煤炭型城市生態環境污染防治研究

何團

[提要] 由于煤炭型城市多年來對煤炭資源無節制的開發與利用，造成煤炭資源過度消耗。煤炭產業高排放、高污染導致城市及周邊環境破壞日益加劇，從根本上降低了城市可持續發展能力，阻礙地區經濟發展。煤炭開采帶來的地表沉陷、矸石山污染、水資源破壞是煤炭型城市亟待解決的生態環境問題。煤礦充填開采技術作為“綠色開采技術體系”的重要組成部分，是煤炭型城市生態環境治理的重要手段。充填開采技術可以有效控制地表沉陷，消滅礦區井上矸石山，實現矸石不升井就地處理，防治煤炭開采對地下含水層的破壞，同時能夠大量處理城市建筑垃圾及工業固體廢棄物。

關鍵詞：煤炭型城市;污染防治;充填開采

中圖分類號：X5 文獻標識碼：A

收錄日期：2019年11月11日

一、綜述

煤炭型城市是以本地區的煤炭資源開采、加工為主導型產業的城市類型，其產業結構、就業結構、資源市場占有率與煤炭及相關產業息息相關。我國諸如鶴崗、撫順、大同、陽泉、淮南、淮北、鶴壁、焦作、阜新、臨汾、晉城、赤峰、長治、邯鄲、峰峰、邢臺、平頂山、六盤水、霍林郭勒、鄂爾多斯、榆林、延安、阿拉善盟等城市都屬于煤炭資源型城市，但一些城市通過若干年的經濟轉型后，煤炭產業及上下游產業在城市經濟中所占比重逐漸減小，城市經濟對煤炭產業的依賴度呈下降態勢，城市的本質特征雖與煤炭相關，但已與傳統意義的煤炭型城市相距甚遠。

但這些城市大多緣煤而建，因煤而興，隨著多年對煤炭資源無節制的開發與利用，造成煤炭資源過度消耗。煤炭產業高排放、高污染導致城市及周邊環境破壞日益加劇，從根本上降低了城市可持續發展能力，激化了社會矛盾，阻礙了地區經濟發展。近年來，國家高度重視生態環境保護，修定了環保法，大力推進大氣污染、水污染、土壤污染等專項治理，煤炭工業面臨的環境約束不斷收緊，大力推廣綠色開采技術，提高煤炭型城市生態環境承載力，實現可持續發展迫在眉睫。

煤礦充填開采技術作為“綠色開采技術體系”的重要組成部分，是煤炭型城市生態環境治理的重要手段。充填開采技術的應用，不僅可以大量減少煤矸石的外排，還可以將粉煤灰、尾礦、城市建筑垃圾作為充填材料加以利用，能夠有效降低煤炭開采對城市水資源、土地資源及空氣的污染，此外還可以減少煤炭資源浪費，提高煤炭資源回采率，有效保護煤炭資源。

二、煤炭資源開發引發生態與社會問題

（一）煤矸石占地。煤矸石是采煤和選煤過程中排放的低碳含量的固體廢物，每年排放量占當年煤炭產量的10%～15%。初步統計，我國現有煤矸石山1，600余座，我國平均每年新增排放矸石約3.0×108t，壓占土地面積300～400ha以上，嚴重擠壓了我國城鄉建設用地。目前，我國煤礦開采產生的煤矸石堆積于地層表面，大量的侵占土地。堆積的煤矸石經過自然降雨沖刷，造成重金屬離子及有毒有害物質進入地表水，危害水體安全。煤矸石緩慢自燃、風化揚塵嚴重污染大氣環境，對于城市周邊生態環境的破壞力巨大。

（二）地表塌陷。根據2017年中科院《全國采煤沉陷區搬遷改造政策及綜合治理規劃前期研究》數據，我國共有23個省（市區）、151個縣（市區）分布有采煤沉陷區，采煤沉陷區面積20，000km2，部分資源型城市塌陷面積超過了城市總面積的10%。目前，我國采煤沉陷區涉及城鄉建設用地4，500～5，000km2，涉及人口2，000萬人左右。

采煤沉陷嚴重破壞地表生態環境、農業生產、人居條件，造成農田無法耕種、水土流失加劇、礦區生態嚴重失調，給當地民生帶來極大影響。采煤沉陷區破壞覆巖和地表完整性，使巖層失去隔水性和密閉性，橫向流動的水系變為縱向滲漏，導致地面河流及泉水干涸，地下水資源枯竭，水資源和水生態破壞。

