河南某煤矿矿山环境问题及绿色生产对策分析

高会国

(郑州煤电股份有限公司 告成煤矿,郑州 450052)

煤是我国支柱性能源[1],但煤矿开采导致了大气污染、地下水污染和土壤污染等一系列环境问题[2]。其中大气污染、地下水污染和土壤污染的原因主要是在开采过程中,将污染物直接或间接地排放到环境中[3],或将洗煤产生的有毒物质排放到水体、空气和土壤中。另外,开采引起的水土流失、泥石流等问题也尤为重要,其重要原因是矿区土地复垦和水土保持不及时[4]。煤矿开采还对土壤结构、微生物等造成破坏,并带来废水、废渣等排放问题。要彻底解决这些问题,关键在于通过合理规划、科学开采并合理利用煤炭资源,综合防治污染。现有研究表明,大气环境对煤矿开采影响较大,煤矿产生的大气污染物中以悬浮颗粒为主要排放形式[5],主要包括粉尘和煤尘,其中粉尘占65%～90%。除此之外还伴有各类其他粉尘,如石尘等。采矿引起的水土流失主要是由矿井涌水和矿区地表径流产生的。据统计,目前中国每年排入污水中的煤炭约占总储量的20%～30%,其中大部分是用于煤矸石排放[6]。此外,矿区洗煤厂排放的污水中还含有大量的工业废渣、废水。煤矿开采产生的废水、废渣也是环境污染的一大来源。土壤污染主要表现为土壤中重金属的富集和污染[7]。矿区土壤环境质量中,重金属主要来自于采矿活动,如露天矿山开采时产生的尾矿、煤矸石、冶炼废渣等[8-9]。这些尾矿库及废矿石的堆积不仅占用了大量土地资源,而且对土地造成严重污染。

为量化分析煤矿普遍存在的矿山环境问题,并有针对性地提出绿色生产策略,本文以河南省某年产60万t的中型煤矿为研究对象,量化分析并评价了大气污染、水污染、固废污染和土壤污染的环境影响,同时研究了产生各类环境问题的共性原因,并由此提出了适用于中小型煤矿资源绿色开发清洁生产的策略建议。

1 工程概况

河南省某煤矿设计生产规模60万t/a,服务年限34.8 a,矿区走向长约1.65 km,倾向平均宽1 km,面积1.793 km2。采用穿层斜井开拓方案开拓全井田,设置一个地面生产场地,共布置3条井筒。产品方案为原煤,不设洗选设施。井下原煤经地面简易筛分后外卖。除少量为贫瘦煤,其他均属焦煤。井下原煤经地面简易筛分后运输至集团公司洗煤厂统一洗选。区内煤层可作为炼焦、工业动力、民用取暖、一般工业锅炉、窑炉的燃料和部分气化原料用煤。粉煤可用于制型煤、高炉喷吹等,型煤气化、制造生产碳素材料、制备橡胶及城市水处理用滤料等工业用煤。本矿井原煤主要用于钢铁厂炼焦用煤,部分作动力煤供给电厂。矸石周转场选在工业产地附近的山里,井下矸石通过窄轨铁路运至工业场地卸矸站,再转运至矸石周转场。矸石周转场占地9 200 m2,环境主导风向常年为东南风。每层风化带防水煤矿高度14.28～39.51 m,采取沿煤层露头向内平推30 m为煤层风氧化带下层。矿区地形地貌中等,岩性组成主要为碎屑岩。矿区范围内出露地层属沉积岩类,为碎屑岩,另外还零星分布第四系岩层。矿井可划分为坚硬岩类、半坚硬岩类、软弱岩类及松散岩类,共计4类工程地质岩组。开采过程中,井下、地面引发地质灾害的可能性较大。同时还可能引发泉水枯竭或流量减少、水土流失等问题,将可能改变原始地质环境条件。总体上矿井内工程地质条件复杂程度属第三类(层状岩类)中等类型。

