专题综述-我国煤炭开采对水资源破坏的现状和保护的措施

专题论文我国煤炭开采对水资源破坏的现状和保护的措施（董国良 采矿032 西安科技大学能源学院 710054）摘 要：随着我国经济大发展的步伐，煤炭行业也如雨后春笋般地发展起来。煤炭的开采很大程度地推动了我国经济的发展，给我们带来了很大的经济利益，但是，我们在享受带来的经济利益的同时，我们必须及时、认真、清醒地面对由此而带来的负面影响，煤炭资源采出来了，但同时我们却失去其他宝贵的资源，其中，水便是破坏最为严重的资源之一。我国现在由于煤炭开采而破坏的水资源已经很严重，水对我们的重要性众所周知，因此，我们必须重视煤炭开采对水资源的保护，从而使我国经济快速而稳步地发展。关键词：煤炭开采 水资源 地下水 矿井水 水污染 污染治理Abstract: Along with the economy high-speed development-step in our country, the coal industry also develops like mushroom growth after spring tight rain. The coal mining impelled our country economys development whit great degree, and has brought many economic interests to us, but, we must promptly, earnestly, soberly to face the negative influence, while we enjoy the economic interest which brings from the coal mining. The coal resources picked, but we actually lost other precious resources simultaneously, among the resources, the water is one of the resources which destroyed seriously. The water resources which destroyed by coal mining already very serious now in our county, we all know the importance of water, so we had to take protection of the water resource which involved by the coal mining, and cause our countrys economy develops fast and with steady steps.Key words: Coal mining Water resources Ground water Pit water Water pollution Pollution government一、我国煤炭开采对水资源破坏的现状矿产资源的开发与转化是我国资本积累的主要途径之一，其中以煤炭开发利用所占的比例最大。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是少数几个以煤炭为主要能源的国家之一1。全国约75的工业燃料、76的发电能源、80的民用商品能源以及60的化工原料依靠煤炭2。煤炭是我国的主要能源，占我国一次性能源消耗量的75左右，这种以煤炭为主的能源结构在今后相当长的时间内不可能发生根本性的变化，煤炭开采作为一种地下活动，不可避免地对地下含水系统造成局部破坏和污染3。而且正因为采矿活动的生产进行，不可避免地产生大量的矿井水，从而污染和破坏地表水。煤炭开采对水资源的破坏和污染有两种形式，一是破坏、污染地下水；二是破坏、污染地表水。此两者按先后顺序来讲，地下水破坏和污染在地表水污染和破坏之前，这是因为煤炭开采时，破坏了地下原有的应力平衡，采矿时，由于应力的重新分配，使原有应力场发生变化，致使上覆岩层发生各种变形，产生裂隙、冒落等矿山压力显现，从而使裂隙等与地下水系导通，致使地下水系破坏，从而使其污染，这些流入井巷中的地下水也正是矿井水的重要组成部分。