煤礦開采引發(fā)的環(huán)境問題及修復(fù)技術(shù)研究

鄧永強(qiáng)，鄭永紅,，張治國，陳永春，武 琳，余 婷，張 磊，陳 昕,陳芳玲

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001； 2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 2320013)

中國的煤礦資源十分豐富，是世界上煤礦資源的開發(fā)大國之一，煤礦資源是在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程的重要資源之一[1]。但是隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對資源的需求量越來越大，以及煤礦的過度開發(fā)與不合理的利用，煤礦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境已經(jīng)遭到了嚴(yán)重的破壞，引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如地表土壤侵蝕、植被破環(huán)、重金屬污染等生態(tài)擾動與環(huán)境污染問題[2]。因此對煤礦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行研究，煤礦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理已經(jīng)成為當(dāng)下亟待解決的問題。

一、我國主要礦產(chǎn)資源及開采方式

根據(jù)《中國礦產(chǎn)資源報告(2019)》數(shù)據(jù)顯示，截至2018年底，全國已發(fā)現(xiàn)173種礦產(chǎn)，其中，能源礦產(chǎn)13種，金屬礦產(chǎn)59種，非金屬礦產(chǎn)95種，水氣礦產(chǎn)6種[3]。其中，煤炭查明資源儲量增長2.5 %，煤炭新增查明資源儲量556.10億噸[3]。目前我國煤礦的開采方式主要分為兩種：露天開采和井工開采。在一些地質(zhì)條件特殊的礦區(qū)，采用露天—井工聯(lián)采模式進(jìn)行開采。采用何種方式對礦體進(jìn)行開采取決于煤層的賦存條件和采煤工程技術(shù)條件。露天開采具有資源回采率高、勞動效率高、機(jī)械化程度高、安全條件好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用露天開采需要礦體具有較好的煤層賦存條件。我國煤炭資源多數(shù)埋藏較深，井工開采是主要的開采方式。目前，常用的井工開采工藝包括綜采和綜放技術(shù)、液壓支架技術(shù)、“三下一上”礦井采煤技術(shù)和特殊采煤技術(shù)[4]。在我國西北部的煤田由于其地質(zhì)條件獨(dú)特，通常采用露天—井工聯(lián)采模式進(jìn)行開采，露井聯(lián)采模式就是對埋藏較淺的礦層進(jìn)行露天開采，對埋藏較深的煤層進(jìn)行地下開采，露井聯(lián)采使露天開采和井工開采優(yōu)勢互補(bǔ)，可降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率[5]。

二、煤礦開采引發(fā)的環(huán)境問題

(一) 對水體產(chǎn)生的影響

煤礦開采過程中，會破壞地下含水層的水力平衡，改變地下水的原有分布和蓄積規(guī)律，繼而造成地下水越流，引發(fā)大量的礦井涌水，導(dǎo)致地下水水位降低，形成地面沉陷。煤礦開采還會對地下水水質(zhì)造成影響，污染物通過入滲、滲漏逐漸擴(kuò)散到含水層，地下水在采礦活動的干擾下會加大對礦石中硫化物及重金屬的溶解，地下水流出地表與空氣接觸，水中的硫離子會發(fā)生氧化，加劇水質(zhì)酸化，對地表水和礦區(qū)周邊土壤造成污染；此外，當(dāng)煤礦開采造成大量采空塌陷和地表開裂后，地表水滲入地下或礦坑，導(dǎo)致地表徑流銳減，排出大量礦水[6]。

(二) 對土壤產(chǎn)生的影響

煤礦生產(chǎn)建設(shè)過程中需要對土地進(jìn)行大面積的開發(fā)，會直接破壞地表植被和地形地貌景觀，還會形成地面沉陷區(qū)。地表土壤在沒有植被保護(hù)的情況下，其營養(yǎng)物質(zhì)在暴雨的沖刷下會大量流失，從而造成土壤的貧化；在氣候干旱的地區(qū)，地表蒸發(fā)量大，地下水含鹽度高，長期外排地下水進(jìn)入土壤，就會造成土壤鹽堿化[6]。井工開采過程中，在高潛水位地區(qū)容易形成沉陷水域，造成大量肥沃土壤流失。煤礦開采中過程中產(chǎn)生的巖礦石和大量固體廢物，其內(nèi)部蘊(yùn)含的大量硫化物和多種重金屬會通過雨水的淋溶作用和地表徑流的滲濾作用入侵至地表土壤中，對土壤造成嚴(yán)重污染，影響地質(zhì)地表土壤性狀、理化性質(zhì)和土壤肥力，使土地失去可耕作性，從而影響人民的生產(chǎn)和生活[7]。

