煤矸石对矿山环境的影响及其防治.pdf

★加工转化 ★ 煤矸石对矿山环境的影响及其防治 徐友宁1 袁汉春2 何 芳1 陈社斌1 张江华1 1. 西安地质矿产研究所,陕西省西安市,710054 ; 2.西安科技大学,陕西省西安市,710054 摘 要 论述了煤矸石对环境的不利影响及减少和防治各种不利影响的相应措施,并从 利用煤矸石发电、 制建筑材料、 造肥料以及充填煤矿塌陷区复垦造田等方面介绍了煤矸石的综 合利用。 关键词 煤矸石 环境治理 综合利用 1 煤矸石对环境的不利影响 1. 1 压占土地植被,破坏生态环境 目前,全国历年煤矸石累计存量约30亿t ,占地 12000ha ,以全国煤矿平均出矸率15. 4 计算,西北 地区2000年煤炭产量8994万t ,每年排放煤矸石约 1385万t ,长期露天堆积压占土地约1755ha。陕西 省全年新增煤矸石450万t ,新增压占土地9. 45ha。 煤矸石堆积斜坡,构成滑坡隐患,倾倒河谷,淤塞河 道,抬高河床,影响行洪安全,污染河流。截至2000 年底,陕西省韩城、 澄合、 蒲白、 铜川、 黄陵等国有重 点生产矿井28对,年煤炭生产量2128万t ,占全省 煤炭产量4500万t的47. 29 ,累计堆存煤矸石 4421万t ,占压土地94ha ,平均万吨煤压占土地 0. 021ha。年新增矸石量222万t ,新增占压土地 4. 7ha。 陕西省铜川矿务局12对矿井,历年堆积矸石量 1352. 2万t ,占地28. 65ha。1999年产原煤550万 t ,产矸量44. 65万t ,利用量14. 53万t ,利用率 32. 54 。陕西黄陵地处黄土高原地带,小范围的森 林植被良好,但部分煤矿排放的煤矸石在山坡堆积, 压占了生长良好的植被。陕西韩城下峪口黄河滩湿 地芦苇茂密,生态环境良好,但下峪口煤矿排放煤矸 石填滩,严重破坏了黄河湿地生态资源与环境。 1. 2 污染矿山环境 煤矸石中的黄铁矿在空气中易被氧化,放出热 量聚集,使煤矸石中所含碳质自燃产生SO2、CO2、 CO等有毒有害气体。据有关资料,每平方米矸石 山自燃1昼夜可排放CO10. 8kg ,SO26. 5kg ,H2S和 NO22kg等。依据国家卫生标准规定,居民区大气 环境中有害物质SO2的最高允许浓度日均为 0. 15mg/ m3、H2S为0. 01mg/ m3,显然,煤矸石自燃 区的大气环境污染超过了国家标准,必然危害居民 身体健康。 内蒙古乌达矿务局跃进矿选煤厂煤矸石山燃烧 区附近SO2日均浓度为10. 6mg/ m3,超标70倍。 H2S日均浓度为1. 5mg/ m3,超标149倍,该矿区周 边地区居民的呼吸道疾病病发率明显高于其它地 区。陕西铜川矿务局6个矿井煤矸石堆存在自燃, 矸石山周围SO2、TSP、 苯并芘等都严重超标。据有 关资料显示,在自燃矸石山周围工作5年以上的职 工患有不同程度的肺气肿。陕西韩城桑树坪矿煤矸 石山自燃造成空气中SO2浓度平均超标16倍,CO2 浓度平均超标20倍。在这种空气环境下,甚至发生 了工人昏倒在排矸场的现象。 燃烧的煤矸石山在雨季有可能发生爆炸,尽管 爆炸的几率较小,但一旦爆炸,将危及生命。如 1978年甘肃窑街煤矿煤矸石内部自燃引起爆炸,造 成附近临时住房被摧毁,人畜伤亡十分严重。陕西 韩城桑树坪煤矿矸石山爆炸造成运矸铁轨变形。 煤矸石自燃及风化后,大风扬尘加剧了大气中 05中国煤炭第30卷第9期2004年9月 可吸入颗粒物的浓度,尤其是四面环山的矿区环境 污染更加严重。如甘肃窑街煤矿区三面环山,尘埃 滞留矿区上部,大气中总悬浮物微粒年平均浓度超 过国家二级标准9倍,冬季严重时超标25. 4倍。铜 川矿区曾因环境污染严重被称为卫星上看不到的城 市。 另外,煤矸石风化淋滤使煤矸石中的有害物质 进入土壤河流,造成水土环境直接污染。地质环境 改变预测评价和水文地质、 工程地质研究,俄罗斯莫 斯科近郊煤矿区距矸石堆底部50～60m远的土壤 中,每100g土壤中铁含量达146～160mg ,铝含量达 11～19mg ,分别超过允许值的3～4倍和1. 5倍,土 壤被毒化。 2 减少煤矸石对环境影响的新技术 2. 