若两者按破坏和污染的程度来说，最突出的表现是地表水污染，其次才是地下水污染。本质上讲，地表水的污染主要是由采煤活动过程中矿井水的排放引起的，据不完全统计，在我国不经处理而外排的矿井水约2.2109/a，这些矿井水中通常悬浮物等污染物的浓度较高，必然造成水环境的污染4。我国每年排放的22亿立方米的矿井水，其中1/6超标外排5。由于煤炭开采对地下水系的破坏，我国大部分矿区已经很难食用地下水，特别是在缺水的西北地区，此种情况更为严重。矿井水对地表水系的破坏和污染也日趋严重，对煤炭开采造成的水资源破坏和污染，我们必须快速而有效的付之以行动。二、煤炭开采对地下水破坏和污染的形成1.煤炭开采破坏地下水系结构，使地下水流失（文章在前已叙述）。2.煤矸石淋滤污染浅层地下水。我国煤矸石积存量约30多亿吨，占地12000ha之多，仍以每年1.3亿吨排放。在煤矿区，煤矸石山星罗棋布，在雨水和洒水作用下，煤矸石中有毒害元素（Cu2+、Pb2+、Zn2+、F-、Cl-等）可随淋滤进入土壤，从而向浅层地下水迁移。图1为兖州矿区东滩矿的煤矸石山堆东侧土壤中某集中微量元素（Zn、Cr、Cd、Hg、As）含量随距煤矸石山距离的变化趋势6。很明显，距离矸石山越远，土壤中这些元素的含量逐渐减少。煤矸石对土壤的污染势必导致浅层地下水的同样危害。3.粉煤灰污染浅层地下水粉煤灰是火力发电厂的工业废渣，在灰场区内排放堆存，人为的增添了新的污染源，图1 Zn、Cr、Cd、Hg、As在煤矸石堆附近土壤中的迁移曲线对周围的水环境产生了重要影响78。淮南洛河电厂冲灰水、粉煤灰及土壤中主要有害元素含量如表1所示。由于粉煤灰的长期露天堆放，经日晒雨淋，有毒成分向下渗透，在土壤中浓缩聚集，必定向浅层地下水中迁移，污染浅层地下水资源。4.浅层地下水中氟聚集污染地下水煤矿地区浅层地下水中氟的来源有两种主要途径：一是如果煤中含氟量高，在燃烧时极易以气体形式释放出来，在雨水作用下，或通过民用井直接进入或通过渗滤间接进入浅层地下水环境，增加了浅层地下水中氟的浓度；二是煤矸石山及粉煤灰中氟淋滤后，通过土壤渗滤进入浅层地下水含水层，造成氟的迁移和聚集。长期饮用这种高氟地下水，必然导致氟病的发病率增高。刘桂建的研究表明6，鲁西南梁宝寺井田浅层地下水中含氟的浓度达到46mg/l，有的高达10 mg/l，远远超过了饮用水标准（1 mg/l）。在调查表1 洛河电厂冲灰水、粉煤炭及土壤中有毒有害元素含量元 素含 量备 注冲灰水（ppm）粉煤灰（）土壤中（mg/Kg）F1.23011.2172410距离粉煤灰越近，土壤中各元素越接近最大值As0.01918.107.112.7Hg0.000050.420.0250.217Cd0.0010.550.0220.117Cr0.2507.18/Pb0.0098.6910.030.0Zn0.0025/Cn0.001/0.0170.080陈兆炎.桂和荣.胡文彪等.淮南洛河发电窑河洼灰场环境影响的评价研究报告，1992的35个村庄、35233人中，患有明显氟牙病者23716人，占总人数的67.3，其中有氟骨病症状者4124人，占患者人数的17.4，如表2所示。表2 梁宝寺区浅层水氟含量和发病情况分析表含氟量（mg/L）调查村庄数调查人数地氟病患者人数百分比（）0.82.0640121051262.04.014142718016564.07.0111312811102847.010.043814354793合 计35352332371667三、矿井水对水资源的破坏和污染以及主要形式矿井水是煤矿开采过程中，从各种来源流入矿井的水的总称。矿床开采破坏了地下水原始赋存状态，使岩层产生裂隙，密切了各含水层之间的水力联系，有助于大气降水和地表渗透补给，使各种来源的水沿着原有的和现有的裂隙渗入井下采掘空间，经矿井排水系统排出地面。1.造成矿井水污染的污染物来源井下粪便的污染。主要是井下工作人员的排泄物，这些未经任何处理的粪便混入水体，造成矿井水的污染。煤、砂尘的污染。主要是由于煤炭在开采及井下运输过程中，大量的细煤屑、砂尘进入矿井中的水体，使矿井水的悬浮物增多，并使水浑浊呈炭黑色。此外，煤尘中的硫、苯、酚、磷、焦油等杂质混入水体，也使矿井的有害物质含量升高。废坑木的腐烂污染。废坑木在巷道内腐烂，使细菌、霉菌大量繁殖，致使细菌指数大大升高；有机氮的分解造成亚硝酸盐含量的增高，并散发出少量的腥臭味。