煤礦開采固體廢棄物對環境的損壞及治理方法
0 引言
我國是以煤炭為主要能源的國家，一次能源結構中煤炭約占74％，煤炭提供了78％的發電能源，70％的化工能源和60％的民用商品能源[8]。我國2005年生產煤炭21.9 億t，規劃2010年為25億t，2020年為28億t，煤炭將長期是我國的主要能源[9]。煤礦生產會產生大量的固體廢棄物，它主要是開采、分選和加工過程中產生的廢棄巖石——煤矸石，約占煤炭產量的10％－15％，是我國排放量最大的工業固體廢棄物。近年來，隨國民經濟的持續快速發展，對電力的需求也不斷增長，煤炭企業逐步加大對煤電的投資力度。煤電生產過程中排除大量的粉煤灰也成為煤礦固體廢棄物。據有關部門統計，截止到2004年底，全國有矸石山 1500多座，占地約22萬多公頃[2]。目前，我國煤矸石的存積量已達41億t以上，隨煤炭產量的逐年增加，煤矸石排放量也不斷增長，按照我國目前的煤炭年產量25億t計算，排矸量在仍在以每年4~5億t左右的速度增長。大量矸石堆積，造成了嚴重的環境損壞，成為影響煤炭工業可持續發展的一大難題。
1 煤矸石的物理、化學成分及特性
煤矸石是多種礦物混合組成的沉積巖，主要由高嶺土、石英、蒙脫石、長石、伊利石、石灰石、硫化鐵、氧化鋁和少量的稀有金屬氧化物組成。主要的巖石種類由黏土巖類、砂巖類、碳酸鹽類和鋁質巖類，在不同地域的煤矸石還含其他鹽類及重金屬鹽類。煤矸石中的部分鹽類可溶于水。煤矸石的化學成分復雜，主要成分為氧化硅、氧化鋁、硫化鐵。煤矸石經過高溫煅燒可具有表面活性。
2 煤矸石污染途徑
大量的煤矸石露天堆放形成矸石山，其中的有害成分和化學物質可以進入大氣、土壤、地表、地下水造成環境污染。通過環境介質直接或間接進入人體，威脅人體健康。如圖所示為煤矸石進入環境與其中的化學物質危害人類，傳播疾病的途徑。
3 煤矸石堆積造成的環境損壞問題
3.1 占用耕地資源 土壤是很難再生的資源，地球上每形成1厘米厚的土壤，需要經過300－500年的漫長歲月。而我國是一個耕地資源非常緊缺的國家，人均耕地占有量僅為 1.51畝，是世界人均量的45％，我國以占世界7％的耕地養活占世界22％的人口。堆貯煤矸石已經占用大量的土地資源，且在逐年增加。據統計，截止到 2004年底，全國1500余座矸石山占用了約22億公頃以上的耕地。煤矸石累計堆積量超過41億噸，且在逐年增長。特別是在東部、中部礦區，矸石山基本都堆積在可耕的糧田之上，例如，據平煤集團統計，煤矸石平均占地系數為41.46畝/百萬噸，預計到2010年排放矸石累計占用耕地達到11485.16 畝[7]。煤矸石的大量排放堆積造成了較為嚴峻的社會經濟問題。
3.2 污染水資源及土壤 矸石山表層暴露于空氣，經雨水的浸漬、陽光暴曬下分解產生可溶礦物、煤矸石本身所含的可溶性礦物隨天然降水和地表徑流進入江河湖泊、開采沉陷積水區。矸石山揚塵在風力作用下攜帶有害物質進入地表水體。或隨滲流瀝水進入附近土壤滲入地下水，矸石山流出的水PH值可達到3，并且攜帶鎂、鈉、鉀離子及鉛、砷、鉻等有害重金屬離子，造成地區和區域性的地表水與地下水污染。位于陽泉一礦北頭村東平溝煤矸石山自燃后，矸石山下原有的一個山泉積水池失去引用價值，泉水顏色改變，生物絕跡。據村委會調查，全村120戶人家490人中，有10人患癌癥，其中肺癌4人，食道癌2人，喉癌1人，腸癌1人，膀胱癌1人，骨癌1人。矸石山在長期的淋濾作用下，相應的元素運移至地表，被土壤吸附而富聚到表土層中。而土壤是由多種細菌、真菌組成的生態系統，有害成份進入土壤，能殺死土壤中的微生物，使土壤腐解能力降低或喪失、土壤肥力喪失。破壞了植物適應的環境，導致土地產力下降，甚至草木不生。
