煤炭開采與保水開采技術(shù)

魏丹峰，張春輝，趙 振

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 鄭州 450052)

我國北方與中西部主要產(chǎn)煤基地水資源極其短缺，然而，伴隨著煤礦區(qū)水資源短缺的同時，煤礦開采過程中卻在大量排放礦井水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國每采出1 t煤約平均排放2 m3礦井水[1]。我國年產(chǎn)生礦井水約80億m3，而年排放損失量卻高達(dá)60多億m3[2]。國內(nèi)外針對煤炭開采對地下水資源的影響開展了大量研究，提出了綠色開采和保水開采等大量理論與初步實(shí)踐技術(shù)與方法[3]。

煤炭資源的開發(fā)是我國國民經(jīng)濟(jì)長期穩(wěn)定發(fā)展的重要保障，然而當(dāng)前我國煤礦綠色開采水平尤其是水資源保護(hù)和合理利用方面進(jìn)展緩慢，嚴(yán)重制約了煤炭開采整體技術(shù)水平的提高與可持續(xù)發(fā)展[3]和“山水林田湖草是一個生命共同體”的生態(tài)文明建設(shè)。

1 煤礦開采對水資源的影響

1.1 煤礦開采與水資源保護(hù)現(xiàn)狀

我國聚煤盆地和可采煤炭資源分布呈現(xiàn)“西北欠發(fā)達(dá)地區(qū)多，東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)少”和“北方富煤和南方貧煤”的現(xiàn)狀[4]。而水資源的分布則與之恰恰相反，中西部富煤和產(chǎn)煤區(qū)多位于干旱與半干旱區(qū)，大氣降水量少，地表水與地下水資源短缺，主要產(chǎn)煤基地地下水資源極其短缺，礦井生產(chǎn)和職工生活用水主要靠抽取深層地下水和抽排礦井水的凈化后再利用，水資源保護(hù)及其合理開發(fā)利用是煤炭資源開發(fā)長期面臨的重大難題[5]。并且隨著淺部煤層資源的逐漸枯竭，為滿足國民經(jīng)濟(jì)需求，煤炭開采不得不向深部煤層開拓延伸，然而隨著礦井排水量的逐年增加但水質(zhì)卻在逐年惡化，出現(xiàn)排水逐年增多而綜合利用率越來越難的囧境。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國采出1 t煤炭平均需約排放2 m3礦井水，但礦井水的綜合利用率僅在25%左右[1]。當(dāng)前我國年產(chǎn)生礦井水約80億m3，而年損失量卻高達(dá)60多億m3，這相當(dāng)于我國每年工業(yè)和民用缺水量100億m3的近60%[2]。因煤炭開采而導(dǎo)致地下水資源巨大損失的主要原因是礦井水外排至地表后未能得到有效利用，在中西部礦區(qū)最為明顯。我國中西部煤炭基地多處于氣候干旱區(qū)，地形起伏大，地貌復(fù)雜，年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于年降水量，為保障礦井安全生產(chǎn)，礦井水多是外排地表后流走，但由于蒸發(fā)量大和地形高差大，未能有效存儲和再利用[6]。隨著煤炭開采強(qiáng)度和開采深度不斷地增加，地下含水巖層的賦存和原始徑流遭受破壞，水位下降并形成礦區(qū)或更大范圍的降落漏斗，嚴(yán)重影響礦區(qū)的水資源開發(fā)利用，使原本就缺水的礦區(qū)更是“雪上加霜”，更有甚者影響周圍的生態(tài)環(huán)境[7]。因此，如何實(shí)現(xiàn)煤炭開采與水資源保護(hù)利用間的相互協(xié)調(diào)是煤礦綠色開發(fā)面臨的重大技術(shù)難題，也是可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)的核心內(nèi)容之一。

1.2 礦山開采對地下水水資源的影響

(1)煤礦開采對地下水水平衡的影響。為保證安全回采，承壓區(qū)煤層工作面回采前需進(jìn)行疏放頂?shù)装搴畬铀掷m(xù)的疏放水將導(dǎo)致工作面周邊形成小范圍地下水“降落漏斗”，為補(bǔ)充這一“漏斗區(qū)”的缺水，其周邊地區(qū)的同層含水層水及鄰近含水層水將隨含水層向漏斗區(qū)流動或越流而導(dǎo)致原流向的改變[8-9]。另一方面，隨著煤礦大規(guī)模開采，回采遺留的采空區(qū)面積隨之增大，受煤層頂板采動裂隙和底板擾動裂隙構(gòu)成的導(dǎo)水通道影響，造成含水層水向采空區(qū)匯聚，含水層水資源大面積流失。同時，煤層回采后采空區(qū)因頂板巖層垮落形成的垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶造成其頂?shù)装鍘r層及含水層被破壞，含水層水流向采空區(qū)，使得礦井不得不加大排水，年復(fù)一年形成惡性循環(huán)，打破了原有的含水層地下水動態(tài)平衡，形成更大范圍的降落漏斗，進(jìn)而造成近地表基巖含水層水位下降甚至無水的局面。更有甚者地表河流和水庫因向地下含水層補(bǔ)給入滲而水位持續(xù)下降甚至干涸。

