我国煤炭开采水资源保护利用技术研究进展
水资源短缺是全球性问题，我国是全球最缺水的国家之一。煤炭资源与水资源的逆向分布使得我国煤炭开采水资源保护利用成为煤炭绿色开发的重大技术难题。我国西部已成为煤炭的主产区，但该地区生态环境脆弱，水资源蒸发量大，矿井水外排后蒸发损失是我国目前煤炭开采年损失 60 亿 t 矿井水的主要原因。系统分析了煤炭开采水资源保护利用的技术进展及工程应用特点; 介绍了神华集团经过近 20 年的技术探索和工程实践，突破传统理念，首次提出采空区储用矿井水的技术构想，攻克了水源预测、水库选址、库容计算、坝体构筑、安全控制和水质保障等技术难题，构建了煤矿地下水库技术体系。该技术已在神东矿区全面实施，并将在西部其他矿区推广应用，为煤炭开采水资源保护利用开辟了有效的技术途径。
1 问题的提出
我国是全球最大的煤炭生产和消费国，2014 年煤炭生产和消费分别占全球的 46. 9% 和 50. 6%[1]; 煤炭在我国一次能源生产与消费中长期占 70% 左右( 图 1) ，煤炭在我国的主体能源地位较长时期内不会发生改变，安全和绿色已成为当前煤炭开采的主题。目前，我国煤炭安全形势趋好，煤炭百万吨死亡率已经由 2000 年的 5. 77 降低至 2014 年的 0. 257 ( 图 2) 。我国煤炭开采效率已达世界先进水平，在煤机装备、煤炭开采工艺方面全球领先。全球 95% 以上的千万吨矿井都在中国。绿色开采是煤炭科学开发的核心内容，而煤炭开采水资源保护与利用是煤炭绿色开采面临的重大难题。我国煤炭绿色开采水平提升缓慢，严重影响了煤炭开采整体技术水平的提高。因此，习总书记 2014 年 6 月 13 日在有关能源革命的讲话中指出，煤炭开采对地下水资源和地表生态的破坏是煤炭开发面临的主要问题。笔者针对水资源短缺的全球性问题，分析了我国煤炭资源与水资源逆向分布特征; 总结了我国西部煤炭开采水资源保护利用的技术进展，指出矿井水井下储用是煤炭开采水资源保护与利用的主要技术方向。
2 水资源短缺是全球性问题
水是生命之源、生产之要、生态之基。据统计，地球上水的总储量约 1. 26 × 1018 m3 ，海水和其他咸水占 97. 47% ，淡水仅占 2. 53% ; 其中，人类真正可利用的河水、淡水湖水和浅层地下水等淡水资源总量约为 4. 15 × 1015 m3 ，仅占地球总水量的 0. 3% 左右[2 - 4]。随着世界人口数量增加，淡水需求量逐年增加，而可用淡水总量却以 6. 4 × 1010 m3 /a 的速度减少。目前，全球约 7. 8 亿人难以获取可用的洁净淡水资源，超过 20 亿人生活在供水高度紧张的地区; 预计到 2050 年，世界人口的 67% 将生活在水资源严重稀缺的地区[5 - 10]。中国从 20 世纪 70 年代开始出现水资源紧缺问题; 20 世纪 80 年代以来，中国的水资源紧缺由局部逐渐蔓延至全国，对国民经济带来严重影响。我国是全球最缺水的国家之一，2014 年人均水资源已不足 2 000 m3 ，水资源形势极为严峻[11]。我国淡水资源分布不均，表现为“南多北少，东多西少”: 长江流域及其以南地区面积占全国 36. 5% ，而水资源量占全国的 81% ; 淮河流域及其以北地区的面积占全国 63. 5% ，其水资源量仅占全国的 19% ; 我国北方人口占全国总人口的 2 /5，但水资源占有量不足全国水资源总量的 1 /5 [12 - 14]。从水量上看，全国 561 个地级以上城市中 400 多个缺水。为缓解区域水资源紧张状况，我国相继修建了多项大型跨流域调水工程，如南水北调工程、天津引滦入津工程、山东引黄济青工程、山西引黄入晋工程和陕西引汉入渭工程等[15]，部分缓解了区域用水紧张难题。
3 水资源保护利用是煤炭绿色开发面临的重大技术难题
