煤矿区环境地质问题及林业复垦对策研究

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摘要：指出了煤炭一直是我国能源主体,长期采煤活动产生了诸多环境地质问题,亟待治理并进行必要的土地复垦。介绍了煤矿区存在的主要环境地质问题,分析了其产生原因,针对这些问题,提出了将林业复垦作为矿区首选复垦模式,详细地论述了其潜在优势，分阶段阐述了林业复垦途径,并给出了复垦效益评价标准。

关键词：煤矿区;环境地质问题;林业复垦对策

收稿日期：2011-07-27

作者简介：杜金龙（1980―），男，湖北枝江人,博士,工程师,主要从事煤矿区水工环地质勘查与研究工作。

中图分类号：TD881文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2011）08-0150-04

1 引言

煤炭一直是我国能源主体,占一次性能源消费的70%。但长期以来,煤矿开采以破坏环境为代价对经济发展做出贡献［1］。矿区采煤及相关活动,产生了一系列环境地质问题,导致耕地与林地毁损,大气、水与土壤污染,造成生物圈与岩石圈破坏。

矿区土地复垦方式包括农业复垦、林业复垦、自然保护复垦、水利资源复垦与建筑复垦等［2］（表1）,前两种在实践中已得到广泛运用,是最主要的复垦方式。而林业复垦更是因为环境治理功能强、土地质量要求低,成为发达国家矿区复垦的首选［3］。我国过去主要基于经济效益考虑,对矿区复垦偏重于农业复垦方式。当前应改变传统观念,加大矿区林业复垦比重,以应对多发的矿区环境地质问题。

表1 矿区主要复垦方式及其用途

2 环境地质问题

煤矿区因开采方式、程度及所处区域的不同,会产生类型各异、程度不等的环境地质问题。如井工开采导致地面变形,露天开采造成土壤与植被损毁;西部生态脆弱矿区因疏排地下水导致土地荒漠化,东部平原矿区因采空沉降造成土壤盐渍化;以及矿坑水排放、煤矸石堆积导致大气和水土污染。

2.1 地面变形

煤矿区地面变形主要包括地面沉降、地裂缝和地面塌陷3种,是因煤炭井下采空导致上覆岩层应力失衡而产生。我国煤炭产量95%来自井工开采,多利用垮落法管理顶板,地面变形可达煤层采出厚度的65%～95%。据统计,我国因煤炭开采形成沉陷区累计40万hm2,年增1.5～2万hm2/年［4］。

矿区地面变形将导致耕地与植被破坏、地貌景观改变、房屋路基失稳及河水断流等,并引发次生灾害,包括山地及丘陵诱发山体滑坡及泥石流,平原区地面沉降导致土壤大面积盐渍化。

2.2 土壤损毁与污染

矿区土壤损毁主要来自露天煤矿剥土行为,其导致表层土壤理化性质改变、养分流失、生产力部分或完全伤失。我国露天煤矿产量虽不大（占总量5%～10%）,但万吨煤的土地损毁率可达0.02～0.18hm2,截止2001年［5］毁地约8 800hm2。

土壤污染主要由煤矸石堆放淋滤造成,包括土壤酸化与重金属污染（Hg、Cd、Pb、Cr、As生物毒性显著）。据不完全统计,我国煤矸石累计存量约30亿t,年排放约1.5亿t［6］,大部分露天堆放。煤矸石含大量硫化物和重金属,堆放过程中发生风化和氧化,降雨淋滤后形成含重金属元素的酸性溶液（pH值可达4.0～5.0）污染土壤。霍州矿区土壤Hg、Cd含量为0.075mg/kg与0.278mg/kg,是山西土壤平均值的3.26倍和2.73倍［7］。重金属元素会降低土壤质量、转移营养物质、危害生物群落乃至生态系统、威胁食品安全。而土壤酸化既会限制植物生长,还会提高重金属离子溶解度,加剧污染。

