文章信息
- 吴钢, 魏东, 周政达, 唐明方, 付晓
- WU Gang, WEI Dong, ZHOU Zhengda, TANG Mingfang, FU Xiao
- 我国大型煤炭基地建设的生态恢复技术研究综述
- A summary of study on ecological restoration technology of large coal bases construction in China
- 生态学报, 2014, 34(11): 2812-2820
- Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(11): 2812-2820
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201308092052
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文章历史
- 收稿日期:2013-08-09
- 网络出版日期:2014-02-24
2. 中国科学院城市环境研究所, 厦门 361021;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China;
3. University of Chinese Academy Sciences, Beijing 100049, China
由能源资源结构所决定,我国是世界煤炭生产和消费量最大的国家。2012年,我国煤炭产量达到38.6亿t,占全球煤炭产量的一半以上[1]。现阶段,煤炭资源仍是我国的主体能源,在一次能源结构中占70%左右。可以说,在未来相当长时期内,煤炭作为我国主体能源的地位不会改变。因而,煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。我国煤炭资源分布广泛但不均匀,全国除上海外,其他省(区)、市均有探明储量。从地区分布看,储量主要集中分布在山西、内蒙古、陕西、云南、贵州、河南和安徽,七省储量占全国储量的81.8%,分布呈现出“北多南少”、“西多东少”的特点。
由于社会经济发展需要安全稳定的煤炭供应,从建国初期我国就提出了建设煤炭基地的概念。煤炭基地是我国对增强煤炭资源保障能力,在煤炭资源相对富集的地区,以大型煤炭企业为主体,综合开发煤炭及共生或伴生资源,实现上下游产业联营和集聚,最终建成煤炭调出、电力供应、煤化工和资源综合利用基地[2]。煤炭工业发展“十二五”规划指出,国家大型煤炭基地现已成为综合能源基地的主体。基地对提高煤炭供应保障能力和促进煤炭工业现代化具有重要的引领作用。1952年,我国年产100万t的矿区仅有18个,总产量为4160万t;而到2010年,14个大型煤炭基地产量高达28亿t,约占全国煤炭总产量的87%[3]。
煤炭的生产开发,在为经济社会发展和人民生活水平提高提供能源的同时,也会带来一系列的生态环境问题。由煤炭开采引发的水资源破坏、瓦斯排放、煤矸石堆存、地表沉陷等,对矿区生态环境破坏严重;同时,煤炭利用过程中排放出二氧化硫、氮氧化物等有害气体,影响空气质量,化石燃料燃烧释放大量二氧化碳气体,导致应对气候变化的巨大压力。
因此,在当前大型煤炭基地开发建设中,积极实施和推广生态恢复规划和技术,对协调经济、社会发展与自然环境和生态系统的关系,促进国家和区域生态环境与社会经济的可持续发展,引导我国未来能源资源的合理开发、利用都有着举足轻重的意义。
