基于全生命周期的礦井水利用技術(shù)模式

方向清

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004)

我國(guó)是世界上煤炭資源最豐富的國(guó)家之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭探明總儲(chǔ)量在9 000億t以上，居世界第三；已知含煤面積55萬(wàn)多km2，且煤種齊全。煤炭是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源資源，煤炭開(kāi)采存在引發(fā)諸多的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，為此，20世紀(jì)末提出了保水采煤的理念。不論是保水采煤技術(shù)，還是綠色采煤技術(shù)或是礦井水回灌技術(shù)主要是考慮煤炭生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境問(wèn)題，而煤礦關(guān)閉后還不可避免的存在礦井水酸化、污染河流和破壞土地資源等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。本文基于煤炭生產(chǎn)全生命周期的理念，提出礦井水灌溉系統(tǒng)、礦井水生物工廠2種新型的采煤技術(shù)模式，不僅解決煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的礦井水排放問(wèn)題，而且解決因煤礦關(guān)閉(后生產(chǎn)周期)而引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

1 保水采煤

1.1 “保水采煤”的發(fā)展

隨著西部煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用，1990年之后形成了保水采煤的基本思想。

1990年4月28日和12月20日，神北礦區(qū)的瓷窯灣煤礦先后兩次發(fā)生巷道冒頂事故，引發(fā)了地下水水位的持續(xù)下降、順溝渠水庫(kù)干涸、飲馬泉流量迅速減少，小溪斷流和植被枯萎等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。1992年，韓樹(shù)青等論述了陜北侏羅紀(jì)煤田開(kāi)發(fā)的水文地質(zhì)問(wèn)題[1]，范立民首次提出“保水采煤”的觀點(diǎn)，認(rèn)為生態(tài)脆弱區(qū)的地下水保護(hù)是至關(guān)重要的[2]。1995年范立民提出了開(kāi)展陜北侏羅紀(jì)煤田水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合研究的建議，主要研究煤炭開(kāi)發(fā)對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)條件的影響及控制對(duì)策。煤炭工業(yè)部“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃啟動(dòng)了《中國(guó)西部侏羅紀(jì)煤田(榆神府礦區(qū))保水采煤與地質(zhì)環(huán)境綜合研究》項(xiàng)目，首次明確提出“保水采煤”概念，奠定了保水采煤研究的基礎(chǔ)。2000年6月19日，范立民在《光明日?qǐng)?bào)》撰文，呼吁根據(jù)地質(zhì)條件，對(duì)于破壞含水層結(jié)構(gòu)的區(qū)域暫緩開(kāi)采或不采，做好西部煤礦區(qū)的含水層保護(hù)問(wèn)題[3]。2003年以后，范立民在陜西省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃《陜北煤炭資源開(kāi)發(fā)可持續(xù)發(fā)展思路》等課題中發(fā)表了系列論點(diǎn)，探討了保水采煤的問(wèn)題。

2003年錢鳴高院士提出了綠色開(kāi)采的概念和技術(shù)體系[4](圖1)，保水采煤成為綠色開(kāi)采的重要組成部分。2004年以后，王雙明、范立民提出了以生態(tài)水位保護(hù)為核心的保水采煤技術(shù)體系，在榆樹(shù)灣煤礦、榆陽(yáng)區(qū)的地方煤礦開(kāi)展了保水開(kāi)采工程實(shí)踐[5-8]。

圖1 煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)體系

1.2 存在問(wèn)題

不論是綠色采煤技術(shù)，還是礦井水回灌技術(shù)主要考慮的是采煤過(guò)程中的煤炭及伴生資源利用、水資源保護(hù)的問(wèn)題，而忽視了煤礦關(guān)閉后的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

1)關(guān)閉煤礦礦井水污染地表河流和土地資源。云南凱里魚(yú)洞河流域白水河和平路河的下游干流受河流沿岸關(guān)閉煤礦酸性廢水污染，pH值、硫酸鹽、總鐵和鎘超標(biāo)[9]。

2)關(guān)閉礦井老空水破壞了地下水水環(huán)境，威脅著飲水安全。山東淄博洪山、寨里煤礦關(guān)閉后，老空水水位反抬升，并通過(guò)多種途徑補(bǔ)給奧灰水[10]。

3)關(guān)閉礦井老空水引發(fā)鄰區(qū)礦井突水。2010年2月6日，旗山煤礦發(fā)生一起特大突水災(zāi)害，主要原因是鄰區(qū)關(guān)閉煤礦賈汪礦區(qū)高壓老空水通過(guò)韓橋煤礦200m 運(yùn)輸石門水閘墻附近的圍巖中隱伏的過(guò)水通道進(jìn)入礦井而引起的[10]，致使旗山煤礦-850m以下水平被淹，瞬時(shí)礦井涌水量達(dá)4 500～6 000m3/h。

