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1、第五章 煤矿环境地质 随着人类大规模地开发和利用煤炭资源，煤炭开发和利用过程中产生的废石、废水、废气、地面塌陷和井温增高对煤矿环境的污染和破坏日益严重。防治煤矿环境的污染和破坏，已经引起越来越多的国家，尤其是工业发达国家的重视。 70年代以来，英国、西德、美国、苏联等工业发达国家，在煤矿环境保护方面进行了大量的、富有成效的工作。制定了一整套的煤矿环境保护法规和标准，建立起强有力的煤矿环境管理机构，大力开展煤矿环境保护科学研究，把控制污染、保护环境和资源综合利用有机地结合起来，大大改变了煤矿的面貌，在矿区建立起良好的生态环境。 我国煤矿环境的污染和破坏也随着煤炭工业的迅速发展日趋突出。保护我国煤
2、矿环境，已成为关系国家建设、人民健康和民族生存的大事。为了贯彻中华人民共和国环境保护法(试行） （1979年9月），矿井地质人员应该配合环境保护部门，切实作好煤矿环境地质工作。第一节 矿区环境地质概述一、矿区环境地质研究的对象和内容 在保护人类生存环境的长期实践中，创立和发展起来的环境科学，它是一门研究人类或生物与环境的关系，人类活动所引起的环境质量变化，以及环境保护和改造的学科。它围绕环境质量评价和控制这一核心，主要研究环境污染的危害、种类和原因，环境污染的调查和监测，环境质量评价的标准和原则，环境保护的措施和方法等内容。由于人类的生存环境与地质、水文地质和地球化学条件有着密切关系，因此产生
3、了环境地质学。它是一门介于环境科学和地质科学之间的新兴边缘分文学科。它是研究人类或生物与地壳环境变迁的关系，地壳环境变迁给人类或生物造成的危害和结果，以及改善和控制大气围、水围、生物围和岩石围环境恶化的原理和方法。环境污染的地质和地球化学原因研究是环境地质学的核心内容。矿区环境地质是环境地质学的重要组成部分。它着重研究矿区原始和次生环境的地质条件，环境污染的因素、程度和危害性。其主要工作内容概括如下： 1矿区原始环境的地质调查和质量评价 （1）调查地质体内有害物质的种类、成分、含量、赋存状态和分布规律，基础，预测煤矸石和矿井水中这些物质的含量。 （2）调查与有害物质扩散有关的水文和水文地质条件
4、，研究有害物质的迁移和浓集规律奠定基础。 （1）评价与地质条件有关的原始环境的质量。 （4）固定由有害物质构成的污染源分布范围。2.为矿区环境工程或工艺设计进行地质调查和提供地质资料(1)在选择煤矸石的堆放场地时，应调查堆放场地的地形、和工程地质条件，并提供所需的地质资料。(2)在进行废石、废水和废气的综合利用设计时，应在原始环境地质调查的基础上，进一步查清“三废”的物质成分和含量，提供综合利用工艺设计所需的地质资料。3.进行污染现状和污染控制效果的调查和研究(1)与环保部门配合，进行污染现状的调查、监测和评价。(2)与环保部门联合，了解环保措施的效果，以便确定是否需要修改原有环保措施或补充新
5、的环保措施。二、矿区环境污染的类型和类型各式各样的污染，按其性质分为化学污染、生物污染和物理污染三类。1化学污染化学污染是指化学毒物对环境的污染。化学毒物是当代最突出的污染物质。它的种类多，数量大，毒性强。转移到土壤和水中的化学毒物主要有：重金属与类金屑无机毒物(汞、锡、铅、铬、砷)，非金属无机毒物(氰化物、氟化物、硫化物)，易分解有机毒物(酚、醛、苯)，难分解有机毒物(氯农药)等。散布于大气中的化学毒物主要有：碳氢化合物、一氧化碳、硫氧化物和氮氧化物等。2生物污染生物污染是指病源微生物对环境的污染。病源微生物包括病菌、寄生虫和病毒。3物理污染物理污染是指噪声和各种辐射(热、光、放射性)对环境
