煤礦開采的環境影響及防治措施

賈曉鳳 程 浩 張 渝 王鵬飛

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

0 前言

煤炭是我國重要的能源之一，我國是世界上最大的煤炭生產和消費國。根據統計，煤炭在全國能源生產和消費結構中分別占71.7%和67%，而且這種格局在相當長的時期內不會改變。而且我國約75%的工業燃料、85%的民用燃料和65%的化工原料由煤炭工業提供，可見煤炭資源對于我國國民經濟的發展和社會的進步發揮著舉足輕重的作用。然而，由于受多種因素影響，在煤炭開采、運輸、利用過程中產生了一系列環境及生態問題，致使煤礦區生態系統嚴重受損,不僅阻礙煤炭行業的自身發展，同時也影響了整個經濟社會的發展。目前，煤礦區的環境問題尤其生態損害環境問題已經成為礦區乃至區域可持續發展的重大制約因素。

可持續發展的主要原則是公平性原則和持續性原則。公平性原則∶1）強調同代人的橫向公平，給各地區以公平的分配和發展的權利。2）代際間的公平,要認識到人類賴以生存的自然資源是有限的，當代人不能因為自己的發展與需求而損害滿足人類世世代代需求的自然資源與環境條件。持續性原則是指生態環境系統受到某種干擾時能保持其生產能力。經濟和社會發展不能離開資源和環境，也不能超越資源與環境的承載能力,人類對資源的利用、廢棄物的處理等,均應維持在環境允許容量之內，否則發展將不可能持續。

自然資源的開發利用是社會經濟發展的物質基礎。煤炭資源是一種有限的、非再生的自然礦產資源，隨開采利用而逐漸減少，直至耗竭殆盡，從長遠看是不能持續利用的。因此，煤炭的開發利用可持續發展觀應該是既要注重資源利用率，達到資源優化配置，不能以造成資源的大量破壞和浪費為代價來實現礦產資源開發，又要注重資源開發利用過程中的經濟效益、社會效益及生態環境效益，處理好當前發展與未來發展的關系，走資源開發、環境協調、持續利用的道路。

1 煤礦開采對環境影響分析

1.1 煤礦開采對水環境的污染與損害

煤礦開采對水環境的影響主要表現在兩個方面，一方面是對地表及地下水系的破壞，另一方面是對地表及地下水系的污染。煤礦區的污染水源主要有礦井水、洗煤廢水、煤矸石淋溶水、礦區生活污水等幾大類，排放量大，成分復雜，這些廢水不僅嚴重污染礦區周邊地表水體，損害水生生物，而且通過采礦活動和廢水滲入作用還會污染地下水體。

煤礦開采過程必然涉及到對地下水的疏干和排泄。由于地下水的不斷疏干和排泄，必然導致地下水位大面積、大幅度的下降，礦區主要供水水源枯竭，地表植被干枯，自然景觀破壞，農業產量下降，嚴重時可引起地表土壤沙化。

煤礦大量排放廢水會不同程度地污染地表及地下水系；矸石和露天堆煤場遇到雨天，污水流入地表水系或滲入地下潛水層，選煤廠的廢水不經處理大量排放，對地表、地下水源造成污染等等，使礦區周圍的河流、沼澤地或積水池等變為黑色死水。

地表水系的污染往往是顯而易見的，相對容易治理,而地下水的污染具有隱蔽性且難以恢復，影響較為深遠。由于地下水的流動較為緩慢，僅靠含水層本身的自然凈化，則需長達幾十年甚至上百年的時間，且污染區域難以確定，容易造成意外污染事故。

