煤矿开采的环境影响及防治措施

贾晓凤 程 浩 张 渝 王鹏飞

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

0 前言

煤炭是我国重要的能源之一，我国是世界上最大的煤炭生产和消费国。根据统计，煤炭在全国能源生产和消费结构中分别占71.7%和67%，而且这种格局在相当长的时期内不会改变。而且我国约75%的工业燃料、85%的民用燃料和65%的化工原料由煤炭工业提供，可见煤炭资源对于我国国民经济的发展和社会的进步发挥着举足轻重的作用。然而，由于受多种因素影响，在煤炭开采、运输、利用过程中产生了一系列环境及生态问题，致使煤矿区生态系统严重受损,不仅阻碍煤炭行业的自身发展，同时也影响了整个经济社会的发展。目前，煤矿区的环境问题尤其生态损害环境问题已经成为矿区乃至区域可持续发展的重大制约因素。

可持续发展的主要原则是公平性原则和持续性原则。公平性原则∶1）强调同代人的横向公平，给各地区以公平的分配和发展的权利。2）代际间的公平,要认识到人类赖以生存的自然资源是有限的，当代人不能因为自己的发展与需求而损害满足人类世世代代需求的自然资源与环境条件。持续性原则是指生态环境系统受到某种干扰时能保持其生产能力。经济和社会发展不能离开资源和环境，也不能超越资源与环境的承载能力,人类对资源的利用、废弃物的处理等,均应维持在环境允许容量之内，否则发展将不可能持续。

自然资源的开发利用是社会经济发展的物质基础。煤炭资源是一种有限的、非再生的自然矿产资源，随开采利用而逐渐减少，直至耗竭殆尽，从长远看是不能持续利用的。因此，煤炭的开发利用可持续发展观应该是既要注重资源利用率，达到资源优化配置，不能以造成资源的大量破坏和浪费为代价来实现矿产资源开发，又要注重资源开发利用过程中的经济效益、社会效益及生态环境效益，处理好当前发展与未来发展的关系，走资源开发、环境协调、持续利用的道路。

1 煤矿开采对环境影响分析

1.1 煤矿开采对水环境的污染与损害

煤矿开采对水环境的影响主要表现在两个方面，一方面是对地表及地下水系的破坏，另一方面是对地表及地下水系的污染。煤矿区的污染水源主要有矿井水、洗煤废水、煤矸石淋溶水、矿区生活污水等几大类，排放量大，成分复杂，这些废水不仅严重污染矿区周边地表水体，损害水生生物，而且通过采矿活动和废水渗入作用还会污染地下水体。

煤矿开采过程必然涉及到对地下水的疏干和排泄。由于地下水的不断疏干和排泄，必然导致地下水位大面积、大幅度的下降，矿区主要供水水源枯竭，地表植被干枯，自然景观破坏，农业产量下降，严重时可引起地表土壤沙化。

煤矿大量排放废水会不同程度地污染地表及地下水系；矸石和露天堆煤场遇到雨天，污水流入地表水系或渗入地下潜水层，选煤厂的废水不经处理大量排放，对地表、地下水源造成污染等等，使矿区周围的河流、沼泽地或积水池等变为黑色死水。

地表水系的污染往往是显而易见的，相对容易治理,而地下水的污染具有隐蔽性且难以恢复，影响较为深远。由于地下水的流动较为缓慢，仅靠含水层本身的自然净化，则需长达几十年甚至上百年的时间，且污染区域难以确定，容易造成意外污染事故。

