煤炭開采與保水開采技術

魏丹峰，張春輝，趙 振

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

我國北方與中西部主要產煤基地水資源極其短缺，然而，伴隨著煤礦區水資源短缺的同時，煤礦開采過程中卻在大量排放礦井水。據統計，當前我國每采出1 t煤約平均排放2 m3礦井水[1]。我國年產生礦井水約80億m3，而年排放損失量卻高達60多億m3[2]。國內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踐技術與方法[3]。

煤炭資源的開發是我國國民經濟長期穩定發展的重要保障，然而當前我國煤礦綠色開采水平尤其是水資源保護和合理利用方面進展緩慢，嚴重制約了煤炭開采整體技術水平的提高與可持續發展[3]和“山水林田湖草是一個生命共同體”的生態文明建設。

1 煤礦開采對水資源的影響

1.1 煤礦開采與水資源保護現狀

我國聚煤盆地和可采煤炭資源分布呈現“西北欠發達地區多，東南沿海經濟發達地區少”和“北方富煤和南方貧煤”的現狀[4]。而水資源的分布則與之恰恰相反，中西部富煤和產煤區多位于干旱與半干旱區，大氣降水量少，地表水與地下水資源短缺，主要產煤基地地下水資源極其短缺，礦井生產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，水資源保護及其合理開發利用是煤炭資源開發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，為滿足國民經濟需求，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卻在逐年惡化，出現排水逐年增多而綜合利用率越來越難的囧境。

據統計，當前我國采出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]。當前我國年產生礦井水約80億m3，而年損失量卻高達60多億m3，這相當于我國每年工業和民用缺水量100億m3的近60%[2]。因煤炭開采而導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，在中西部礦區最為明顯。我國中西部煤炭基地多處于氣候干旱區，地形起伏大，地貌復雜，年蒸發量遠大于年降水量，為保障礦井安全生產，礦井水多是外排地表后流走，但由于蒸發量大和地形高差大，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或更大范圍的降落漏斗，嚴重影響礦區的水資源開發利用，使原本就缺水的礦區更是“雪上加霜”，更有甚者影響周圍的生態環境[7]。因此，如何實現煤炭開采與水資源保護利用間的相互協調是煤礦綠色開發面臨的重大技術難題，也是可持續發展與生態文明建設的核心內容之一。

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，承壓區煤層工作面回采前需進行疏放頂底板含水層水，持續的疏放水將導致工作面周邊形成小范圍地下水“降落漏斗”，為補充這一“漏斗區”的缺水，其周邊地區的同層含水層水及鄰近含水層水將隨含水層向漏斗區流動或越流而導致原流向的改變[8-9]。另一方面，隨著煤礦大規模開采，回采遺留的采空區面積隨之增大，受煤層頂板采動裂隙和底板擾動裂隙構成的導水通道影響，造成含水層水向采空區匯聚，含水層水資源大面積流失。同時，煤層回采后采空區因頂板巖層垮落形成的垮落帶和導水裂隙帶造成其頂底板巖層及含水層被破壞，含水層水流向采空區，使得礦井不得不加大排水，年復一年形成惡性循環，打破了原有的含水層地下水動態平衡，形成更大范圍的降落漏斗，進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給入滲而水位持續下降甚至干涸。

(2)煤礦開采對地下水環境的影響。煤層開采的過程中產生大量粉塵、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，除部分被蒸發外，多數經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的影響。由于中西部產煤基底處于干旱區且長期排水導致嚴重缺水，不得不將礦井水經初始凈化后作為維持礦井日常生產與職工生活用水(飲用水除外)，但由于礦井排水水質差且污水凈化設施落后，凈化后的水質一般也較差，尤其生活用水，普遍具有硬度大、大腸桿菌等菌類含量超標的特點。以山西呂梁煤礦區為例，隨著多年的持續疏排水，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高影響，煤層底板直接含水層(太原組薄層灰巖含水層)間接含水層(奧陶系灰巖含水層)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倍增加，同時礦井水硬度(由疏排太原組灰巖和奧陶系灰巖水造成)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。導致之前經初始凈化即可充當生活用水(飲用水除外)的日子也一去不復返。菌類的嚴重超標且含有大量有害元素的礦井水也給脆弱的生態及環保也帶來了較大難題[9]。

2 煤礦開采與水資源保護的進展

2.1 政策扶持

近年來，隨著國家優化能源結構、國家生態文明建設和“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能，釋放優質產能的配套舉措，礦井水資源保護及合理開發利用已成為煤炭開采熱點和難點問題，并受到煤炭產業和社會的持續關注。各級政府也相繼出臺了一系列保護煤礦區水資源的政策與法規，對礦井水資源的保護與利用也提出了嚴格的要求[11]。政府為鼓勵與引導高校、科研機構開發保水開煤/保水開采的先進技術，配套了資金與基金項目，以促進煤炭開采與水資源保護利用間的相互協調發展。

