煤矿地质环境与保护

陈晓辉

随着我国工业化进程的加快,煤炭资源的需求量不断增加。大规模开发利用煤炭资源,煤矿环境污染日趋严重,带来了日益突出的环境问题和社会问题。煤矿环境保护与煤炭资源开发利用及地质、水文地质、地球化学等有着极为密切的关系,环境保护已成为煤矿建设、生产必不可少的内容。因此,煤矿环境地质也就成为煤矿地质研究的重要内容和煤矿环境保护的基础工作。

1 废水

我国水资源匮乏,特别是西北地区国有重点大型矿区集中,矿井与污水的排出加剧了地区缺水[1]。煤矿废水主要有采矿废水、选煤废水及其它附属工业废水和生活废水。

1.1 采矿废水

采矿废水指外排的矿井水。它是由伴随矿井开采而产生的地表渗透水、地下含水层渗流水和疏放水以及采掘生产和防尘用水等组成,是煤矿排放量最大的一种废水。

煤矿矿井水质因区域水文地质条件、煤质状况等因素的差异而有所不同。根据矿井水质可将矿井水分为五种类型。

1)含悬浮物矿井水。含有大量的悬浮物、少量可溶有机物和菌群等。这类矿井水在我国煤矿矿区分布广泛,主要是由井下生产所产生的大量煤、岩粉以及井下生产和职工生活的各种废弃物混入矿井水而形成。

3)酸性矿井水。指 p H ＜5.5的矿井水。其形成的主要原因是煤层及其围岩含硫量偏高,并与矿井密闭程度、大气流通状况、矿井水来源与流径、开采深度等因素有关。由于酸性水易溶解煤层及围岩中的金属元素可使矿井水中 Fe等重金属元素和无机盐类离子增加,导致矿化度和硬度升高。这类矿井水在我国南北方都有分布,尤以南方煤矿分布最为广泛。

4)含特殊污染物矿井水。根据含污染种类可分为含氟矿井水、含重金属元素矿井水、含放射性元素矿井水、含油类矿井水等。我国含氟矿井水主要分布于北方的一些矿区,其形成与高氟地下水或矿区附近的含氟火成岩矿层有关;含重金属元素矿井水在我国的一些矿区有少量分布,主要是含铁、锰矿井水,水中除含有低价态的 Fe2+、Mn2+外,常含有 Cu2+、Zn2+、Pb2+等离子,其形成与地下水处于还原条件下有关;含放射性矿井水和含油矿井水在我国的一些煤矿也存在,其形成与煤及其围岩或地下水中含放射性物质以及煤系中有含油层有关。

1.2 选煤废水

选煤废水是煤炭湿法洗选过程中产生的废水。其中含有大量的悬浮煤粒,故也称其为煤泥水。此外,选煤废水中还含有一定量的石油类、酚类、醇类、聚丙烯酰胺等有毒有机药剂和煤中浸出的各种离子和放射性元素等。因此,选煤废水是一种有毒废水。其排放量与选煤工艺和设备有关。

1.3 其它工业废水

主要指机修厂、火药厂、矿灯厂、焦化厂等煤矿附属企业在生产过程中产生的废水。虽然其排放量不大,但毒性却很高,原因是这些废水中含有不同种类、不同程度的有毒有害物质。如机修厂废水中含有酚、油、铬、镉、镍、锌等有害物质;焦化厂废水中含有酚、氢化物、硫化物、氨等;火药厂废水中含有三硝基甲苯、二硝基重氮酚等;矿灯厂废水中含有氰化物、镉、铅、铬等。

含悬浮物矿井水的污染物主要是煤、岩粉悬浮物和细菌。这类矿井水又经常被用作生活用水水源加以处理利用,所以去除矿井水中悬浮物和杀菌消毒是处理的关键。

含悬浮物矿井水处理经常采用的工艺流程图见图 1,其优点是流程相对简单,节省基建投资。

图 1 石灰石中和滚筒法处理酸性矿井水流程图

2 井下瓦斯抽放与利用

煤矿向大气排放的废气量和有害物成分的多少,主要取决于矿井煤层瓦斯含量和生产时的瓦斯涌出量。如在煤矿生产过程中预先抽出煤层中的瓦斯加以利用,可以有效地甚至是大幅度地减少生产中瓦斯涌出量。这不仅是确保安全生产的重要技术措施,也是减轻矿井排放废气对环境污染的重要途径。从通风安全的角度可以不考虑抽放出来的瓦斯利用,只要排至矿井以外便达到预期目标;而从减轻污染的角度,则必须强调抽放出来的瓦斯加以充分利用,变害为利。山西省阳泉煤矿是较早利用瓦斯的范例。

3 煤矸石利用

矿山工业固体废物主要是煤矸石和围岩剥离物等混入物,是数量较大的矿山固体废物。此外,煤矿开采会产生占煤炭产量的 10%～20%的矸石,目前我国煤矸石有 40亿 t,占用土地 10 000 hm2[2]。

3.1 生产煤矸石砖

利用煤矸石生产烧结砖。煤矸石经破碎、粉磨、搅拌、压制、成型、干燥、焙烧而成烧结砖,利用煤矸石代替粘土制砖可以化害为利,变废为宝,节省土地,改善环境,创造利润。为了适应建材发展的需要,国家对发展煤矸石建材,提供了一系列优惠政策。“十五”期间,淘汰 2万家黏土砖企业,煤矸石综合利用率由2000年的 43%提高到 50%以上,重点煤矿和重点地区的煤矸石综合利用率达到 80%以上,这将促使煤炭企业产品向多元化发展。目前,已开发生产的有：竖孔承重空心转、煤矸石铺地砖、釉面砖等多种类型的新产品。