2 礦井水全生命周期

礦井水是伴隨資源開(kāi)采而產(chǎn)生的二次資源，具有生命周期性，根據(jù)資源利用的前生產(chǎn)期(勘查階段)、生產(chǎn)初期(建井至小規(guī)模生產(chǎn))、生產(chǎn)晚期(大規(guī)模生產(chǎn)至生產(chǎn)晚期)后生產(chǎn)期(礦山關(guān)閉以后)四個(gè)階段，可將礦井水生命周期劃分為天然期、生長(zhǎng)期、成熟期、死亡(或退化)期四個(gè)階段(表1)。

表1 礦井水全生命周期

3 礦井水利用技術(shù)模式

3.1 礦井水綜合利用影響因素

礦井水的水質(zhì)決定了礦井水的用途，因而，影響礦井水綜合利用主要影響因素是礦井水的水質(zhì)及其用途。

3.1.1 水質(zhì)

按礦井水水質(zhì)特征，將全國(guó)礦井水大致分為：常見(jiàn)組分礦井水、酸性礦井水、高礦化度礦井水、高硫酸鹽礦井水、高氟礦井水以及含特殊組份的礦井水這6大類型[10]。其中常見(jiàn)組分礦井水和含特殊組分的礦井水一般不用處理或簡(jiǎn)單處理即可利用，對(duì)于酸性礦井水、高礦化度礦井水、高硫酸鹽礦井水、高氟礦井水需要進(jìn)行特殊處理才能利用。

3.1.2 用途現(xiàn)狀

如表1所示，礦井水利用是針對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程疏排水，且局限于煤礦企業(yè)生產(chǎn)生活用水，少量供周邊生活用水。

1)礦區(qū)周邊供水。目前，我國(guó)煤礦礦井水凈化后供生活用水水量為5×105m3/d。

2)灌溉用水。主要是工業(yè)場(chǎng)地綠化用水。

3)工業(yè)用水。主要是煤礦、洗煤廠、矸石電廠、水泥廠等企業(yè)用水。

為解決礦井水全生命周期利用問(wèn)題，就必須建立礦井水永久利用機(jī)制，鑒于我國(guó)目前煤炭主要生產(chǎn)基地大部分分布于水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱的中西部的特點(diǎn)，應(yīng)采取建立永久性灌溉和生物工廠。

3.2 劃分依據(jù)

礦井水綜合利用是由礦井水水質(zhì)、用途所決定的。因此，依此將全生命周期的礦井水利用技術(shù)劃分為礦區(qū)周邊供水、生態(tài)采煤用水2種模式(圖2)，圖2中的煤礦生產(chǎn)用水屬煤礦生產(chǎn)期，不屬此列。其中生態(tài)采煤用水模式根據(jù)用途再分為礦井水灌溉系統(tǒng)、礦井水生物工廠2種亞模式。進(jìn)一步將礦井水灌溉系統(tǒng)、礦井水生物工廠劃分為煤礦礦井水聯(lián)合澆灌系統(tǒng)、煤礦礦井水生態(tài)灌溉系統(tǒng)、煤礦礦井水無(wú)土農(nóng)業(yè)栽培系統(tǒng)、煤礦礦井水生物能源系統(tǒng)。

圖2 礦井水利用技術(shù)模式

由于礦區(qū)周邊供水是目前既有礦井水利用模式，本文不再敘述。

3.3 煤礦礦井水灌溉系統(tǒng)亞模式

3.3.1 煤礦礦井水聯(lián)合澆灌系統(tǒng)

礦井水聯(lián)合澆灌系統(tǒng)(圖3)將處理后的礦井水蓄水池通過(guò)聯(lián)合水壓站和聯(lián)合渠構(gòu)建成集中式的礦井水供水源，再通過(guò)分支水壓站、主渠和分渠對(duì)特定區(qū)域農(nóng)作物進(jìn)行澆灌。建成的澆灌系統(tǒng)在煤礦關(guān)閉后仍可繼續(xù)使用，這樣不僅保證采空積水為一動(dòng)態(tài)循環(huán)水，水質(zhì)不會(huì)變差，而且保證了地面農(nóng)作物區(qū)正常動(dòng)作。

①蓄水池；②分支水壓站；③主渠；④支渠水閘；⑤分渠滴灌系統(tǒng)；⑥聯(lián)合水壓站；⑦聯(lián)合渠

3.3.2 煤礦礦井水生態(tài)灌溉系統(tǒng)

生態(tài)灌溉系統(tǒng)(圖4)由與礦井水排泄系統(tǒng)相連接的蓄水池，礦井水通過(guò)沉淀或處理達(dá)到灌溉用水水質(zhì)要求時(shí)，通過(guò)一級(jí)加壓站輸出到主管道，再通過(guò)次級(jí)加壓站輸送到滴灌系統(tǒng)或噴灑系統(tǒng)，滴灌系統(tǒng)或噴灑系統(tǒng)的多少根據(jù)礦井水排泄量設(shè)定。該系統(tǒng)適用于保護(hù)天然(或人工)植被不受采煤影響。

①蓄水池；②一級(jí)加壓站；③主管道；④次級(jí)加壓站；⑤滴灌系統(tǒng)；⑥噴灑系統(tǒng)

