專題綜述-我國煤炭開采對水資源破壞的現(xiàn)狀和保護(hù)的措施

專題論文我國煤炭開采對水資源破壞的現(xiàn)狀和保護(hù)的措施（董國良 采礦032 西安科技大學(xué)能源學(xué)院 710054）摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)大發(fā)展的步伐，煤炭行業(yè)也如雨后春筍般地發(fā)展起來。煤炭的開采很大程度地推動了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，給我們帶來了很大的經(jīng)濟(jì)利益，但是，我們在享受帶來的經(jīng)濟(jì)利益的同時，我們必須及時、認(rèn)真、清醒地面對由此而帶來的負(fù)面影響，煤炭資源采出來了，但同時我們卻失去其他寶貴的資源，其中，水便是破壞最為嚴(yán)重的資源之一。我國現(xiàn)在由于煤炭開采而破壞的水資源已經(jīng)很嚴(yán)重，水對我們的重要性眾所周知，因此，我們必須重視煤炭開采對水資源的保護(hù)，從而使我國經(jīng)濟(jì)快速而穩(wěn)步地發(fā)展。關(guān)鍵詞：煤炭開采 水資源 地下水 礦井水 水污染 污染治理Abstract: Along with the economy high-speed development-step in our country, the coal industry also develops like mushroom growth after spring tight rain. The coal mining impelled our country economys development whit great degree, and has brought many economic interests to us, but, we must promptly, earnestly, soberly to face the negative influence, while we enjoy the economic interest which brings from the coal mining. The coal resources picked, but we actually lost other precious resources simultaneously, among the resources, the water is one of the resources which destroyed seriously. The water resources which destroyed by coal mining already very serious now in our county, we all know the importance of water, so we had to take protection of the water resource which involved by the coal mining, and cause our countrys economy develops fast and with steady steps.Key words: Coal mining Water resources Ground water Pit water Water pollution Pollution government一、我國煤炭開采對水資源破壞的現(xiàn)狀礦產(chǎn)資源的開發(fā)與轉(zhuǎn)化是我國資本積累的主要途徑之一，其中以煤炭開發(fā)利用所占的比例最大。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，也是少數(shù)幾個以煤炭為主要能源的國家之一1。全國約75的工業(yè)燃料、76的發(fā)電能源、80的民用商品能源以及60的化工原料依靠煤炭2。煤炭是我國的主要能源，占我國一次性能源消耗量的75左右，這種以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)不可能發(fā)生根本性的變化，煤炭開采作為一種地下活動，不可避免地對地下含水系統(tǒng)造成局部破壞和污染3。而且正因?yàn)椴傻V活動的生產(chǎn)進(jìn)行，不可避免地產(chǎn)生大量的礦井水，從而污染和破壞地表水。