新疆煤炭资源开采典型生态环境问题及对策

 
【关 键 字】 新疆地区  煤炭资源  开采  生态环境  典型问题  对策
【摘    要】 分析了新疆地区煤炭资源分布特征与生态环境特征。结合新疆矿区煤层赋存特征及开采工艺特征分析了煤炭开采导致的主要典型生态环境问题,即开采活动对区域水资源的破坏,对土地土壤资源的破坏,对地表植被的破坏,以及典型煤火灾害的危害等。从政策、技术层面提出了解决及减缓上述问题的对策建议,以期有助于问题的逐步解决。
 
煤炭开采对区域生态环境产生严重影响。在煤炭开采过程中,由于地下煤层的回采,引起上覆岩层的变形、破断与沉降,一方面会使地表土壤、土地资源受到破坏,另一方面会使上覆岩层中含水层受到破坏,这些破坏进而导致区域生态系统退化。同时,煤炭开采过程中排放的废气、废水及固废也对区域生态环境产生影响。针对煤炭开采生态环境影响问题,许多研究人员开展了相关研究:范立民[1]系统论述了陕北煤田保水采煤的基本思路、途径及水源保护区设置等;王双明等[2]研究了陕北生态脆弱矿区含(隔)水层特征与保水开采分区特征;雷少刚[3]以神东矿区为例研究了土壤水、地下水、植被指数等环境要素的相互关系;魏江生等[4]研究了采煤塌陷区土壤含水量变化的原因;宋亚新[5]研究了采煤塌陷区包气带土壤水分变化规律;郑永红等[6]研究了煤矿复垦区土壤重金属污染的时空变化及富集特征;王心义等[7]研究了矿区煤矸石堆放产生土壤重金属污染的特征;薛强等[8]研究了煤矸石淋溶重金属在地下环境系统中的迁移转化特征。这些研究促进了煤炭开采生态环境影响研究与保水开采理论的建立。针对新疆地区煤炭资源开采环境影响相关系统研究尚不深入的现状,笔者在分析新疆煤炭资源分布特征与生态系统特征的基础上,尝试分析新疆地区煤炭资源开发对区域生态环境的典型影响,以期为新疆地区煤炭资源可持续绿色开发提供一定借鉴。
 
1 新疆地区煤炭资源分布特征
 
新疆地区煤炭资源丰富,据统计,该地区2 000 m以浅预测煤炭资源储量为2.19万亿t,占全国同等埋深条件下煤炭资源储量的40%[9]。新疆地区煤炭资源主要分布在准噶尔、塔里木、伊犁、吐哈、三塘湖等盆地周缘。在准噶尔盆地周缘分布有准南煤田、准北煤田和准东煤田;在塔里木盆地周缘分布有塔北煤田、塔西煤田和塔东预测区;在吐哈盆地分布有托克逊矿区、鄯善矿区、大南湖煤田;在伊犁盆地分布有伊北煤田和伊南煤田;在三塘湖盆地分布有三塘湖煤田,上述煤田蕴藏了新疆地区主要煤炭资源。其中准东煤田东西长约226 km,南北宽约126 km,矿区面积约为28 476km2,单一开采煤层厚达90 m,预测煤炭资源储量4 580亿t[10],属罕见的千亿吨级煤田。截至2015年底,准东煤田部分矿井已投入生产,如五彩湾矿区神华新疆公司露天矿、西黑山矿区神华红沙泉露天矿、将军戈壁矿区天池能源二号露天矿等,这些矿井设计开发规模在1 000万t/a以上,是目前尚处在开发初期的超大型整装煤田。
 
2 新疆地区生态系统特征
 
与新疆丰富煤炭资源相对应的是该地区脆弱的生态系统。新疆属于典型干旱—半干旱地区,主要地理特征为三山(阿尔泰山脉、天山山脉、昆仑山脉)夹两盆(准噶尔盆地、塔里木盆地)特点,地理系统具有山地子系统—绿洲子系统—荒漠子系统交错分布的特点,从高往低,依次为高山冰川、中山森林、草场、洪冲积扇、戈壁、绿洲、沙丘、沙漠、盐化草甸和沼泽、盐漠等[11-12],如图1所示。其中绿洲是干旱区人类活动的核心地带,也是干旱区最适宜人类生存的区域。干旱区自然因素之间联系紧密,一个环节遭到破坏都可能引起整个生态系统的崩溃。
 
