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★ 生态矿山 ★

山西省煤矿区生态环境的问题与挑战

党晋华

(山西省环境科学研究院,山西省太原市,030027)

摘 要 山西省煤炭资源丰富、开采历史悠久,在提供一次能源的同时,也造成了煤矿区严重的生态环境问题,系统地识别煤炭生产过程产生的生态环境问题及长时间、高强度开采形成的历史遗留问题,找准对策措施,对于煤矿区实现绿色转型发展具有现实意义。

关键词 煤矿区 生态环境 绿色转型

1 山西省煤炭生产概述

山西省总面积约为15.67万km2,其中含煤地层约为6.48万km2,约占全省面积的40%。截止2015年底,山西省保有查明资源储量2709.01亿t,占全国的17.3%,仅次于新疆维吾尔自治区和内蒙古自治区,位居全国第三,山西省煤炭资源分布图如图1所示。

山西省作为我国重要的煤炭生产基地,全省煤矿数量从1949年的3 676处,经过大规模建设,在1997年达到最高峰为10 971处,再经过安全整治、兼并整合重组和去产能等相应措施后,减少到2018年的978处;煤炭产量从1949年的267万t,发展到2018年8.76亿t,在全国煤炭产量的占比从8.23%上升至25.2%,到2019年这70年中有58年煤炭产量位居全国第一;平均单井规模从1949年的0.08万t/a,发展到1997年的平均单井规模3万t/a,再发展到2018年的平均单井规模157万t/a,最大矿井规模更是达到了2 000万t。1949-2018年山西省煤矿数量及原煤产量变化情况如图2所示。

图1 山西省煤炭资源分布图

山西省煤炭行业由矿井多、规模小、装备水平低逐步发展到矿井少、规模大、装备水平高的现代化大矿时代[1]。然而,由于煤炭资源的长期大规模、高强度开采,导致全省范围内的矿区出现了资源破坏、环境污染、生态环境恶化的局面。历史上煤炭工业高速无序发展引发的生态环境问题已经严重制约了山西省社会经济的可持续发展。

图2 1949-2018年山西省煤矿数量及原煤产量变化情况

2 煤炭开采造成的主要生态环境问题

根据2006-2007年和2016-2017年2次较大规模的矿区生态环境状况调查结果,煤炭开采造成的突出生态环境问题可归纳为以下4个方面。

2.1 煤矿建设、生产过程压占土地

永久性建设占地包括工业和生活场地、运输道路、露天采场、矸石堆场、排土场、取弃土场等等,临时占地包括管线敷设、施工临时道路、施工场地、表土堆场等等。主要表现在对土地利用类型的改变、植被的破坏以及诱发水土流失等方面的影响。调查表明,2005年山西省矿井工业场地占地为666.70 km2,其中废弃、关闭矿井占地为85.27 km2,运煤道路占地为210.00 km2;2015年山西省矿井工业场地占地为182.40 km2,其中废弃、关闭矿井占地为11.80 km2,运煤道路占地为3.42 km2

煤矸石作为山西省大宗工业固废中产生量占比最大的一类,主要来自于煤炭采选业,包括岩石巷道掘进时产生的掘进矸石,采煤过程顶板、底板和煤层中岩石夹层中采出的矸石以及煤炭洗选过程中产生的矸石。

根据调查,2005年在产煤矿煤矸石的堆存量约为75 752万t,占地181.90 km2;2015年,统计全省矸石场、矸石山(堆)1477处,已堆矸量达到26.87亿t。其中,矸石场852处,堆矸量为22.27亿t,矸石山(堆)625处,堆矸量为4.6亿t。有自燃或自燃隐患的共619处,堆矸量为5.45亿t,在产矸石山占地61.20 km2。2018年,全省矸石产生量为1.43亿t,综合利用量约为0.48亿t,综合利用率为33.5%,据此,除存量矸石外,每年仍有大量矸石需采用堆存的方式处置。

2005年和2015年山西省煤炭生产占地情况如图3所示。

图3 2005年和2015年山西省煤炭生产占地情况

2.2 开采造成的土地资源破坏

开采诱发的生态环境影响方式较为复杂,影响程度难以预估。主要表现在开采对地下水资源量、水质的影响(包括各含水层、水源、泉源漏失、污染等),露天开采及井工开采采空诱发的地表沉陷对地表的影响(可能涉及的地被物,包括土地、河流湿地、植被、房屋、道路等各项地表设施)。调查表明,井工开采在2005年造成的山西省采空区面积为5 115 km2,影响严重的沉陷区面积为2 978 km2;2015年利用实地调查结合遥感影像的方法进行统计,在产煤矿形成的采空区面积为4 238 km2,影响严重的沉陷区面积为1 099 km2;历史遗留采空区面积为3 362 km2,沉陷区面积为960 km2。井工开采形成的采空区和沉陷区面积如图4所示。

