煤礦開采引發(fā)的環(huán)境問題及其治理技術研究

摘 要：煤礦開采會引發(fā)地面沉降、水環(huán)境破壞、采礦廢棄物處理和空氣污染等環(huán)境問題。但煤炭是我國重要的化石燃料和我國生產生活的能量來源，暫時還未找到能夠完全替代煤炭的能源，仍需使用煤炭資源。在前人研究的基礎上，分析了煤礦開采冶煉和煤炭使用過程中引發(fā)的環(huán)境問題，根據產生的問題提出相應的應對措施，為煤礦的開采冶煉和煤炭使用過程中的環(huán)境保護提供參考，促使煤炭行業(yè)和環(huán)境保護實現協調發(fā)展。

關鍵詞：煤炭；環(huán)境問題；治理措施

中圖分類號：P642.2 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-03

煤炭是人們生產生活所需能源的重要組成部分，是我國最重要的能源之一。煤炭對全球能源生產作出了重要貢獻，煤炭能源生產系統(tǒng)本質上由煤礦開采、準備或加工和能源生產組成。但煤炭的開采、冶煉等過程中容易產生一些環(huán)境問題，包括地表擾動、生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的破壞、礦山沉降、土壤侵蝕，以及噪聲污染、空氣污染和水污染等。此外，重金屬、放射性元素、多環(huán)芳烴（PAH）和其他有機污染物等有毒化合物會釋放至環(huán)境中，最終影響生態(tài)系統(tǒng)和普通人群的健康。

煤礦開采對環(huán)境影響的嚴重程度取決于礦山活動是否活躍，以及煤礦開采所使用的開采方法和具備的地質條件等。我國消耗的煤炭比歐洲、日本和美國加起來還要多，占世界總量的68.4%。20世紀80年代后期，我國礦產資源開發(fā)利用迅速增加。然而，由于當時環(huán)境保護意識和經濟基礎較為薄弱，礦產的開采對礦山的地質環(huán)境造成了較大的破壞。例如：過度開采和渣堆破壞占用了土地資源；采礦過程中的山體切割和爆炸性開山作業(yè)引發(fā)了崩塌、滑坡和泥石流等地質災害；地下開采造成地下水層破壞，引發(fā)地基坍塌、地裂縫等地質災害。因此，防治地質災害具有十分重要的意義。

我國煤炭使用量每年都在持續(xù)增長，當前采礦對環(huán)境的影響與20世紀80年代的影響明顯不同。我國煤炭消費預計在未來20年大致趨于穩(wěn)定，與過去20年工業(yè)化推動的快速增長形成鮮明對比。即便如此，我國仍是世界上最大的煤炭市場。因此，本研究結合當前煤礦開采作業(yè)的現狀，根據相關領域的研究成果，探討煤礦開采造成的環(huán)境問題及其治理措施。

1 煤礦開采冶煉和煤炭使用引發(fā)的環(huán)境問題

1.1 對水環(huán)境的影響

煤礦開采對水環(huán)境的影響主要是導致地下水位下降，造成水損失、水污染及水道改變。由于地下水體通過破碎覆蓋層與開采空間相連，采礦排水和礦山沉陷對水環(huán)境產生直接影響。若在地下開采煤炭資源，地表沉降將改變地形的坡度，拓寬地表水通道，從而改變地表水的狀態(tài)。

酸性礦山排水（AMD）是一個普遍存在的環(huán)境問題，酸性礦山廢水是在水和空氣并的條件下黃鐵礦中的微生物氧化而成的。酸性礦山廢水是具有pH值低、含有高濃度的重金屬和其他有毒元素為特征的溶液[1]。

這種酸徑流中有Zn（鋅）、Al（鋁）和Ni（鎳），以及Cr

（鉻）、Pb（鉛）和Cu（銅）的有毒物質，在pH值降低后會釋放出來，這些重金屬最終會進入地下水和地表水，產生嚴重污染，并通過飲水和食物鏈進入人體，危害人類健康。采礦活動產生的金屬污染物可以通過水和風蝕長距離運輸。在美國，AMD也是備受關注的問題，據估計有超過44.52萬hm2的廢棄煤礦，超過14 484.1 km的被酸性礦井排水污染的溪流。

