煤炭开采与保水开采技术

魏丹峰，张春辉，赵 振

(1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000；2.河南省煤炭地质勘察研究总院，河南 郑州 450052)

我国北方与中西部主要产煤基地水资源极其短缺，然而，伴随着煤矿区水资源短缺的同时，煤矿开采过程中却在大量排放矿井水。据统计，当前我国每采出1 t煤约平均排放2 m3矿井水[1]。我国年产生矿井水约80亿m3，而年排放损失量却高达60多亿m3[2]。国内外针对煤炭开采对地下水资源的影响开展了大量研究，提出了绿色开采和保水开采等大量理论与初步实践技术与方法[3]。

煤炭资源的开发是我国国民经济长期稳定发展的重要保障，然而当前我国煤矿绿色开采水平尤其是水资源保护和合理利用方面进展缓慢，严重制约了煤炭开采整体技术水平的提高与可持续发展[3]和“山水林田湖草是一个生命共同体”的生态文明建设。

1 煤矿开采对水资源的影响

1.1 煤矿开采与水资源保护现状

我国聚煤盆地和可采煤炭资源分布呈现“西北欠发达地区多，东南沿海经济发达地区少”和“北方富煤和南方贫煤”的现状[4]。而水资源的分布则与之恰恰相反，中西部富煤和产煤区多位于干旱与半干旱区，大气降水量少，地表水与地下水资源短缺，主要产煤基地地下水资源极其短缺，矿井生产和职工生活用水主要靠抽取深层地下水和抽排矿井水的净化后再利用，水资源保护及其合理开发利用是煤炭资源开发长期面临的重大难题[5]。并且随着浅部煤层资源的逐渐枯竭，为满足国民经济需求，煤炭开采不得不向深部煤层开拓延伸，然而随着矿井排水量的逐年增加但水质却在逐年恶化，出现排水逐年增多而综合利用率越来越难的囧境。

据统计，当前我国采出1 t煤炭平均需约排放2 m3矿井水，但矿井水的综合利用率仅在25%左右[1]。当前我国年产生矿井水约80亿m3，而年损失量却高达60多亿m3，这相当于我国每年工业和民用缺水量100亿m3的近60%[2]。因煤炭开采而导致地下水资源巨大损失的主要原因是矿井水外排至地表后未能得到有效利用，在中西部矿区最为明显。我国中西部煤炭基地多处于气候干旱区，地形起伏大，地貌复杂，年蒸发量远大于年降水量，为保障矿井安全生产，矿井水多是外排地表后流走，但由于蒸发量大和地形高差大，未能有效存储和再利用[6]。随着煤炭开采强度和开采深度不断地增加，地下含水岩层的赋存和原始径流遭受破坏，水位下降并形成矿区或更大范围的降落漏斗，严重影响矿区的水资源开发利用，使原本就缺水的矿区更是“雪上加霜”，更有甚者影响周围的生态环境[7]。因此，如何实现煤炭开采与水资源保护利用间的相互协调是煤矿绿色开发面临的重大技术难题，也是可持续发展与生态文明建设的核心内容之一。

1.2 矿山开采对地下水水资源的影响

(1)煤矿开采对地下水水平衡的影响。为保证安全回采，承压区煤层工作面回采前需进行疏放顶底板含水层水，持续的疏放水将导致工作面周边形成小范围地下水“降落漏斗”，为补充这一“漏斗区”的缺水，其周边地区的同层含水层水及邻近含水层水将随含水层向漏斗区流动或越流而导致原流向的改变[8-9]。另一方面，随着煤矿大规模开采，回采遗留的采空区面积随之增大，受煤层顶板采动裂隙和底板扰动裂隙构成的导水通道影响，造成含水层水向采空区汇聚，含水层水资源大面积流失。同时，煤层回采后采空区因顶板岩层垮落形成的垮落带和导水裂隙带造成其顶底板岩层及含水层被破坏，含水层水流向采空区，使得矿井不得不加大排水，年复一年形成恶性循环，打破了原有的含水层地下水动态平衡，形成更大范围的降落漏斗，进而造成近地表基岩含水层水位下降甚至无水的局面。更有甚者地表河流和水库因向地下含水层补给入渗而水位持续下降甚至干涸。

(2)煤矿开采对地下水环境的影响。煤层开采的过程中产生大量粉尘、煤尘并夹杂有害矿物(如硫、砷化合物)等污染物。地下含水层水被改变原始流向涌向采空区时，将粉尘、煤尘及有害矿物等混入其中，造成水资源污染，变成不可利用的污水、废水[10]。该废水被排出矿井后，经沉淀或煤矿初始净化后被直接排入冲沟、河道或者地势较低的水塘甚至采空沉陷区，除部分被蒸发外，多数经塌陷裂隙或断层等入渗地下基岩含水体中，造成更深层次的含水体污染。

