矿井水的前世今生

西北地区已探明的煤炭资源量占全国的70.8%，而水资源总量仅占全国的3.7%。每开采1吨煤，约产生2吨矿井水，全国煤矿排水量与缺水量之间的矛盾越来越受关注。聚焦矿井水的产生机理、利用方式，煤炭企业及相关领域进行了诸多研究和探索。
 

每开采1吨煤，约产生2吨矿井水。煤炭开采产生的大量矿井水，不仅给矿区生态保护带来了一定的压力，还造成了水资源的浪费。有数据表明，西北地区已探明的煤炭资源量占全国的70.8%，而水资源总量仅占全国的3.7%。尽管我国矿井水资源利用率在逐渐提高，但全国煤矿排水量与缺水量之间的矛盾越来越受关注。

前不久，在全国煤化工高盐废水及矿井水资源化利用技术研讨会上，与会代表、专家就现代煤化工高盐废水及矿井水资源的综合利用情况进行了探讨。

如何科学合理利用矿井水?如何解决煤化工项目的缺水难题?煤化工高盐废水怎么处理?听听专家怎么说。

水从哪儿来?

中国地质调查局西安地质调查中心副总工程师侯光才以鄂尔多斯为例，介绍了地下水形成演化过程及矿井水成因。

侯光才介绍，鄂尔多斯依托能源矿产开发利用，经济实现了跨越式发展。但水资源短缺已经成为制约能源基地建设的瓶颈。

鄂尔多斯市年均降水100毫米至400毫米，由东南向西北减少，蒸发量自东南向西北增加。该市内流区有众多湖泊，但水质一般较差。

“提高矿井水综合利用率，是解决鄂尔多斯矿区缺水问题的有效途径。”侯光才说，“为了探明鄂尔多斯地下水开发利用前景与保护生态环境，中国地质调查局与内蒙古自治区政府合作共同投入5000万元，开展了鄂尔多斯能源基地地下水勘查项目。”

侯光才介绍，他们对区域水文地质与生态环境、10处水源地供水水文地质等进行了调查，部署了鄂尔多斯能源基地地下水勘查工作。

鄂尔多斯盆地的白垩系含水层地下水资源丰富，是该地区生产、生活所依赖的重要水源，对能源勘探与开发有重要意义。鄂尔多斯盆地白垩系含水层面积为5.5万平方公里，厚度高、分布广，依据地层时代可划分为洛河、环河、罗汉洞和东胜4个含水岩组。据测算，4个含水层平均厚度在450米左右，单井平均出水量约为1500立方米/天，局部出水量更大。

“强富水区分布在伊克乌素—苏贝淖一带，单井出水量大于3000立方米/天，最大可达5000立方米/天以上。”侯光才说。

侯光才指出，随着埋藏深度增加，含水层的孔隙度、渗透性降低，富水性相应变弱。但由于浅层地下水可接受降水的直接补给，地下水更新能力和导水能力强，因此浅层地下水是白垩系含水层系统地下水最富集、最具供水意义的层位。

侯光才根据地下水流系统及循环特征，通过定性分析与剖面数值模拟，提出了鄂尔多斯白垩系盆地地下水循环模式划分基本指标。

“浅循环模式地下水循环深度为150米至200米，循环速度快，水质好、更新能力强，地下水占总循环量的80%，开采建议为首采区段;中循环模式循环深度在600米左右，循环速度、更新能力中等，地下水占总循环量的15% ，开采建议为有计划开采区段;深循环模式地下水交替很缓慢，循环深度600米至1000米，地下水循环量仅占5%，开采建议为限制开采区段。”侯光才说，“人工开采、地下水转化为地表水等，在一定程度上影响着地下水排泄。”

另外，侯光才表示，从化学特征上来看，鄂尔多斯高原白垩系地下水化学成分在空间上也有明显的分带规律。浅层地下水径流途径较短，水循环积极，水质优良，绝大部分地区矿化度低;中层地下水矿化度空间变化规律与浅层地下水基本一致，总体上由中部区地下分水岭向地下水排泄区，矿化度稍高;深层地下水矿化度则明显高于中层和浅层。

通过调查，研究团队对该地貌水源地及区域地下水资源进行了评价，圈定了13处地下水富集区和60个有供水前景的水源地。评价认为，该地貌天然地下水资源为55.55×108立方米/年，可采资源为27.00×108立方米/年，现状开采量不足可采资源的三分之一，开采潜力很大。

侯光才以纳林河矿区为例，分析了矿井水来源。在该矿区，矿井水主要来源于白垩系地下水，属顶板水。煤层主要集中于侏罗系地层系统中的中下统，此处孔隙、裂隙承压水，富水性较弱，但开采煤层产生导水裂隙带，影响岩层变化。

“第四系萨拉乌苏含水层和白垩系含水层是鄂尔多斯盆地2个供水的区域含水层，应加以保护与合理开发利用;区内低湿地植被与地下水关系十分密切，在地下水开发和项目建设中，应防止地下水位下降过大对生态产生的不利影响。”侯光才说。

水该如何利用?