3.2 生产水泥

煤矸石中 SiO2、A l2O3、Fe2O3的含量较高 ,总含量在 80%以上,是一种天然黏土质原料,可以代替黏土作生产水泥的原料。利用煤矸石可生产煤矸石普通硅酸盐水泥、煤矸石火山灰水泥、煤矸石无熟料水泥。

3.3 发 电

含炭量较高的煤矸石可作为低热值燃料利用,如建煤矸石发电厂。以砂岩、粉砂岩为主要成分的煤矸石除建材外,还可做井下采空区充填、地表塌陷区复垦充填或路基充填石料等的利用。

3.4 矸石回填复垦

塌陷矿坑可采用矸石充填或电厂粉煤灰分层充填加高,逐层压实,表层可覆土造地。当矸石复垦的土地用作农林种植,充填层下部应密实,上部疏松,以利保水保肥,表层覆土厚应大于 0.5 m。建筑用地覆土0.2～0.5 m。

4 粉 尘

煤矿的采掘、运输、选煤等生产过程以及燃煤、煤层和矸石山自燃等都会产生粉尘。其中采掘过程和煤炭洗选加工是煤矿产生粉尘的主要因素。如在地下开采中,采掘工作面产生的粉尘可占矿井产尘总量的70%～85%。

煤矿粉尘以煤尘为主,也有岩粉和其它物质粉尘。并具有湿润性、黏附性、电荷性、爆炸性、气溶性等一些特殊性质,可悬浮于矿井水和空气之中或沉附于各种物体表面。产尘量一般与煤及其夹矸的性质、采煤方法、地质构造的破坏程度以及煤层的附存状况和水文地质条件等因素有关。

5 噪 音

煤矿在开发建设中会产生许多噪声,如工业噪声、交通运输噪声、建筑施工噪声和社会生活噪声等。煤矿生产所用设备多属高噪声设备,如扇风机、空气压缩机、凿岩机、采煤机和洗煤厂的跳汰机、破碎机、振动筛等均是高噪声设备。此外,采掘爆破噪声亦是高噪声。这些噪声都属于煤矿生产噪声。

6 复垦技术

资料显示,我国因采矿破坏的土地面积达 400 hm2,最近几年损坏的土地面积仍以每年20万 hm2的速度递增。20年来,我国土地复垦取得了一定的成效,国土资源部成立以后,采取切实有效的措施,重点加大了对历史遗留废弃地的投资力度。目前,土地复垦率达到 15%左右。

6.1 生态农业复垦技术

生态农业复垦技术是指根据生态学和生态经济学原理,应用复垦工程技术和生态工程技术,通过合理配置植物、动物、微生物等,进行立体种植、养殖和加工。生态农业复垦技术充分利用塌陷区形成积水的特点,根据鱼类等各种水生生物的生活规律、食性以及在水中所处的生态位置,按照生态学的食物链原理进行合理组合,实现农 —渔 —畜综合经营的生态农业类型。在生态系统中,生物之间以营养为纽带的物质循环和能量流动,形成多级的循环利用。在徐州、淮北和开滦矿区,这种类型的复垦技术取得了良好效果。

6.2 生物复垦技术

微生物复垦技术是利用微生物活化药剂或微生物与有机物的混合剂,对复垦后的贫瘠土地进行熟化和改良,恢复土壤肥力和活性。采用微生物方法复垦,对煤矸石、露天矿剥离物等堆放场地不需覆盖表土,经一个植物生长周期(6个月),就可建立稳定的活性条件,第二年可种植农作物。三五年后能完全达到高产田的肥力,并维持数年不衰减。该方法也能使其它类型贫瘠土壤或酸性土壤恢复成良田,对种植品种没有任何限制。而且微生物复垦只需普通材料和机具,费用低,效率高,效益好。该项技术首先由匈牙利开发,并在前苏联、捷克、加拿大、美国和巴西等国推广使用。我国尚未开发,应积极引进、立项研究。

6.3 土壤改良主要有以下几种方法

1)绿肥法。这种方法的实质是在复垦区种植多年生或一年生豆科草本植物。这些植物的绿色部分在土壤微生物作用下,除大量养分外,还可以转化成腐植质;其根系腐烂后也有胶结和团聚作用,能改善土壤理化性质。

2)施肥法。本方法以施用大量有机肥料来提高土壤中的有机物含量,改良土壤结构,消除过黏、过砂土壤的不良理化特性。

3)客土法。对过砂、过黏土壤,采用“泥入砂、砂掺泥”的方法,调整耕作层的泥砂比例,达到改良质地、改善耕地、提高土壤肥力的目的。

4)化学法。该方法主要用于酸性土壤改良。中和酸性土层,一般用石灰作掺合剂;变碱性为中性,常用石膏、氯化钙、硫酸等作调节剂。

一般植被品种筛选是通过实验室模拟种植试验、现场种植试验、经验类比等手段筛选确定。筛选出的品种应生长快、产量高、适应性强、抗逆性好、耐贫瘠。尽量选用优良的当地品种,条件适宜时引进外来速生品种。

7 结 论

综上所述,我国矿山建设还存在许多环境问题。当前需要加大科技投入,推动技术创新,努力发展绿色开采技术,完善绿色矿山体系。政府应该以市场为导向,通过引导培育和部分投入,使矿山环境治理和土地复垦产业化。

[1] 谭维文.矿山环境学[M].北京：地震出版社,2008：23-26.

[2] 许家林,钱鸣高.绿色开采的理念与技术框架[J].科学导报,2007,28(7)：61-64.