(3)矿井排水与供水对水质的影响。由于中西部产煤基底处于干旱区且长期排水导致严重缺水，不得不将矿井水经初始净化后作为维持矿井日常生产与职工生活用水(饮用水除外)，但由于矿井排水水质差且污水净化设施落后，净化后的水质一般也较差，尤其生活用水，普遍具有硬度大、大肠杆菌等菌类含量超标的特点。以山西吕梁煤矿区为例，随着多年的持续疏排水，各含水层水位呈逐年下降的趋势，且随着山西组3号煤层的逐渐枯竭，为维持日常采掘接替和保证产出煤量，各大矿井不得不向深部太原组9号、15号煤层的开拓延伸，受埋藏深度和开采标高影响，煤层底板直接含水层(太原组薄层灰岩含水层)间接含水层(奥陶系灰岩含水层)水压较大，面临突水威胁，为保证带压安全开采，矿井疏排水水量呈数倍增加，同时矿井水硬度(由疏排太原组灰岩和奥陶系灰岩水造成)及硫、砷(太原组煤层硫、砷等化合物含量较高)等有害元素浓度也急剧增加。导致之前经初始净化即可充当生活用水(饮用水除外)的日子也一去不复返。菌类的严重超标且含有大量有害元素的矿井水也给脆弱的生态及环保也带来了较大难题[9]。

2 煤矿开采与水资源保护的进展

2.1 政策扶持

近年来，随着国家优化能源结构、国家生态文明建设和“山水林田湖草是一个生命共同体”理念的提出以及淘汰落后产能，释放优质产能的配套举措，矿井水资源保护及合理开发利用已成为煤炭开采热点和难点问题，并受到煤炭产业和社会的持续关注。各级政府也相继出台了一系列保护煤矿区水资源的政策与法规，对矿井水资源的保护与利用也提出了严格的要求[11]。政府为鼓励与引导高校、科研机构开发保水开煤/保水开采的先进技术，配套了资金与基金项目，以促进煤炭开采与水资源保护利用间的相互协调发展。

2.2 保水开采技术的开发与应用

长期以来，针对煤炭开采对地下水的影响问题，国内科研机构与企业合作进行了大量的基础技术研究，技术开发和试验实践工作，包括矸石充填、“下三带”研究和煤炭开采地下水运移规律、保水采煤等基础研究。钱鸣高院士率先提出煤炭绿色开采理念和西部矿区保水开采技术研究的若干技术前沿领域[8]。范立民教授提出了保水采煤的基本思路和实现途径，并呼吁“先保水后采煤”并划分保水采煤地质分区。王双明院士[12]提出 “创建采煤保水技术体系”等。2015年9月原神华集团(现国家能源集团)获国家科技部批准建设“煤炭开采水资源保护与利用”国家重点实验室，以期通过煤炭开采水资源保护利用的基础理论研究、科学试验装置研制及关键技术开发和工程示范，攻克制约煤炭绿色开采的关键技术难题。

目前，煤矿保水开采技术大致形成了2种技术路径：即以“堵截法”为主的煤矿保水开采技术和以“疏导法”为主的矿井水储存再利用技术[2]。

(1)煤矿保水开采技术。“堵截法”煤矿保水开采技术的重点为“堵”，即采用一定的工程技术手段防止采空区上方形成垮落带和导水裂隙带，以保留煤层上方隔水岩层的完整不被破坏，进而堵截煤层顶板含水层水向采空区渗漏，维持含水层的原始径流，以实现保护含水层水的目的。目前采用的较实用技术手段主要包括矸石充填采空区开采、煤层限高开采、房柱式与条带式开采、关键层保水区域划分等，其优点在于实施过程中将对原始岩层和含水层破坏小，使其基本能保持自然水的动态平衡[13-14]。理论上该路径在技术上可行(为当前煤矿开采技术基础上的再次优化改进，具有技术延续性)，实施难度小，且具有普遍适用性。但是，在河北峰峰集团梧桐庄矿(图1)和山西晋能控股集团赵庄煤矿、鄂尔多斯葫芦素煤矿等矿井矸石充填采空区开采试点中发现，目前该技术尚未成熟：矸石充填会大幅降低煤炭开采效率和煤炭资源的采出率，且成本普遍较高、费时费力，井下场地有限难以开展大规模作业，且充填进度远远赶不上采掘生产接替进度等多个技术难题，急需进一步优化[15-18]。