总之，煤矿废水的排放会导致矿区内水体和土壤的生态功能下降，动植物种类锐减，甚至威胁到整个矿区生态系统和人类自身的安全。

1.2 煤矿开采对土地资源的损害

1.2.1 土地沉陷

煤层是层状沉积矿床，厚度相对较小，单位面积生产能力低，在矿山开采过程中，井下大面积采空，形成大量采空区，顶板冒落、岩层移动后，造成地面沉降，在地表形成低洼地。有的由于地表潜水位较浅，在低洼处形成沼泽地或积水池，有的表现为既深又宽的裂缝，形成严重的山体滑坡隐患。沼泽地或积水池、山体滑坡的形成，使矿区耕地减少或受到破坏，生态环境也受到严重影响。例如，2002年山东邹城煤矿区由于采煤塌陷造成土地破坏面积 4166 .32 hm2，其中积水面积 1173 .53 hm2，绝产面积1728 .19 hm2，涉及到20多个行政村。

据估算,全国平均每采出1万t煤沉陷面积在0.2万m2以上，全国已有开采沉陷地45亿m2。

1.2.2 侵占土地和污染环境

我国是土地资源极其匮乏的国家，人均耕地占有量只有0.11 hm2，不到世界人均耕地面积的1/2，然而煤炭开采对土地资源的损害十分巨大，这无疑加重了我国人多地少的矛盾。

据统计,目前全国大中型煤矿有矸石山1800 多座（不包括近8万个乡镇及个体小煤矿堆积的矸石山），矸石堆放总量达30亿t以上。我国每年生产原煤l2亿t左右，矸石排放量一般为原煤产量的8%～20%，平均约为12%，煤矿年均排放矸石1.5亿t左右，矸石堆分布范围广，化学成分复杂，对人类生存环境带来很大的威胁与危害，主要表现在∶

1）侵占土地。据统计，目前已形成堆积的34亿t矸石，占地面积约2.8亿m2，且每年呈现明显增加趋势，显然将进一步加剧我国可耕地资源短缺的局面。例如，平顶山矿区40年来，排放矸石累积存量3900万 t，形成 31座矸石山，占地 98万 m2，其中77.5%为可耕地，按当地平均种植水平，每年减产粮食62.6万t，相当于1500多人的年粮食占有量。

2）污染环境。据统计，全国正在自燃的矸石山约200座,自燃过程排出大量有害气体,如SO2、CO2、H2S及氮氯化合物、烟尘等，污染空气，形成酸雨，污染水源和土地，抑制植物生长并危及人类健康。

3）危害人类安全。由于煤矸石堆放不稳定，严重威胁着公共安全。1996年在英国南威尔士的阿邦番,一座高达60 m的矸石山滑塌,11万m2的矸石塌落下来，使100多人丧生。

1.2.3 土壤污染

煤矿区土壤中的有害元素主要来源于煤矸石风化自燃、淋溶，矿区大量粉尘、废气的沉降以及矿井水。有害元素通过各种水力联系（导水砂层、地层裂隙、河流等）发生污染转移，使矿区及其周边地区的土壤质量下降，生态系统退化，农作物减产，甚至威胁人体健康。土壤一旦被有害元素污染，其危害性远大于大气和水体的污染，因为有害元素化合物能较长时间存在于土壤环境中,且不易被人察觉。例如,土壤中毒性最大的 Cd、Pb、Hg、As等元素在生物放大作用下大量富集，沿食物链最后进入人体，引起急、慢性中毒，造成肝、肾、肺、骨等组织的损坏，甚至能够致癌。土壤有害元素污染对矿区生态环境产生多种损害方式，总体分为三大类∶①受污染的土壤直接暴露在环境中，通过土壤颗粒等形式直接或间接地被动物或人吸收;②在雨水淋溶作用下，土壤中的有害元素缓慢向下渗透,导致地下水的污染；③外界环境条件的变化，例如酸雨，提高了土壤中有害元素活性和生物可利用性，使得有害元素较容易被植物吸收而进入食物链，对动物和人体产生毒害作用，并易向下迁移，导致地下水污染。

