国外矿井水利用现状及特点分析

李 庭，李井峰，杜文凤，郭奇峰，张 英，李 娜

(1.国家能源集团 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102200；2.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；3.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；4.中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

矿产资源的开采常伴随着大量产水，例如相关研究统计，每开采1t煤在荷兰相应产出2t水[1]，而在英国则相应产出3t水[2]。矿井水的外排、渗漏造成的地表水和地下水污染问题，已成为影响世界采矿业发展的主要问题，而加强矿井水利用，不但可以减轻污染，还能减少水资源的浪费。

在我国，一方面煤矿和金属矿矿井水大量外排造成污染，而另一方面，很多矿区由于缺水造成矿物洗选、矿物冶炼、火电、煤化工等产业发展受限。例如我国14个大型煤炭基地中有11个存在不同程度的缺水问题，尤其是晋、陕、蒙、宁、甘等西部地区煤炭产量占全国煤炭产量的70%以上，而水资源占有量不足全国总量的3.9%[3，4]。因此，只有更好的保护与利用矿井水资源，才能为我国矿区发展提供有力保障。

目前我国矿井水利用已进入高速扩张发展期，各种新的利用处理技术、利用途径都在不断的涌现和尝试[5-7]，取得了大量成绩的同时也存在一些不足。国外发达国家矿井水利用的发展时间更长，在技术上、理念上和管理上更加先进和成熟，因此，对国外现状的研究可给我国矿井水利用的发展提供借鉴和指导，同时也可填补国内缺乏对国外矿井水利用情况系统研究总结的空白。

1 国外矿井水主要利用方式

国外对于矿井水的利用，除了传统的回用于自身的生产之外，利用方式还包括生活饮用水、灌溉用水、工业用水和环境用水等。近年来，对于矿井水用于蓄热、蓄能发电以及回注的相关研究和应用逐渐增多。

1.1 生活饮用水

很多矿区位于干旱少雨地区，水资源紧张，同时矿业开采又加剧了水资源短缺。为了营造环境友好的矿区，同时更好的履行社会责任，很多矿业公司利用矿井水为矿区居民供水。例如印度尼西亚第二大煤炭企业PT Adaro公司，将矿井水处理达到生活饮用水标准后，通过15km长的管网供给矿区附近的Padang Panjang和Dahai两个村子，使超过5500名村民从中受益[8]。另外，Adaro公司创新性的将矿井水处理设施交给村民自己管理与运营。运营管理人员由村民会议选出，并接受Adaro公司和相关专家的技术培训。

1.2 灌溉用水

世界上约有70%的水被用于农业。利用矿井水灌溉，可以增加缺水矿区的耕种面积并提高产量。例如美国内华达州的Betz-Post金矿，每天产生约30万m3矿井水，其中有10%约3万m3矿井水被用于灌溉2000hm2的农作物[9]。此外，矿井水还经常被用作干旱时的备用水源。有些地区直接利用未经处理的矿井水进行灌溉，造成了土地盐碱化、土壤酸化和重金属超标等问题。因此必须监测和控制矿井水水质，并定期评估环境影响。

1.3 工业用水

矿井水回用于矿石洗选、场地降尘、钻探等活动等是最常见的工业利用方式。近年来利用矿井水作为火电厂的冷却用水的研究越来越多。例如美国西弗吉尼亚大学的国家矿山复垦中心(NMRC)，正在研究使用阿巴拉契亚盆地1万多个地下废弃矿井的近9.5亿m3矿井水资源来为该地区的热电厂供水[10]。

1.4 环境用水

矿井水用于环境用途开始于20世纪80年代，并逐渐发展出湿地修复功能。湿地除了能处理酸性矿井水外，还创造了新的生态系统，增加了生物多样性。例如西班牙的As Pontes矿山，通过使用矿井水创建了一个新的湿地湖泊，从而美化了景观和周围环境，生物多样性甚至超过开采前[11]。

水产养殖也是矿井水环境利用的一个重要途径。例如美国马里兰州自然资源部和Mettiki煤炭公司研究评价了利用废弃煤矿的矿井水进行水产养殖的技术经济性，并将处理后的矿井水用于养殖褐鳟，虹鳟等鱼类[12]。

