我國煤礦礦井水保護(hù)利用發(fā)展戰(zhàn)略與工程科技

顧大釗，李井峰，曹志國,2，吳寶揚,2，蔣斌斌,2，楊 毅,2，楊 建，陳要平

(1.國家能源集團(tuán) 煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點實驗室，北京 102200；2.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710054；4.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

水是文明之源、生態(tài)之要、發(fā)展之需，2020年我國水資源總量3.1萬億m3，人均水資源占有量2 214 m3[1]，僅為世界平均水平的1/4，中國已經(jīng)被聯(lián)合國列為13個貧水國家之一[2]。目前我國每年缺水500億m3，其中農(nóng)業(yè)缺水約400億m3、工業(yè)和民用缺水約100億m3；在655個城市中，近400個城市缺水。水資源短缺未來將成為制約我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重大瓶頸。

黨的十八大以來，黨和國家高度重視水資源保護(hù)工作，2013年國家發(fā)改委出臺了《礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》[3]；2014年國務(wù)院發(fā)布了《水污染防治行動計劃》(水十條)，明確指出:“推進(jìn)礦井水綜合利用，煤炭礦區(qū)的補充用水、周邊地區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水應(yīng)優(yōu)先使用礦井水[4-5]；2017年財政部、國家稅務(wù)總局、水利部聯(lián)合發(fā)布了《擴大水資源稅改革試點實施辦法》，在試點地區(qū)將礦井水納入了征收范圍[6]；2021年生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強煤炭資源開發(fā)環(huán)境影響評價管理的通知》，規(guī)定了礦井水在充分利用后確需外排的，水質(zhì)應(yīng)滿足或優(yōu)于受納水體環(huán)境功能區(qū)劃規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量對應(yīng)值，且含鹽量不得超過1 000 mg/L[7]。這些政策的出臺對我國水資源保護(hù)和礦井水的綜合利用起到了極大的推動作用。

煤炭資源的開采常伴隨著大量礦井水的產(chǎn)生，我國噸煤開采產(chǎn)生礦井水約2 t[8-9]，礦井水的外排、滲漏造成嚴(yán)重的水資源浪費。2014-06-13在中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第6次會議上習(xí)近平總書記指出，煤炭大規(guī)模開發(fā)利用帶來兩大問題：一是煤炭開發(fā)帶來的地下水破壞和地表生態(tài)損傷；二是煤炭利用帶來的大氣污染。

因此，厘清我國煤礦礦井水資源保護(hù)利用現(xiàn)狀，提出未來我國煤礦礦井水資源發(fā)展戰(zhàn)略、目標(biāo)與技術(shù)路線，推進(jìn)煤礦礦井水資源的綜合利用，可以有效緩解我國水資源短缺的矛盾，對我國煤炭行業(yè)的綠色發(fā)展和礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)具有重大意義。

2018年，中國工程院設(shè)立了“2035我國礦井水保護(hù)利用戰(zhàn)略與工程科技”重點咨詢項目，筆者主要闡述了該研究的主要結(jié)論。

1 我國煤礦礦井水保護(hù)利用現(xiàn)狀

(1)礦井水保護(hù)技術(shù)發(fā)展歷程。我國礦井水保護(hù)相關(guān)的技術(shù)研究與工程實踐開始于20世紀(jì)90年代，發(fā)展至今主要經(jīng)歷了3個階段，如圖1所示。20世90年代之前，煤炭行業(yè)總體上尚未建立保護(hù)礦井水資源的意識，煤礦企業(yè)只是將礦井水當(dāng)成水害的源頭，現(xiàn)場多采取限高開采、礦井水抽放等技術(shù)手段盡量減小礦井水對煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生的影響[10]。20世紀(jì)90年代—21世紀(jì)初，逐漸認(rèn)識到煤炭開采對地下水資源的破壞及污染問題，提出保水采煤的理念，科研院所也開始初步開展相關(guān)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)，結(jié)合煤礦企業(yè)的現(xiàn)場實際情況，逐步形成了以限高協(xié)調(diào)開采、注漿封堵、充填開采等為代表的堵截法保水采煤技術(shù)[11-14]。21世紀(jì)初至今，國家及煤礦企業(yè)意識到在煤礦開采過程中，不僅要保護(hù)礦井水不被破壞浪費，更要充分利用礦井水，這就形成了煤水共采的理念。國家能源集團(tuán)在神東礦區(qū)創(chuàng)造性的開展了煤礦地下水庫技術(shù)研發(fā)，實現(xiàn)了礦井水資源的大規(guī)模利用。此外，通過相關(guān)科研院所的不斷努力，多種堵截法礦井水保護(hù)技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，新型充填開采、帷幕注漿等技術(shù)開始在煤礦企業(yè)示范應(yīng)用[15-18]。

