煤矿开采固体废弃物对环境的损坏及治理方法
0 引言
我国是以煤炭为主要能源的国家，一次能源结构中煤炭约占74％，煤炭提供了78％的发电能源，70％的化工能源和60％的民用商品能源[8]。我国2005年生产煤炭21.9 亿t，规划2010年为25亿t，2020年为28亿t，煤炭将长期是我国的主要能源[9]。煤矿生产会产生大量的固体废弃物，它主要是开采、分选和加工过程中产生的废弃岩石——煤矸石，约占煤炭产量的10％－15％，是我国排放量最大的工业固体废弃物。近年来，随国民经济的持续快速发展，对电力的需求也不断增长，煤炭企业逐步加大对煤电的投资力度。煤电生产过程中排除大量的粉煤灰也成为煤矿固体废弃物。据有关部门统计，截止到2004年底，全国有矸石山 1500多座，占地约22万多公顷[2]。目前，我国煤矸石的存积量已达41亿t以上，随煤炭产量的逐年增加，煤矸石排放量也不断增长，按照我国目前的煤炭年产量25亿t计算，排矸量在仍在以每年4~5亿t左右的速度增长。大量矸石堆积，造成了严重的环境损坏，成为影响煤炭工业可持续发展的一大难题。
1 煤矸石的物理、化学成分及特性
煤矸石是多种矿物混合组成的沉积岩，主要由高岭土、石英、蒙脱石、长石、伊利石、石灰石、硫化铁、氧化铝和少量的稀有金属氧化物组成。主要的岩石种类由黏土岩类、砂岩类、碳酸盐类和铝质岩类，在不同地域的煤矸石还含其他盐类及重金属盐类。煤矸石中的部分盐类可溶于水。煤矸石的化学成分复杂，主要成分为氧化硅、氧化铝、硫化铁。煤矸石经过高温煅烧可具有表面活性。
2 煤矸石污染途径
大量的煤矸石露天堆放形成矸石山，其中的有害成分和化学物质可以进入大气、土壤、地表、地下水造成环境污染。通过环境介质直接或间接进入人体，威胁人体健康。如图所示为煤矸石进入环境与其中的化学物质危害人类，传播疾病的途径。
3 煤矸石堆积造成的环境损坏问题
3.1 占用耕地资源 土壤是很难再生的资源，地球上每形成1厘米厚的土壤，需要经过300－500年的漫长岁月。而我国是一个耕地资源非常紧缺的国家，人均耕地占有量仅为 1.51亩，是世界人均量的45％，我国以占世界7％的耕地养活占世界22％的人口。堆贮煤矸石已经占用大量的土地资源，且在逐年增加。据统计，截止到 2004年底，全国1500余座矸石山占用了约22亿公顷以上的耕地。煤矸石累计堆积量超过41亿吨，且在逐年增长。特别是在东部、中部矿区，矸石山基本都堆积在可耕的粮田之上，例如，据平煤集团统计，煤矸石平均占地系数为41.46亩/百万吨，预计到2010年排放矸石累计占用耕地达到11485.16 亩[7]。煤矸石的大量排放堆积造成了较为严峻的社会经济问题。
3.2 污染水资源及土壤 矸石山表层暴露于空气，经雨水的浸渍、阳光暴晒下分解产生可溶矿物、煤矸石本身所含的可溶性矿物随天然降水和地表径流进入江河湖泊、开采沉陷积水区。矸石山扬尘在风力作用下携带有害物质进入地表水体。或随渗流沥水进入附近土壤渗入地下水，矸石山流出的水PH值可达到3，并且携带镁、钠、钾离子及铅、砷、铬等有害重金属离子，造成地区和区域性的地表水与地下水污染。位于阳泉一矿北头村东平沟煤矸石山自燃后，矸石山下原有的一个山泉积水池失去引用价值，泉水颜色改变，生物绝迹。据村委会调查，全村120户人家490人中，有10人患癌症，其中肺癌4人，食道癌2人，喉癌1人，肠癌1人，膀胱癌1人，骨癌1人。矸石山在长期的淋滤作用下，相应的元素运移至地表，被土壤吸附而富聚到表土层中。而土壤是由多种细菌、真菌组成的生态系统，有害成份进入土壤，能杀死土壤中的微生物，使土壤腐解能力降低或丧失、土壤肥力丧失。破坏了植物适应的环境，导致土地产力下降，甚至草木不生。