3. 1 我国煤炭资源与水资源逆向分布中国工程院相关研究表明，我国含煤盆地和煤炭资源呈“井”字型分布格局，即煤炭资源受东西向展布的天山 - 阴山构造带、昆仑 - 秦岭 - 大别山构造带和呈南北向展布的大兴安岭 - 太行山 - 雪峰山构造带、贺兰山 - 六盘山 - 龙门山构造带控制。煤炭资源分布具有西多东少、北多南少和东深西旱特征[16]。目前，东 部 新 汶、徐州等老矿区采深已达 1 000 m 左右，且资源日渐枯竭，开采复杂程度加大; 西部地区煤炭埋藏浅、煤层厚、开采条件相对简单，已成为煤炭主产区，煤炭产量已占全国 70% ，且比例不断增加( 图 3) 。我国水资源与煤炭资源呈逆向分布，中西部富煤地区多处于干旱和半干旱的生态脆弱区，水资源短缺且地表生态脆弱; 主要煤炭基地水资源短缺，矿区供水主要靠抽取地下水资源和矿井水综合利用，矿区建设面临找水、水资源综合利用和水权配置难题[17]。
3. 2 水资源保护利用是西部煤炭开发面临的重大难题水资源保护与利用是煤炭开发长期面临的重大难题。据统计，我国开采 1 t 煤炭约产生 2 t 矿井水，但矿井水利用率仅 25% 左右[18 - 20]; 目前每年产生矿井水约 80 亿 t [21]，矿井水年损失量达 60 亿 t，相当于我国每年工业和民用缺水量( 100 亿 t) 的 60% 。煤炭开发水资源损失的主要原因是矿井水外排地面没有得到有效利用，在西部矿区尤为明显。我国西部煤炭主产区气候干旱，年蒸发量是降水量的 6 倍以上，为保障安全生产，矿井水都是外排地表后排放，但由于蒸发量大，不能有效储存和利用。如何实现煤炭开发与水资源保护利用相互协调是西部矿区煤炭绿色开发面临的重大技术难题，也是西部矿区生态文明建设的核心内容之一。
3. 3 国家高度重视矿井水保护利用矿井水保护利用已成为煤炭绿色开发的难点和热点问题，受到全社会的关注。习总书记在中央财经领导小组第六次会议上提出: 我国煤炭资源丰富， “煤老大”在较长时间内作为我国主体能源的地位不会发生变化。煤炭的大量开采和使用带来两大突出问题: 一是煤炭开采对地下水资源和地表生态的破坏; 二是煤炭消费对环境的破坏。
4 煤炭开采水资源保护利用的技术进展
长期以来，针对煤炭开采对地下水的影响问题，国内外进行了大量的技术研究和工程实践。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领域，指出必须研发适合于西部矿区的煤炭开采与水资源协调技术[30 - 32]。据此不同机构和学者展开了大量的研究工作，包括煤炭开采“三带”和煤炭开采地下水运移规律等基础研究[33 - 40]，形成了两类技术途径: 一是以“堵截法”为特征的保水开采技术; 二是以“疏导法”为特征的矿井水储存利用技术。
4. 1 “堵截法”为特征的保水开采技术 “堵截法”保水开采技术的核心是保护煤层上 方隔水层完整性，避免形成导水裂隙，从而堵截地下水向下渗流，实现保护含水层地下水的目的。采用的主要技术手段包括充填开采、限高开采、房柱式开采、保水区域划分等[41 - 47]。充填开采在我国东部和中部矿区，特别是“三下”采煤中得到较好的应用，但在我国西部煤炭主产区推广应用，必须解决提高充填效率和降低充填成本等难题。针对西部煤炭开采地下水保护，相关学者研发了基于生态水位保护的保水区域划分、房柱式开采和条带式开采等技术[48 - 50]，但其推广应用尚需解决提高煤炭资源采出率等问题。
4. 2 “疏导法”为特征的矿井水井下储用技术该技术是采用疏导手段，在掌握并利用煤炭开采地下水运移规律基础上，将矿井水转移至采空区进行储存，并建设相应的抽采利用工程，确保矿井水不外排地表，实现矿井水资源的保护利用。神华集团在神东矿区经过近 20 年技术攻关和工程实践，研发成功了煤矿地下水库技术，即利用煤炭开采形成的采空区岩体空隙，用人工坝体将不连续的安全煤柱连接形成水库坝体，形成相对封闭的储水空间，同时建设矿井水注入设施和取水设施，充分利用采空区岩体对矿井水的自然净化作用，实现矿井水井下储存与利用[51 - 52]，该技术已成功在神东矿区全面实施。
4. 3 煤炭开采地下水资源保护利用的技术探索针对西部矿区煤炭开采矿井水外排损失的问题，神华集团联合中国矿业大学( 北京) 、中国矿业大学、清华大学和中国煤炭科工集团西安研究院等高校和科研机构，在神东矿区开展了《神东矿区水资源保护性开采与综合利用技术》《神东矿区水资源保护性采煤技术研究与应用》《神东矿区现代煤炭开采对地下水资源和生态影响规律研究》等多项科技创新项目和工程实践，掌握了神东矿区煤炭开采地下水的运移规律，开展了矿井水保护利用的技术探索: 一是设法阻止矿井水的产生，主要采用限高和充填开采技术; 二是在地面建设储水设施; 三是探索在井下储用矿井水。
