煤炭产业对健康与环境的影响

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一处在印度比哈尔邦露天开采的煤矿。
一处在美国炸开山头开采煤矿（英语：Mountaintop removal mining）的作业。

煤炭产业对健康与环境的影响（英语：Health and environmental impact of the coal industry）包含了土地利用、废弃物管理、水和空气污染等问题，发生这些问题的原因是由于煤炭的开采、加工及使用所造成。燃烧煤炭除会污染大气之外，每年还会产生数亿吨固体废弃物（包括飞灰（英语：fly ash）、[1]底灰和烟气脱硫所产生的污泥，废弃物中含有汞、铀、钍、砷和其他重金属）。煤炭是人为，导致地球大气中二氧化碳（英语：carbon dioxide in Earth's atmosphere）增加最重要的源头。

燃煤会对健康造成严重的影响。[2][3]根据世界卫生组织（WHO）在2008年发布的报告，煤炭悬浮微粒污染每年在全球导致约10,000人的过早死亡。[4]一项在2004年由环保组织委托进行的研究（但受到美国国家环境保护局（EPA）的质疑），得出的结论是美国每年因燃煤而致死的人数有24,000人。[5]最近有项学术研究估计，与煤炭相关的空气污染所导致的过早死亡人数约为52,000人。[6]燃烧煤炭发电，所产生的毒性与燃烧由水力压裂而来的天然气生产的电力相比，要高出10-100倍，主要的原因是燃煤过程中会排放大量的颗粒物质。[7]把燃煤发电与太阳能光电进行比较，如果美国能以太阳能光电取代燃煤发电，每年可降低51,999人因受污染影响而导致的死亡。[8][9]有项研究发现，由于美国的煤炭开采相关工作机会减少，因煤炭污染死亡的人数与仍在这个产业工作的人数相当。[10]

美国史上的煤矿矿灾数目很多，但由于已采取安全措施，以及改用露天开采取代地底采矿，与采矿工作相关的死亡人数已经大幅下降。地下采矿会碰到的危害包括窒息死亡、瓦斯中毒、矿坑坍塌和瓦斯爆炸。露天开采的风险主要是矿壁崩塌和车辆碰撞。在2005年至2014年的10年间，美国平均每年有26名煤矿工人因意外事故而死亡。[11]

土地利用管理

对矿场及周边环境的影响

露天采矿会把地面景观巨幅改变，而降低周围土地的自然环境价值。[12]专门用于采矿的土地只能等营运结束后，才能收回以及重建。当取得采矿许可后，当地的常住人口必须迁离；原有的农业或狩猎、采集食物和药用植物等经济活动被迫中断。采矿所导致的地表变化取决于采矿的方式。通常这样的土地在回收之后不可能恢复原有使用方式。矿区附近的既有土地用途（例如牲畜放牧、种植作物和木材生产）暂时遭到停止。采矿作业通常不会影响到高价值、密集使用的区域，如城市和交通系统等。但如果所采的矿物价值足够，前述社区甚至可被整片迁移到邻近的地方。

露天采矿会消除现有地面的覆盖层，破坏当地土壤的遗传结构，驱散或是破坏野生动物种群和栖息地，改变当前的土地利用，并在一定程度上对开采区域的总体地形做出永久性的变动。[13]露天开采煤矿会对人类感兴趣的地质特征产生不利影响。滥采会把地貌和地球物理特征和优美的风景资源牺牲掉。由于爆破、撕裂和挖掘的破坏性活动，古生物、文化和其他历史价值会受威胁。在挖除覆盖层时，如果事先没把考古和历史特征迁移的话，就会遭到去除和破坏。[14][15]

清除植被以及兴建道路、堆积表土、移除覆盖层以及运送土壤和煤炭的相关活动，会增高矿区周围的粉尘量。粉尘对附近地区而言，会降低空气质量、危害植物，并对矿工和附近居民的健康和安全构成危害。[14][15]