6、的污染。矿区环境地质主要是研究与地质、水文地质和地球化学条件有关的污染。 (二)矿区环境污染的因素矿区环境污染的因素，可归纳为原生环境因素和次生环境因素两大类。1.原生环境因素原生环境又称第一环境。它是由矿区地质、水文地质和地球化学等天然因素决定的环境。研究原生环境的地质、水文地质和地球化学特征，是了解环境变化，控制环境污染的基础。一个地区的原生环境与人类生存之间不平衔，是导致地方性疾病的根源。3.次生环境因素次生环境又称第二环境。它是由人类生产或生活活动等人为因素决定的环境。在人为因素中，人类进行大规模的地下资源开发话动占有重要地位。矿区环境保护主要是研究防治次生环境的污染问题。三、矿区环境
7、污染的预防和治理矿区环境保护应贯彻以防为主、以治为辅的总方针。预防矿区环境污染的主要措施是：制定环境保护的统一规划，加强污染源的调查和监测；严格生产管理，避免和减少环境污染，开展矿区“三废” (废石、废水、废气)的综合利用，积极研究和采用“无废”、“无污染”生产工艺等。治理矿区环境污染的措施很多，应根据经济上的合理性，技术上的可行性，环境保护上的安全可靠性，通过综合的技术经济比较，选定最佳的治理方染和工艺流程。(一)煤矸石的危害及综合利用煤矸石是煤矿采掘出来的和选煤厂选洗出来的矸石。煤矸石一般由碳质泥岩、砂岩和泥岩构成。从矿物成分看，主要为高岭石、石英、蒙脱石、长石、伊利石、方解石、黄铁矿和少
8、量稀有金属矿物；从化学成分看，主要是SiO2、A12O3 、Fe2O3、CaO和少量MgO、K2O和Na2O。发热量一般为2000-12500kJ/kg(1kcal4.1868kJ)。1.煤矸石的危害据资料表明，矸石量约占采出原煤量的一半左右；我国仅重点煤矿每年的矸石排放量达1108t左右，占全国每年工业废渣排放量的1/4；全国重点煤矿区的矸石积存量已达1.2109t上。上述统计资料尚不包括地方煤矿和露天煤矿的矸石排放量和积存量。如此巨大的矸石排放量，无疑给矿区和邻近地区的环境带来严重影响。煤矸石的危害性主要表现在以下几方面：1)侵占耕地 据估计，我国重点煤矿区的矸石山占地面积达5km2，严重
9、损害矿区周围农民的利益，较大的矿务局每年要花费几十万元人民币赔偿农民损失。2)自燃污染 矸石山因自燃着火，冒烟燃烧长达数十年，大量有害烟气不仅使人致病，面且造成树木枯死，庄稼减产。甘肃窑街矿区还发生过因矸石山燃烧爆炸伤人的事故。3)风化物污染 在风化作用下，矸石山表面的粉尘可通过风的搬运进入大气，矸石中的可溶性金属盐可通过水的溶蚀和携带进入土壤、河流和地下水。因此，矸石的风化产物便对矿区的大气、土壤、河流和地下水造成污染。4)滑坡与泥石流 堆积过高、坡度过大的矸石山，容易产生滑坡。当矸石含水量达到饱和状态时，在雨水的冲则下，还可形成煤矸石质的泥石流。滑坡和泥石流不仅淤积河床，污染河水，而且直接
10、危及矸石山周围人民的生命财产安全。5)风景污染 在美额的自然景区中，如出现一座座光秃秃的矸石山，真可是大煞风景了。由此可知，长期堆放矸石山百害而无一利，必须采取有效措施予以处理。2.矸石的综合利用途径从现已掌握的资料来看，煤矸石的利用途径是极为广泛的。综合利用煤矸石是一项一举三得的事业，它既解决了矿区环境污染问题，又可改变煤矿单一经营方式，还可提供人员就业机会，目前，煤矸石主要用于陶瓷、制砖、水泥、燃料、建材等工业。1)陶瓷工业 以高岭石为主的煤矸石可以作为烧制陶瓷的主要原料。英国把煤矸石用作烧制彩色陶瓷板，波兰在陶瓷原料中掺入25-30%的煤矸石，不但使燃料消耗降低，而且改善了造型性能和提高
