煤炭開發(fā)與地下水資源保護(hù)的矛盾及解決路徑

煤炭開發(fā)與地下水資源保護(hù)的矛盾及解決路徑

然而，由于缺乏水資源，中國(guó)北方和中亞主要產(chǎn)礦基地的資源量很大。然而，隨著采礦區(qū)水資源的匱乏，采礦過(guò)程中的大量廢水排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國(guó)每采出1t煤約平均排放2m煤炭資源的開發(fā)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展的重要保障，然而當(dāng)前我國(guó)煤礦綠色開采水平尤其是水資源保護(hù)和合理利用方面進(jìn)展緩慢，嚴(yán)重制約了煤炭開采整體技術(shù)水平的提高與可持續(xù)發(fā)展1采礦業(yè)對(duì)水資源的影響1.1煤炭需約排放情況我國(guó)聚煤盆地和可采煤炭資源分布呈現(xiàn)“西北欠發(fā)達(dá)地區(qū)多，東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)少”和“北方富煤和南方貧煤”的現(xiàn)狀據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國(guó)采出1t煤炭平均需約排放2m1.2地下含水層排水(1)煤礦開采對(duì)地下水水平衡的影響。為保證安全回采，承壓區(qū)煤層工作面回采前需進(jìn)行疏放頂?shù)装搴畬铀?，持續(xù)的疏放水將導(dǎo)致工作面周邊形成小范圍地下水“降落漏斗”，為補(bǔ)充這一“漏斗區(qū)”的缺水，其周邊地區(qū)的同層含水層水及鄰近含水層水將隨含水層向漏斗區(qū)流動(dòng)或越流而導(dǎo)致原流向的改變(2)煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境的影響。煤層開采的過(guò)程中產(chǎn)生大量粉塵、煤塵并夾雜有害礦物(如硫、砷化合物)等污染物。地下含水層水被改變?cè)剂飨蛴肯虿煽諈^(qū)時(shí)，將粉塵、煤塵及有害礦物等混入其中，造成水資源污染，變成不可利用的污水、廢水(3)礦井排水與供水對(duì)水質(zhì)的影響。由于中西部產(chǎn)煤基底處于干旱區(qū)且長(zhǎng)期排水導(dǎo)致嚴(yán)重缺水，不得不將礦井水經(jīng)初始凈化后作為維持礦井日常生產(chǎn)與職工生活用水(飲用水除外)，但由于礦井排水水質(zhì)差且污水凈化設(shè)施落后，凈化后的水質(zhì)一般也較差，尤其生活用水，普遍具有硬度大、大腸桿菌等菌類含量超標(biāo)的特點(diǎn)。以山西呂梁煤礦區(qū)為例，隨著多年的持續(xù)疏排水，各含水層水位呈逐年下降的趨勢(shì)，且隨著山西組3號(hào)煤層的逐漸枯竭，為維持日常采掘接替和保證產(chǎn)出煤量，各大礦井不得不向深部太原組9號(hào)、15號(hào)煤層的開拓延伸，受埋藏深度和開采標(biāo)高影響，煤層底板直接含水層(太原組薄層灰?guī)r含水層)間接含水層(奧陶系灰?guī)r含水層)水壓較大，面臨突水威脅，為保證帶壓安全開采，礦井疏排水水量呈數(shù)倍增加，同時(shí)礦井水硬度(由疏排太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r水造成)及硫、砷(太原組煤層硫、砷等化合物含量較高)等有害元素濃度也急劇增加。導(dǎo)致之前經(jīng)初始凈化即可充當(dāng)生活用水(飲用水除外)的日子也一去不復(fù)返。菌類的嚴(yán)重超標(biāo)且含有大量有害元素的礦井水也給脆弱的生態(tài)及環(huán)保也帶來(lái)了較大難題2礦業(yè)和水資源保護(hù)的進(jìn)展2.1煤炭資源利用發(fā)展現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著國(guó)家優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)和“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”理念的提出以及淘汰落后產(chǎn)能，釋放優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能的配套舉措，礦井水資源保護(hù)及合理開發(fā)利用已成為煤炭開采熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，并受到煤炭產(chǎn)業(yè)和社會(huì)的持續(xù)關(guān)注。各級(jí)政府也相繼出臺(tái)了一系列保護(hù)煤礦區(qū)水資源的政策與法規(guī)，對(duì)礦井水資源的保護(hù)與利用也提出了嚴(yán)格的要求2.2采空區(qū)“疏浚法”礦井水儲(chǔ)存再利用技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)，針對(duì)煤炭開采對(duì)地下水的影響問(wèn)題，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)合作進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)技術(shù)研究，技術(shù)開發(fā)和試驗(yàn)實(shí)踐工作，包括矸石充填、“下三帶”研究和煤炭開采地下水運(yùn)移規(guī)律、保水采煤等基礎(chǔ)研究。錢鳴高院士率先提出煤炭綠色開采理念和西部礦區(qū)保水開采技術(shù)研究的若干技術(shù)前沿領(lǐng)域目前，煤礦保水開采技術(shù)大致形成了2種技術(shù)路徑:即以“堵截法”為主的煤礦保水開采技術(shù)和以“疏導(dǎo)法”為主的礦井水儲(chǔ)存再利用技術(shù)(1)煤礦保水開采技術(shù)?！