1 我国大型煤炭基地概况50年代初期,由于受技术水平、生产能力制约,我国年产100万t的矿区较少,总产量仅为4160万t,多主要集中在东北、华北地区;到1993年底,全国核定生产能力在200万t以上的国有煤矿大中小基地达到69个,产量达到4.26亿t,多集中在华北、东北、华东、中南、西北等地区;2003年,国务院做出“利用国债资金重点支持大型煤炭基地建设、促进煤电联营,形成若干个亿吨级煤炭企业”的决策;2004年,国务院专门成立大型煤炭基地建设领导小组,由国家能源局实施具体工作。从煤炭资源、区位和外部条件综合考虑,规划建设神东、陕北、黄陇、晋北、晋中、晋东、鲁西、两淮、冀中、河南、云贵、蒙东(东北)、宁东共13个大型煤炭基地[4];2011年,全国能源工作会议上,中央把新疆从煤炭储备基地正式列为“十二五”国家重点建设的第14个大型煤炭基地[5](图 1)。大基地规划矿区也由2003年的98个发展到2010年206个,新增矿区规模18亿t,主要集中在神东、陕北、宁东、黄陇、蒙东、云贵和新疆基地。2010年比2003年大型煤炭基地建设之初的13.1亿t增加14.9亿t,10个煤炭基地产量超过亿吨,其中神东基地6.3亿t,蒙东基地超过3.8亿t,晋北、云贵、晋东、河南基地超过2亿t,黄陇、鲁西、两淮、晋中超过1亿t[3]。
我国大型煤炭基地建设的整体思路是坚持一个矿区由一个主体开发,一个主体可以开发多个矿区,大力推进企业兼并重组和矿业权整合;坚持以大型煤炭企业集团为主体开发,大力推进上下游产业一体化发展;坚持开发与保护并重,大力推进循环经济产业发展和生态环境保护工程建设。如表1,因资源条件、开发现状、区位条件等因素不同,14个大型煤炭基地可以分为重点建设、巩固发展、控制发展、煤电一体化、大力提高和有序开发六大类。
2 煤炭基地建设带来的主要生态环境问题 2.1 对土地资源的影响煤炭的开采主要分为井工和露天两大方式[6]。井工开釆对土地资源的影响以地表塌陷和矸石山压占为主,据测算,平均万吨煤引起地表沉陷为0.2hm2,截止到2005年,我国因采煤破坏的土地共40万hm2,目前仍以每年3.3万—4.7万hm2的速度增加[7]。采煤沉陷不仅破坏地形地貌,同时也改变了矿区水文地质条件,生态环境使得土地生产力严重下降,经济效益大幅度降低[8]。地表沉陷导致地处平原地区的鲁西与两淮矿区大量耕地受损,土地盐碱化严重,从而加剧了煤炭开采与农业发展的矛盾。地处山区、丘陵地区的云贵基地,由于煤炭开采加速植被退化,引起的地表塌陷更易诱发滑坡、崩塌、地裂缝等地质灾害[2]。
类型Type | 重点建设Key construction | 巩固发展Strength and growth | 控制发展Control and growth | 煤电一体化Coal-electricity integration | 大力提高Dramatic improvement | 有序开发Orderly growth |
基地 Base | 神东、陕北、黄陇、宁东基地 | 晋北、晋中、晋东基地 | 冀中、鲁西、河南、两淮基地 | 蒙东( 东北)基地 | 云贵基地 新疆基地 | |
特点 Characteristic | 资源丰富,煤质优良,开发条件好,保障全国煤炭供应的关键 | 多年高强度开发,规模较大,仍是煤炭工业建设重点 | 地区优势突出,煤质优良,资源储量有限,耕地矛盾突出 | 主要为褐煤,不适宜 远距离运输,东北基地开发有限 | 南方唯一大型煤炭基地,资源丰富,优化煤炭开发布局 | 新规划基地,能源战略具有重要地位 |
生态环境问题 Eco-environmental problems | 地下水径流破坏、地下潜水位下降和地表水减少 | 长期开采导致地面塌陷严重,水资源供需矛盾突出 | 地表沉陷严重,大量耕地受损,土地盐碱化严重,土壤肥力降低 | 煤矸石对大气环境污染严重,地表沉陷,沙漠化、 草原生态破坏 | 植被退化,引起的地表塌陷诱发滑坡、崩塌、地裂缝等地质灾害 | 地表水和地下水污染,天然草场生态破坏 |