3.3 污染大气环境 煤矿矸石造成的大气污染可分为固体微粒悬浮物污染和有毒有害气体污染。造成的堆积成山的表面矸石在半年到一年后产生约10厘米厚的风化层，随时间的推移和风化程度的加深而变细。据统计，当发生4级以上风力时，直径在1～1.5cm的粉尘将从矸石山表面剥离。形成扬尘悬浮物进入大气，其飘扬的高度在 20～50m以上，造成矿区大气污染。“灰尘满天，污水横流，地面设施一片黑”成为很多矿区的典型写照。矸石山自燃、矸石发电产生会产生大量的CO、 SO2、H2S、NH3等有毒有害气体和烟雾污染进入大气层造成严重的大气环境污染。例如，陕西省铜川市由于煤矸石自燃产生的SO2量每天达 37t[4]。矿区大气污染使附近居民慢性气管炎和气喘病的患者增多，周围数目落叶，庄稼减产。
3.4 煤矸石其他危害 随煤炭工业的发展，矸石堆积量不断增加，使潜在的矸石山滑坡威胁增加，特别是矸石山的自燃加剧了滑坡崩塌的可能性。对矸石山附近居民住所、矿区交通系统造成威胁。国外曾发生过矸石山滑坡掩没山谷下小学造成多人伤亡的事故。2005年5月，平顶山四矿的矸石山由于自燃发生崩塌事故，造成埋没附近民房烧死8人的重大事故。辽宁本溪也曾发生过矸石山自燃造成人员中毒伤亡的事故。
4 矸石山的治理及煤矸石的综合利用
4.1 国内外利用治理现状 世界各国都很重视煤矸石的处理和利用。自20世纪60年代开始，煤矸石的综合利用就引起很多国家的高度重视。到70年代，法国、德国等国家的煤矸石利用率已达30％～50％，部分矿区的煤矸石利用率甚至达到100％。英国煤管局在1970年成立了煤矸石管理处，波兰和匈牙利联合成立了海尔得克斯矸石利用公司。这些机构专门从事煤矸石的处理和利用。英国在70年代初开始以法规的形式提出矸石山的治理。1988年，英格兰有近4700hm2的煤矿区废弃土地荒芜，其中93％的需要复垦治理[1]。
我国煤矸石处理利用起步较晚，起初对煤矸石处理主要是“以堆为主”，综合利用率较低，“八五”期间综合利用率一直在38％左右长期徘徊。进入21世纪，树立了“因地制宜，积极利用”的综合利用指导思想和“谁排放谁治理，谁利用谁受益，以用为主”的利用原则。2000年，全国煤矸石综合利用量已达6600万t，比1995年增加1000万 t，综合利用率由1995年的38％提高到43％。2005年全国煤矸石综合利用量增加到8000万t，综合利用率提高到60％。目前，全国119处国有重点煤矿，煤矸石综合利用率在50％以上的有72处，占60％以上。其中开滦矿区2000年的综合利用率达92％[2]。
4.2 煤矸石综合利用 煤矸石综合利用是我国一项长期的技术经济政策。如何利用煤矸石，减少它对环境的污染，成为当前的一大技术课题。煤矸石综合利用是一个复杂的系统工程，既涉及集体的工艺、技术，又涉及复杂的各种社会经济矛盾[3]。我国政府专门制定了“全面规划，合理布局，综合利用，变害为利”的煤矸石处理方针，实施了如《关于进一步开展资源综合利用的意见》、《关于公布“在住宅建设中逐步限时进制使用实心粘土砖”大中城市名单的通知》、《财政部、国家税务总局关于部分资源综合利用及其他产品增值税政策问题的通知》等一系列政策和优惠措施，提高煤矸石综合利用率[5]。
目前，将煤矸石综合利用主要有以下几个方面：