废机油、废酸液的污染。井下矿车都要消耗一定数量的机油，而废机油常常进入矿井水，致使水体表面出现油膜。另外，井下电机车修理间、充电及整流硐室洗电瓶等废水排入水沟，常使水体受到废酸液的污染。井下洒水及防火灌浆水的污染。井下洒水及防火灌浆水，进一步加剧了矿井水的污染。因此，矿井水受到了一定程度的污染。从感观上，水体呈黑灰色、浑浊，水面浮有油膜，并散发出少量的腥味。从水质分析结果看，悬浮物浑浊度、矿化度及色度高，化学耗氧大，尤其是细菌总数和大肠杆菌群特别大。此外，铁、挥发酚、氟化物、氯化物、溶解性总固体含量也较高。2.矿井水污染的几种形式我国按照对环境的影响以及作为生活用水水源的可行性，习惯上将矿井水按水质类型特征分为洁净矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含有有害有毒元素或放射性元素矿井水等几种类型。高矿化度矿井水含有SO42-、Cl-、Ca2+、K+、Na+、HCO3-等离子，硬度相应较高，水质多数呈中性或偏碱，带苦涩味，少数有酸性。高矿化度矿井水不利于作物生长；会使土壤盐渍化；用作锅炉用水容易结垢；作建筑用水，会影响混凝土质量。人长期饮用，将引起腹泻和消化不良，尤其对心脏和肾脏病患者影响更为严重。我国北方缺水煤矿区的矿井水往往属于高矿化度矿井水。酸性矿井水水质特征为PH值小于5.6的矿井水，一般为33.5之间，个别小于3，总酸度高。当开采含硫煤层时，硫受到氧化与生化作用产生硫酸，酸性水易溶解煤及围岩中的金属元素，故铁、锰、重金属元素以及无机盐类增加，使矿化度、硬度升高。酸性水在我国南方高硫煤矿区比较常见。酸性水易腐蚀矿井设备与排水管路，并危害工人健康，排至地面会影响土壤酸碱度，使土壤板结，作物枯萎，酸化地表水，危及水生生物，对环境与生态造成重大损害。含有害有毒元素或放射性元素矿井水主要是指含有氟、铜、锌、铅及铀、镭等元素的水。含氟矿井水来源于含氟较高的地下水区域或煤与围岩中含氟矿物萤石（CaF2）氟磷灰石等，高氟水的危害已在前文做了叙述。含重金属矿井水主要有铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pd）等，浓度符合排放标准，但超过生活饮用水卫生标准，不宜直接饮用。放射性元素水主要含铀（U）、镭（Ra）等天然放射性元素，及其衰变产物氡（Rn），超过生活饮用水卫生标准。四、地下水破坏、污染和矿井水污染的防保1.对地下水破坏、污染的保护措施在进行地下采煤时，应综合应用当地地理环境，为保护地表河流、湖泊、水体等，开采时专门留设保护矿柱。采取特殊采矿方法保护浅层地下水体，如开采时采用充填法、房主法、条带法等采矿方法。加强对煤矸石和煤灰的集中和有效的管理，防止其对浅层地下水的污染。如在矸石、煤灰与地表之间铺设隔离层等。要加强对地下水中氟污染的防治。2.对矿井水污染的保护措施在采矿活动中，对水资源造成污染和破坏，程度最大是矿井水。因而，有效的治理矿井水污染是非常重要的工作。对矿井水悬浮物的治理构筑物式处理工艺技术主要通过水力循环澄清池混凝反应沉降，再经重力式无阀滤池过滤去除矿井水中的悬浮物。其工艺流程如图2所示。矿井水由井下排水泵提升至地面预沉调节池，经水质均化，水量调节后的矿井水由提升泵提升进水力循环澄清池，并在泵前加入混凝剂，泵厚加入絮凝剂，混合后的矿井水在水力循环澄清池内部经絮凝反应，沉淀后，出水自流进入重力式无阀滤池，过滤后的出水浊度在3NTU以下。出水再经过消毒后作为生产或生活用水。无阀滤池的反冲洗水进入集水池，由潜污泵提升进入预沉调节池循环使用，以提高矿井水资源的利用率。水力循环沉清池泥斗中的煤泥定时排放至煤泥浓缩池，浓缩后经渣浆泵送入压虑系统处理。高效矿井水净化设备式处理工艺高效矿井水净化处理工艺主要是通过水力循环澄清和普通快虑相结合去除矿井水中的悬浮物。该设备式矿井水处理工艺流程如图3所示。图2图3矿井水由井下排水泵提升至地面预沉调节池，经水质均化，水量调节后的矿井水由提升泵提升进入高效矿井水净化设备，并在泵前加入混凝剂，泵后加入絮凝剂，混合后的矿井水在该净化设备内部絮凝反应、澄清、过滤，过滤后的出水浊度在3NTU以下。该净化设备反冲洗出水进入集水池，再经过潜污泵提升进入预沉调节池。排泥进入煤泥浓缩池，再经过渣浆泵提升进入压虑系统。