岸陆胤ā泵旱V保水開采技術(shù)的重點(diǎn)為“堵”，即采用一定的工程技術(shù)手段防止采空區(qū)上方形成垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶，以保留煤層上方隔水巖層的完整不被破壞，進(jìn)而堵截煤層頂板含水層水向采空區(qū)滲漏，維持含水層的原始徑流，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)含水層水的目的。目前采用的較實(shí)用技術(shù)手段主要包括矸石充填采空區(qū)開采、煤層限高開采、房柱式與條帶式開采、關(guān)鍵層保水區(qū)域劃分等，其優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)施過(guò)程中將對(duì)原始巖層和含水層破壞小，使其基本能保持自然水的動(dòng)態(tài)平衡(2)礦井水儲(chǔ)存再利用技術(shù)。“疏導(dǎo)法”礦井水儲(chǔ)存再利用技術(shù)是原神華集團(tuán)(現(xiàn)國(guó)家能源集團(tuán))聯(lián)合國(guó)內(nèi)高校和科研院所，在神東礦區(qū)經(jīng)近20年技術(shù)攻關(guān)和實(shí)踐成功開發(fā)的一種煤礦地下水庫(kù)技術(shù)(礦井水儲(chǔ)存再利用技術(shù))。其原理是利用煤層回采后形成的采空區(qū)巖體空隙儲(chǔ)存地下水，用井下人工壩體將原本分散不連續(xù)的防隔水安全煤柱連接起來(lái)，形成一個(gè)個(gè)相對(duì)封閉的儲(chǔ)水空間，多個(gè)采空區(qū)儲(chǔ)水空間設(shè)施組合在一起，形成一個(gè)巨大的儲(chǔ)水池，并配備礦井水注入設(shè)備和抽水設(shè)備及相應(yīng)管道。通過(guò)自然壓差供水，不僅解決了地面污水處理廠建設(shè)和運(yùn)行成本高等問(wèn)題，而且避免了礦井水外排造成的資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)難題，實(shí)現(xiàn)了地下污水零升井和礦井水的井下儲(chǔ)存與再利用，促進(jìn)了煤炭開采與地下水水資源保護(hù)利用的相互協(xié)調(diào)發(fā)展礦井水儲(chǔ)存再利用技術(shù)技術(shù)充分利用了采空區(qū)破碎矸石對(duì)礦井水的自然凈化作用:通過(guò)設(shè)置管道，泵抽礦井水至位置較高的采空區(qū)，利用“水往低處流”的原理，礦井水經(jīng)采空區(qū)中的矸石空隙，由高處向低處緩慢流動(dòng)(坡度6°～7°)，最終匯聚在相對(duì)較低的采空區(qū)，形成地下水庫(kù);由于矸石富含碳且結(jié)構(gòu)疏松，對(duì)礦井水有較強(qiáng)的過(guò)濾、凈化作用(國(guó)家能源集團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分析表明，礦井水經(jīng)采空區(qū)自然凈化后，懸浮物和有機(jī)物濃度顯著降低，并隨流動(dòng)距離和時(shí)間的延長(zhǎng)凈化效果更明顯);污水在矸石縫里經(jīng)過(guò)1km的長(zhǎng)距離緩緩流動(dòng)，就可實(shí)現(xiàn)自然凈化當(dāng)前神東礦區(qū)已累計(jì)建成35座煤礦地下水庫(kù)，儲(chǔ)水量高達(dá)3100萬(wàn)m3對(duì)我國(guó)煤礦開采與地下水水資源保護(hù)的展望隨著國(guó)家優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)中的比重呈逐年降低的趨勢(shì)，由2010年的69.2%降至2020年的57.5%。淘汰落后產(chǎn)能，釋放優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能成為我國(guó)煤控改革的主要舉措，進(jìn)而改善環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)綠色礦山發(fā)展。借此契機(jī)，煤礦保水開采技術(shù)的推進(jìn)勢(shì)在必行。雖然“堵截法”正處于技術(shù)攻關(guān)和個(gè)別煤礦初步實(shí)踐與探索階段，但其技術(shù)延續(xù)性和方案普遍適用性對(duì)我國(guó)煤礦區(qū)尤其是中小型煤礦和大水礦區(qū)的煤炭開采與地下水水資源保護(hù)道路指明了技術(shù)方向。未來(lái)，隨著該路徑技術(shù)的日趨成熟，相信會(huì)成為中小型煤礦和大水礦區(qū)煤礦開采與地下水水資源保護(hù)優(yōu)先選擇的路線?！笆鑼?dǎo)法”在神東礦區(qū)具有成功的先例，為當(dāng)前煤炭開采地下水保護(hù)利用開辟了一條有效的途徑。但是由于神東礦區(qū)開發(fā)侏羅紀(jì)煤層，煤層埋藏淺，地質(zhì)條件特殊不具普遍代表性，技術(shù)是否具有普遍適用性有待進(jìn)一步商榷。尤其是中東部中小型煤礦和煤層傾角較大的煤礦或者水文地質(zhì)復(fù)雜礦區(qū)的大水礦區(qū)(如河南焦作、河北邯鄲、安徽淮北淮南等)的應(yīng)用尚無(wú)先例，并且相關(guān)部門尚未出臺(tái)煤礦地下水庫(kù)技術(shù)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這也將制約其大規(guī)模推廣應(yīng)用。保水開采技術(shù)需在不斷探索中前行，“堵截法”和“疏導(dǎo)法”的融合應(yīng)用也未來(lái)可期。礦井要敢于嘗試新技術(shù)、新理論，在不斷探索實(shí)踐中科學(xué)合理地選擇適用于礦井自身的保水開采技術(shù)，使礦井水向著資源優(yōu)化配置方向發(fā)展，形成資源開發(fā)與水資源循環(huán)利用的綜合體系，在保護(hù)水資源的同時(shí)使煤礦的開采更加科學(xué)與環(huán)保。4礦井保水開采技術(shù)選擇以煤礦開采對(duì)水資源的