煤矸石山的生态环境危害

煤矸石露天堆放，一方面压占大量的土地，另外暴露在空气中极易发生一些物理化学反应，发生自燃、扬尘等现象，对矿区及其周边地区的大气、水体等造成严重污染；另一方面煤矸石山在外力的作用下还可能发生坍塌、泥石流等地质危害，产生生态破坏、景观破坏，引发社会问题，最终危害矿区的生态安全和人类健康（图1-1）。

图1-1 煤矸石山可能引起的生态环境危害

一、煤矸石山的物理危害

1.占压土地

煤矸石是我国目前工业排出的固体废弃物中数量最大的一种。据统计，我国国有重点煤矿现有煤矸石山1700多座，堆积量达50×108t以上，占地面积超过20000hm2，而且随着煤炭的开采，煤矸石以每年约5×108t的数量增加，约占土地面积300～400hm2，造成了大量土地资源的浪费，使农民失去土地，也破坏了原有的土地结构和景观结构。在我国人多地少的基本国情下，矸石山占用大量的土地资源，加剧了人地矛盾，对社会和经济发展造成的影响已不容忽视，必须加快对煤矸石的综合利用，或进行绿化复垦，进而减少和消除矸石堆放所占用的宝贵的土地资源（图1-2）。

图1-2 煤矸石的堆积压占了大量的土地

2.扬尘对大气环境的污染

煤矸石在空气中很容易发生风化，遇风会产生扬尘现象。由煤矸石引起的细小粉尘颗粒物质进入人体肺部，导致如呼吸道、肺部的疾病，甚至导致癌症；大粉尘颗粒进入眼、鼻、嘴等器官，容易引起感染，特别是风化粉尘中常常含有对人体有害的重金属元素和有机元素，危害人体健康。另外，颗粒悬浮于大气中容易造成气候异常。

3.煤矸石山引发的地质灾害

自然堆放的煤矸石由于堆放方式、自燃、风化等原因，使得煤矸石山很不稳定，从而极易引发地质灾害。

（1）煤矸石山崩塌和滑坡。煤矸石山多为自然堆积而成，具有坡度大、内部结构疏松的特点，而且受矸石自燃等的影响，煤矸石山非常容易发生崩塌、滑坡。如1994年，山东枣庄煤矿北煤井一矸石堆发生坍塌，导致17人死亡，7人受伤。

（2）煤矸石泥石流。山区煤矿大多数直接将煤矸石倾倒于沟谷中，这些结构疏松的煤矸石成为泥石流的物质源，一旦山谷中由于降雨等形成较强的径流条件，即可形成泥石流灾害。如2004年5月，重庆市万盛区的煤矸石山发生泥石流，造成了严重的人员伤亡，有5人遇难，16人失踪，14间房屋被埋。2009年6月，重庆合川双凤煤矸石山引发泥石流，将两村民埋没死亡。

（3）煤矸石山爆炸。选煤厂煤矸石和其他具有一定热值、硫含量较高的煤矸石堆积而成的煤矸石山，一般发热量可达到3350～6280J。此类煤矸石山由于内部发热，并随着温度的蓄积，温度最高可达800～1200℃，形成一个高温高压的内部环境。风化后的煤矸石山表面覆盖了一层较细的风化颗粒，内部热量和瓦斯气体散发不出来，当煤矸石山内瓦斯气体的浓度达到一定程度，极易产生爆炸，并引起崩塌、滑坡等地质灾害，对附近居民的安全造成严重威胁。

自燃煤矸石山爆炸时释放出大量的热能，瞬时温度可达2300～2500℃。爆炸抛出的高温矸石可引起周围建筑火灾，烧毁周边的树木、工厂设备，烧伤人员，也是引发连续爆炸的主要热源。图1-3所示是某座矸石山发生爆炸产生的高温热浪将20多米远的树木叶子烧焦，可见爆炸产生热量之高，危害之大。

图1-3 矸石山爆炸产生高温热浪对环境的破坏

图1-4 矸石山爆炸产生粉尘对环境的破坏

自燃矸石山爆炸不仅产生高温，而且爆炸压力也很高。高压可以促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，其传播速度可达2340m/s，对矿井地面建筑和器材设施造成破坏，同时，冲击波可扬起大量矸石粉尘，并使之参与爆炸，造成局部粉尘的连续小爆炸，形成更大的破坏力。冲击波可以在它的作用区域内产生震荡作用，使物体因震荡而松散，甚至破坏。据研究，当冲击波大面积作用于建筑物时，波阵面超压在20～30kPa内，就足以使大部分砖木结构建筑物受到强烈破坏（图1-4、图1-5）；超压在100kPa以上时，除坚固的钢筋混凝土建筑外，其余部分将全部破坏。