11、了产品强度。2)制砖工业 以粘土矿物为主的煤矸石，碳和A12O3含量不同，可烧制不同标号的砖。利用煤矸石制砖，可减少燃料消耗，降低成本。3)水泥工业 煤矸石可作为烧制特种水泥和彩色水泥的配料(表5-1表5-2)。4）轻骨料工业 轻骨料主要用作配置重量轻，吸水率低，强度高，化学稳定性好的轻质混凝土预制件。煤矸石的含碳量对于轻质骨料的质量和成本影响很大。含碳量10% 左右的煤矸石，利用烧结机工艺可烧结出烧结型陶粒；含碳量小于4-10% 的煤矸石，使用回转炉工艺可生产出膨胀性陶粒。表5-1 特种水泥配料 石灰石成分CaO，%矸石种类Al2O3，%53249247低铝煤矸石（205）普通水泥喷射水泥抗
12、硫酸盐水泥普通水泥油井水泥抗硫酸盐水泥中铝煤矸石（305）普通高铝水泥喷射水泥普通高铝水泥普通水泥高铝煤矸石（405）喷射水泥双快水泥普通高铝水泥喷射水泥普通高铝水泥表 5-2 作彩色水泥配料的煤矸石化学成分项目SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O烧失量含量，%30-5020-304-90.5-11-2.50.5-1.50-30.510-205)燃料工业 煤矸石中含有一定数量的煤炭，可通过重介质分选或水力旋流器分选加以回收。从回收的经济合理性考虑，煤矸石令的含煤量一般应大于20%。近年来，专为燃烧煤矸石而设计的沸腾护，可烧燃灰分高达80%，发热量仅2500-5000k
13、J/kg(1kcal4.1868kJ)的煤矸石。烧后的炉渣还可作水泥、沥青和塑料的境料。日本还采用煤矸石与中煤或煤泥混合发电。 6)建筑工业 煤矸石最广阔的利用途径是作建筑材料。公路和铁路的路基，公路的承载路面，江河湖海的堤坝等都可大量利用煤矸石。 (二)矿区复土还田及矸石山治理目前，得到利用的煤矸石仅占很小的部分。据统计，我国主要煤矿(不包括露天煤矿)煤矸石的利用量尚不足排放量的20%。因此，解决煤矸石治理的根本办法还是复土还田。复土还田是指通过挖掘、充填或灌溉等措施，加速恢复曾被开采破坏的田地。我国矿区复土还田的工作尚未大量开展，现简要介绍美、英、苏等国家在复土还田方面的经验。这些国家颁布
14、了严格的开采和复田法规，制定了完整的开采和复田计划，并按照一定的步骤开展露天煤矿和矸石山的复土还田工作。复土还田的一般步骤依次为：收集复土还田资料，表土的储存与复用，场地的整备，植物的栽培和水的处理。经过复田之后，原先因开采破坏的土地变成了农牧用地和娱乐休养场所。目前，已出现边排矸石边恢复农业用地的新型平面矸石堆。 (三)采矿塌陷的治理在并工开采的煤矿区，地下煤层采空后常发生地面塌陷。据初步估计我国开滦、淮北、平顶山、徐州、究州、焦作和肥城等七个矿务局，截止1983年，由于地下采煤引起的地面塌陷面积为53.36km2。其中，淮北矿务局每开采1万t煤，就要塌陷耕地402m2。采矿塌陷是矿区地面不
15、稳定的重要因素。它通过地定不均匀沉降和岩土层变形，不仅严重破坏塌陷区的各种道路、管线和建筑物，而且强烈改变矿区的地形地貌条件，土地利用类型，以及地下水与地表水的水质、水量和流动状态。地面塌陷对矿区人民的生命财产和矿区生态环境均造成严重损害。因此，预防、控制和处理地面塌陷是煤矿环境保护的重要任务。1地面塌陷的预防 目前，研究覆岩破坏带(冒落带、裂隙带)的高度和导水性，研究承压含水层的水压和岩柱抗压特性，研究地表岩体移动规律和确定移动变形值，是预测水体下、建筑物下和铁路下安全开采的基础。1) 导水裂隙带高度的确定 水平和缓倾斜煤层导水裂隙带高度是指沿煤层法线方向至导水裂隙带上沿的高度，急倾斜煤层导水裂隙带高度是指从采空区上部边界垂直向上至导水裂隙带上沿的高度(图5-1)。影响导水裂隙带高度的主要因素有以下三种：图 5-1 导水裂隙带高度 a-缓倾斜煤层；b-急倾斜煤层(1)采厚。采厚越大，导水裂隙带高度越大。据我国资料，缓倾斜煤层初次开采时(指采薄煤层或厚煤层第一分层)，导水裂隙带高度与采厚呈正比关系；重复开采时(指采厚煤层的其后各分层)，导水裂隙带高度与累计采厚呈分式函数关