煤炭開采對水資源的破壞和污染有兩種形式，一是破壞、污染地下水；二是破壞、污染地表水。此兩者按先后順序來講，地下水破壞和污染在地表水污染和破壞之前，這是因?yàn)槊禾块_采時，破壞了地下原有的應(yīng)力平衡，采礦時，由于應(yīng)力的重新分配，使原有應(yīng)力場發(fā)生變化，致使上覆巖層發(fā)生各種變形，產(chǎn)生裂隙、冒落等礦山壓力顯現(xiàn)，從而使裂隙等與地下水系導(dǎo)通，致使地下水系破壞，從而使其污染，這些流入井巷中的地下水也正是礦井水的重要組成部分。若兩者按破壞和污染的程度來說，最突出的表現(xiàn)是地表水污染，其次才是地下水污染。本質(zhì)上講，地表水的污染主要是由采煤活動過程中礦井水的排放引起的，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國不經(jīng)處理而外排的礦井水約2.2109/a，這些礦井水中通常懸浮物等污染物的濃度較高，必然造成水環(huán)境的污染4。我國每年排放的22億立方米的礦井水，其中1/6超標(biāo)外排5。由于煤炭開采對地下水系的破壞，我國大部分礦區(qū)已經(jīng)很難食用地下水，特別是在缺水的西北地區(qū)，此種情況更為嚴(yán)重。礦井水對地表水系的破壞和污染也日趨嚴(yán)重，對煤炭開采造成的水資源破壞和污染，我們必須快速而有效的付之以行動。二、煤炭開采對地下水破壞和污染的形成1.煤炭開采破壞地下水系結(jié)構(gòu)，使地下水流失（文章在前已敘述）。2.煤矸石淋濾污染淺層地下水。我國煤矸石積存量約30多億噸，占地12000ha之多，仍以每年1.3億噸排放。在煤礦區(qū)，煤矸石山星羅棋布，在雨水和灑水作用下，煤矸石中有毒害元素（Cu2+、Pb2+、Zn2+、F-、Cl-等）可隨淋濾進(jìn)入土壤，從而向淺層地下水遷移。圖1為兗州礦區(qū)東灘礦的煤矸石山堆東側(cè)土壤中某集中微量元素（Zn、Cr、Cd、Hg、As）含量隨距煤矸石山距離的變化趨勢6。很明顯，距離矸石山越遠(yuǎn)，土壤中這些元素的含量逐漸減少。煤矸石對土壤的污染勢必導(dǎo)致淺層地下水的同樣危害。3.粉煤灰污染淺層地下水粉煤灰是火力發(fā)電廠的工業(yè)廢渣，在灰場區(qū)內(nèi)排放堆存，人為的增添了新的污染源，圖1 Zn、Cr、Cd、Hg、As在煤矸石堆附近土壤中的遷移曲線對周圍的水環(huán)境產(chǎn)生了重要影響78?；茨下搴与姀S沖灰水、粉煤灰及土壤中主要有害元素含量如表1所示。由于粉煤灰的長期露天堆放，經(jīng)日曬雨淋，有毒成分向下滲透，在土壤中濃縮聚集，必定向淺層地下水中遷移，污染淺層地下水資源。4.淺層地下水中氟聚集污染地下水煤礦地區(qū)淺層地下水中氟的來源有兩種主要途徑：一是如果煤中含氟量高，在燃燒時極易以氣體形式釋放出來，在雨水作用下，或通過民用井直接進(jìn)入或通過滲濾間接進(jìn)入淺層地下水環(huán)境，增加了淺層地下水中氟的濃度；二是煤矸石山及粉煤灰中氟淋濾后，通過土壤滲濾進(jìn)入淺層地下水含水層，造成氟的遷移和聚集。長期飲用這種高氟地下水，必然導(dǎo)致氟病的發(fā)病率增高。劉桂建的研究表明6，魯西南梁寶寺井田淺層地下水中含氟的濃度達(dá)到46mg/l，有的高達(dá)10 mg/l，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了飲用水標(biāo)準(zhǔn)（1 mg/l）。在調(diào)查表1 洛河電廠沖灰水、粉煤炭及土壤中有毒有害元素含量元 素含 量備 注沖灰水（ppm）粉煤灰（）土壤中（mg/Kg）F1.23011.2172410距離粉煤灰越近，土壤中各元素越接近最大值A(chǔ)s0.01918.107.112.7Hg0.000050.420.0250.217Cd0.0010.550.0220.117Cr0.2507.18/Pb0.0098.6910.030.0Zn0.0025/Cn0.001/0.0170.080陳兆炎.桂和榮.胡文彪等.淮南洛河發(fā)電窯河洼灰場環(huán)境影響的評價研究報(bào)告，1992的35個村莊、35233人中，患有明顯氟牙病者23716人，占總?cè)藬?shù)的67.3，其中有氟骨病癥狀者4124人，占患者人數(shù)的17.4，如表2所示。