3.3 污染大氣環境 煤礦矸石造成的大氣污染可分為固體微粒懸浮物污染和有毒有害氣體污染。造成的堆積成山的表面矸石在半年到一年后產生約10厘米厚的風化層，隨時間的推移和風化程度的加深而變細。據統計，當發生4級以上風力時，直徑在1～1.5cm的粉塵將從矸石山表面剝離。形成揚塵懸浮物進入大氣，其飄揚的高度在 20～50m以上，造成礦區大氣污染。“灰塵滿天，污水橫流，地面設施一片黑”成為很多礦區的典型寫照。矸石山自燃、矸石發電產生會產生大量的CO、 SO2、H2S、NH3等有毒有害氣體和煙霧污染進入大氣層造成嚴重的大氣環境污染。例如，陜西省銅川市由于煤矸石自燃產生的SO2量每天達 37t[4]。礦區大氣污染使附近居民慢性氣管炎和氣喘病的患者增多，周圍數目落葉，莊稼減產。
3.4 煤矸石其他危害 隨煤炭工業的發展，矸石堆積量不斷增加，使潛在的矸石山滑坡威脅增加，特別是矸石山的自燃加劇了滑坡崩塌的可能性。對矸石山附近居民住所、礦區交通系統造成威脅。國外曾發生過矸石山滑坡掩沒山谷下小學造成多人傷亡的事故。2005年5月，平頂山四礦的矸石山由于自燃發生崩塌事故，造成埋沒附近民房燒死8人的重大事故。遼寧本溪也曾發生過矸石山自燃造成人員中毒傷亡的事故。
4 矸石山的治理及煤矸石的綜合利用
4.1 國內外利用治理現狀 世界各國都很重視煤矸石的處理和利用。自20世紀60年代開始，煤矸石的綜合利用就引起很多國家的高度重視。到70年代，法國、德國等國家的煤矸石利用率已達30％～50％，部分礦區的煤矸石利用率甚至達到100％。英國煤管局在1970年成立了煤矸石管理處，波蘭和匈牙利聯合成立了海爾得克斯矸石利用公司。這些機構專門從事煤矸石的處理和利用。英國在70年代初開始以法規的形式提出矸石山的治理。1988年，英格蘭有近4700hm2的煤礦區廢棄土地荒蕪，其中93％的需要復墾治理[1]。
我國煤矸石處理利用起步較晚，起初對煤矸石處理主要是“以堆為主”，綜合利用率較低，“八五”期間綜合利用率一直在38％左右長期徘徊。進入21世紀，樹立了“因地制宜，積極利用”的綜合利用指導思想和“誰排放誰治理，誰利用誰受益，以用為主”的利用原則。2000年，全國煤矸石綜合利用量已達6600萬t，比1995年增加1000萬 t，綜合利用率由1995年的38％提高到43％。2005年全國煤矸石綜合利用量增加到8000萬t，綜合利用率提高到60％。目前，全國119處國有重點煤礦，煤矸石綜合利用率在50％以上的有72處，占60％以上。其中開灤礦區2000年的綜合利用率達92％[2]。
4.2 煤矸石綜合利用 煤矸石綜合利用是我國一項長期的技術經濟政策。如何利用煤矸石，減少它對環境的污染，成為當前的一大技術課題。煤矸石綜合利用是一個復雜的系統工程，既涉及集體的工藝、技術，又涉及復雜的各種社會經濟矛盾[3]。我國政府專門制定了“全面規劃，合理布局，綜合利用，變害為利”的煤矸石處理方針，實施了如《關于進一步開展資源綜合利用的意見》、《關于公布“在住宅建設中逐步限時進制使用實心粘土磚”大中城市名單的通知》、《財政部、國家稅務總局關于部分資源綜合利用及其他產品增值稅政策問題的通知》等一系列政策和優惠措施，提高煤矸石綜合利用率[5]。
目前，將煤矸石綜合利用主要有以下幾個方面：