图1 梧桐庄矿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)矿井水储存再利用技术。“疏导法”矿井水储存再利用技术是原神华集团(现国家能源集团)联合国内高校和科研院所，在神东矿区经近20年技术攻关和实践成功开发的一种煤矿地下水库技术(矿井水储存再利用技术)。其原理是利用煤层回采后形成的采空区岩体空隙储存地下水，用井下人工坝体将原本分散不连续的防隔水安全煤柱连接起来，形成一个个相对封闭的储水空间，多个采空区储水空间设施组合在一起，形成一个巨大的储水池，并配备矿井水注入设备和抽水设备及相应管道。通过自然压差供水，不仅解决了地面污水处理厂建设和运行成本高等问题，而且避免了矿井水外排造成的资源浪费和生态环境保护难题，实现了地下污水零升井和矿井水的井下储存与再利用，促进了煤炭开采与地下水水资源保护利用的相互协调发展[19-21]。

矿井水储存再利用技术技术充分利用了采空区破碎矸石对矿井水的自然净化作用：通过设置管道，泵抽矿井水至位置较高的采空区，利用“水往低处流”的原理，矿井水经采空区中的矸石空隙，由高处向低处缓慢流动(坡度6°～7°)，最终汇聚在相对较低的采空区，形成地下水库；由于矸石富含碳且结构疏松，对矿井水有较强的过滤、净化作用(国家能源集团重点实验室分析表明，矿井水经采空区自然净化后，悬浮物和有机物浓度显著降低，并随流动距离和时间的延长净化效果更明显)；污水在矸石缝里经过1 km的长距离缓缓流动，就可实现自然净化[20]。

当前神东矿区已累计建成35座煤矿地下水库，储水量高达3 100万m3，约相当于两个杭州西湖的库容量，每年可为矿区供水近7 000万m3，年可节省费用数十亿元[2，19-21]。神东矿区下属的大柳塔矿已建成世界首座分布式多层地下水库，其由一水平2-2号煤层的3座地下水库和二水平5-2号煤层的1座地下水库组成(图2，据文献[19]修改)，储水量达710余万m3，供应了矿井生产和生活近95%的用水，在实现了矿井水不外排和回收再利用的同时基本保障了矿井生产和生活用水(饮用水除外)，节约水资源的同时创造了良好的经济效益与社会效益[20]。目前，自然资源部已将煤矿地下水库技术作为新技术在全国尤其是西部矿区试点推广应用，未来该技术若能在中西部矿区大规模应用，将有望每年回收和再利用近30亿m3矿井水[19-20]。

图2 大柳塔矿分布式多层地下水库立体示意Fig.2 Schematic diagram of distributed multi-layer underground reservoir in Daliuta Mine

3 讨论

随着国家优化能源结构，煤炭在我国能源消费中的比重呈逐年降低的趋势，由2010年的69.2%降至2020年的57.5%。淘汰落后产能，释放优质产能成为我国煤控改革的主要举措，进而改善环境质量，实现绿色矿山发展。借此契机，煤矿保水开采技术的推进势在必行。

虽然“堵截法”正处于技术攻关和个别煤矿初步实践与探索阶段，但其技术延续性和方案普遍适用性对我国煤矿区尤其是中小型煤矿和大水矿区的煤炭开采与地下水水资源保护道路指明了技术方向。未来，随着该路径技术的日趋成熟，相信会成为中小型煤矿和大水矿区煤矿开采与地下水水资源保护优先选择的路线。

“疏导法”在神东矿区具有成功的先例，为当前煤炭开采地下水保护利用开辟了一条有效的途径。但是由于神东矿区开发侏罗纪煤层，煤层埋藏浅，地质条件特殊不具普遍代表性，技术是否具有普遍适用性有待进一步商榷。尤其是中东部中小型煤矿和煤层倾角较大的煤矿或者水文地质复杂矿区的大水矿区(如河南焦作、河北邯郸、安徽淮北淮南等)的应用尚无先例，并且相关部门尚未出台煤矿地下水库技术的行业技术标准，这也将制约其大规模推广应用。

保水开采技术需在不断探索中前行，“堵截法”和“疏导法”的融合应用也未来可期。矿井要敢于尝试新技术、新理论，在不断探索实践中科学合理地选择适用于矿井自身的保水开采技术，使矿井水向着资源优化配置方向发展，形成资源开发与水资源循环利用的综合体系，在保护水资源的同时使煤矿的开采更加科学与环保。

4 结论

以煤矿开采对水资源的影响切入点，阐述了我国煤层开采与地下水水资源保护的现状，探讨了以“堵截法”和“疏导法”为理念的保水开采技术的适用性和技术难题所在，提出矿井要敢于尝试新技术、新理论，在不断探索实践中科学合理地选择适用于矿井自身的保水开采技术。对解决当前煤矿开发与水资源保护之间面临的双重难题具有一定的指导作用和借鉴意义。