1.5 矿井水回注

废水回注地下的做法在美国、欧洲有很长的研究和应用历史，近年来在采矿业，这种做法越来越受到重视[13]。当面临严格的环境法规限制，特别是在环境敏感地区，矿井水无法外排处置时，回注是较为理想的可选方案，不但规避了政策风险，还有效补充了地下水资源量。矿井水注入时无需达到很好的水质，因为地下岩层具有天然的过滤作用，可以将注入的矿井水自然净化。

南非的Kolomela铁矿位于南非开普省北部，开采活动破坏了地下含水层，为了控制地下水位下降，减小对地面农业和生态的影响，该矿利用钻孔每月向含水层回注约36000m3矿井水，取得了很好的效果[14]。

澳大利亚Mt.Whaleback铁矿位于澳大利亚西北角的Pilbara地区，气候干旱，蒸发量大且降雨量极不均衡。每年抽取1千万m3地下水供给铁矿生产和附近约6000居民生活使用，其中700万m3地下水属于超采。为了调节降雨不均衡并补充地下水，每年将790万m3的矿井水和地表河水注入地下含水层，支撑了当地水资源的可持续发展[15]。此外，美国的Betze-Post金矿，德国的Garzweiler煤矿，西班牙的Alquife铁矿和Las Cruce铜矿等都采用了矿井水回注技术。

1.6 蓄热

通常地温梯度为每增加100 m深度，温度提升约3℃。地下水具有热能利用的潜力，采矿活动大大提高了从井下抽取地下水并利用其所含热能的潜力。欧洲开展了大量的研究和商业活动，对废弃矿井的矿井水低温资源进行开发利用。德国埃森市的Zollverein矿的矿井水水温27℃，被用来给5000m2的建筑供热[16，17]。目前应用最成功的是荷兰Heerlen市的矿井水能源项目，2008年10月启动了矿井水区域供暖系统的试点，到2015年已达到为50万m2建筑面积供能，降低了65%的CO2排放[18]。

1.7 蓄能发电

国外发达国家由于资源枯竭，遗留了大量废弃矿井，而废弃矿井拥有地下巷道等优质地下空间可供改造利用。近年来针对利用废弃矿井地下空间，并结合废弃矿井的矿井水资源来建设抽水蓄能发电站的研究逐年增多[19，20]。目前，以德国为代表的相关国家在这个领域的研究已获得了一些成果，例如德国的杜伊斯堡-埃森(Duisburg-Essen)大学与鲁尔集团(Ruhr Group)合作，将位于德国北莱茵-威斯特法伦州(Nordrhein-Westfalen)的Prosper-Haniel煤矿改建成200MW抽水蓄能电站[21，22]。该矿地下约25km的巷道被改造成用来蓄能发电的水库，储存的矿井水量超过100万m3。

1.8 矿井水外排

由于国外发达国家的矿业开采规模和开采强度远小于我国，矿井水总量也相对较小，处理达标后外排对环境造成的影响不突出，因此，矿井水达标外排在国外是矿井水处置的重要方式。以澳大利亚新南威尔士州为例，列举3个矿的排水情况。新南威尔士州中部的Wilpinjong露天煤矿在2016年6月至2017年7月间，共计产生矿井水约444.5万m3，其中有184.7万m3外排，外排矿井水占比41.6%[23]。新南威尔士州IIlawarra区域有12座生产煤矿，每年产煤约1300万t，其中1座井工矿产生矿井水量约为3000m3/d，外排矿井水约600m3/d，外排矿井水占比20%[24]。位于新南威尔士州中西部Ulan煤矿2015年共产生矿井水978.5万m3，其中有725.2万m3外排，外排矿井水占比74.1%[25]。

2 国外矿井水利用处理技术

国外矿井水利用处理技术按照处理手段，可以分为主动处理技术和被动处理技术两大类。主动处理是指需要持续的人工操作、维护和监测，并使用外部能源、基础设施和工程系统的技术。被动处理是指不需要经常人工干预、操作或维护的过程，通常使用天然材料和介质。

