西北地區已探明的煤炭資源量占全國的70.8%，而水資源總量僅占全國的3.7%。每開采1噸煤，約產生2噸礦井水，全國煤礦排水量與缺水量之間的矛盾越來越受關注。聚焦礦井水的產生機理、利用方式，煤炭企業及相關領域進行了諸多研究和探索。
 

每開采1噸煤，約產生2噸礦井水。煤炭開采產生的大量礦井水，不僅給礦區生態保護帶來了一定的壓力，還造成了水資源的浪費。有數據表明，西北地區已探明的煤炭資源量占全國的70.8%，而水資源總量僅占全國的3.7%。盡管我國礦井水資源利用率在逐漸提高，但全國煤礦排水量與缺水量之間的矛盾越來越受關注。

前不久，在全國煤化工高鹽廢水及礦井水資源化利用技術研討會上，與會代表、專家就現代煤化工高鹽廢水及礦井水資源的綜合利用情況進行了探討。

如何科學合理利用礦井水?如何解決煤化工項目的缺水難題?煤化工高鹽廢水怎么處理?聽聽專家怎么說。

水從哪兒來?

中國地質調查局西安地質調查中心副總工程師侯光才以鄂爾多斯為例，介紹了地下水形成演化過程及礦井水成因。

侯光才介紹，鄂爾多斯依托能源礦產開發利用，經濟實現了跨越式發展。但水資源短缺已經成為制約能源基地建設的瓶頸。

鄂爾多斯市年均降水100毫米至400毫米，由東南向西北減少，蒸發量自東南向西北增加。該市內流區有眾多湖泊，但水質一般較差。

“提高礦井水綜合利用率，是解決鄂爾多斯礦區缺水問題的有效途徑。”侯光才說，“為了探明鄂爾多斯地下水開發利用前景與保護生態環境，中國地質調查局與內蒙古自治區政府合作共同投入5000萬元，開展了鄂爾多斯能源基地地下水勘查項目。”

侯光才介紹，他們對區域水文地質與生態環境、10處水源地供水水文地質等進行了調查，部署了鄂爾多斯能源基地地下水勘查工作。

鄂爾多斯盆地的白堊系含水層地下水資源豐富，是該地區生產、生活所依賴的重要水源，對能源勘探與開發有重要意義。鄂爾多斯盆地白堊系含水層面積為5.5萬平方公里，厚度高、分布廣，依據地層時代可劃分為洛河、環河、羅漢洞和東勝4個含水巖組。據測算，4個含水層平均厚度在450米左右，單井平均出水量約為1500立方米/天，局部出水量更大。

“強富水區分布在伊克烏素—蘇貝淖一帶，單井出水量大于3000立方米/天，最大可達5000立方米/天以上。”侯光才說。

侯光才指出，隨著埋藏深度增加，含水層的孔隙度、滲透性降低，富水性相應變弱。但由于淺層地下水可接受降水的直接補給，地下水更新能力和導水能力強，因此淺層地下水是白堊系含水層系統地下水最富集、最具供水意義的層位。

侯光才根據地下水流系統及循環特征，通過定性分析與剖面數值模擬，提出了鄂爾多斯白堊系盆地地下水循環模式劃分基本指標。

“淺循環模式地下水循環深度為150米至200米，循環速度快，水質好、更新能力強，地下水占總循環量的80%，開采建議為首采區段;中循環模式循環深度在600米左右，循環速度、更新能力中等，地下水占總循環量的15% ，開采建議為有計劃開采區段;深循環模式地下水交替很緩慢，循環深度600米至1000米，地下水循環量僅占5%，開采建議為限制開采區段。”侯光才說，“人工開采、地下水轉化為地表水等，在一定程度上影響著地下水排泄。”

另外，侯光才表示，從化學特征上來看，鄂爾多斯高原白堊系地下水化學成分在空間上也有明顯的分帶規律。淺層地下水徑流途徑較短，水循環積極，水質優良，絕大部分地區礦化度低;中層地下水礦化度空間變化規律與淺層地下水基本一致，總體上由中部區地下分水嶺向地下水排泄區，礦化度稍高;深層地下水礦化度則明顯高于中層和淺層。

通過調查，研究團隊對該地貌水源地及區域地下水資源進行了評價，圈定了13處地下水富集區和60個有供水前景的水源地。評價認為，該地貌天然地下水資源為55.55×108立方米/年，可采資源為27.00×108立方米/年，現狀開采量不足可采資源的三分之一，開采潛力很大。

侯光才以納林河礦區為例，分析了礦井水來源。在該礦區，礦井水主要來源于白堊系地下水，屬頂板水。煤層主要集中于侏羅系地層系統中的中下統，此處孔隙、裂隙承壓水，富水性較弱，但開采煤層產生導水裂隙帶，影響巖層變化。

“第四系薩拉烏蘇含水層和白堊系含水層是鄂爾多斯盆地2個供水的區域含水層，應加以保護與合理開發利用;區內低濕地植被與地下水關系十分密切，在地下水開發和項目建設中，應防止地下水位下降過大對生態產生的不利影響。”侯光才說。

水該如何利用?