1.2 對土壤環(huán)境的影響

礦區(qū)建設會破壞土壤環(huán)境，不同程度地損壞土壤結構，擾亂地表土壤層。施工過程中機械碾壓、人員踐踏等均會造成區(qū)內土壤板結，抑制土壤微生物活動，影響土壤質量，降低土壤生產能力，并且土體的開挖、回填等都會使土壤松散，容易造成水土流失，導致土壤中的養(yǎng)分流失，土壤質量下降。在礦區(qū)周圍，在煤炭開采過程的多個階段，包括運輸、廢水處理、尾礦放置和泥漿泵送、表土去除、礦物開采和礦石濃縮，都可能產生大量的重金屬粉塵，導致土壤污染。煤矸石堆、電廠和制漿廠及灰處理場附近的土壤受到未經適當處理的廢渣所釋放的微量元素的污染。從堆積在陸地上的煤或煤矸石中產出的微量元素會轉移至土壤，可能對養(yǎng)分可用性和微生物活性產生不利影響，同時這些物質會在土壤中積累并危害生態(tài)系統(tǒng)，如這些元素會被農作物吸收，最后進入人體，對人體造成傷害。已有研究表明，礦區(qū)周圍的土壤中重金屬As（砷）、Cd（鎘）、Pb、Zn等污染嚴重[2-3]。

1.3 對空氣環(huán)境的影響

采礦造成的空氣污染不僅影響當地空氣質量，還影響區(qū)域和全球空氣質量。其他造成空氣污染的因素包括氣體排放、氣味排放、燃料或溶劑中的揮發(fā)性有機化合物及采礦設備和機動車輛氣體的排放。Se（汞）、Hg（硒）和As等元素是煤燃燒過程中釋放的高度揮發(fā)性元素。這些有毒的微量元素以細灰、煙霧和燃煤過程中的煙氣形式排放至大氣中，造成嚴重的大氣污染。

由于我國大量燃燒煤炭，Hg釋放至大氣中的量非常大。排入空氣中的有毒元素甚至會引起人們中毒。

在貴州西部農村，當地居民依靠家用燃煤做飯和取暖，將辣椒、玉米和培根掛在屋頂橫梁上晾曬和儲存，

使這些食物暴露在高砷或高氟化合物的環(huán)境中，造成二次污染，不衛(wèi)生的生活環(huán)境和不健康的生活方式引發(fā)地方性砷中毒和氟中毒問題。此外，貴州煤中的Hg含量高，曾有報道貴州家庭燃煤可能導致Hg中毒，主要表現為老年村民視力下降。對視障人士家中使用的煤進行礦物學分析后發(fā)現，煤中含有豐富的含Hg礦物[4-5]。

1.4 對地表景觀的影響

煤礦渣、廢石等堆積在工業(yè)廣場上，占壓地表。臨時場地在建設前期對土地的損毀表現為挖損，后期表現為壓占，總體表現為壓占。場地開挖平整改變原有地表形態(tài)，損毀地貌，使得原有土地利用類型在一定時間內處于不可恢復狀態(tài)；表土原有的結構被破壞，斜坡上土體由原來的密實穩(wěn)定狀態(tài)轉變?yōu)樗缮⒑筒环€(wěn)定狀態(tài)，在強降雨雨水的沖刷下，加劇水土流失，土壤肥力也大幅降低。

煤礦開采極大地改變了當地的景觀，帶來了采礦廢料堆、露天開采造成的大規(guī)模地表疤痕或地下開采造成的地面沉降等問題，形成了典型的礦山景觀。此外，煤礦開采使得土地資源被破壞和景觀破碎化，土地利用情況發(fā)生變化，當地居民遷離。

