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

    1 煤矸石的物質(zhì)成分

    煤矸石是由夾在煤層中的脈石、混入煤中的頂?shù)装鍘r石及帶出的少量煤組成。煤矸石的礦物成分復(fù)雜多變,但主要為粘土礦物和非粘土礦物,非粘土礦物主要為石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦及各種無(wú)機(jī)鹽類(lèi)如碳酸鹽、硫酸鹽等。常見(jiàn)的礦物油高嶺石、蒙脫石、伊利石、菱鐵礦、石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦、綠泥石、石膏、方解石等[7-8]。煤矸石的主要化學(xué)成份有碳、氫、氧、硅、硫、鋁、鐵、鈣等常量元素和不等量的錫、鉻、砷、汞、鉛、鋅、錳、銅、氟等微量元素[9]。

    2 煤矸石環(huán)境污染機(jī)理簡(jiǎn)析

    煤矸石對(duì)環(huán)境的污染表現(xiàn)在2方面,第一個(gè)方面是煤矸石山自燃,其二是煤矸石山淋濾對(duì)地下水、地表水等的污染。其污染機(jī)理如下:

    第一,煤礦矸石山自燃必須具備燃燒的3個(gè)基本條件[10],即:可燃物、氧氣供應(yīng)、高于維持燃燒的溫度。首先,煤矸石中含有C、H、S等組成的物質(zhì),其中硫鐵礦的燃點(diǎn)低、耗氧量小、氧化放熱量大,是主要引燃物。引燃速度受控于矸石中硫鐵礦含量富集狀態(tài)及煤的變質(zhì)程度。其次,矸石山內(nèi)部燃燒的氧氣是由矸石顆粒間孔隙提供的??諝獾牧鲃?dòng)速度決定自燃的強(qiáng)度。煤礦生產(chǎn)中,矸石是通過(guò)牽引自卸堆積的,矸石山的粒度堆積具有一定的分選性,底層的煤矸石透氣性好,煤矸石中含碳物質(zhì)、含硫物質(zhì)、油頁(yè)巖等緩慢氧化產(chǎn)生熱量,當(dāng)內(nèi)部積聚的熱量達(dá)到一定程度時(shí),煤矸石就會(huì)自燃。自燃產(chǎn)生的SO2、CO、H2S、CO2、NOX、CH4、H2、C2H4及苯并(a)芘等有毒有害物質(zhì)[11],并向大氣排放大量的懸浮物。最后,矸石山內(nèi)部的溫度是維持矸石自燃的基本條件[10]。矸石自燃后使矸石溫度升高并通過(guò)矸石孔隙產(chǎn)生熱對(duì)流形成預(yù)熱區(qū),加快氧化速度,從而使可燃物自燃。另外,煤矸石山的自燃還與矸石堆放地理位置、日照量、雨水及所受微生物作用等因素有關(guān)[12]。

    第二,煤矸石中除含有大量的C、Si、Al、Fe、Ca、Mg等常量元素外,還含有各種痕量重金屬元素、堿金屬、堿土元素、硫化物、大量有機(jī)污染物。煤矸石山堆放經(jīng)長(zhǎng)期的降水淋濾作用和風(fēng)化作用[13],煤矸石中碳酸鹽類(lèi)、硫酸鹽類(lèi)等具有較強(qiáng)可溶性的礦物就會(huì)被溶解,并且以溢流泉水為運(yùn)動(dòng)載體向外排泄,這其中的有害物質(zhì)與鹽分則會(huì)進(jìn)入地表水、地下水和土壤,對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境會(huì)造成極其嚴(yán)重的污染。大氣降水對(duì)煤矸石中可溶組分的淋濾主要通過(guò)以下幾種方式進(jìn)行:無(wú)機(jī)鹽類(lèi)礦物的直接溶解;風(fēng)化作用加速了煤矸石的分解,使難溶組分變得較易溶解;黃鐵礦的氧化促使淋濾溶液的酸度大幅提高,并可與其他礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使溶出組分復(fù)雜化。