表2 梁寶寺區(qū)淺層水氟含量和發(fā)病情況分析表含氟量（mg/L）調(diào)查村莊數(shù)調(diào)查人數(shù)地氟病患者人數(shù)百分比（）0.82.0640121051262.04.014142718016564.07.0111312811102847.010.043814354793合 計(jì)35352332371667三、礦井水對水資源的破壞和污染以及主要形式礦井水是煤礦開采過程中，從各種來源流入礦井的水的總稱。礦床開采破壞了地下水原始賦存狀態(tài)，使巖層產(chǎn)生裂隙，密切了各含水層之間的水力聯(lián)系，有助于大氣降水和地表滲透補(bǔ)給，使各種來源的水沿著原有的和現(xiàn)有的裂隙滲入井下采掘空間，經(jīng)礦井排水系統(tǒng)排出地面。1.造成礦井水污染的污染物來源井下糞便的污染。主要是井下工作人員的排泄物，這些未經(jīng)任何處理的糞便混入水體，造成礦井水的污染。煤、砂塵的污染。主要是由于煤炭在開采及井下運(yùn)輸過程中，大量的細(xì)煤屑、砂塵進(jìn)入礦井中的水體，使礦井水的懸浮物增多，并使水渾濁呈炭黑色。此外，煤塵中的硫、苯、酚、磷、焦油等雜質(zhì)混入水體，也使礦井的有害物質(zhì)含量升高。廢坑木的腐爛污染。廢坑木在巷道內(nèi)腐爛，使細(xì)菌、霉菌大量繁殖，致使細(xì)菌指數(shù)大大升高；有機(jī)氮的分解造成亞硝酸鹽含量的增高，并散發(fā)出少量的腥臭味。廢機(jī)油、廢酸液的污染。井下礦車都要消耗一定數(shù)量的機(jī)油，而廢機(jī)油常常進(jìn)入礦井水，致使水體表面出現(xiàn)油膜。另外，井下電機(jī)車修理間、充電及整流硐室洗電瓶等廢水排入水溝，常使水體受到廢酸液的污染。井下灑水及防火灌漿水的污染。井下灑水及防火灌漿水，進(jìn)一步加劇了礦井水的污染。因此，礦井水受到了一定程度的污染。從感觀上，水體呈黑灰色、渾濁，水面浮有油膜，并散發(fā)出少量的腥味。從水質(zhì)分析結(jié)果看，懸浮物渾濁度、礦化度及色度高，化學(xué)耗氧大，尤其是細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌群特別大。此外，鐵、揮發(fā)酚、氟化物、氯化物、溶解性總固體含量也較高。2.礦井水污染的幾種形式我國按照對環(huán)境的影響以及作為生活用水水源的可行性，習(xí)慣上將礦井水按水質(zhì)類型特征分為潔凈礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含有有害有毒元素或放射性元素礦井水等幾種類型。高礦化度礦井水含有SO42-、Cl-、Ca2+、K+、Na+、HCO3-等離子，硬度相應(yīng)較高，水質(zhì)多數(shù)呈中性或偏堿，帶苦澀味，少數(shù)有酸性。高礦化度礦井水不利于作物生長；會使土壤鹽漬化；用作鍋爐用水容易結(jié)垢；作建筑用水，會影響混凝土質(zhì)量。人長期飲用，將引起腹瀉和消化不良，尤其對心臟和腎臟病患者影響更為嚴(yán)重。我國北方缺水煤礦區(qū)的礦井水往往屬于高礦化度礦井水。酸性礦井水水質(zhì)特征為PH值小于5.6的礦井水，一般為33.5之間，個別小于3，總酸度高。當(dāng)開采含硫煤層時，硫受到氧化與生化作用產(chǎn)生硫酸，酸性水易溶解煤及圍巖中的金屬元素，故鐵、錳、重金屬元素以及無機(jī)鹽類增加，使礦化度、硬度升高。酸性水在我國南方高硫煤礦區(qū)比較常見。酸性水易腐蝕礦井設(shè)備與排水管路，并危害工人健康，排至地面會影響土壤酸堿度，使土壤板結(jié)，作物枯萎，酸化地表水，危及水生生物，對環(huán)境與生態(tài)造成重大損害。含有害有毒元素或放射性元素礦井水主要是指含有氟、銅、鋅、鉛及鈾、鐳等元素的水。含氟礦井水來源于含氟較高的地下水區(qū)域或煤與圍巖中含氟礦物螢石（CaF2）氟磷灰石等，高氟水的危害已在前文做了敘述。含重金屬礦井水主要有銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pd）等，濃度符合排放標(biāo)準(zhǔn)，但超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，不宜直接飲用。放射性元素水主要含鈾（U）、鐳（Ra）等天然放射性元素，及其衰變產(chǎn)物氡（Rn），超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。