劉 玲

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質勘查局地質礦產勘查院，貴州 貴陽550005）

我國煤矸石環(huán)境效應研究現狀與防治對策

劉 玲*

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質勘查局地質礦產勘查院，貴州 貴陽550005）

煤矸石是煤炭生產和加工中排放的固體物質，目前是我國年排放量和累計堆存量最大的工業(yè)固體廢物之一。不僅占用了大量農田和土地，而且嚴重污染環(huán)境。綜述了煤矸石的組成、煤矸石山自燃及淋濾環(huán)境效應機理，對我國煤矸石環(huán)境污染現狀進行概述，并提出了防治措施，最后指出了煤矸石環(huán)境效應研究存在的問題及建議。

煤矸石；環(huán)境效應；綜合防治

中國是世界上最早發(fā)現和利用煤炭資源的國家，且保有儲量居世界第三[1]。據1999中國煤炭地質總局所做的第三次煤炭資源預測，我國煤炭資源總量5.57× 1012t，截至2002年底，全國查明煤炭儲量為10190.59× 108t[2]。煤炭是中國的主要能源，在中國國民經濟發(fā)展中占戰(zhàn)略性地位，而且在很長一段時期內，煤炭在我國能源結構中的主導地位不會發(fā)生根本改變[3]。中國也是世界煤炭生產量和消費量最大的國家，2005年煤炭產量約為21.1×108t。2004年燃煤電廠的發(fā)電量占全國發(fā)電量的82.5%[4]。

長期以來，中國煤炭工業(yè)的快速發(fā)展對國民經濟和社會的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用，與此同時燃煤排入大氣的二氧化硫、氮氧化物和煤礦廢棄物造成了較嚴重的環(huán)境污染[5]。隨著煤炭產量的增長，煤矸石的堆放量也不斷增加，目前全國煤矸石儲存量已達40多億噸，占地面積已超過120km2，不僅占用大量糧田，而且風化、自燃后的煤矸石還會產生大量的有毒氣體和物質，對大氣和地下水造成污染，進而破壞生態(tài)環(huán)境[6]。因此，加強對煤矸石的環(huán)境效應與治理研究，能有效解決煤礦區(qū)周邊環(huán)境污染問題，具有很大的現實意義。

1 煤矸石的物質成分

煤矸石是由夾在煤層中的脈石、混入煤中的頂底板巖石及帶出的少量煤組成。煤矸石的礦物成分復雜多變，但主要為粘土礦物和非粘土礦物，非粘土礦物主要為石英、長石、黃鐵礦及各種無機鹽類如碳酸鹽、硫酸鹽等。常見的礦物油高嶺石、蒙脫石、伊利石、菱鐵礦、石英、長石、黃鐵礦、綠泥石、石膏、方解石等[7-8]。煤矸石的主要化學成份有碳、氫、氧、硅、硫、鋁、鐵、鈣等常量元素和不等量的錫、鉻、砷、汞、鉛、鋅、錳、銅、氟等微量元素[9]。

