河南某煤礦礦山環境問題及綠色生產對策分析

高會國

(鄭州煤電股份有限公司 告成煤礦,鄭州 450052)

煤是我國支柱性能源[1],但煤礦開采導致了大氣污染、地下水污染和土壤污染等一系列環境問題[2]。其中大氣污染、地下水污染和土壤污染的原因主要是在開采過程中,將污染物直接或間接地排放到環境中[3],或將洗煤產生的有毒物質排放到水體、空氣和土壤中。另外,開采引起的水土流失、泥石流等問題也尤為重要,其重要原因是礦區土地復墾和水土保持不及時[4]。煤礦開采還對土壤結構、微生物等造成破壞,并帶來廢水、廢渣等排放問題。要徹底解決這些問題,關鍵在于通過合理規劃、科學開采并合理利用煤炭資源,綜合防治污染。現有研究表明,大氣環境對煤礦開采影響較大,煤礦產生的大氣污染物中以懸浮顆粒為主要排放形式[5],主要包括粉塵和煤塵,其中粉塵占65%～90%。除此之外還伴有各類其他粉塵,如石塵等。采礦引起的水土流失主要是由礦井涌水和礦區地表徑流產生的。據統計,目前中國每年排入污水中的煤炭約占總儲量的20%～30%,其中大部分是用于煤矸石排放[6]。此外,礦區洗煤廠排放的污水中還含有大量的工業廢渣、廢水。煤礦開采產生的廢水、廢渣也是環境污染的一大來源。土壤污染主要表現為土壤中重金屬的富集和污染[7]。礦區土壤環境質量中,重金屬主要來自于采礦活動,如露天礦山開采時產生的尾礦、煤矸石、冶煉廢渣等[8-9]。這些尾礦庫及廢礦石的堆積不僅占用了大量土地資源,而且對土地造成嚴重污染。

為量化分析煤礦普遍存在的礦山環境問題,并有針對性地提出綠色生產策略,本文以河南省某年產60萬t的中型煤礦為研究對象,量化分析并評價了大氣污染、水污染、固廢污染和土壤污染的環境影響,同時研究了產生各類環境問題的共性原因,并由此提出了適用于中小型煤礦資源綠色開發清潔生產的策略建議。

1 工程概況

河南省某煤礦設計生產規模60萬t/a,服務年限34.8 a,礦區走向長約1.65 km,傾向平均寬1 km,面積1.793 km2。采用穿層斜井開拓方案開拓全井田,設置一個地面生產場地,共布置3條井筒。產品方案為原煤,不設洗選設施。井下原煤經地面簡易篩分后外賣。除少量為貧瘦煤,其他均屬焦煤。井下原煤經地面簡易篩分后運輸至集團公司洗煤廠統一洗選。區內煤層可作為煉焦、工業動力、民用取暖、一般工業鍋爐、窯爐的燃料和部分氣化原料用煤。粉煤可用于制型煤、高爐噴吹等,型煤氣化、制造生產碳素材料、制備橡膠及城市水處理用濾料等工業用煤。本礦井原煤主要用于鋼鐵廠煉焦用煤,部分作動力煤供給電廠。矸石周轉場選在工業產地附近的山里,井下矸石通過窄軌鐵路運至工業場地卸矸站,再轉運至矸石周轉場。矸石周轉場占地9 200 m2,環境主導風向常年為東南風。每層風化帶防水煤礦高度14.28～39.51 m,采取沿煤層露頭向內平推30 m為煤層風氧化帶下層。礦區地形地貌中等,巖性組成主要為碎屑巖。礦區范圍內出露地層屬沉積巖類,為碎屑巖,另外還零星分布第四系巖層。礦井可劃分為堅硬巖類、半堅硬巖類、軟弱巖類及松散巖類,共計4類工程地質巖組。開采過程中,井下、地面引發地質災害的可能性較大。同時還可能引發泉水枯竭或流量減少、水土流失等問題,將可能改變原始地質環境條件。總體上礦井內工程地質條件復雜程度屬第三類(層狀巖類)中等類型。