生态环境特征 Eco-environmental characteristics | 生态环境承载力低、生态系统不稳定、生态平衡遭到破坏、区域生态系统服务功能较弱、生物多样性受损、系统自我恢复能力下降 | |||||
开发原则 Development principles | 推进矿权整合、有序建设现代化矿井,形成世界先进水平的千万吨级煤矿群 | 坚持适度发展,整合为主,新建为辅,建设接续型大型现代化煤矿 | 做好深部接续资源勘查,限制1000米深新井建设,加强沉陷区治理和土地复垦 | 煤电一体化开发模式,优先建设大型现代化露天煤矿,注重保护草原生态 | 以大中型煤矿为重点,新井建设和小煤矿退出结合,大力提高安全生产 | 做好煤炭基地规划,促进资源有序勘查,加强能源输送通道建设,适度加大煤炭外调量 |
露天开采对土地资源的影响以直接挖损和外排土场压占为主。露天开采必须把煤层上覆盖的表土和岩石剥离,对土地资源的破环十分严重。到2010年,全国露天采煤挖损土地总面积3万hm2以上;我国露天开采大多使用外排土场方式,其压占面积是挖损土地量的1.5—2.0倍,全国累计占用土地约5.6万hm2[9]。
2.2 对水资源的影响我国北方煤炭基地大多位于水资源缺乏地区,且都属于资源型缺水和工程型缺水并存地区。煤炭资源丰富的地区往往水资源匮乏,形成了“煤多水少”的局面。其中,山西、陕西、宁夏、内蒙古和新疆五省区煤炭保有储量约占全国的76%,但水资源总量仅占全国的6.14%。煤炭资源分布和水资源配置形成呈显著的逆向性。14个大型煤炭基地中,仅云贵基地、两淮基地和蒙东(东北)基地的部分矿区水资源相对丰富,其余煤炭基地均严重缺水,生态环境先天不足[10]。煤炭资源的开采一般对地表水资源以及地下水资源造成重大影响。对地表水资源的影响主要是对水质产生污染,而对地下水资源的影响主要是导致地下水位的下降和地面沉降等[11]。
煤炭开采产生的矿井水、洗煤水和矸石淋溶水若处置不当,废水中的少量重金属、有害有毒物质会对矿区地下水、地表河流造成严重污染,改变水质酸碱度。开采1t煤排水量为1.75—2.15t,2010年全国采煤排水量为61亿t[12],而煤矿每年产生的各种废污水约占全国总废污水量的25%[13]。大量水资源的流失和破坏,会加重矿区地下水位的下降,促使风蚀和水土流失加剧,引起土地沙漠化。对水资源影响较为严重的区域主要位于我国的干旱和半干旱地区,以神东、陕北、宁东、山西的晋北、晋中基地为代表,该区域的年均降水量大多在350mm以下,且蒸发系数较高,供水量与基地需水量矛盾呈加剧趋势。
2.3 对大气环境的影响煤炭开采中形成的大气污染物主要是煤炭开采形成的废气,有矿井瓦斯、矸石山和煤堆自燃释放的烟尘、露天爆破和排土场扬尘等。
矿井瓦斯中的主要成分甲烷,是一种重要的温室气体,其温室效应为二氧化碳的21倍。2010年,我国每年从矿井开采中排放甲烷7—9Gm3,约占世界甲烷总排放量的30%,除5%左右集中回收利用外,其余全部排放到大气中[14]。
矸石山长期露天堆放,在外力作用下,会发生氧化、风化和自燃,产生大量的扬尘和SO2,CO2,CO、H2S等有毒有害气体,严重污染环境并直接损害周边居民的身体健康。运输中产生的煤尘飞扬,既对煤炭运输产生损失,又污染沿线周围的生态环境。扬尘含有很多对人体有害的元素,一旦被吸入人体,也会导致各种疾病甚至癌症的发生,其污染影响面将远远超过堆置场的地域和空间[15]。