總之，煤礦廢水的排放會導致礦區內水體和土壤的生態功能下降，動植物種類銳減，甚至威脅到整個礦區生態系統和人類自身的安全。

1.2 煤礦開采對土地資源的損害

1.2.1 土地沉陷

煤層是層狀沉積礦床，厚度相對較小，單位面積生產能力低，在礦山開采過程中，井下大面積采空，形成大量采空區，頂板冒落、巖層移動后，造成地面沉降，在地表形成低洼地。有的由于地表潛水位較淺，在低洼處形成沼澤地或積水池，有的表現為既深又寬的裂縫，形成嚴重的山體滑坡隱患。沼澤地或積水池、山體滑坡的形成，使礦區耕地減少或受到破壞，生態環境也受到嚴重影響。例如，2002年山東鄒城煤礦區由于采煤塌陷造成土地破壞面積 4166 .32 hm2，其中積水面積 1173 .53 hm2，絕產面積1728 .19 hm2，涉及到20多個行政村。

據估算,全國平均每采出1萬t煤沉陷面積在0.2萬m2以上，全國已有開采沉陷地45億m2。

1.2.2 侵占土地和污染環境

我國是土地資源極其匱乏的國家，人均耕地占有量只有0.11 hm2，不到世界人均耕地面積的1/2，然而煤炭開采對土地資源的損害十分巨大，這無疑加重了我國人多地少的矛盾。

據統計,目前全國大中型煤礦有矸石山1800 多座（不包括近8萬個鄉鎮及個體小煤礦堆積的矸石山），矸石堆放總量達30億t以上。我國每年生產原煤l2億t左右，矸石排放量一般為原煤產量的8%～20%，平均約為12%，煤礦年均排放矸石1.5億t左右，矸石堆分布范圍廣，化學成分復雜，對人類生存環境帶來很大的威脅與危害，主要表現在∶

1）侵占土地。據統計，目前已形成堆積的34億t矸石，占地面積約2.8億m2，且每年呈現明顯增加趨勢，顯然將進一步加劇我國可耕地資源短缺的局面。例如，平頂山礦區40年來，排放矸石累積存量3900萬 t，形成 31座矸石山，占地 98萬 m2，其中77.5%為可耕地，按當地平均種植水平，每年減產糧食62.6萬t，相當于1500多人的年糧食占有量。

2）污染環境。據統計，全國正在自燃的矸石山約200座,自燃過程排出大量有害氣體,如SO2、CO2、H2S及氮氯化合物、煙塵等，污染空氣，形成酸雨，污染水源和土地，抑制植物生長并危及人類健康。

3）危害人類安全。由于煤矸石堆放不穩定，嚴重威脅著公共安全。1996年在英國南威爾士的阿邦番,一座高達60 m的矸石山滑塌,11萬m2的矸石塌落下來，使100多人喪生。

1.2.3 土壤污染

煤礦區土壤中的有害元素主要來源于煤矸石風化自燃、淋溶，礦區大量粉塵、廢氣的沉降以及礦井水。有害元素通過各種水力聯系（導水砂層、地層裂隙、河流等）發生污染轉移，使礦區及其周邊地區的土壤質量下降，生態系統退化，農作物減產，甚至威脅人體健康。土壤一旦被有害元素污染，其危害性遠大于大氣和水體的污染，因為有害元素化合物能較長時間存在于土壤環境中,且不易被人察覺。例如,土壤中毒性最大的 Cd、Pb、Hg、As等元素在生物放大作用下大量富集，沿食物鏈最后進入人體，引起急、慢性中毒，造成肝、腎、肺、骨等組織的損壞，甚至能夠致癌。土壤有害元素污染對礦區生態環境產生多種損害方式，總體分為三大類∶①受污染的土壤直接暴露在環境中，通過土壤顆粒等形式直接或間接地被動物或人吸收;②在雨水淋溶作用下，土壤中的有害元素緩慢向下滲透,導致地下水的污染；③外界環境條件的變化，例如酸雨，提高了土壤中有害元素活性和生物可利用性，使得有害元素較容易被植物吸收而進入食物鏈，對動物和人體產生毒害作用，并易向下遷移，導致地下水污染。