(三) 對大氣產(chǎn)生的影響

煤炭露天開采需要通過大型機(jī)械和爆破工具剝離巖土，會產(chǎn)生大量的粉塵顆粒，使空氣中的懸浮物不斷增多，影響空氣質(zhì)量，煤礦開采過程中還會有大量瓦斯排放，瓦斯進(jìn)入大氣中后會對臭氧層造成一定的破壞。煤炭開采生產(chǎn)過程中還會產(chǎn)生大量的煤矸石，煤矸石在堆存過程中會產(chǎn)生大量的風(fēng)化物，形成揚(yáng)塵。同時，由于煤矸石中所含的有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦，在空氣中被氧化并釋放熱量。隨著熱量的積聚，煤矸石溫度會逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到煤矸石的燃點(diǎn)時，便會引發(fā)自燃，并釋放大量的CO、CO2、SO2、H2S等有害氣體及煙塵，嚴(yán)重污染空氣質(zhì)量[8]。

(四) 對生態(tài)產(chǎn)生的影響

在采礦過程中，地質(zhì)地表土層會遭到破壞。露天礦山開采需要全面去除礦山上部的土層，會毀損原有的植被棲息地和地表景觀。在煤礦開發(fā)的過程中會產(chǎn)生大量的固體廢物，固體廢物長期堆存在礦區(qū)周圍，會占用大量土地資源，還會對礦區(qū)周圍的土壤水體造成污染，此種行為也將會毀損原有的礦山生態(tài)[9]。在我國大部分地區(qū)的煤礦開采過程中，都存在地表塌陷和土地鹽漬化現(xiàn)象，引發(fā)了較大面積的水土流失和土地荒漠化，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展[9]。

三、煤礦生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)

煤礦礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)根據(jù)修復(fù)技術(shù)的特征，可分為土地復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)和產(chǎn)業(yè)開發(fā)治理三個方面。三者又可結(jié)合成一個體系，即先通過工程治理技術(shù)，如地表回填、地形平整、臺階狀平整和挖深墊淺等方法對土地進(jìn)行初步的復(fù)墾改良，然后對復(fù)墾改良后的土地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，常見的生態(tài)修復(fù)技術(shù)有植被修復(fù)技術(shù)和景觀與生態(tài)修復(fù)技術(shù)，最后在生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)引進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)以及煤礦礦區(qū)特色產(chǎn)業(yè)，提升煤礦礦區(qū)土地利用率，促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

(一) 土地復(fù)墾技術(shù)

礦區(qū)土地復(fù)墾初期，應(yīng)先對沉陷區(qū)域和采坑進(jìn)行回填，使土地變得平整。在回填平整的基礎(chǔ)上保土增肥，促進(jìn)土壤固結(jié)，提升土壤肥力。對于煤系固廢堆放區(qū)，采用覆土法對土質(zhì)進(jìn)行改良。一是地表回填。利用煤矸石、風(fēng)化煤等礦山周邊固體廢棄物充填地面塌陷或變形區(qū)域，可有效減少取土坑塘面積，提升煤矸石等固體廢物的綜合利用率。二是地形平整和臺階狀平整。對地面塌陷回填后土地表面進(jìn)行平整，對臺階狀塌陷的局部淺、地裂縫進(jìn)行回填，或?qū)Σ环€(wěn)定邊坡進(jìn)行修整，將地面塌陷坑、地裂縫回填區(qū)域平整后維持原有自然起伏的地表狀態(tài)。三是挖深墊淺。將塌陷區(qū)域挖深、挖大，形成大面積的“挖深區(qū)”，使其具備發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)的基本條件，用于發(fā)展養(yǎng)魚、栽種水生植物等，挖除的土體用來修復(fù)塌陷較小的區(qū)域，恢復(fù)耕種條件，用于農(nóng)作物的耕種。四是改良土壤。利用煤矸石、粉煤灰等固體廢物和生物炭、污泥和保水劑等，根據(jù)不同的土質(zhì)條件，選取適宜的配置比例，對土壤土質(zhì)進(jìn)行改良，可提升土壤肥力，改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)植物生長，提升固體廢物的綜合利用率。

(二) 生態(tài)修復(fù)技術(shù)

