煤礦開采引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題及修復(fù)技術(shù)研究

鄧永強(qiáng)，鄭永紅,，張治國(guó)，陳永春，武 琳，余 婷，張 磊，陳 昕,陳芳玲

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001； 2.煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 2320013)

中國(guó)的煤礦資源十分豐富，是世界上煤礦資源的開發(fā)大國(guó)之一，煤礦資源是在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過(guò)程的重要資源之一[1]。但是隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)資源的需求量越來(lái)越大，以及煤礦的過(guò)度開發(fā)與不合理的利用，煤礦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境已經(jīng)遭到了嚴(yán)重的破壞，引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如地表土壤侵蝕、植被破環(huán)、重金屬污染等生態(tài)擾動(dòng)與環(huán)境污染問(wèn)題[2]。因此對(duì)煤礦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行研究，煤礦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理已經(jīng)成為當(dāng)下亟待解決的問(wèn)題。

一、我國(guó)主要礦產(chǎn)資源及開采方式

根據(jù)《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告(2019)》數(shù)據(jù)顯示，截至2018年底，全國(guó)已發(fā)現(xiàn)173種礦產(chǎn)，其中，能源礦產(chǎn)13種，金屬礦產(chǎn)59種，非金屬礦產(chǎn)95種，水氣礦產(chǎn)6種[3]。其中，煤炭查明資源儲(chǔ)量增長(zhǎng)2.5 %，煤炭新增查明資源儲(chǔ)量556.10億噸[3]。目前我國(guó)煤礦的開采方式主要分為兩種：露天開采和井工開采。在一些地質(zhì)條件特殊的礦區(qū)，采用露天—井工聯(lián)采模式進(jìn)行開采。采用何種方式對(duì)礦體進(jìn)行開采取決于煤層的賦存條件和采煤工程技術(shù)條件。露天開采具有資源回采率高、勞動(dòng)效率高、機(jī)械化程度高、安全條件好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用露天開采需要礦體具有較好的煤層賦存條件。我國(guó)煤炭資源多數(shù)埋藏較深，井工開采是主要的開采方式。目前，常用的井工開采工藝包括綜采和綜放技術(shù)、液壓支架技術(shù)、“三下一上”礦井采煤技術(shù)和特殊采煤技術(shù)[4]。在我國(guó)西北部的煤田由于其地質(zhì)條件獨(dú)特，通常采用露天—井工聯(lián)采模式進(jìn)行開采，露井聯(lián)采模式就是對(duì)埋藏較淺的礦層進(jìn)行露天開采，對(duì)埋藏較深的煤層進(jìn)行地下開采，露井聯(lián)采使露天開采和井工開采優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率[5]。

二、煤礦開采引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題

(一) 對(duì)水體產(chǎn)生的影響

煤礦開采過(guò)程中，會(huì)破壞地下含水層的水力平衡，改變地下水的原有分布和蓄積規(guī)律，繼而造成地下水越流，引發(fā)大量的礦井涌水，導(dǎo)致地下水水位降低，形成地面沉陷。煤礦開采還會(huì)對(duì)地下水水質(zhì)造成影響，污染物通過(guò)入滲、滲漏逐漸擴(kuò)散到含水層，地下水在采礦活動(dòng)的干擾下會(huì)加大對(duì)礦石中硫化物及重金屬的溶解，地下水流出地表與空氣接觸，水中的硫離子會(huì)發(fā)生氧化，加劇水質(zhì)酸化，對(duì)地表水和礦區(qū)周邊土壤造成污染；此外，當(dāng)煤礦開采造成大量采空塌陷和地表開裂后，地表水滲入地下或礦坑，導(dǎo)致地表徑流銳減，排出大量礦水[6]。

(二) 對(duì)土壤產(chǎn)生的影響

煤礦生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中需要對(duì)土地進(jìn)行大面積的開發(fā)，會(huì)直接破壞地表植被和地形地貌景觀，還會(huì)形成地面沉陷區(qū)。地表土壤在沒有植被保護(hù)的情況下，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在暴雨的沖刷下會(huì)大量流失，從而造成土壤的貧化；在氣候干旱的地區(qū)，地表蒸發(fā)量大，地下水含鹽度高，長(zhǎng)期外排地下水進(jìn)入土壤，就會(huì)造成土壤鹽堿化[6]。井工開采過(guò)程中，在高潛水位地區(qū)容易形成沉陷水域，造成大量肥沃土壤流失。煤礦開采中過(guò)程中產(chǎn)生的巖礦石和大量固體廢物，其內(nèi)部蘊(yùn)含的大量硫化物和多種重金屬會(huì)通過(guò)雨水的淋溶作用和地表徑流的滲濾作用入侵至地表土壤中，對(duì)土壤造成嚴(yán)重污染，影響地質(zhì)地表土壤性狀、理化性質(zhì)和土壤肥力，使土地失去可耕作性，從而影響人民的生產(chǎn)和生活[7]。

