煤炭开采的环境问题及其解决办法外文翻译资料

 2022-08-09 04:08

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煤炭开采的环境问题及其解决办法

摘要:煤矿开采带来的环境挑战包括煤矿事故、地面沉降、水环境破坏、矿山废弃物处理和空气污染。这些要么是环境污染，要么是景观改变。提出了解决矿山环境问题的概念框架。清洁过程，或补救措施，旨在解决环境污染。提出了应对景观变化的修复措施。我国56个高瓦斯浓度煤矿瓦斯抽放总量约为10194万立方米。其中，用于发电、民用燃料供应和其他工业用途的甲烷分别为1932万立方米、3558万立方米和697万立方米。大约39%的甲烷被排放到大气中。将矿山废弃物再利用作为地下填埋场，或将其作为发电厂的燃料，或作为制砖或其他基础设施材料的原料，可使矿山废弃物的产生量减少10%。对已开采土地的适当利用必须根据当地的物质和社会经济条件来决定。在欧洲国家，50%以上以前开采过的土地被开垦为森林或草地。然而，在中国，由于人口众多和耕地短缺，70%以上的开采区被开垦为农业用地。农村社区的重建或土著居民的改善是采矿引起的一个环境问题。我们提出了两种改造中国农民住宅的方法。

关键词:矿山环境;采矿废物的管理;矿井瓦斯回用;开采土地复垦;清洁煤炭开采

1介绍

尽管煤炭对全球能源生产做出了重要贡献，但它对环境的影响一直是一个挑战。煤炭能源生产系统的实质是采煤、选矿、加工和能源生产。在这个过程的每个阶段都会出现环境问题。这篇论文将讨论由于煤矿开采引起的环境问题。事实上，自从煤炭开采工业化以来，人们就一直在研究煤炭开采的环境问题。然而，直到20世纪70年代，煤矿开采的环境问题才成为人们关注的焦点。现有的大多数与采矿和环境有关的文献可追溯到20世纪70年代末到80年代末。然而，煤炭生产已经发生了变化重要的是，自1990年代初以来，采矿作业对环境的影响方式和程度也发生了变化。图2显示了全球煤炭产量随时间的变化，说明2000年后煤炭产量显著增加。2006年，美国、俄罗斯、印度、中国、澳大利亚和南非这六个国家的煤炭产量占全球煤炭产量的81.9%。这些国家拥有世界上90%的煤炭储量。中国的煤炭产量占世界总产量的38.4%，从2001年的13.8亿吨增加到2006年的23亿吨，在过去五年里增长了约66%。与此同时，煤矿的数量减少了50%。大柳塔煤矿是神东煤矿公司经营的地下煤矿之一，2007年仅两个长壁工作面年产量就达2000万吨。美国的情况与中国相似。1993年，全国共有煤矿2475座，总产量94542.4万吨，煤矿1438座，总产量116275万吨。

中国的煤炭消耗量超过欧洲、日本和美国的总和;占世界总量的40%。中国的煤炭使用量每年都在增长，据估计，全球90%的煤炭消费量增长来自中国的煤炭消费活动。结果，一些煤田的开采强度是过去的十倍。因此，今天采矿对环境的影响与1980年代大不相同。因此，本文的重点是在当前采矿作业的背景下，由于煤炭开采引起的环境问题。

2煤炭开采对全球能源系统的重要性和对环境的挑战

在美国，煤的主要用途是发电。美国一半的电力是由煤提供的。今天，美国91.9%的煤炭用于发电。相比之下，2005年中国开采的煤炭中只有不到50%用于发电，而中国82%的电力来自燃煤电厂。煤炭约占中国一次能源消费的74%。煤被认为是一种肮脏的能源，在许多欧洲国家已经过时了。例如，法国在2004年关闭了所有煤矿，德国政府在2007年初宣布，到2018年将完全取消对煤炭生产的补贴。这是否会标志着德国深层采矿的结束还有待观察。

一些专家和机构预测，煤炭将继续支撑发达国家和发展中国家这两个世界最大经济体的经济和社会发展。世界银行集团(World Bank Group)估计，煤炭是世界上最丰富的能源资源之一，到2020年，煤炭的使用量可能会增加三倍。全球可开采的煤炭储量超过1万亿吨，按照目前的消耗速度，这些储量足以维持未来270年。因此，我们有理由得出这样的结论:煤炭仍将是一种重要的能源，而煤炭开采并不是一个夕阳产业。对于那些煤炭储量丰富、发展能源需求增加的国家来说，情况尤其如此。利用煤炭作为能源来源需要应对来自采矿的环境挑战。这包括煤矿事故、地面沉降、水污染、空气污染、矸石堆、酸性矿井排水、水文地质扰动等。煤矿开采对环境的影响在严重程度上随矿井的活动或废弃、开采方法和地质条件的不同而不同。