图1 煤矿周边环境污染Fig.1 Environmental pollution around coal mines

矿区内总体地势北高南低,分布于区域水文地质单元补给区,地层总体呈单斜产出,断裂构造不发育,矿井内地形地貌较单一,煤系地层中含全区可采及大部可采煤层13层,分别发育于中部及上部。富水性较弱,含裂隙水,为煤层直接顶、底板,属于今后矿井开采的直接充水层。当地最低侵蚀基准面为1 118 m,所开采的煤炭资源大部分位于最低侵蚀基准面以下,大部分地段有利于地下水的排泄。故本矿床属于以大气降水补给为来源的裂隙充水矿床,水文地质条件中等,水文地质类型属二类二型。矿井900 m水平以上正常涌水量为79.0 m3/h,最大涌水量为141.4 m3/h。矿井采用斜井开拓,三级排水方式,一采区采用一级排水方式。在900 m水平设井底水泵房和主、副水仓。井下涌水由井底水泵房水泵经管道、副斜井排至地面污水处理站。

2 矿山环境分析与评价

2.1 大气污染

根据《环境影响评价技术导则大气环境》的规定,对该煤矿大气环境展开分析。项目建设期采用空气源热泵进行供热,后期瓦斯电站建成后,供热采暖利用瓦斯电站的余热,不设置燃煤锅炉。储煤场采用全封闭式棚架结构,且采取喷雾洒水防尘措施,煤尘对外环境影响较小。矿井大气污染物主要来自于临时排矸场产生的扬尘污染,污染源为面源排放。根据分析,覆盖压实和喷洒水降尘后临时排矸场扬尘年产生量为0.50 t。储煤场采区全封闭并配备洒水抑尘设施,扬尘年排放量为0.66 t,主要污染源调查清单见表1所示。大气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 大气污染物排放量Table 2 Emissions of air pollutants

由表1和表2中大气污染物的追踪结果可知,煤炭在开采、运输过程中,会产生大量的粉尘和煤尘[10]。这些污染物排放的主要来源是生产中的通风设备、爆破和排矸场。由于煤矿采场高度、工作面长度及煤层厚度都较大,往往产生大量的浮尘,产生的粉尘具有扩散快、悬浮时间长、污染范围大等特点。在开采过程中,为了防止空气污染和煤矸石自燃,矿井内必须保持适当的通风量才能降低粉尘含量,但与此同时通风量过大又会导致空气对流增加,反而易导致粉尘含量增加。另外,在煤层开采过程中产生的瓦斯和煤尘可作为主要的燃料,一旦发生自燃和爆炸,将会产生巨大的安全隐患。据中国科学院环境研究所对全国400多个矿区的调查发现,60%以上的矿区空气中含有大量煤尘,其中50%以上的矿区粉尘含量超过国家卫生标准。这将会影响周围人群健康,并导致矿区周围的农作物减产甚至绝产。除此之外,煤矿开采不仅会产生大量煤尘,同时还会产生大量的放射性粉尘。追踪结果表明:固废也会带来大气污染问题。造成该现象的原因是矿山开采所产生的大量废渣,包括矸石、煤泥和各种矿渣等,这些废料往往堆砌于露天矿区周围及山坡上,产生大量气态废物进而对周围环境造成严重污染。

2.2 土壤污染

2.2.1监测与物质追踪

对煤矿周边土壤环境进行分析。由于地貌、气候、生活、岩性、成土母质的多样性,以及人类生产活动的影响,评价区域内的土壤类型分布具有明显的山原土壤垂直带谱和隐性水平分布规律。根据调查,项目所在区域及周边1 km范围内分布的土壤类型主要为黄壤,土体厚度一般大于60 cm。对土壤总重金属进行检测得到的结果如表3所示。

由于金属是土壤污染的重要因素[11],采用土壤单项污染指数法进行量化。单项污染指数法反映了土壤中各个重金属元素的污染程度,以污染物含量实测值与评价标准相比来计算污染指数。

(1)