圖1 我國煤礦礦井水保護(hù)技術(shù)發(fā)展歷程Fig.1 Development history of water protection technology of coal mine in China

(2)礦井水處理技術(shù)發(fā)展歷程。我國礦井水處理利用相關(guān)的技術(shù)研究與工程實踐開始于20世紀(jì)80年代，發(fā)展至今主要經(jīng)歷了4個階段，如圖2所示。

圖2 我國煤礦礦井水利用技術(shù)發(fā)展歷程Fig.2 Development history of water treatment and utilization technology of coal mine in China

20世紀(jì)80年代—2005年，針對礦井水處理和排放的管理較為粗放，大量中小型煤礦直接外排；對礦井水進(jìn)行處理的企業(yè)中，處理要求也僅是去除礦井水中的煤粉等大顆粒懸浮物，代表性技術(shù)為簡單的“混凝—沉淀—過濾”。

2006—2010年，在2006年原國家環(huán)保總局頒布了《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求所有煤礦外排礦井水的COD、懸浮物等6項指標(biāo)必須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求限值，這標(biāo)志著我國對礦井水的管理逐漸實現(xiàn)正規(guī)化，也倒逼煤炭企業(yè)開始重視礦井水處理問題。這個時期，在傳統(tǒng)“混凝—沉淀—過濾”的基礎(chǔ)上，發(fā)展出“高密度迷宮斜板(斜管)沉淀”技術(shù)[19]，礦井水處理率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率也大幅提升。

2011—2015年，國家對礦井水處理與利用重視程度越來越高，國家發(fā)改委、國家能源局和國務(wù)院等機構(gòu)相繼發(fā)布了《礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》《水污染防治行動計劃》(水十條)《煤炭清潔高效利用行動計劃》等政策，都要求加強與提高礦井水的處理與利用水平。為了更好的處理與利用礦井水，煤炭企業(yè)應(yīng)用了煤礦地下水庫、微砂絮凝、磁分離等新技術(shù)[7,20-22]，同時隨著我國煤炭開采主產(chǎn)區(qū)向西部地區(qū)的轉(zhuǎn)移，高礦化度礦礦井水成為影響處理利用的主要問題[23]，超濾、反滲透等技術(shù)的應(yīng)用也開始逐年增多。

2016—2020年，隨著《水污染防治行動計劃》(水十條)的深入開展，內(nèi)蒙古、陜西、山西等西部煤炭主產(chǎn)區(qū)近年來都要求煤炭企業(yè)將礦井水外排標(biāo)準(zhǔn)由《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》提高到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求的基本水質(zhì)指標(biāo)有24項，遠(yuǎn)多于《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的6項，且在共有的水質(zhì)指標(biāo)中，地表水Ⅲ類指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值都要嚴(yán)格于《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。但由于大多數(shù)煤礦礦井水處理站是按照《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》建造的，因此需要大幅度的提標(biāo)改造才能滿足新的標(biāo)準(zhǔn)要求，另外大部分新建煤礦按照環(huán)評要求必須達(dá)到污水“零排放”，在這種情況下，反滲透、納濾、高級反滲透、濃鹽水結(jié)晶分鹽等技術(shù)得到大量應(yīng)用[24-25]。

(3)礦井水井下保護(hù)利用技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。世界上絕大多數(shù)國家的地下礦山都是將礦井水排至地表來處理，這不僅要耗費大量的能源來提升礦井水，而且地面處理占用大量的土地資源，同時對于蒸發(fā)量大于降雨量的西部地區(qū)，礦井水排至地表還會造成水資源蒸發(fā)浪費。我國科技工作者將礦井水處理與井下空間緊密結(jié)合，研發(fā)了礦井水井下處理技術(shù)與裝備，將井下產(chǎn)生的礦井水直接在井下處理，處理后可直接回用于井下的生產(chǎn)、降塵、消防等，多余的礦井水還可儲存于井下采空區(qū)改造的地下水庫中，降低了礦井水總體處理成本。其中最具代表性的是煤礦地下水庫采空區(qū)凈化技術(shù)，該技術(shù)充分利用了采空區(qū)中垮落的巖體對礦井水的過濾、沉淀、吸附等作用，實現(xiàn)了礦井水的大規(guī)模低成本處理(圖3)。井下處理技術(shù)中，還涌現(xiàn)出井下高密度沉降(重介速沉)、井下超磁分離、井下反滲透等一批先進(jìn)新技術(shù)，并得到了一定規(guī)模的應(yīng)用，取得了很好的處理效果。