内蒙古久科康瑞环保科技有限公司通过产学研用战略合作，取得了多项高盐废水处理技术成果，整体工艺技术达到国内领先水平。该公司副总经理王俊辉介绍了矿井水、煤化工高盐废水深度处理及资源化利用技术。

“从本质上讲，矿井水实际上就是矿区所采煤层及开拓巷道附近地下水，回用途径为采煤、矿区生活、煤炭加工和其他途径。”王俊辉说。

根据国家标准，矿井水按水质类型可分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化矿井水(又称矿井苦咸水)、酸性矿井水和含有害有毒元素矿井水5类。其中，洁净矿井水水质较好、pH值为中性，低矿化度，只需稍加处理和消毒即可饮用;含悬浮物矿井水是煤炭开采过程中普遍存在的一种矿井水，悬浮物粒度小、比重轻、沉降效果差。

“五种类型的矿井水各有处理办法：洁净矿井水为收集、提升、消毒，含悬浮物矿井水为混凝、沉淀、过滤、消毒，高矿化矿井水为去除悬浮物、反渗透除盐，酸性矿井水为投加碱性药物中和反应，含有毒、有害元素矿井水为去除有毒、有害元素。”王俊辉说。

王俊辉表示，从采用工艺上来说，普通中性淡水质的矿井水用作与生活有关的用水项目时，采用城市给水净化工艺;高浊度矿井水要配合混凝剂、助凝剂等化学品进行沉淀、澄清、过滤后，才能达到使用标准;高矿化度矿井水处理的关键技术是除盐，主要通过蒸馏、离子交换、电渗析、反渗透等方法。

“对于酸性矿井水，处理方法主要为中和法、微生物法、人工湿地法、粉煤灰吸附法等。”王俊辉说。

此外，王俊辉认为，矿井水井上处理方式存在弊端，也指出了矿井水井下处理的优势及关键技术。“井上处理导致基建投资大、矿井水提升运行费用高、占地面积大等问题。井下处理就地复用可节约土地、节省投资，且运行费用低，具有良好的经济效益和环境效益。”

由于矿井井下空间环境的特殊性，使得矿井水井下处理难度远大于地面，需要解决好诸多关键技术问题，包括井下空间利用、安全防爆、自动控制、系统的模块化和可移动化设计等技术。

“针对井下设备防爆、防水、防潮等特点，研究开发定型的产品设备，并配备完善的技术操作规程，是矿井水井下处理复用的关键措施之一。”王俊辉说。

煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室的蒋斌斌也对矿井水井下储存与处理技术做了相关研究。他提出，建设煤矿地下水库为矿井水井下储用技术之一，煤矿地下水库主要功能为井下储水、监控储水、井下处理、分质利用。

“煤矿地下水库技术原理为利用采空区岩体空隙作为储水空间，构筑人工坝体连接遗留煤柱共同组成水库坝体，形成煤矿地下水库储用矿井水。”蒋斌斌说。

蒋斌斌指出，煤矿地下水库关键技术，即水库选址、库容确定、坝体构筑、安全防控和水质净化。他表示，水库选址时要注意三原则：煤层底板不漏水、采空区域可聚水、开采规划好调水;库容确定上，建议采用超大工作面开采技术，将多采空区组合形成分布式地下水库，增强储水能力。

坝体设计与构筑上，建议设计结构特殊的地下水库坝体(非均质、非连续、变断面)，可以承受采动、矿压、水压、矿震等复杂受力;安全保障技术上，要保障库间调水、坝体应力变形、应急泄水等情况下水库整体安全，研发出矿震和地震、水位、坝体等参数的实时监控系统，还要通过技术保证水质、对部分污染较重矿井水进行井下专门处理。

蒋斌斌表示，国家能源集团在神东矿区经过近20年的技术探索和工程实践，首次提出了煤矿地下水库储用矿井水的理念，构建了煤矿地下水库理论框架与技术体系，目前已在其他矿区建成、在建和规划建设地下水库50余座。

“煤矿地下水库技术已在神东矿区全面推广应用，提供了神东矿区生产生活及生态用水的95%，3年累计供水量10085万立方米，节约购水费15.13亿元，产生直接经济效益21.35亿元。”蒋斌斌说。

煤化工废水怎么处理?