式中:Pi为土壤中污染物i的单项污染指数;Ci为土壤中污染物i的监测数据,mg/kg;Si为污染物i的土壤环境质量标准值,mg/kg。

表3 重金属对土壤污染Table 3 Soil pollution caused by heavy metals

2.2.2原因分析

由表3可知,土壤中重金属的主要来源是采矿过程中产生的大量废渣,如煤矸石、尾矿和矿井废水等。由于处理不及时,这些物质通过浸出的方式进入土壤。土壤重金属污染破坏了矿区周围的土地植被,严重影响了土壤的正常结构和肥力。除此之外,水体排放也是重要途径,矿山废水和尾矿水虽然无色无味,但其含有各种污染物质,不经过处理直接排放到水体中,造成了有毒物质的迁移。采矿由于破坏了土壤结构,使土壤结构发生改变,从而影响其肥力和土地生产力。同时矿山开采还造成了大量矸石堆积,引起复垦难度大、复垦质量差等问题,进一步降低了土壤对重金属的降解能力。矸石中含有大量的有害物质,如硫、磷、砷等有毒有害物质及放射性物质等会造成矿区周边土壤和地下水的污染。不同类型煤矿在开采过程中都会产生大量的废水、废渣或矿山废水、尾矿,其中大部分是有毒有害物质和放射性物质。研究结果同时指出,采煤过程中产生的废水主要是矿井涌水和矿区地表径流产生的污染;尾矿主要是煤矸石、铁精矿、铜精矿及非金属矿废料等;此外,采煤过程中产生的其他废渣也会对土壤和地下水造成污染。

2.3 水污染

2.3.1监测与物质追踪

煤矿污水物质排放情况如表4所示。通过对SS、COD、石油类、Fe、Mn污染物质追踪发现,煤矿开采中所产生的污水、废水和固体废弃物均会对地下水环境产生影响。首先,由于地下水是一种非饱和带含水层,开采煤矿导致水位下降甚至使井下水位低于地表;其次,煤矿在开采过程中会形成许多煤矸石及固体废弃物,由于这些废弃物含有多种有害成分且不易降解和处理,因此会对地下水造成一定程度的污染。煤矿生产中还会产生大量废水及废渣。据统计,煤炭开采过程中所产生的废水和废渣约占煤炭总产量的15%左右。这些废水和废渣中含有大量有害成分,如氟、砷、汞等及重金属离子,如锌、铜、铅等,若直接排入水体或土壤中可能对水体及土壤造成严重污染。

2.3.2原因分析

矿区地下含水层一般为第四系松散层孔隙裂隙水和基岩裂隙水,具有自净能力。但由于煤炭开采过程中,矿井涌水及洗煤水未经处理直接排入含水层,使含水层受到严重污染,影响了煤炭资源的开采利用。通常煤矿开采所造成的地下水污染是由于在采矿过程中将煤炭直接或间接地排放到大气或土壤中,或将洗煤产生的废水直接排放到水体或土壤中。除此之外,矿井涌水形成的地下水对农业生产、工矿企业供水、居民生活用水等都有较大影响。在自然条件下,通过地表水、大气降水、地表径流等直接污染地下水是很少的;但是由于煤矿开采是一个复杂的工程,地下水污染往往不是单一因素导致,而是多种因素综合作用的结果,如矿井涌水进入地表水和浅层地下水后,地表水中的重金属离子会逐渐被地下含水层吸收,而对地下水水质产生影响,造成水体重金属污染;另一方面,由于洗煤废水含多种有毒有害物质,排放后会污染地下水源。

2.3.3污染加剧原因分析

进一步对地下水进行分析,结果如表5所示。结合以上分析可知,开采活动对地表土壤及地下水的污染主要是由于矿井排水和地表水渗漏造成的,以矿井水、矿坑涌水及地表径流为主要污染来源。由于矿井水未经处理直接排放或排入地表水系统中,导致当地地下水水质恶化、水量减少。煤矿开采对地下水的影响主要表现在以下几个方面。