2 煤矸石環(huán)境污染機理簡析

煤矸石對環(huán)境的污染表現在2方面，第一個方面是煤矸石山自燃，其二是煤矸石山淋濾對地下水、地表水等的污染。其污染機理如下：

第一，煤礦矸石山自燃必須具備燃燒的3個基本條件[10]，即：可燃物、氧氣供應、高于維持燃燒的溫度。首先，煤矸石中含有C、H、S等組成的物質，其中硫鐵礦的燃點低、耗氧量小、氧化放熱量大，是主要引燃物。引燃速度受控于矸石中硫鐵礦含量富集狀態(tài)及煤的變質程度。其次，矸石山內部燃燒的氧氣是由矸石顆粒間孔隙提供的?？諝獾牧鲃铀俣葲Q定自燃的強度。煤礦生產中，矸石是通過牽引自卸堆積的，矸石山的粒度堆積具有一定的分選性，底層的煤矸石透氣性好，煤矸石中含碳物質、含硫物質、油頁巖等緩慢氧化產生熱量，當內部積聚的熱量達到一定程度時，煤矸石就會自燃。自燃產生的SO2、CO、H2S、CO2、NOX、CH4、H2、C2H4及苯并(a)芘等有毒有害物質[11]，并向大氣排放大量的懸浮物。最后，矸石山內部的溫度是維持矸石自燃的基本條件[10]。矸石自燃后使矸石溫度升高并通過矸石孔隙產生熱對流形成預熱區(qū)，加快氧化速度，從而使可燃物自燃。另外，煤矸石山的自燃還與矸石堆放地理位置、日照量、雨水及所受微生物作用等因素有關[12]。

第二，煤矸石中除含有大量的C、Si、Al、Fe、Ca、Mg等常量元素外，還含有各種痕量重金屬元素、堿金屬、堿土元素、硫化物、大量有機污染物。煤矸石山堆放經長期的降水淋濾作用和風化作用[13]，煤矸石中碳酸鹽類、硫酸鹽類等具有較強可溶性的礦物就會被溶解，并且以溢流泉水為運動載體向外排泄，這其中的有害物質與鹽分則會進入地表水、地下水和土壤，對當地的環(huán)境會造成極其嚴重的污染。大氣降水對煤矸石中可溶組分的淋濾主要通過以下幾種方式進行:無機鹽類礦物的直接溶解;風化作用加速了煤矸石的分解，使難溶組分變得較易溶解；黃鐵礦的氧化促使淋濾溶液的酸度大幅提高，并可與其他礦物發(fā)生化學反應，使溶出組分復雜化。

3 煤矸石環(huán)境污染現狀

3.1 煤矸石山自燃

我國對煤自燃傾向性研究始于1950年，我國正在自燃的矸石山占30%以上，它不僅產生大量有毒有害氣體，而且容易頻發(fā)矸石山坍塌、噴爆甚至爆炸事故，釀成的人員傷亡和[12]造成的重大經濟損失。據有關資料，每平方米矸石山自燃1晝夜可排放CO10.8kg、SO26.5kg、H2S和NO22kg等。依據國家衛(wèi)生標準規(guī)定，居民區(qū)大氣環(huán)境中有害物質SO2的最高允許濃度(日均)為0.15mg/m3、H2S為0.01mg/m3。顯然，煤矸石自燃區(qū)的大氣環(huán)境污染超過了國家標準，必然危害居民身體健康。內蒙古烏達礦區(qū)礦區(qū)煤層硫分高,煤層和矸石山一年四季不停燃燒，成為我國最大的煤層自燃區(qū)域。根據近期烏達躍進洗煤廠矸石山燃燒區(qū)附近的大氣檢測結果，SO2平均質量濃度為10.69mg/m3，超過國家標準的70多倍，H2S平均質量濃度為1.57mg/m3，超過國家標準的150多倍[14]。1999年烏達礦務局對矸石堆附近進行大氣質量分析，結果顯示有害氣體質量濃度：CO為25.8mg/m3，SO2為7.74mg/m3，H2S為6.45mg/m3，分別超過國家規(guī)定的居住區(qū)有害氣體3級標準的4.3、77.4和645倍。該礦區(qū)周邊地區(qū)居民的呼吸道疾病病發(fā)率明顯高于其它地區(qū)[15]。煤矸石山自燃時，許多有害元素會在自燃過程中逸出[16]。馮新斌等[17]對貴州二疊紀龍?zhí)督M煤層中S、As、Hg、Pb、Sb、Zn等元素的多元分析結果顯示，這些毒害元素主要賦存于次生黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦中，具揮發(fā)—半揮發(fā)性，在煤矸石自燃過程中易進入大氣。煤矸石自燃及風化后，大風揚塵加劇了大氣中可吸入顆粒物的濃度，尤其是四面環(huán)山的礦區(qū)環(huán)境污染更加嚴重[18]。如甘肅窯街煤礦區(qū)三面環(huán)山，塵埃滯留礦區(qū)上部，大氣中總懸浮物微粒年平均濃度超過國家二級標準9倍，冬季嚴重時超標25.4倍。銅川礦區(qū)曾因環(huán)境污染嚴重被稱為衛(wèi)星上看不到的城市。