对高矿化度矿井水的治理电渗析法处理工艺电渗析脱盐是在外加直流电场的作用下，利用阴阳离子交换膜对溶液中阴阳离子的选择透过性，离子作定向的迁移，即阴离子只允许通过阴膜，阳离子只允许通过阳膜，达到溶质与溶液的分离，从而实现原水淡化的目的。为保证电渗析装置长期稳定，可靠运行，原水进电渗析器前必须进行严格的前处理，使原水浊度控制在3NTU以下，并确保Fe、Mn、Cl等符合规定要求。电渗析淡化工艺流程如图4所示。图4 电渗析淡化工艺流程图1原水池 2原水泵 3精密过滤器 4清水池 5清水泵6电渗析设备 7淡水池 8淡水泵 9气压供水罐 10浓水池 11浓水泵经前处理的矿井水进入原水池，由原水泵打入精密过滤器，出水进入清水池和浓水池，再由清水泵和浓水泵打入电渗析设备，经电渗析淡化处理后的淡水再进入淡水池，再由淡水泵打给气压供水罐，送至用户。电渗析淡化采用浓水部分循环工艺，浓水一部分循环，另一部分作为极水使用。反渗透法处理工艺反渗透法又称逆向渗透法，是以大于溶液渗透压的压力作为推动力，用半透膜过滤，使溶液中的溶剂和溶质分离的方法。反渗透的工艺包括预处理、膜分离和后处理。预处理是为了消除和减少原水对膜分离功能有害的各种因素，包括去除悬浮物、调节pH值和温度、抑制膜表面产生水垢，消毒和防止生物污染。去除油类和有机物等。一般采取混凝、沉淀、活性炭吸附、加酶、加氯等步骤。根据出的使用目的，通常采用的后处理方法有脱除CO2、中和、消毒、活性炭过滤等。后处理系统如图5所示图5 反渗透处理系统图反渗透处理系统通常分为单程式、循环式和多级串联式。单程式（图5a），原水一次通过反渗透装置后分别以浓水和淡水连续地排过。循环式（图5b）一部分浓水回流到原水池作为反渗透设备的供水，可提高水的循环率，但透过水的水质有所降低。当处理水量大时，将单程式改为多级串联系统（图5c）可提高水的回收率。对酸性矿井水的治理石灰石中和法石灰石中和滚筒法和生流式膨胀过滤中和法的基本原理，均采用石灰石作中和剂与酸性矿井水中硫酸进行中和反应，产生微溶的钙盐和易分解的碳酸，其反应式为：CaCO3H2SO4CaSO4 H2CO3 H2O CO2由于滤料处于不断滚动和摩擦状态，不断产生新的反应表面使反应能够连续进行。石灰中和法石灰中和法是利用石灰中CaO与酸性矿井水中的硫酸产生反应：CaOH2SO4CaSO4 H2O酸性矿井水得到中和，其工艺流程如图6所示。图6 石灰中和酸性矿井水的工艺流程将氧化钙含量为6781的石灰制成含活性氧化钙510的石灰乳，加入中和氧化池中，同时采用机械搅拌进行充分搅拌，经沉淀、过滤后，清水达到国家有关废水的排放标准（PH为6.09.0）或者会用于煤矿工业用水，废水中的铁、镁、铝等一些有害的重金属离子转化成稳定的溶度积很小的氢氧化物沉淀并被除去。此法因其工艺简单，操作方便，出水PH值能达到排放标准，除铁效率比石灰石中和法高等优点，目前被普遍采用。生物化学处理法生物化学处理法含铁酸性水是目前国内外研究比较活跃的处理方法之一。在美国、日本等国家已经进行了实际应用。该方法的原理是利用氧化亚铁硫杆菌在酸性条件下，将水中二价铁离子氧化成三价铁离子，然后用石灰石再进行中和，以实现酸性矿井水的中和及除铁。湿地生态工程处理法湿地生态工程处理法是近期迅速发展起来的一种污水处理技术，具有投资省、运行费用低、易于管理等突出的优点，所以引起人们的极大兴趣。湿地生态工程处理酸性矿井水的设想并非从废水处理进化而来，而是从废弃矿井酸性水通过自然水藓（或泥炭）沼泽地观测研究起来的。在煤矿区，随着地下煤炭资源大量采出，岩体原有平衡遭到破坏，所以，在采空区上方地表造成大面积的塌陷。据统计，截止1990年底，我国因开采塌陷面积达3.0105hm2，平均每采1万吨煤塌陷土地达0.2 hm2。这些塌陷区随着时间的推移，逐步形成自然的湿地生态系统。受酸性水危害的煤矿，可对这样的湿地进行人工改造和设计。但这种方法需要占用大量的面积，大片的塌陷区改造成具有处理能力的湿地生态工程，势必耗费巨大的投资，由于占地面积大，将来管理和维护上也非常困难，因此，应用很少。对有毒有害元素或放射性元素矿井水的治理目前，对有害有毒有害元素如铜、锌、铅等主要靠深度过滤除去。对放射性元素如铀、镭及其衰变产物氡采用水质放射性专用净化剂进行处理。五、总结从上叙述我们不难发现我国煤炭生产对地下水和地表水破坏和污染的现状十分严峻，而且都有相应的治理方法