3.4 煤礦礦井水生物工廠亞模式

3.4.1 煤礦礦井水無(wú)土農(nóng)業(yè)栽培系統(tǒng)

無(wú)土農(nóng)業(yè)栽培系統(tǒng)(圖5)是為礦井水宜回滲礦井而不宜灌溉區(qū)而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)包括礦井水蓄水池、水過(guò)濾系統(tǒng)、輸送主管、多個(gè)無(wú)土蔬菜栽培車間和多個(gè)無(wú)土糧食栽培車間。

①礦井水蓄水池；②沉淀池；③重金屬水過(guò)濾系統(tǒng)；④壓輸送裝置 ⑤輸送主管；⑥無(wú)土蔬菜栽培車間；⑦無(wú)土糧食栽培車間

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，改善了地下水排放產(chǎn)生的不良影響；改善地面生態(tài)系統(tǒng)、同時(shí)利用礦井水建立蔬菜和糧食工廠，減少大氣中CO2，通過(guò)礦井水生產(chǎn)蔬菜和糧食，創(chuàng)造了礦井再利用的經(jīng)濟(jì)效益；煤礦關(guān)閉后，仍能繼續(xù)利用礦井水，保證煤礦關(guān)閉后采空區(qū)不會(huì)產(chǎn)生酸性水而影響地下水水環(huán)境。

如遼寧省沈陽(yáng)市建立了小韓村蔬菜工廠，為全國(guó)首家蔬菜工廠[11]，占地面積8.6×104m2，建筑面積5×104m2。工廠按功能劃分為科技展示區(qū)和生產(chǎn)示范區(qū)?？萍颊故緟^(qū)包括現(xiàn)代果蔬園、綠色創(chuàng)意園、果香茗園、瓜藝田園。生產(chǎn)示范區(qū)有育苗工廠。果菜植物工廠、葉菜植物工廠。實(shí)現(xiàn)了立體化、多層次、全天候的工廠化生產(chǎn)模式。

3.4.2 煤礦礦井水生物能源系統(tǒng)

礦井水生物能源系統(tǒng)(圖6)是專門為礦井水不宜灌溉地區(qū)且不需農(nóng)作物生產(chǎn)地區(qū)設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)包括礦井水蓄水池、水過(guò)濾裝置、輸送主管和多個(gè)微生物(如葡萄藻等)養(yǎng)殖車間。

①礦井水蓄水池；②水過(guò)濾裝置；③加壓輸送裝置；④輸送主管；⑤微生物養(yǎng)殖車間；⑥微生物加工設(shè)備

如南昌大學(xué)博士黃學(xué)平2017年設(shè)計(jì)制作了豬沼液處理耦合培養(yǎng)小球藻的系列工藝系統(tǒng)[12]，研究分析了沼液處理效果、藻生長(zhǎng)與產(chǎn)油潛力性能。養(yǎng)豬廢水培養(yǎng)環(huán)境下，小球藻耐污、耐沖擊能力強(qiáng)，小球藻的生長(zhǎng)速度較快、生物量高，能夠在養(yǎng)豬廢水環(huán)境中優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)；藻油脂含量高、總脂收獲量大、產(chǎn)油潛力大；能較好地脫氮除磷、降解有機(jī)物，對(duì)培養(yǎng)系統(tǒng)中的沼液水質(zhì)凈化效果最好。因此確認(rèn)小球藻是適應(yīng)養(yǎng)豬廢水培養(yǎng)環(huán)境能力強(qiáng)、能優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)、產(chǎn)油潛力大、對(duì)沼液水質(zhì)凈化效果好的目標(biāo)藻種篩選對(duì)象。

3.5 模式特點(diǎn)

以上四種利用系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)改善了地下水排放產(chǎn)生的不良影響。礦井水不需無(wú)序排放或回灌，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)地表或地下水環(huán)境的破壞。

2)地面生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)農(nóng)田、植被灌溉，維護(hù)或改善了地表生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)。

3)減少大氣中CO2。利用礦井水建立微生物、蔬菜和糧食工廠，能有效降低大氣中的CO2。

4)煤礦關(guān)閉后，仍能繼續(xù)利用礦井水，保證煤礦后生產(chǎn)周期采空區(qū)不會(huì)產(chǎn)生酸性水而影響地下(或地表)水水環(huán)境。

5)通過(guò)礦井水養(yǎng)殖微生物、蔬菜和糧食，創(chuàng)造了礦井水再利用的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在系統(tǒng)總結(jié)煤炭開(kāi)采技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于全生命周期的礦井水利用技術(shù)模式架構(gòu)。

2)在分析研究我國(guó)中西部生態(tài)環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出礦井水灌溉系統(tǒng)、礦井水生物工廠2種礦井水利用技術(shù)模式。

3)礦井水利用技術(shù)模式具有改善礦井水排放產(chǎn)生的不良環(huán)境問(wèn)題、降低大氣CO2含量、創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益、改善煤礦后生產(chǎn)周期水環(huán)境的特征。