4.2.1 煤矸石用作燃料发电。2000年底，全国有煤矸石、煤泥等低热值燃料电厂120余座，总装机容量184万KW，年发电量8.5亿KW.h。到2005年年末，煤矸石电厂装机容量已经发展到550万KW，新增装机容量360万KW。
4.2.2 煤矸石用于制造砖块、水泥、加气混泥土、微孔吸音砖、瓷砖、轻集料等各种建筑材料。未经燃烧的煤矸石配料制砖可以节约原煤。并且有投资少、方法简单的有点，已被广泛使用。2000年底，全国煤矸石砖场达240余座，生产能力为22亿块标准砖。“九五”期间，全国共建设煤矸石新型墙体材料生产线10条，生产能力达6亿块标准砖。2005年产量以增加到100亿块。生产建筑轻集料因工艺较复杂，对技术设备要求高，在国外使用多但我国使用较少。
4.2.3 煤矸石用于复垦。煤矿开采将导致地表沉陷损害，破坏宝贵的耕地资源。改善矿区生态环境，调整矿区产业机构，降低煤炭资源枯竭对矿区持续发展影响风险，是我国当前煤矿区持续发展亟待解决的重要问题。因此，要统筹规划开采和复垦工作。煤矸石充填是一种重要的复垦方式，在利用废弃物的同时解决沉陷地的复垦问题，可取得一举两得的效果。
4.2.4 煤矸石用于道路工程。筑路对于煤矸石的种类和品质没有特殊的要求，对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、无须进行特殊处理、不需采用特殊技术手段的优点，是利用煤炭工业废弃物减少环境污染损害的有效途径。曾用于徐丰公路庙庄矿区1.2km塌陷区路段和徐州市重点工程的施工实践。
4.2.5 煤矸石用于注浆技术。煤矸石具有潜在的火山灰活性，在一定条件下可激活并运用于工程注浆，将破碎松散的岩层胶结成一个整体，利用浆液与土体、岩石破坏结构体的共同作用改善岩层的物理力学性能，从而形成一个结构新、强度大、防水性能高、化学性能稳定的“结石体”。将煤矸石制成注浆材料，对因开采工作造成的岩层移动变形损坏空间及时注浆，减少岩层移动、变形、破坏量，进行地面减沉控制已经在工程实践中得到运用，成为煤矸石综合利用的有一个发展方向。
5 结束语
煤矸石造成的环境损害将随煤炭产量的增加而加剧，造成严重的环境污染问题和社会经济问题，极大的损害了煤炭企业的自身企业形象，阻碍矿山绿色开采进程和煤炭行业的可持续发展。因此，将煤矸石综合利用作为我国长期的技术经济政策是保证保证煤炭行业可持续发展的必然要求。
参考文献：
[1](英) 莫法特，麦克内尔.废弃土地的林业复垦技术[M].郑州：黄河水利出版社，2001.9.
[2]李永生，郭金敏，王凯.煤矸石及其综合利用 [M].徐州：中国矿业大学出版社.2006.8.
[3]付梅臣，胡振琪. 煤矿区复垦农田景观演变及控制研究[M].北京：地质出版社.2005.7.
[4]王绍文，梁富智，王纪曾. 固体废弃物资源化技术与运用[M].北京：冶金工业出版社.2003.6.
[5]顾国维，何澄.绿色技术及运用[M].上海：同济大学出版社.1999.5.
[6]余学义，张恩强.开采损害学[M].北京：煤炭工业出版社.2004.9.
[7] 杜水锋，潘义民，邓寅生.平煤集团煤矸石综合利用现状和发展建议[J].煤炭加工与综合利用.2004.2.
[8]谢和平，矿山岩体力学及工程的研究进展与展望[J].中国工程科学.2003.5(3).31~37.
[9]钱鸣高，缪协兴，许家林.资源与环境协调(绿色)开采[J].煤炭学报. 2007.32(1):1~7.
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