2.1煤矿事故

每年，全球近80%的煤矿事故死亡发生在中国。煤矿事故的主要原因是瓦斯泄漏、顶板塌方、火灾、爆炸和透水。表1显示了2006年和2007年中国煤矿事故的统计数据。该数据由国家煤矿安全监察局通讯作者编写。很容易看出，绝大多数是煤尘和甲烷爆炸。此外，2006年374例死亡中有117例，2007年399例死亡中有92例发生在产量不足20万吨的煤矿。据报道，小煤矿占总产量的三分之一，占煤矿事故总数的三分之二，占死亡人数的75%。

2.2地面沉降

全球约60%的煤炭生产来自地下煤矿。由于中国95%的煤炭产量来自地下煤矿，2007年中国的煤炭产量为2.523亿吨，占全球总产量的三分之一以上世界的产量，中国占地下作业的大部分。

矿山地面沉降是矿山开采对环境造成的重要不利影响之一。今天大约有100万公顷的塌陷区。开采1万吨原煤将导致中国0.2公顷的退耕土地。地面沉降不仅会减少农作物的产量，而且还会引起其他环境问题，如公用设施故障、植物死亡、地表断裂和土壤流失、排水系统故障、建筑物损坏等。

沉降有两种变形形式:连续变形和间断变形。连续的，或凹槽，沉降包括形成光滑的无台阶的表面轮廓。不连续沉降的特征是在有限的地表面积上产生较大的地表位移，并在地表剖面上形成台阶或不连续面。开采沉陷对土地利用或环境的影响因地形、地下水位和土地利用的原始类型而异。以我国东部地区为例，该地区地势平坦，地下水位较浅，开采前为主要农田，开采沉陷导致大面积水淹。在此之后，土地的使用被改变了，因为建筑物、道路和农田在重大的地面沉降事故中受到了严重的破坏。山区开采沉陷会引起边坡失稳，地表裂缝的形成会造成水土流失，开采造成覆岩裂隙。

2.3水环境

煤矿开采对水环境的影响主要是引起地下水位的下降，造成水的损失或污染，改变河道。由于裂隙覆盖层将地下水体与开采空间相连接，导致了矿山排水和矿山沉降对水环境的直接影响。

当水由于破裂而改向时，它与接触它的各种地下地层相互作用。在这些地层中，有许多化合物和沉积物可能被流动的水溶解，最终渗入排水管线。许多这些新暴露的矿物在它们的新环境中可以与气体或液体成分发生反应，产生污染物。这些会对水的化学和美学产生影响，并会增加水中悬浮固体的含量。这导致水和水生栖息地的质量显著下降。矿山排水会污染地表水，当污染物渗入周围地表或地下水时，矿山废弃物的处理也会影响水质。

黄铁矿与空气和水反应形成硫酸和溶解的铁离子，形成酸性矿液。这种酸性径流会溶解铜、铅和汞等重金属，这些重金属可能最终会进入地下水和地表水。在美国，酸性矿井排水仍然受到极大的关注，因为据估计，有超过110万英亩的废弃煤矿，超过9000英里的河流受到酸性矿井排水的污染，还有许多英里的危险的堤坝、高墙和地面蓄水池。显然，为了剥离覆盖层并将地表开采应用于煤炭资源，必须改变地表水道。如果开采煤炭资源，地面沉降将改变地形的坡度，拓宽地表水通道，从而改变地表水动态。

2.4矿山废弃物处理

地下采煤产生的废物包括粗废(矿石或煤渣)和洗矿过程中产生的细粉。前者主要是通过切割巷道和驱动装置或其他地下开发工作，以及在变化的地质条件下高度自动化的结果，以“矿井运行”的形式出现。地表煤开采涉及到为了获取煤炭资源而必须移除的物质，包括表土、覆盖层和废石。而煤田经营者并不寻求产生不必要的浪费，地质与采矿方法相结合以增加所涉及的废物量。从理论上讲，减少废物生产可以使采矿方法更具有可持续性。同时满足干矿石和“湿”矿粉的需求，对矿顶设计施加了主要的工程约束，并控制了渐进修复的速度。虽然减少废物和重用最近成为废物管理的最可取的方法(例如，在路堤、道路、路面、地基或建筑施工中，矿石作为替代骨料已被许多地方所接受)，但大部分煤矿废物仍必须运送到转储或用来填满沟渠或将一座小山。

矿山废弃物对环境的影响主要表现在以下几个方面:边坡破坏和侵蚀;占领的土地;污染物渗入地下水的可能性;风尘污染;空气污染和自燃爆炸;视觉及景观影响;以及土地使用限制。废渣中黄铁矿的氧化会污染空气和地下水。这种氧化受氧的获得控制，而氧的获得又取决于粒度分布、含水饱和度和压实程度。

采矿废物的影响可以产生持久的环境和社会经济后果，而且通过补救措施来处理这种影响极为困难和费用高昂。因此，必须妥善管理煤矿废物，以确保处置设施的长期稳定，并防止或尽量减少由于酸性或碱性排水和重金属浸出而造成的任何水和土壤污染。

