河南某煤礦礦山環(huán)境問題及綠色生產(chǎn)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(huán)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(huán)境中[3],或?qū)⑾疵寒a(chǎn)生的有毒物質(zhì)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(qū)土地復墾和水土保持不及時[4]。煤礦開采還對土壤結(jié)構(gòu)、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(guān)鍵在于通過合理規(guī)劃、科學開采并合理利用煤炭資源,綜合防治污染?，F(xiàn)有研究表明,大氣環(huán)境對煤礦開采影響較大,煤礦產(chǎn)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(qū)地表徑流產(chǎn)生的。據(jù)統(tǒng)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(qū)洗煤廠排放的污水中還含有大量的工業(yè)廢渣、廢水。煤礦開采產(chǎn)生的廢水、廢渣也是環(huán)境污染的一大來源。土壤污染主要表現(xiàn)為土壤中重金屬的富集和污染[7]。礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量中,重金屬主要來自于采礦活動,如露天礦山開采時產(chǎn)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(huán)境問題,并有針對性地提出綠色生產(chǎn)策略,本文以河南省某年產(chǎn)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(huán)境影響,同時研究了產(chǎn)生各類環(huán)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(fā)清潔生產(chǎn)的策略建議。

1 工程概況

河南省某煤礦設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模60萬t/a,服務(wù)年限34.8 a,礦區(qū)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(shè)置一個地面生產(chǎn)場地,共布置3條井筒。產(chǎn)品方案為原煤,不設(shè)洗選設(shè)施。井下原煤經(jīng)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(jīng)地面簡易篩分后運輸至集團公司洗煤廠統(tǒng)一洗選。區(qū)內(nèi)煤層可作為煉焦、工業(yè)動力、民用取暖、一般工業(yè)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(chǎn)碳素材料、制備橡膠及城市水處理用濾料等工業(yè)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(zhuǎn)場選在工業(yè)產(chǎn)地附近的山里,井下矸石通過窄軌鐵路運至工業(yè)場地卸矸站,再轉(zhuǎn)運至矸石周轉(zhuǎn)場。矸石周轉(zhuǎn)場占地9 200 m2,環(huán)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(nèi)平推30 m為煤層風氧化帶下層。礦區(qū)地形地貌中等,巖性組成主要為碎屑巖。礦區(qū)范圍內(nèi)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(zhì)巖組。開采過程中,井下、地面引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大。同時還可能引發(fā)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(zhì)環(huán)境條件?？傮w上礦井內(nèi)工程地質(zhì)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(huán)境污染Fig.1 Environmental pollution around coal mines

礦區(qū)內(nèi)總體地勢北高南低,分布于區(qū)域水文地質(zhì)單元補給區(qū),地層總體呈單斜產(chǎn)出,斷裂構(gòu)造不發(fā)育,礦井內(nèi)地形地貌較單一,煤系地層中含全區(qū)可采及大部可采煤層13層,分別發(fā)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?shù)刈畹颓治g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(zhì)條件中等,水文地質(zhì)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(qū)采用一級排水方式。在900 m水平設(shè)井底水泵房和主、副水倉。井下涌水由井底水泵房水泵經(jīng)管道、副斜井排至地面污水處理站。

2 礦山環(huán)境分析與評價

2.1 大氣污染

根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導則大氣環(huán)境》的規(guī)定,對該煤礦大氣環(huán)境展開分析。項目建設(shè)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(shè)置燃煤鍋爐。儲煤場采用全封閉式棚架結(jié)構(gòu),且采取噴霧灑水防塵措施,煤塵對外環(huán)境影響較小。礦井大氣污染物主要來自于臨時排矸場產(chǎn)生的揚塵污染,污染源為面源排放。根據(jù)分析,覆蓋壓實和噴灑水降塵后臨時排矸場揚塵年產(chǎn)生量為0.50 t。儲煤場采區(qū)全封閉并配備灑水抑塵設(shè)施,揚塵年排放量為0.66 t,主要污染源調(diào)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(jié)果可知,煤炭在開采、運輸過程中,會產(chǎn)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(chǎn)中的通風設(shè)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(chǎn)生大量的浮塵,產(chǎn)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(nèi)必須保持適當?shù)耐L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(chǎn)生的瓦斯和煤塵可作為主要的燃料,一旦發(fā)生自燃和爆炸,將會產(chǎn)生巨大的安全隱患。據(jù)中國科學院環(huán)境研究所對全國400多個礦區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),60%以上的礦區(qū)空氣中含有大量煤塵,其中50%以上的礦區(qū)粉塵含量超過國家衛(wèi)生標準。這將會影響周圍人群健康,并導致礦區(qū)周圍的農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。除此之外,煤礦開采不僅會產(chǎn)生大量煤塵,同時還會產(chǎn)生大量的放射性粉塵。追蹤結(jié)果表明:固廢也會帶來大氣污染問題。造成該現(xiàn)象的原因是礦山開采所產(chǎn)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(qū)周圍及山坡上,產(chǎn)生大量氣態(tài)廢物進而對周圍環(huán)境造成嚴重污染。

