煤矸石山的危害及绿化技术的研究与探讨(1).pdf

I S S N l o o 52 7 6 3 C N 4 31 21 5 ／ T D 矿业研 究与开发 第 2 6卷 第 4期 MI NI N G R D，Vo 1 ． 2 6， No ． 4 2 0 0 6年 8月 Au g． 2 00 6 煤 矸 石 山 的 危 害 及 绿 化 技 术 的 研 究 与 探 讨 李鹏波 ， 胡振琪 ， 吴 军 ， 康惊涛 ， 王 建 1 ． 中国矿业大学 北京 土地复垦与生态重建研究所 ， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 山东农业大学科技学院， 山东 泰安市2 7 1 0 0 0 摘要 煤矸石是煤炭开采过程 中的必然产物， 堆积成山的 煤矸石 山是矿 区的主要 污染源之一 ， 对矿 区和周围 区域的生 态环境造 成较 大的破坏 。矸石 山绿化是减 少矸石 山污染， 改 善矿 区生态环境的有效途径。概述了矸石山的危害， 分析了 矸石山的绿化 技 术 ， 并对矸 石 山绿化 技 术进行 了探 讨和展 望， 以期为矸石山的绿化改造和生态重建提供帮助。 关键词 煤矸石山； 环境污染； 绿化技术； 生态重建 中图分类号 T D 8 4 9 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 2 7 6 3 2 o o 6 0 4 0 0 9 3 04 Re s e a r c h a nd Di s c us s i on on t he Ha z a r d s a nd Gr e e n i ng Te c h n o l o g y o f Co a l Ga n g u e Du m p L ／ Pe n g b o ， HuZ h e n q i ，Wu J u n ，K a n g J i n g t a o ，Wa n g J i a n ‘ 1 ．I n s t i t u t e o f R e c l a ma t i o n a n d E c o l o g i c a l R e c o n s t r u c t i o n ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi ni n gT e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 8 3 ， C h i n a ；2 ． C o H e g e o f S c i e n c e an d T e c h n o l o gy ，S h a n d o n g A g r i c u l t u r a l U niv e rs i ty， T a i a n ， S h a n d o n g 2 7 1 0 0 0 ，C hi n a Ab s t r a c t T h e c o a l g a n g u e i s t h e i n e v i t a b l e b y p r o d u c t i n mi n i n g p r o c e s s ，an d t h e c o a l g a n g u e p i l e s i s t h e p r i ma r y s o u r c e o f p o 1 一 l u t i o n i n mi n i n g R i g a，ha s l a r g e i mpa c t o n t h e e c oe n v i r o n me nt o f mi n i n g Rig a a n d i t s s u r r o u n d i n g ． Th e e ff e e 6 v e a p p r o a