煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題及生態(tài)修復(fù)研究

王冰心，趙 寧，高含笑

(山東建筑大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院， 濟(jì)南 250100)

煤炭在我國能源生產(chǎn)與消費(fèi)中占比較大，自工業(yè)化開始之初尤其是近30年來大規(guī)模的煤炭開采帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，不僅威脅國土安全和生態(tài)平衡，也影響礦區(qū)人民生活質(zhì)量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展?？茖W(xué)、合理地治理和修復(fù)煤礦塌陷區(qū)自然環(huán)境，是煤礦礦區(qū)亟待解決的重大問題。

1 我國煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境及其治理研究概況

復(fù)墾是治理、修復(fù)擾動(dòng)、破壞后的土地的主要方法和形式，我國較大規(guī)模的土地開墾始于20世紀(jì)50年代末、60年代初，至20世紀(jì)90年代，土地復(fù)墾已逐漸得到了政府部門和群眾的高度重視，2011年2月22日國務(wù)院第145次常務(wù)會(huì)議通過并頒布實(shí)施《土地復(fù)墾條例》，2019年自然資源部發(fā)布了最新版《土地復(fù)墾條例實(shí)施辦法》，對落實(shí)十分珍惜、合理利用土地和切實(shí)保護(hù)根底的基本國策,規(guī)范土地復(fù)墾活動(dòng)等發(fā)揮著重要作用。同時(shí)隨著煤礦等礦區(qū)開發(fā)引起的環(huán)境問題和自然災(zāi)害以及對土地復(fù)墾理論與技術(shù)的迫切需求，礦區(qū)土地復(fù)墾也發(fā)展成為一個(gè)新興的科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域。

煤礦開采對土地自然結(jié)構(gòu)與自然環(huán)境影響和污染，威脅和破壞自然生態(tài)系統(tǒng)平衡，威及或危害礦區(qū)人員的生命與健康。煤炭生產(chǎn)排水過程中多種有毒元素積累，生產(chǎn)廢水不達(dá)標(biāo)排放引起環(huán)境污染是目前煤礦開采最明顯的環(huán)境問題。煤礦開采會(huì)造成水體污染、地面塌陷等一系列問題的結(jié)論盡管已被現(xiàn)實(shí)佐證和包括科技界在內(nèi)的社會(huì)共知[1]，但其影響程度、范圍和持續(xù)時(shí)間目前尚不確定，還在研究。

我國廢棄煤礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)理論與技術(shù)研究起步較晚，已經(jīng)取得了大量的研究成果。20世紀(jì) 60 年代我國開始實(shí)行礦坑復(fù)墾，大多數(shù)是對廢石場或閉庫的尾礦庫進(jìn)行簡單平整和覆土綠化[2]。目前主要研究重點(diǎn)集中在煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)、煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與管理、煤礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì)等方面。隨著我國煤礦區(qū)復(fù)墾推進(jìn)和管理力度的加大，人們越來越重視煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)和綜合利用，尤其是近年來煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究也被廣泛重視和關(guān)注。韓寶平以大同煤礦區(qū)為例，研究了煤礦開采中的地表水流動(dòng)規(guī)律、各種地質(zhì)災(zāi)害機(jī)制和對地下水的污染，發(fā)現(xiàn)采礦中地表水與地下水之間相互聯(lián)系，這導(dǎo)致采煤中的被污染水體會(huì)通過渠道在地表水和地下水之間進(jìn)行擴(kuò)散，并在不同區(qū)域產(chǎn)生不同程度和性質(zhì)的影響。

2 煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的影響

煤炭開采會(huì)引發(fā)一系列環(huán)境與生態(tài)問題，這些問題將會(huì)加劇了人口與資源、人口與環(huán)境的矛盾。不同的煤炭開發(fā)方式造成的生態(tài)問題就有產(chǎn)生不同的影響。

2.1 煤炭開采對于土地環(huán)境的影響

煤礦開采對土地最明顯的影響就是導(dǎo)致地面塌陷。采用地下開采方式所導(dǎo)致的地面塌陷是耕地被占用、被破壞的最主要的原因。地面塌陷造成的地表裂縫不僅會(huì)影響作物或其他植物的生長，還會(huì)加速土壤侵蝕。地面塌陷還會(huì)導(dǎo)致耕地面積減少，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民利益和生活。另一方面，地面塌陷也會(huì)破壞原有的地形和地貌，對自然景觀造成破壞，從而一定程度影響區(qū)域環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致逆向發(fā)展。