2.2 土壤污染

2.2.1監(jiān)測與物質(zhì)追蹤

對煤礦周邊土壤環(huán)境進行分析。由于地貌、氣候、生活、巖性、成土母質(zhì)的多樣性,以及人類生產(chǎn)活動的影響,評價區(qū)域內(nèi)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(guī)律。根據(jù)調(diào)查,項目所在區(qū)域及周邊1 km范圍內(nèi)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(jié)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(shù)法進行量化。單項污染指數(shù)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(shù)。

(1)

式中:Pi為土壤中污染物i的單項污染指數(shù);Ci為土壤中污染物i的監(jiān)測數(shù)據(jù),mg/kg;Si為污染物i的土壤環(huán)境質(zhì)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(chǎn)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(zhì)通過浸出的方式進入土壤。土壤重金屬污染破壞了礦區(qū)周圍的土地植被,嚴重影響了土壤的正常結(jié)構(gòu)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(zhì),不經(jīng)過處理直接排放到水體中,造成了有毒物質(zhì)的遷移。采礦由于破壞了土壤結(jié)構(gòu),使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而影響其肥力和土地生產(chǎn)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(zhì)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(zhì),如硫、磷、砷等有毒有害物質(zhì)及放射性物質(zhì)等會造成礦區(qū)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(chǎn)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(zhì)和放射性物質(zhì)。研究結(jié)果同時指出,采煤過程中產(chǎn)生的廢水主要是礦井涌水和礦區(qū)地表徑流產(chǎn)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(chǎn)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(jiān)測與物質(zhì)追蹤

煤礦污水物質(zhì)排放情況如表4所示。通過對SS、COD、石油類、Fe、Mn污染物質(zhì)追蹤發(fā)現(xiàn),煤礦開采中所產(chǎn)生的污水、廢水和固體廢棄物均會對地下水環(huán)境產(chǎn)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(chǎn)中還會產(chǎn)生大量廢水及廢渣。據(jù)統(tǒng)計,煤炭開采過程中所產(chǎn)生的廢水和廢渣約占煤炭總產(chǎn)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(qū)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(jīng)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?qū)⑾疵寒a(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工礦企業(yè)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(jié)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(zhì)產(chǎn)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(zhì),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(jié)果如表5所示。結(jié)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(jīng)處理直接排放或排入地表水系統(tǒng)中,導致當?shù)氐叵滤|(zhì)惡化、水量減少。煤礦開采對地下水的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)礦區(qū)開采后形成的松散層孔隙裂隙水和基巖裂隙水是礦區(qū)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(chǎn)生的固體廢棄物是影響區(qū)域環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(fā)生改變且含水層厚度變薄。隨著地質(zhì)條件和地下水運動規(guī)律的改變會產(chǎn)生不同程度的潛水蒸發(fā)和潛水面下降現(xiàn)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(zhuǎn)化、積累和擴散,因此造成土壤污染、水資源污染以及生態(tài)環(huán)境污染等一系列環(huán)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(shè)中的掘進矸石,地面、地下建構(gòu)筑物施工過程中產(chǎn)生的建筑垃圾,另外還有施工人員產(chǎn)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(chǎn)生的煤泥量約為500 t,污水處理站所產(chǎn)生的污泥約40 t,機修車間產(chǎn)生的廢機油約5 t,井下液壓支柱產(chǎn)生的廢乳化液約1 t,在線監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)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(chǎn)生的,特別是廢渣中所含的有毒有害物質(zhì)會直接污染土壤,并隨著雨水徑流進入到農(nóng)田中,嚴重威脅著農(nóng)作物的生長。同時廢渣還會改變土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì),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(jīng)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(jié)構(gòu)和性質(zhì),使土壤的持水能力降低,從而導致土壤板結(jié),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(jīng)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(chǎn)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(jié)構(gòu),還會使大量廢水、廢渣和有毒有害物質(zhì)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(nèi),不僅不利于植物生長和空氣流通,而且還會產(chǎn)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(nóng)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(chǎn)生大量的矸石堆積在礦區(qū)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(huán)境的污染源。這類固體廢物占用土地資源、破壞土壤結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的固體廢物堆積在礦區(qū)周圍還會影響周圍居民的生活環(huán)境。一般情況下煤礦固體廢物的堆放是有規(guī)律的,但偶爾也會有不遵守規(guī)律的情況發(fā)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(zhì),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(jīng)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(fā)份等雜質(zhì),還含有某些重金屬;煤矸石則含有大量的揮發(fā)份、碳酸鹽和鐵等,其中灰分質(zhì)量分數(shù)高達80%。目前煤炭開采中所產(chǎn)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(zhì)量,不易移動;另一方面是由于對煤矸石沒有統(tǒng)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(chǎn)策略