2.3 土地荒漠化

土地荒漠化是干旱半干旱生态环境脆弱矿区最突出的环境问题之一,产生原因包括疏排地下水使区域地下水位下降,导致矿区周边植被缺水退化;采空区地面塌陷、地裂缝导致沙土结构破坏,植被退化;露天采区直接毁坏植被等。

中西部是我国能源重要输出地区,同时也是生态环境脆弱区,土地沙漠化现象十分严重。随着我国煤炭开发的重心西移,该问题将变得更加突出。

2.4 地下水环境恶化

煤矿区地下水环境恶化的主要表现为井下排水导致地下水位持续下降、水质污染;煤矸石堆积淋滤导致浅层地下水污染。

采煤时疏排地下水难以避免,这一行为将形成人工汇,改变地下水流场,轻则形成降落漏斗,重则疏干含水层,导致地下水功能退化,影响周边区域工农业、居民与生态用水。表2为我国中西部2005年矿井水排放量及利用率［8］,可见每采出1t煤就会排放0.6～1.0t地下水,且仅有10%～20%被循环利用。2000年全国煤矿排放矿井水23亿t,占煤矿总污水83.6%［9］。

表2 中西部矿井水排放量和利用率（2005）

浅层地下水污染主要为煤矸石堆放淋滤产生的重金属与酸污染。污染物沿土壤层或采煤裂隙进入含水层,使浅层地下水受到不同程度污染。

2.5 大气污染

矿区大气污染包括粉尘污染和废气污染。粉尘主要为煤矸石扬尘,含重金属等毒害物。废气主要为矿井瓦斯和煤矸石自燃气体。瓦斯主要成分甲烷是温室气体,增温效应为CO2的21倍。我国矿井年排放甲烷70～90亿m3,占全球30%［6］。煤矸石自燃释放SO2、CO2、CO等毒害气体,一来损害人类呼吸系统,二来形成酸雨破坏建筑与植被。2006年国有煤矿存在矸石山1 500余座,长期自燃的就达389座。

2.6 其它环境地质问题

其它环境地质问题包括露天开采和基建形成的不稳定边坡;剥土及其它堆土、煤矸石等松散物受强降雨作用形成的泥石流;煤炭自燃导致的空气污染和烧变岩区（导水性强）矿坑突水等。

3 林业复垦优势

3.1 有效恢复矿区经济与生态功能

林业复垦投入成本低、回报较高,可有效恢复矿区经济与生态功能。陈新生等［10］在采煤塌陷区运用层次分析法,对农业、林业、渔业和旅游业等4种典型复垦模式研究后发现，无论塌陷区深浅、积水有否,林业复垦的生态效益均为最佳,综合效益也仅次于农业复垦（积水较深除外）。借鉴国外矿区复垦优先考虑生态功能的原则,塌陷区应以林业复垦为首选,并可推广至露天采区。

3.2 保持水土

地下水位下降和土壤贫瘠化所导致的植被退化,是西部干旱半干旱矿区土地荒漠化的直接原因。荒漠化地区常运用工程技术和生物技术恢复植被［6］。工程技术利用化学物质固结土壤后植树植草,成本高且难以长期保持、易造成次生污染,优势不如生物技术。生物技术通过培植根系发达、耐风蚀沙埋、固氮能力强、生长迅速的植物,来达到保持水土、治理土地荒漠化目的。

在地质灾害易发矿区,可通过植树来固结土壤、减少坡面流,以阻止泥石流和滑坡的发生。

3.3 促进煤矿污水利用

煤矿污水不仅是对地下水的极大浪费,而且易造成次生污染。但若用于林业复垦,则可事半功倍。煤矿污水含丰富有机物和多种矿质营养元素,可补充复垦区肥力和水分。美国学者Sopper［11］曾用城市污水淤泥进行矿区复垦,取得良好效果。因此可考虑将煤矿污水适当沉淀处理,用底部淤泥作为复垦肥料,上部清水用于灌溉。既可提高煤矿污水利用率,又节约复垦成本,一举两得。