我国矿井水保护利用战略与工程科技

第一章 绪论

 一、研究背景及意义

 矿产资源的开采常伴随着大量产水，例如，我国开采 1t煤平均产生 2t矿井水，荷兰开采 1t煤平均产出 2t矿井水，英国开采 1t煤平均产出 3t矿井水。矿井水的外排、渗漏造成的地表水和地下水污染，已成为影响世界各国矿产开发的主要问题。加强矿井水保护与利用，不仅可以降低污染，还能减少水资源的浪费。

 党的十八大将生态文明建设纳入中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局，提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念。党的十九大报告明确指出，我们要建设的现代化是人与自然和谐共生的现代化，既要创造更多物质财富和精神财富以满足人民日益增长的美好生活需要，也要提供更多优质生态产品以满足人民日益增长的优美生态环境需要，同时提出，统筹山水林田湖草系统治理，加大生态系统保护力度，实施重要生态系统保护和修复重大工程，优化生态安全屏障体系。在党中央的坚强领导下，我国生态保护工作正在全面贯彻落实“绿水青山就是金山银山”的理念，坚持“生态优先、绿色发展，以水而定、量水而行，因地制宜、分类施策，上下游、干支流、左右岸统筹谋划，共同抓好大保护，协同推进大治理，着力加强生态保护治理、保障黄河长治久安、促进全流域高质量发展、改善人民群众生活”。

 党和国家高度重视生态文明建设，但目前国内严峻的水资源紧缺形势严重制约了经济与生态文明建设。在矿产开发过程中保护利用好宝贵的水资源，对保护和改善生态脆弱区的生态环境、推进矿产资源开发与环境保护的协调发展、促进矿区经济社会发展具有重要意义。以煤炭开采为例，目前晋、陕、蒙、宁、甘西部五省区煤炭产量占我国煤炭总产量的 70%和全球的 35%，但水资源仅占全国的3.9%和全球的 0.2%，也就是说，西部五省区用全球仅 0.2%的水资源支撑了全球 35%的煤炭生产。同时，除了煤炭开采外，矿区周边还布局了大量的燃煤发电、现代煤制油、煤化工等高耗水产业。如果能将矿井水充分用于这些产业的发展，减少新鲜水用量，对实现地区经济发展与资源环境承载力提升意义重大。近年来，国家密集出台政策法规以推进矿井水保护与利用，如 2015年 4月中共中央、国务院印发《关于加快推进生态文明建设的意见》、2015年 4月国务院的《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)及 2015年 4月国家能源局的《煤炭清洁高效利用行动计划 (2015—2020年)》。特别是在“水十条”中，明确提出“推进矿井水综合利用，煤炭矿区的补充用水、周边地区生产和生态用水应优先使用矿井水”。这给未来加强矿井水优化利用工作提出了更高的要求。基于此，本书以煤矿和金属矿为研究对象，分析矿井水水量、水质特点，对现有的保护和利用技术进行分析评估，提出矿井水保护利用的技术路线和发展方向，对矿区生态文明建设和采矿业的绿色发展具有巨大意义。

 二、我国矿井水保护利用形势和研究进展

 (一)我国矿井水保护利用面临的形势

 1. 煤炭开采逐步向深部转移给矿井水保护利用带来新挑战

 我国煤炭开发逐步向深部转移已呈明显趋势。以国家能源集团为例，神东矿区为开采条件昀优的矿区，目前大部分矿井已转向下层煤开采，开采深度逐年增加。作为神东矿区接续矿区的新街矿区，深度更是达到 600～800m。开采向深部转移给矿井水保护利用带来诸多挑战：一是深部矿井水的水量预测难度更大，给矿井排水系统和水处理系统设计带来挑战；二是深部矿井面临矿山压力显现、冲击地压等灾害的风险更大；三是深部矿井地下水中矿化度普遍升高，给矿井水处理利用带来新挑战。

