山西省煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的問題與挑戰(zhàn)

黨晉華

(山西省環(huán)境科學(xué)研究院，山西省太原市，030027)

1 山西省煤炭生產(chǎn)概述

山西省總面積約為15.67萬km2，其中含煤地層約為6.48萬km2，約占全省面積的40%。截止2015年底，山西省保有查明資源儲(chǔ)量2709.01億t，占全國的17.3%，僅次于新疆維吾爾自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)，位居全國第三，山西省煤炭資源分布圖如圖1所示。

山西省作為我國重要的煤炭生產(chǎn)基地，全省煤礦數(shù)量從1949年的3 676處，經(jīng)過大規(guī)模建設(shè)，在1997年達(dá)到最高峰為10 971處，再經(jīng)過安全整治、兼并整合重組和去產(chǎn)能等相應(yīng)措施后，減少到2018年的978處；煤炭產(chǎn)量從1949年的267萬t，發(fā)展到2018年8.76億t，在全國煤炭產(chǎn)量的占比從8.23%上升至25.2%，到2019年這70年中有58年煤炭產(chǎn)量位居全國第一；平均單井規(guī)模從1949年的0.08萬t/a，發(fā)展到1997年的平均單井規(guī)模3萬t/a，再發(fā)展到2018年的平均單井規(guī)模157萬t/a，最大礦井規(guī)模更是達(dá)到了2 000萬t。1949-2018年山西省煤礦數(shù)量及原煤產(chǎn)量變化情況如圖2所示。

圖1 山西省煤炭資源分布圖

山西省煤炭行業(yè)由礦井多、規(guī)模小、裝備水平低逐步發(fā)展到礦井少、規(guī)模大、裝備水平高的現(xiàn)代化大礦時(shí)代[1]。然而，由于煤炭資源的長期大規(guī)模、高強(qiáng)度開采，導(dǎo)致全省范圍內(nèi)的礦區(qū)出現(xiàn)了資源破壞、環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境惡化的局面。歷史上煤炭工業(yè)高速無序發(fā)展引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)嚴(yán)重制約了山西省社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

圖2 1949-2018年山西省煤礦數(shù)量及原煤產(chǎn)量變化情況

2 煤炭開采造成的主要生態(tài)環(huán)境問題

根據(jù)2006-2007年和2016-2017年2次較大規(guī)模的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況調(diào)查結(jié)果，煤炭開采造成的突出生態(tài)環(huán)境問題可歸納為以下4個(gè)方面。

2.1 煤礦建設(shè)、生產(chǎn)過程壓占土地

永久性建設(shè)占地包括工業(yè)和生活場地、運(yùn)輸?shù)缆贰⒙短觳蓤觥㈨肥褕觥⑴磐翀觥⑷壨翀龅鹊龋R時(shí)占地包括管線敷設(shè)、施工臨時(shí)道路、施工場地、表土堆場等等。主要表現(xiàn)在對(duì)土地利用類型的改變、植被的破壞以及誘發(fā)水土流失等方面的影響。調(diào)查表明，2005年山西省礦井工業(yè)場地占地為666.70 km2，其中廢棄、關(guān)閉礦井占地為85.27 km2，運(yùn)煤道路占地為210.00 km2；2015年山西省礦井工業(yè)場地占地為182.40 km2，其中廢棄、關(guān)閉礦井占地為11.80 km2，運(yùn)煤道路占地為3.42 km2。

煤矸石作為山西省大宗工業(yè)固廢中產(chǎn)生量占比最大的一類，主要來自于煤炭采選業(yè)，包括巖石巷道掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的掘進(jìn)矸石，采煤過程頂板、底板和煤層中巖石夾層中采出的矸石以及煤炭洗選過程中產(chǎn)生的矸石。

根據(jù)調(diào)查，2005年在產(chǎn)煤礦煤矸石的堆存量約為75 752萬t，占地181.90 km2；2015年，統(tǒng)計(jì)全省矸石場、矸石山(堆)1477處，已堆矸量達(dá)到26.87億t。其中，矸石場852處，堆矸量為22.27億t，矸石山(堆)625處，堆矸量為4.6億t。有自燃或自燃隱患的共619處，堆矸量為5.45億t，在產(chǎn)矸石山占地61.20 km2。2018年，全省矸石產(chǎn)生量為1.43億t，綜合利用量約為0.48億t，綜合利用率為33.5%，據(jù)此，除存量矸石外，每年仍有大量矸石需采用堆存的方式處置。