(三) 對(duì)大氣產(chǎn)生的影響

煤炭露天開采需要通過(guò)大型機(jī)械和爆破工具剝離巖土，會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵顆粒，使空氣中的懸浮物不斷增多，影響空氣質(zhì)量，煤礦開采過(guò)程中還會(huì)有大量瓦斯排放，瓦斯進(jìn)入大氣中后會(huì)對(duì)臭氧層造成一定的破壞。煤炭開采生產(chǎn)過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量的煤矸石，煤矸石在堆存過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的風(fēng)化物，形成揚(yáng)塵。同時(shí)，由于煤矸石中所含的有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦，在空氣中被氧化并釋放熱量。隨著熱量的積聚，煤矸石溫度會(huì)逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到煤矸石的燃點(diǎn)時(shí)，便會(huì)引發(fā)自燃，并釋放大量的CO、CO2、SO2、H2S等有害氣體及煙塵，嚴(yán)重污染空氣質(zhì)量[8]。

(四) 對(duì)生態(tài)產(chǎn)生的影響

在采礦過(guò)程中，地質(zhì)地表土層會(huì)遭到破壞。露天礦山開采需要全面去除礦山上部的土層，會(huì)毀損原有的植被棲息地和地表景觀。在煤礦開發(fā)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢物，固體廢物長(zhǎng)期堆存在礦區(qū)周圍，會(huì)占用大量土地資源，還會(huì)對(duì)礦區(qū)周圍的土壤水體造成污染，此種行為也將會(huì)毀損原有的礦山生態(tài)[9]。在我國(guó)大部分地區(qū)的煤礦開采過(guò)程中，都存在地表塌陷和土地鹽漬化現(xiàn)象，引發(fā)了較大面積的水土流失和土地荒漠化，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展[9]。

三、煤礦生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)

煤礦礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)根據(jù)修復(fù)技術(shù)的特征，可分為土地復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)和產(chǎn)業(yè)開發(fā)治理三個(gè)方面。三者又可結(jié)合成一個(gè)體系，即先通過(guò)工程治理技術(shù)，如地表回填、地形平整、臺(tái)階狀平整和挖深墊淺等方法對(duì)土地進(jìn)行初步的復(fù)墾改良，然后對(duì)復(fù)墾改良后的土地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，常見的生態(tài)修復(fù)技術(shù)有植被修復(fù)技術(shù)和景觀與生態(tài)修復(fù)技術(shù)，最后在生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)引進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)以及煤礦礦區(qū)特色產(chǎn)業(yè)，提升煤礦礦區(qū)土地利用率，促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

(一) 土地復(fù)墾技術(shù)

礦區(qū)土地復(fù)墾初期，應(yīng)先對(duì)沉陷區(qū)域和采坑進(jìn)行回填，使土地變得平整。在回填平整的基礎(chǔ)上保土增肥，促進(jìn)土壤固結(jié)，提升土壤肥力。對(duì)于煤系固廢堆放區(qū)，采用覆土法對(duì)土質(zhì)進(jìn)行改良。一是地表回填。利用煤矸石、風(fēng)化煤等礦山周邊固體廢棄物充填地面塌陷或變形區(qū)域，可有效減少取土坑塘面積，提升煤矸石等固體廢物的綜合利用率。二是地形平整和臺(tái)階狀平整。對(duì)地面塌陷回填后土地表面進(jìn)行平整，對(duì)臺(tái)階狀塌陷的局部淺、地裂縫進(jìn)行回填，或?qū)Σ环€(wěn)定邊坡進(jìn)行修整，將地面塌陷坑、地裂縫回填區(qū)域平整后維持原有自然起伏的地表狀態(tài)。三是挖深墊淺。將塌陷區(qū)域挖深、挖大，形成大面積的“挖深區(qū)”，使其具備發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)的基本條件，用于發(fā)展養(yǎng)魚、栽種水生植物等，挖除的土體用來(lái)修復(fù)塌陷較小的區(qū)域，恢復(fù)耕種條件，用于農(nóng)作物的耕種。四是改良土壤。利用煤矸石、粉煤灰等固體廢物和生物炭、污泥和保水劑等，根據(jù)不同的土質(zhì)條件，選取適宜的配置比例，對(duì)土壤土質(zhì)進(jìn)行改良，可提升土壤肥力，改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提升固體廢物的綜合利用率。

(二) 生態(tài)修復(fù)技術(shù)

