國外礦井水利用現狀及特點分析

李 庭，李井峰，杜文鳳，郭奇峰，張 英，李 娜

(1.國家能源集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102200；2.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；4.中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120)

礦產資源的開采常伴隨著大量產水，例如相關研究統計，每開采1t煤在荷蘭相應產出2t水[1]，而在英國則相應產出3t水[2]。礦井水的外排、滲漏造成的地表水和地下水污染問題，已成為影響世界采礦業發展的主要問題，而加強礦井水利用，不但可以減輕污染，還能減少水資源的浪費。

在我國，一方面煤礦和金屬礦礦井水大量外排造成污染，而另一方面，很多礦區由于缺水造成礦物洗選、礦物冶煉、火電、煤化工等產業發展受限。例如我國14個大型煤炭基地中有11個存在不同程度的缺水問題，尤其是晉、陜、蒙、寧、甘等西部地區煤炭產量占全國煤炭產量的70%以上，而水資源占有量不足全國總量的3.9%[3，4]。因此，只有更好的保護與利用礦井水資源，才能為我國礦區發展提供有力保障。

目前我國礦井水利用已進入高速擴張發展期，各種新的利用處理技術、利用途徑都在不斷的涌現和嘗試[5-7]，取得了大量成績的同時也存在一些不足。國外發達國家礦井水利用的發展時間更長，在技術上、理念上和管理上更加先進和成熟，因此，對國外現狀的研究可給我國礦井水利用的發展提供借鑒和指導，同時也可填補國內缺乏對國外礦井水利用情況系統研究總結的空白。

1 國外礦井水主要利用方式

國外對于礦井水的利用，除了傳統的回用于自身的生產之外，利用方式還包括生活飲用水、灌溉用水、工業用水和環境用水等。近年來，對于礦井水用于蓄熱、蓄能發電以及回注的相關研究和應用逐漸增多。

1.1 生活飲用水

很多礦區位于干旱少雨地區，水資源緊張，同時礦業開采又加劇了水資源短缺。為了營造環境友好的礦區，同時更好的履行社會責任，很多礦業公司利用礦井水為礦區居民供水。例如印度尼西亞第二大煤炭企業PT Adaro公司，將礦井水處理達到生活飲用水標準后，通過15km長的管網供給礦區附近的Padang Panjang和Dahai兩個村子，使超過5500名村民從中受益[8]。另外，Adaro公司創新性的將礦井水處理設施交給村民自己管理與運營。運營管理人員由村民會議選出，并接受Adaro公司和相關專家的技術培訓。

1.2 灌溉用水

世界上約有70%的水被用于農業。利用礦井水灌溉，可以增加缺水礦區的耕種面積并提高產量。例如美國內華達州的Betz-Post金礦，每天產生約30萬m3礦井水，其中有10%約3萬m3礦井水被用于灌溉2000hm2的農作物[9]。此外，礦井水還經常被用作干旱時的備用水源。有些地區直接利用未經處理的礦井水進行灌溉，造成了土地鹽堿化、土壤酸化和重金屬超標等問題。因此必須監測和控制礦井水水質，并定期評估環境影響。

1.3 工業用水

礦井水回用于礦石洗選、場地降塵、鉆探等活動等是最常見的工業利用方式。近年來利用礦井水作為火電廠的冷卻用水的研究越來越多。例如美國西弗吉尼亞大學的國家礦山復墾中心(NMRC)，正在研究使用阿巴拉契亞盆地1萬多個地下廢棄礦井的近9.5億m3礦井水資源來為該地區的熱電廠供水[10]。

1.4 環境用水

礦井水用于環境用途開始于20世紀80年代，并逐漸發展出濕地修復功能。濕地除了能處理酸性礦井水外，還創造了新的生態系統，增加了生物多樣性。例如西班牙的As Pontes礦山，通過使用礦井水創建了一個新的濕地湖泊，從而美化了景觀和周圍環境，生物多樣性甚至超過開采前[11]。

水產養殖也是礦井水環境利用的一個重要途徑。例如美國馬里蘭州自然資源部和Mettiki煤炭公司研究評價了利用廢棄煤礦的礦井水進行水產養殖的技術經濟性，并將處理后的礦井水用于養殖褐鱒，虹鱒等魚類[12]。

