煤礦地質環境與保護

陳曉輝

隨著我國工業化進程的加快,煤炭資源的需求量不斷增加。大規模開發利用煤炭資源,煤礦環境污染日趨嚴重,帶來了日益突出的環境問題和社會問題。煤礦環境保護與煤炭資源開發利用及地質、水文地質、地球化學等有著極為密切的關系,環境保護已成為煤礦建設、生產必不可少的內容。因此,煤礦環境地質也就成為煤礦地質研究的重要內容和煤礦環境保護的基礎工作。

1 廢水

我國水資源匱乏,特別是西北地區國有重點大型礦區集中,礦井與污水的排出加劇了地區缺水[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。

煤礦礦井水質因區域水文地質條件、煤質狀況等因素的差異而有所不同。根據礦井水質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分布廣泛,主要是由井下生產所產生的大量煤、巖粉以及井下生產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。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,其形成與高氟地下水或礦區附近的含氟火成巖礦層有關;含重金屬元素礦井水在我國的一些礦區有少量分布,主要是含鐵、錳礦井水,水中除含有低價態的 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;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以及煤系中有含油層有關。

1.2 選煤廢水

選煤廢水是煤炭濕法洗選過程中產生的廢水。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備有關。

1.3 其它工業廢水

主要指機修廠、火藥廠、礦燈廠、焦化廠等煤礦附屬企業在生產過程中產生的廢水。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。如機修廠廢水中含有酚、油、鉻、鎘、鎳、鋅等有害物質;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鍵。

含懸浮物礦井水處理經常采用的工藝流程圖見圖 1,其優點是流程相對簡單,節省基建投資。

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時的瓦斯涌出量。如在煤礦生產過程中預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中瓦斯涌出量。這不僅是確保安全生產的重要技術措施,也是減輕礦井排放廢氣對環境污染的重要途徑。從通風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期目標;而從減輕污染的角度,則必須強調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

礦山工業固體廢物主要是煤矸石和圍巖剝離物等混入物,是數量較大的礦山固體廢物。此外,煤礦開采會產生占煤炭產量的 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 生產煤矸石磚

利用煤矸石生產燒結磚。煤矸石經破碎、粉磨、攪拌、壓制、成型、干燥、焙燒而成燒結磚,利用煤矸石代替粘土制磚可以化害為利,變廢為寶,節省土地,改善環境,創造利潤。為了適應建材發展的需要,國家對發展煤矸石建材,提供了一系列優惠政策。“十五”期間,淘汰 2萬家黏土磚企業,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的煤矸石綜合利用率達到 80%以上,這將促使煤炭企業產品向多元化發展。目前,已開發生產的有：豎孔承重空心轉、煤矸石鋪地磚、釉面磚等多種類型的新產品。

3.2 生產水泥

煤矸石中 SiO2、A l2O3、Fe2O3的含量較高 ,總含量在 80%以上,是一種天然黏土質原料,可以代替黏土作生產水泥的原料。利用煤矸石可生產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 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,還可做井下采空區充填、地表塌陷區復墾充填或路基充填石料等的利用。

3.4 矸石回填復墾

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。當矸石復墾的土地用作農林種植,充填層下部應密實,上部疏松,以利保水保肥,表層覆土厚應大于 0.5 m。建筑用地覆土0.2～0.5 m。

4 粉 塵

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

煤礦粉塵以煤塵為主,也有巖粉和其它物質粉塵。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,可懸浮于礦井水和空氣之中或沉附于各種物體表面。產塵量一般與煤及其夾矸的性質、采煤方法、地質構造的破壞程度以及煤層的附存狀況和水文地質條件等因素有關。

5 噪 音

煤礦在開發建設中會產生許多噪聲,如工業噪聲、交通運輸噪聲、建筑施工噪聲和社會生活噪聲等。煤礦生產所用設備多屬高噪聲設備,如扇風機、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噪聲。

6 復墾技術

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,土地復墾率達到 15%左右。

6.1 生態農業復墾技術

生態農業復墾技術是指根據生態學和生態經濟學原理,應用復墾工程技術和生態工程技術,通過合理配置植物、動物、微生物等,進行立體種植、養殖和加工。生態農業復墾技術充分利用塌陷區形成積水的特點,根據魚類等各種水生生物的生活規律、食性以及在水中所處的生態位置,按照生態學的食物鏈原理進行合理組合,實現農 —漁 —畜綜合經營的生態農業類型。在生態系統中,生物之間以營養為紐帶的物質循環和能量流動,形成多級的循環利用。在徐州、淮北和開灤礦區,這種類型的復墾技術取得了良好效果。

6.2 生物復墾技術

微生物復墾技術是利用微生物活化藥劑或微生物與有機物的混合劑,對復墾后的貧瘠土地進行熟化和改良,恢復土壤肥力和活性。采用微生物方法復墾,對煤矸石、露天礦剝離物等堆放場地不需覆蓋表土,經一個植物生長周期(6個月),就可建立穩定的活性條件,第二年可種植農作物。三五年后能完全達到高產田的肥力,并維持數年不衰減。該方法也能使其它類型貧瘠土壤或酸性土壤恢復成良田,對種植品種沒有任何限制。而且微生物復墾只需普通材料和機具,費用低,效率高,效益好。該項技術首先由匈牙利開發,并在前蘇聯、捷克、加拿大、美國和巴西等國推廣使用。我國尚未開發,應積極引進、立項研究。

6.3 土壤改良主要有以下幾種方法

1)綠肥法。這種方法的實質是在復墾區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,除大量養分外,還可以轉化成腐植質;其根系腐爛后也有膠結和團聚作用,能改善土壤理化性質。

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,改良土壤結構,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,調整耕作層的泥砂比例,達到改良質地、改善耕地、提高土壤肥力的目的。

4)化學法。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、硫酸等作調節劑。

一般植被品種篩選是通過實驗室模擬種植試驗、現場種植試驗、經驗類比等手段篩選確定。篩選出的品種應生長快、產量高、適應性強、抗逆性好、耐貧瘠。盡量選用優良的當地品種,條件適宜時引進外來速生品種。

7 結 論

綜上所述,我國礦山建設還存在許多環境問題。當前需要加大科技投入,推動技術創新,努力發展綠色開采技術,完善綠色礦山體系。政府應該以市場為導向,通過引導培育和部分投入,使礦山環境治理和土地復墾產業化。

[1] 譚維文.礦山環境學[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框架[J].科學導報,2007,28(7)：61-64.