图1-5 平煤四矿“2005年5月15日”煤矸石爆炸事件灾后房屋

2005年5月，河南平煤集团煤矸石山发生自燃崩塌，造成周边房屋严重破坏和人员伤亡；另外在抢险过程中，煤矸石山又发生3次喷发，造成8人遇难，122人灼伤。焦作矿区1988年的一次矸石山爆炸，造成6名儿童死亡。矸石山爆炸已经是我国煤矿常见的地质灾害，给矿区人民的生产生活造成了极大的伤害和财产损失。2001年5月13日，阳泉一矿正在使用的排矸场上，发生一起煤矸石山爆炸事故，造成一人死亡。据不完全统计，我国每年发生的矸石山地质灾害几十起。由此可见，我国煤矸石山安全现状不容乐观。

4.煤矸石山的水土流失

自然堆放的煤矸石山一般坡度较大，有些煤矸石山的安息角高达40°以上。由于煤矸石的粒径较大，堆放初期，表面的煤矸石风化程度低，煤矸石山入渗能力较强。随着表面煤矸石风化程度的提高，入渗能力逐渐降低，使得煤矸石山表面径流加大，造成土壤的冲刷。近年来煤矸石堆放一般需要经过压实，经过机械碾压的煤矸石山表面由于形成致密的“不渗层”，在暴雨天气下其上覆盖的表土极易造成严重的水土流失（图1-6）。

图1-6 阳泉煤矸石山的水土流失现象

二、煤矸石山的化学危害

1.自燃的危害

由于煤矸石山中含有一定量的残煤、碳质泥岩、废木材等可燃物和易氧化释放热量的硫铁矿和硫等化学物质，野外露天堆放的煤矸石极易发生自燃。首先是煤矸石里的黄铁矿（FeS2）氧化产热，当温度达到可燃物的燃点时，引起残煤、炭质等可燃物质的自燃，进而导致起煤矸石山自燃。自燃后的煤矸石山内部温度可达800～1200℃，并释放出大量CO、CO2、SO2、H2S、氮氧化合物、苯芘等有害气体（表1-5）。

在供氧不足时，主要产生的气体为：

自燃煤矸石山治理与生态重建技术

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当供氧充足时，碳质物和黄铁矿的氧化反应更激烈：

自燃煤矸石山治理与生态重建技术

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自燃煤矸石山治理与生态重建技术

在高温作用下：

自燃煤矸石山治理与生态重建技术

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表1-5 中国部分自燃煤矸石山污染监测结果 单位：mg/m3

据统计，全国国有重点煤矿所属的1700多座煤矸石山中，约1/3的矸石山正在发生燃烧。其中，山西阳泉煤业集团累计矸石量达1×108t，现有大小煤矸石山20多座，而且大部分都在自燃。煤矸石在自燃过程中放出大量的SO2、H2S、CO、CO2和NOx等有害气体并伴有大量烟尘。常年自燃的矸石山，每平方米燃烧面积每天将向大气排放出CO 10.8g、SO2 6.5g、H2S和NOx 2g。大量的SO2、H2S、CO、CO2和NOx等有害气体的释放，不仅对矿区环境造成破坏，而且对周围居民的急、慢性疾病的发生率均有显著影响。煤矸石自燃时大量SO2、NOx进入大气，还是造成酸雨的源头之一。另外，煤矸石在露天堆放时，矸石表面会风化成粉尘，在风力作用下，整个矿区飞沙走石，遮天盖日，全都笼罩在黑色煤尘包围之中，对周围大气环境造成严重不良影响。

我国矸石山自燃以黄河中上游一带较为严重，如宁夏的大部分煤矿矸石山，内蒙古的乌达矿矸石山，陕西的铜川矿区矸石山，山西太原西山煤田的东西矿区矸石山、阳泉煤业集团煤矸石山，河南的焦作、平顶山等矿区矸石山均发生大面积自燃，不仅污染大气，还影响人体健康。例如，阳煤集团现在堆积有20多座矸石山，年排矸量约700×104t。由于大量洗矸和部分洗矸中的煤源源不断地堆上了各矿的煤矸石山，一至四矿4座特大型煤矸石山先后发生了大面积自燃，煤矸石山自燃严重污染了排矸作业环境，影响排矸工人身体健康。在排矸现场的工人，经常发生SO2和CO中毒症状，被送往医院抢救。经阳煤集团环境监测站采样监测，SO2平均浓度为19mg/m3，CO为125.9mg/m3，在排矸场局部地区SO2最高浓度达138mg/m3，CO最高浓度达237mg/m3，分别超过国家大气环境质量三级标准196倍和10.9倍，对排矸场周围的农作物和居民都造成了严重污染，使村、矿矛盾尖锐化。例如：铜川矿务局6个自燃矸石山周围均为癌症高发区，在矸石山附近工作过5年的职工，都患有肺气肿。我国乌达跃进选煤厂矸石山燃烧区附近检测结果：SO2平均浓度为10.69mg/m3，超过国家标准70多倍，而H2S平均浓度为1.57mg/m3，超过国家标准150多倍。