圖1 煤礦周邊環境污染Fig.1 Environmental pollution around coal mines

礦區內總體地勢北高南低,分布于區域水文地質單元補給區,地層總體呈單斜產出,斷裂構造不發育,礦井內地形地貌較單一,煤系地層中含全區可采及大部可采煤層13層,分別發育于中部及上部。富水性較弱,含裂隙水,為煤層直接頂、底板,屬于今后礦井開采的直接充水層。當地最低侵蝕基準面為1 118 m,所開采的煤炭資源大部分位于最低侵蝕基準面以下,大部分地段有利于地下水的排泄。故本礦床屬于以大氣降水補給為來源的裂隙充水礦床,水文地質條件中等,水文地質類型屬二類二型。礦井900 m水平以上正常涌水量為79.0 m3/h,最大涌水量為141.4 m3/h。礦井采用斜井開拓,三級排水方式,一采區采用一級排水方式。在900 m水平設井底水泵房和主、副水倉。井下涌水由井底水泵房水泵經管道、副斜井排至地面污水處理站。

2 礦山環境分析與評價

2.1 大氣污染

根據《環境影響評價技術導則大氣環境》的規定,對該煤礦大氣環境展開分析。項目建設期采用空氣源熱泵進行供熱,后期瓦斯電站建成后,供熱采暖利用瓦斯電站的余熱,不設置燃煤鍋爐。儲煤場采用全封閉式棚架結構,且采取噴霧灑水防塵措施,煤塵對外環境影響較小。礦井大氣污染物主要來自于臨時排矸場產生的揚塵污染,污染源為面源排放。根據分析,覆蓋壓實和噴灑水降塵后臨時排矸場揚塵年產生量為0.50 t。儲煤場采區全封閉并配備灑水抑塵設施,揚塵年排放量為0.66 t,主要污染源調查清單見表1所示。大氣污染物的排放量如表2所示。

表1 污染源列表Table 1 Pollution sources

表2 大氣污染物排放量Table 2 Emissions of air pollutants

由表1和表2中大氣污染物的追蹤結果可知,煤炭在開采、運輸過程中,會產生大量的粉塵和煤塵[10]。這些污染物排放的主要來源是生產中的通風設備、爆破和排矸場。由于煤礦采場高度、工作面長度及煤層厚度都較大,往往產生大量的浮塵,產生的粉塵具有擴散快、懸浮時間長、污染范圍大等特點。在開采過程中,為了防止空氣污染和煤矸石自燃,礦井內必須保持適當的通風量才能降低粉塵含量,但與此同時通風量過大又會導致空氣對流增加,反而易導致粉塵含量增加。另外,在煤層開采過程中產生的瓦斯和煤塵可作為主要的燃料,一旦發生自燃和爆炸,將會產生巨大的安全隱患。據中國科學院環境研究所對全國400多個礦區的調查發現,60%以上的礦區空氣中含有大量煤塵,其中50%以上的礦區粉塵含量超過國家衛生標準。這將會影響周圍人群健康,并導致礦區周圍的農作物減產甚至絕產。除此之外,煤礦開采不僅會產生大量煤塵,同時還會產生大量的放射性粉塵。追蹤結果表明:固廢也會帶來大氣污染問題。造成該現象的原因是礦山開采所產生的大量廢渣,包括矸石、煤泥和各種礦渣等,這些廢料往往堆砌于露天礦區周圍及山坡上,產生大量氣態廢物進而對周圍環境造成嚴重污染。

2.2 土壤污染

2.2.1監測與物質追蹤

對煤礦周邊土壤環境進行分析。由于地貌、氣候、生活、巖性、成土母質的多樣性,以及人類生產活動的影響,評價區域內的土壤類型分布具有明顯的山原土壤垂直帶譜和隱性水平分布規律。根據調查,項目所在區域及周邊1 km范圍內分布的土壤類型主要為黃壤,土體厚度一般大于60 cm。對土壤總重金屬進行檢測得到的結果如表3所示。

由于金屬是土壤污染的重要因素[11],采用土壤單項污染指數法進行量化。單項污染指數法反映了土壤中各個重金屬元素的污染程度,以污染物含量實測值與評價標準相比來計算污染指數。

(1)