环境保护部环境工程评估中心主任助理刘志学对通过系统优化、深井灌注，探索高盐水处理路径做了相关研究。他表示，现代煤化工主要布局地为鄂尔多斯和新疆伊犁，煤化工新增用水占新增工业用水的比率分别达到37.87%、19.94%，其中鄂尔多斯现代煤化工项目新增用水比率较高，需要找到解决水资源问题的途径。

刘志学介绍了两种拟研究的高盐水处置方式。一种为盐湖贮存。他表示，中盐青海昆仑碱业有限公司的盐湖贮存项目，设计能力为年产100万吨纯碱，采用氨碱法制碱工艺，在38公里外排入废弃盐湖贮存。

“鄂尔多斯区域内自然盐湖较多，总面积达640平方公里。研究表明，在适宜的气候、地质环境下，通过合理的工程技术方法手段，在我国干旱半干旱地区建立煤化工含盐废水生态盐湖，进行自然蒸发处理是可行的。”刘志学说。

刘志学还表示，废水生态盐湖自然蒸发场地，在一定程度上阻断了场地池水与地下水的水力关系，要制定废水生态盐湖自然蒸发处理污染风险预警措施及环境管理措施。

另一种高盐水处置方式为深井灌注。该技术是将液体(主要是废水、盐水等水溶性化合物)储藏至地下深部多孔岩石地层(例如砂岩和灰岩)或深层土壤层中的一项污染物处置技术。目前，深井灌注技术处理高危废水较经济安全，并在美国等发达国家有广泛应用。

刘志学说，目前，深井灌注是美国处理高危废水的主要形式。在国内，采用深井灌注技术处理高盐等工业废水起步较晚。比较典型的是，重庆索特盐化公司自2004年利用地下灌注技术处置每年60万吨的制盐废水废渣。

“深井灌注存在的环境风险主要为废液在灌注井中的泄漏，影响地下饮用水、地下矿产资源、地质构造以及地表环境等。因此，合适的灌注区域和成熟的灌注技术是实施深井灌注的关键因素，也是限制其应用的主要条件。”刘志学说。

开展深井灌注，要满足一些地质条件：灌注层相对封闭且空间较大;灌注区域地质结构稳定，上下层有缓冲层;灌注废水与灌注层的岩石相兼容;灌注不会对其他自然资源的开发利用造成影响。

刘志学表示，深井灌注与灌注概念不同，深井灌注是在保护地下环境的前提下开展的灌注行为，应有严格的科学依据和规范。他分析称，国家能源集团鄂尔多斯项目初步满足地质选址的要求。

刘志学表示，目前，国内在煤化工领域尚无深井灌注相关法律，灌注行为缺乏法律依据。建议制定类似美国《地下灌注控制》等法规，使深井灌注行为有法可依;在技术和管理等层面，国内应当引进和借鉴美国等国相关经验，同时考虑我国社会现状和地质的复杂性，应当重点关注区域地下饮用水层、矿产资源安全和地质安全，减少环境风险。

中国矿业大学(北京)化工与环境学院院长何绪文也介绍了一些矿井水利用理念与技术创新模式。他将矿井水利用新模式总结为四种模式，即分质供水、梯级利用;井下处理、就地复用;高品质供水;零排放。

分质供水、梯级利用为地面处理模式，面对多目标用水群体进行供水，适用于量大面广、以去除煤粉为主要对象的矿井水;矿井水分质处理后，可进一步应用于湿地、人工湖的水量补充或作为绿化用水。

井下处理、就地复用为井下处理模式。它适应机械化开采要求，特别是千万吨级及以上矿井，对水质、控制水平要求较高，需要处理与开采进度能够同步。

高品质供水为按需供水模式，适用于煤电、煤化工业园等煤炭上下游产业链聚集区，水资源匮乏制约发展地区和苦咸矿井水处理等，有望解决浓水的处理与再利用、长时间运行纯净水水质稳定问题。

零排放模式适用于环境容量小、生态承载力差的生态脆弱地区以及环保要求高、要求无排放地区。

“构建矿井水资源化、生态化利用技术体系，可满足不同用户对水质的要求。在此体系中，矿井水可用作工业用水、生活用水、农业用水、生态用水。工业用水可利用分质供水、梯级利用技术，细分用水途径。”何绪文说，还可以补充现有技术短板，发挥优势。

何绪文总结道，在缺水地区，可采用结合采煤、选煤、化工等流程工艺，集产水、节水、净水、配水、用水于一体的矿井水利用模式;在富水地区，采用基于水污染控制、水环境承载力、水生态功能的矿井水利用及风险管控模式。要对新工艺、新技术、新装备不断补充与完善，综合示范与评估后，研发出最佳可行技术。