煤矿区生态环境问题及生态修复研究

王冰心，赵 宁，高含笑

(山东建筑大学 艺术学院， 济南 250100)

煤炭在我国能源生产与消费中占比较大，自工业化开始之初尤其是近30年来大规模的煤炭开采带来了严重的生态环境问题，不仅威胁国土安全和生态平衡，也影响矿区人民生活质量与社会经济可持续发展。科学、合理地治理和修复煤矿塌陷区自然环境，是煤矿矿区亟待解决的重大问题。

1 我国煤矿区生态环境及其治理研究概况

复垦是治理、修复扰动、破坏后的土地的主要方法和形式，我国较大规模的土地开垦始于20世纪50年代末、60年代初，至20世纪90年代，土地复垦已逐渐得到了政府部门和群众的高度重视，2011年2月22日国务院第145次常务会议通过并颁布实施《土地复垦条例》，2019年自然资源部发布了最新版《土地复垦条例实施办法》，对落实十分珍惜、合理利用土地和切实保护根底的基本国策,规范土地复垦活动等发挥着重要作用。同时随着煤矿等矿区开发引起的环境问题和自然灾害以及对土地复垦理论与技术的迫切需求，矿区土地复垦也发展成为一个新兴的科学与技术领域。

煤矿开采对土地自然结构与自然环境影响和污染，威胁和破坏自然生态系统平衡，威及或危害矿区人员的生命与健康。煤炭生产排水过程中多种有毒元素积累，生产废水不达标排放引起环境污染是目前煤矿开采最明显的环境问题。煤矿开采会造成水体污染、地面塌陷等一系列问题的结论尽管已被现实佐证和包括科技界在内的社会共知[1]，但其影响程度、范围和持续时间目前尚不确定，还在研究。

我国废弃煤矿区生态恢复理论与技术研究起步较晚，已经取得了大量的研究成果。20世纪 60 年代我国开始实行矿坑复垦，大多数是对废石场或闭库的尾矿库进行简单平整和覆土绿化[2]。目前主要研究重点集中在煤矿区生态环境评价、煤矿区生态修复与管理、煤矿区循环经济等方面。随着我国煤矿区复垦推进和管理力度的加大，人们越来越重视煤矿区生态修复和综合利用，尤其是近年来煤矿区生态修复技术研究也被广泛重视和关注。韩宝平以大同煤矿区为例，研究了煤矿开采中的地表水流动规律、各种地质灾害机制和对地下水的污染，发现采矿中地表水与地下水之间相互联系，这导致采煤中的被污染水体会通过渠道在地表水和地下水之间进行扩散，并在不同区域产生不同程度和性质的影响。

2 煤炭开采对生态环境的影响

煤炭开采会引发一系列环境与生态问题，这些问题将会加剧了人口与资源、人口与环境的矛盾。不同的煤炭开发方式造成的生态问题就有产生不同的影响。

2.1 煤炭开采对于土地环境的影响

煤矿开采对土地最明显的影响就是导致地面塌陷。采用地下开采方式所导致的地面塌陷是耕地被占用、被破坏的最主要的原因。地面塌陷造成的地表裂缝不仅会影响作物或其他植物的生长，还会加速土壤侵蚀。地面塌陷还会导致耕地面积减少，影响农业生产、农民利益和生活。另一方面，地面塌陷也会破坏原有的地形和地貌，对自然景观造成破坏，从而一定程度影响区域环境与生态系统的完整性和稳定性，导致逆向发展。

2.2 煤炭开采对水环境的影响

煤矿资源的开采和地下水资源的利用几乎同时进行。煤炭资源的开采对地下水资源有直接影响，首先改变地层结构和地下水循环。由于煤层之间存在地下水，煤炭开采通常逐渐由浅到深，而开采深层煤矿时须先排干接缝之间的地下水，导致分布较浅的地下水逸出；同时随着煤矿采矿矿坑水被污染变为矿坑废水，水质良好的地下水水质恶化，在煤炭开采的影响下，它不仅影响水资源的补给，而且还降低了地下水资源价值和可利用性，并经过煤矿区周围土层逐渐渗入地下水并对其产生影响，降低饮用水质量，影响居民身体健康；煤炭开采过程中会出现地表裂缝，为地表水渗入矿区提供了可能，使地表水逐渐减少，造成大面积地下水位下降，影响矿区范围日常生活供水；煤矿采矿地、浓缩厂、尾矿厂、废石场、倾倒场等不尽会排出废水，开采中的洗煤水、矿井水等还含有大量放射性污染物、酸性物质和悬浮固体，被排放到自然环境，破坏矿区周围的土壤层，影响农作物、树木等生长，对农业、土地、森林等资源造成不同程度破坏[3]。煤炭开采将导致煤矿区上部坍塌，导致的水资源可用性降低，会加剧缺水地区水资源的供求矛盾，不利于解决煤炭开采中的煤矿水、煤矸石等水源过滤、净化问题，污染矿区周围环境，影响社会、经济和生态的协调发展[4]。

2.3 煤炭开采对于大气环境的影响

影响矿山大气污染扩散的主要因素是通风速度和气流速度、空气与岩壁的温差、污染物的密度梯度等。煤炭在开采过程中会产生大量的煤烟以及灰尘，这些煤烟及灰尘弥散在空气中，不仅会影响工作区域的大气成分，同时还会降低区域的可见度，使人们视野变得模糊，容易引发一系列事故的发生。此外，煤烟的有毒成分含量较高，使工作区域的湿度、温度、空气、降雨受到影响，导致酸雨、雾霾等灾害天气时常出现。