式中:Pi為土壤中污染物i的單項污染指數;Ci為土壤中污染物i的監測數據,mg/kg;Si為污染物i的土壤環境質量標準值,mg/kg。

表3 重金屬對土壤污染Table 3 Soil pollution caused by heavy metals

2.2.2原因分析

由表3可知,土壤中重金屬的主要來源是采礦過程中產生的大量廢渣,如煤矸石、尾礦和礦井廢水等。由于處理不及時,這些物質通過浸出的方式進入土壤。土壤重金屬污染破壞了礦區周圍的土地植被,嚴重影響了土壤的正常結構和肥力。除此之外,水體排放也是重要途徑,礦山廢水和尾礦水雖然無色無味,但其含有各種污染物質,不經過處理直接排放到水體中,造成了有毒物質的遷移。采礦由于破壞了土壤結構,使土壤結構發生改變,從而影響其肥力和土地生產力。同時礦山開采還造成了大量矸石堆積,引起復墾難度大、復墾質量差等問題,進一步降低了土壤對重金屬的降解能力。矸石中含有大量的有害物質,如硫、磷、砷等有毒有害物質及放射性物質等會造成礦區周邊土壤和地下水的污染。不同類型煤礦在開采過程中都會產生大量的廢水、廢渣或礦山廢水、尾礦,其中大部分是有毒有害物質和放射性物質。研究結果同時指出,采煤過程中產生的廢水主要是礦井涌水和礦區地表徑流產生的污染;尾礦主要是煤矸石、鐵精礦、銅精礦及非金屬礦廢料等;此外,采煤過程中產生的其他廢渣也會對土壤和地下水造成污染。

2.3 水污染

2.3.1監測與物質追蹤

煤礦污水物質排放情況如表4所示。通過對SS、COD、石油類、Fe、Mn污染物質追蹤發現,煤礦開采中所產生的污水、廢水和固體廢棄物均會對地下水環境產生影響。首先,由于地下水是一種非飽和帶含水層,開采煤礦導致水位下降甚至使井下水位低于地表;其次,煤礦在開采過程中會形成許多煤矸石及固體廢棄物,由于這些廢棄物含有多種有害成分且不易降解和處理,因此會對地下水造成一定程度的污染。煤礦生產中還會產生大量廢水及廢渣。據統計,煤炭開采過程中所產生的廢水和廢渣約占煤炭總產量的15%左右。這些廢水和廢渣中含有大量有害成分,如氟、砷、汞等及重金屬離子,如鋅、銅、鉛等,若直接排入水體或土壤中可能對水體及土壤造成嚴重污染。

2.3.2原因分析

礦區地下含水層一般為第四系松散層孔隙裂隙水和基巖裂隙水,具有自凈能力。但由于煤炭開采過程中,礦井涌水及洗煤水未經處理直接排入含水層,使含水層受到嚴重污染,影響了煤炭資源的開采利用。通常煤礦開采所造成的地下水污染是由于在采礦過程中將煤炭直接或間接地排放到大氣或土壤中,或將洗煤產生的廢水直接排放到水體或土壤中。除此之外,礦井涌水形成的地下水對農業生產、工礦企業供水、居民生活用水等都有較大影響。在自然條件下,通過地表水、大氣降水、地表徑流等直接污染地下水是很少的;但是由于煤礦開采是一個復雜的工程,地下水污染往往不是單一因素導致,而是多種因素綜合作用的結果,如礦井涌水進入地表水和淺層地下水后,地表水中的重金屬離子會逐漸被地下含水層吸收,而對地下水水質產生影響,造成水體重金屬污染;另一方面,由于洗煤廢水含多種有毒有害物質,排放后會污染地下水源。

2.3.3污染加劇原因分析

進一步對地下水進行分析,結果如表5所示。結合以上分析可知,開采活動對地表土壤及地下水的污染主要是由于礦井排水和地表水滲漏造成的,以礦井水、礦坑涌水及地表徑流為主要污染來源。由于礦井水未經處理直接排放或排入地表水系統中,導致當地地下水水質惡化、水量減少。煤礦開采對地下水的影響主要表現在以下幾個方面。

1)礦區開采后形成的松散層孔隙裂隙水和基巖裂隙水是礦區地下水的主要組成部分,煤礦開采造成地表塌陷形成松散層。由于開采擾動,松散層破壞后的空隙中存在著大量空隙水和孔隙,而這些空隙水和孔隙中所含污染物較多。