 
图1 新疆典型地理系统
目前,新疆已探明煤炭资源分布区多位于山地子系统与绿洲子系统之间的区域,该区域也是新疆绿洲生态系统水源补给路径的上游区域。随着该区域地下煤炭资源的开发,对其周边环境与生态系统将产生深远的影响。
 
3 新疆地区煤炭资源开采典型生态环境问题
 
3.1 煤炭开采对区域水资源的破坏
 
新疆地区主要水系发源于北部的阿尔泰山脉、中部的天山山脉及南部的昆仑山山脉,区域主要水系分布见图2。
 
 
图2 新疆区域主要水系分布示意图
对于阿尔泰山脉,其境内水系总体呈自北向南流动,区域内主要煤田有准北煤田等;对于天山山脉,在其北麓地表及地下水系总体呈自南向北流动,区域内主要有准南煤田、伊犁煤田、准东煤田、淖毛湖煤田等;在其南麓地表及地下水系总体呈自北向南流动,区域内主要煤田有库—拜煤田、焉耆煤田、吐哈盆地含煤区及大南湖煤田等;对于昆仑山山脉,其境内水系总体呈自南向北流动,区域内主要有莎车矿区、布雅矿区、皮山矿区等。
 
煤炭开采对区域水资源的破坏主要体现在两个方面:一是由于地下煤炭开采导致覆岩含水层破坏及地表沉陷、坍塌;二是对地下水系与地表水系的直接破坏导致水系重新分布。对于矿区含水层而言会形成降水漏斗,从而改变矿区区域水文过程,对地表植被分布具有重要影响。新疆伊犁煤田、准东煤田、准南煤田即为该类典型矿区,尤其对于准东煤田,由于其煤层赋存面积大、煤层厚度大、开采强度大,该区域煤炭开采将对作为新疆重要粮仓的奇台、木垒、吉木萨绿洲地下水位分布产生深远影响。以准南煤田阜康矿区为例(见图3),矿区内自西向东分布有发育自天山北麓的自南向北流淌的水磨沟河、三工河(5A级风景区天池为其水源之一)、四工河、五工河、白杨河、西沟河及黄山河,这些河流下游(矿区北部)即为阜康绿洲,为人口密集区及农业种植区。自20世纪90年代矿区规模开发以来,除白杨河、黄山河还有少量流水外,其他河流均已断流,或只在季节性洪水期才有流水。有研究结果表明:阜康市地下水位自1988年至2007年总体呈下降趋势[13],而其中有多大程度来自于采矿活动的影响还有待进一步研究。
 
 
图3 准南煤田阜康矿区示意图
3.2 煤炭开采对土地土壤资源的破坏
 
新疆属脆弱生态区,地表植被覆盖度低,煤炭开采对土地土壤资源的破坏主要体现在以下方面:
 
1)地表塌陷与沉陷。对于准南煤田、库拜煤田,煤层赋存为急倾斜煤层,开采活动引起的主要地表破坏是塌陷,即沿煤层露头分布的陷落坑,其中尤以乌鲁木齐东山矿区较为严重,已严重影响了城市布局与规划。对于伊犁煤田、准北煤田、准东煤田,煤层赋存为倾斜煤层,开采活动引起的主要地表破坏是沉陷,其具有长期缓慢的破坏特征。
 
2)矸石等固废对土地资源的占用。以新疆地区2015年煤炭产量1.4亿t为基准,按平均10%矸石量计算,年矸石产出量总计约1 400万t,按平均密度1.5 t/m3、堆放高度6 m计,其年占用土地面积约为155.55万m2。对于准南煤田、伊犁煤田等植被、降水量较丰富的矿区,矸石堆放使矿区地表植被破坏,土地退化,严重影响了区域生态环境;同时,对于准东等露天矿分布较多的矿区,其剥离的岩土也大量占用土地,对区域环境产生严重扰动与破坏。
 
3)开采过程废水对土壤的污染。新疆矿区煤炭生产过程中排出的矿井水多未经处理直接排放,其一部分汇入地表径流加重了对河流的污染,另有部分渗入土壤,其污染物在土壤中贮留与迁移,对土壤环境造成污染。堆放的矸石山在雨水淋溶作用下,其有害物质(如重金属元素等)也对土壤环境造成污染。
 