目前，对煤矿区土壤中有害元素的研究越来越深入，有研究表明∶土壤中有害元素的活动性、生物可利用性、毒性与有害元素的形态有密切关系，为矿区土壤的修复提供了新思路。

1.3 水土流失与沙漠化

我国西部煤炭资源蕴藏丰富，但是该区域位于干旱半干旱区，植被稀疏，水土流失及沙漠化严重，生态系统非常脆弱。因此，水土流失和土地沙漠化成为该区域煤矿区最突出的生态环境问题之一。煤矿建设和生产过程中挖掘地表、堆弃土渣、破坏土地和植被，从而减少了地面植被的覆盖，造成地表径流和地表糙度改变，使土壤抗蚀指数降低，加剧了水土流失和土地沙化,不仅损害矿区生态环境，而且为周围地区带来了严重的环境污染和安全威胁。例如，陕西榆林神府东胜矿区是黄河流域风蚀沙漠化和水土流失复合侵蚀最为严重的地区。剧烈的水土流失不仅加重了河道排洪输流能力，而且大量泥沙污染了水源供水水质。据陕西省水保部门预测，矿区一、二期年增土壤侵蚀量62175 Mt，为原生侵蚀量的212倍，年增入黄河泥沙量15191 Mt，占原输沙量的50.16%。由于矿区邻近毛乌素沙漠，气候干旱，风大沙多，植被稀少，沙漠化问题严重，因而对周边地区工农业生产、居民生活及黄河水道均构成了严重威胁。

1.4 瓦斯对大气环境的影响

煤矿开采排放的瓦斯量每年高达50～70亿m3，瓦斯井下爆炸事故频繁发生，造成严重的生命和财产损失；同时，瓦斯是温室气体，对环境的污染十分严重，危及大气层、森林、农作物和人类自身。

1.5 生物资源的损害

煤矿区生物资源的损害主要是由于矿山工业建设、矸石堆放、开山修路、露天采矿剥离等引起的。这些剧烈的煤炭开采与建设活动，特别是不合理的活动，改变了矿区内以及周边地区水体、土壤等环境的初始条件，破坏了区域内营养元素的循环与更新，从而对矿区生物资源造成了严重损害。主要表现为∶

1）煤炭开采活动造成生物的生存环境或栖息地被破坏。由于矿井采矿及其配套工程设施诸如交通线、建筑物等的建设，使得矿区生态系统原有的大面积连续的生物环境被人为分割成许多面积较小的不规则板块，甚至是完全消失，限制了生物的活动范围，影响了生物生存活力，导致生物多样性受损。例如，乌海地区因煤炭开发直接破坏的天然草牧场高达140000 hm2，将使包括四合木、绵刺、革苞菊、蒙古扁桃在内的世界珍稀残遗濒危野生植物从地球上消失。

2）由于煤炭开采对矿区及周围水体、大气和土壤的严重污染,导致某些生物减少，甚至灭绝，最终导致矿区生物多样性受损。

3）在进行煤矿区生态修复和重建的过程中，人为引入的外来物种入侵，对当地生态系统造成严重干扰和破坏，致使原有物种大量灭绝，导致矿区生物物种单一，生态系统退化。

1.6 噪声污染

煤炭开采过程中带来的噪声污染已越来越受到人们的关注。煤矿噪声有井下噪声和地面噪声两种，井下噪声主要来自凿石、放炮、采煤、通风、运输、提升、排水等所用的各种机电设备。据调查，目前大部分煤矿井下工作场所的噪声级已超过国家规定的允许值。

煤矿噪声具有强度大、声级高、连续时间长、频带宽等特点。长期暴露于强噪声作业环境中，不仅会对矿工的听觉器官造成损伤，还会引发多种其他疾病，妨碍通信联络，容易发生工伤事故。此外，噪声还会污染周围环境，影响矿区周边居民的正常生活。

1.7 景观破坏

作为一个地理单元，煤矿区不仅蕴藏着煤炭等矿产资源，还形成了独特的地质地貌景观和生态景观，加之人文、社会、历史等方面的因素，使得它成为一个集矿产价值、生态价值、人文价值、地质价值等多种价值于一体的复杂综合体。