(2)煤礦開采對地下水環(huán)境的影響。煤層開采的過程中產(chǎn)生大量粉塵、煤塵并夾雜有害礦物(如硫、砷化合物)等污染物。地下含水層水被改變原始流向涌向采空區(qū)時，將粉塵、煤塵及有害礦物等混入其中，造成水資源污染，變成不可利用的污水、廢水[10]。該廢水被排出礦井后，經(jīng)沉淀或煤礦初始凈化后被直接排入沖溝、河道或者地勢較低的水塘甚至采空沉陷區(qū)，除部分被蒸發(fā)外，多數(shù)經(jīng)塌陷裂隙或斷層等入滲地下基巖含水體中，造成更深層次的含水體污染。

(3)礦井排水與供水對水質(zhì)的影響。由于中西部產(chǎn)煤基底處于干旱區(qū)且長期排水導(dǎo)致嚴(yán)重缺水，不得不將礦井水經(jīng)初始凈化后作為維持礦井日常生產(chǎn)與職工生活用水(飲用水除外)，但由于礦井排水水質(zhì)差且污水凈化設(shè)施落后，凈化后的水質(zhì)一般也較差，尤其生活用水，普遍具有硬度大、大腸桿菌等菌類含量超標(biāo)的特點(diǎn)。以山西呂梁煤礦區(qū)為例，隨著多年的持續(xù)疏排水，各含水層水位呈逐年下降的趨勢，且隨著山西組3號煤層的逐漸枯竭，為維持日常采掘接替和保證產(chǎn)出煤量，各大礦井不得不向深部太原組9號、15號煤層的開拓延伸，受埋藏深度和開采標(biāo)高影響，煤層底板直接含水層(太原組薄層灰?guī)r含水層)間接含水層(奧陶系灰?guī)r含水層)水壓較大，面臨突水威脅，為保證帶壓安全開采，礦井疏排水水量呈數(shù)倍增加，同時礦井水硬度(由疏排太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r水造成)及硫、砷(太原組煤層硫、砷等化合物含量較高)等有害元素濃度也急劇增加。導(dǎo)致之前經(jīng)初始凈化即可充當(dāng)生活用水(飲用水除外)的日子也一去不復(fù)返。菌類的嚴(yán)重超標(biāo)且含有大量有害元素的礦井水也給脆弱的生態(tài)及環(huán)保也帶來了較大難題[9]。

2 煤礦開采與水資源保護(hù)的進(jìn)展

2.1 政策扶持

近年來，隨著國家優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、國家生態(tài)文明建設(shè)和“山水林田湖草是一個生命共同體”理念的提出以及淘汰落后產(chǎn)能，釋放優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能的配套舉措，礦井水資源保護(hù)及合理開發(fā)利用已成為煤炭開采熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，并受到煤炭產(chǎn)業(yè)和社會的持續(xù)關(guān)注。各級政府也相繼出臺了一系列保護(hù)煤礦區(qū)水資源的政策與法規(guī)，對礦井水資源的保護(hù)與利用也提出了嚴(yán)格的要求[11]。政府為鼓勵與引導(dǎo)高校、科研機(jī)構(gòu)開發(fā)保水開煤/保水開采的先進(jìn)技術(shù)，配套了資金與基金項(xiàng)目，以促進(jìn)煤炭開采與水資源保護(hù)利用間的相互協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.2 保水開采技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

長期以來，針對煤炭開采對地下水的影響問題，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)合作進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)技術(shù)研究，技術(shù)開發(fā)和試驗(yàn)實(shí)踐工作，包括矸石充填、“下三帶”研究和煤炭開采地下水運(yùn)移規(guī)律、保水采煤等基礎(chǔ)研究。錢鳴高院士率先提出煤炭綠色開采理念和西部礦區(qū)保水開采技術(shù)研究的若干技術(shù)前沿領(lǐng)域[8]。范立民教授提出了保水采煤的基本思路和實(shí)現(xiàn)途徑，并呼吁“先保水后采煤”并劃分保水采煤地質(zhì)分區(qū)。王雙明院士[12]提出 “創(chuàng)建采煤保水技術(shù)體系”等。2015年9月原神華集團(tuán)(現(xiàn)國家能源集團(tuán))獲國家科技部批準(zhǔn)建設(shè)“煤炭開采水資源保護(hù)與利用”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以期通過煤炭開采水資源保護(hù)利用的基礎(chǔ)理論研究、科學(xué)試驗(yàn)裝置研制及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和工程示范，攻克制約煤炭綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)難題。