 2. 矿区高质量发展给矿井水保护利用带来重要机遇

 党的十九大报告对当前我国社会主要矛盾做出了与时俱进的新表述，强调中国特色社会主义进入新时代，我国社会主要矛盾已经转化为“人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾”。我国煤炭开发基地主要集中在西部地区，我国西部地域辽阔、资源丰富，在能源安全保障战略中占有重要地位，但目前经济发展相对落后，要加快西部地区的经济发展就要在利用资源优势的基础上，延伸与扩展相关产业的发展，这就势必对水资源有更大的需求。此外，西部地区的发展必须坚持五大发展理念，特别是绿色发展理念，真正树立和践行“绿水青山就是金山银山”理念，把建设美丽中国的部署落到实处。西部主要省区干旱少雨、生态脆弱，水资源短缺严重制约了经济与资源、环境之间的平衡发展，例如宁东地区，严重依赖黄河水资源，而随着地区经济发展，黄河水资源变得非常紧张，水资源置换仅能部分缓解用水需求，无法从根本上解决问题。综上，矿区高质量发展需求对水资源提出了更高的要求，矿井水作为重要的非常规水资源，其大规模高效利用可为我国矿区高质量发展提供必要的支撑。

 3. 技术突破将为矿井水资源保护利用创造有利条件

 利用科技攻关解决不断增长的水资源需求和煤的清洁化利用问题已经成为行业共识。通过科技部、中国工程院、国家发展和改革委员会等部门的论证，国家即将正式启动煤炭清洁高效利用重大专项，该专项围绕“绿色、清洁、高效”目标，重点推广一批先进适用技术，示范一批关键核心技术，研发一批重大前沿技术。实现煤炭绿色开发、煤炭高效发电、煤炭清洁转化、煤炭污染控制和碳捕集利用与封存等一批核心关键技术创新。矿井水保护与利用技术是其中一个重要的研究内容，通过重大项目的开展，形成一批水平高、效果显著的创新技术群，建设国家*研发平台和中试基地，建设一批示范工程，形成大型矿井水处理利用示范基地，为“ 2035保障能源安全，改善环境质量，应对气候变化”提供有力支撑。

 (二)我国矿井水保护利用研究进展

 1. 矿井水保护重点由水害防治转向资源利用

 20世纪 90年代之前，矿井水的焦点停留在其对煤矿建设与生产的灾害作用，因此，矿井水灾害的防治受到广泛关注。随着社会对水资源和生态环境的重视，我国大部分矿区 (尤其是西部矿区 )都面临着开采破坏水资源影响矿区生态和矿井水限制外排等问题。针对以上问题，研究者围绕不同地质条件下煤炭资源开采与水资源保护开展了多维度研究，重点研究了保水采煤地质基础、保水开采技术与工艺、地表生态植被与地下水关系、导水裂隙带发育高度预测及控制等方面，逐步完善了保水开采的基础理论，形成了“堵截法” (以岩层控制理论和技术为基础而研发具有抑制导水裂隙发育的采煤技术 )和“疏导”法 (以煤矿采空区储存与利用矿井水为基础的煤矿地下水库储水技术)两大技术体系。

 对比分析两种矿井水保护方法，可以发现：“堵截法”的根本出发点是防止煤炭开采过程中对地下水系的扰动，昀大程度上降低矿井水涌水量，进而降低煤矿发生水害的风险，该领域各项技术措施也日趋成熟，但是该技术方法忽略了矿井水的资源属性，没有考虑如何有效地利用矿井水。基于“疏导法”的煤矿地下水库技术则是将煤矿生产形成的矿井水视为一种资源，利用煤矿采空区对矿井水进行储存及净化，达到利用的目的，更加符合煤炭绿色开采理念中“煤水共采”的思路。此外，基于“堵截法”的各种技术 (充填开采、限高协调开采、注浆截流技术等)制约煤矿的高效生产，基于“疏导法”的煤矿地下水库技术则不仅解决了高效利用矿井水资源的问题，同时不会影响煤矿生产效率，所以该技术的推广运用价值远大于前者。