2.5空气污染

煤矿造成的空气污染主要是由于颗粒物和甲烷、二氧化硫、氮氧化物等气体的逸散排放。地面采矿作业，例如钻孔、爆破、在运输道路上移动重型土方移动机械、煤炭的收集、运输和搬运以及筛分、定径和隔离装置，是这种排放的主要来源。地下采矿也会释放出未覆盖的煤堆和废料堆的灰尘。CO、CO、NO的排放是由于煤的自燃和煤层及煤层中甲烷的泄漏而引起的。

甲烷是一种“温室气体”，其温室效应是二氧化碳的21倍。煤层气的排放取决于开采方法、开采深度、煤质和煤层内圈闭瓦斯含量。随着采矿的进行，甲烷被释放到矿井空气中，最终被排放到大气中。根据2000年的排名，煤炭开采所产生的甲烷排放量按国家排列在表3中。甲烷是高度爆炸性的，必须如此在采矿作业期间排水以保持安全的工作条件。在中国活跃的地下矿井中，大规模的通风系统将大量的空气输送出去，从而将甲烷以极低的浓度释放到大气中。

2.6景观变化

煤矿开采极大地改变了当地的景观，因为它引入了诸如采矿废料堆、高塔、地表开采留下的大面积疤痕或地下开采引起的地面沉降。所有这些都是典型的矿山景观。此外，土地利用可能会发生变化，当地居民可能会从煤矿迁出，或者河流的流向可能会发生变化。所有这些都会影响生态系统的结构和功能。例如，在中国西部的玉林矿区，休闲地在1985年至2000年间减少了125148 hm2，同时草地和林地分别增加了107975和17157 hm2。造成这些变化的主要因素是政府保护环境政策的改变，采矿和城市化的持续增长。通过退耕还林还草，恢复退化的生态系统，在减少沙质土地空间范围方面取得了一定的成效。另一方面，矿业的持续扩张和城市化对景观产生了不利的影响。煤炭开采造成了土地资源的破坏和景观的破碎化，并伴有土地荒漠化;一些地方的情况甚至很严重。位于中国东部的徐州矿区，1987 - 2001年，耕地减少了13.04%，建筑面积增加了37.62%，开采沉陷引起的淹没面积增加了137.62%。沉降量占塌陷区总沉降量的30%。

3 .矿山环境的概念框架和可能的解决办法

3.1解决矿山环境问题的概念框架

矿业科学领域的环境学家、经济学家和学者提出了循环经济、工业生态学、废弃矿区土地修复的场址特征和生命周期评价。解决矿山环境问题的核心途径可分为两类。一是在采矿过程中采取措施减少采矿对环境的影响。二是对采矿后的环境进行清理、整治、恢复或改造。

由中国工程院院士钱教授提出的绿色采矿是许多解决环境问题的想法之一。这些思想的基础是节理、裂隙和离层的分布行为以及采矿引起的破岩裂隙中甲烷和水的渗流。绿色开采技术正在开发包括保水开采、基础设施下采煤、灌浆到分离的岩层之间的空间，以减少地面沉降，部分提取和回填采矿、同时开采的煤炭和煤层气，地下巷道支架，地下部分矿业废物排放和地下煤炭气化。工业生态学和矿业学的原则也应通过减少废物、废物再利用和废物回收利用来促进自然资源的合理利用。减少沿煤层开掘巷道所产生的采矿废物和其他创新的采矿方法是实现这一目标的一个途径。利用煤矸石作为火力发电厂的燃料是一个很好的回收利用煤矸石的例子。矿山废弃物资源化是一种更加环保的技术。例如，采矿废料在发电厂燃烧后，粉煤灰可用作生产水泥的原料。或者不只是将粉煤灰转化为水泥，还可以先提取出一些有用的粉煤灰元素，如耐火材料。

3.2矿井瓦斯使用

矿井瓦斯的排放对环境造成了相当大的负担，也浪费了宝贵的能源。由于矿井气体在一定浓度下是爆炸性的，因此在矿井的有效操作中，通常需要复杂的通风系统来排除这些气体。据统计，我国高瓦斯浓度煤矿占全国煤矿总数的49.8%，占全国煤矿总产量的42%。此外，煤矿瓦斯爆炸事故占总事故的94.97%，死亡人数占总死亡人数的96.25%。减少煤矿事故，充分利用甲烷作为一种新能源是一个重要的目标。环境保护部和国家质量监督检验检疫总局联合发布了《煤层气/煤矿瓦斯排放标准(试行)》。该标准要求在开采前必须采取措施对矿井气体进行排放和利用。煤矿开采只能在煤层甲烷含量降低到每吨煤8立方米以下时进行。如果甲烷浓度高于30%，则禁止向大气排放。我国目前有两种矿井瓦斯抽放方式。一种是在开矿前在煤田的煤层上钻孔。另一种方法是采完煤后在采空区钻孔。通过这种方法得到的甲烷浓度高于30%。

全国56个高瓦斯矿井瓦斯抽放总量约为10194万立方米。其中，用于发电、民用和其他工业的天然气分别为1932万立方米、3558万立方米和697万立方米。大约39%的甲烷没有被利用，被排放到大气中。甲烷继续从废弃煤矿的旧巷道中逸出，通过采矿活动造成的裂缝和缝隙到达地表。在德国

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