煤矸石对煤矿矿区的环境影响及其防治对策.pdf

文章 编号 1 0 0 7 0 4 6 X 2 0 1 4 0 4 0 0 2 4 0 4 圈废耕用 煤矸石对煤矿矿区的环境影响及其防治对策 E f f e c t o f G a n g u e o n E n v i r o n me n t o f C o a l Min e A r e a s a n d I t s P r e v e n t i o n a n d T r e a t m e n t 冉 建平 忠县环境保护局 重庆忠县 4 0 4 3 0 0 摘要 介 绍 了煤矸 石的 来源 对矿 区大气 土壤 水体 生态的影响 煤矸 石堆放 矿 区还存在 占地 自燃 水 土 流失 山崩滑坡 泥石流等隐患 综合利用煤矸石的方法有清洁生产 建材利用 生产肥料 矸石发电 对环 境 污染的 防治措施 包括 防 自燃 复 垦 生态处理 工程 关键词 煤矸石 环境污染 防治对策 中 图分 类 号 T D8 4 9 5 文 献标 志 码 A 0 前 言 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国 采煤的副 产品一煤矸石则是我国排放及积存量最大 占用堆积场地 最多的矿业废弃物 约占全国工业废渣排放量的 l 4 煤矸 石的堆积 会造成煤矿矿区环境污染 破坏矿区景观 甚 至危害生命财产 煤矸石的综合利用可减少矸石的总量 但对于防治矿区环境的污染效果甚微 对于资源枯竭型矿 区 矸石山的生物复垦和微生物复垦技术以及煤矸石在生 态工程技术中的应用 是防治矿区煤矸石对环境污染的行 之有效的方法 1 煤矸石的来源 煤矸石的主要来源有 露天剥离以及井筒和巷道掘 进过程中开凿排出的矸石 约占4 5 在采煤和煤巷掘 进过程中 由于煤层中夹有矸石或底板岩层的混入 使运 到地面上的煤炭中含有矸石 约占3 5 煤炭洗选过程 中排出的矸石 约占2 0 煤矸石的主要化学成分为S iO A 1 2 0 3 F e 2 0 3 C a O M g O T i 0 2 P 2 0 5 K 2 0 和 N a 2 0等 其中 S iO 的含量一般在 4 0 6 0 之问 少数可达 8 0 以上 A 1 O 含量在 1 5 3 0 之间 铝质岩为主的矸石 则达 4 0 以上 F e 0 的含量在绝大部分矸石中 1 0 C a O M g O等一般含量都很低 2 4 COALASH 4 2 01 4 2 煤矸石对矿区环境的影响 2 1 对矿区大气环境的污染 煤矸石在提升 运输 堆放过程中 会形成一种粉尘 颗粒 在风速达 4 8 m s 时 颗粒就会飞起并悬浮于大气 中 据实测 在距矸石山下风方向5 0 0 m处 总悬浮微粒 浓度可达0 8 m g m 粉尘中含有很多对人体有害的元素 如 H g C d c r C u A s M n z n A 1 等 5 m的颗粒也会 留在人的鼻腔中 导致鼻腔感染 若进入眼中 会引起 各种眼疾 另外 颗粒悬浮于大气 中 破坏 了大气的温室效应 使气候出现异常 若井下排出的矸石中 当含硫量 1 时 在加压 通风 氧化的条件下 会发生自燃 煤矸石山一 旦自燃 不但释放出c 0 s O c O 2 H 2 s N O和 c H 碳氢化合物 等有害气体 同时还伴有大量的烟尘 严重 污染矿区的大气环境 2 2 对土壤和水体的污染 矸石在露天堆放过程中 经雨水淋溶后部分物质被溶 解 并随雨水形成地表径流进入土壤 地表水体或地下水 体时 造成土壤 地表水或地下水的污染 当人们饮用被 污染的地下水时 其中的重金属等有害物质会严重危害人 体健康 甚至危及生命 地表体长期受这种淋溶水污染时 会使水质逐渐酸化 当用来养殖时 会造成鱼类和其他淡 水生物的死亡 破坏水生生态环境 当淋溶水随雨水形成 地表径流进入土壤 破坏了土壤中重金属的本底值和平衡 关系 同时也破坏了土壤的养分 并对土壤中微生物的活 动产生影响 这些有害成分的存在 不仅有碍植物根系的 发育和生长 而且还会在植物有机体内积蓄 通过食物链 危及人体健康 2 3 生态污染 导致矿区生态污染的原因是多方面的 矸石山自 燃 淋溶污染 