煤炭生產(chǎn)和加工是一個復雜的系統(tǒng)工程,涉及到原煤的開采、洗選加工、銷售、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)。因此,要實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用,應(yīng)從煤礦的開采、運輸和利用環(huán)節(jié)入手,實施清潔生產(chǎn)。基于上述問題從技術(shù)、管理、源頭與設(shè)計上多方面開展治理是降低煤礦環(huán)境問題的可行對策。

1)發(fā)展煤炭洗選加工技術(shù)。建設(shè)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(chǎn)品的附加值。采取相應(yīng)措施使煤矸石、洗煤水和煤泥等工業(yè)廢物資源化和無害化。利用煤礦工業(yè)廢水處理技術(shù),將其轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W需氧量(COD)和總磷(TP)為零的高附加值產(chǎn)品。

2)建立礦區(qū)生態(tài)恢復和土地復墾制度[12]。首先,應(yīng)對礦區(qū)進行統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)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(qū)生態(tài)恢復和土地復墾制度。制定并嚴格執(zhí)行煤礦企業(yè)污染防治方案,把環(huán)保要求貫穿于生產(chǎn)全過程,防止地表水、地下水和土壤受到污染。加強礦區(qū)綠化,對已遭到破壞的生態(tài)環(huán)境進行修復或重建,使其恢復到自然狀態(tài)。

3)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)增長方式,推廣清潔生產(chǎn)技術(shù),提高資源綜合利用水平。煤礦生產(chǎn)中,大量的煤矸石、礦井水和采空區(qū)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(yīng)嚴格控制矸石、洗煤水及煤泥等工業(yè)廢水向外排放,不允許將煤礦廢水直接排入水體。

4)根據(jù)煤礦開采類型、礦井涌水量、地表水資源以及礦區(qū)內(nèi)原有植被分布情況等進行合理規(guī)劃。針對不同區(qū)域開發(fā)不同類型煤礦,采取不同技術(shù)方案,確保在實現(xiàn)安全生產(chǎn)的同時,最大程度地保護環(huán)境、節(jié)約資源。

4 結(jié)論

以河南某年產(chǎn)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(huán)境的污染情況。結(jié)果表明:NO2、PM10、PM2.5和O3是煤礦大氣污染的主要表征物質(zhì),矸石周轉(zhuǎn)場和儲煤場在大氣污染中需要被重點關(guān)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(huán)境治理會消耗較大成本,應(yīng)當以改進工藝為主要措施。地下水作為污染的重點環(huán)節(jié)受工況影響較大,主要污染物為SS、COD、石油類、Fe、Mn,并表現(xiàn)出多種污染物質(zhì)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(zhuǎn)化、積累和擴散,又造成土壤污染、水資源污染以及生態(tài)環(huán)境污染等一系列環(huán)境問題。多種環(huán)境影響類型互相影響和轉(zhuǎn)化,因此需要綜合治理、系統(tǒng)化治理。中型煤礦的固廢主要以矸石為主,結(jié)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(shù)迭新與共同治理為核心的清潔生產(chǎn)策略。