c h t O l e s s e n t h e p o l l u t i o n o f c o a l g a n g u e p i l e s an d i mp r o v e t h e e c o en v i r o n me n t o f mi n i n g Rig a i s t h e g r e e n i n g o f c o a l g a n g u e d u mp ． Th i s a r t i c l e s u mma r i z e s t h e h a z a r d s o f c o a l g a n g u e d um p，a n d an a l y s e s a n d d i s c u s s e s t h e g r e e nin g t e c h n o l o gy o f c o al g a n g u e d u mp，S O as t o o ff e r t h e h e l p t O v e g e t a t i o n r e s t o r a t i o n an d e e o r e h ab i l i t a t i o n o f c o al g a n g u e d u mp ． Ke y W o r d s C o al g a n g u e d um p， E n v i r o n me n t al p o l l u ti o n， Gr e e n i n g t e c h n o l o gy ，E c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n 据预测 ， 2 0 0 8年我国能源总需求为2 2 ． 9亿 t 标 准煤， 其中原煤需求量为 1 7 ． 9亿 t ； 2 0 2 0年的能源 总需求和煤炭需求量分别是 3 0 ． 1亿 t 标准煤和 2 1 ． 5 亿 t 原煤⋯ 。而根据我国能源储量构成和能源 消费结构可以断定， 煤炭在最近的几十年内作为我 国最有保障和最主要的能源的地位不会改变。 煤矸石是采矿过程中不可避免 的产物， 限于我 国经济 、 技术等条件 的不足 ， 目前 ， 煤矸石的资源化 综合利用比例不到 3 0 ％ ， 因此大量的煤矸石堆存在 矿区， 形成矿区特有 的景观元素煤矸石山。由 于煤矸石山堆放在 自然环境中极易发生 自燃 、 淋溶、 扬尘等， 对大气、 水体以及土壤等造成严重污染。 1 煤矸石山的危害 露天堆存的煤矸石暴露在 自然环境中往往会发 生一些物理、 化学反应 ， 而对矿 区环境造成危害， 因 此， 可以把煤矸石山的危害分为物理危害和化学危 害两大类。 1 ． 1 物理危害 1 占压土地。矸石山堆存在地面 ， 占用了大 量的土地资源 ， 打破了原有的生态系统结构 ， 破坏 了 区域的景观 ， 同时也造成矿区周围众多的社会问题 。 据统计， 矿业生产过程中煤矸石的产生比例一般为 1 0 ％ ～ 3 0 ％， 估计我国每年排放矸石约 1 ． 5 ～ 2 ． 0 亿 t ， 历年矸石 的堆积量达 3 5亿 t 以上 ， 占地 约 3 0 0 0 k m ， 造成大量土地资源的浪费。 2 污染大气。矸石在运输 、 堆放过程中， 遇风 会形成一种粉尘颗粒， 风化粉尘中含有对人体有害 的金属元素 ； 飘浮在空气中的粉尘颗粒小 的会被人 体吸人肺部， 导致气管、 肺部等方面的疾病， 严重时 还能导致癌症； 大粉尘颗粒进入眼、 鼻， 易引起感染， 同样也危害人体健康。另外， 颗粒悬浮于大气中破 坏了大气 的温室效应 ， 容易造成气候异常 J 。 3 引发地质灾害。