1)矿区开采后形成的松散层孔隙裂隙水和基岩裂隙水是矿区地下水的主要组成部分,煤矿开采造成地表塌陷形成松散层。由于开采扰动,松散层破坏后的空隙中存在着大量空隙水和孔隙,而这些空隙水和孔隙中所含污染物较多。

2)煤矿开采后产生的固体废弃物是影响区域环境质量和生态环境质量的主要因素。在地表塌陷形成松散层后,地下空间大量扩大或变小,导致地下水径流方向发生改变且含水层厚度变薄。随着地质条件和地下水运动规律的改变会产生不同程度的潜水蒸发和潜水面下降现象,使大量被破坏的植被根系不能及时有效地恢复和补充。

3)由于煤炭开采造成大量地表沉陷塌陷形成了松散层,该层中所含污染物在大气、地表水或地下水的作用下向下迁移转化、积累和扩散,因此造成土壤污染、水资源污染以及生态环境污染等一系列环境问题。

表5 地下水综合情况分析Table 5 Comprehensive analysis of groundwater 单位:mg/L

2.4 固体废物污染

固体废物主要有工作面建设中的掘进矸石,地面、地下建构筑物施工过程中产生的建筑垃圾,另外还有施工人员产生的生活垃圾等。排放的固体废物主要为煤矸石、矿井水处理站煤泥、生活垃圾,此外还有少量生活污水处理站污泥和废机油等。每年矿井生活垃圾排放总量为163.4 t,矿井水处理站所产生的煤泥量约为500 t,污水处理站所产生的污泥约40 t,机修车间产生的废机油约5 t,井下液压支柱产生的废乳化液约1 t,在线监测设备产生的废液约0.5 t,更换的废铅酸蓄电池约5 t。

土壤污染主要是由于堆放在矿井周围的废渣与土壤相互作用而产生的,特别是废渣中所含的有毒有害物质会直接污染土壤,并随着雨水径流进入到农田中,严重威胁着农作物的生长。同时废渣还会改变土壤结构和性质,造成水土流失,并对地下水造成一定污染,煤矸石中含有大量重金属,如果不经处理排放到水体中,会对水源造成污染。煤矸石堆放在土壤中,会影响土壤的结构和性质,使土壤的持水能力降低,从而导致土壤板结,影响植物的生长。煤矸石对地下水的污染是由于煤矸石中含有大量重金属,经雨水冲刷进入到地下水中,使水中重金属含量超标。在井下开采过程中会产生大量的煤矸石,这类煤矸石堆放在矿井周围,不仅占用土地资源、破坏土壤结构,还会使大量废水、废渣和有毒有害物质进入到大气或地下水中。由于这些废弃物堆放在地下空间内,不仅不利于植物生长和空气流通,而且还会产生二次污染。

煤矸石中还含有大量重金属成分,如铜、镍、铅、锌等,这些金属对农作物及人体健康都有一定的危害。煤矸石堆放在地表的表层土中含量较高时,会对地表植被造成污染。在煤矿开采过程中会产生大量的矸石堆积在矿区周围,这些煤矸石除了堆放在地面上,有的还会被排入到地下,成为矿山环境的污染源。这类固体废物占用土地资源、破坏土壤结构并造成土壤污染,如果不加以处理排放到水体中或进入人体中会造成严重危害。另外,煤矿开采产生的固体废物堆积在矿区周围还会影响周围居民的生活环境。一般情况下煤矿固体废物的堆放是有规律的,但偶尔也会有不遵守规律的情况发生,如有的煤矿固体废物在堆放过程中随意丢弃、不加任何处理排放到自然水体中等。煤矸石中还含有钾、钙等矿物质,会对土壤和水源造成危害。

煤矸石的处理被认为是可行的。煤矸石可分为两类:一类是不能直接作为燃料的煤矸石,另一类是可作为建材利用的煤矸石。由于中国煤炭资源丰富,矿井排出的固体废物量较大,经化验分析,煤矿固体废物主要成分是粉煤灰、煤矸石和废塑料。粉煤灰一般含水分、灰分、挥发份等杂质,还含有某些重金属;煤矸石则含有大量的挥发份、碳酸盐和铁等,其中灰分质量分数高达80%。目前煤炭开采中所产生的煤矸石大部分并未得到很好地利用。这一方面是由于煤矸石本身具有一定质量,不易移动;另一方面是由于对煤矸石没有统一的管理制度等原因造成的。