圖3 煤礦地下水庫凈化機理Fig.3 Purification mechanism of underground reservoir of coal mine

此外，國家能源集團(tuán)正在建設(shè)高礦化度礦井水井下處理工程，即將投入運行，在世界上首次實現(xiàn)了高礦化度礦井水“井下脫鹽+濃鹽水采空區(qū)封存”的全套技術(shù)工藝與裝備，為高礦化度礦井水處理提供了一個全新的技術(shù)路線(圖4)。

圖4 高礦化度礦井水采空區(qū)封存技術(shù)工程示范Fig.4 Engineering demonstration of high salinity mine water storage technology in coal mine

(4)探索出了具有中國特色的礦井水大規(guī)模利用新路徑。我國煤炭資源的開采強度和開采規(guī)模高于國外發(fā)達(dá)國家，產(chǎn)生的礦井水量較大，為了能夠最大程度的利用礦井水，減輕對礦區(qū)環(huán)境的影響，我國除了將礦井水回用于生活用水、生產(chǎn)用水、環(huán)境用水等常規(guī)利用方法外，還依據(jù)產(chǎn)業(yè)特點，探索出了坑口電廠和煤化工等工業(yè)利用、礦區(qū)大范圍綜合生態(tài)恢復(fù)利用、專業(yè)化水務(wù)公司大區(qū)域調(diào)配利用等具有中國特色的新路徑，有效提升了礦井水利用率，較大程度緩解了地區(qū)發(fā)展水資源短缺的矛盾。

以神東礦區(qū)為例，礦區(qū)生產(chǎn)能力約2億t，每年用水需求約7 000萬m3，但外部供水量不足300萬m3，其余絕大部分用水均來源于煤礦地下水庫儲水。自煤礦地下水庫技術(shù)研發(fā)成功并應(yīng)用于神東礦區(qū)以來，已累計建成33座地下水庫，最大儲水量約3 100萬m3，提供了礦區(qū)95%以上的用水，滿足了礦區(qū)生產(chǎn)、生活、生態(tài)的用水需求。

2 我國煤礦礦井水資源現(xiàn)狀與趨勢

2.1 我國煤礦礦井水資源量總體情況

2005年中國煤炭工業(yè)協(xié)會和中國礦業(yè)大學(xué)(北京)調(diào)研統(tǒng)計得出，我國煤礦富水系數(shù)(即噸煤排水量)為2.1，2005年我國煤炭產(chǎn)量約20億t，全國礦井水資源量約為42億m3；2010年我國煤炭產(chǎn)量32.4億t，礦井富水系數(shù)為1.9，全國煤礦礦井水產(chǎn)生量約為61億m3[26]。

2018—2019年，筆者所在團(tuán)隊調(diào)研了全國11個省、自治區(qū)的396座生產(chǎn)礦井，并充分考慮了在建礦井、停產(chǎn)與廢棄礦井排水影響，通過統(tǒng)計分析得出我國平均煤礦富水系數(shù)約為1.87。根據(jù)2018年我國煤炭產(chǎn)量36.8億t，可以得出2018年全國礦井水產(chǎn)生量約為68.8億m3，詳細(xì)的礦井水產(chǎn)生量詳見表1。

表1 2018年我國煤礦礦井水產(chǎn)生量

2.2 我國煤礦礦井水資源利用總體情況

2005年全國煤礦礦井水資源量為42億m3，礦井水利用量約為8.54億m3，平均利用率為20.3%[27]。

2018—2019年，筆者所在團(tuán)隊通過調(diào)研和統(tǒng)計分析得出，2018年全國煤礦礦井水平均利用率約為35%。2018年與2005年相比，礦井水產(chǎn)生總量由約42億m3提高到68.8億m3，礦井水平均利用率由20.3% 提高到35.0%。

我國不同地區(qū)礦井水利用率具有以下特點(圖5)：缺水礦區(qū)的利用率要高于不缺水礦區(qū)；礦井水水質(zhì)好的礦區(qū)利用率高于水質(zhì)差的礦區(qū)；礦區(qū)附近配套產(chǎn)業(yè)密集度高的利用率高于礦區(qū)配套產(chǎn)業(yè)密集度低的；國有大型煤礦的利用率高于地方中小煤礦。