3.3 煤炭开采对区域大气环境的污染
 
煤炭开采对大气环境的污染主要来自两个方面:一是生产过程排放的CH4、CO2等温室气体,据文献统计[14],以新疆地区2006年统计产量基数估算其CH4排放量约为1.05×108 m3,按该文献研究所用的灰色预测GM[1,1]模型计算,以2015年煤炭产量1.4亿t为基数,其CH4排放量约为7.35×108 m3;二是煤炭生产过程的扬尘对区域大气环境造成的影响,因露天煤矿开采对土地土壤的扰动最为剧烈,其扬尘是露天开采的主要环境问题。有研究人员针对新疆准东矿区五彩湾煤矿大气扬尘重金属污染开展的研究结果表明,研究区整体呈中等潜在生态危险[15]。其中污染区样点的As、Cu、Cr、Hg、Pb、Zn等6个主要重金属元素均超出我国土壤背景值,其中Zn、Cu和As含量分别高出其80倍、10倍和3倍,随着该矿区煤炭开采规模的加大,其降尘污染将会越发严重。
 
3.4 煤火典型灾害
 
煤火是伴生煤炭资源开采的典型灾害。由于新疆地区煤炭资源埋藏浅、煤变质程度低且易于自燃、气候干燥炎热等因素,因此新疆地区煤火灾害十分严重。据统计[16],截至2013年底,新疆仍有47处火区尚未治理,燃烧面积701.4万m2,每年燃烧损失煤炭资源471.5万t。煤火对区域环境影响具体体现在以下方面[17]:
 
1)对土地、土壤资源及地表植被的破坏。与煤炭开采一样,随煤火的蔓延,燃烧空洞上覆岩层受自身重力的影响会发生破断,进而导致地表下沉和坍塌。煤火的热效应也使火区及其影响区域地表及围岩温度升高,土壤涵养的水分蒸发,地表植被生长条件被破坏,导致植被死亡。
 
2)对地表、地下水资源的污染与破坏。由于煤火的热效应,煤层及围岩所含的重金属元素会富集。火区裂隙、孔隙发育,流经火区的雨水、雪水等裹挟这些重金属元素流入和渗入地表及地下水系,从而造成水资源的污染。
 
3)对大气环境的污染。煤火对大气环境的污染和破坏有两个层面的含义,即火灾烟气对低空大气环境的污染和其释放的温室气体对高空大气臭氧层的破坏。已熄灭的硫磺沟火区曾是乌鲁木齐市大气污染的主要来源之一。
 
笔者前期初步对火区土壤重金属分布特征及其迁移规律开展了研究[18-19],结果表明火区土壤汞、砷潜在生态危险指数远高于其他重金属元素;火区土壤理化性质、火区土壤温度对火区土壤重金属吸附解吸特性及迁移特性有重要影响。
 
新疆地区煤火几乎在各矿区均有发生,其中尤以准南煤田煤火分布矿井数量最多,共计18处,占火区数量的38.29%[16],其与该煤田开采历史长、开采强度高及急倾斜煤层赋存数量多、煤层露头分布广等因素有关。煤火环境影响始终是国内外学者研究的热点问题,伴随新疆煤炭资源持续规模开发,新疆地区煤火灾害将会长期存在,其对区域生态环境的系统影响有待进一步研究。
 
4 治理对策
 
煤炭开采对生态环境的影响与破坏是不容回避的事实,尤其对于新疆脆弱生态区煤炭资源开发项目,有必要制订和采取有效措施加以应对。基于新疆地区煤炭资源赋存与开采特点及新疆脆弱生态区生态环境特征,建议主要在以下方面制订对策措施:
 
1)加强顶层政策设计与研究。应从政策层面限制煤炭开采可能导致的生态环境问题的发生;针对鼓励煤矿企业开展矿区生态环境治理的相关税收减免政策及生态补偿机制进行深入研究,从而提高煤矿企业自主开展矿区生态环境整治的积极性;修订、补充完善煤炭开采立项阶段生态环境保护措施要求,跟踪落实到煤炭开发企业立项、建设、投产、运行的各个环节,敦促煤矿企业积极开展矿区生态环境治理。
 
2)严格从源头控制生产过程污染物的产生。煤炭生产企业应根据采用的煤炭开采方式,从源头上尽可能减少废气、废水、固废的排放;对于废气(如排放的CH4),若条件合适,可考虑发电或提纯液化加以利用;对于废水(如矿井水),可进行沉淀处理后用于矿区植被灌溉;对于固废(如煤矸石),可考虑用于建材生产与矸石发电,减少其对土地资源的占用与污染,降低其可能自燃产生的其他环境与安全问题。
 