1.5 礦井水回注

廢水回注地下的做法在美國、歐洲有很長的研究和應用歷史，近年來在采礦業，這種做法越來越受到重視[13]。當面臨嚴格的環境法規限制，特別是在環境敏感地區，礦井水無法外排處置時，回注是較為理想的可選方案，不但規避了政策風險，還有效補充了地下水資源量。礦井水注入時無需達到很好的水質，因為地下巖層具有天然的過濾作用，可以將注入的礦井水自然凈化。

南非的Kolomela鐵礦位于南非開普省北部，開采活動破壞了地下含水層，為了控制地下水位下降，減小對地面農業和生態的影響，該礦利用鉆孔每月向含水層回注約36000m3礦井水，取得了很好的效果[14]。

澳大利亞Mt.Whaleback鐵礦位于澳大利亞西北角的Pilbara地區，氣候干旱，蒸發量大且降雨量極不均衡。每年抽取1千萬m3地下水供給鐵礦生產和附近約6000居民生活使用，其中700萬m3地下水屬于超采。為了調節降雨不均衡并補充地下水，每年將790萬m3的礦井水和地表河水注入地下含水層，支撐了當地水資源的可持續發展[15]。此外，美國的Betze-Post金礦，德國的Garzweiler煤礦，西班牙的Alquife鐵礦和Las Cruce銅礦等都采用了礦井水回注技術。

1.6 蓄熱

通常地溫梯度為每增加100 m深度，溫度提升約3℃。地下水具有熱能利用的潛力，采礦活動大大提高了從井下抽取地下水并利用其所含熱能的潛力。歐洲開展了大量的研究和商業活動，對廢棄礦井的礦井水低溫資源進行開發利用。德國埃森市的Zollverein礦的礦井水水溫27℃，被用來給5000m2的建筑供熱[16，17]。目前應用最成功的是荷蘭Heerlen市的礦井水能源項目，2008年10月啟動了礦井水區域供暖系統的試點，到2015年已達到為50萬m2建筑面積供能，降低了65%的CO2排放[18]。

1.7 蓄能發電

國外發達國家由于資源枯竭，遺留了大量廢棄礦井，而廢棄礦井擁有地下巷道等優質地下空間可供改造利用。近年來針對利用廢棄礦井地下空間，并結合廢棄礦井的礦井水資源來建設抽水蓄能發電站的研究逐年增多[19，20]。目前，以德國為代表的相關國家在這個領域的研究已獲得了一些成果，例如德國的杜伊斯堡-埃森(Duisburg-Essen)大學與魯爾集團(Ruhr Group)合作，將位于德國北萊茵-威斯特法倫州(Nordrhein-Westfalen)的Prosper-Haniel煤礦改建成200MW抽水蓄能電站[21，22]。該礦地下約25km的巷道被改造成用來蓄能發電的水庫，儲存的礦井水量超過100萬m3。

1.8 礦井水外排

由于國外發達國家的礦業開采規模和開采強度遠小于我國，礦井水總量也相對較小，處理達標后外排對環境造成的影響不突出，因此，礦井水達標外排在國外是礦井水處置的重要方式。以澳大利亞新南威爾士州為例，列舉3個礦的排水情況。新南威爾士州中部的Wilpinjong露天煤礦在2016年6月至2017年7月間，共計產生礦井水約444.5萬m3，其中有184.7萬m3外排，外排礦井水占比41.6%[23]。新南威爾士州IIlawarra區域有12座生產煤礦，每年產煤約1300萬t，其中1座井工礦產生礦井水量約為3000m3/d，外排礦井水約600m3/d，外排礦井水占比20%[24]。位于新南威爾士州中西部Ulan煤礦2015年共產生礦井水978.5萬m3，其中有725.2萬m3外排，外排礦井水占比74.1%[25]。

2 國外礦井水利用處理技術

國外礦井水利用處理技術按照處理手段，可以分為主動處理技術和被動處理技術兩大類。主動處理是指需要持續的人工操作、維護和監測，并使用外部能源、基礎設施和工程系統的技術。被動處理是指不需要經常人工干預、操作或維護的過程，通常使用天然材料和介質。