    3 煤矸石環(huán)境污染現(xiàn)狀

    3.1 煤矸石山自燃

    我國(guó)對(duì)煤自燃傾向性研究始于1950年,我國(guó)正在自燃的矸石山占30%以上,它不僅產(chǎn)生大量有毒有害氣體,而且容易頻發(fā)矸石山坍塌、噴爆甚至爆炸事故,釀成的人員傷亡和[12]造成的重大經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)有關(guān)資料,每平方米矸石山自燃1晝夜可排放CO10.8kg、SO26.5kg、H2S和NO22kg等。依據(jù)國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,居民區(qū)大氣環(huán)境中有害物質(zhì)SO2的最高允許濃度(日均)為0.15mg/m3、H2S為0.01mg/m3。顯然,煤矸石自燃區(qū)的大氣環(huán)境污染超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),必然危害居民身體健康。內(nèi)蒙古烏達(dá)礦區(qū)礦區(qū)煤層硫分高,煤層和矸石山一年四季不停燃燒,成為我國(guó)最大的煤層自燃區(qū)域。根據(jù)近期烏達(dá)躍進(jìn)洗煤廠矸石山燃燒區(qū)附近的大氣檢測(cè)結(jié)果,SO2平均質(zhì)量濃度為10.69mg/m3,超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的70多倍,H2S平均質(zhì)量濃度為1.57mg/m3,超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的150多倍[14]。1999年烏達(dá)礦務(wù)局對(duì)矸石堆附近進(jìn)行大氣質(zhì)量分析,結(jié)果顯示有害氣體質(zhì)量濃度:CO為25.8mg/m3,SO2為7.74mg/m3,H2S為6.45mg/m3,分別超過(guò)國(guó)家規(guī)定的居住區(qū)有害氣體3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的4.3、77.4和645倍。該礦區(qū)周邊地區(qū)居民的呼吸道疾病病發(fā)率明顯高于其它地區(qū)[15]。煤矸石山自燃時(shí),許多有害元素會(huì)在自燃過(guò)程中逸出[16]。馮新斌等[17]對(duì)貴州二疊紀(jì)龍?zhí)督M煤層中S、As、Hg、Pb、Sb、Zn等元素的多元分析結(jié)果顯示,這些毒害元素主要賦存于次生黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦中,具揮發(fā)—半揮發(fā)性,在煤矸石自燃過(guò)程中易進(jìn)入大氣。煤矸石自燃及風(fēng)化后,大風(fēng)揚(yáng)塵加劇了大氣中可吸入顆粒物的濃度,尤其是四面環(huán)山的礦區(qū)環(huán)境污染更加嚴(yán)重[18]。如甘肅窯街煤礦區(qū)三面環(huán)山,塵埃滯留礦區(qū)上部,大氣中總懸浮物微粒年平均濃度超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)9倍,冬季嚴(yán)重時(shí)超標(biāo)25.4倍。銅川礦區(qū)曾因環(huán)境污染嚴(yán)重被稱(chēng)為衛(wèi)星上看不到的城市。