2)煤礦開采后產生的固體廢棄物是影響區域環境質量和生態環境質量的主要因素。在地表塌陷形成松散層后,地下空間大量擴大或變小,導致地下水徑流方向發生改變且含水層厚度變薄。隨著地質條件和地下水運動規律的改變會產生不同程度的潛水蒸發和潛水面下降現象,使大量被破壞的植被根系不能及時有效地恢復和補充。

3)由于煤炭開采造成大量地表沉陷塌陷形成了松散層,該層中所含污染物在大氣、地表水或地下水的作用下向下遷移轉化、積累和擴散,因此造成土壤污染、水資源污染以及生態環境污染等一系列環境問題。

表5 地下水綜合情況分析Table 5 Comprehensive analysis of groundwater 單位:mg/L

2.4 固體廢物污染

固體廢物主要有工作面建設中的掘進矸石,地面、地下建構筑物施工過程中產生的建筑垃圾,另外還有施工人員產生的生活垃圾等。排放的固體廢物主要為煤矸石、礦井水處理站煤泥、生活垃圾,此外還有少量生活污水處理站污泥和廢機油等。每年礦井生活垃圾排放總量為163.4 t,礦井水處理站所產生的煤泥量約為500 t,污水處理站所產生的污泥約40 t,機修車間產生的廢機油約5 t,井下液壓支柱產生的廢乳化液約1 t,在線監測設備產生的廢液約0.5 t,更換的廢鉛酸蓄電池約5 t。

土壤污染主要是由于堆放在礦井周圍的廢渣與土壤相互作用而產生的,特別是廢渣中所含的有毒有害物質會直接污染土壤,并隨著雨水徑流進入到農田中,嚴重威脅著農作物的生長。同時廢渣還會改變土壤結構和性質,造成水土流失,并對地下水造成一定污染,煤矸石中含有大量重金屬,如果不經處理排放到水體中,會對水源造成污染。煤矸石堆放在土壤中,會影響土壤的結構和性質,使土壤的持水能力降低,從而導致土壤板結,影響植物的生長。煤矸石對地下水的污染是由于煤矸石中含有大量重金屬,經雨水沖刷進入到地下水中,使水中重金屬含量超標。在井下開采過程中會產生大量的煤矸石,這類煤矸石堆放在礦井周圍,不僅占用土地資源、破壞土壤結構,還會使大量廢水、廢渣和有毒有害物質進入到大氣或地下水中。由于這些廢棄物堆放在地下空間內,不僅不利于植物生長和空氣流通,而且還會產生二次污染。

煤矸石中還含有大量重金屬成分,如銅、鎳、鉛、鋅等,這些金屬對農作物及人體健康都有一定的危害。煤矸石堆放在地表的表層土中含量較高時,會對地表植被造成污染。在煤礦開采過程中會產生大量的矸石堆積在礦區周圍,這些煤矸石除了堆放在地面上,有的還會被排入到地下,成為礦山環境的污染源。這類固體廢物占用土地資源、破壞土壤結構并造成土壤污染,如果不加以處理排放到水體中或進入人體中會造成嚴重危害。另外,煤礦開采產生的固體廢物堆積在礦區周圍還會影響周圍居民的生活環境。一般情況下煤礦固體廢物的堆放是有規律的,但偶爾也會有不遵守規律的情況發生,如有的煤礦固體廢物在堆放過程中隨意丟棄、不加任何處理排放到自然水體中等。煤矸石中還含有鉀、鈣等礦物質,會對土壤和水源造成危害。

煤矸石的處理被認為是可行的。煤矸石可分為兩類:一類是不能直接作為燃料的煤矸石,另一類是可作為建材利用的煤矸石。由于中國煤炭資源豐富,礦井排出的固體廢物量較大,經化驗分析,煤礦固體廢物主要成分是粉煤灰、煤矸石和廢塑料。粉煤灰一般含水分、灰分、揮發份等雜質,還含有某些重金屬;煤矸石則含有大量的揮發份、碳酸鹽和鐵等,其中灰分質量分數高達80%。目前煤炭開采中所產生的煤矸石大部分并未得到很好地利用。這一方面是由于煤矸石本身具有一定質量,不易移動;另一方面是由于對煤矸石沒有統一的管理制度等原因造成的。