1.5 地面沉降

世界上大部分的煤炭產自地下礦井。隨著能源需求的擴大，地下煤礦也越來越深。在較深的礦井中，地質壓力較高，地下水壓力較大，溫度較高，地質條件更復雜，當礦井上方的巖石不能提供足夠的支撐和因覆蓋材料的重量而坍塌時，地面也會發(fā)生沉降。地下礦山地面沉降是礦山開采對環(huán)境的重要影響之一。地面沉降不僅會降低農作物產量，還會破壞建筑物和基礎設施，尤其是線性基礎設施，如鐵路軌道、管道和道路。此外，沉降可能會改變自然排水模式，影響水質和環(huán)境。河北、河南、安徽、山東、江蘇都發(fā)生了嚴重的地面沉降現象，這些省份煤炭資源豐富，是我國東部和中部重要的煤炭生產區(qū)。根據我國煤炭協會的統(tǒng)計，地下煤礦開采造成的沉降破壞的土地已達到1.0×105 hm2，在我國以7.0×104 hm2/年的速度增長[6]。

2 治理技術

2.1 采礦廢棄物回收管理

地下煤礦開采的廢棄物包括粗廢（礦石或煤渣）和洗滌過程產生的細粉。前者出現在地面上，主要是“礦井運行”的煤，這是切割道路和驅動器或其他地下開發(fā)工作，以及高度自動化應用于可變地質的結果。露天采煤產生的廢棄物包括煤炭開采過程中移除的覆蓋層廢棄巖石和表土。采礦廢物的管理包括減少、回收和再利用，即在煤礦開采、冶煉、運輸、使用等過程中實行清潔生產，利用新的技術，減少采礦廢棄物產生。在我國，廢棄物平均占傳統(tǒng)長壁采礦方法去除的材料15%。確切的比例取決于特定的地質條件。隨著全塌陷方法的改進，沿下一個采空區(qū)道路行駛已成為提高資源回收效率的有效途徑。這既產生了經濟效益，又減少了采礦廢物的產生。采礦廢物的影響可能造成持久的環(huán)境和社會經濟后果，通過補救措施解決極其困難，同時要付出高昂的代價。因此，相關單位應妥善管理煤礦廢棄物，確保處置設施的長期穩(wěn)定，減少或防止酸堿排水和重金屬浸出造成的水土污染。

2.2 礦區(qū)土地復墾復綠

開采土地利用的選擇是土地復墾規(guī)劃的主要問題，因為復墾方法影響復墾成本及后續(xù)使用，以及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。當地的物理和社會經濟條件決定了正確的土地使用類型。這可以在對土地進行適當的評估后加以確定。在歐洲國家，超過50%的開采土地被開墾為森林或草地。然而，由于人口眾多和農田短缺，我國人均耕地少，我國70%以上的開采土地被回收用于后續(xù)的農業(yè)生產，這是應對農田短缺的有效途徑。

地下煤礦開采導致地面沉降，加劇了丘陵礦區(qū)的水土流失。一般來說，被開采的土地復墾需要三個步驟：重塑地形、治理污染和重新種植。地下開采淹沒土地的復墾技術可分為回填法和非填法?；靥罘ú捎梅勖夯?、污泥等采礦廢棄物作為填料，提高沉降表面。當前，在回填煤開采實踐中，我國煤炭行業(yè)應根據不同礦區(qū)的地質特征，研發(fā)滿足安全、高效回填開采需求的新型回填材料。還需要開發(fā)低成本的回填運輸系統(tǒng)和相應的設備，打破回填能力不足的技術瓶頸，優(yōu)化開采和回填工藝。需要開發(fā)的技術主要包括回填采煤對地表沉降的控制能力和策略、新的回填材料及運輸系統(tǒng)的相應設備、回填設備的選擇和設計等[7]。此外，植物修復是有效途徑，高積累植物是自然產生或基因改造的成果，是從土壤中去除金屬并將其積累在植物生物量中的植物修復策略之一，具有經濟利益和審美價值。它不僅有可能促進植被恢復、修復礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。植物修復是一種全面的修復策略，包括根莖降解、根際過濾、植物蒸發(fā)、植物穩(wěn)定和植物提取，所有這些都是由微生物與根、土壤的相互作用介導的。