3.2 煤矸石山淋濾

煤中含有80多種元素，除C、H、O、N、S等元素為常量元素外(大于1%)，多數元素含量都小于1%，稱為微量元素，其中有20多種有害微量元素[19]:As、Ba、Be、Cd、Cl、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、Mo、Ni、Pb、Sb、Sn、Th、Ti、U與V等，煤矸石中微量元素含量一般高于煤層，主要有砷、銅、鎘、鉻、鉛、鋅、鐵、錳、氟、汞、硒、氯、鎵、鈾等[20]。安太堡11#煤的分析結果表明[21],除S、U、Se、Br、Mo明顯富集(富集系數EF大于5)之外，其它有害元素的含量較低，U與Mo主要以無機相產出，與黃鐵礦、碳酸鹽礦物、磷酸鹽礦物及粘土礦物有較大相關性，這些物質很容易經過煤洗選過程直接排放到煤矸石中。煤矸石山堆放經風化和雨淋后釋放出的大量有害物質與鹽分進入土壤和水體。根據1998年環(huán)境監(jiān)測站對新邱礦矸石山附近于家溝地區(qū)水質分析結果表明[22]：地下水總硬度最高達1520mg/L，硫酸鹽最高可達710mg/L，嚴重超出了《地下水質量標準》(GB/T 14848-93)中規(guī)定的飲用標準。新邱露天煤礦排土場的淋溶水偏堿性，無機鹽類是其主要污染物[23]。阜新地區(qū)于家溝地下水的污染就是由于新邱露天礦煤矸石淋溶水造成的[24]，阜新市區(qū)地下水中常量化學組分SO42-、Cl-、NO3-、H+等普遍升高，有毒有害組分氰、酚，CN-、Cr+6、Hg、As等均有檢出，有些組分明顯超出處境背景值。我國南方很多煤礦屬高硫煤[6]，硫含量一般為3%～4%，有的高達10%,含高硫煤的煤矸石山自燃很可能產生酸性廢水，加劇了有害元素的淋濾作用。研究表明，Hg與硫化物的相關系數達0.9727(α=0.001)，與有機組分含量呈反相關關系[25]，這顯示Hg主要賦存于煤矸石山含量較多的黃鐵礦中，煤矸石自燃產生的酸性水能引起黃鐵礦的分解，造成Hg的大量淋出。樸河春、黃榮貴等對貴州富含黃鐵礦煤矸石研究表明，這些煤矸石在風化淋濾過程中，黃鐵礦風化產生酸性淋濾液，碳酸鹽含量既控制其風化程度又控制林溶液的酸度，造成阿哈水庫季節(jié)性污染。丁振華等[26]對黔西南高砷煤研究發(fā)現,煤中黃鐵礦含量較低，As主要以高價有機砷的形態(tài)存在，經NH4Ac、HCl、HF、HNO3連續(xù)浸取，仍有50%以上的As未從煤中提取出來。

4 煤矸石環(huán)境污染防治措施

目前我國煤矸石山環(huán)境污染防治方法[8]主要有:撿選有用資源、煤矸石山注漿等防滅火、煤矸石綜合利用、煤矸石山復墾等。這些方法可歸為2類:災害防治與治理(即土地復墾)和綜合利用。