圖5 2018年我國典型礦區(qū)礦井水利用率Fig.5 Utilization rate of mine water resources in special mining areas in China(2018)

2.3 我國煤礦礦井水資源量發(fā)展趨勢

根據(jù)中國工程院、中國煤炭工業(yè)協(xié)會、中石油等國內(nèi)機構(gòu)和IEA，BP等國際機構(gòu)的預(yù)測，2018—2035年，煤炭消費在一次能源消費中的占比將平穩(wěn)下降，預(yù)計將由2018年的59%下降至2035年的45%左右。綜合中國工程院、國家能源局相關(guān)煤炭生產(chǎn)布局研究，2018—2035年各省區(qū)煤炭產(chǎn)量預(yù)測見表2。

表2 我國不同地區(qū)煤炭產(chǎn)量預(yù)測

根據(jù)上面的預(yù)測，我國煤炭總產(chǎn)量將由2018年的36.8億t緩慢下降至2035年的34.5億t。同時東北、華北以及長江以南地區(qū)煤炭產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯下降，但西部晉陜蒙寧甘新6省區(qū)煤炭產(chǎn)量穩(wěn)中有升，產(chǎn)量占比將由目前的76%進(jìn)一步提升至90%，我國煤炭開發(fā)基地進(jìn)一步西移趨勢非常明顯。

根據(jù)煤炭產(chǎn)量發(fā)展趨勢和煤礦生產(chǎn)富水系數(shù)研究預(yù)測，我國煤礦礦井水總量將由2018年的68.8億m3下降到2035年的60.2億m3。同時，由于我國西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量不斷增加，西部地區(qū)煤礦礦井水量將由2018年的42.9億m3上升到2035年的47.4億m3。

雖然我國煤礦礦井水總量呈緩慢降低趨勢，但2035年前可以穩(wěn)定在每年60億m3以上，是長期穩(wěn)定的非常規(guī)水資源，可有效地支撐我國礦區(qū)高質(zhì)量發(fā)展。

3 我國煤礦礦井水保護(hù)利用工程科技發(fā)展趨勢

3.1 礦井水保護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢

我國礦井水保護(hù)技術(shù)的發(fā)展從無到有，逐步形成了以煤礦地下水庫建設(shè)為代表的疏導(dǎo)法和以充填開采為代表的堵截法。因此，根據(jù)我國煤炭行業(yè)發(fā)展趨勢并結(jié)合國家政策，我國煤礦礦井水保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢將在疏導(dǎo)法和堵截法這2種礦井水保護(hù)方法的基礎(chǔ)上不斷拓展，如圖6所示。

圖6 我國煤礦礦井水保護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢Fig.6 Development trend of water protection technology of coal mine in China

3.1.1以煤礦地下水庫為代表的疏導(dǎo)法發(fā)展趨勢

目前以煤礦地下水庫為代表的疏導(dǎo)法雖然在神東礦區(qū)得到了大規(guī)模的應(yīng)用，但是受采掘地質(zhì)條件的限制，該技術(shù)尚未在其他礦區(qū)開展大規(guī)模應(yīng)用，因此為了進(jìn)一步拓寬煤礦地下水庫技術(shù)的適用條件，并將建設(shè)過程標(biāo)準(zhǔn)化，該技術(shù)方法未來發(fā)展方向的重點將是以下3個方面：① 特厚、大傾角等特殊條件下建庫技術(shù)研發(fā)；② 煤礦地下水庫關(guān)鍵技術(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)制定；③ 特殊組分礦井水采空區(qū)封存技術(shù)研發(fā)。

3.1.2以充填開采為代表的堵截法發(fā)展趨勢

近年來受國家相關(guān)環(huán)保政策的影響，充填開采越來越受到煤礦生產(chǎn)企業(yè)重視，但是由于該技術(shù)目前還存在成本高、效率低的問題。因此，以充填開采為代表的堵截法必須在新型充填開采工藝的應(yīng)用推廣、高效充填開采裝備研發(fā)及新型充填材料研發(fā)3個方面有所突破，以降低以充填開采為主的堵截法保水技術(shù)對生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響[28]。