矸石山风蚀扬尘是主要原因 A s C r H g c d 等 2 2 种有害微量元由于自 燃 淋滤 风化等作用而逸出 污染大气 土壤 植物和水环境 煤矸石自燃矿区周边区 域往往树木枯萎 农作物严重减产甚至绝收 矸石中微量 元素含量一般高于煤层 并高于地壳丰度值 而且随距离 煤矸石堆由近而远 土壤中微量元素浓度呈降低趋势 1 9 9 1 年对山东某矿矸石堆周围土壤环境中的 H g 的分析表 明 H g 在被污染土壤中的浓度是对照点浓度的 3 5 5 7 倍 2 4 占地问题 我国煤矸石综合利用率低 随着煤矸石持续堆放 每 年新增占地4 0 0 h m 2 以上 统计数据表明 仅山西晋城2 0 0 1 年矸石堆存点达 2 8 0处 积存总量 2 6 5 0 2万 t 占地 1 0 8 8 h m 2 矸石山占地状况对于 2 3为山地 人口占世界 1 4 人均占耕地 0 0 8 4 h m 不及世界人均占地 O 3 6 6 h m 的 1 4的我国而言 危机严重 2 5 自燃问题 水和氧是矸石山自燃的必要条件 煤矸石中的硫铁矿 和碳元素是矸石山自 燃的物质前提 在水的作用下 硫铁 矿产生硫酸水溶液 并伴随放出大量的热 促进煤的水解 在有氧供应条件下 硫铁矿低温氧自燃 并放出热量 从 而引起含碳物质的燃烧 1 9 9 1 年统计 我国在 1 2 0 0座矸 石山中 约有1 3 在燃烧 这些矸石山以黄河中上游一带 为甚 2 6 爆炸问题 煤矸石山一般灰分为7 0 一 8 0 发热量为3 3 5 0 6 2 8 0 J 硫含量较高 煤矸石堆积后内部自燃 当产热速率大于散 热速率时 矸石维持燃烧 温度升高 可达 8 0 0 1 2 0 0 时 自 燃产生的S O 2 C O 2 C O C H 4 C 2 H 4 N H 3 N 2 H 2 及水蒸气集聚 增大了矸石山自 燃区内部的压力 从而形 成一个内部高温高压的环境 根据热力学理论 当其内部 温度和压力达到一定程度时就会发生爆炸 并引起崩塌 滑坡 形成连锁灾害 矸石山爆炸是我国煤矿常见的地质 灾害 曾多次造成多人员伤亡 例如 2 0 0 5 年 5月 1 5日 晚河南平顶山四矿一座绝对高度将近百米的矸石山突发喷 爆崩塌 1 0 0 m外 1 8间民房被冲毁 有 8 人遇难 6人 重伤 该矸石山有煤矸石数百万吨 常年自燃 内部温度 可达 8 0 0 2 7 结构侵蚀及水土流失问题 矸石山的侵蚀量和侵蚀类型依其堆积年限 堆积物的 物理性能及特殊的堆放性态的不同而不同 当年堆积的坡 面侵蚀强度最为剧烈 如甘肃省内矸石山年侵蚀模数高达 3 7 7 5 8 t k i n 2 矸石山除普遍发生击溅 层状 鳞片状面蚀 外 还出现砂砾化面蚀 土砂泄流及坡面泥石流等侵蚀 又由于其特殊的堆放形态 淘蚀及由其所引起的崩塌 滑 塌发生很普遍 造成严重的水土流失 矸石山水土流失具 有一定的规律性 降水特征 地形地貌和植被覆盖程度是 影响水土流失量大小主要因素 在降水量和降水历时相同 情况下 降雨强度越大 坡越长越陡 水土流失量越大 反之则小 坡越长越陡 坡面越凹凸不平 越易形成径流 的汇集 导致冲刷力加大 植被覆盖度大小与水土流失量 大小成反比 2 8 矸石 山崩塌和滑坡 矿区矸石山多为大量粒径不等 形状不同的颗粒以不同 的排列方式自然堆积而成 结构疏松 在本质上说是不连 续的 为散体材料 同时 受矸石中炭分的自燃 有机质 的灰化及硫分的离解挥发等作用 矸石山的稳定性普遍较 差 极易发生崩塌 滑坡 例如 2 0 0 4 年6 月5日 重庆 万盛南桐矿业东林煤矿矸石山垮塌造成了 2 O 万 m s 的大面 积滑坡 范围宽约 1 5 0 m 长达 1 k m 此次灾害共涉及 1 4户居民5 6 人 其中l 7 人死亡 2 9 矸石泥石流 山区煤矿大都直接将煤矸石堆于沟谷中 成为泥石流 的物质源 堆积区的沟谷有一定的汇水面积和适宜的坡度 在雨季一旦降雨量达到6 0 m m h 即可爆发泥石流 如 1 9 7 2 年美国西弗吉尼亚洲的法罗山谷暴雨后出现携带 l 7 亿 m 煤矸石的泥石流 以5 8 m s 的速度下泄2 7 k m 造成 1 1 6 人死亡 