露天采矿几乎把所有的景观美学元素都破坏。改变后的地貌往往带来的是不熟悉和不连续的配置。在矿物开采和废弃物开始堆积之后，出现的是新的单调模式。随着植被受到移除，覆盖层倾倒到一边，地底不同的颜色和纹理因之暴露。灰尘、振动和柴油气味随之而来（对视觉、听觉和嗅觉产生负面影响），让当地社区居民对此感觉不安或不适。在炸开山头采矿（英语：Mountaintop removal mining）的情况时，山或小丘的顶部会被移除，以露出之下的厚煤层。被移除的土壤和岩石会被堆积在附近的山谷、凹陷地和洼地中，导致水道受到阻塞（和造成污染）。[14][15]

去除覆盖层的土壤和岩石，会导致表土遭到掩埋及流失、暴露土壤母质，并形成大面积的贫瘠荒地。土壤扰动和相关的压实会产生有利于侵蚀的条件。把露天开矿区的土壤清除，会改变或破坏许多自然土壤特征，并降低其生物多样性和农业生产力。土壤结构会因粉碎化或整体崩解而受到干扰。[14]

矿井坍塌（或矿井沉陷）有可能对地面产生重大影响，对已开发的地区尤其严重。德国地下采煤业（尤其是在德国西部的北莱茵-威斯特法伦州）已让数以千计的房屋遭到损毁，煤矿业已为未来的塌陷损失预留大量资金，作为保险以及国家补贴计划之用。在德国萨尔兰州（另一个历史悠久的煤矿区）有个特别引人注目的案例，当地在2008年发生里氏地震规模4.0级的地震，疑似因矿井倒塌所造成，导致一些房屋的损坏。在事件以前就经常发生较小的地震，而会让开采作业暂时停止。[16]

美国为应对煤炭开采对土地造成的负面影响，以及美国拥有为数不少的废弃矿场，联邦政府在1977年颁布《露天采矿控制和复原法案（英语：Surface Mining Control and Reclamation Act of 1977）》，要求对未来的采煤场地执行复原计划。计划必须得到联邦或州当局的批准后才得进行开采。[13]

水资源管理

露天采矿会以多种方式损害地下水：从浅含水层中排放可用的水、降低邻近地区的水位和改变含水层内的流向、由于劣质矿井水（英语：pit water）的渗透（渗滤）把采矿作业下方的可用含水层污染并增加降水对弃土堆的渗透。[17]存在煤或是碳质页岩的地方，如有增大的渗透会导致劣质水径流增加，以及强化侵蚀弃土堆，劣质水进入浅层地下含水层，而后流入附近的溪流。 [17]

地下水和附近溪流的污染会持续很长时间。排入溪流中的有酸性矿井排水、有毒微量元素、高含量的固体溶解物，以及大量沉积物，这些进入溪流后会导致河水品质恶化。当煤层暴露后，其中的黄铁矿与水及空气接触，形成硫酸。当水从矿井中排出时，会把硫酸带入水道；无论矿场是否仍在运营，只要雨水落在矿场的尾矿上，就会持续产生硫酸。[18]废弃物堆和储煤堆也会把沉积物排放到溪流中，让地表水不再适合农业、人类消费、沐浴或其他家庭用途。[19]

国际保护环境遵循及执行网络（英语：International Network for Environmental Compliance and Enforcement） (INECE)建议使用五种主要技术以控制矿场的排水：导流系统、煤灰沉淀池、地下水抽水系统、地下排水系统和地下阻隔。[20]

由于美国很少有联邦和州为设立煤灰沉淀池（英语：ash pond）而制定的法规，以及大多数火力发电厂也没使用地工薄膜（英语：geomembrane）、淋溶液收集系统或都市固体废物掩埋场中常见的液体控制装置。[21]EPA在2015年首次颁布的国家法规中有对沉淀池和固体废弃物掩埋场更严格的要求。[22]随后有法律诉讼发生，有几次法规修订，以及修订法规的提议。截至2020年12月，最终法规仍未出炉。[23]