3.2 礦井水處理技術(shù)發(fā)展趨勢

礦井水處理利用技術(shù)的發(fā)展除了受到新技術(shù)發(fā)展的影響外，還與國家政策、煤炭行業(yè)的發(fā)展等緊密相關(guān)。因此，根據(jù)我國煤炭行業(yè)發(fā)展趨勢并結(jié)合國家政策，我國礦井水處理利用技術(shù)的發(fā)展有3個趨勢，如圖7所示。

圖7 我國煤礦礦井水利用技術(shù)發(fā)展趨勢Fig.7 Development trend of water treatment and utilization technology of coal mine in China

(1)井下處理將成為礦井水利用的重要趨勢。井下處理是當(dāng)前礦井水處理的研究熱點，井下處理除了可有效利用井下空間、減少地面征地費用、減少礦井水升井費用等優(yōu)勢外，更重要的是有利于實現(xiàn)礦井水的儲存、處理一體化，并為礦井水零排放提供了技術(shù)經(jīng)濟(jì)上可行的解決方案。首先，充分利用井下采空區(qū)巖體的自然凈化作用，發(fā)揮煤礦地下水庫過濾、吸附和離子交換作用優(yōu)勢，支撐礦井水的大規(guī)模低成本井下處理；其次，研發(fā)井下高效處理裝置，研制用于井下處理的低成本天然礦物和粉煤灰材料；最后，綜合構(gòu)建“庫前預(yù)處理—庫內(nèi)自然凈化—庫后深度處理—濃鹽水封存”的礦井水井下處理技術(shù)體系，從而實現(xiàn)礦井水井下高效低成本處理和零排放[29-32]。

(2)高礦化度礦井水處理及零排放新技術(shù)日益增多。高礦化度礦井水處理及零排放技術(shù)目前最大的難題是處理流程長、投資運行成本高和副產(chǎn)結(jié)晶鹽消納處置難，因此其發(fā)展趨勢首先是針對濃縮和蒸發(fā)結(jié)晶過程提效降能等關(guān)鍵技術(shù)開展研究，其次是針對如何減少投資和運行成本開展研究，最后是結(jié)晶鹽的處理與利用研究。關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)包括研發(fā)高通量、耐污堵、低成本、長壽命的新型膜材料，開發(fā)高效除硬、膜污染控制和蒸發(fā)結(jié)晶結(jié)垢腐蝕控制技術(shù)等，通過提高濃縮倍率技術(shù)來減少噸水處理能耗。減少投資和運行成本研究方面，主要是研發(fā)利用太陽能、風(fēng)能、地?zé)岬刃履茉?，以及礦區(qū)電廠、煤化工的余熱等低成本熱源，因地制宜發(fā)展低溫多效、膜蒸餾等處理技術(shù)來降低整體處理成本。結(jié)晶鹽的處理利用研究方面，可以采用雙極膜電滲析將鹽溶液制備成酸堿回用，也可以直接封存到井下廢棄采空區(qū)，實現(xiàn)結(jié)晶鹽源頭減量處理[33-34]。

(3)含特殊組分礦井水處理技術(shù)趨于精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化。常見的含特殊組分礦井水主要有高氟礦井水、高鐵錳礦井水、含重金屬礦井水以及放射性礦井水。由于水質(zhì)特征各異，目前尚沒有通用性的技術(shù)方案與成套裝備，這導(dǎo)致不同案例之間的處理工藝差異較大，無法控制和對比處理效果及成本[35]。目前含特殊組分礦井水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢首先是精準(zhǔn)化，目標(biāo)是針對不同的污染組分實現(xiàn)高效定向去除。由于礦井水主要來自于地下水，其含有的陰陽離子對礦井水中特殊離子的去除有競爭、干擾等作用，因此亟須開發(fā)特殊污染組分的高效定向去除技術(shù)。其次是標(biāo)準(zhǔn)化，目標(biāo)是開發(fā)去除特殊污染組分通用性的技術(shù)方案與成套裝備，這需要不斷的對大量個體案例總結(jié)和技術(shù)積累與改進(jìn)，最終形成行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的最佳可行解決方案。

4 我國煤礦礦井水保護(hù)利用工程科技與發(fā)展戰(zhàn)略

4.1 總體戰(zhàn)略目標(biāo)

4.1.1指導(dǎo)思想

以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo)，堅持綠色發(fā)展理念，全面對接西部大開發(fā)、黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展等國家戰(zhàn)略，根據(jù)2035年建成美麗中國的總體要求，通過科技創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新，推動我國煤礦礦井水保護(hù)與利用水平不斷邁上新臺階，支撐礦區(qū)生態(tài)修復(fù)和高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)煤炭行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4.1.2預(yù)期目標(biāo)