由于在煤炭开采过程中，采掘土方、堆弃废石及尾矿、排放污染物,破坏了矿区地质地貌原有的形态，影响了自然风景观瞻，毁坏了珍贵的地质遗迹和名胜古迹，不仅给人们带来视觉污染，更重要的是给人类历史文化和科学研究造成了不可弥补的损失。

2 减少煤矿开采影响的措施

当今社会经济高速发展，人们生活水平日益提高,对能源特别是煤炭的需求量在大幅度增加，不可能限制资源的开发利用,应根据可持续发展原则，综合考虑矿业经济发展与矿区生态环境保护的关系，走矿业“绿色开采”的道路。

2.1 贯彻国家法规和科学管理矿区

随着 《中华人民共和国煤炭法》、《中华人民共和国矿产资源法》、《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水土保持法》、《土地复垦规定》等相关管理法规的颁布和实施，标志着我国煤矿区环境防治工作已进入法制化轨道。这就要求我国煤炭工业工作者从领导到基层要加强环境保护意识和法律意识，切实贯彻国家相关法律法规，坚持煤炭资源开发利用与生态环境保护并重、防治结合、以防为主的方针。同时，积极进行法制创新，根据本地区煤炭开采的特点和影响现状,制定针对性强、行之有效的管理法规，保障矿区污染治理和生态环境修复的实施，促进矿区人与自然的和谐发展。在管理体制方面，土地管理部门、煤炭管理部门和环保部门等相关行政执法管理单位应积极完善管理体制，加强统筹协调，明确权、责、利等问题，齐抓共管。在“谁污染谁治理,谁破坏谁恢复,谁使用谁补偿”的原则下，推进矿区管理体制和方法的改革与创新，将矿区环境治理与企业、工人的切身利益相联系,使矿区环境保护与治理由政府行为转变成企业行为和个体行为。

2.2 采用新技术新工艺减少矸石产出

兖州矿业集团在矿井采区巷道布置时，取消岩石集中巷，采用煤、岩巷相结合的边界上山取代中间岩石上山，加大采区走向长度，进一步简化巷道布置，减少联络巷道工程量，降低巷道特别是岩巷掘进率,矿井巷道万吨掘进率由1990年的86.11 m/万t，下降到1999年的 36.94 m/万 t，岩巷掘进率由33.01 m/万t，下降到8.28 m/万t。 仅此一项每年可减少矸石排放量250万t左右。我国一些新设计的大型矿井，如兖州矿业集团济宁三号煤矿、神东大柳塔、补连塔煤矿、潞安漳村煤矿等均采用全煤巷布置，实行单一煤层开拓、准备和回采，矸石基本不出井口。实现全煤开拓方式的若干支持技术已有了很大发展，如长距离独头煤巷掘进通防及安全技术研究的进展，解决了长距离煤巷掘进通风、降温、煤炭自燃和辅助运输等安全问题，使全煤巷布置采区尺寸进一步加大。

积极推广大采高开采技术，减少5 m以下厚煤层采用分层开采或放顶煤时矸石混入量，减少原煤含矸率。优化厚煤层放顶煤开采参数和工艺程序，在有效提高顶煤采出率的同时，降低原煤含矸率。

进一步研究、完善新型化学采煤方法，煤炭地下气化是一种新型的采煤技术，地下气化的原理是煤炭在地下煤气发生场（预先开掘的巷道）内进行热化学反应，经过氧化带、还原带、干馏—干燥带排出地面，被烧剩的煤灰和顶板垮落的岩石充填燃空区，只保留一个不大的空间供气流通过，作气化通道。其特点是将埋藏在地下的煤炭直接气化为煤气，经过净化、分离等处理，通过管道把煤气送到工厂等用户。煤炭地下气化开采具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点，被誉为第二代洁净采煤方法。目前已在我国开滦、新汶、徐州等矿区进行了工业化生产，取得了较好的技术经济效果。