3 煤炭基地的生态恢复技术生态恢复是指对生态系统停止人为干扰,以减轻负荷压力,依靠生态系统的自我调节能力与自组织能力使其向有序的方向进行演化,或者利用生态系统的这种自我恢复能力,辅以人工措施,使遭到破坏的生态系统逐步恢复或使生态系统向良性循环方向发展[16]。生态恢复技术则是运用生态学原理和科学系统的方法,把现代化技术与传统的方法通过合理的投入和时空的巧妙结合,使生态系统保持良性的物质、能量循环,从而达到人与自然的协调发展的恢复治理技术。煤炭基地是以大型煤炭企业为中心,包含社会、经济领域的一个特殊的“区域”,是一个复杂的“自然-社会-经济”的综合体。煤炭基地生态恢复主要指对煤炭基地引起的土地功能退化、生态结构缺损、功能失调等问题,通过工程、生物及其他综合技术和措施来恢复和提高生态系统的功能[17]。对于煤炭基地,传统的开采方式通常是先开采再治理,但这往往不利于大型煤炭基地生态系统和功能的修复。因此,在对大型煤炭基地进行生态修复活动时,应伴随煤炭开采的全过程、整个区域,并且在时空尺度上实施全程动态跟踪修复,并自建设期、运营期、直到后续的矿区关闭治理期的全部开发过程进行全面系统的生态修复工作。
3.1 土地资源恢复技术采煤塌陷是我国煤炭基地量大面广的生态环境问题,土地复垦是解决煤炭基地环境问题和综合治理的最有效途径。土地复垦是指通过采取一些列整治措施,对煤矿开采等受到人为破坏的土地进行综合整治,使其恢复到受破坏前的自然状态的人类干扰活动,它是一个长时期、多学科、多工序的复杂系统工程。国外对沉陷区环境的影响和土地复垦和改良技术等方面展开大量的研究。德国政府对煤矿废弃地的土地复垦及环保问题十分重视,主要将农林复垦转向复合型土地复垦模式,即农林用地、水域及许多微生态循环体协调、统一地设立在一起[18],从而为人和动、植物提供较大的生存空间;美国实现严格的土地复垦政策和完善的管理体制,主要是在生物复垦和改良土壤方面成绩显著;澳大利亚十分重视边开采,边复垦,重视复垦措施和技术的应用,实行土地复垦保证金制度,全程注重公众参与[19]。
土地复垦分为工程复垦技术与生物复垦技术(包括微生物复垦)。
(1)工程复垦也称工程措施、工程技术,是根据当地条件、塌陷情况,按照复垦土地的利用方向采用工程设备和手段对塌陷破坏土地进行的回填、复土、挖垫与平整处理。包含煤矸石充填复垦技术,电厂粉煤灰充填复垦技术,河、湖淤泥充填复垦技术,挖深垫浅复垦技术,疏干法复垦技术,梯田法复垦技术等[20]。
(2)生物复垦是工程是复垦结束后所进行的工作,是恢复土壤肥力与生物生产能力的活动,它是实现废弃土地有效复垦的关键环节。主要内容包括土壤改良技术,污染土壤恢复技术、植物品种筛选与植被工艺。
采煤沉陷已成为两淮煤炭基地当前最突出、最紧迫的生态环境问题。目前,挖深垫浅复垦技术是两淮基地治理采煤塌陷区重要的生态恢复技术,其在两淮矿区推广范围较广,经挖深垫浅工程处理后的塌陷区,形成“深层采煤沉陷区水产养殖模式”、“浅层采煤沉陷区种植和水产养殖相结合模式”,使淮北市获得显著的经济生态效益。另外“粉煤灰充填覆土造林模式”和“煤矸石充填作为建设用地模式”的应用不仅改善了基地生态环境,并且取得了良好的经济效益。淮南市把生态恢复同发展三产结合起来,形成集废旧物资加工、储存、物流为一体的皖西北最大再生资源集散中心[21]。
3.2 水资源恢复技术由于煤炭的开采、运输、转化及利用以及农业生产、生活等人为原因,使得煤炭开采区域水体的水质超过一定水质标准,产生煤炭基地污水。煤炭基地污水特征是污染区范围大、污染时间跨度长、污染垂向空间广和影响因素多[22]。
在煤炭基地水资源恢复中,通常要由污染治理逐步转入生态恢复阶段。利用环境友好的生态修复技术,通过人工辅助手段,创造有利于水生植物、动物生存的环境,对水体污染就地净化、就地修复,减少污染对水体生态系统的影响,逐步恢复水生生物,再借助物种自然恢复,恢复水体生物多样性,构建稳定、健康的生态系统。
(1)煤炭基地地表水修复技术