在此,對煤矸石的成分進行分析,其物化性質與主要成分如表6和表7所示。本礦井類比分析的矸石化學成分SiO2的含量偏低、Fe2O3含量偏高、CaO含量偏高。煤矸石成分分析表明,本礦井的煤矸石適合制磚用,尋找周邊矸石制磚廠進行合作或進行自主生產矸石磚,解決了矸石長期堆放的問題。煤矸石制磚化學成分如表8所示。

表6 煤礦矸石物化性質Table 6 Physicochemical properties of coal mine gangue

表7 煤矸石主要成分Table 7 Main components of coal gangue

表8 煤矸石制磚化學成分Table 8 Chemical composition of coal gangue brick

3 清潔生產策略

煤炭生產和加工是一個復雜的系統工程,涉及到原煤的開采、洗選加工、銷售、運輸等環節。因此,要實現煤炭的清潔高效利用,應從煤礦的開采、運輸和利用環節入手,實施清潔生產。基于上述問題從技術、管理、源頭與設計上多方面開展治理是降低煤礦環境問題的可行對策。

1)發展煤炭洗選加工技術。建設大型潔凈煤廠,將煤炭從礦井直接輸送到洗選加工中心,提高煤矸石和洗選煤產品的附加值。采取相應措施使煤矸石、洗煤水和煤泥等工業廢物資源化和無害化。利用煤礦工業廢水處理技術,將其轉變為化學需氧量(COD)和總磷(TP)為零的高附加值產品。

2)建立礦區生態恢復和土地復墾制度[12]。首先,應對礦區進行統一規劃和設計,合理布局露天煤礦和地下煤礦,嚴格控制礦山開采深度,建立礦區生態恢復和土地復墾制度。制定并嚴格執行煤礦企業污染防治方案,把環保要求貫穿于生產全過程,防止地表水、地下水和土壤受到污染。加強礦區綠化,對已遭到破壞的生態環境進行修復或重建,使其恢復到自然狀態。

3)轉變傳統煤炭產業增長方式,推廣清潔生產技術,提高資源綜合利用水平。煤礦生產中,大量的煤矸石、礦井水和采空區積水都需要通過處理才能加以利用,目前這些廢棄物處理方式大多采用露天堆放或排空等簡單方式是不行的。應嚴格控制矸石、洗煤水及煤泥等工業廢水向外排放,不允許將煤礦廢水直接排入水體。

4)根據煤礦開采類型、礦井涌水量、地表水資源以及礦區內原有植被分布情況等進行合理規劃。針對不同區域開發不同類型煤礦,采取不同技術方案,確保在實現安全生產的同時,最大程度地保護環境、節約資源。

4 結論

以河南某年產60萬t的煤礦為代表,量化分析和評價了其大氣、土壤、地下水和固廢對周邊環境的污染情況。結果表明:NO2、PM10、PM2.5和O3是煤礦大氣污染的主要表征物質,矸石周轉場和儲煤場在大氣污染中需要被重點關注。土壤污染以鎘為主要污染元素,其余重金屬均有一定的排放。重金屬的排放以煤的洗選為主要排放途徑,但是由于排放的種類較多且較復雜,因此環境治理會消耗較大成本,應當以改進工藝為主要措施。地下水作為污染的重點環節受工況影響較大,主要污染物為SS、COD、石油類、Fe、Mn,并表現出多種污染物質共存并相互影響。同時煤礦開采對地下的影響由于開采擾動,松散層破壞后的空隙中存在著大量空隙水和孔隙,而這些空隙水和孔隙中所含污染物較多。這種松散層中所含污染物在大氣、地表水或地下水的作用下向下遷移轉化、積累和擴散,又造成土壤污染、水資源污染以及生態環境污染等一系列環境問題。多種環境影響類型互相影響和轉化,因此需要綜合治理、系統化治理。中型煤礦的固廢主要以矸石為主,結合煤矸石的物理組成,制磚是有效的可行手段。最后提出了從源頭治理、政策制定、技術迭新與共同治理為核心的清潔生產策略。