4.2.1 煤矸石用作燃料發電。2000年底，全國有煤矸石、煤泥等低熱值燃料電廠120余座，總裝機容量184萬KW，年發電量8.5億KW.h。到2005年年末，煤矸石電廠裝機容量已經發展到550萬KW，新增裝機容量360萬KW。
4.2.2 煤矸石用于制造磚塊、水泥、加氣混泥土、微孔吸音磚、瓷磚、輕集料等各種建筑材料。未經燃燒的煤矸石配料制磚可以節約原煤。并且有投資少、方法簡單的有點，已被廣泛使用。2000年底，全國煤矸石磚場達240余座，生產能力為22億塊標準磚。“九五”期間，全國共建設煤矸石新型墻體材料生產線10條，生產能力達6億塊標準磚。2005年產量以增加到100億塊。生產建筑輕集料因工藝較復雜，對技術設備要求高，在國外使用多但我國使用較少。
4.2.3 煤矸石用于復墾。煤礦開采將導致地表沉陷損害，破壞寶貴的耕地資源。改善礦區生態環境，調整礦區產業機構，降低煤炭資源枯竭對礦區持續發展影響風險，是我國當前煤礦區持續發展亟待解決的重要問題。因此，要統籌規劃開采和復墾工作。煤矸石充填是一種重要的復墾方式，在利用廢棄物的同時解決沉陷地的復墾問題，可取得一舉兩得的效果。
4.2.4 煤矸石用于道路工程。筑路對于煤矸石的種類和品質沒有特殊的要求，對有害成分含量的限制要求不高。煤矸石用于筑路工程具有耗渣量大、無須進行特殊處理、不需采用特殊技術手段的優點，是利用煤炭工業廢棄物減少環境污染損害的有效途徑。曾用于徐豐公路廟莊礦區1.2km塌陷區路段和徐州市重點工程的施工實踐。
4.2.5 煤矸石用于注漿技術。煤矸石具有潛在的火山灰活性，在一定條件下可激活并運用于工程注漿，將破碎松散的巖層膠結成一個整體，利用漿液與土體、巖石破壞結構體的共同作用改善巖層的物理力學性能，從而形成一個結構新、強度大、防水性能高、化學性能穩定的“結石體”。將煤矸石制成注漿材料，對因開采工作造成的巖層移動變形損壞空間及時注漿，減少巖層移動、變形、破壞量，進行地面減沉控制已經在工程實踐中得到運用，成為煤矸石綜合利用的有一個發展方向。
5 結束語
煤矸石造成的環境損害將隨煤炭產量的增加而加劇，造成嚴重的環境污染問題和社會經濟問題，極大的損害了煤炭企業的自身企業形象，阻礙礦山綠色開采進程和煤炭行業的可持續發展。因此，將煤矸石綜合利用作為我國長期的技術經濟政策是保證保證煤炭行業可持續發展的必然要求。
參考文獻：
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[2]李永生，郭金敏，王凱.煤矸石及其綜合利用 [M].徐州：中國礦業大學出版社.2006.8.
[3]付梅臣，胡振琪. 煤礦區復墾農田景觀演變及控制研究[M].北京：地質出版社.2005.7.
[4]王紹文，梁富智，王紀曾. 固體廢棄物資源化技術與運用[M].北京：冶金工業出版社.2003.6.
[5]顧國維，何澄.綠色技術及運用[M].上海：同濟大學出版社.1999.5.
[6]余學義，張恩強.開采損害學[M].北京：煤炭工業出版社.2004.9.
[7] 杜水鋒，潘義民，鄧寅生.平煤集團煤矸石綜合利用現狀和發展建議[J].煤炭加工與綜合利用.2004.2.
[8]謝和平，礦山巖體力學及工程的研究進展與展望[J].中國工程科學.2003.5(3).31~37.
[9]錢鳴高，繆協興，許家林.資源與環境協調(綠色)開采[J].煤炭學報. 2007.32(1):1~7.
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