基于全生命周期的矿井水利用技术模式

方向清

(中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056004)

我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，我国煤炭探明总储量在9 000亿t以上，居世界第三；已知含煤面积55万多km2，且煤种齐全。煤炭是我国重要的基础能源资源，煤炭开采存在引发诸多的生态环境问题，为此，20世纪末提出了保水采煤的理念。不论是保水采煤技术，还是绿色采煤技术或是矿井水回灌技术主要是考虑煤炭生产过程中环境问题，而煤矿关闭后还不可避免的存在矿井水酸化、污染河流和破坏土地资源等生态环境问题。本文基于煤炭生产全生命周期的理念，提出矿井水灌溉系统、矿井水生物工厂2种新型的采煤技术模式，不仅解决煤矿生产过程中的矿井水排放问题，而且解决因煤矿关闭(后生产周期)而引发的生态环境问题。

1 保水采煤

1.1 “保水采煤”的发展

随着西部煤炭资源的开发利用，1990年之后形成了保水采煤的基本思想。

1990年4月28日和12月20日，神北矿区的瓷窑湾煤矿先后两次发生巷道冒顶事故，引发了地下水水位的持续下降、顺沟渠水库干涸、饮马泉流量迅速减少，小溪断流和植被枯萎等生态环境问题。1992年，韩树青等论述了陕北侏罗纪煤田开发的水文地质问题[1]，范立民首次提出“保水采煤”的观点，认为生态脆弱区的地下水保护是至关重要的[2]。1995年范立民提出了开展陕北侏罗纪煤田水文地质工程地质环境地质综合研究的建议，主要研究煤炭开发对水文地质环境地质条件的影响及控制对策。煤炭工业部“九五”重点科技攻关计划启动了《中国西部侏罗纪煤田(榆神府矿区)保水采煤与地质环境综合研究》项目，首次明确提出“保水采煤”概念，奠定了保水采煤研究的基础。2000年6月19日，范立民在《光明日报》撰文，呼吁根据地质条件，对于破坏含水层结构的区域暂缓开采或不采，做好西部煤矿区的含水层保护问题[3]。2003年以后，范立民在陕西省科学技术计划《陕北煤炭资源开发可持续发展思路》等课题中发表了系列论点，探讨了保水采煤的问题。

2003年钱鸣高院士提出了绿色开采的概念和技术体系[4](图1)，保水采煤成为绿色开采的重要组成部分。2004年以后，王双明、范立民提出了以生态水位保护为核心的保水采煤技术体系，在榆树湾煤矿、榆阳区的地方煤矿开展了保水开采工程实践[5-8]。

图1 煤矿绿色开采技术体系

1.2 存在问题

不论是绿色采煤技术，还是矿井水回灌技术主要考虑的是采煤过程中的煤炭及伴生资源利用、水资源保护的问题，而忽视了煤矿关闭后的生态环境问题。

1)关闭煤矿矿井水污染地表河流和土地资源。云南凯里鱼洞河流域白水河和平路河的下游干流受河流沿岸关闭煤矿酸性废水污染，pH值、硫酸盐、总铁和镉超标[9]。

2)关闭矿井老空水破坏了地下水水环境，威胁着饮水安全。山东淄博洪山、寨里煤矿关闭后，老空水水位反抬升，并通过多种途径补给奥灰水[10]。

3)关闭矿井老空水引发邻区矿井突水。2010年2月6日，旗山煤矿发生一起特大突水灾害，主要原因是邻区关闭煤矿贾汪矿区高压老空水通过韩桥煤矿200m 运输石门水闸墙附近的围岩中隐伏的过水通道进入矿井而引起的[10]，致使旗山煤矿-850m以下水平被淹，瞬时矿井涌水量达4 500～6 000m3/h。

2 矿井水全生命周期

矿井水是伴随资源开采而产生的二次资源，具有生命周期性，根据资源利用的前生产期(勘查阶段)、生产初期(建井至小规模生产)、生产晚期(大规模生产至生产晚期)后生产期(矿山关闭以后)四个阶段，可将矿井水生命周期划分为天然期、生长期、成熟期、死亡(或退化)期四个阶段(表1)。

表1 矿井水全生命周期

3 矿井水利用技术模式

3.1 矿井水综合利用影响因素

矿井水的水质决定了矿井水的用途，因而，影响矿井水综合利用主要影响因素是矿井水的水质及其用途。

3.1.1 水质

按矿井水水质特征，将全国矿井水大致分为：常见组分矿井水、酸性矿井水、高矿化度矿井水、高硫酸盐矿井水、高氟矿井水以及含特殊组份的矿井水这6大类型[10]。其中常见组分矿井水和含特殊组分的矿井水一般不用处理或简单处理即可利用，对于酸性矿井水、高矿化度矿井水、高硫酸盐矿井水、高氟矿井水需要进行特殊处理才能利用。

3.1.2 用途现状

如表1所示，矿井水利用是针对煤矿生产过程疏排水，且局限于煤矿企业生产生活用水，少量供周边生活用水。

1)矿区周边供水。目前，我国煤矿矿井水净化后供生活用水水量为5×105m3/d。

2)灌溉用水。主要是工业场地绿化用水。

3)工业用水。主要是煤矿、洗煤厂、矸石电厂、水泥厂等企业用水。

为解决矿井水全生命周期利用问题，就必须建立矿井水永久利用机制，鉴于我国目前煤炭主要生产基地大部分分布于水资源匮乏、生态环境脆弱的中西部的特点，应采取建立永久性灌溉和生物工厂。