生態(tài)修復(fù)技術(shù)是以被破壞生態(tài)環(huán)境中的植被、景觀以及生物群落環(huán)境等為主要對(duì)象，遵循自然優(yōu)先、和諧共存的原則，通過(guò)人為干預(yù)恢復(fù)被破壞的生態(tài)系統(tǒng)功能，又充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)本身的恢復(fù)功能。一是植被修復(fù)技術(shù)。在植被修復(fù)過(guò)程中，要注重植被種類的篩選，確定合理的植被搭配方式和配置參數(shù)，確保修復(fù)工作持續(xù)進(jìn)行。植被修復(fù)技術(shù)主要有人工生態(tài)林、人工草格柵、高次團(tuán)粒噴播技術(shù)和植生袋技術(shù)等。二是景觀與生態(tài)修復(fù)技術(shù)。按照生態(tài)學(xué)原理和生態(tài)自然演替規(guī)律，人工構(gòu)建或改造礦區(qū)內(nèi)水體或土壤，引入適宜的植被、動(dòng)物和微生物等，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，如人工濕地法、基塘法和沼澤圍堤塘綜合體技術(shù)等。三是煤礦防塵降塵技術(shù)。煤礦開采過(guò)程中的產(chǎn)塵點(diǎn)較為分散，強(qiáng)度較大，難以治理，為控制礦區(qū)揚(yáng)塵和大氣污染，目前多采用煤層預(yù)注水減塵技術(shù)、噴霧降塵技術(shù)等治理?yè)P(yáng)塵[10]。此外，對(duì)于煤矸石山的大氣污染防治，可采用煤矸石山覆土綠化技術(shù)和無(wú)覆土綠化技術(shù)，綠化煤矸石山可減少風(fēng)蝕揚(yáng)塵，防止自燃，降低其對(duì)大氣環(huán)境的污染。

(三) 產(chǎn)業(yè)開發(fā)治理

在礦區(qū)引進(jìn)開發(fā)特色產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)，可以帶來(lái)良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)環(huán)境良性發(fā)展。一是建立礦山遺址和礦山公園。對(duì)礦區(qū)保留較好的礦井遺址和一些具有礦山特色的建筑進(jìn)行適當(dāng)修繕，利用原有的辦公樓、院落等修建礦山歷史博物館；對(duì)采坑和沉陷區(qū)進(jìn)行修復(fù)后，可發(fā)展為礦山公園，作為當(dāng)?shù)靥厣包c(diǎn)的一部分，促進(jìn)礦業(yè)科教和當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展。二是發(fā)展養(yǎng)魚業(yè)。煤礦沉陷區(qū)水文循環(huán)速度較低，且為封閉水域，其水質(zhì)往往呈現(xiàn)出高氮、高磷、高懸浮物、高有機(jī)污染物和高致病菌等特點(diǎn)。但通過(guò)污水處理技術(shù)將水體水質(zhì)控制在適當(dāng)?shù)乃胶?，選取適宜的魚類品種，如觀賞魚類，可帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。但在發(fā)展養(yǎng)魚業(yè)的過(guò)程中，應(yīng)使用科學(xué)的質(zhì)量監(jiān)控手段，確保礦區(qū)養(yǎng)魚業(yè)的安全性[11]。三是引進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)。采煤沉陷區(qū)有大量的閑置水面，但煤礦開采過(guò)程中地表水、地下水都會(huì)不同程度的受到污染，水體中污染物含量較大，水質(zhì)較差，不利于大量養(yǎng)殖魚類，可引進(jìn)開發(fā)大型水面漂浮式光伏電站，光伏發(fā)電具有顯著的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益，在沉陷區(qū)發(fā)展光伏發(fā)電可達(dá)到沉陷區(qū)有效利用和新能源開發(fā)雙贏的目的[12]。

四、結(jié)論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，礦產(chǎn)資源的開采活動(dòng)逐漸增多，開采規(guī)模也日益擴(kuò)大，不合理不科學(xué)的開發(fā)對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境造成了破壞，影響到了人民的生產(chǎn)生活。煤礦開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響具有復(fù)雜性和綜合性，產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題相互聯(lián)系又相互影響，需要從整體的角度選擇合理高效的方法技術(shù)去修復(fù)治理。

傳統(tǒng)采煤技術(shù)對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，對(duì)水體、土壤、大氣和生態(tài)都產(chǎn)生了一定程度的影響，因此應(yīng)加大對(duì)采煤生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理技術(shù)的研究，努力拓展新思維、新思路，開發(fā)新技術(shù)，將煤炭開采過(guò)程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響最小化，處理好生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，使煤炭開采與環(huán)境保護(hù)及社會(huì)和諧相互協(xié)調(diào)發(fā)展。

煤礦生態(tài)環(huán)境的治理具有多面性，需要以科學(xué)發(fā)展觀為方向，樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，深入調(diào)查、因地制宜，科學(xué)合理地選取修復(fù)治理技術(shù)，制定適宜的修復(fù)治理計(jì)劃，有層次地去一步步修復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。