2005年和2015年山西省煤炭生產(chǎn)占地情況如圖3所示。

圖3 2005年和2015年山西省煤炭生產(chǎn)占地情況

2.2 開采造成的土地資源破壞

開采誘發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響方式較為復(fù)雜，影響程度難以預(yù)估。主要表現(xiàn)在開采對(duì)地下水資源量、水質(zhì)的影響(包括各含水層、水源、泉源漏失、污染等)，露天開采及井工開采采空誘發(fā)的地表沉陷對(duì)地表的影響(可能涉及的地被物，包括土地、河流濕地、植被、房屋、道路等各項(xiàng)地表設(shè)施)。調(diào)查表明，井工開采在2005年造成的山西省采空區(qū)面積為5 115 km2，影響嚴(yán)重的沉陷區(qū)面積為2 978 km2；2015年利用實(shí)地調(diào)查結(jié)合遙感影像的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在產(chǎn)煤礦形成的采空區(qū)面積為4 238 km2，影響嚴(yán)重的沉陷區(qū)面積為1 099 km2；歷史遺留采空區(qū)面積為3 362 km2，沉陷區(qū)面積為960 km2。井工開采形成的采空區(qū)和沉陷區(qū)面積如圖4所示。

圖4 井工開采造成的采空區(qū)和沉陷區(qū)面積

2.3 煤炭開采造成的環(huán)境問題

2.3.1地下水環(huán)境影響

根據(jù)山西省第二次水資源評(píng)價(jià)[2]研究結(jié)果，煤礦開采對(duì)地下水補(bǔ)、徑、排系統(tǒng)的破壞是永久性的。采煤對(duì)地下水資源的破壞是不可逆轉(zhuǎn)的，且破壞總量不斷增長。煤礦停采后，被破壞的地下水系統(tǒng)無法恢復(fù)，即使不再排水，仍有大量地下水涌入礦井，并積存于井下采空區(qū)成為被污染的采空區(qū)積水。

近年來，山西省煤礦資源整合關(guān)閉了大量礦井，煤礦采空區(qū)積水外溢情況越來越多，采空區(qū)積水化學(xué)成分復(fù)雜，與補(bǔ)給、排泄條件、埋藏深度等多種因素有關(guān)[3-4]，但總體上水質(zhì)與礦井水相比較差，根據(jù)對(duì)西山礦區(qū)局部溢出酸性采空區(qū)積水采樣分析，pH值為2.28～5.26，SO42-在1 002～13 000 mg/L之間，F(xiàn)e為213～457 mg/L，Mn為23.2～34.3 mg/L，總體上呈現(xiàn)低pH值、高鐵、高錳和高硫酸根的特點(diǎn)。

2.3.2地表水環(huán)境影響

當(dāng)煤礦開采沉陷波及到地面時(shí)，局部區(qū)域與地表水發(fā)生水力聯(lián)系，地表水滲入到地下或礦坑，使地表徑流減少、湖庫儲(chǔ)水量下降或干涸。調(diào)查顯示，2005年山西省各類煤礦礦井排水總量約為58 161萬t，大量的礦井排水嚴(yán)重污染了地表水體，受污染河流長達(dá)3 753 km，其中超五類污染河道占比為67.2%。到2015年，山西省礦井水排放污染河流水質(zhì)的情況基本消除，但全省井田范圍涉及的32條、總長度約344 km的地表水系，仍存在河水漏失、斷流情況。

2.3.3土壤環(huán)境影響

煤炭開采沉陷造成的沉陷區(qū)土壤水分蒸發(fā)增加，養(yǎng)分滲漏、流失加劇，引起土地荒漠化、貧瘠化[5]，使礦區(qū)有機(jī)質(zhì)、氮、磷等的含量只有正常植被覆蓋區(qū)土壤平均值的20%～30%，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長。有關(guān)研究表明，受采空區(qū)影響，土壤養(yǎng)分最短缺的部位是塌陷拐點(diǎn)，這部位最易發(fā)生漏水漏肥。采煤引起上覆巖層下沉，會(huì)增加土壤密實(shí)度，從而使土壤孔隙性下降，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變異，造成土壤物理性質(zhì)惡化；采煤沉陷還會(huì)導(dǎo)致耕作層厚度減小、土壤質(zhì)地與層次產(chǎn)生錯(cuò)位與變異。

煤礦區(qū)燃煤煙氣排放、揚(yáng)塵、矸石堆自燃及滲濾、采空區(qū)積水外排等環(huán)境行為，引起煤礦區(qū)周邊土壤重金屬等污染物不斷累積。根據(jù)對(duì)省內(nèi)多個(gè)礦區(qū)農(nóng)用地土壤監(jiān)測結(jié)果分析，As、Cd、Cr、Hg及Pb濃度范圍在6.75～23.50 mg/kg、0.108～0.450 mg/kg、83.7～112.0 mg/kg、0.080～0.720 mg/kg及17.9～31.7 mg/kg之間，濃度普遍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于山西省土壤環(huán)境背景值，累積效應(yīng)明顯。