图4 井工开采造成的采空区和沉陷区面积

2.3 煤炭开采造成的环境问题

2.3.1 地下水环境影响

根据山西省第二次水资源评价[2]研究结果,煤矿开采对地下水补、径、排系统的破坏是永久性的。采煤对地下水资源的破坏是不可逆转的,且破坏总量不断增长。煤矿停采后,被破坏的地下水系统无法恢复,即使不再排水,仍有大量地下水涌入矿井,并积存于井下采空区成为被污染的采空区积水。

近年来,山西省煤矿资源整合关闭了大量矿井,煤矿采空区积水外溢情况越来越多,采空区积水化学成分复杂,与补给、排泄条件、埋藏深度等多种因素有关[3-4],但总体上水质与矿井水相比较差,根据对西山矿区局部溢出酸性采空区积水采样分析,pH值为2.28~5.26,SO42-在1 002~13 000 mg/L之间,Fe为213~457 mg/L,Mn为23.2~34.3 mg/L,总体上呈现低pH值、高铁、高锰和高硫酸根的特点。

2.3.2 地表水环境影响

当煤矿开采沉陷波及到地面时,局部区域与地表水发生水力联系,地表水渗入到地下或矿坑,使地表径流减少、湖库储水量下降或干涸。调查显示,2005年山西省各类煤矿矿井排水总量约为58 161万t,大量的矿井排水严重污染了地表水体,受污染河流长达3 753 km,其中超五类污染河道占比为67.2%。到2015年,山西省矿井水排放污染河流水质的情况基本消除,但全省井田范围涉及的32条、总长度约344 km的地表水系,仍存在河水漏失、断流情况。

2.3.3 土壤环境影响

煤炭开采沉陷造成的沉陷区土壤水分蒸发增加,养分渗漏、流失加剧,引起土地荒漠化、贫瘠化[5],使矿区有机质、氮、磷等的含量只有正常植被覆盖区土壤平均值的20%~30%,严重影响农作物的生长。有关研究表明,受采空区影响,土壤养分最短缺的部位是塌陷拐点,这部位最易发生漏水漏肥。采煤引起上覆岩层下沉,会增加土壤密实度,从而使土壤孔隙性下降,土壤结构发生变异,造成土壤物理性质恶化;采煤沉陷还会导致耕作层厚度减小、土壤质地与层次产生错位与变异。

煤矿区燃煤烟气排放、扬尘、矸石堆自燃及渗滤、采空区积水外排等环境行为,引起煤矿区周边土壤重金属等污染物不断累积。根据对省内多个矿区农用地土壤监测结果分析,As、Cd、Cr、Hg及Pb浓度范围在6.75~23.50 mg/kg、0.108~0.450 mg/kg、83.7~112.0 mg/kg、0.080~0.720 mg/kg及17.9~31.7 mg/kg之间,浓度普遍远远高于山西省土壤环境背景值,累积效应明显。

2.3.4 环境空气影响

根据统计,2018年全省煤炭采选业生产、生活总耗煤量约为2 158万t,依据《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2014)的燃煤锅炉特别排放限值,根据经验系数法全部按照锅炉燃烧计算,当年全省煤炭采选业烟尘总排放量达0.84万t,SO2总排放量达5.6万t,矿区以烟、粉尘和SO2为主要危害的煤烟型大气污染仍然存在。

另外,已存和逐年新增的矸石长期处在氧化、风蚀过程中产生扬尘,矸石燃烧产生的CO、SO2及H2S等有害成分的产生,均造成局部环境空气污染。对西山矿区自燃矸石山初期上、下风向环境空气CO、SO2监测表明,CO浓度在18.13~167.00 mg/m3之间、SO2浓度在1.56~42.00 mg/m3之间,局部污染严重。

2.4 生态系统的影响

煤炭开采占地及损毁直接影响山、水、林、田、湖、草及当地人民生产生活,对生态系统格局、质量、功能均会产生不同程度的影响。根据对山西省及矿区生态环境遥感调查,山西省及矿区范围生态系统类型均以森林、草地和城镇工矿生态系统为主。山西省地处高原,生态环境脆弱,煤炭生产引起的生态系统发生变化,使得区域生态结构趋于恶化[6],虽经多年人工修复干预,但恢复速度仍明显低于非矿区。