矿区矸石 山多为 自然堆积 而成， 坡度较大， 内部结构疏松， 受矸石中炭分自燃、 有机质灰化及硫分解挥发等作用的影响， 使得矸石 收稿 日期 2 0 0 51 20 7 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 4 0 0 7 1 0 4 5 ， 4 9 7 0 1 0 1 0 ． 作者简介 李鹏波 1 9 6 9一 ， 男 ， 山东青岛人， 在读博士 ， 主要从事生态规划研究和风景景观规划与设 计工作 维普资讯 9 4 矿 业 研 究 与 开 发 山非常易发生崩塌、 滑坡 。堆于沟谷 的松散煤矸石 还易成为泥石流的物质源 ， 一旦山谷 中形成较强的 径流条件 ， 即可 能形成泥石 流灾害。如枣庄煤矿北 煤井一矸石堆 ， 1 9 9 4年发生坍塌 ， 导致 l 7人死亡 ， 7 人受伤 J 。英国 A b e r f a n附近的矸石山滑坡曾导致 l 4 4 人丧生， 并造成重大的财产损失-4 j 。 2 0 0 4年5 月 ， 重庆市万盛区的矸石山发生泥石流， 造成 l 4间 房屋被埋 ， 5人遇难 ， l 6人失踪。 另外， 煤矸石山一般灰分为 7 0 ％ ～ 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 由于 内部发热 ， 温度升高 可达 8 0 0～1 2 0 0 o C ， 形成一个 内部高温高压的环境， 当矸石山内的瓦斯气体聚集 至一定浓度， 在高压的情况下， 则极易产生爆炸， 并 引起崩塌 、 滑坡 ， 形成连锁灾害 ， 严重危及附近居民 的安全。2 0 0 5年 5月 ， 河南省平顶山平煤集团矸石 山自燃崩塌 ， 造成 1 0 0 m外的 1 8间居民房不同程度 受损 ， 房中人员被埋压。在抢险过程中 ， 矸石山先后 又 3次喷发 ， 造成现场几十名抢 险人员被烧伤 ， 有 8 人遇难 ， 另有 1 2 2人不 同程度被灼伤 ， 其中6人伤势 较重。 4 造成水土流失。煤矸石 山一般坡度较大， 在堆放初期人渗能力较强， 随着矸石山表面风化程 度的提高， 表层土壤发育， 人渗能力降低， 使得矸石 山表面径流加大， 特别是近几年矸石 山的堆放都经 过机械碾压， 形成致密的“ 不渗层” ， 如果遇暴雨发 生， 就会造成严重的水土流失。 5 破坏矿区景观。煤矸石多为灰黑色， 且山 体高大 ， 在大部分矿区 ， 巨大的、 黑色光秃秃的矸石 山成了煤矿区的标志物 ； 煤矸石 自燃 以后变为黑褐 色， 光秃秃的黑褐色的矸石山， 有时还冒着 白色的烟 雾 ， 严重影响矿区的 自然风光。另外 ， 由于矸石山风 蚀扬尘， 尘埃覆盖在建筑物上， 使其失去原来色调； 漫天飘扬的矸石扬尘降低了空气的清洁度和光照 度， 使矿区环境浑浊不清， 对景观环境质量影响很大。 除此之外 ， 矸石山溢流水和经雨水淋溶形成的 浊流， 常常使河流出现颜色杂乱的污染带。矸石堆 放时产生的粉尘、 自燃时产生的有毒物质对植物的 生存也有较大影响， 表现在植物生长缓慢、 生长量降 低， 草地植被种类减少、 病虫害增多等， 对矿区的生 态景观造成严重破坏 J 。 1 ． 2 化学危害 1 自燃 的危害。煤矸石山的 自燃对矿区生态 环境 的污染最为严重。煤矸石 中含有残煤 、 碳质泥 岩和废木材等可燃物， 其中碳和硫构成煤矸石山自 燃的物质 基础 ， 矸石 中通常 固定碳含 量为 1 0 ％ ～ 3 0 ％， 野外露天堆放的煤矸石 ， 日积月累， 堆积在矸 石里的黄铁矿 F e S 在矸石 山上氧化发热 ， 其内部 的热量逐渐积蓄 ， 当温度达到可燃物的燃点时， 逐级 引起混在矸石里 的炭 自燃 ， 再引起矸石 自燃 。自燃 后 ， 矸石 山中部温度可达 8 0 0～1 0 0 0 ℃， 并放出大量 C O 、 C O 、 S O 、 H S和氮氧化合物等有害气体。‘ 。 J 。 