    3.2 煤矸石山淋濾

    煤中含有80多種元素,除C、H、O、N、S等元素為常量元素外(大于1%),多數(shù)元素含量都小于1%,稱(chēng)為微量元素,其中有20多種有害微量元素[19]:As、Ba、Be、Cd、Cl、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、Mo、Ni、Pb、Sb、Sn、Th、Ti、U與V等,煤矸石中微量元素含量一般高于煤層,主要有砷、銅、鎘、鉻、鉛、鋅、鐵、錳、氟、汞、硒、氯、鎵、鈾等[20]。安太堡11#煤的分析結(jié)果表明[21],除S、U、Se、Br、Mo明顯富集(富集系數(shù)EF大于5)之外,其它有害元素的含量較低,U與Mo主要以無(wú)機(jī)相產(chǎn)出,與黃鐵礦、碳酸鹽礦物、磷酸鹽礦物及粘土礦物有較大相關(guān)性,這些物質(zhì)很容易經(jīng)過(guò)煤洗選過(guò)程直接排放到煤矸石中。煤矸石山堆放經(jīng)風(fēng)化和雨淋后釋放出的大量有害物質(zhì)與鹽分進(jìn)入土壤和水體。根據(jù)1998年環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)新邱礦矸石山附近于家溝地區(qū)水質(zhì)分析結(jié)果表明[22]:地下水總硬度最高達(dá)1520mg/L,硫酸鹽最高可達(dá)710mg/L,嚴(yán)重超出了《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)中規(guī)定的飲用標(biāo)準(zhǔn)。新邱露天煤礦排土場(chǎng)的淋溶水偏堿性,無(wú)機(jī)鹽類(lèi)是其主要污染物[23]。阜新地區(qū)于家溝地下水的污染就是由于新邱露天礦煤矸石淋溶水造成的[24],阜新市區(qū)地下水中常量化學(xué)組分SO42-、Cl-、NO3-、H+等普遍升高,有毒有害組分氰、酚,CN-、Cr+6、Hg、As等均有檢出,有些組分明顯超出處境背景值。我國(guó)南方很多煤礦屬高硫煤[6],硫含量一般為3%~4%,有的高達(dá)10%,含高硫煤的煤矸石山自燃很可能產(chǎn)生酸性廢水,加劇了有害元素的淋濾作用。研究表明,Hg與硫化物的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9727(α=0.001),與有機(jī)組分含量呈反相關(guān)關(guān)系[25],這顯示Hg主要賦存于煤矸石山含量較多的黃鐵礦中,煤矸石自燃產(chǎn)生的酸性水能引起黃鐵礦的分解,造成Hg的大量淋出。樸河春、黃榮貴等對(duì)貴州富含黃鐵礦煤矸石研究表明,這些煤矸石在風(fēng)化淋濾過(guò)程中,黃鐵礦風(fēng)化產(chǎn)生酸性淋濾液,碳酸鹽含量既控制其風(fēng)化程度又控制林溶液的酸度,造成阿哈水庫(kù)季節(jié)性污染。丁振華等[26]對(duì)黔西南高砷煤研究發(fā)現(xiàn),煤中黃鐵礦含量較低,As主要以高價(jià)有機(jī)砷的形態(tài)存在,經(jīng)NH4Ac、HCl、HF、HNO3連續(xù)浸取,仍有50%以上的As未從煤中提取出來(lái)。

    4 煤矸石環(huán)境污染防治措施

    目前我國(guó)煤矸石山環(huán)境污染防治方法[8]主要有:撿選有用資源、煤矸石山注漿等防滅火、煤矸石綜合利用、煤矸石山復(fù)墾等。這些方法可歸為2類(lèi):災(zāi)害防治與治理(即土地復(fù)墾)和綜合利用。

    4.1 災(zāi)害防治與治理

    加強(qiáng)煤矸石防自燃措施,做好復(fù)墾工作。可燃物的存在是矸石堆發(fā)生自燃火災(zāi)的內(nèi)因,清除可燃物是預(yù)防自燃火災(zāi)的最根本途徑。矸石堆中的可燃物主要為煤、煤矸連生體、碳質(zhì)巖、黃鐵礦及廢棄油、木材等。復(fù)墾就是使其經(jīng)過(guò)整治以后恢復(fù)到可供利用的狀態(tài)。也就是消除礦區(qū)土地退化的潛在危害,保護(hù)環(huán)境以取得最大的土地利用價(jià)值的環(huán)境和環(huán)境效益,促進(jìn)生態(tài)良性循環(huán)。另外,在排矸過(guò)程中應(yīng)采取必要的分選回收措施。建設(shè)矸石山和排土場(chǎng)疏排水系統(tǒng),集中處理煤矸石淋溶水以減少環(huán)境污染。對(duì)矸石山和排土場(chǎng)進(jìn)行土地復(fù)墾,恢復(fù)植被,減少降水對(duì)煤矸石的淋溶。