目前，煤礦保水開采技術(shù)大致形成了2種技術(shù)路徑：即以“堵截法”為主的煤礦保水開采技術(shù)和以“疏導(dǎo)法”為主的礦井水儲存再利用技術(shù)[2]。

(1)煤礦保水開采技術(shù)?！岸陆胤ā泵旱V保水開采技術(shù)的重點(diǎn)為“堵”，即采用一定的工程技術(shù)手段防止采空區(qū)上方形成垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶，以保留煤層上方隔水巖層的完整不被破壞，進(jìn)而堵截煤層頂板含水層水向采空區(qū)滲漏，維持含水層的原始徑流，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)含水層水的目的。目前采用的較實(shí)用技術(shù)手段主要包括矸石充填采空區(qū)開采、煤層限高開采、房柱式與條帶式開采、關(guān)鍵層保水區(qū)域劃分等，其優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)施過程中將對原始巖層和含水層破壞小，使其基本能保持自然水的動態(tài)平衡[13-14]。理論上該路徑在技術(shù)上可行(為當(dāng)前煤礦開采技術(shù)基礎(chǔ)上的再次優(yōu)化改進(jìn)，具有技術(shù)延續(xù)性)，實(shí)施難度小，且具有普遍適用性。但是，在河北峰峰集團(tuán)梧桐莊礦(圖1)和山西晉能控股集團(tuán)趙莊煤礦、鄂爾多斯葫蘆素煤礦等礦井矸石充填采空區(qū)開采試點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)，目前該技術(shù)尚未成熟：矸石充填會大幅降低煤炭開采效率和煤炭資源的采出率，且成本普遍較高、費(fèi)時費(fèi)力，井下場地有限難以開展大規(guī)模作業(yè)，且充填進(jìn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上采掘生產(chǎn)接替進(jìn)度等多個技術(shù)難題，急需進(jìn)一步優(yōu)化[15-18]。

圖1 梧桐莊礦182208外工作面矸石充填示意Fig.1 Schematic diagram of gangue filling at 182208 outer working face of Wutongzhuang Mine

(2)礦井水儲存再利用技術(shù)?！笆鑼?dǎo)法”礦井水儲存再利用技術(shù)是原神華集團(tuán)(現(xiàn)國家能源集團(tuán))聯(lián)合國內(nèi)高校和科研院所，在神東礦區(qū)經(jīng)近20年技術(shù)攻關(guān)和實(shí)踐成功開發(fā)的一種煤礦地下水庫技術(shù)(礦井水儲存再利用技術(shù))。其原理是利用煤層回采后形成的采空區(qū)巖體空隙儲存地下水，用井下人工壩體將原本分散不連續(xù)的防隔水安全煤柱連接起來，形成一個個相對封閉的儲水空間，多個采空區(qū)儲水空間設(shè)施組合在一起，形成一個巨大的儲水池，并配備礦井水注入設(shè)備和抽水設(shè)備及相應(yīng)管道。通過自然壓差供水，不僅解決了地面污水處理廠建設(shè)和運(yùn)行成本高等問題，而且避免了礦井水外排造成的資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)難題，實(shí)現(xiàn)了地下污水零升井和礦井水的井下儲存與再利用，促進(jìn)了煤炭開采與地下水水資源保護(hù)利用的相互協(xié)調(diào)發(fā)展[19-21]。

礦井水儲存再利用技術(shù)技術(shù)充分利用了采空區(qū)破碎矸石對礦井水的自然凈化作用：通過設(shè)置管道，泵抽礦井水至位置較高的采空區(qū)，利用“水往低處流”的原理，礦井水經(jīng)采空區(qū)中的矸石空隙，由高處向低處緩慢流動(坡度6°～7°)，最終匯聚在相對較低的采空區(qū)，形成地下水庫；由于矸石富含碳且結(jié)構(gòu)疏松，對礦井水有較強(qiáng)的過濾、凈化作用(國家能源集團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分析表明，礦井水經(jīng)采空區(qū)自然凈化后，懸浮物和有機(jī)物濃度顯著降低，并隨流動距離和時間的延長凈化效果更明顯)；污水在矸石縫里經(jīng)過1 km的長距離緩緩流動，就可實(shí)現(xiàn)自然凈化[20]。