水污染

当燃煤锅炉使用富含石灰石的煤或褐煤当作燃料，会产生含有氧化钙 (CaO) 的飞灰。 氧化钙很容易溶解在水中而形成氢氧化钙（俗称熟石灰 (Ca(OH)2)，会被雨水从煤灰堆区带入河流/灌溉水中。使用碱石灰进行硬水软化可把水中的钙和镁（Mg）离子沉淀和去除，并把河水中的碳酸氢钠转化为碳酸钠。[24]碳酸钠进一步与河水中剩余的钙和镁离子反应，更把水软化。此外，灰分中存在的水溶性钠盐会把水中的钠（Na）含量提高。因此，通过燃煤锅炉把水中的钙和镁离子去除，并增强钠离子，河水转化为软水。灌溉中使用软水（地表水或地下水）会把肥沃的土壤转化为盐碱地。[25]当河流流域内安装许多燃煤锅炉和发电站时，再遇到各种蒸散作用和水分蒸发，剩余水中盐分积累，河水的碱度和盐碱问题会变得很严重。河流水碱度增加的问题影响位于中国、印度、埃及、巴基斯坦、西亚、澳大利亚以及美国西部等河流下游的耕地。[26]

从沉淀池排放到地表水的水中包含的污染物通常有砷、铅、汞、硒、铬和镉。[27]在美国，核发排放进入地表水的合格许可由根据清洁用水法案（英语：Clean water act）设置的国家污染物排放消除系统 (National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES)) 负责。[28]

废弃物管理

参见：煤灰对健康的影响（英语：Health effects of coal ash）
Aerial photo of pollution caused by leaking sludge storage pond
美国金士顿化石厂煤飞灰泥浆泄漏（英语：Kingston Fossil Plant coal fly ash slurry spill）事件发生次日（2008-12-23）的空照图。

煤炭经燃烧后会留下大量飞灰，通常会被储存在沉淀池（湿式储存）或掩埋场（干式储存）中。如果沉淀池或垃圾掩埋场并无装置衬里，重金属等污染物就有渗入地下水的可能，污染到含水层，期间会长达数十年或数百年。[29]EPA的数据库中包含有44个美国此类地点，被归类可能会对附近社区产生潜在危害。这样地点表示如果发生风暴、恐怖袭击或结构故障等事件就会导致泄漏，而引起死亡和重大财产损失的风险。EPA估计全美国约有300个储存燃煤发电厂灰烬的干式掩埋场和湿式沉淀池。储存的除煤灰之外，也包括集尘/过滤设备所捕获的污泥。[30]

含煤量甚低的矿石在矿场堆积的地区，被称为弃土堆（英语：spoil tip）。

野生动物

露天采矿会对野生动物造成直接和间接的损害。最主要的影响是对他们的扰乱、迁移和重新安置。有些影响属于短期型，仅限于矿区所在地，但也会有长期及深远的影响。

最直接的影响是对位于挖掘和弃土堆放区中，遭到破坏或是迁移的野生动物。大多数野生动物无法在矿坑和弃土获得食物和掩护。具有移动能力的，如猎物、鸟类和捕食者会离开。而定着动物，如无脊椎动物、爬行动物、穴居啮齿类和小型哺乳动物会被毁灭。微生物群落和养分循环过程因土壤的移动、储存和重新分布而受到干扰。

露天采矿的主要影响也包含水生生物栖息地的退化，甚至在距采矿场数英里的地方就可明显看出。露天采矿经常造成地表水发生沉积物污染，沉积物的数量可能会增加一千倍。[31]

沉积物对水生野生动物的影响因物种和污染数量而异。大量沉积物可直接杀死鱼类、掩埋产卵河床、减少光透射、改变水温梯度、填满水池、将水流扩散到更宽、更浅的区域，并会减少其他物种当作食物的水生生物产量。这些变化把人们重视物种的栖息地破坏，并可能会为不受欢迎的物种增加栖息地。美国一些淡水鱼所处的水文条件已经处于岌岌可危的程度，它们栖息地的沉积若再增加，将会导致灭绝发生。排水系统所产生最严重的沉积物污染通常发生在采矿开始后的5到25年之间。在某些地区，无植被的弃土堆在开采后50至65年仍继续发生侵蚀的作用。[13]

由于露天采矿而把会产生酸性的物质曝露，这些酸性因会消除栖息地和直接破坏某些物种，而对野生动物造成影响。较低的酸度会抑制许多水生物种的生产力、生长速度和繁殖。酸性、低浓度的重金属和高碱度会对某些地区的野生动物造成严重损害。酸性废弃物污染的持续时间有时会很长；在美国东部，暴露的酸性物质所产生的淋溶影响持续的时间估计可长达800至3,000年。[13]