2.3 農村社區(qū)重建

煤礦開采會占用一定的空間，破壞農村的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，需要制定有效的政策，積極采取行動，加快農村經濟的發(fā)展。緩慢的農村社區(qū)重建會影響地下采礦工程、采礦面、采礦和運輸通道，以及通風系統(tǒng)的規(guī)劃。相關企業(yè)要綜合規(guī)劃農村社區(qū)重建和采礦工程的實施，包括土地利用政策、采礦工程規(guī)劃和技術、農村社區(qū)規(guī)劃。通過這種方式，在開采前將要開采的村莊移至原址外并重建，將分散的村莊開墾成農田。在我國，重建村莊有兩種方法。第一，將農民轉移至不受煤礦開采影響的地方。新建建筑工地必須征用土地，將征用土地與周圍的土地一起復墾。第二，在填筑后重建農戶房屋，提升地面基礎，在房屋結構設計中采取抗變形措施?？棺冃未胧┌ㄤ摻畹撞亢晚敳炕炷镰h(huán)梁，在建筑基礎上安裝滑動層、結構柱、剛性鋼筋混凝土墊層和超長建筑施工變形縫。隨著城市化和工業(yè)化導致農田減少，第二種方法逐漸流行，但更多的技術問題亟待解決[8-9]。

2.4 加強各方合作，解決煤炭開采帶來的環(huán)境問題

由于煤炭開采及其在煤工業(yè)中的利用與環(huán)境問題有關，因此有必要在利用煤礦前評估或減輕煤礦對環(huán)境的影響，必須發(fā)展清潔采礦技術。隨著煤礦開采復雜性的增強，傳統(tǒng)的機械化和自動開采技術無法滿足進一步提高開采效率和安全水平的需求。因此，實行智能采礦很有必要。當前，煤炭開采已成為夕陽產業(yè)，許多煤礦被廢棄，因此面臨著煤礦開采帶來的環(huán)境問題。為解決與煤礦開采有關的環(huán)境問題，發(fā)達國家和發(fā)展中國家應共同制定和實施礦山環(huán)境質量控制標準，發(fā)展和推廣礦山瓦斯處理和利用、采礦廢棄物利用、開采土地復墾等清潔采礦技術。各國應明確采礦相關干擾的程度并進行分類，評估污染來源、類型和程度，并遵循既定的采礦區(qū)評估和生態(tài)修復指南。

2.5 加強技術研究，應用新型技術

相關企業(yè)需要在實地開展更多的研究，以評估煤礦開采對生物多樣性、土壤、空氣、地表和地下水的影響。雖然目前在煤礦的脫硫、脫灰和脫鹽技術方面已經進行了一些研究，但應努力進一步研究開發(fā)有效、低成本和環(huán)保的煤清潔技術，并在該領域使用這些技術。此外，必須鼓勵和強調替代清潔能源，以滿足未來的能源需求，并制定嚴格的管理和規(guī)定，革新生產經營管理的舊模式，保證新技術的有效應用。加大研發(fā)投資力度，建設智能采礦基地、資源綜合利用圓形經濟園區(qū)、地表生態(tài)恢復示范基地、煤氣和煤液示范基地等重大項目。

3 結論

煤炭是世界上最豐富的能源之一，也是全球最重要的電力來源。煤礦開采和利用不可避免地會造成煤礦事故、地面沉降、水環(huán)境污染、礦山廢棄物處理和大氣污染等問題，同時礦區(qū)內的煤炭消費和運輸活動會導致其他有害元素釋放至環(huán)境中。煤炭是我國最主要和最重要的化石燃料，保障著國家經濟發(fā)展和現代化的能源穩(wěn)定。我國煤炭產量一直在增加，這意味著煤炭開采活動越發(fā)密集，環(huán)境影響問題愈加突出。因此，構建安全、高效、綠色指標監(jiān)管體系，實現煤炭資源從傳統(tǒng)能源向生態(tài)能源的轉型。未來，相關部門應致力于開發(fā)更加綠色、高效的煤炭開采技術，實現經濟效益和社會效益雙贏。

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收稿日期：2024-09-19

作者簡介：曾繼軍（1993—），男，貴州大方人，助理工程師，研究方向為地質災害、環(huán)境治理。