3.2 划分依据

矿井水综合利用是由矿井水水质、用途所决定的。因此，依此将全生命周期的矿井水利用技术划分为矿区周边供水、生态采煤用水2种模式(图2)，图2中的煤矿生产用水属煤矿生产期，不属此列。其中生态采煤用水模式根据用途再分为矿井水灌溉系统、矿井水生物工厂2种亚模式。进一步将矿井水灌溉系统、矿井水生物工厂划分为煤矿矿井水联合浇灌系统、煤矿矿井水生态灌溉系统、煤矿矿井水无土农业栽培系统、煤矿矿井水生物能源系统。

图2 矿井水利用技术模式

由于矿区周边供水是目前既有矿井水利用模式，本文不再叙述。

3.3 煤矿矿井水灌溉系统亚模式

3.3.1 煤矿矿井水联合浇灌系统

矿井水联合浇灌系统(图3)将处理后的矿井水蓄水池通过联合水压站和联合渠构建成集中式的矿井水供水源，再通过分支水压站、主渠和分渠对特定区域农作物进行浇灌。建成的浇灌系统在煤矿关闭后仍可继续使用，这样不仅保证采空积水为一动态循环水，水质不会变差，而且保证了地面农作物区正常动作。

①蓄水池；②分支水压站；③主渠；④支渠水闸；⑤分渠滴灌系统；⑥联合水压站；⑦联合渠

3.3.2 煤矿矿井水生态灌溉系统

生态灌溉系统(图4)由与矿井水排泄系统相连接的蓄水池，矿井水通过沉淀或处理达到灌溉用水水质要求时，通过一级加压站输出到主管道，再通过次级加压站输送到滴灌系统或喷洒系统，滴灌系统或喷洒系统的多少根据矿井水排泄量设定。该系统适用于保护天然(或人工)植被不受采煤影响。

①蓄水池；②一级加压站；③主管道；④次级加压站；⑤滴灌系统；⑥喷洒系统

3.4 煤矿矿井水生物工厂亚模式

3.4.1 煤矿矿井水无土农业栽培系统

无土农业栽培系统(图5)是为矿井水宜回渗矿井而不宜灌溉区而设计的，系统包括矿井水蓄水池、水过滤系统、输送主管、多个无土蔬菜栽培车间和多个无土粮食栽培车间。

①矿井水蓄水池；②沉淀池；③重金属水过滤系统；④压输送装置 ⑤输送主管；⑥无土蔬菜栽培车间；⑦无土粮食栽培车间

整个系统设计合理，改善了地下水排放产生的不良影响；改善地面生态系统、同时利用矿井水建立蔬菜和粮食工厂，减少大气中CO2，通过矿井水生产蔬菜和粮食，创造了矿井再利用的经济效益；煤矿关闭后，仍能继续利用矿井水，保证煤矿关闭后采空区不会产生酸性水而影响地下水水环境。

如辽宁省沈阳市建立了小韩村蔬菜工厂，为全国首家蔬菜工厂[11]，占地面积8.6×104m2，建筑面积5×104m2。工厂按功能划分为科技展示区和生产示范区。科技展示区包括现代果蔬园、绿色创意园、果香茗园、瓜艺田园。生产示范区有育苗工厂。果菜植物工厂、叶菜植物工厂。实现了立体化、多层次、全天候的工厂化生产模式。

3.4.2 煤矿矿井水生物能源系统

矿井水生物能源系统(图6)是专门为矿井水不宜灌溉地区且不需农作物生产地区设计的。系统包括矿井水蓄水池、水过滤装置、输送主管和多个微生物(如葡萄藻等)养殖车间。

①矿井水蓄水池；②水过滤装置；③加压输送装置；④输送主管；⑤微生物养殖车间；⑥微生物加工设备

如南昌大学博士黄学平2017年设计制作了猪沼液处理耦合培养小球藻的系列工艺系统[12]，研究分析了沼液处理效果、藻生长与产油潜力性能。养猪废水培养环境下，小球藻耐污、耐冲击能力强，小球藻的生长速度较快、生物量高，能够在养猪废水环境中优势生长；藻油脂含量高、总脂收获量大、产油潜力大；能较好地脱氮除磷、降解有机物，对培养系统中的沼液水质净化效果最好。因此确认小球藻是适应养猪废水培养环境能力强、能优势生长、产油潜力大、对沼液水质净化效果好的目标藻种筛选对象。

3.5 模式特点

以上四种利用系统具有以下优势：

1)改善了地下水排放产生的不良影响。矿井水不需无序排放或回灌，不会产生对地表或地下水环境的破坏。

2)地面生态系统，通过农田、植被灌溉，维护或改善了地表生态生态系统。

3)减少大气中CO2。利用矿井水建立微生物、蔬菜和粮食工厂，能有效降低大气中的CO2。

4)煤矿关闭后，仍能继续利用矿井水，保证煤矿后生产周期采空区不会产生酸性水而影响地下(或地表)水水环境。

5)通过矿井水养殖微生物、蔬菜和粮食，创造了矿井水再利用的经济效益。

4 结语

1)在系统总结煤炭开采技术的基础上，提出了基于全生命周期的矿井水利用技术模式架构。

2)在分析研究我国中西部生态环境特征的基础上，创新性提出矿井水灌溉系统、矿井水生物工厂2种矿井水利用技术模式。

3)矿井水利用技术模式具有改善矿井水排放产生的不良环境问题、降低大气CO2含量、创造了较好的经济和社会效益、改善煤矿后生产周期水环境的特征。