依托科技創(chuàng)新“2030—煤炭清潔高效利用”重大項目等國家科技項目及企業(yè)攻關(guān)項目，建立系統(tǒng)的礦井水資源保護(hù)與處理技術(shù)理論框架和技術(shù)體系，突破煤礦礦井水大規(guī)模低成本處理技術(shù)，建立煤礦礦井水高效利用政策保障體系，不斷優(yōu)化體制機制，實現(xiàn)煤礦礦井水資源有效保護(hù)和高效利用。到2025年，實現(xiàn)煤礦地下水庫儲水規(guī)模達(dá)到1億m3、充填開采技術(shù)成本下降20%以上、全國煤礦礦井水利用率達(dá)到55%的目標(biāo)。到2030年，實現(xiàn)煤礦地下水庫儲水規(guī)模達(dá)到3億m3、充填開采技術(shù)成本下降40%以上、全國煤礦礦井水利用率達(dá)到70%的目標(biāo)。到2035年，實現(xiàn)煤礦地下水庫儲水規(guī)模達(dá)到5億m3、充填開采技術(shù)成本下降50%以上、全國煤礦礦井水利用率達(dá)到80%的目標(biāo)。

4.2 技術(shù)路線

圍繞國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展戰(zhàn)略需求，針對我國礦井水保護(hù)利用中關(guān)鍵科技瓶頸問題，大力支持相關(guān)基礎(chǔ)研究，突破重大關(guān)鍵技術(shù)，建立示范工程，實現(xiàn)從煤炭開發(fā)源頭保護(hù)礦井水資源，提高礦井水資源綜合利用水平，為煤炭綠色開采和礦區(qū)高質(zhì)量發(fā)展提供水資源保障。2035年我國礦井水保護(hù)利用戰(zhàn)略實現(xiàn)技術(shù)路線如圖8所示。

圖8 2035我國礦井水保護(hù)與利用工程科技發(fā)展技術(shù)路線Fig.8 Engineering and technical route towards 2035 of water resource protection and utilization of coal mine in China

4.2.1基礎(chǔ)理論

煤層開采覆巖裂隙帶發(fā)育規(guī)律與地下水運移機制研究：研究大規(guī)模高強度煤炭開采條件下上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，分析煤炭開采工藝參數(shù)與采動應(yīng)力場、裂隙場和滲流場的關(guān)系；系統(tǒng)掌握采空區(qū)垮落巖體空隙空間分布與時空演變規(guī)律；建立煤層開采地下水運移物理試驗?zāi)Ｐ?，揭示礦井水在采空區(qū)和覆巖中的滲流路徑和運移規(guī)律。

礦井水水-巖耦合化學(xué)作用機理研究：采用數(shù)值模擬和物理模擬試驗相結(jié)合的方法建立典型地質(zhì)和開采條件下水-巖耦合作用模擬模型，掌握礦井水運移和儲存過程中水-巖耦合作用下地下水水質(zhì)變化規(guī)律，揭示水-巖耦合化學(xué)作用的主要反應(yīng)過程；探討礦井水自凈化過程的自發(fā)趨勢，為礦井水存儲和利用提供理論依據(jù)和應(yīng)用指導(dǎo)。

4.2.2關(guān)鍵技術(shù)

地下水賦存精準(zhǔn)探測技術(shù)。研究復(fù)雜水文地質(zhì)條件下煤炭開采上覆巖層結(jié)構(gòu)和富水特征的精準(zhǔn)探測技術(shù)，突破現(xiàn)有物探方法的局限性，重點研發(fā)精準(zhǔn)探測儀器與裝備，實現(xiàn)對礦井水源、水量及導(dǎo)水通道等礦井水文地質(zhì)信息的精準(zhǔn)探查和預(yù)測，為礦井水保護(hù)利用方案的制定和相關(guān)措施的精準(zhǔn)實施提供支撐。

充填開采技術(shù)材料與裝備。針對新型高效充填開采工藝和裝備、低成本充填材料等開展技術(shù)攻關(guān)。通過研發(fā)高效充填支架及配套裝備，降低充填工序?qū)ぷ髅婊夭尚实挠绊?；在充分利用煤矸石等材料進(jìn)行充填的同時，研發(fā)低成本、高強度充填材料，實現(xiàn)煤炭開采與水資源保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