2.1 主动处理技术

主动处理技术中，最基础的混凝、沉淀和普通过滤工艺本文不再详述。近年来随着技术的不断进步，反渗透、纳滤等膜处理技术大量应用于矿井水处理，取得了很好的效果。此外正渗透等一批新技术也在不断的研究与改进[26]。国外常见的矿井水主动处理技术详见表1。

表1 国外常见矿井水主动处理技术[25，27-33]

2.2 被动处理技术

被动处理技术相对主动处理技术，具有能耗低、维护少和成本低等优势，尤其适应用于废弃矿井的矿井水处理。国外常见的矿井水被动处理技术详见表2。

表2 国外常见矿井水被动处理技术[27-30，34-39]

3 国外矿井水利用典型案例

3.1 南非Witbank煤矿区

Witbank是南非最大的煤炭矿区，位于南非东北部。矿区内矿井众多，其中一些矿已经进入资源枯竭期。英美资源集团(Anglo American)动力煤公司在该矿区的矿井水资源量约为1.4亿m3。Witbank矿区位于缺水地区，随着人口增长，eMalahleni市用水需求预计到2030年增加到每天180万m3。英美资源集团动力煤公司与必和必拓公司(BHP)合作于2007年建设了eMalahleni水处理厂，用来处理4个煤矿的矿井水[40]。该处理厂每天处理约3万m3矿井水，除部分用于煤炭生产外，大部分输送给eMalahleni市作为生活用水，供水量约占eMalahleni市每天用水需求的12%。到2011年底，共计处理了0.3亿m3矿井水，其中0.22亿m3供给eMalahleni市作为生活用水。2013年，处理厂二期扩建完成，处理能力提高到5万m3/d[40，41]。

3.2 澳大利亚Wilpinjong露天煤矿

Wilpinjong露天煤矿位于澳大利亚新南威尔士州中部，主产动力煤，每年产量可达1600万t。该矿矿井水处理设施于2012年6月竣工，根据新南威尔士州环境保护局颁发的环境保护许可(编号EPL 12425)，该矿被批准从24号排放点(编号LDP24)排放处理后的矿井水，污染物排放控制限值见表3。

表3 Wilpinjong矿矿井水污染物排放限值

2017年1月，该矿的环境保护许可变更，将每日外排水量限值从5000m3/d提高到15000m3/d，2017年该矿共排放矿井水约185万m3，未超出1.5万m3/d的许可，水质也满足排放要求[23]。除了外排外，该矿矿井水还回用于道路降尘浇洒、洗选等。Wilpinjong矿按照环保要求编制了详细的水资源管理计划，包括地表水和地下水的监测计划等。该矿对矿井水的管理重点包括以下几点[42]：

1)分类收集和利用扰动区的地表径流清水。

2)控制地下水和降雨径流进入作业区，避免受到污染。

3)根据新南威尔士州环境与遗产办公室编制的《处理污水利用环境指南》对污水进行管理。

4)根据环境保护许可(编号EPL 12425)，排放处理达标的矿井水。

4 国外矿井水利用特点

通过前文对国外矿井水利用方式和处理技术现状的分析和总结，对比我国现状，国外矿井水利用的主要特点如下：

1)回注是矿井水处置的重要方式。当面临法规限制，特别是在环境敏感地区，矿井水无法外排处置时，回注是较为理想的可选方案，不但规避了政策风险，还有效补充了地下水资源量。

2)矿井水达标外排较为普遍。由于国外发达国家的矿业开采规模和开采强度远小于我国，矿井水总量也相对较小，矿井水达标外排对环境的影响不突出。

3)处理技术理念更加先进。国外发达国家更提倡利用湿地法等被动处理技术，不但成本低，还能改善矿区环境。

4)重视对废弃矿井排水的处理与利用。大部分发达国家已进入资源枯竭期，废弃矿井增多的同时也产生了酸性矿井水污染等问题，因此对相关问题的研究更为重视。

5)注重矿井水分类收集。矿井在设计初期就考虑了将雨水、受扰动的地表径流水与疏干排水等进行单独收集，有效减少了需要处理的矿井水总量。