3)加强煤炭开采生态环境影响基础研究。对于新疆地区煤炭资源开发而言,关于其生态环境影响领域的基础研究十分薄弱。针对新疆矿区煤炭开采生态环境影响的基础研究应着重于两方面开展:一是重点研究区域煤炭开采对区域水资源分布的破坏机理与演化规律;二是重点研究煤炭开采典型环境问题(如煤火问题)的发生演化机理及其对区域生态环境的作用机制,如污染物产出规律、污染物排放特征、污染物富集特征与迁移规律等。对于这些问题的深入研究,有助于有效解决新疆脆弱生态区煤炭开采典型生态环境问题,为矿区后续可持续规模绿色开发奠定基础。
 
4)积极开展典型生态环境问题控制与治理技术研究。如前所述,当前新疆地区煤炭资源开发典型生态环境问题包括:一是因煤炭开采覆岩应力—应变对覆岩含水层的破坏,影响矿区或区域地下水资源的分布,继而影响地下水、地表水水文过程,使地表浅层植被赖以生存的生态水位发生改变,影响区域地表植被的生长与分布。新疆地区赋煤区中伊犁煤田因其区域富水性及生物多样性、准东煤田因其大型整装巨厚煤层赋存而被列为典型矿区,有必要对该问题展开深入研究。二是因煤层暴露及开采遗煤自燃导致的大面积煤田火灾,其中准南煤田、库拜煤田为典型煤火灾害矿区。对于前者,其核心问题是控制采动覆岩移动,目前主要采用采空区充填、钻孔注浆等措施控制覆岩沉降,针对新疆地区煤层、覆岩赋存及开采特征,这些技术是否适用有待进一步研究论证。对于后者,煤火发生演化机理、煤火精确探测—监测—预警技术、煤火高效治理技术、材料与工艺,以及煤火区生态环境修复技术仍然需要进一步深入研究。
 
5 结束语
 
新疆煤炭资源丰富,生态环境十分脆弱,目前尚处于开发初期,对其典型生态环境问题进行系统分析与研究,意义重大。笔者基于这方面考虑,从新疆地区煤炭资源分布特征、地理—生态系统特征、煤炭赋存与开采特征等方面,初步分析了新疆地区煤炭资源开发存在的典型生态环境问题及其特征,提出了部分对策措施与建议,以期为该地区煤炭资源开采过程中相关生态环境问题的研究与解决提供一定借鉴。
 
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(责任编辑:陈玉涛)
 
Typical Ecological and Environmental Issues and Countermeasures in Coal Mining in Xinjiang Region
 
ZENG Qiang1,2,LI Gensheng1,2,DONG Jingxuan1,2,PU Yan 1,2
 
(1.Research Institute of Arid Ecology and Environment,Xinjiang University,Urumqi 830046,China;2.School of Resources and Environment Sciences,Xinjiang University,Urumqi 830046,China)
 
Abstract:In this paper,analysis was made on the characteristics of coal resource distribution and ecological environment in Xinjiang Region.Based on the analysis of the occurence features of coal seams and mining technologies in coal mining areas in Xinjiang Region,analysis was also carried out on the primary typical ecological environmental issues caused by coal mining activities,including the distruction to the regional water resources,the distruction to the soil and land resources,and the distruction to the surface vegetation as well as the typical coal spontaneous combustion.Some countermeasures and suggestions for solving and mitigating the above-mentioned issues were put forward from the aspect of policy and technology so as to gradually and efficiently solve them.
 
Keywords:Xinjiang region;coal resource;mining;ecological environment;typical issure;countermeasures
 
文章编号:1008-4495(2017)01-0106-05
 
收稿日期:2016-07-15;2016-11-12修订
 
基金项目:国家自然科学基金项目(51374182,51164032);新疆自然科学基金项目(2014211A051)
 
作者简介:曾 强(1969—),男,湖南湘乡人,博士,教授级高工,主要从事煤火及其环境影响研究工作。
 
曾强,李根生,董敬宣,等.新疆煤炭资源开采典型生态环境问题及对策[J].矿业安全与环保,2017,44(1):106-110.
 
【作者机构】 新疆大学干旱生态环境研究所;新疆大学资源与环境科学学院
【来    源】 《矿业安全与环保》 2017年第1期P106-110页

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