2.2 煤炭開采對水環(huán)境的影響

煤礦資源的開采和地下水資源的利用幾乎同時(shí)進(jìn)行。煤炭資源的開采對地下水資源有直接影響，首先改變地層結(jié)構(gòu)和地下水循環(huán)。由于煤層之間存在地下水，煤炭開采通常逐漸由淺到深，而開采深層煤礦時(shí)須先排干接縫之間的地下水，導(dǎo)致分布較淺的地下水逸出；同時(shí)隨著煤礦采礦礦坑水被污染變?yōu)榈V坑廢水，水質(zhì)良好的地下水水質(zhì)惡化，在煤炭開采的影響下，它不僅影響水資源的補(bǔ)給，而且還降低了地下水資源價(jià)值和可利用性，并經(jīng)過煤礦區(qū)周圍土層逐漸滲入地下水并對其產(chǎn)生影響，降低飲用水質(zhì)量，影響居民身體健康；煤炭開采過程中會(huì)出現(xiàn)地表裂縫，為地表水滲入礦區(qū)提供了可能，使地表水逐漸減少，造成大面積地下水位下降，影響礦區(qū)范圍日常生活供水；煤礦采礦地、濃縮廠、尾礦廠、廢石場、傾倒場等不盡會(huì)排出廢水，開采中的洗煤水、礦井水等還含有大量放射性污染物、酸性物質(zhì)和懸浮固體，被排放到自然環(huán)境，破壞礦區(qū)周圍的土壤層，影響農(nóng)作物、樹木等生長，對農(nóng)業(yè)、土地、森林等資源造成不同程度破壞[3]。煤炭開采將導(dǎo)致煤礦區(qū)上部坍塌，導(dǎo)致的水資源可用性降低，會(huì)加劇缺水地區(qū)水資源的供求矛盾，不利于解決煤炭開采中的煤礦水、煤矸石等水源過濾、凈化問題，污染礦區(qū)周圍環(huán)境，影響社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展[4]。

2.3 煤炭開采對于大氣環(huán)境的影響

影響礦山大氣污染擴(kuò)散的主要因素是通風(fēng)速度和氣流速度、空氣與巖壁的溫差、污染物的密度梯度等。煤炭在開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤煙以及灰塵，這些煤煙及灰塵彌散在空氣中，不僅會(huì)影響工作區(qū)域的大氣成分，同時(shí)還會(huì)降低區(qū)域的可見度，使人們視野變得模糊，容易引發(fā)一系列事故的發(fā)生。此外，煤煙的有毒成分含量較高，使工作區(qū)域的濕度、溫度、空氣、降雨受到影響，導(dǎo)致酸雨、霧霾等災(zāi)害天氣時(shí)常出現(xiàn)。

3 煤炭資源開發(fā)利用中的環(huán)境保護(hù)措施

3.1 生態(tài)修復(fù)技術(shù)

3.1.1 土地復(fù)墾技術(shù) 通過調(diào)查分析煤礦區(qū)地形、地貌破壞的程度以及土壤構(gòu)成特點(diǎn)，選擇相對應(yīng)的土地復(fù)墾的方案，盡量的減少對煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞。土地復(fù)墾技術(shù)具有綜合性、系統(tǒng)性、多樣性和區(qū)域性等特點(diǎn)[5]，實(shí)際應(yīng)用中土地復(fù)墾技術(shù)分為兩類：一是工程復(fù)墾技術(shù)，二是生物復(fù)墾技術(shù)。工程復(fù)墾技術(shù)利用物質(zhì)填充或者物理填補(bǔ)法回填，修復(fù)和建立適合植物生長的環(huán)境；生物復(fù)墾技術(shù)采用了生物技術(shù)方法，從源頭處改良土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤養(yǎng)分含量，以此重建良好的生態(tài)環(huán)境[6]。

3.1.2 植被恢復(fù)技術(shù) 煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境較為惡劣，特別是尾礦庫，一般都具有較高的重金屬濃度，這對于煤礦區(qū)的植被修復(fù)以及煤礦區(qū)重金屬污染土壤的修復(fù)與保護(hù)存在一定的難度。

植被恢復(fù)技術(shù)是為了加快植被恢復(fù)的進(jìn)程，提高生態(tài)系統(tǒng)的土壤和水分效率，并根據(jù)植物學(xué)、生態(tài)學(xué)的特征，礦區(qū)地貌的特點(diǎn)和水土保持的要求對植物群落進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]，主要從植物種類的選擇及其在群落中植物的配置、恢復(fù)覆蓋的維持、植物栽培技術(shù)、恢復(fù)場所的維護(hù)和監(jiān)測等四方面入手。我國開發(fā)出了一個(gè)礦區(qū)植被修復(fù)專利技術(shù)，是利用野地瓜進(jìn)行礦區(qū)植被的修復(fù)與礦區(qū)土壤污染的綜合修復(fù)。