1 煤矿不出和少出矸石的清洁生产技术 1煤矿不出矸开采技术工艺。将煤炭在地下 燃烧气化,一次性转化为清洁的可应用的能源与化 工原料,实现煤炭地下无人无生产设备的洁净利用。 山东新汶矿业集团2000年4月煤炭地下气化技术 工业性试验获得成功,地下所产煤气经过脱硫、 除尘 等环节,直接输送到用户,日产空气煤气8万m3、 水 煤气4万m3,发热量相应为6280kJ和14650kJ。此 技术与传统开采工艺相比节省投资78 ,节约成本 62 ,提高工效3倍以上,煤的价值提高10倍以上。 2煤矿少出矸技术工艺全煤巷开拓,采区巷 道全煤化等开拓方式和采煤工艺都能极大地减少矸 石的产生量,并减少采煤过程中混入的矸石量。薄 煤层半煤岩宽巷掘进技术,是将所出矸石充填到巷 道的一侧或两侧,德国、 英国近年来逐渐应用全煤巷 开拓技术,一些煤矿已取消了排矸系统。神华集团 神东大柳塔矿采用煤层开拓大巷,岩巷占5 左右, 大大降低了出矸量。 2. 2 填沟造地,充填塌陷区,减少矸石占地 地处荒山丘陵地区的矿井,采用填沟造地,可减 少煤矸石对农田的占用。神东公司大柳塔煤矿井下 及洗煤外排矸石,按规划设计分区征用沟壑地排矸, 在沟口建起拦渣坝,集中排放,填沟造地,上覆黄土 碾压,植树种草,使其矸石山堆场变成平整林地。晋 城无烟煤矿业集团各矿建专门排矸巷道兼通风巷 和排矸井,矸石直接提升到地面堆放于荒山沟,填满 后上部推平覆土造地。 煤矿地下开采形成的采空区诱发的地面塌陷、 地裂缝造成耕地毁损、 公路塌陷、 铁轨扭曲、 建筑物 裂缝以及洼地积水沿裂隙下渗引发矿井透水等事 故。在干旱地区由于地表水系受到破坏,矿区生产、 生活以及农业用水困难。煤矿塌陷区恢复治理措施 之一就是用煤矸石充填塌陷区,既减少了煤矸石占 压土地,又使塌陷区得到治理以恢复土地应有功能。 安徽淮北矿业集团朱仙庄矿年产原煤100多万t ,出 矸石20多万t ,充填塌陷坑已用去矸石150万t ,上 覆黄土复垦土地13ha ,以此交换所需征用地,节约 征地费数百万元。山西晋城王台铺矿煤矸石回填采 煤塌陷区和冲沟,5年来共回填煤矸石、 炉渣等 1. 2Mt ,覆土造田7ha ,下部回填的煤矸石孔隙度大, 含水丰富,便于煤矸石内的水分向上蒸发,煤矸石中 的氮、 磷、 钾 及 腐 植 酸 肥 料 使 小 麦 的 产 量 达 4500kg/ ha。 3 自燃煤矸石灭火技术及矸石山的绿化 3. 1 自燃煤矸石的灭火技术 煤矸石山自燃取决于2个因素一是煤矸石中 含有黄铁矿和炭质等可燃物,二是堆积方式为自燃 提供了空气通道。要从根本上防止矸石自燃,必须 减少矸石中可燃物,阻断空气的流通。 自燃矸石山灭火注浆的灭火材料如电石渣、 粉 煤与石灰石或电石渣混用、 粘土等,采用粉煤灰和电 石渣等工业废弃物作注浆材料能显著降低灭火费 用,灭火材料费用仅1. 22元/ m2。陕西大柳塔煤矿 矸石堆采用黄土覆盖碾压,灭火效果明显。山西阳 泉二矿用碾压覆盖法灭火,使用黄土4. 6万m3,覆 盖矸石山表面13. 2万m2。晋城成庄矿、 王台铺矿 对自燃矸石山,先是采用挖掘熄灭法,达到灭火效 果,后采用以注浆法为主,推平压实,黄土覆盖,挖掘 熄灭为辅的方法进行灭火,效果显著。山西阳泉二 矿特大型煤矸石山存矸量达1224万t ,矸石山总表 面积为45310m2,明火燃烧面积在3万m2以上。中 国矿业大学用深孔注浆灭火法进行治理,历时16个 月,取得明显效果。山西阳泉五矿利用分层压实排 矸防自燃,按层高6～9m的分层倒矸,矸石倾倒压 后及时用推土机推平,依靠作业过程汽车及推土机 的来回行驶实现矸石山的压实。 阳泉市荫营煤矿用高碱性石灰泥浆,石灰加粘 土或电石渣加粘土对自燃矸石山深部注浆灭火。矸 石山纵长约170m ,顶部最宽处约65m ,顶部距矸石 山最低处高约70m ,矸石山安息角45,矸石山总表 15煤矸石对矿山环境的影响及其防治 面积约4万m2,肉眼观察到的燃烧面积约5000m2。 治理后,燃烧点均已熄灭。经环保部门测定,矸石周 围大气质量完全符合国家三级大气排放标准。自燃 矸石山灭火后,可节省原来每年需支付的大气污染 赔款1. 5万元,社会、 经济、 环境效益明显。 