內蒙古久科康瑞環保科技有限公司通過產學研用戰略合作，取得了多項高鹽廢水處理技術成果，整體工藝技術達到國內領先水平。該公司副總經理王俊輝介紹了礦井水、煤化工高鹽廢水深度處理及資源化利用技術。

“從本質上講，礦井水實際上就是礦區所采煤層及開拓巷道附近地下水，回用途徑為采煤、礦區生活、煤炭加工和其他途徑。”王俊輝說。

根據國家標準，礦井水按水質類型可分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化礦井水(又稱礦井苦咸水)、酸性礦井水和含有害有毒元素礦井水5類。其中，潔凈礦井水水質較好、pH值為中性，低礦化度，只需稍加處理和消毒即可飲用;含懸浮物礦井水是煤炭開采過程中普遍存在的一種礦井水，懸浮物粒度小、比重輕、沉降效果差。

“五種類型的礦井水各有處理辦法：潔凈礦井水為收集、提升、消毒，含懸浮物礦井水為混凝、沉淀、過濾、消毒，高礦化礦井水為去除懸浮物、反滲透除鹽，酸性礦井水為投加堿性藥物中和反應，含有毒、有害元素礦井水為去除有毒、有害元素。”王俊輝說。

王俊輝表示，從采用工藝上來說，普通中性淡水質的礦井水用作與生活有關的用水項目時，采用城市給水凈化工藝;高濁度礦井水要配合混凝劑、助凝劑等化學品進行沉淀、澄清、過濾后，才能達到使用標準;高礦化度礦井水處理的關鍵技術是除鹽，主要通過蒸餾、離子交換、電滲析、反滲透等方法。

“對于酸性礦井水，處理方法主要為中和法、微生物法、人工濕地法、粉煤灰吸附法等。”王俊輝說。

此外，王俊輝認為，礦井水井上處理方式存在弊端，也指出了礦井水井下處理的優勢及關鍵技術。“井上處理導致基建投資大、礦井水提升運行費用高、占地面積大等問題。井下處理就地復用可節約土地、節省投資，且運行費用低，具有良好的經濟效益和環境效益。”

由于礦井井下空間環境的特殊性，使得礦井水井下處理難度遠大于地面，需要解決好諸多關鍵技術問題，包括井下空間利用、安全防爆、自動控制、系統的模塊化和可移動化設計等技術。

“針對井下設備防爆、防水、防潮等特點，研究開發定型的產品設備，并配備完善的技術操作規程，是礦井水井下處理復用的關鍵措施之一。”王俊輝說。

煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室的蔣斌斌也對礦井水井下儲存與處理技術做了相關研究。他提出，建設煤礦地下水庫為礦井水井下儲用技術之一，煤礦地下水庫主要功能為井下儲水、監控儲水、井下處理、分質利用。

“煤礦地下水庫技術原理為利用采空區巖體空隙作為儲水空間，構筑人工壩體連接遺留煤柱共同組成水庫壩體，形成煤礦地下水庫儲用礦井水。”蔣斌斌說。

蔣斌斌指出，煤礦地下水庫關鍵技術，即水庫選址、庫容確定、壩體構筑、安全防控和水質凈化。他表示，水庫選址時要注意三原則：煤層底板不漏水、采空區域可聚水、開采規劃好調水;庫容確定上，建議采用超大工作面開采技術，將多采空區組合形成分布式地下水庫，增強儲水能力。

壩體設計與構筑上，建議設計結構特殊的地下水庫壩體(非均質、非連續、變斷面)，可以承受采動、礦壓、水壓、礦震等復雜受力;安全保障技術上，要保障庫間調水、壩體應力變形、應急泄水等情況下水庫整體安全，研發出礦震和地震、水位、壩體等參數的實時監控系統，還要通過技術保證水質、對部分污染較重礦井水進行井下專門處理。

蔣斌斌表示，國家能源集團在神東礦區經過近20年的技術探索和工程實踐，首次提出了煤礦地下水庫儲用礦井水的理念，構建了煤礦地下水庫理論框架與技術體系，目前已在其他礦區建成、在建和規劃建設地下水庫50余座。

“煤礦地下水庫技術已在神東礦區全面推廣應用，提供了神東礦區生產生活及生態用水的95%，3年累計供水量10085萬立方米，節約購水費15.13億元，產生直接經濟效益21.35億元。”蔣斌斌說。

煤化工廢水怎么處理?