2.3.4環(huán)境空氣影響

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全省煤炭采選業(yè)生產(chǎn)、生活總耗煤量約為2 158萬t，依據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13271-2014)的燃煤鍋爐特別排放限值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法全部按照鍋爐燃燒計(jì)算，當(dāng)年全省煤炭采選業(yè)煙塵總排放量達(dá)0.84萬t，SO2總排放量達(dá)5.6萬t，礦區(qū)以煙、粉塵和SO2為主要危害的煤煙型大氣污染仍然存在。

另外，已存和逐年新增的矸石長期處在氧化、風(fēng)蝕過程中產(chǎn)生揚(yáng)塵，矸石燃燒產(chǎn)生的CO、SO2及H2S等有害成分的產(chǎn)生，均造成局部環(huán)境空氣污染。對(duì)西山礦區(qū)自燃矸石山初期上、下風(fēng)向環(huán)境空氣CO、SO2監(jiān)測表明，CO濃度在18.13～167.00 mg/m3之間、SO2濃度在1.56～42.00 mg/m3之間，局部污染嚴(yán)重。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)的影響

煤炭開采占地及損毀直接影響山、水、林、田、湖、草及當(dāng)?shù)厝嗣裆a(chǎn)生活，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局、質(zhì)量、功能均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。根據(jù)對(duì)山西省及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查，山西省及礦區(qū)范圍生態(tài)系統(tǒng)類型均以森林、草地和城鎮(zhèn)工礦生態(tài)系統(tǒng)為主。山西省地處高原，生態(tài)環(huán)境脆弱，煤炭生產(chǎn)引起的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，使得區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)趨于惡化[6]，雖經(jīng)多年人工修復(fù)干預(yù)，但恢復(fù)速度仍明顯低于非礦區(qū)。

3 煤礦區(qū)綠色轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)

由于采煤造成的生態(tài)環(huán)境問題，以及交通、房屋建筑、農(nóng)田水利等設(shè)施等的破壞，惡化了礦區(qū)居民的生存空間，降低了生活質(zhì)量，加重了社會(huì)負(fù)擔(dān)。不僅歷年積累的環(huán)境污染和生態(tài)破壞影響無法在近期消除，若不積極采取措施，每年還將產(chǎn)生新的生態(tài)環(huán)境問題。煤礦綠色轉(zhuǎn)型的出路在于積極實(shí)現(xiàn)從既有的“不欠新帳，漸還舊賬”政策到“不欠新賬，還清舊賬”的轉(zhuǎn)變。目前，“還清舊賬”仍面臨很大挑戰(zhàn)。

一是直接生態(tài)破壞情況。按照2015年礦山生態(tài)環(huán)境詳細(xì)調(diào)查結(jié)果，所有無主礦及其造成的直接生態(tài)破壞區(qū)域、廢棄場地、未治理矸石山(場、堆)及涉及生態(tài)敏感保護(hù)目標(biāo)的礦山，列為重點(diǎn)治理區(qū)，面積約為1 405 km2，其中很大部分屬于無主及歷史遺留問題。

二是不斷增加的矸石山堆存量及其自燃問題。調(diào)查表明，歷史堆存未處置矸石約為9億t。目前山西省矸石產(chǎn)生量為1.3～1.4億t/a，煤矸石綜合利用能力約為7 800萬t/a，其中，以矸石為主要燃料的循環(huán)流化床發(fā)電機(jī)組最大可利用量約為5 400萬t/a；制磚、水泥等建材利用能力約為2 100萬t/a；高附加值利用方面如超細(xì)高嶺土、耐火材料制造等利用能力約為300萬t/a，這些利用方式不僅在總量上滿足不了全部綜合利用，且利用方式受到市場、政策等各種因素影響，波動(dòng)較大。新增大量矸石仍需堆存。

三是日益顯現(xiàn)的采空區(qū)積水溢出問題。西山、陽泉、大同等礦區(qū)均存在這類問題。上述問題的生態(tài)環(huán)境影響仍很嚴(yán)重，特別是采空區(qū)積水、矸石堆存對(duì)水環(huán)境和土壤環(huán)境的影響程度、范圍、成因，污染機(jī)理和機(jī)制底數(shù)不清，恢復(fù)治理技術(shù)及適合當(dāng)?shù)貤l件的治理模式需加強(qiáng)探索與研究。

對(duì)于“不欠新賬”的核心還是綠色開采技術(shù)的廣泛使用。對(duì)山西省來說，包括充填開采、保水開采、煤-氣共采等。除開采技術(shù)本身的創(chuàng)新、研發(fā)外，在政策制定時(shí)，對(duì)落后技術(shù)造成的生態(tài)環(huán)境問題產(chǎn)生的外部成本也應(yīng)充分考慮，通過政策創(chuàng)新引導(dǎo)煤炭產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命，最終實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)綠色發(fā)展。