2.3 充填采空区

采空区充填技术主要有水力充填、风力充填和自溜充填等几类。水力充填材料有河砂、山砂、碎石、炉渣、井下和洗煤厂矸石、油母页岩炼油废渣等。随着充填材料的不同，地表下沉系数不同，一般为0.1～0.5，减沉效果为50%～90%。以含泥量少的河砂充填材料减沉效果最好，炉渣、矸石充填的效果次之。风力充填要求有专用的压风机、充填机和输送管路，对充填材料粒度要求较高，由于设备充填能力和效果等原因，使用范围均不大。自溜充填用于急倾斜煤层和倾斜煤层，减沉效果相对较差。

近年来，我国在抚顺、兖州、大屯、新汶等矿区应用采空区上方离层裂缝注浆充填法，起减缓下沉速度和下沉量的作用，可减少下沉30%～40%，使用充填材料可以是电厂粉煤灰和经粉碎的矸石，可起到减少矸石或粉煤灰堆放和减少地表下沉的双重效果，在高潜水位矿区农田保护方面有广阔的应用前景。其技术关键一是要保证充填浆液不流入井下采空区，二是要准确预测形成离层的位置。

利用井下采空区、预掘矿房和废弃巷道作为井下贮矸空间，将矸石充填在这些空间内，既可回收部分建筑物下的煤炭资源，又可部分解决或降低地面沉降和塌陷问题。

2.4 减少煤矿瓦斯排放

我国煤矿煤层气储量极为丰富，据估计，我国陆上埋深在2000 m以下的煤层气（瓦斯）资源量达32～35×1012 m3,几乎与常规天然气资源量相当，主要分布在东北、华北、华南和西北等4大聚气区，尤以华北地区煤层气资源量巨大。如何有效地资源化利用这些以往废弃的资源，是急需研究解决的问题。

目前煤层气的勘探在一些条件好的区域有所突破，如山西晋城、沁水南部和河东柳林等，有的已基本具备商业性开发利用条件。矿区瓦斯井下抽放工作进展较为顺利,技术水平居世界领先水平，我国淮南等高瓦斯矿区正在研究煤和瓦斯共采的新方法，主要研究瓦斯抽放规律与抽放的工艺、材料和设备，建立煤层气（瓦斯）井下规模开发与利用的示范工程。

2.5 推广清洁生产，促进矿区生态环境的修复

清洁生产的正式定义是联合国环境规划署（UNEP）1989年首次提出的。在此之前，清洁生产所包含的主要内容和思想早已被若干发达或较发达国家和地区采用，并在这些国家和地区存在不同的叫法。例如:欧洲国家称之为“少废无废工艺”、“无废生产”；日本称之为“无公害工艺”；美国则称之为“废料最少化”、“污染预防”、“减废技术”。我国学者根据我国实际情况，进一步提出有关实行可持续发展的战略，认为清洁生产包含4层含意∶①清洁生产的目标是节省能源，降低原材料消耗，减少污染物的产生量和排放量；②清洁生产的基本手段是改进工艺技术、强化企业管理，最大限度的提高资源、能源的利用水平和改变产品体系,更新设计观念，争取废物最少排放及将环境因素纳入服务中去；③清洁生产的方法是排污审计，即通过审计发现排污部位、排污原因，并筛选消除或减少污染物的措施及产品生命周期分析；④清洁生产的终极目标是保护人类与环境，提高企业自身的经济效益。

对于煤炭工业来说，清洁生产集中体现在洁净煤技术（CCT）的发展。即在煤炭开发和利用过程中，减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等一系列新技术的总称，使煤炭达到最大限度利用潜能，而释放最少污染物。洁净煤技术基本覆盖了煤炭高效洁净开发利用的全过程,即①加工∶洗选、型煤、水煤浆；②煤炭高效洁净燃烧∶流化床燃烧技术、高效低污染的粉煤燃烧、燃煤联合循环发电；③煤炭转化∶煤炭气化、煤炭液化、燃料电池；④污染控制与废弃物治理∶烟气净化、煤层气回收利用、煤矸石和粉煤灰综合利用。