一 氧化碳气体能引起人出现头晕、 窒息、 中毒等 症状， 甚至会使人视力减退， 严重时会使人的血液循 环输氧系统闭塞而致 死； 二氧化硫对人体造成的危 害主要是双眼红肿、 胸憋、 咳嗽 、 气喘、 口腔干燥发粘 等， 对绿色植物的影响是对叶片细胞产生危害作用， 破坏叶片的交换机能， 使叶片 内的海绵细胞 和栅栏 细胞发生质壁分离， 导致叶绿素枯死收缩， 在叶片上 出现枯萎斑痕。二氧化硫浓度严重超标时 ， 还会导 致一些敏感植物死亡 。 矸石 山 自燃产生的有毒有害气体 ， 不仅对植物 会产生很大的危害， 对人 也会造成严 重的危害。一 座矸石山自燃可长达十余年至几十年， 由其造成的 严重污染， 会使 自 燃矸石山周围地区呼吸道疾病发 病率明显高于其它地区， 并成为癌症高发区。 2 有毒重金属污染。煤矸石在露天堆放情况 下 ， 经受风吹、 日晒和雨淋 ， 煤矸石中的有毒 重金属 元素如铅、 镉、 汞、 砷、 铬等通过雨水淋溶渗入土壤和 进入下游水域 ， 导致严重的重金属污染。有些重金 属污染还能沿着食物链传递， 最终进入人体， 为害人 类健康。矸石 山重金属污染的程度取决于这些元素 的含量和淋溶量的大小 J 。同时 ， 矸石风化物细粒 随着径流流入周围土地并沉积在表面 ， 还会导致严 重的土壤污染， 影响农业耕作。 3 酸性水污染。煤矸石中普遍含有较高的硫 分及其他有害元素， 硫主要以黄铁矿的形式存在。 四川南桐煤矿 矸石含硫 量高达 1 8 ． 9 3 ％ ， 贵州大枝 煤矿也达 8 ％ 一1 6 ． 0 8 ％ ， 煤矸石中的黄铁矿结核经 过风化及大气降水的长期淋溶作用， 形成硫酸或酸 性水及离解出各种有毒有害元素如 C d 、 H g 等渗入 地下 ， 导致土壤 、 地表水体及浅层地下水的污染。另 外， 自燃后的矸石山会产生 s O 等， 遇水或淋溶后会 形成 H S O ， ， 造成 土壤酸化 ， 严重影 响植 物 的正 常 生长。 4 放射性污染。矸石在采出、 运输、 堆放等过 程中， 由于逐渐破碎 。裸露面积逐渐增大 ， 从而扩大 维普资讯 李鹏波， 等 煤矸石山的危害及绿化技术的研究与探讨 9 5 了与空气接触面积， 其中的放射性元素向空气中大 量析出， 使空气 中的放射性元素浓度增大， 超过其本 底值 ， 造成辐射 污染。矸石 中天然放射性核心元素 主要为铀 一 2 3 8 、 钍 一 2 3 2 、 镭 一 2 2 6、 钾 一 4 0 7 ] 。据山 西省西 山矿区监测 ， 矸石 中的天然放射性核心元素 均高于原煤和土壤中的相应数值。 但是依据我国 放射防护规定 、 建筑材料放 射卫生防护标准 和 建筑材料用工业废渣放射性 物质限制标准 中的有关规定 ， 结合 全国部分地 区 土壤放射性核元素含量可以认为煤矸石不属于放射 性废物 ， 而属于一 般工业 固体 废 物。煤矸 石即使 1 0 0 ％用于建材制品， 亦满足有关放射性限制标准和 卫生防护限制规定 J 。 2 煤矸石山的绿化技术 由于矸石山暴露在 自然环境 中， 经多年风化后 表面会形成一层约 1 0 c m的风化层 ， 另外， 矸石山 内部还有一定的水分 ， 可 以提供给植物生长的需要。 因此 ， 为了降低矸石山的危害 ， 许多矿区都对矸石山 进行 了绿化 。大量 的实践证 明 M J ， 绿化矸石 山、 恢复矸石山的植被生态系统 ， 可以减少矸石山的风 蚀扬尘 ， 水土流失， 降低矸石 山的温度， 从而杜绝矸 石山的 自燃 ， 减少 自燃对矿 区大气环境的危害等等。 因此绿化煤矸石山， 重建植被生态系统， 是煤矿区生 态环境改善的有效手段。 2 ． 1 覆土绿化技术 覆土绿化是在 矸石 山表面覆盖一定厚度的土 壤、 粉煤灰 、 污泥等， 这种方法已在部分矿区进行 了 成功实验。其优点就是植物生长环境 ， 尤其是土壤 环境的改善较大 ， 除适宜较多的树种生长且造林成 活率较高外 ， 还可 以种植一些农作物和牧草。 