（三）大氣污染。煤矸石風化后揚塵危及周邊大氣環境;煤矸石長期堆存時，經空氣、水的綜合作用，產生一系列物理、化學和生物變化，發生自燃而釋放包括SO2在內的大量有毒有害氣體，破壞礦區生態，誘發居民呼吸道疾病和癌癥。煤礦開采產生的廢氣、運輸過程中的揚塵，都會直接影響礦區周圍的環境，不僅使礦區周圍的地表植被受到破壞，而且地表植被破壞后帶來的荒漠化土地則會進一步加劇大氣中的揚塵，其中含有的一氧化碳、二氧化硫、NOx等有害氣體會直接影響礦區周圍居民的身體健康。

（四）搬遷引發社會矛盾。據不完全統計，我國“三下”壓煤總量約為150×108t，其中建筑物下壓煤量87.6×108t。人口密集的河北、河南、山東、山西、遼寧、黑龍江、陜西、安徽、江蘇9個省建筑物下壓煤量均超過億噸，9個省建筑物下壓煤總量達50.92×108t，占全國建筑物下壓煤總量的60%。根據華北某礦區統計結果，村莊稠密的平原礦區，每采出1，000×104t煤炭需遷移約2，000人，塌陷區村莊搬遷絕大部分位于城鎮規劃區以外、交通不便，基礎設施投入需求普遍較大，并且采煤塌陷土地破壞賠償費及村莊搬遷費隨著時間發展呈遞增趨勢，生產企業負擔逐年加重。

塌陷區村莊搬遷過程中，因新村選址、搬遷費用補償、人員安置、社會保障等問題引發不少矛盾。部分煤礦企業還因煤炭開采需求，提前進入壓煤村莊地下進行開采，造成壓煤村莊未搬先塌，群眾房屋斷裂、傾斜、倒塌現象時有發生，嚴重威脅當地群眾的生命財產安全，地礦雙方糾紛不斷，增加了不穩定因素，影響了社會和諧發展。

三、煤礦充填開采技術

充填采煤技術是在井下或地面用充填物料充填采空區，達到控制巖層運動及地表沉陷的采煤方法。我國廣泛的采煤實踐表明，充填法開采和傳統垮落法開采的覆巖運動形式存在根本上的區別。垮落法開采時工作面上覆巖層產生垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，巖層產生位移和變形最終造成地表沉陷。充填開采時工作面上覆巖層的自重應力由充填體與四周圍巖共同承載，隨工作面推進形成連續曲形梁，深刻改變了上覆巖層的移動規律，可通過調節密實充填率主動控制巖層的沉降和變形量，如圖1所示。（圖1）

目前，我國煤礦應用的充填開采方法與技術主要有工作面固體充填開采技術、巷道固體充填開采技術、膏體充填開采技術、高水充填開采技術和覆巖離層注漿充填開采技術。

四、充填開采對于煤炭型城市生態環境治理的積極作用

（一）顯著改善礦區生態環境。充填開采消除了煤炭型城市周邊矸石山，防治矸石山自燃產生的有害氣體對大氣的污染以及淋溶水中有害元素對土地的污染，對地表植被、水系等生態進行恢復和再造，大幅減少礦區遺留的生態環境問題。

（二）有效緩解城鎮土地利用矛盾。充填開采消滅矸石山，節約大量土地，減少水土流失，提高土壤肥力，增加土地供應，緩解礦區工業用地、城建用地、基礎設施以及非煤產業發展用地的緊張局面，提升城鎮綜合承載能力。

（三）城市建筑垃圾處理。近年來，我國城鎮化進程加速，城市建筑垃圾和生活垃圾不斷增加，垃圾處置不當不僅會產生污染，而且存在嚴重的安全隱患。煤礦充填開采過程中可以優先考慮將建筑垃圾和生活垃圾通過無害化處理，作為煤礦充填開采的主要充填材料，不僅可以有效處置垃圾，而且能夠增加煤礦充填材料的來源，降低煤礦充填開采的成本。