对煤炭基地地表水修复技术主要有物理方法、化学方法、生物方法三种。目前国内外所采用的主要物理措施有引水冲刷/稀释、曝气、机械/人工除藻、底泥疏浚等;化学方法主要有钝化法、化学沉淀法、酸碱中和法、化学除藻法;根据污染物的特点,地表水生物处理技术分为生物操纵法、植被群落法、生物除藻等类型[23]。
(2)煤炭基地地下水修复技术
相比地表水污染处理和修复,地下水污染处理难度更大,主要有抽提处理、气提技术、空气吹脱技术、生物恢复技术、渗透反应墙等[24]。抽提处理是用水泵将污染的地下水抽取,在地表进行处理,可以防止受污染的水体向周围扩散;气提技术的基础是污染物的挥发特性,能够原位操作,对周围干扰小,有效去除挥发性有机物;空气吹脱技术是在一定压力下,将压缩空气注入受污染区域,将溶解在地下水中的挥发性化合物去除;生物恢复技术分为原位生物恢复和异位生物处理两种,是利用微生物降解地下水中的污染物,最终转化为无机物;渗透反应墙是在污染区下游设置具有渗透性的障碍墙,污染物被截流并得到处理,使地下水得以净化[23]。
神东煤炭基地位于我国生态环境脆弱的西部区域,主要环境影响是地下水径流破坏、地下潜水位下降和地表水减少,引起地表干旱、荒漠化和植被枯萎。基地采用薄基岩浅埋煤层保水开采技术,充分利用其进行井下治理,使水资源得到有效保护,避免了矸石地面排放、消除了矿井水污染[25]。利用煤矿井下采空区蓄水并通过采空区矸石过滤净化井下废水的技术,把采空区变为具有净化功能的蓄水库,复用水除供生产外,补充到生活用水和生态建设用水,消除了井下水引起的地表水体污染,减少了对地表水的利用,缓解了干旱地区的用水矛盾,取得了经济效益和社会效益[26]。
3.3 大气环境恢复技术煤炭开采中形成的大气污染物主要是煤炭开采形成的废气,露天矿的粉尘,其防治技术主要是采用密闭抽尘,湿式凿岩、钻孔,干湿联合除尘防尘,水封爆破等技术。煤炭基地道路面积和堆场粉尘飞扬,可采取如下措施:向路面撒水,喷洒钙、镁盐吸湿溶液,喷洒抑尘剂等技术。同时积极开展煤矸石的资源化,例如煤矸石发电,目前全国已建成煤矸石电厂将近200座,每年发电实际消耗煤矸石约2000万t;另外可从煤矸石中富集提取有用矿产和用以生产建材,以减少煤矸石自燃产生的有毒有害气体污染[27]。
煤炭基地矿井瓦斯中的主要成分甲烷采用多种技术综合抽放:
(1)地面钻孔抽放技术,该技术从地面垂直钻孔进入煤层或采空区,抽放未采动煤层或采空区瓦斯。淮北基地采用这种技术抽出率高达64%,浓度高达90%以上;(2)顺煤层预抽技术,顺煤层预抽是一种主流发展技术,抽放成本低。山西大宁煤矿其抽放浓度大于60%,抽出率可达65%以上;(3)采空区抽放技术,从瓦斯巷钻孔到采空区上部的裂隙带进行抽放。通过这种技术抽放的瓦斯浓度一般较高,有的可以达到75%以上。
我国在煤层气利用方面已经有很广泛的尝试,领域包括民用、工业燃料、发电、化工等,主要有(1)煤层气提纯技术,包含变压吸附技术和低温分离技术;(2)发电技术,包含燃气发动机技术,燃气轮机技术以及煤与煤层气混烧技术;(3)低浓度甲烷利用技术,浓度30%以下的煤层气利用方法包括发电技术和辅助燃料技术;(4)矿井乏风利用技术[28]。
4 展望和建议“十二五”期间是构建新型煤炭工业体系,实现煤炭工业健康发展的重要时期。到2015年,我国要形成10个亿吨级、10个5000万吨级特大型煤炭企业[3],大型煤炭基地煤炭量达到36亿t,占全国比重的比例超过90%,以大型煤炭基地为主体的煤炭稳定供应基本形成。大力推进生态恢复技术实施,把国家大型煤炭基地建设成为资源节约型、环境友好型及具有可持续发展能力的大型煤矿区,对资源整合与协调开发、环境保护等具有重要的战略意义。