4.1 災害防治與治理

加強煤矸石防自燃措施，做好復墾工作。可燃物的存在是矸石堆發(fā)生自燃火災的內因，清除可燃物是預防自燃火災的最根本途徑。矸石堆中的可燃物主要為煤、煤矸連生體、碳質巖、黃鐵礦及廢棄油、木材等。復墾就是使其經過整治以后恢復到可供利用的狀態(tài)。也就是消除礦區(qū)土地退化的潛在危害，保護環(huán)境以取得最大的土地利用價值的環(huán)境和環(huán)境效益,促進生態(tài)良性循環(huán)。另外，在排矸過程中應采取必要的分選回收措施。建設矸石山和排土場疏排水系統(tǒng)，集中處理煤矸石淋溶水以減少環(huán)境污染。對矸石山和排土場進行土地復墾，恢復植被，減少降水對煤矸石的淋溶。

4.2 綜合利用

煤矸石可以根據其成分不同,合理利用，它以多種砂巖、泥巖、灰?guī)r、煤屑及黃鐵礦、高嶺石等為主,撿選有用物質可有效防治各種污染。如：直接用于用于煤礦地下采空區(qū)充填、采空區(qū)上覆巖層離層帶的注漿化充填,鋪路、填溝造地、做建筑材料;也是塌陷土地復墾時無毒害污染充填材料的主體[27];由于煤矸石中硅的含量高，可以利用有效硅元素制得硅系列化學品及硅鋁系列化學品，如硅酸鈉、硫酸鋁、聚合氯化鋁等。還可以提取化工原料、制磚、制水泥、發(fā)電等。另外，煤矸石中還含有少量一定數量的煤炭，可以利用選煤技術加以回收。英、美、荷、比、日、捷等國家都建立了專門從煤矸石中回收煤炭的選煤廠。如英國南威爾士礦區(qū)有600多個煤矸石山，堆積煤矸石4億多噸，每年排出煤矸石600多萬噸，每年從煤矸石中回收煤炭50多萬噸，大部分用于發(fā)電。

5 存在問題及建議

煤矸石是煤炭生產和加工中排放的固體物質，其生產量約占煤炭生產量的10%，這是目前我國年排放量和累計堆存量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。煤矸石的長期大量堆存已形成對地面環(huán)境和地下水源的嚴重污染，造成對可持續(xù)發(fā)展的威脅。目前我國對煤矸石的環(huán)境效應研究已經引起重視，但治理范圍和深度還處于地區(qū)發(fā)展不平衡狀態(tài),存在的主要問題有：（1）綜合利用總體水平不高。我國目前煤矸石的綜合利用率為30%左右，這不論從環(huán)保角度還是從煤矸石資源化、提高經濟效益角度來看，都與煤炭生產發(fā)展很不相適應。即使在利用比較廣泛的煤矸石燒沸騰爐、制磚、燒水泥等方面，也還存在一些問題。國家經貿委和科技部制定的《煤矸石綜合利用技術政策要點》明確規(guī)定：煤矸石綜合利用以大宗量利用為重點，將用煤矸石發(fā)電、煤矸石建材及制品、復墾回填以及煤矸石山無害化處理等大宗量利用煤矸石技術作為主攻方向，發(fā)展高科技含量、高附加值的煤矸石綜合利用技術和產品。為進一步利用煤矸石研究和規(guī)模化生產建筑磚提供良好的機遇；（2）治理過程相對缺乏理論體系與技術支撐。

建議今后加強：（1）矸石廢棄地復墾的相關法規(guī)和技術標準的研究；（2）含特殊污染物礦井水中有毒有害元素的遷移規(guī)律和環(huán)境效應的研究煤矸石自燃和淋濾過程中有毒有害元素的遷移規(guī)律和環(huán)境效應的研究；（3）開發(fā)煤矸石中的共伴生礦物；（4）煤矸石風化物中有毒有害元素遷移規(guī)律的研究；（5）煤矸石山復墾物種選擇；（6）宣傳教育,提高全民意識喚醒全民對利用煤矸石、保護國土資源和生態(tài)環(huán)境的憂患意識。

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1004-5716(2015)06-0129-04

2015-04-09

劉玲（1983-），女（漢族），河南永城人，工程師，現從事礦產勘查工作。