空气污染

气体排放

参见：煤夹层火灾（英语：Coal-seam fire）

煤炭及其废料（包括飞灰、底灰和锅炉渣）释放的有毒化学物质大约有20种，包括砷、铅、汞、镍、钒、铍、镉、钡、铬、铜、钼、锌、硒和镭，这些如果释放进入环境中，就会造成危险。虽然这些物质仅为微量，但燃烧大量的煤炭之后，累积的释放数量就非常可观。[33]

在南非姆普马兰加省的海威尔德（英语：Highveld）（高地），由于当地拥有采矿业和燃煤发电厂，是世界上污染最严重的地区，[34]而著名的克留格尔国家公园附近的低地，也因为有新的煤矿项目，而面临污染的威胁。[35]

美国火力发电厂（包含燃煤以及燃油）产生的空气污染物示意图。

在燃烧过程中，煤与空气之间的反应会产生碳的氧化物，包括二氧化碳(CO2)、硫的氧化物（主要是二氧化硫，SO2）和各种氮的氧化物（NOx）。

二氧化硫和氮氧化物在大气中发生反应，形成悬浮微粒和对流层臭氧，可作长程移动，让美国其他，并没燃煤发电厂的州难以把污染控制而维持空气在健康的水准。

燃煤发电厂使用的的湿式冷却塔等。排放的漂移物和雾也是个环境问题。漂流物含有悬浮颗粒。在以海水降温的冷却塔，会让钠盐沉积在附近的土地上，而让土地变成盐碱地，降低植被土地的肥沃度，并对附近建筑物产生腐蚀作用。

地下煤层有时会发生火灾。一旦煤层暴露，火灾风险随之增加。风化的煤遗留在地表，会让地表温度升高。几乎所有固体煤的火灾都是由人为或闪电引起的地表火所点燃。当煤氧化，空气气流不足以散热时，就有引起自燃的可能；这种情况更常见于煤炭和煤炭废弃物堆积的地方，但很少发生在地下的煤层。在发生煤炭火灾的地方，会因排烟和毒雾而造成空气污染。煤夹层火灾在地下燃烧可长达数十年，对附近的森林、房屋、道路和其他有价值的基础设施造成威胁。最著名的煤层火灾事件是发生在森特勒利亚 (宾夕法尼亚州)的那一次，美国联邦政府被迫在20世纪80至90年代逼迁大部分居民，如今此小镇已成鬼城，截至2010年只剩下五户居民坚持留守。[36][37]。

每年大约有75,000公吨的二氧化硫经由燃烧的煤炭中释放出来。释放后，被氧化成气态H2SO2，H2SO2有散射太阳辐射的作用，它们在大气中增加后对气候有冷却效应，而掩盖一些由温室气体所造成的增温。二氧化硫的排放也导致生态系统发生广泛酸化的情况。[38]

汞排放

美国发电厂在2011年排放的汞空气污染物占全国总排放量的一半。[39]EPA在2012年2月发布汞和空气毒物标准法规 （简称MATS，参见美国汞排放法规（英语：Mercury regulation in the United States）），要求所有燃煤电厂大幅减少汞排放。[40][41]

在美国，风把美国中西部的燃煤发电厂的汞沉积吹到纽约州，而污染到卡兹奇山脉的水域。汞在食物链中累积，被转化为甲基汞，这是一种有毒化合物，对食用遭污染水域中鱼类的野生动物和人都有害。[42][43][44]汞被蠕虫摄取，鱼吃下蠕虫，而鱼被鸟（包括白头海雕）吃掉，截至2008年，在卡兹奇山脉中白头海雕体内的汞含量创下新高。[45] “人们几乎完全是透过食用处于水生食物链顶端的受污染鱼类，以及野生动物而摄入甲基汞。”[46]海洋鱼类是人类摄入甲基汞的主要来源；但海洋鱼类中甲基汞的来源尚未被完全了解。 [47]

每年超额死亡率和发病率

根据WHO和其他机构在2008年的估计，全球每年受到煤炭产生的悬浮颗粒影响而死亡的人数达到100万，[4]占比大约是与空气污染导致的所有过早死亡人数的3分之1，[48]