围绕大型能源基地的生态恢复与环境管理体系建设,提出建议如下:
(1)国家大型煤炭基地要全面规划,因地制宜地进行生态恢复生态恢复规划必须遵照待恢复区域自然规律和经济规律,开展符合区域总体发展规划,作到统筹兼顾,协调发展。注重生态恢复工程的整体性与综合性,合理进行平面、空间及时序上的统筹与配置,使其达到最佳的恢复效果和效益。不同类型煤炭基地,除自然条件的地域性差异之外,社会经济、生产技术条件与矿区开发的历史等都不尽相同。生态恢复规划要根据当地的现实基础,从实际出发,因地制宜合理制定规划目标和技术措施,达到社会效益,经济效益和生态效益的统一,促进区域的可持续发展[17]。
(2)重点加强采煤沉陷区综合治理,建设绿色生态基地煤炭工业“十二五”规划指出,我国矿区土地复垦率指标应超过60%[3]。我国两淮、鲁西、陕北、宁东等基地是加强采煤沉陷区综合治理、土地复垦的重点区域,应切实解决因采煤塌陷带来的居民搬迁安置、就业和社会保障等问题,给予政策倾斜,保护失地农民的实际利益。生态恢复技术上应在土壤质量调控,矸石山绿化污染治理、微生物复垦等方面取得进一步发展,使沉陷破坏区植被绿化率达到80%以上[3]。另外,应对塌陷区的农林复垦、生态农业、生态工业园区、生态休闲旅游区、湿地型运动休闲等土地利用模式进行有益的探索[8, 18]。
(3)完善水污染防治监督机制,推进保水采煤和节水技术加快主要煤炭基地的地下水功能区划定,制定不同分区煤炭基地地下水保护细则。加强基地水质监测力度,严格煤炭企业排水监管[29]。加强对已破坏地下水的管理和利用,提高矿井水的利用率和污染治理率,东部、中部、西部区域的矿井水利用率到2015年目标应分别达到80%、68%和80%[3]。建立矿井水利用工艺生产质量监督体系,将部分治理水回归生态用途或用于煤电开发用水。在陕北、宁东、神东、晋中、晋北等基地大力推广应用保水采煤和节水技术,使水资源得到有效保护。
(4)推广煤炭清洁利用技术,加快循环经济发展大型煤炭基地应严格限制高硫份煤炭的开采,提高煤炭洗选比例。加大煤电基地的建设力度,加强煤炭就地能源转化,着重推广煤炭清洁、高效利用技术,推广煤炭清洁能源运输。在大中型矿区内,以煤矸石发电为龙头,利用矿井水、瓦斯等资源,发展优势生产要素资源综合利用产业,按照煤-电-建材-化、煤-焦-电-建材等多种模式建设煤矿循环经济园区。加强矿区环境全过程管理体制建设,体现预防为主的原则,减少污染物排放总量,实现矿区环境保护从点到面、从末端治理向污染预防的方向转化[30]。
(5)探索生态补偿机制,建立创新的生态补偿税费制度确立以土地复垦合理利用为核心,区际、上下游产业之间的生态环境补偿机制。积极推进煤炭资源生态补偿立法工作,加强和完善生态补偿监管机制的建设。尝试建立起政府与企业之间的煤炭开发技术、相关环境治理与保护技术,实现许可证、购买专利、产学研合作、技术联盟和技术合作等多样化的生态补偿方式。设立煤炭可持续发展金,实现环境利益的合理化分配,调整煤炭资源税费使用方向。建立面向生态补偿的税费制度的创新机制,提高生态补偿费用征收标准,保证我国矿区生态环境保护和生态补偿长期有效的实施[31]。
(6)完善现有生态恢复法律制度,实现生态环境恢复与治理法制化在已有的例如《土地复垦规定》、《清洁生产促进法》、《环境保护法》等法律法规的基础上,紧密结合煤炭基地环境的特点,结合保护矿区生态环境和经济发展的要求,加强环境管理机构在环境监管中的职能,健全生态恢复法律和法规体系。对不符合建设条件和对生态环境破坏严重,实行“环保一票否决制”;限制在地质灾害易发区开采矿产资源,禁止在地质灾害危险区、自然保护区等区域开采矿产资源[32]。
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