高礦化度礦井水大規(guī)模低成本處理技術(shù)。重點研發(fā)高礦化度礦井水井下處理技術(shù)與裝備，突破濃鹽水高效濃縮膜集成技術(shù)；研發(fā)高濃鹽水井下采空區(qū)封存技術(shù)，充分利用礦區(qū)內(nèi)工業(yè)余熱、太陽能、地?zé)崮艿鹊统杀緹嵩?，突破低溫多效蒸發(fā)、膜蒸餾等熱法和膜法-熱法耦合處理技術(shù)，最終形成高礦化度礦井水大規(guī)模低成本技術(shù)體系并大規(guī)模示范。

含特殊組分礦井水精準(zhǔn)處理技術(shù)。針對礦井水中特殊組分，加強對特殊污染物的來源、賦存特征和遷移轉(zhuǎn)化機理等基礎(chǔ)理論的研究，重點研發(fā)特殊組分礦井水定向精準(zhǔn)去除技術(shù)和大規(guī)模處理裝備，實現(xiàn)特殊組分礦井水處理的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；?/p>

4.2.3示范工程

蒙陜接壤區(qū)煤礦地下水庫技術(shù)示范區(qū)。該區(qū)域是我國煤炭賦存條件最好的礦區(qū)，煤層厚，適合大規(guī)模高強度開發(fā)。在神東礦區(qū)煤礦地下水庫工程基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步向周邊礦區(qū)進(jìn)行技術(shù)推廣應(yīng)用，研發(fā)與突破大埋深、傾斜煤層、首采工作面條件下的地下水庫建庫理論與技術(shù)，重點在新街億噸級新建礦區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用，在蒙陜地區(qū)建成超大規(guī)模煤礦地下水庫群，儲存礦井水超2億m3，滿足礦區(qū)及周邊生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水需求。

寧東、哈密高礦化度礦井水處理利用示范區(qū)。寧東和哈密礦區(qū)都屬于我國大型煤電和煤化工基地，區(qū)域內(nèi)煤電、煤化工項目對水資源需求巨大，但同時礦井水的礦化度普遍較高，區(qū)域內(nèi)有豐富的工業(yè)余熱、太陽能、地?zé)崮艿鹊统杀緹嵩?。在寧東和哈密重點開展高礦化度礦井水大規(guī)模低成本礦井水處理技術(shù)示范，滿足區(qū)域內(nèi)煤基能源產(chǎn)業(yè)用水需求。

蒙東草原區(qū)礦井水保護(hù)利用示范區(qū)。蒙東地區(qū)多以露天開采為主，對地表水系、淺層地下水和地表生態(tài)的破壞與井工礦具有較大區(qū)別。重點研發(fā)與應(yīng)用以露天礦地下水庫為主的礦井水資源保護(hù)利用技術(shù)，并結(jié)合草原區(qū)的生態(tài)特點，建立適合于生態(tài)恢復(fù)利用的礦井水處理利用體系，并應(yīng)用于大規(guī)模草原生態(tài)恢復(fù)澆灌。

華北平原區(qū)充填開采水資源保護(hù)示范區(qū)。華北平原區(qū)煤炭資源日趨枯竭，開采深度大，區(qū)域地下水位持續(xù)下降，產(chǎn)生的矸石占用大量土地。另外礦區(qū)內(nèi)村莊、道路等保護(hù)目標(biāo)較多，需要控制地表沉陷。為保護(hù)地下水資源、處理矸石并保護(hù)地面建筑物，在華北平原區(qū)大力推廣應(yīng)用充填開采技術(shù)，研發(fā)大規(guī)模高效率低成本充填技術(shù)和成套裝備，在確保煤炭生產(chǎn)效率的同時更好的保護(hù)地下含水層，實現(xiàn)煤炭開采與水資源保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

兩淮礦區(qū)廢棄礦井水資源利用示范區(qū)。兩淮地區(qū)由于資源枯竭和產(chǎn)能退出等原因，廢棄礦井逐年增多，但廢棄礦井中水資源未能得到有效治理和利用。應(yīng)充分利用廢棄礦井地下空間，重點突破與應(yīng)用煤礦地下水庫技術(shù)、污水地下處理技術(shù)、分布式抽水蓄能電站技術(shù)等，實現(xiàn)廢棄礦井的礦井水資源充分利用。