目前，對煤礦區土壤中有害元素的研究越來越深入，有研究表明∶土壤中有害元素的活動性、生物可利用性、毒性與有害元素的形態有密切關系，為礦區土壤的修復提供了新思路。

1.3 水土流失與沙漠化

我國西部煤炭資源蘊藏豐富，但是該區域位于干旱半干旱區，植被稀疏，水土流失及沙漠化嚴重，生態系統非常脆弱。因此，水土流失和土地沙漠化成為該區域煤礦區最突出的生態環境問題之一。煤礦建設和生產過程中挖掘地表、堆棄土渣、破壞土地和植被，從而減少了地面植被的覆蓋，造成地表徑流和地表糙度改變，使土壤抗蝕指數降低，加劇了水土流失和土地沙化,不僅損害礦區生態環境，而且為周圍地區帶來了嚴重的環境污染和安全威脅。例如，陜西榆林神府東勝礦區是黃河流域風蝕沙漠化和水土流失復合侵蝕最為嚴重的地區。劇烈的水土流失不僅加重了河道排洪輸流能力，而且大量泥沙污染了水源供水水質。據陜西省水保部門預測，礦區一、二期年增土壤侵蝕量62175 Mt，為原生侵蝕量的212倍，年增入黃河泥沙量15191 Mt，占原輸沙量的50.16%。由于礦區鄰近毛烏素沙漠，氣候干旱，風大沙多，植被稀少，沙漠化問題嚴重，因而對周邊地區工農業生產、居民生活及黃河水道均構成了嚴重威脅。

1.4 瓦斯對大氣環境的影響

煤礦開采排放的瓦斯量每年高達50～70億m3，瓦斯井下爆炸事故頻繁發生，造成嚴重的生命和財產損失；同時，瓦斯是溫室氣體，對環境的污染十分嚴重，危及大氣層、森林、農作物和人類自身。

1.5 生物資源的損害

煤礦區生物資源的損害主要是由于礦山工業建設、矸石堆放、開山修路、露天采礦剝離等引起的。這些劇烈的煤炭開采與建設活動，特別是不合理的活動，改變了礦區內以及周邊地區水體、土壤等環境的初始條件，破壞了區域內營養元素的循環與更新，從而對礦區生物資源造成了嚴重損害。主要表現為∶

1）煤炭開采活動造成生物的生存環境或棲息地被破壞。由于礦井采礦及其配套工程設施諸如交通線、建筑物等的建設，使得礦區生態系統原有的大面積連續的生物環境被人為分割成許多面積較小的不規則板塊，甚至是完全消失，限制了生物的活動范圍，影響了生物生存活力，導致生物多樣性受損。例如，烏海地區因煤炭開發直接破壞的天然草牧場高達140000 hm2，將使包括四合木、綿刺、革苞菊、蒙古扁桃在內的世界珍稀殘遺瀕危野生植物從地球上消失。

2）由于煤炭開采對礦區及周圍水體、大氣和土壤的嚴重污染,導致某些生物減少，甚至滅絕，最終導致礦區生物多樣性受損。

3）在進行煤礦區生態修復和重建的過程中，人為引入的外來物種入侵，對當地生態系統造成嚴重干擾和破壞，致使原有物種大量滅絕，導致礦區生物物種單一，生態系統退化。

1.6 噪聲污染

煤炭開采過程中帶來的噪聲污染已越來越受到人們的關注。煤礦噪聲有井下噪聲和地面噪聲兩種，井下噪聲主要來自鑿石、放炮、采煤、通風、運輸、提升、排水等所用的各種機電設備。據調查，目前大部分煤礦井下工作場所的噪聲級已超過國家規定的允許值。

煤礦噪聲具有強度大、聲級高、連續時間長、頻帶寬等特點。長期暴露于強噪聲作業環境中，不僅會對礦工的聽覺器官造成損傷，還會引發多種其他疾病，妨礙通信聯絡，容易發生工傷事故。此外，噪聲還會污染周圍環境，影響礦區周邊居民的正常生活。

1.7 景觀破壞

作為一個地理單元，煤礦區不僅蘊藏著煤炭等礦產資源，還形成了獨特的地質地貌景觀和生態景觀，加之人文、社會、歷史等方面的因素，使得它成為一個集礦產價值、生態價值、人文價值、地質價值等多種價值于一體的復雜綜合體。