煤矸石山自燃产生大量CO、SO2等有毒有害气体。一座煤矸石山自燃可长达十余年至几十年，由于长期释放大量有毒有害气体造成了严重的大气污染，使得自燃煤矸石山周围地区呼吸道等发病率明显高于其他地区（图1-7、图1-8）。煤矸石山自燃释放出的SO2等气体对绿色植物的叶片细胞产生危害作用，导致叶绿素枯死。SO2浓度严重超标，还会导致一些敏感植物死亡。SO2对绿色植物的污染受害浓度见表1-6。

图1-7 煤矸石山的自燃产生大量有毒有害气体

图1-8 阳泉煤矸石山的自燃

表1-6 SO2对绿色植物的污染受害浓度

续表

2.酸性水污染和有毒重金属污染

矸石风化物无粘结性，矿物颗粒可随降水而移动，风化物中有毒元素等某些成分可随降水渗入土壤、进入潜流和水系等。据研究表明，矸石中氯离子、碳酸氢根、镁离子、钙离子、钾离子、钠离子组成和含量与内陆盐渍土的盐分组成和含量相似，影响矸石山上的植物生长。严重的是，矸石中含有多环芳烃等多种微量重金属元素，这些有毒重金属元素通过雨水淋溶渗入土壤或进入水域，对水环境和土壤环境造成污染，其污染程度则取决于这些元素的含量、煤矸石pH和淋溶量的大小。这些重金属元素被农作物吸收，同时通过食物链进入人体，危害人体健康。煤矸石中淋溶析出的金属元素有Cd、Pb、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Al、Ca等，它们的排放与转移会对接纳水体造成污染（图1-9）。Cd、Pb、Hg、Cr、As等重金属离子的毒性非常大，能在环境中蓄积于动植物体内，对人体健康产生长期的不良影响，会引起急、慢性中毒，造成人体肝、肾、肺等组织的伤害，严重时甚至能够导致畸形、癌变和死亡。

图1-9 煤矸石山淋溶产生的酸性矿山废水严重污染周围的土壤和水体

我国许多地区煤矸石含硫量较高，如山西阳泉煤矸石含硫量5.77%，四川南桐煤矿矸石含硫量18.93%，贵州大枝煤矿8%～16.08%，煤矸石中的黄铁矿经过氧化、淋溶作用，形成富含硫酸根、铁、重金属等有毒元素的酸性水；煤矸石山自燃产生的SO2、CO2等与水分子结合，也易使煤矸石山土壤酸化，有的煤矸石山土壤pH可达到3。如2006年甘肃雷坛河遭煤矸石侵袭，致使两万人饮用水源受威胁。河道的一大半已经被一座上面宽约2m、下面宽约10m、高约5m、绵延约200m的煤矸石山占据，底部的煤矸石全部浸泡在河水中，严重污染了河水，使饮用水水源遭到污染。

3.煤矸石对环境的放射性污染

在长期的堆积过程中，煤矸石中放射性元素大量析出，使空气中的放射性元素浓度增大，超过其本底值造成辐射污染。煤矸石中天然放射性元素主要为铀-238、钍-232、镭-226、钾-40。据山西省阳泉等矿区监测，矸石中的天然放射性核心元素均高于原煤和土壤中的相应数值。

依据我国《放射防护规定》、《建筑材料放射卫生防护标准》和《建筑材料用工业废渣放射性物质限制标准》中的有关规定，结合全国部分地区土壤放射性核元素含量，可以认为煤矸石不属于放射性废物，而属于一般工业固体废物。煤矸石即使100%用于建材制品，亦满足有关放射性限制标准和卫生防护限制规定。

三、煤矸石山对矿区景观的破坏

煤矸石山的堆放直接改变了原有土地的结构和功能，毁坏了原有的植物生态系统，使原有土地变成了寸草不生的“石质荒漠”；另外煤矸石多为灰黑色，且大部分煤矸石山山体高大，有的甚至高达100多米，巨大的光秃秃的黑色煤矸石山成了煤矿区最主要的标志物，与矿区周围山体、植被、农田等自然景观极不协调；自燃煤矸石山还冒着白色的烟雾，严重破坏了矿区的自然景观（图1-10）。

图1-10 煤矸石对矿区景观的破坏

煤矸石山的风蚀扬尘、尘埃等颗粒物覆盖在建筑、植物、道路等之上，使其失去原来色调；煤矸石扬尘降低了空气的清洁度和光照度；煤矸石山流水和经雨水冲刷带下的煤矸石风化物，破坏水体景观。煤矸石堆放产生的粉尘、自燃产生的有毒有害气体等对植物生长存在很大的影响，如植物叶色变黄、生长速度降低、草地植被种类减少等，对矿区的生态系统和植被景观产生了严重破坏（图1-11）。

图1-11 煤矸石山对矿区景观的破坏