5 4 6间房屋和 1 0 0 0多辆汽车被毁 4 0 0 0余人无 家可归的悲惨事件 3 煤矸石的综合利用与环境污染防治 3 1 综合利用 1 在矿区采用清洁生产工艺 有利于减少固体废物 和污染物的生成和排放量 并使需要贮存 运输 处理 4 2 0 1 4 粉煤灰 2 5 处置的固体废物降低到最小程度 实行企业内同体废物回 收和循环利用 尽可能实现不排或少排固体废物 例如 在煤炭开采过程中 进行改革矿井的开拓部署 矿井开拓 巷道和采准巷道采用全煤巷布置 不仅减少大量矸石出井 而且可以大大降低矿井建设费用和生产成本 2 根据煤矸石组分不同的特点确定其不同的用途 热值高于 6 2 8 M J k g的煤矸石 宜作沸腾炉燃料 热值在 2 0 9 6 2 8 M J k g的煤矸石 宜作水泥配料和烧结矸石砖 耐火砖等的原料 使其中的低值能源得到利用 热值在 1 2 6 M J k g以下的煤矸石 可作水泥配料和混合材料或筑 路 填方等 3 含有多种微量元素的煤矸石 可生产煤矸石肥料 开展农业利用 对于含氧化铝较高的煤矸石 开发化工产 品 生产氧化铝 硫酸铝 水处理药剂等 采用煤矸石生 产硅铝铁合金 分子筛 岩棉 水玻璃 白炭黑 水处理 药剂 农业肥料等 可获得较高的经济效益 4 利用煤矸石发电 许多矿区都先后建起了矸石发 电厂 矸石发电 灰渣制水泥 建材 是变废为宝 节约 好煤 开辟能源的重要途径 主要利用循环硫化床燃烧技 术 流化床技术对于煤矸石的利用有显著的特点 3 2 对环境污染的防治措施 3 2 1 煤矸石山自燃的防治 主要是从煤矸石的不同堆放方法研究人手 许多国家 通过采用分层压实方法堆放煤矸石 控制煤矸石的压实程 度 来解决矸石山自 燃问题 含硫量高于 5 以上的矸石 应回收黄铁矿 高硫矸石堆应用石灰浆 黏土浆等灌注其 孔隙 以隔绝空气 抑制自燃 含碳量高于 2 0 的矸石 应进行洗选回收煤炭或作为沸腾炉燃烧 在去除煤矸石中 的煤和黄铁矿 切断供氧的条件下应用生态技术对煤矸石 进行分层堆放 首先对堆场进行密封防渗处理 然后进行 分层堆放 边堆放边压实 在堆放第2 层的同时 对第 1 层的边坡进行覆土绿化 整个矸石堆形成后 整体覆土封 顶 进行绿化或耕种 这种生态工程的技术具有投资少 见效快 处理量大 不造成二次污染等优点 3 2 2 矸石山的生物复垦和微生物复垦 矸石山的生物复垦和微生物复垦技术也在广泛应用 生物复垦是利用生物措施 恢复土壤肥力与生物生产能力 的活动 它是实现废弃土地农业复垦的关键环节 主要内 容为土壤改良和植被品种筛选 微生物复垦是利用微生物活化药剂或微生物与有机物 的混合剂对复垦后的贫瘠土地进行熟化和改良 恢复土壤 2 6 C D 4 LASH 4 2 01 4 的肥力和活性 采用微生物复垦是在矸石垫层上不覆盖生 长土 仅加适量微生物活化剂 只在短期 6个月 内就 可以建立起稳固的植物覆盖层 使所造地恢复种植能力 第 2 年可种植农作物 3 5 年即能完全达到高产农田的肥 力 且对种植品种没有限制 这种技术具有费用低 效率 高 效益好等优点 3 2 3 生态工程技术在处理矸石环境影响中的应用 国内外在探索和应用生态工程技术处理固体废物方面 已卓有成效 生态工程处理固体废物的基本原理是首先采 用适当的防渗材料和阻断材料 将处理物与周围的环境有 一 个物理性质的隔离 然后在被围隔起来的固体废物堆上 盖上一层土 并在土层上重新进行以植被为主体的人工生 态系统的建设 同时辅以一定的景观建筑 把废物场地改 造成为宜人的公园 游乐场或农 田 这种生态工程的技术 具有投资少 见效快 处理量大 不造成二次污染等优点 由于恢复后的土地具有更大的利用价值 因此还可获得长 远的经济效益 土地的复垦程序 包括了对粉尘的控制 防 止表土流失 加强坝基安全 减少重金属污染物的径流量 绿化废物场地加速自然转变过程等 都是对采用生态工程 技术的一些具体目标的要求 澳大利亚西部地区的一些矿 区 采用深挖法技术进行复垦 要求采空区必须恢复到能 够保证建立起一个适于该地区野生动物返回声息和防止水 源盐碱化的生态系统的目标 加拿大的许多矿业公司 对 于在含有硫化铁和其他硫化物的尾矿