環境保護部環境工程評估中心主任助理劉志學對通過系統優化、深井灌注，探索高鹽水處理路徑做了相關研究。他表示，現代煤化工主要布局地為鄂爾多斯和新疆伊犁，煤化工新增用水占新增工業用水的比率分別達到37.87%、19.94%，其中鄂爾多斯現代煤化工項目新增用水比率較高，需要找到解決水資源問題的途徑。

劉志學介紹了兩種擬研究的高鹽水處置方式。一種為鹽湖貯存。他表示，中鹽青海昆侖堿業有限公司的鹽湖貯存項目，設計能力為年產100萬噸純堿，采用氨堿法制堿工藝，在38公里外排入廢棄鹽湖貯存。

“鄂爾多斯區域內自然鹽湖較多，總面積達640平方公里。研究表明，在適宜的氣候、地質環境下，通過合理的工程技術方法手段，在我國干旱半干旱地區建立煤化工含鹽廢水生態鹽湖，進行自然蒸發處理是可行的。”劉志學說。

劉志學還表示，廢水生態鹽湖自然蒸發場地，在一定程度上阻斷了場地池水與地下水的水力關系，要制定廢水生態鹽湖自然蒸發處理污染風險預警措施及環境管理措施。

另一種高鹽水處置方式為深井灌注。該技術是將液體(主要是廢水、鹽水等水溶性化合物)儲藏至地下深部多孔巖石地層(例如砂巖和灰巖)或深層土壤層中的一項污染物處置技術。目前，深井灌注技術處理高危廢水較經濟安全，并在美國等發達國家有廣泛應用。

劉志學說，目前，深井灌注是美國處理高危廢水的主要形式。在國內，采用深井灌注技術處理高鹽等工業廢水起步較晚。比較典型的是，重慶索特鹽化公司自2004年利用地下灌注技術處置每年60萬噸的制鹽廢水廢渣。

“深井灌注存在的環境風險主要為廢液在灌注井中的泄漏，影響地下飲用水、地下礦產資源、地質構造以及地表環境等。因此，合適的灌注區域和成熟的灌注技術是實施深井灌注的關鍵因素，也是限制其應用的主要條件。”劉志學說。

開展深井灌注，要滿足一些地質條件：灌注層相對封閉且空間較大;灌注區域地質結構穩定，上下層有緩沖層;灌注廢水與灌注層的巖石相兼容;灌注不會對其他自然資源的開發利用造成影響。

劉志學表示，深井灌注與灌注概念不同，深井灌注是在保護地下環境的前提下開展的灌注行為，應有嚴格的科學依據和規范。他分析稱，國家能源集團鄂爾多斯項目初步滿足地質選址的要求。

劉志學表示，目前，國內在煤化工領域尚無深井灌注相關法律，灌注行為缺乏法律依據。建議制定類似美國《地下灌注控制》等法規，使深井灌注行為有法可依;在技術和管理等層面，國內應當引進和借鑒美國等國相關經驗，同時考慮我國社會現狀和地質的復雜性，應當重點關注區域地下飲用水層、礦產資源安全和地質安全，減少環境風險。

中國礦業大學(北京)化工與環境學院院長何緒文也介紹了一些礦井水利用理念與技術創新模式。他將礦井水利用新模式總結為四種模式，即分質供水、梯級利用;井下處理、就地復用;高品質供水;零排放。

分質供水、梯級利用為地面處理模式，面對多目標用水群體進行供水，適用于量大面廣、以去除煤粉為主要對象的礦井水;礦井水分質處理后，可進一步應用于濕地、人工湖的水量補充或作為綠化用水。

井下處理、就地復用為井下處理模式。它適應機械化開采要求，特別是千萬噸級及以上礦井，對水質、控制水平要求較高，需要處理與開采進度能夠同步。

高品質供水為按需供水模式，適用于煤電、煤化工業園等煤炭上下游產業鏈聚集區，水資源匱乏制約發展地區和苦咸礦井水處理等，有望解決濃水的處理與再利用、長時間運行純凈水水質穩定問題。

零排放模式適用于環境容量小、生態承載力差的生態脆弱地區以及環保要求高、要求無排放地區。

“構建礦井水資源化、生態化利用技術體系，可滿足不同用戶對水質的要求。在此體系中，礦井水可用作工業用水、生活用水、農業用水、生態用水。工業用水可利用分質供水、梯級利用技術，細分用水途徑。”何緒文說，還可以補充現有技術短板，發揮優勢。

何緒文總結道，在缺水地區，可采用結合采煤、選煤、化工等流程工藝，集產水、節水、凈水、配水、用水于一體的礦井水利用模式;在富水地區，采用基于水污染控制、水環境承載力、水生態功能的礦井水利用及風險管控模式。要對新工藝、新技術、新裝備不斷補充與完善，綜合示范與評估后，研發出最佳可行技術。