2.2 保水開采技術的開發與應用

長期以來，針對煤炭開采對地下水的影響問題，國內科研機構與企業合作進行了大量的基礎技術研究，技術開發和試驗實踐工作，包括矸石充填、“下三帶”研究和煤炭開采地下水運移規律、保水采煤等基礎研究。錢鳴高院士率先提出煤炭綠色開采理念和西部礦區保水開采技術研究的若干技術前沿領域[8]。范立民教授提出了保水采煤的基本思路和實現途徑，并呼吁“先保水后采煤”并劃分保水采煤地質分區。王雙明院士[12]提出 “創建采煤保水技術體系”等。2015年9月原神華集團(現國家能源集團)獲國家科技部批準建設“煤炭開采水資源保護與利用”國家重點實驗室，以期通過煤炭開采水資源保護利用的基礎理論研究、科學試驗裝置研制及關鍵技術開發和工程示范，攻克制約煤炭綠色開采的關鍵技術難題。

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

(1)煤礦保水開采技術。“堵截法”煤礦保水開采技術的重點為“堵”，即采用一定的工程技術手段防止采空區上方形成垮落帶和導水裂隙帶，以保留煤層上方隔水巖層的完整不被破壞，進而堵截煤層頂板含水層水向采空區滲漏，維持含水層的原始徑流，以實現保護含水層水的目的。目前采用的較實用技術手段主要包括矸石充填采空區開采、煤層限高開采、房柱式與條帶式開采、關鍵層保水區域劃分等，其優點在于實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平衡[13-14]。理論上該路徑在技術上可行(為當前煤礦開采技術基礎上的再次優化改進，具有技術延續性)，實施難度小，且具有普遍適用性。但是，在河北峰峰集團梧桐莊礦(圖1)和山西晉能控股集團趙莊煤礦、鄂爾多斯葫蘆素煤礦等礦井矸石充填采空區開采試點中發現，目前該技術尚未成熟：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、費時費力，井下場地有限難以開展大規模作業，且充填進度遠遠趕不上采掘生產接替進度等多個技術難題，急需進一步優化[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。“疏導法”礦井水儲存再利用技術是原神華集團(現國家能源集團)聯合國內高校和科研院所，在神東礦區經近20年技術攻關和實踐成功開發的一種煤礦地下水庫技術(礦井水儲存再利用技術)。其原理是利用煤層回采后形成的采空區巖體空隙儲存地下水，用井下人工壩體將原本分散不連續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，多個采空區儲水空間設施組合在一起，形成一個巨大的儲水池，并配備礦井水注入設備和抽水設備及相應管道。通過自然壓差供水，不僅解決了地面污水處理廠建設和運行成本高等問題，而且避免了礦井水外排造成的資源浪費和生態環境保護難題，實現了地下污水零升井和礦井水的井下儲存與再利用，促進了煤炭開采與地下水水資源保護利用的相互協調發展[19-21]。

礦井水儲存再利用技術技術充分利用了采空區破碎矸石對礦井水的自然凈化作用：通過設置管道，泵抽礦井水至位置較高的采空區，利用“水往低處流”的原理，礦井水經采空區中的矸石空隙，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，形成地下水庫；由于矸石富含碳且結構疏松，對礦井水有較強的過濾、凈化作用(國家能源集團重點實驗室分析表明，礦井水經采空區自然凈化后，懸浮物和有機物濃度顯著降低，并隨流動距離和時間的延長凈化效果更明顯)；污水在矸石縫里經過1 km的長距離緩緩流動，就可實現自然凈化[20]。

當前神東礦區已累計建成35座煤礦地下水庫，儲水量高達3 100萬m3，約相當于兩個杭州西湖的庫容量，每年可為礦區供水近7 000萬m3，年可節省費用數十億元[2，19-21]。神東礦區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，據文獻[19]修改)，儲水量達710余萬m3，供應了礦井生產和生活近95%的用水，在實現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和生活用水(飲用水除外)，節約水資源的同時創造了良好的經濟效益與社會效益[20]。目前，自然資源部已將煤礦地下水庫技術作為新技術在全國尤其是西部礦區試點推廣應用，未來該技術若能在中西部礦區大規模應用，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

隨著國家優化能源結構，煤炭在我國能源消費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%。淘汰落后產能，釋放優質產能成為我國煤控改革的主要舉措，進而改善環境質量，實現綠色礦山發展。借此契機，煤礦保水開采技術的推進勢在必行。

雖然“堵截法”正處于技術攻關和個別煤礦初步實踐與探索階段，但其技術延續性和方案普遍適用性對我國煤礦區尤其是中小型煤礦和大水礦區的煤炭開采與地下水水資源保護道路指明了技術方向。未來，隨著該路徑技術的日趨成熟，相信會成為中小型煤礦和大水礦區煤礦開采與地下水水資源保護優先選擇的路線。

“疏導法”在神東礦區具有成功的先例，為當前煤炭開采地下水保護利用開辟了一條有效的途徑。但是由于神東礦區開發侏羅紀煤層，煤層埋藏淺，地質條件特殊不具普遍代表性，技術是否具有普遍適用性有待進一步商榷。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復雜礦區的大水礦區(如河南焦作、河北邯鄲、安徽淮北淮南等)的應用尚無先例，并且相關部門尚未出臺煤礦地下水庫技術的行業技術標準，這也將制約其大規模推廣應用。

保水開采技術需在不斷探索中前行，“堵截法”和“疏導法”的融合應用也未來可期。礦井要敢于嘗試新技術、新理論，在不斷探索實踐中科學合理地選擇適用于礦井自身的保水開采技術，使礦井水向著資源優化配置方向發展，形成資源開發與水資源循環利用的綜合體系，在保護水資源的同時使煤礦的開采更加科學與環保。

4 結論

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