煤炭开发与地下水资源保护的矛盾及解决路径

煤炭开发与地下水资源保护的矛盾及解决路径

然而，由于缺乏水资源，中国北方和中亚主要产矿基地的资源量很大。然而，随着采矿区水资源的匮乏，采矿过程中的大量废水排放。据统计，当前我国每采出1t煤约平均排放2m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1采矿业对水资源的影响1.1煤炭需约排放情况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”的现状据统计，当前我国采出1t煤炭平均需约排放2m1.2地下含水层排水(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(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(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2矿业和水资源保护的进展2.1煤炭资源利用发展现状近年来，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2.2采空区“疏浚法”矿井水储存再利用技术长期以来，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(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(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1km的长距离缓缓流动，就可实现自然净化当前神东矿区已累计建成35座煤矿地下水库，储水量高达3100万m3对我国煤矿开采与地下水水资源保护的展望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矿井保水开采技术选择以煤矿开采对水资源的