3.1.3 水體生態(tài)恢復(fù)與開發(fā)技術(shù) 煤礦開采會(huì)引起地下水污染。煤礦開采導(dǎo)致地面塌陷，在塌陷區(qū)會(huì)產(chǎn)生大面積的積水，如果長時(shí)間聚集會(huì)出現(xiàn)地表水下滲，而在下滲的過程中會(huì)把地表存在的污染物質(zhì)帶入地下，導(dǎo)致地下水污染。煤礦區(qū)污水處理的一個(gè)主要措施就是建立特殊的排水系統(tǒng)，濃縮酸性水并將其儲(chǔ)存，經(jīng)蒸發(fā)、濃縮，然后處理，以避免污染。其次可以對采用新型水泵分階段脫水后產(chǎn)生的煤泥水，循環(huán)用于采礦，做到煤泥水不上井或者處理后綜合、循環(huán)利用[8-9]。

3.2 礦區(qū)開采沉陷防治技術(shù)

3.2.1 全部充填開采 在采煤礦之后、頂板尚未掉落之前，用固體材料對采空區(qū)進(jìn)行嚴(yán)密的充填，使屋頂巖層中僅產(chǎn)生少量的沉降，減少表面下沉和變形，從而保護(hù)地面結(jié)構(gòu)、建筑物或農(nóng)田。其中，水和砂填充是降低采煤方法表面沉降效果的良好方法，其次是風(fēng)力填充和矸石自留填充。然而，填充采礦方法需要專門的填充設(shè)備和設(shè)施以及足夠的填充材料。礦山的初期投資很大，每噸煤的成本相應(yīng)增加[10]。

3.2.2 條帶開采 煤炭開采過程中對煤層和覆蓋層的組合條件進(jìn)行分析，之后建立科學(xué)合理的采礦比例，并在采煤層保留一條采礦帶。在實(shí)踐中條帶開采技術(shù)將儲(chǔ)備一些煤炭，這些煤層將成為支撐覆蓋層的支柱，雖然這會(huì)浪費(fèi)一些煤炭資源，但可以有效地控制覆蓋層的運(yùn)動(dòng)頻率，同時(shí)也減少表面變形和運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。然而，存在一個(gè)問題，即在實(shí)際采礦中，需要挖掘多個(gè)車道并增加工作量。每個(gè)巷道的煤炭產(chǎn)量不大，導(dǎo)致煤炭減少采礦效率和對企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的影響[12]。

3.2.3 覆巖離層帶填充 根據(jù)采空區(qū)上方覆巖運(yùn)動(dòng)形成的三條帶的巖石運(yùn)動(dòng)特征，在采煤后的一定時(shí)間間內(nèi)，用鉆孔通過高壓灌漿、充填移動(dòng)到隔離區(qū)，加固離層帶空間。將鑄造砌體梁結(jié)構(gòu)加固成穩(wěn)定的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，使分離區(qū)的下沉空間不再傳遞到地面。減少或減緩地面沉降，保護(hù)地面施工、建筑物和耕地。這種技術(shù)非常困難，有待進(jìn)一步研究[13]。

3.3 地面塌陷及地裂縫的治理

對于煤礦開采沉陷區(qū)和未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的倒塌區(qū)，可采取監(jiān)測、臨時(shí)工程和預(yù)警等措施，消除安全隱患；對于達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的塌陷區(qū)，可采用綜合處理措施，如削高填低、回填整平、采用防滲處理、植被重建、挖溝和排水等[14]。對于表面裂縫的規(guī)模和破壞程度較小的，采用土石方填筑壓實(shí)，防滲處理等措施；如果規(guī)模和損壞程度大，可采用灌漿和填充等措施。

4 展望

隨著新時(shí)期中國特色社會(huì)主義事業(yè)的發(fā)展，煤炭工業(yè)將面臨前所未有的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制約。煤礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)滯后不僅直接影響經(jīng)濟(jì)，而且制約了人類生存和發(fā)展的空間。生態(tài)環(huán)境本身自凈能力的退化和環(huán)境容量的減少，不僅會(huì)制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，從而進(jìn)一步制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，研究和開發(fā)合理的煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)機(jī)制、技術(shù)，對于我國的整體環(huán)境保護(hù)、生態(tài)文明建設(shè)和法制建設(shè)具有重要意義，也將伴隨煤礦開采不斷深入和細(xì)化。

我國煤炭開采仍存在許多問題，需要持續(xù)觀察、發(fā)現(xiàn)和研究。煤炭開采導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題不僅了礦區(qū)人民的生活，也制約了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。修復(fù)煤礦區(qū)已被破壞了的生態(tài)系統(tǒng)，是一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)，涉及到形地貌、水系統(tǒng)、土壤、植物等多個(gè)方面；同時(shí)，煤礦遺跡因人為因素的干擾，在復(fù)蘇的過程中進(jìn)展緩慢，制定煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)規(guī)劃需要一定的時(shí)間，在此期間，要合理利用煤礦區(qū)的土地結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境和生態(tài)修復(fù)技術(shù)，積極吸收和學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，改變觀念，將廢物變成寶藏，如將坍塌坑變成人工湖，從根本上解決礦區(qū)采煤造成的環(huán)境污染問題。另方面，為實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，有必要從各個(gè)方面保護(hù)煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。