陕西省 “九五” 期间共投入200多万元,对自燃 的矸石山进行了灌浆灭火,使自燃的矸石山大部分 熄灭,未完全熄灭的也得到了控制。另外还投入 100多万元对矸石山进行造堤、 围石堰,防止矸石遇 大雨或山洪冲入河道、 田地。 3. 2 矸石山的绿化 我国煤矸石利用率仅20 左右,大多数煤矿煤 矸石仍需堆积,新的煤矸石仍不断产出。因此,煤矸 石山的绿化是我国目前矸石山治理的有效途径之 一,它能防止或减轻矿区环境污染,恢复土地资源和 改善生态环境。山西西山煤电集团在用黄土覆盖后 的土地上造林造田,边缘地带种植防护林,中间地带 种植经济草本植物,同时建立蔬菜大棚及养殖业。 内蒙平庄矿业公司对矸石山治理主要采取林草复 垦,选择乔木松树,灌木沙棘、 草木沙打旺,胡杨柴等 立体结构复合混种,矸石山周边地带造防护林带。 4 提高煤矸石资源化利用程度 4. 1 煤矸石发电 对于含碳量较高、 热值较高的煤矸石,可直接用 于矸石电厂发电。1999年底全国煤矸石或泥煤低 热值燃料电厂有128座,装机容量2MkW ,年发电量 约12GkWh ,占矿区用电的30 ,减少因堆积矸石 占地近150ha。 陕西省已建成投产煤矸石发电厂3座,装机容 量4. 2万kW ,每年利用煤矸石31万t。2000年实 现产值5500万元,利润1100万元。陕西蒲白矿务 局1989、1996、1998年共投资1. 24亿元建成2. 4万 kW煤矸石电厂,年利润460万元,每年可利用煤矸 石10万t左右。 山东新汶协庄矿年产原煤2Mt ,排放20多万t 煤矸石,1994年投资6000多万元建成12MW煤矸 石热电厂,从1995年底发电到目前已累计发电 0. 3GkWh ,供热50多万m3,消耗煤矸石40多万t。 4. 2 煤矸石制建材 陕西蒲白矿务局年产原煤120多万t ,出矸石 24万t ,质量好的煤矸石用来加工高岭土,较差的用 于发电和作水泥配料。从1998年起他们总投资 1000多万元建成年产4500t高岭土深加工生产线。 铜川矿务局1998年投产年产10万t碳酸盐水泥 厂,年利用矸石4万t ,2000年投产年产量100万 m2的煤矸石釉面砖厂,年利用矸石2万t。河南郑 煤公司米村矿等投资1400万元,开发矸石空心砖生 产线,年产空心砖6000万块,年创产值776. 47万 元,年消耗煤矸石0. 16Mt。安徽淮北朱仙庄矿投资 380多万元建成煤矸石砖厂,年生产规模3000万块 砖,创效益340多万元,10余年来共消耗矸石100 多万t ,约是5年矸石产量的总和。 4. 3 煤矸石制肥料 以煤矸石为载体可生产无机复合肥和微生物肥 料。据不完全统计,全国有微生物化肥厂50余座, 年生产能力40多万t ,大部分以煤矸石为载体。 陕西渭北煤田煤矸石含有大量的炭质页岩和含 炭粉砂岩,其有机质含量一般在15 ～25 之间, 并含有植物生长所必需的铜、 锌、 钼、 锰、 钴等微量元 素和较强的吸收性能,适宜制肥料。西安煤科分院 研制的以煤矸石为主要原料,经粉碎加入改性物质, 掺入适量氧、 磷、 钾和微量元素的全养分矸石肥料和 专用矸石肥料,有较好的增产效果,用煤矸石制肥料 消耗矸石量大,有较好的社会和经济效益。蒲白矿 务局1994年投产的磁化肥厂年利用矸石1万t , 2000年产值1000万元。陕西韩城下峪口矿煤矸石 中有机质氮、 磷、 钾含量丰富,可制矸石肥料。被破 碎的煤矸石与过磷酸钙以10∶1的比例混合,同时加 入适量的添加剂,加适量水堆沤7～10天即成,据有 关试验,能使冬小麦增产13. 4 。 责任编辑 康淑云 参考文献 1 齐传新、 周峰.新矿集团列为863计划项目试验基 地.煤矿环境保护,20022 2 张远章、 陈军.扩大煤矸石资源利用.煤矿环境保护, 20016 3 石学让.环境保护是现代矿业生存和发展的必由之 路.煤矿环境保护,20014 4 严文井.推行清洁生产减少环境污染.煤矿环境保 护,20014 5 韦志俊.矸石山治理开发显成效.煤矿环境保护, 20011 6 惠润堂.煤矸石的环境影响及发生条件.煤矿环境保 护,20011 7 郑向东.利用煤矸石的燃烧实践.煤矿环境保护, 20011 25中国煤炭第30卷第9期2004年9月