由于在煤炭開采過程中，采掘土方、堆棄廢石及尾礦、排放污染物,破壞了礦區地質地貌原有的形態，影響了自然風景觀瞻，毀壞了珍貴的地質遺跡和名勝古跡，不僅給人們帶來視覺污染，更重要的是給人類歷史文化和科學研究造成了不可彌補的損失。

2 減少煤礦開采影響的措施

當今社會經濟高速發展，人們生活水平日益提高,對能源特別是煤炭的需求量在大幅度增加，不可能限制資源的開發利用,應根據可持續發展原則，綜合考慮礦業經濟發展與礦區生態環境保護的關系，走礦業“綠色開采”的道路。

2.1 貫徹國家法規和科學管理礦區

隨著 《中華人民共和國煤炭法》、《中華人民共和國礦產資源法》、《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國水土保持法》、《土地復墾規定》等相關管理法規的頒布和實施，標志著我國煤礦區環境防治工作已進入法制化軌道。這就要求我國煤炭工業工作者從領導到基層要加強環境保護意識和法律意識，切實貫徹國家相關法律法規，堅持煤炭資源開發利用與生態環境保護并重、防治結合、以防為主的方針。同時，積極進行法制創新，根據本地區煤炭開采的特點和影響現狀,制定針對性強、行之有效的管理法規，保障礦區污染治理和生態環境修復的實施，促進礦區人與自然的和諧發展。在管理體制方面，土地管理部門、煤炭管理部門和環保部門等相關行政執法管理單位應積極完善管理體制，加強統籌協調，明確權、責、利等問題，齊抓共管。在“誰污染誰治理,誰破壞誰恢復,誰使用誰補償”的原則下，推進礦區管理體制和方法的改革與創新，將礦區環境治理與企業、工人的切身利益相聯系,使礦區環境保護與治理由政府行為轉變成企業行為和個體行為。

2.2 采用新技術新工藝減少矸石產出

兗州礦業集團在礦井采區巷道布置時，取消巖石集中巷，采用煤、巖巷相結合的邊界上山取代中間巖石上山，加大采區走向長度，進一步簡化巷道布置，減少聯絡巷道工程量，降低巷道特別是巖巷掘進率,礦井巷道萬噸掘進率由1990年的86.11 m/萬t，下降到1999年的 36.94 m/萬 t，巖巷掘進率由33.01 m/萬t，下降到8.28 m/萬t。 僅此一項每年可減少矸石排放量250萬t左右。我國一些新設計的大型礦井，如兗州礦業集團濟寧三號煤礦、神東大柳塔、補連塔煤礦、潞安漳村煤礦等均采用全煤巷布置，實行單一煤層開拓、準備和回采，矸石基本不出井口。實現全煤開拓方式的若干支持技術已有了很大發展，如長距離獨頭煤巷掘進通防及安全技術研究的進展，解決了長距離煤巷掘進通風、降溫、煤炭自燃和輔助運輸等安全問題，使全煤巷布置采區尺寸進一步加大。

積極推廣大采高開采技術，減少5 m以下厚煤層采用分層開采或放頂煤時矸石混入量，減少原煤含矸率。優化厚煤層放頂煤開采參數和工藝程序，在有效提高頂煤采出率的同時，降低原煤含矸率。

進一步研究、完善新型化學采煤方法，煤炭地下氣化是一種新型的采煤技術，地下氣化的原理是煤炭在地下煤氣發生場（預先開掘的巷道）內進行熱化學反應，經過氧化帶、還原帶、干餾—干燥帶排出地面，被燒剩的煤灰和頂板垮落的巖石充填燃空區，只保留一個不大的空間供氣流通過，作氣化通道。其特點是將埋藏在地下的煤炭直接氣化為煤氣，經過凈化、分離等處理，通過管道把煤氣送到工廠等用戶。煤炭地下氣化開采具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優點，被譽為第二代潔凈采煤方法。目前已在我國開灤、新汶、徐州等礦區進行了工業化生產，取得了較好的技術經濟效果。