當(dāng)前神東礦區(qū)已累計(jì)建成35座煤礦地下水庫，儲水量高達(dá)3 100萬m3，約相當(dāng)于兩個杭州西湖的庫容量，每年可為礦區(qū)供水近7 000萬m3，年可節(jié)省費(fèi)用數(shù)十億元[2，19-21]。神東礦區(qū)下屬的大柳塔礦已建成世界首座分布式多層地下水庫，其由一水平2-2號煤層的3座地下水庫和二水平5-2號煤層的1座地下水庫組成(圖2，據(jù)文獻(xiàn)[19]修改)，儲水量達(dá)710余萬m3，供應(yīng)了礦井生產(chǎn)和生活近95%的用水，在實(shí)現(xiàn)了礦井水不外排和回收再利用的同時基本保障了礦井生產(chǎn)和生活用水(飲用水除外)，節(jié)約水資源的同時創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益[20]。目前，自然資源部已將煤礦地下水庫技術(shù)作為新技術(shù)在全國尤其是西部礦區(qū)試點(diǎn)推廣應(yīng)用，未來該技術(shù)若能在中西部礦區(qū)大規(guī)模應(yīng)用，將有望每年回收和再利用近30億m3礦井水[19-20]。

圖2 大柳塔礦分布式多層地下水庫立體示意Fig.2 Schematic diagram of distributed multi-layer underground reservoir in Daliuta Mine

3 討論

隨著國家優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，煤炭在我國能源消費(fèi)中的比重呈逐年降低的趨勢，由2010年的69.2%降至2020年的57.5%。淘汰落后產(chǎn)能，釋放優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能成為我國煤控改革的主要舉措，進(jìn)而改善環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)綠色礦山發(fā)展。借此契機(jī)，煤礦保水開采技術(shù)的推進(jìn)勢在必行。

雖然“堵截法”正處于技術(shù)攻關(guān)和個別煤礦初步實(shí)踐與探索階段，但其技術(shù)延續(xù)性和方案普遍適用性對我國煤礦區(qū)尤其是中小型煤礦和大水礦區(qū)的煤炭開采與地下水水資源保護(hù)道路指明了技術(shù)方向。未來，隨著該路徑技術(shù)的日趨成熟，相信會成為中小型煤礦和大水礦區(qū)煤礦開采與地下水水資源保護(hù)優(yōu)先選擇的路線。

“疏導(dǎo)法”在神東礦區(qū)具有成功的先例，為當(dāng)前煤炭開采地下水保護(hù)利用開辟了一條有效的途徑。但是由于神東礦區(qū)開發(fā)侏羅紀(jì)煤層，煤層埋藏淺，地質(zhì)條件特殊不具普遍代表性，技術(shù)是否具有普遍適用性有待進(jìn)一步商榷。尤其是中東部中小型煤礦和煤層傾角較大的煤礦或者水文地質(zhì)復(fù)雜礦區(qū)的大水礦區(qū)(如河南焦作、河北邯鄲、安徽淮北淮南等)的應(yīng)用尚無先例，并且相關(guān)部門尚未出臺煤礦地下水庫技術(shù)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這也將制約其大規(guī)模推廣應(yīng)用。

保水開采技術(shù)需在不斷探索中前行，“堵截法”和“疏導(dǎo)法”的融合應(yīng)用也未來可期。礦井要敢于嘗試新技術(shù)、新理論，在不斷探索實(shí)踐中科學(xué)合理地選擇適用于礦井自身的保水開采技術(shù)，使礦井水向著資源優(yōu)化配置方向發(fā)展，形成資源開發(fā)與水資源循環(huán)利用的綜合體系，在保護(hù)水資源的同時使煤礦的開采更加科學(xué)與環(huán)保。

4 結(jié)論

以煤礦開采對水資源的影響切入點(diǎn)，闡述了我國煤層開采與地下水水資源保護(hù)的現(xiàn)狀，探討了以“堵截法”和“疏導(dǎo)法”為理念的保水開采技術(shù)的適用性和技術(shù)難題所在，提出礦井要敢于嘗試新技術(shù)、新理論，在不斷探索實(shí)踐中科學(xué)合理地選擇適用于礦井自身的保水開采技術(shù)。對解決當(dāng)前煤礦開發(fā)與水資源保護(hù)之間面臨的雙重難題具有一定的指導(dǎo)作用和借鑒意義。