（四）從源頭防治地表塌陷。充填開采打破了以往先破壞后治理的模式，通過控制巖層運動防止地表沉陷，實現以最小的生態擾動獲取煤炭資源，把對生態環境、水土資源和基礎設施等影響限制在生態環境對開采行為容忍度可控范圍之內，達到煤炭開采和生態環境協調、共融發展。

（五）緩和社會矛盾。充填開采可以提高我國煤炭資源采出率，延長礦井服務年限，避免了村莊搬遷，一方面解決煤礦工人的下崗問題，另一方面煤礦工人不用下崗、待業，杜絕了煤礦下崗工人引起的社會問題。

五、推進充填開采的制約瓶頸

充填開采是治理采煤沉陷的有效途徑，有利于生態環境保護、礦井安全生產和礦區穩定，雖然充填開采礦井日益增多，但充填開采產量和成本參差不齊，嚴重影響推廣速度，應用規模遠未達到預期。通過調研，發現制約我國充填開采應用和推廣的問題主要有：

（一）對環境保護的認識理解還不到位。十八大以來，習近平針對環境保護發表了一系列重要講話，他指出“要正確處理好經濟發展同生態環境保護的關系，牢固樹立保護生態環境就是保護生產力、改善生態環境就是發展生產力的理念，更加自覺地推動綠色發展、循環發展、低碳發展，決不以犧牲環境為代價去換取一時的經濟增長”，“既要金山銀山，也要綠水青山”。

從現階段人民需求和國家發展來看，不斷減少污染和提高環境保護等級是未來的發展必然趨勢，煤炭企業主動謀求轉型升級是保證可持續發展的必由之路。但目前仍有不少煤炭企業對綠色發展、環境保護的形勢認識不到位，對煤炭生產和環境保護的關系認識不深刻，部分企業對環保形勢倒逼下的生產轉型持觀望態度，甚至心存僥幸，不能未雨綢繆，主動超前謀劃，沒有意識到充填開采是遲早要推廣的主動保護環境的技術。

（二）充填開采現行政策支持力度不夠。《關于實施煤炭資源稅改革的通知》（財稅[2014]72號）和《關于落實資源稅改革優惠政策若干事項的公告》（國家稅務總局公告2017年第2號），對依法在建筑物下、鐵路下、水體下（以下簡稱“三下”）通過充填開采方式采出的礦產資源，資源稅減征50%。從調研來看，資源稅減免政策的支持力度偏小，程序復雜且條件嚴格，未能成為煤炭企業是否采用充填開采的驅動力。如河北開灤集團唐山煤礦充填開采至今，已累計置換出煤炭86.1萬噸，充填矸石110.5萬噸，但享受資源稅減免僅180萬元左右，每噸煤減免才2.1元。

《煤礦充填開采工作指導意見》（國能煤炭[2013]19號）對煤礦企業實施充填開采提出了支持政策，包括充填開采可列為重大技術改造、產業升級、生態環保、資源綜合利用項目，優先享受有關專項資金支持，充填開采置換出的原煤產量可相應減繳礦產資源補償費，新建煤礦不允許設立永久性地面矸石山等。調研發現，目前由于矸石充填開采免收礦產資源補償費實施細則尚未出臺，各省減免標準也不相同，造成難以操作;同時，由于該文件為行政指導行為，不具有強制執行力，不同地區對指導意見的執行力度也不統一。

（三）煤炭企業對充填開采技術認識了解還不夠。目前，仍有相當一部分煤炭企業對充填開采的認識還停留在膏體充填、高水充填，甚至是多年前的充填開采設備和工藝層面，認為充填開采技術存在噸煤成本高、產量小、影響生產等缺點。以上對于充填開采技術的固有認識和宣傳不足，限制了該項技術的廣泛應用。

現階段，隨著高效、密實充填支架的成功研制和不斷優化、充填智能化控制的開展、充填工藝和材料的改進等一系列技術突破，充填開采技術和裝備水平已大大提高，充填開采能力已顯著提升。充填工作面已實現了采充平行作業，達到了充填能力與采煤能力相匹配。由于工作面產量的大幅度提高，設備和系統建設投資等噸煤增加費用明顯降低。目前，充填增加成本已低于矸石處理費用，如果按照完全成本核算，所產生的收益更加顯著。因此，不斷加深企業對充填開采技術發展現狀的認識，是該項技術推廣的重要前提。