2.3 充填采空區

采空區充填技術主要有水力充填、風力充填和自溜充填等幾類。水力充填材料有河砂、山砂、碎石、爐渣、井下和洗煤廠矸石、油母頁巖煉油廢渣等。隨著充填材料的不同，地表下沉系數不同，一般為0.1～0.5，減沉效果為50%～90%。以含泥量少的河砂充填材料減沉效果最好，爐渣、矸石充填的效果次之。風力充填要求有專用的壓風機、充填機和輸送管路，對充填材料粒度要求較高，由于設備充填能力和效果等原因，使用范圍均不大。自溜充填用于急傾斜煤層和傾斜煤層，減沉效果相對較差。

近年來，我國在撫順、兗州、大屯、新汶等礦區應用采空區上方離層裂縫注漿充填法，起減緩下沉速度和下沉量的作用，可減少下沉30%～40%，使用充填材料可以是電廠粉煤灰和經粉碎的矸石，可起到減少矸石或粉煤灰堆放和減少地表下沉的雙重效果，在高潛水位礦區農田保護方面有廣闊的應用前景。其技術關鍵一是要保證充填漿液不流入井下采空區，二是要準確預測形成離層的位置。

利用井下采空區、預掘礦房和廢棄巷道作為井下貯矸空間，將矸石充填在這些空間內，既可回收部分建筑物下的煤炭資源，又可部分解決或降低地面沉降和塌陷問題。

2.4 減少煤礦瓦斯排放

我國煤礦煤層氣儲量極為豐富，據估計，我國陸上埋深在2000 m以下的煤層氣（瓦斯）資源量達32～35×1012 m3,幾乎與常規天然氣資源量相當，主要分布在東北、華北、華南和西北等4大聚氣區，尤以華北地區煤層氣資源量巨大。如何有效地資源化利用這些以往廢棄的資源，是急需研究解決的問題。

目前煤層氣的勘探在一些條件好的區域有所突破，如山西晉城、沁水南部和河東柳林等，有的已基本具備商業性開發利用條件。礦區瓦斯井下抽放工作進展較為順利,技術水平居世界領先水平，我國淮南等高瓦斯礦區正在研究煤和瓦斯共采的新方法，主要研究瓦斯抽放規律與抽放的工藝、材料和設備，建立煤層氣（瓦斯）井下規模開發與利用的示范工程。

2.5 推廣清潔生產，促進礦區生態環境的修復

清潔生產的正式定義是聯合國環境規劃署（UNEP）1989年首次提出的。在此之前，清潔生產所包含的主要內容和思想早已被若干發達或較發達國家和地區采用，并在這些國家和地區存在不同的叫法。例如:歐洲國家稱之為“少廢無廢工藝”、“無廢生產”；日本稱之為“無公害工藝”；美國則稱之為“廢料最少化”、“污染預防”、“減廢技術”。我國學者根據我國實際情況，進一步提出有關實行可持續發展的戰略，認為清潔生產包含4層含意∶①清潔生產的目標是節省能源，降低原材料消耗，減少污染物的產生量和排放量；②清潔生產的基本手段是改進工藝技術、強化企業管理，最大限度的提高資源、能源的利用水平和改變產品體系,更新設計觀念，爭取廢物最少排放及將環境因素納入服務中去；③清潔生產的方法是排污審計，即通過審計發現排污部位、排污原因，并篩選消除或減少污染物的措施及產品生命周期分析；④清潔生產的終極目標是保護人類與環境，提高企業自身的經濟效益。

對于煤炭工業來說，清潔生產集中體現在潔凈煤技術（CCT）的發展。即在煤炭開發和利用過程中，減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、轉化和污染控制等一系列新技術的總稱，使煤炭達到最大限度利用潛能，而釋放最少污染物。潔凈煤技術基本覆蓋了煤炭高效潔凈開發利用的全過程,即①加工∶洗選、型煤、水煤漿；②煤炭高效潔凈燃燒∶流化床燃燒技術、高效低污染的粉煤燃燒、燃煤聯合循環發電；③煤炭轉化∶煤炭氣化、煤炭液化、燃料電池；④污染控制與廢棄物治理∶煙氣凈化、煤層氣回收利用、煤矸石和粉煤灰綜合利用。