四、地下水破壞、污染和礦井水污染的防保1.對地下水破壞、污染的保護(hù)措施在進(jìn)行地下采煤時，應(yīng)綜合應(yīng)用當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境，為保護(hù)地表河流、湖泊、水體等，開采時專門留設(shè)保護(hù)礦柱。采取特殊采礦方法保護(hù)淺層地下水體，如開采時采用充填法、房主法、條帶法等采礦方法。加強(qiáng)對煤矸石和煤灰的集中和有效的管理，防止其對淺層地下水的污染。如在矸石、煤灰與地表之間鋪設(shè)隔離層等。要加強(qiáng)對地下水中氟污染的防治。2.對礦井水污染的保護(hù)措施在采礦活動中，對水資源造成污染和破壞，程度最大是礦井水。因而，有效的治理礦井水污染是非常重要的工作。對礦井水懸浮物的治理構(gòu)筑物式處理工藝技術(shù)主要通過水力循環(huán)澄清池混凝反應(yīng)沉降，再經(jīng)重力式無閥濾池過濾去除礦井水中的懸浮物。其工藝流程如圖2所示。礦井水由井下排水泵提升至地面預(yù)沉調(diào)節(jié)池，經(jīng)水質(zhì)均化，水量調(diào)節(jié)后的礦井水由提升泵提升進(jìn)水力循環(huán)澄清池，并在泵前加入混凝劑，泵厚加入絮凝劑，混合后的礦井水在水力循環(huán)澄清池內(nèi)部經(jīng)絮凝反應(yīng)，沉淀后，出水自流進(jìn)入重力式無閥濾池，過濾后的出水濁度在3NTU以下。出水再經(jīng)過消毒后作為生產(chǎn)或生活用水。無閥濾池的反沖洗水進(jìn)入集水池，由潛污泵提升進(jìn)入預(yù)沉調(diào)節(jié)池循環(huán)使用，以提高礦井水資源的利用率。水力循環(huán)沉清池泥斗中的煤泥定時排放至煤泥濃縮池，濃縮后經(jīng)渣漿泵送入壓慮系統(tǒng)處理。高效礦井水凈化設(shè)備式處理工藝高效礦井水凈化處理工藝主要是通過水力循環(huán)澄清和普通快慮相結(jié)合去除礦井水中的懸浮物。該設(shè)備式礦井水處理工藝流程如圖3所示。圖2圖3礦井水由井下排水泵提升至地面預(yù)沉調(diào)節(jié)池，經(jīng)水質(zhì)均化，水量調(diào)節(jié)后的礦井水由提升泵提升進(jìn)入高效礦井水凈化設(shè)備，并在泵前加入混凝劑，泵后加入絮凝劑，混合后的礦井水在該凈化設(shè)備內(nèi)部絮凝反應(yīng)、澄清、過濾，過濾后的出水濁度在3NTU以下。該凈化設(shè)備反沖洗出水進(jìn)入集水池，再經(jīng)過潛污泵提升進(jìn)入預(yù)沉調(diào)節(jié)池。排泥進(jìn)入煤泥濃縮池，再經(jīng)過渣漿泵提升進(jìn)入壓慮系統(tǒng)。對高礦化度礦井水的治理電滲析法處理工藝電滲析脫鹽是在外加直流電場的作用下，利用陰陽離子交換膜對溶液中陰陽離子的選擇透過性，離子作定向的遷移，即陰離子只允許通過陰膜，陽離子只允許通過陽膜，達(dá)到溶質(zhì)與溶液的分離，從而實(shí)現(xiàn)原水淡化的目的。為保證電滲析裝置長期穩(wěn)定，可靠運(yùn)行，原水進(jìn)電滲析器前必須進(jìn)行嚴(yán)格的前處理，使原水濁度控制在3NTU以下，并確保Fe、Mn、Cl等符合規(guī)定要求。電滲析淡化工藝流程如圖4所示。圖4 電滲析淡化工藝流程圖1原水池 2原水泵 3精密過濾器 4清水池 5清水泵6電滲析設(shè)備 7淡水池 8淡水泵 9氣壓供水罐 10濃水池 11濃水泵經(jīng)前處理的礦井水進(jìn)入原水池，由原水泵打入精密過濾器，出水進(jìn)入清水池和濃水池，再由清水泵和濃水泵打入電滲析設(shè)備，經(jīng)電滲析淡化處理后的淡水再進(jìn)入淡水池，再由淡水泵打給氣壓供水罐，送至用戶。電滲析淡化采用濃水部分循環(huán)工藝，濃水一部分循環(huán)，另一部分作為極水使用。反滲透法處理工藝反滲透法又稱逆向滲透法，是以大于溶液滲透壓的壓力作為推動力，用半透膜過濾，使溶液中的溶劑和溶質(zhì)分離的方法。反滲透的工藝包括預(yù)處理、膜分離和后處理。預(yù)處理是為了消除和減少原水對膜分離功能有害的各種因素，包括去除懸浮物、調(diào)節(jié)pH值和溫度、抑制膜表面產(chǎn)生水垢，消毒和防止生物污染。去除油類和有機(jī)物等。一般采取混凝、沉淀、活性炭吸附、加酶、加氯等步驟。根據(jù)出的使用目的，通常采用的后處理方法有脫除CO2、中和、消毒、活性炭過濾等。