2.1 主動處理技術

主動處理技術中，最基礎的混凝、沉淀和普通過濾工藝本文不再詳述。近年來隨著技術的不斷進步，反滲透、納濾等膜處理技術大量應用于礦井水處理，取得了很好的效果。此外正滲透等一批新技術也在不斷的研究與改進[26]。國外常見的礦井水主動處理技術詳見表1。

表1 國外常見礦井水主動處理技術[25，27-33]

2.2 被動處理技術

被動處理技術相對主動處理技術，具有能耗低、維護少和成本低等優勢，尤其適應用于廢棄礦井的礦井水處理。國外常見的礦井水被動處理技術詳見表2。

表2 國外常見礦井水被動處理技術[27-30，34-39]

3 國外礦井水利用典型案例

3.1 南非Witbank煤礦區

Witbank是南非最大的煤炭礦區，位于南非東北部。礦區內礦井眾多，其中一些礦已經進入資源枯竭期。英美資源集團(Anglo American)動力煤公司在該礦區的礦井水資源量約為1.4億m3。Witbank礦區位于缺水地區，隨著人口增長，eMalahleni市用水需求預計到2030年增加到每天180萬m3。英美資源集團動力煤公司與必和必拓公司(BHP)合作于2007年建設了eMalahleni水處理廠，用來處理4個煤礦的礦井水[40]。該處理廠每天處理約3萬m3礦井水，除部分用于煤炭生產外，大部分輸送給eMalahleni市作為生活用水，供水量約占eMalahleni市每天用水需求的12%。到2011年底，共計處理了0.3億m3礦井水，其中0.22億m3供給eMalahleni市作為生活用水。2013年，處理廠二期擴建完成，處理能力提高到5萬m3/d[40，41]。

3.2 澳大利亞Wilpinjong露天煤礦

Wilpinjong露天煤礦位于澳大利亞新南威爾士州中部，主產動力煤，每年產量可達1600萬t。該礦礦井水處理設施于2012年6月竣工，根據新南威爾士州環境保護局頒發的環境保護許可(編號EPL 12425)，該礦被批準從24號排放點(編號LDP24)排放處理后的礦井水，污染物排放控制限值見表3。

表3 Wilpinjong礦礦井水污染物排放限值

2017年1月，該礦的環境保護許可變更，將每日外排水量限值從5000m3/d提高到15000m3/d，2017年該礦共排放礦井水約185萬m3，未超出1.5萬m3/d的許可，水質也滿足排放要求[23]。除了外排外，該礦礦井水還回用于道路降塵澆灑、洗選等。Wilpinjong礦按照環保要求編制了詳細的水資源管理計劃，包括地表水和地下水的監測計劃等。該礦對礦井水的管理重點包括以下幾點[42]：

1)分類收集和利用擾動區的地表徑流清水。

2)控制地下水和降雨徑流進入作業區，避免受到污染。

3)根據新南威爾士州環境與遺產辦公室編制的《處理污水利用環境指南》對污水進行管理。

4)根據環境保護許可(編號EPL 12425)，排放處理達標的礦井水。

4 國外礦井水利用特點

通過前文對國外礦井水利用方式和處理技術現狀的分析和總結，對比我國現狀，國外礦井水利用的主要特點如下：

1)回注是礦井水處置的重要方式。當面臨法規限制，特別是在環境敏感地區，礦井水無法外排處置時，回注是較為理想的可選方案，不但規避了政策風險，還有效補充了地下水資源量。

2)礦井水達標外排較為普遍。由于國外發達國家的礦業開采規模和開采強度遠小于我國，礦井水總量也相對較小，礦井水達標外排對環境的影響不突出。

3)處理技術理念更加先進。國外發達國家更提倡利用濕地法等被動處理技術，不但成本低，還能改善礦區環境。

4)重視對廢棄礦井排水的處理與利用。大部分發達國家已進入資源枯竭期，廢棄礦井增多的同時也產生了酸性礦井水污染等問題，因此對相關問題的研究更為重視。

5)注重礦井水分類收集。礦井在設計初期就考慮了將雨水、受擾動的地表徑流水與疏干排水等進行單獨收集，有效減少了需要處理的礦井水總量。