3 煤矿区绿色转型面临的挑战

由于采煤造成的生态环境问题,以及交通、房屋建筑、农田水利等设施等的破坏,恶化了矿区居民的生存空间,降低了生活质量,加重了社会负担。不仅历年积累的环境污染和生态破坏影响无法在近期消除,若不积极采取措施,每年还将产生新的生态环境问题。煤矿绿色转型的出路在于积极实现从既有的“不欠新帐,渐还旧账”政策到“不欠新账,还清旧账”的转变。目前,“还清旧账”仍面临很大挑战。

一是直接生态破坏情况。按照2015年矿山生态环境详细调查结果,所有无主矿及其造成的直接生态破坏区域、废弃场地、未治理矸石山(场、堆)及涉及生态敏感保护目标的矿山,列为重点治理区,面积约为1 405 km2,其中很大部分属于无主及历史遗留问题。

二是不断增加的矸石山堆存量及其自燃问题。调查表明,历史堆存未处置矸石约为9亿t。目前山西省矸石产生量为1.3~1.4亿t/a,煤矸石综合利用能力约为7 800万t/a,其中,以矸石为主要燃料的循环流化床发电机组最大可利用量约为5 400万t/a;制砖、水泥等建材利用能力约为2 100万t/a;高附加值利用方面如超细高岭土、耐火材料制造等利用能力约为300万t/a,这些利用方式不仅在总量上满足不了全部综合利用,且利用方式受到市场、政策等各种因素影响,波动较大。新增大量矸石仍需堆存。

三是日益显现的采空区积水溢出问题。西山、阳泉、大同等矿区均存在这类问题。上述问题的生态环境影响仍很严重,特别是采空区积水、矸石堆存对水环境和土壤环境的影响程度、范围、成因,污染机理和机制底数不清,恢复治理技术及适合当地条件的治理模式需加强探索与研究。

对于“不欠新账”的核心还是绿色开采技术的广泛使用。对山西省来说,包括充填开采、保水开采、煤-气共采等。除开采技术本身的创新、研发外,在政策制定时,对落后技术造成的生态环境问题产生的外部成本也应充分考虑,通过政策创新引导煤炭产业的技术革命,最终实现矿区可持续绿色发展。

参考文献:

[1] 山西省统计局.山西省统计年鉴[J].北京:中国统计出版社,1983~2019.

[2] 范堆相.山西省水资源评价[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[3] 邱闯,孙勇,黄崇煜.煤炭开采对环境的影响及修复治理措施研究[J].价值工程,2017,36(18):73-74.

[4] 刘国林,段绪华.老空、老空水的充水特征及防治对策[J].中国煤炭,2004,30(3):36-37,56.

[5] 张发旺,侯新伟,韩占涛,等.采煤塌陷对土壤质量的影响效应及保护技术[J].地理与地理信息科学,2003(3):67-70.

[6] 王辉. 煤炭开采的生态补偿机制研究[D].徐州:中国矿业大学,2012.

Problems and challenges of ecological environment in coal mine areas of Shanxi

DANG Jinhua

(Shanxi Research Academy of Environmental Sciences, Taiyuan, Shanxi 030027, China)

Abstract Shanxi province is rich in coal resources and has a long history of coal mining. While providing primary energy, coal mining also caused serious ecological and environmental problems in coal mine areas. It was of practical significance for green transformation development of coal mines areas to systematically identify the ecological and environmental problems in the process of coal production and the historical problems caused by long-term and high-intensity mining, and find out the countermeasures.

Key words coal mine area, ecological environment, green transformation

中图分类号 F426.21

文献标志码 A

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引用格式:党晋华. 山西省煤矿区生态环境的问题与挑战[J].中国煤炭,2021,47(1):117-121.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.01.017

DANG Jinhua. Problems and challenges of ecological environment in coal mine areas of Shanxi [J]. China Coal, 2021,47(1):117-121. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.01.017

作者简介:党晋华(1963-),女,山东滕州人,硕士生导师,正高级工程师,现任山西省环境科学研究院副院长,主要从事矿山生态环境保护、流域生态环境评估及污染土壤修复等方面的研究工作。E-mail:984736173@qq.com

(责任编辑 王雅琴)