洁净煤技术是一个涉及多层次、多学科的高、中、低端技术群，具有难度大、投入高、开发周期长等特点。但是，它已成为当前世界各国解决矿区生态环境问题的主导技术之一。

2.6 引进新的理论技术，优化防治方案

由于煤矿区生态系统比其他生态系统复杂得多，同时生态环境损害的原因复杂，损害程度不一。因此，单纯从一个角度看问题，孤立运用某一学科的理论和技术对矿区生态环境损害进行修复和治理，往往事倍功半，甚至适得其反。所以，应综合运用物理学、化学、生物学、环境科学、生态学、经济学、计算机科学等多学科的理论和方法，结合GIS、RS、GPS等高科技技术，从多角度、多侧面对矿区生态环境损害进行评价、修复和治理。此外，在对修复技术进行设计开发时，应尽量从“以废治废”的角度，将治理与利用相结合，充分体现“利用是为了治理，而治理的目的是为了更好的利用”的思想。

2.7 矿区土地复垦与综合治理

煤矿土地复垦的最终目标是恢复因采矿而破坏的土地的利用价值,实现矿区生态系统的平衡，为企业生产创造一个良好的外部环境，保障采矿—土地利用—社会经济的持续发展。矿区的土地复垦和生态重建应与采矿活动同步进行，矿区土地复垦对象主要是塌陷的土地以及被煤矸石、粉煤灰压占后污染的土地。根据矿山不同开采时期的技术特点和自然环境等因素及时决策确定相应的复垦或生态重建方案，尽量避免或减少对环境的破坏，实现采矿与生态重建的一体化。

生态重建与土地复垦主要内容是:根据矿区周围主要特征的动态变化,如土地利用特征的变化等，根据不同的用途，如农业用地、林业用地、建筑用地等，进行系统的开发利用或景观设计；根据矿山开采对矿区土壤的物理化学性质、地质水文的影响,按不同的土地利用方式，环保、水保部门的要求，提出具体的控制和利用措施。例如∶对于浅层塌陷区，可以恢复耕种，建设高价值经济田，如大棚蔬菜、瓜果等；对于常年积水区的边沿部位及积水较浅或季节性积水的区域可挖池筑堤，建养鱼塘；对于积水较深的地区而应综合利用，如培植水生植物、建立水禽基地等。

总之，要因地制宜，本着“宜粮则粮、宜林则林、宜渔则渔”的原则，做好塌陷区的土地复垦工作。

2.8 矿区生态工程的研究和示范基地的建立

由于矿区环境问题规模大、复杂程度高，必须组织专门人员开展矿区生态工程及生态重建实用技术研究、矿区生态环境质量指标体系研究和矿区生态保护与重建协调机制研究等。同时，建立矿区生态工程示范基地。示范基地建设可以采取国家、地方政府为主，受益者（企业）为辅的经济运行模式。一般应优先选择矿区服务年限长、生态环境脆弱，且具典型意义、经济基础较好、领导与群众环保意识较强的矿区。

3 结语

随着我国国民经济的快速发展，对煤炭资源的需求越来越大，而因煤炭开采造成的环境污染和生态环境破坏问题日益严重，已经威胁到矿区及其周边地区的经济发展与生态安全。要彻底解决煤矿开采对环境的影响问题，必须从开采的源头采取有效措施,研究有利于矿区环境保护的采矿新技术，使资源开发与环境保护协调发展。因此，分析煤矿区环境污染及生态环境破坏的原因、途径和程度具有重要现实意义。政府执法部门、管理部门、煤炭企业、研究院所等相关机构和单位要共同努力，按照科学发展观的要求，与时俱进，全面推进构建和谐矿区的各项工作，实现煤炭工业的可持续发展，同时，国家的环保政策应与能源政策相协调，并投入更多的资金研究洁净开采技术和洁净煤技术，在开发利用廉价能源的同时能保护好环境，实现煤炭资源的可持续发展。

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