 2. 矿井水处理技术与装备与发达国家有一定的差距

 随着我国矿产资源产业的不断发展，我国矿井水处理利用技术与装备经历了近 20年的高速发展，由早期的简单沉淀处理，发展到“零排放”技术，矿井水处理技术和装备与发达国家的差距正在缩小。以中国矿业大学 (北京)、北京科技大学等为代表的一大批高校和研究院所在矿井水产生机理、水质特征、处理工艺和材料研制方面进行了大量的研究，为矿井水处理技术的进步打下了坚实基础。同时，以国家能源集团、中国中煤能源集团有限公司 (以下简称中煤集团)、中国黄金集团有限公司等为代表的一批大型矿产企业，通过合作研发，促进了大量先进技术装备的自主制造与大规模应用，尤其在作为世界难题的高矿化度矿井水“零排放”处理上，由于工艺复杂、装备难度高、对资金的需求量大，我国一直落后于发达国家。但经过上述科研机构与大型矿产企业的持续努力，目前我国已有多个成功的“零排放”应用案例。总体上，我国在矿井水处理与利用上取得了很多可喜的成果，但目前在基础材料 (如膜处理材料 )、处理药剂和复杂处理技术等方面，与发达国家有一定的差距。

 3. 煤矿地下水库净化等井下处理技术处于世界领先水平

 世界上绝大多数国家的地下矿山都是将矿井水排至地表进行处理，不仅耗费大量的能源来提升矿井水，还需要占用宝贵的土地资源建设地表处理站，且矿井水排至地表还会造成水资源蒸发浪费。我国科技工作者将矿井水处理与井下空间紧密结合，开发了矿井水井下处理技术体系与系列装备，将井下产生的矿井水直接在井下处理，处理后可直接回用于井下的生产、降尘和消防等，多余的矿井水还可存储于井下采空区改造的地下水库中，降低了矿井水总体处理成本，保护了水资源。其中昀具代表性的煤矿地下水库采空区净化技术，充分利用了采空区中冒落岩体对矿井水的过滤、沉淀、吸附、离子交换等作用，实现了矿井水的低成本大规模净化。另外，井下处理技术中，还涌现出高密度沉降 (重介速沉 )、超磁分离、反渗透等适用于井下环境的优秀技术，并得到了一定规模的应用，取得了很好的处理效果。

 此外，国家能源集团宁夏煤业集团的高矿化度矿井水井下处理项目正在建设中，即将投入运行，首次在国内实现高矿化度矿井水井下脱盐 +浓水采空区安全存储的全套技术工艺与装备，为高矿化度矿井水处理提供了一种全新的技术路线。

 4. 探索出了具有中国特色的矿井水大规模利用新路径

 我国煤炭等矿产资源的开采强度和开采规模高于发达国家，产生的矿井水量较大，为了能够昀大程度的利用矿井水，减轻对矿区环境的影响，除了与国外常见做法一样将矿井水回用于生活饮用水、生产用水、环境用水之外，还依据产业特点，探索出了供给煤化工等配套产业利用、矿区大范围综合生态恢复利用、专业化水务公司大区域调配利用等具有中国特色的新路径，有效提升了矿井水利用率，缓解了区域发展水资源短缺问题，并使矿区环境得到大幅改善。

 三、国外矿井水利用现状及特点

 (一)国外矿井水主要利用方式

 国外对于矿井水的利用，除了传统的回用于矿产资源开发生产之外，还用于生活饮用、灌溉、工业和环境等领域。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. 生活饮用水

 国外很多矿区位于干旱少雨地区，水资源紧张，同时矿产开采又加剧了水资源消耗。为了建设环境友好型矿区，同时更好地履行社会责任，很多矿业公司利用矿井水为矿区居民供水，使当地居民从中受益。例如，印度尼西亚的 PT Adaro公司，是印度尼西亚第二大煤炭企业，将处理过的矿井水供给矿区附近的 Padang Panjang和 Dahai两个村庄作为生活饮用水。这两个村庄的村民原先使用河水和井水，由于水质较差给村民带来了许多健康问题。为了给村民供水， PT Adaro公司修建了矿井水处理设施和长达 15km的供水管网。该项目使超过 5500名村民从中受益。另外， PT Adaro公司创新性地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 PT Adaro公司和相关专家的技术培训，提升了企业社会责任与形象。

 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，有利于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，其中约 3万 m3矿井水被用于灌溉 2000hm2的农作物。此外，矿井水还经常被用作干旱时的备用水源，但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。因此矿井水利用前必须进行水质