潔凈煤技術是一個涉及多層次、多學科的高、中、低端技術群，具有難度大、投入高、開發周期長等特點。但是，它已成為當前世界各國解決礦區生態環境問題的主導技術之一。

2.6 引進新的理論技術，優化防治方案

由于煤礦區生態系統比其他生態系統復雜得多，同時生態環境損害的原因復雜，損害程度不一。因此，單純從一個角度看問題，孤立運用某一學科的理論和技術對礦區生態環境損害進行修復和治理，往往事倍功半，甚至適得其反。所以，應綜合運用物理學、化學、生物學、環境科學、生態學、經濟學、計算機科學等多學科的理論和方法，結合GIS、RS、GPS等高科技技術，從多角度、多側面對礦區生態環境損害進行評價、修復和治理。此外，在對修復技術進行設計開發時，應盡量從“以廢治廢”的角度，將治理與利用相結合，充分體現“利用是為了治理，而治理的目的是為了更好的利用”的思想。

2.7 礦區土地復墾與綜合治理

煤礦土地復墾的最終目標是恢復因采礦而破壞的土地的利用價值,實現礦區生態系統的平衡，為企業生產創造一個良好的外部環境，保障采礦—土地利用—社會經濟的持續發展。礦區的土地復墾和生態重建應與采礦活動同步進行，礦區土地復墾對象主要是塌陷的土地以及被煤矸石、粉煤灰壓占后污染的土地。根據礦山不同開采時期的技術特點和自然環境等因素及時決策確定相應的復墾或生態重建方案，盡量避免或減少對環境的破壞，實現采礦與生態重建的一體化。

生態重建與土地復墾主要內容是:根據礦區周圍主要特征的動態變化,如土地利用特征的變化等，根據不同的用途，如農業用地、林業用地、建筑用地等，進行系統的開發利用或景觀設計；根據礦山開采對礦區土壤的物理化學性質、地質水文的影響,按不同的土地利用方式，環保、水保部門的要求，提出具體的控制和利用措施。例如∶對于淺層塌陷區，可以恢復耕種，建設高價值經濟田，如大棚蔬菜、瓜果等；對于常年積水區的邊沿部位及積水較淺或季節性積水的區域可挖池筑堤，建養魚塘；對于積水較深的地區而應綜合利用，如培植水生植物、建立水禽基地等。

總之，要因地制宜，本著“宜糧則糧、宜林則林、宜漁則漁”的原則，做好塌陷區的土地復墾工作。

2.8 礦區生態工程的研究和示范基地的建立

由于礦區環境問題規模大、復雜程度高，必須組織專門人員開展礦區生態工程及生態重建實用技術研究、礦區生態環境質量指標體系研究和礦區生態保護與重建協調機制研究等。同時，建立礦區生態工程示范基地。示范基地建設可以采取國家、地方政府為主，受益者（企業）為輔的經濟運行模式。一般應優先選擇礦區服務年限長、生態環境脆弱，且具典型意義、經濟基礎較好、領導與群眾環保意識較強的礦區。

3 結語

隨著我國國民經濟的快速發展，對煤炭資源的需求越來越大，而因煤炭開采造成的環境污染和生態環境破壞問題日益嚴重，已經威脅到礦區及其周邊地區的經濟發展與生態安全。要徹底解決煤礦開采對環境的影響問題，必須從開采的源頭采取有效措施,研究有利于礦區環境保護的采礦新技術，使資源開發與環境保護協調發展。因此，分析煤礦區環境污染及生態環境破壞的原因、途徑和程度具有重要現實意義。政府執法部門、管理部門、煤炭企業、研究院所等相關機構和單位要共同努力，按照科學發展觀的要求，與時俱進，全面推進構建和諧礦區的各項工作，實現煤炭工業的可持續發展，同時，國家的環保政策應與能源政策相協調，并投入更多的資金研究潔凈開采技術和潔凈煤技術，在開發利用廉價能源的同時能保護好環境，實現煤炭資源的可持續發展。

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