在覆土绿化技术 中， 覆土 的厚 度是关键 因素 。 覆土厚度较小 1 O一 2 0 c m ， 覆盖效应低 ， 对立地改 良作用小， 而且植物根系绝大多数分布于覆盖层中， 没有真正“ 扎根 ” 于矸石 山， 由于得不到土壤层 以下 的水分供应， 在无灌溉条件下， 植物反而容易受旱； 覆土厚度较大 2 0 c m以上 ， 覆盖的土方量增加， 加 上运输距离一般较远， 从而提高了复垦投资， 制约矸 石山复垦种植 的推广。 薄层覆土 对黄土而言约 3 5 c m 是一种 经济实用的覆土植被恢复技术 ， 大大降低了复垦地 造价， 同时对于出苗、 保苗 比较有利 ， 还可以使幼苗 免受高温灼伤， 不会降低植物根系的抗逆性， 薄层覆 土栽植植被的根 系能够深入 到矸石深层 ， 吸收矸 石 山深层的水分和养分 ， 有利于植物的成活和发育。 2 ． 2无覆土绿化技术 由于经济和缺土的原因， 我国的煤矸石山绿化 中一般采用无覆土造林技术 。无覆土绿化就是将植 物直接栽种于煤矸石山表面的矸石风化物上， 对矸 石 山只采 用适宜 的整地方法 带状整地 或块 状整 地 ， 然后在植树穴或植树带内进行适量“ 客土” ， 而 不采用表面全部覆土、 覆污泥等基质改 良技术 。 无覆土绿化矸石山时 ， 一般不宜平整地面， 以尽 量保留矸石山表面的风化物。或先挖坑 块状整 地 ， 使煤矸石风化一段时间再种植； 也可挖沟 带 状整地 后将煤矸石风化物集 中于沟内进行栽植。 煤矸石山整地的深度因植被不同而异， 要满足 各种植被生长所需深度的低 限值 ， 即草本植物为 l 5 c m， 低矮灌木为 3 0 12 1 “1 “1 ， 高大灌木为 4 5 c m， 低矮乔木 为 6 0 c m， 高大的乔木为 9 0 c m； 煤矸石 山的坡度一 般较大 ， 整地宽度不宜过大 ， 以免加剧水土流失 。因 此矸石山的整地宽度一般在 1 ． 5 2 ． 0 m， 采用反坡 梯田整地方式 ； 整地要提前 ， 整地季节按照至少提前 一 个雨季的原则进行 ， 即如果是春季造林 ， 整地最好 在造林前一年的雨季 以前进行 ； 如果是秋季造林 ， 整 地最好在当年的雨季 以前进行 ， 这样有利于植树带 的蓄水保墒和增加有机质等养分含量。 无覆土绿化技术省工、 经济， 复垦投资较少， 但 对于矸石山的立地改 良程度较低 ， 需要选 择抗旱性 较强的树种并采用适宜 的植苗造林方法。另外 ， 无 覆土绿化 由于煤矸石山表面没有覆土， 矸石 山黑色 的表面具有较强的吸热性能， 导致煤矸石山表层温 度高达 3 9 ℃ 一 4 2 ℃， 在植物的苗期易使幼苗灼伤而 迅速死亡 ， 因此要特别注意浇水 。 3 矸石 山绿化技术讨论与展望 3 ． 1 树种选择与配置 目前 ， 关于煤矸石 山植物种类选择 的实验报道 较多， 但结果都是基于植物成活率、 保存率及初期生 长的现象， 并无长期的试验观测和相应的理论研究。 实质上 ， 在 自然生态系统的发展过程中， 动植物种类 的侵入是一个漫长的过程， 因为它要不断地适应生 态演替系列的生境。矸 石山绿化 ， 虽然可 以借助人 的力量增加适当的植物种类 ， 加速植被演替 。但植 物种类 的选择首先要看其是否适应生境 ， 适应 哪个 阶段。为了方便 ， 把适应不同阶段 的植物种类一并 维普资讯 矿 业 研 究 与 开 发 2 0 0 6 ， 2 6 4 加入生态系统的做法， 看起来简单， 但违背生态演替 规律， 虽然初期阶段的生 长似乎正常， 但实际上 ， 有 些植物种类在后期阶段很难存活与生长。所 以， 矸 石山的绿化， 必须在立地环境分析的基础上， 首先选 择适宜的树种先锋树种 ， 在矸石山绿化的初期 ， 进入矸石山； 然后在先锋植物扎根 以后 ， 随着矸石山 生境的变化， 适时的引进植被演替不同阶段的适宜 植物种类， 并合理搭配， 加速植被演替和植被恢复与 生态重建进程。