燃煤排放的污染物包括悬浮颗粒(其中粒径小于或等于2.5微米的颗粒称为PM2.5，比病毒大，比细菌小，容易带有毒物质而进入人体) 和对流层臭氧。由于并非全部燃烧煤炭的机构均有现代污染控制技术，而造成全美有数千例原本可预防的死亡。马里兰州护士协会（Maryland Nurses Association）在2006年委托进行一项研究，发现由马里兰州的6个燃煤发电厂的排放物每年会导致全国700人死亡（包含马里兰州的100人死亡）。[49]自从这六家发电厂之一（布兰登海岸发电厂（英语：Brandon Shores Generating Station））安装污染减排设备后，它“减少的排放包括90%的氮氧化物（产生雾霾的一种成分）、95%的硫（导致酸雨）并且大幅降低其他污染物的比例。”[49]

经济成本

欧盟在2001年赞助一项名为ExternE（为能源外部性（Externalities of Energy）的简称）的研究，发现在1995年至2005年的10年间，如果把外部成本列入考虑，煤炭发电的成本将是其现值的两倍。所谓外部成本包括空气中的悬浮微粒、氮氧化物、六价铬和燃煤产生的砷排放，它们对环境和人类健康造成损害。据估计化石燃料的外部、下游的成本占欧盟整个国内生产总值 (GDP) 的 1-2%，煤炭在化石燃料中占有重要地位，这GDP占比尚未把全球变暖所导致的外部成本包括在内。[50]研究发现，仅煤炭的环境和健康成本为60欧元/兆瓦时，外部成本最低的能源是核电（1.9欧元/兆瓦时），风能发电的成本为0.90欧元/兆瓦时。[51]

据英特尔研究人员称，在中国和印度，当地个人电脑的主板故障率高，似乎是由于“燃烧煤炭产生的含硫空气污染。而造成铜电路腐蚀的结果”。[52]

温室气体排放

参见：[[:能源产业对环境的影响]]和导致最近气候变化的原因（英语：Attribution of recent climate change）
人为二氧化碳排放的不同来源，几乎每一种都在增加（资料来源：全球碳计划）。

燃烧煤炭是导致大气中人为二氧化碳增加的最大因素。[53]燃煤发电与燃烧天然气发电相比，每千瓦产生的温室气体，前者大约是后者的两倍。[54]

开采煤矿会释放出甲烷，这是一种强效温室气体。甲烷是有机物腐烂时的自然产物，随着地质时间的推移，煤层因埋藏深度增加及温度和压力升高后而形成。产生的甲烷被煤吸收一部分，在采矿过程中从煤层（和周围受到扰动的地层）中释放。[55]甲烷占人类活动产生的温室气体排放量的10.5%。 [56]根据联合国政府间气候变化专门委员会的数据，依为期100年的时间计算，甲烷导致全球变暖的潜力是二氧化碳的21倍。采矿过程中因地层压力松弛和遭到压裂，会释放大批甲烷，如果管理不当，这些气体会对煤矿工人构成威胁，也是空气污染的来源。采矿过程中如果未采取“甲烷排放”等预防措施，地层中压力累积的结果，可能会在采矿时，或是采矿之后发生爆炸事件。[55]

2008年，詹姆斯·汉森和Pushker Kharecha两位研究人员发表一项经过同行评审的科学研究，对煤炭淘汰（英语：coal phase-out）在大气二氧化碳水准的影响做分析。他们的基线缓解情景是到2050年，把全球碳排放完全淘汰。在“一切照旧”情景下，2100年大气二氧化碳的峰值为百万分之563(ppm) 。在四种煤炭淘汰情景下，大气二氧化碳的峰值发生在2045年至2060年间，为422–446ppm，此后即开始下降。[57]