4.3 經(jīng)濟(jì)社會效益分析

以2025年、2030年、2035年我國煤炭礦井水利用率分別達(dá)到55%，70%，80%為目標(biāo)，對礦井水利用情況進(jìn)行了情景分析。

以西部礦區(qū)為例，若煤礦礦井水利用率由2018年的35%提高到2035年的80%，則到2035年我國西部地區(qū)將新增利用23億m3煤礦礦井水(圖9)。新增利用的23億m3的礦井水，能夠支撐32萬hm2的生態(tài)復(fù)墾(目前全國累計煤炭開采損傷土地面積100萬hm2)、1億t煤制油和2 000萬t煤制烯烴生產(chǎn)，增加工業(yè)產(chǎn)值超過4 000億元(表3，4)。

圖9 西部地區(qū)煤礦礦井水利用量變化趨勢Fig.9 Trend of water consumption of coal mines in Western China

表3 新增礦井水可支撐的生態(tài)復(fù)墾面積(2035年)

4.4 政策保障

(1)摸清家底，搞好規(guī)劃。建立全國和省區(qū)層面的礦井水全生命周期管理信息系統(tǒng)，查清全國礦井水資源量，探索建立礦井水智慧水務(wù)系統(tǒng)；組織全國大型礦區(qū)完成制定礦井水利用規(guī)劃方案，鼓勵礦井水跨省、市、地區(qū)調(diào)配，明確將礦井水資源量納入水權(quán)交易范疇，可與黃河水指標(biāo)按一定比例進(jìn)行置換。

表4 2035年我國新增礦井水可支撐工業(yè)產(chǎn)值

(2)加大技術(shù)研發(fā)，建立示范工程。盡快啟動“面向2030—煤炭清潔高效利用”重大專項，加大對煤礦地下水庫技術(shù)、礦井水井下處理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與裝備研制的支持；以國內(nèi)優(yōu)秀礦山企業(yè)為依托，推進(jìn)建設(shè)“礦井水資源高效利用國家工程研究中心”，建立礦井水綜合利用典型示范工程。

(3)完善標(biāo)準(zhǔn)和政策，加強引導(dǎo)。修訂《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 20426—2006)》；各煤炭主產(chǎn)省區(qū)根據(jù)區(qū)域水環(huán)境功能，科學(xué)界定礦井水“零排放”概念，因地制宜地科學(xué)制定礦井水生態(tài)利用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，避免盲目追求“零排放”和提高外排標(biāo)準(zhǔn)；擴大水資源稅應(yīng)用試點，適當(dāng)拉大礦井水外排稅率與回用稅率，對礦井水處理利用工程在征地、用電價格上給予支持；對礦區(qū)周邊企業(yè)實行礦井水與常規(guī)水源配額制，提高常規(guī)水源取水成本，鼓勵企業(yè)優(yōu)先使用礦井水；還原礦井水資源的物權(quán)屬性，允許和鼓勵企業(yè)將處理好的礦井水作為商品進(jìn)行自由交易。

5 結(jié) 論

(1)通過調(diào)研全國11個省和自治區(qū)的396座煤礦，并充分考慮了在建礦井、停產(chǎn)與廢棄礦井排水影響，經(jīng)過統(tǒng)計分析得出我國煤礦平均富水系數(shù)約為1.87；我國煤礦每年產(chǎn)生礦井水約68.8億m3，礦井水平均利用率約為35%，每年未能有效利用的礦井水約50億m3。

(2)根據(jù)煤炭產(chǎn)量發(fā)展趨勢研究預(yù)測，我國煤礦礦井水總量將由2018年的68.8億m3下降到2035年的60.2億m3；同時，由于我國西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量不斷增加，西部地區(qū)煤礦礦井水量將由2018年的42.9億m3上升到2035年的47.4億m3；2035年前全國礦井水每年可以穩(wěn)定在60億m3以上，將是我國長期穩(wěn)定的非常規(guī)水資源。

(3)圍繞國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展戰(zhàn)略需求，針對我國礦井水保護(hù)利用中關(guān)鍵科技瓶頸問題，提出了“掌握2項基礎(chǔ)理論、突破5項關(guān)鍵技術(shù)、建立5個礦井水保護(hù)利用示范區(qū)”的工程科技發(fā)展路線，同時提出了相關(guān)政策建議和保障措施；到2025年實現(xiàn)我國煤礦礦井水利用率達(dá)到55%的目標(biāo)；到2030年，實現(xiàn)我國煤礦礦井水利用率達(dá)到70%的目標(biāo)；到2035年，實現(xiàn)我國煤礦礦井水利用率達(dá)到80%的目標(biāo)。