    4.2 綜合利用

    煤矸石可以根據(jù)其成分不同,合理利用,它以多種砂巖、泥巖、灰?guī)r、煤屑及黃鐵礦、高嶺石等為主,撿選有用物質(zhì)可有效防治各種污染。如:直接用于用于煤礦地下采空區(qū)充填、采空區(qū)上覆巖層離層帶的注漿化充填,鋪路、填溝造地、做建筑材料;也是塌陷土地復(fù)墾時(shí)無(wú)毒害污染充填材料的主體[27];由于煤矸石中硅的含量高,可以利用有效硅元素制得硅系列化學(xué)品及硅鋁系列化學(xué)品,如硅酸鈉、硫酸鋁、聚合氯化鋁等。還可以提取化工原料、制磚、制水泥、發(fā)電等。另外,煤矸石中還含有少量一定數(shù)量的煤炭,可以利用選煤技術(shù)加以回收。英、美、荷、比、日、捷等國(guó)家都建立了專(zhuān)門(mén)從煤矸石中回收煤炭的選煤廠。如英國(guó)南威爾士礦區(qū)有600多個(gè)煤矸石山,堆積煤矸石4億多噸,每年排出煤矸石600多萬(wàn)噸,每年從煤矸石中回收煤炭50多萬(wàn)噸,大部分用于發(fā)電。

    5 存在問(wèn)題及建議

    煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工中排放的固體物質(zhì),其生產(chǎn)量約占煤炭生產(chǎn)量的10%,這是目前我國(guó)年排放量和累計(jì)堆存量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。煤矸石的長(zhǎng)期大量堆存已形成對(duì)地面環(huán)境和地下水源的嚴(yán)重污染,造成對(duì)可持續(xù)發(fā)展的威脅。目前我國(guó)對(duì)煤矸石的環(huán)境效應(yīng)研究已經(jīng)引起重視,但治理范圍和深度還處于地區(qū)發(fā)展不平衡狀態(tài),存在的主要問(wèn)題有:(1)綜合利用總體水平不高。我國(guó)目前煤矸石的綜合利用率為30%左右,這不論從環(huán)保角度還是從煤矸石資源化、提高經(jīng)濟(jì)效益角度來(lái)看,都與煤炭生產(chǎn)發(fā)展很不相適應(yīng)。即使在利用比較廣泛的煤矸石燒沸騰爐、制磚、燒水泥等方面,也還存在一些問(wèn)題。國(guó)家經(jīng)貿(mào)委和科技部制定的《煤矸石綜合利用技術(shù)政策要點(diǎn)》明確規(guī)定:煤矸石綜合利用以大宗量利用為重點(diǎn),將用煤矸石發(fā)電、煤矸石建材及制品、復(fù)墾回填以及煤矸石山無(wú)害化處理等大宗量利用煤矸石技術(shù)作為主攻方向,發(fā)展高科技含量、高附加值的煤矸石綜合利用技術(shù)和產(chǎn)品。為進(jìn)一步利用煤矸石研究和規(guī)?;a(chǎn)建筑磚提供良好的機(jī)遇;(2)治理過(guò)程相對(duì)缺乏理論體系與技術(shù)支撐。

    建議今后加強(qiáng):(1)矸石廢棄地復(fù)墾的相關(guān)法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究;(2)含特殊污染物礦井水中有毒有害元素的遷移規(guī)律和環(huán)境效應(yīng)的研究煤矸石自燃和淋濾過(guò)程中有毒有害元素的遷移規(guī)律和環(huán)境效應(yīng)的研究;(3)開(kāi)發(fā)煤矸石中的共伴生礦物;(4)煤矸石風(fēng)化物中有毒有害元素遷移規(guī)律的研究;(5)煤矸石山復(fù)墾物種選擇;(6)宣傳教育,提高全民意識(shí)喚醒全民對(duì)利用煤矸石、保護(hù)國(guó)土資源和生態(tài)環(huán)境的憂患意識(shí)。

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    X752

    B

    1004-5716(2015)06-0129-04

    2015-04-09

    劉玲(1983-),女(漢族),河南永城人,工程師,現(xiàn)從事礦產(chǎn)勘查工作。

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