在此,对煤矸石的成分进行分析,其物化性质与主要成分如表6和表7所示。本矿井类比分析的矸石化学成分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,本矿井的煤矸石适合制砖用,寻找周边矸石制砖厂进行合作或进行自主生产矸石砖,解决了矸石长期堆放的问题。煤矸石制砖化学成分如表8所示。

表6 煤矿矸石物化性质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 煤矸石制砖化学成分Table 8 Chemical composition of coal gangue brick

3 清洁生产策略

煤炭生产和加工是一个复杂的系统工程,涉及到原煤的开采、洗选加工、销售、运输等环节。因此,要实现煤炭的清洁高效利用,应从煤矿的开采、运输和利用环节入手,实施清洁生产。基于上述问题从技术、管理、源头与设计上多方面开展治理是降低煤矿环境问题的可行对策。

1)发展煤炭洗选加工技术。建设大型洁净煤厂,将煤炭从矿井直接输送到洗选加工中心,提高煤矸石和洗选煤产品的附加值。采取相应措施使煤矸石、洗煤水和煤泥等工业废物资源化和无害化。利用煤矿工业废水处理技术,将其转变为化学需氧量(COD)和总磷(TP)为零的高附加值产品。

2)建立矿区生态恢复和土地复垦制度[12]。首先,应对矿区进行统一规划和设计,合理布局露天煤矿和地下煤矿,严格控制矿山开采深度,建立矿区生态恢复和土地复垦制度。制定并严格执行煤矿企业污染防治方案,把环保要求贯穿于生产全过程,防止地表水、地下水和土壤受到污染。加强矿区绿化,对已遭到破坏的生态环境进行修复或重建,使其恢复到自然状态。

3)转变传统煤炭产业增长方式,推广清洁生产技术,提高资源综合利用水平。煤矿生产中,大量的煤矸石、矿井水和采空区积水都需要通过处理才能加以利用,目前这些废弃物处理方式大多采用露天堆放或排空等简单方式是不行的。应严格控制矸石、洗煤水及煤泥等工业废水向外排放,不允许将煤矿废水直接排入水体。

4)根据煤矿开采类型、矿井涌水量、地表水资源以及矿区内原有植被分布情况等进行合理规划。针对不同区域开发不同类型煤矿,采取不同技术方案,确保在实现安全生产的同时,最大程度地保护环境、节约资源。

4 结论

以河南某年产60万t的煤矿为代表,量化分析和评价了其大气、土壤、地下水和固废对周边环境的污染情况。结果表明:NO2、PM10、PM2.5和O3是煤矿大气污染的主要表征物质,矸石周转场和储煤场在大气污染中需要被重点关注。土壤污染以镉为主要污染元素,其余重金属均有一定的排放。重金属的排放以煤的洗选为主要排放途径,但是由于排放的种类较多且较复杂,因此环境治理会消耗较大成本,应当以改进工艺为主要措施。地下水作为污染的重点环节受工况影响较大,主要污染物为SS、COD、石油类、Fe、Mn,并表现出多种污染物质共存并相互影响。同时煤矿开采对地下的影响由于开采扰动,松散层破坏后的空隙中存在着大量空隙水和孔隙,而这些空隙水和孔隙中所含污染物较多。这种松散层中所含污染物在大气、地表水或地下水的作用下向下迁移转化、积累和扩散,又造成土壤污染、水资源污染以及生态环境污染等一系列环境问题。多种环境影响类型互相影响和转化,因此需要综合治理、系统化治理。中型煤矿的固废主要以矸石为主,结合煤矸石的物理组成,制砖是有效的可行手段。最后提出了从源头治理、政策制定、技术迭新与共同治理为核心的清洁生产策略。