辐射暴露

煤炭还含有低水准的铀、钍和其他天然放射性同位素，如果释放到环境中，可能会导致放射性污染。[33][58]燃煤发电厂会透过放射性飞灰的形式释放辐射，被邻近生物吸入以及摄入，并会掺入农作物中。橡树岭国家实验室在1978年发表的一篇论文估计，当时的燃煤发电厂会向半径500米范围内的近邻送出每年19西弗的辐射剂量。[59]联合国原子辐射影响科学委员会（英语：The United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation）在1988年发表的报告估计，1公里外的老工厂所送出的辐射剂量为每年20西弗，而采用改进飞灰捕集设备的新工厂送出的剂量为每年1西弗，但无法透过测试来确认这些数字。[60]

排除核电厂所含废料和无意中排放，燃煤电厂平均生产每单位电量会比核电厂携带更多的放射性废弃物进入环境。由煤衍生的飞灰所携带，向周围环境排放的辐射是具有类似发电量，正常运行中核电站的100倍。[61]这种比较并未把其他燃料循环的部分，即煤炭和铀的开采、提炼和废物处理考虑在内。一座发电量1000兆瓦的燃煤电厂的运行导致核辐射剂量为每年490雷姆，而同等核电厂的核辐射剂量为每年136雷姆，包括铀矿开采、反应堆运行和核废料处理。[62]

煤矿工人面临的危险

根据历史纪录，采煤一直是项非常危险的活动，历史上的矿灾数目甚众。露天开采的主要灾害是矿壁崩塌和车辆碰撞；地下采矿会碰到的危害包括窒息死亡、瓦斯中毒、矿坑坍塌和瓦斯爆炸。慢性肺部疾病，例如尘肺病（另称黑肺病）曾经在矿工中很常见，导致预期寿命缩短。在一些采矿国家，黑肺病仍然常见，美国每年有4,000例新的黑肺病例（占每年工人中的4%），而在中国每年有10,000例新病例（占工人中的0.2%）。[63]

美国在2007-2016的10年间，平均每年有23名煤矿工人死亡。[11]最近美国煤矿灾难包括2006年1月的西维吉尼亚州萨果煤矿矿灾（英语：Sago Mine disaster）。2007年，犹他州克伦朵谷煤矿（英语：Crandall Canyon Mine）矿灾，9名矿工死亡，其中6人被永久埋葬在矿坑之内。[64]2010年4月，西弗吉尼亚州的上大分岔煤矿矿灾（英语：Upper Big Branch Mine disaster），29名矿工死亡。[65]

然而，在欠发达国家和一些发展中国家，每年仍有有许多矿工死亡，或是直接由矿灾造成，或是因为恶劣的工作环境对健康造成的不良后果。尤其是中国，与煤矿有关的死亡人数居世界之首，官方统计数据称在2004年即有6,027人死亡。[66]相较之下，美国同年死亡的为28人。[67]中国的煤炭产量是美国的两倍，[68]而煤矿工人的数量是美国的50倍左右，中国煤矿的人均死亡机会是美国的4倍（依单位产量计算，则为108倍）。

美国西维吉尼亚州法明顿煤矿矿灾（英语：Farmington Mine disaster）（1968年），有78名矿工遇难。

煤炭矿场内有害气体的积聚被称为湿气（damp，推测是由德文Dampf（蒸气/潮气）而来）：[69]

  • 黑湿气（英语：black damp）：矿井中二氧化碳和氮气的混合物会造成矿工窒息。缺氧条件是封闭空间中氧气耗尽的结果，例如：通风不良。
  • 后形成湿气（英语：afterdamp）：类似于黑湿气，由一氧化碳、二氧化碳和氮气组成，在矿井爆炸后形成。
  • 火湿气（英语：Fire damp）：主要成分是甲烷，这是一种高度易燃气体，浓度在5%到15%之间会爆炸，浓度在25%时会导致窒息。
  • 臭湿气（英语：stink damp）：积聚气体中含有硫化氢，而此气体有臭鸡蛋味道而得名，硫化氢会爆炸，而且毒性很强。
  • 白湿气（英语：White damp）：积聚气体中含有一氧化碳，即使在低浓度也有毒性。

火湿气（Firedamp）爆炸后可引发更具危险性的煤尘（英语：coal dust）爆炸，把整个矿坑毁掉。在现代的矿场中，这些风险发生的频率均已大幅减少，在发达国家中，造成多起死亡的事故已很少见。现在美国的煤矿每年因事故而死亡的人数在30人之内。[70]

参见

参考文献

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