因此， 矸 石山绿化不是一蹴而就的 事情 ， 需要在不同的阶段适 时地补充适应不 同时期 的植物种 ， 使得不同的树种在不 同的时期 获得较好 的生长环境， 健康生长， 形成 自 然的矸石山植被生态 系统。 3 ． 2 合理的绿化植被群落结构 ． 煤矸石山绿化的最终 目标 ， 是通过植物群落的 生态功能改善煤矿区的生态环境， 但高效稳定的生 态效应必须建立在合理稳定 的植物群体结构基础之 上。其中， 群落密度是合理结构 的数量基础。到 目 前为止 ， 国内外关于煤矸石山植物群落适 宜密度问 题的研究 尚属空白， 各个矿区煤矸石 山的植被恢复 大都存在植物群落密度配置过大的问题。因此关于 植物群落结构与矸石山绿化 的生态效益的关系及其 机理问题 ， 是煤矸石山绿化不可忽视的问题。 3 ． 3 矸石 山绿化景观的价值 绿化后的矸石山是矿区不可忽视的立体景观要 素 ； 与矿区的其他景观相结合 ， 形成宽 阔的美学地 带， 能够满足城镇居民日益增长的休憩、 休闲的需 求 ， 同时也为正在发展兴起的矿业旅游提供 良好的 生态环境基础和景观环境基础。发展矿业旅游不仅 能创造一定的经济效益， 还可以创造相当的社会效 益， 如 可为矿区分流富余的劳动力等， 为矿区的可 持续发展提供有力的支持。 因此 ， 矸石山绿化应该结合矿区的发展和矿 区 区域环境条件 ， 合理的规划设计矸石山绿化景观 ， 创 造更高的景观生产力和景观价值， 实现矸石山稳定 的 自维持的植被生态系统的最终有效利用 。 参考文献 [ 1 ] 姜福兴， 耿殿明． 基于可持续发展的绿色矿区模式研究[ J ] ． 中国煤炭经济学院学报， 2 0 0 1 ．1 5 1 2 3 5 7～3 6 0 ． [ 2 ] 郭小娟， 贾萍， 刘霞． 煤矸石山环境问题及其治理研究 [ J ] ． 山西农业大学学报， 1 9 9 8 ， 1 8 2 1 3 9～ 1 4 1 ． [ 3 ] 刘传正． 矿区环境工程地质问题浅析[ A ] ．中国环境地质研 究[ c ] ． 北京 科学出版社 ， 1 9 9 8 1 5 8 ～ 1 6 6 ． [ 4 ] 姜振泉， 李雷． 煤矸石的环境问题及其资源化利用[ J ] ． 环 境科学研究 ， 1 9 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实现了当期新增储量与当期生产消耗基本平衡， 相当于又找出了一个 大型铜矿床。 目 前， 云南铜业集团已在现有6个老矿山的深部、 周边及近外围确定2 3 个找矿靶区、 共 1 0个勘查项 目， 计划在“ 十一五” 期间投入资 金 2 ． 2 4亿元 。 投入坑探 、 钻探地质工程量 4 ． 8 7， 1 3 ． 4 5万 m， 预测探获的铜 资源量将 迭2 0 0万 t 以上 。 目 前云铜集团所属的6个矿山， 仅有2个矿山的服务年限在1 5 a 以上， 仍面临资源接替危机。该集团呼吁在企业积极投入资金和力 量开展地质找矿的同时， 国家应提供多方面的政策支持 一是财税政策支持， 对实行贫富兼采综合利用迭不到x ． a k g , 表外矿资源的危 机矿 山， 应提 高增值 税抵扣 比例 、 降低所得税税率， 所减税款 专门用于危机矿 山老 区的地质找矿 工作 ， 以增加老矿 山的 自我遣血功能 ； 二 是要提供多方面的技术支持， 国家在地质工作部署中， 应有针对性地设立老矿区攻深找盲的地质科研项 目， 或组织国家地质科研单位到 企业进行与生产结合的科研活动， 解决企业找矿中遇到的技术问题； 三是应围绕解决危机矿山问题， 进行 多种资金的组合使用， 包括省 级政府应恢复矿业基金 ， 尽 快建立地勘基金 ， 以根据危 机矿 山的危机 程度形成 多渠道投 资的模 式， 从而加 快危机 矿 山解 决资 源危机的 速度。 维普资讯