3 煤炭资源开发利用中的环境保护措施

3.1 生态修复技术

3.1.1 土地复垦技术 通过调查分析煤矿区地形、地貌破坏的程度以及土壤构成特点，选择相对应的土地复垦的方案，尽量的减少对煤矿区生态环境的破坏。土地复垦技术具有综合性、系统性、多样性和区域性等特点[5]，实际应用中土地复垦技术分为两类：一是工程复垦技术，二是生物复垦技术。工程复垦技术利用物质填充或者物理填补法回填，修复和建立适合植物生长的环境；生物复垦技术采用了生物技术方法，从源头处改良土壤结构，提升土壤养分含量，以此重建良好的生态环境[6]。

3.1.2 植被恢复技术 煤矿区的生态环境较为恶劣，特别是尾矿库，一般都具有较高的重金属浓度，这对于煤矿区的植被修复以及煤矿区重金属污染土壤的修复与保护存在一定的难度。

植被恢复技术是为了加快植被恢复的进程，提高生态系统的土壤和水分效率，并根据植物学、生态学的特征，矿区地貌的特点和水土保持的要求对植物群落进行设计[7]，主要从植物种类的选择及其在群落中植物的配置、恢复覆盖的维持、植物栽培技术、恢复场所的维护和监测等四方面入手。我国开发出了一个矿区植被修复专利技术，是利用野地瓜进行矿区植被的修复与矿区土壤污染的综合修复。

3.1.3 水体生态恢复与开发技术 煤矿开采会引起地下水污染。煤矿开采导致地面塌陷，在塌陷区会产生大面积的积水，如果长时间聚集会出现地表水下渗，而在下渗的过程中会把地表存在的污染物质带入地下，导致地下水污染。煤矿区污水处理的一个主要措施就是建立特殊的排水系统，浓缩酸性水并将其储存，经蒸发、浓缩，然后处理，以避免污染。其次可以对采用新型水泵分阶段脱水后产生的煤泥水，循环用于采矿，做到煤泥水不上井或者处理后综合、循环利用[8-9]。

3.2 矿区开采沉陷防治技术

3.2.1 全部充填开采 在采煤矿之后、顶板尚未掉落之前，用固体材料对采空区进行严密的充填，使屋顶岩层中仅产生少量的沉降，减少表面下沉和变形，从而保护地面结构、建筑物或农田。其中，水和砂填充是降低采煤方法表面沉降效果的良好方法，其次是风力填充和矸石自留填充。然而，填充采矿方法需要专门的填充设备和设施以及足够的填充材料。矿山的初期投资很大，每吨煤的成本相应增加[10]。

3.2.2 条带开采 煤炭开采过程中对煤层和覆盖层的组合条件进行分析，之后建立科学合理的采矿比例，并在采煤层保留一条采矿带。在实践中条带开采技术将储备一些煤炭，这些煤层将成为支撑覆盖层的支柱，虽然这会浪费一些煤炭资源，但可以有效地控制覆盖层的运动频率，同时也减少表面变形和运动的发生。然而，存在一个问题，即在实际采矿中，需要挖掘多个车道并增加工作量。每个巷道的煤炭产量不大，导致煤炭减少采矿效率和对企业经济效益的影响[12]。

3.2.3 覆岩离层带填充 根据采空区上方覆岩运动形成的三条带的岩石运动特征，在采煤后的一定时间间内，用钻孔通过高压灌浆、充填移动到隔离区，加固离层带空间。将铸造砌体梁结构加固成稳定的连续梁结构，使分离区的下沉空间不再传递到地面。减少或减缓地面沉降，保护地面施工、建筑物和耕地。这种技术非常困难，有待进一步研究[13]。

3.3 地面塌陷及地裂缝的治理

对于煤矿开采沉陷区和未达到稳定状态的倒塌区，可采取监测、临时工程和预警等措施，消除安全隐患；对于达到稳定状态的塌陷区，可采用综合处理措施，如削高填低、回填整平、采用防渗处理、植被重建、挖沟和排水等[14]。对于表面裂缝的规模和破坏程度较小的，采用土石方填筑压实，防渗处理等措施；如果规模和损坏程度大，可采用灌浆和填充等措施。

4 展望

随着新时期中国特色社会主义事业的发展，煤炭工业将面临前所未有的生态环境保护制约。煤矿区生态恢复滞后不仅直接影响经济，而且制约了人类生存和发展的空间。生态环境本身自净能力的退化和环境容量的减少，不仅会制约社会经济的可持续发展，从而进一步制约社会经济的协调发展。因此，研究和开发合理的煤矿区生态修复机制、技术，对于我国的整体环境保护、生态文明建设和法制建设具有重要意义，也将伴随煤矿开采不断深入和细化。

我国煤炭开采仍存在许多问题，需要持续观察、发现和研究。煤炭开采导致的生态环境问题不仅了矿区人民的生活，也制约了国民经济的发展。修复煤矿区已被破坏了的生态系统，是一项十分艰巨的任务，涉及到形地貌、水系统、土壤、植物等多个方面；同时，煤矿遗迹因人为因素的干扰，在复苏的过程中进展缓慢，制定煤矿区生态修复规划需要一定的时间，在此期间，要合理利用煤矿区的土地结构、生态环境和生态修复技术，积极吸收和学习国内外先进经验，改变观念，将废物变成宝藏，如将坍塌坑变成人工湖，从根本上解决矿区采煤造成的环境污染问题。另方面，为实现煤矿区的可持续发展，有必要从各个方面保护煤矿区生态环境。