后處理系統(tǒng)如圖5所示圖5 反滲透處理系統(tǒng)圖反滲透處理系統(tǒng)通常分為單程式、循環(huán)式和多級串聯(lián)式。單程式（圖5a），原水一次通過反滲透裝置后分別以濃水和淡水連續(xù)地排過。循環(huán)式（圖5b）一部分濃水回流到原水池作為反滲透設(shè)備的供水，可提高水的循環(huán)率，但透過水的水質(zhì)有所降低。當(dāng)處理水量大時，將單程式改為多級串聯(lián)系統(tǒng)（圖5c）可提高水的回收率。對酸性礦井水的治理石灰石中和法石灰石中和滾筒法和生流式膨脹過濾中和法的基本原理，均采用石灰石作中和劑與酸性礦井水中硫酸進(jìn)行中和反應(yīng)，產(chǎn)生微溶的鈣鹽和易分解的碳酸，其反應(yīng)式為：CaCO3H2SO4CaSO4 H2CO3 H2O CO2由于濾料處于不斷滾動和摩擦狀態(tài)，不斷產(chǎn)生新的反應(yīng)表面使反應(yīng)能夠連續(xù)進(jìn)行。石灰中和法石灰中和法是利用石灰中CaO與酸性礦井水中的硫酸產(chǎn)生反應(yīng)：CaOH2SO4CaSO4 H2O酸性礦井水得到中和，其工藝流程如圖6所示。圖6 石灰中和酸性礦井水的工藝流程將氧化鈣含量為6781的石灰制成含活性氧化鈣510的石灰乳，加入中和氧化池中，同時采用機(jī)械攪拌進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，?jīng)沉淀、過濾后，清水達(dá)到國家有關(guān)廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)（PH為6.09.0）或者會用于煤礦工業(yè)用水，廢水中的鐵、鎂、鋁等一些有害的重金屬離子轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的溶度積很小的氫氧化物沉淀并被除去。此法因其工藝簡單，操作方便，出水PH值能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，除鐵效率比石灰石中和法高等優(yōu)點(diǎn)，目前被普遍采用。生物化學(xué)處理法生物化學(xué)處理法含鐵酸性水是目前國內(nèi)外研究比較活躍的處理方法之一。在美國、日本等國家已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。該方法的原理是利用氧化亞鐵硫桿菌在酸性條件下，將水中二價鐵離子氧化成三價鐵離子，然后用石灰石再進(jìn)行中和，以實(shí)現(xiàn)酸性礦井水的中和及除鐵。濕地生態(tài)工程處理法濕地生態(tài)工程處理法是近期迅速發(fā)展起來的一種污水處理技術(shù)，具有投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、易于管理等突出的優(yōu)點(diǎn)，所以引起人們的極大興趣。濕地生態(tài)工程處理酸性礦井水的設(shè)想并非從廢水處理進(jìn)化而來，而是從廢棄礦井酸性水通過自然水蘚（或泥炭）沼澤地觀測研究起來的。在煤礦區(qū)，隨著地下煤炭資源大量采出，巖體原有平衡遭到破壞，所以，在采空區(qū)上方地表造成大面積的塌陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止1990年底，我國因開采塌陷面積達(dá)3.0105hm2，平均每采1萬噸煤塌陷土地達(dá)0.2 hm2。這些塌陷區(qū)隨著時間的推移，逐步形成自然的濕地生態(tài)系統(tǒng)。受酸性水危害的煤礦，可對這樣的濕地進(jìn)行人工改造和設(shè)計(jì)。但這種方法需要占用大量的面積，大片的塌陷區(qū)改造成具有處理能力的濕地生態(tài)工程，勢必耗費(fèi)巨大的投資，由于占地面積大，將來管理和維護(hù)上也非常困難，因此，應(yīng)用很少。對有毒有害元素或放射性元素礦井水的治理目前，對有害有毒有害元素如銅、鋅、鉛等主要靠深度過濾除去。對放射性元素如鈾、鐳及其衰變產(chǎn)物氡采用水質(zhì)放射性專用凈化劑進(jìn)行處理。五、總結(jié)從上敘述我們不難發(fā)現(xiàn)我國煤炭生產(chǎn)對地下水和地表水破壞和污染的現(xiàn)狀十分嚴(yán)峻，而且都有相應(yīng)的治理方法