（四）充填開采投資大、建設周期長。長期以來，煤炭行業積極探索煤炭開發與礦區環境和諧發展，做了大量工作，涌現出許多好的做法和經驗。特別是近年來，隨著東部地區煤炭資源日漸枯竭、環境約束加大和“三下”（建筑物下、鐵路下、水體下）壓煤日趨嚴重，一些煤礦企業在探索實施充填開采方面取得了顯著成效，在集成創新了較為成熟的充填技術和裝備同時，提高了資源回收率，并收獲了較好的社會和環境效益。

很多煤炭企業也積極調研和論證，擬采用該項技術解決企業發展中遇到的資源枯竭、三下采煤、矸石處理等問題。但是，充填開采技術初期投資大，需要新購充填開采專用液壓支架或改進原有支架，設備投資在5，000萬元以上，除此之外，還需要在地面建設矸石儲運、和投料系統，改造相應的井下矸石運輸系統。以上設備的購置和系統的建設需要一定的資金投入和建設周期，在當前煤炭行業產能過剩，經濟效益嚴重下滑的形勢下，充填開采技術的應用受到限制。

六、推進充填開采的重要舉措

（一）強化宣傳。認真總結全國不同礦區充填開采、綠色發展的做法和成功經驗，廣泛宣傳充填開采在促進煤礦安全生產、提高資源回收率、保護生態環境和土地資源、建設和諧礦區等方面的重要作用，提高煤礦企業對充填開采重要性的認識，充分調動煤礦企業實施充填開采的積極性、主動性和創造性。強化宣引導，使礦山企業認識到充填開采是煤炭資源科學開發、生態環境保護、礦區和諧發展相統一的先進煤炭生產方式，，是關系國計民生的大事，是建設生態文明、推動綠色發展的當務之急。

（二）政策驅動。為鼓勵煤炭企業應用充填開采技術，目前，國家已出臺了一些相關扶持政策，對充填開采的應用和推廣起到了一定的促進作用，但現行政策的系統性不夠完善，政策形式相對單一，支持力度還不夠，亟須制定和出臺更加全面、系統的激勵政策，以加快充填開采的推廣和應用步伐。

（三）科技引領。建議成立國家及地方專業化技術研究與服務機構，形成布局合理、機制完善、與充填開采技術發展相適應的科技創新平臺體系。設立充填開采研究與推廣中心，鼓勵煤礦企業與高校、科研機構建立產學研用戰略聯盟，開展充填開采的基礎理論研究、技術裝備研發和工程咨詢服務工作，積極開展充填開采技術應用推廣專項培訓，強化充填開采和生態保護理念、理論和技術的培訓，使中心成為人才培養、技術研發和成果轉化基地。

（四）示范引導。建立充填開采治理采煤沉陷區示范工程，強化示范礦井引導。堅持采取分類指導、因礦制宜的原則，選取地質賦存條件好、生產規模大、技術力量強、機械化程度高的煤礦作為示范礦井，進行試點建設。加強充填礦井的指導，高起點、高標準建設，從規劃、設計入手提升充填開采示范礦井建設水平。

主要參考文獻：

[1]周漢城，潘永剛.京津冀協同發展背景下固體廢物協同處理對策建議[J].再生資源與循環經濟，2015.8（6）.

[2]劉琦.循環經濟視角下河北省工業固廢綜合利用研究[D].西南科技大學，2016.

[3]劉玉強.綠色發展：中國礦業的必然選擇[N].中國礦業報，2014.4.24.

[4]韓宇峰，殷志祥，郭保立.以建筑垃圾為骨料充填膏體的可行性探究[J].煤炭技術，2018.37（4）.

[5]張隨喜.建筑物下黃土充填長壁綜采技術可行性研究[J].山西焦煤科技，2007（10）.

[6]劉建功.冀中能源低碳運行生態礦山建設的創新實踐[J].中國煤炭，2010.36（5）.

[7]劉建功.冀中能源低碳生態礦山建設的研究與實踐[J].煤炭學報，2011.36（2）.

[8]趙敏娟.城市固體廢棄物的處理模式與前景研究[J].蘭州文理學院學報（自然科學版），2015.29（4）.

[9]劉姍姍，楊濤.促進河北省經濟與環境協調發展的對策建議[J].華北理工大學學報（社會科學版），2017.17（4）.