生態(tài)修復(fù)技術(shù)是以被破壞生態(tài)環(huán)境中的植被、景觀以及生物群落環(huán)境等為主要對象，遵循自然優(yōu)先、和諧共存的原則，通過人為干預(yù)恢復(fù)被破壞的生態(tài)系統(tǒng)功能，又充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)本身的恢復(fù)功能。一是植被修復(fù)技術(shù)。在植被修復(fù)過程中，要注重植被種類的篩選，確定合理的植被搭配方式和配置參數(shù)，確保修復(fù)工作持續(xù)進(jìn)行。植被修復(fù)技術(shù)主要有人工生態(tài)林、人工草格柵、高次團(tuán)粒噴播技術(shù)和植生袋技術(shù)等。二是景觀與生態(tài)修復(fù)技術(shù)。按照生態(tài)學(xué)原理和生態(tài)自然演替規(guī)律，人工構(gòu)建或改造礦區(qū)內(nèi)水體或土壤，引入適宜的植被、動物和微生物等，對礦區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，如人工濕地法、基塘法和沼澤圍堤塘綜合體技術(shù)等。三是煤礦防塵降塵技術(shù)。煤礦開采過程中的產(chǎn)塵點(diǎn)較為分散，強(qiáng)度較大，難以治理，為控制礦區(qū)揚(yáng)塵和大氣污染，目前多采用煤層預(yù)注水減塵技術(shù)、噴霧降塵技術(shù)等治理揚(yáng)塵[10]。此外，對于煤矸石山的大氣污染防治，可采用煤矸石山覆土綠化技術(shù)和無覆土綠化技術(shù)，綠化煤矸石山可減少風(fēng)蝕揚(yáng)塵，防止自燃，降低其對大氣環(huán)境的污染。

(三) 產(chǎn)業(yè)開發(fā)治理

在礦區(qū)引進(jìn)開發(fā)特色產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)，可以帶來良好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境和社會環(huán)境良性發(fā)展。一是建立礦山遺址和礦山公園。對礦區(qū)保留較好的礦井遺址和一些具有礦山特色的建筑進(jìn)行適當(dāng)修繕，利用原有的辦公樓、院落等修建礦山歷史博物館；對采坑和沉陷區(qū)進(jìn)行修復(fù)后，可發(fā)展為礦山公園，作為當(dāng)?shù)靥厣包c(diǎn)的一部分，促進(jìn)礦業(yè)科教和當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展。二是發(fā)展養(yǎng)魚業(yè)。煤礦沉陷區(qū)水文循環(huán)速度較低，且為封閉水域，其水質(zhì)往往呈現(xiàn)出高氮、高磷、高懸浮物、高有機(jī)污染物和高致病菌等特點(diǎn)。但通過污水處理技術(shù)將水體水質(zhì)控制在適當(dāng)?shù)乃胶?，選取適宜的魚類品種，如觀賞魚類，可帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。但在發(fā)展養(yǎng)魚業(yè)的過程中，應(yīng)使用科學(xué)的質(zhì)量監(jiān)控手段，確保礦區(qū)養(yǎng)魚業(yè)的安全性[11]。三是引進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)。采煤沉陷區(qū)有大量的閑置水面，但煤礦開采過程中地表水、地下水都會不同程度的受到污染，水體中污染物含量較大，水質(zhì)較差，不利于大量養(yǎng)殖魚類，可引進(jìn)開發(fā)大型水面漂浮式光伏電站，光伏發(fā)電具有顯著的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益，在沉陷區(qū)發(fā)展光伏發(fā)電可達(dá)到沉陷區(qū)有效利用和新能源開發(fā)雙贏的目的[12]。

四、結(jié)論

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，礦產(chǎn)資源的開采活動逐漸增多，開采規(guī)模也日益擴(kuò)大，不合理不科學(xué)的開發(fā)對周圍的生態(tài)環(huán)境造成了破壞，影響到了人民的生產(chǎn)生活。煤礦開采對生態(tài)環(huán)境的影響具有復(fù)雜性和綜合性，產(chǎn)生的環(huán)境問題相互聯(lián)系又相互影響，需要從整體的角度選擇合理高效的方法技術(shù)去修復(fù)治理。

傳統(tǒng)采煤技術(shù)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，對水體、土壤、大氣和生態(tài)都產(chǎn)生了一定程度的影響，因此應(yīng)加大對采煤生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理技術(shù)的研究，努力拓展新思維、新思路，開發(fā)新技術(shù)，將煤炭開采過程中對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響最小化，處理好生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，使煤炭開采與環(huán)境保護(hù)及社會和諧相互協(xié)調(diào)發(fā)展。

煤礦生態(tài)環(huán)境的治理具有多面性，需要以科學(xué)發(fā)展觀為方向，樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，深入調(diào)查、因地制宜，科學(xué)合理地選取修復(fù)治理技術(shù)，制定適宜的修復(fù)治理計(jì)劃，有層次地去一步步修復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。