5 煤矿地下水库技术在西部矿区成功应用
神华集团在神东矿区成功应用煤矿地下水库技术，目前累计建成 35 座煤矿地下水库，储水量约 2 500 万 m3 ; 并在神东矿区大柳塔矿建成首座煤矿分布式多层地下水库，由 2 号煤层的 3 座地下水库和 5 号煤层的1 座地下水库组成，储水量达710 万 m3 ，实现了矿井水不外排。近 3 年来，煤矿地下水库供应了矿区用水的 95% 以上，2014 年煤矿地下水库给矿区供水达 6 500 万 m3 ，为世界唯一的 2 亿 t 级矿区提供了水资源保障; 3 年为神东矿区累计创造经济效益 27. 85 亿元，包括节约生活和生产用水的购水费用 23. 29 亿元和节约的矿井水外排费用、地面水处理费用及排污费用等 4. 56 亿元。神华集团已掌握了该技术成套的自主知识产权，累计申报煤矿地下水库方面的国内专利 70 余项: 其中已授权的专利 51 项( 发明专利 29 项) ; 申报 PCT 专利 4 项，开辟了我国西部煤炭主产区煤炭开采水资源保护与利用新的路径，实现了煤炭开采与水资源保护利用的协调。其中: “一种矿井地下水的分布式利用方法”发明专利荣获第十七届中国专利奖金奖，成为在 1989 年该奖项设立以来煤炭行业获得的第 3 个中国专利金奖; 以该技术为核心技术支撑的“生态脆弱区煤炭现代开采地下水和地表生态保护关键技术”成果获得国家科技进步二等奖; “煤矿地下水库关键技术与应用”成果获得内蒙古自治区科技进步一等奖。该技术相继被国土资源部和国家科技部等作为先进技术在全国进行推广应用，世界煤炭协会制作了煤矿地下水库专题案例，在世界主要煤炭企业推广应用。神华集团在所属的煤矿区，包括包头矿区、新街矿区、榆神矿区、宁东矿区、大雁矿区、新疆矿区等全面推广应用该技术; 2015 年 9 月国家科技部批准了神华集团以煤矿地下水库为核心技术建设的 “煤炭开采水资源保护与利用”国家重点实验室，神华集团将致力于西部不同地质特征和煤炭开采条件下的矿区水资源保护利用技术研发和工程实施，为我国西部煤矿区煤炭开采水资源保护利用提供科技支撑。
6 煤矿地下水库技术发展方向
煤矿地下水库技术涉及采矿工程、工程地质、水文地质、水利工程和环境工程等多个学科，是复杂的系统工程，面临众多技术难题，如水源预测、水库选址与规划、储水系数计算、坝体构筑工艺、坝体参数设计、库间通道建设、安全保障技术、岩体对矿井水净化规律、水质控制、高矿化度水处理等基础理论和应用技术难题，未来将依托“煤炭开采水资源保护与利用”国家重点实验室，联合国内外科研院所，开展基础理论研究与突破关键技术，形成适用于我国西部煤炭主产区的水资源保护与利用技术体系。未来将开展以下研究工作: 1) 煤炭开采对地下水系统的影响评价与区域水资源动态平衡理论研究。包括: 煤炭开采岩体裂隙演化规律及控制机理、煤炭开采对地下水系统的影响规律、煤炭开采引起的应力场变化与地下水位的影响、区域水资源动态平衡理论与技术等。 2) 煤矿地下水库基础理论研究。包括煤炭开采的采动应力场、裂隙场和渗流场“三场”关系及演化机理; 采空区岩体对矿井水的自净化机理; 煤矿地下水库储水对地下水循环系统和地表植被生长的影响; 煤矿地下水库坝体安全与水体优化调度理论等。 3) 煤矿地下水库关键技术研发。包括煤矿地下水库坝体构筑工艺及参数优化研究、煤矿地下水库安全保障技术、煤矿地下水库协调运行技术、煤矿地下水库水质保障技术、煤矿地下水库水质分级处理技术、矿井水高效循环利用技术等。
7 结 论
1) 水资源短缺是一个全球性问题，尤其在我国煤炭主产区的西部矿区，由于特殊的地理气候条件，干旱少雨，水资源供需矛盾十分突出，严重制约该地区煤炭绿色开发。 2) 以“堵截法”理念为特征的保水开采技术必须进一步解决提高开采效率和煤炭资源采出率等技术难题。 3) 煤矿地下水库技术作为“疏导法”理念的代表技术，实现了煤炭资源与水资源的协调开采，为西部煤炭开采地下水保护利用开辟了一条有效的技术途径。 4) 煤矿地下水库技术复杂的系统工程，涉及采矿、水利、地质和环境等多个学科，还须进一步开展相关基础理论研究和技术攻关，从而形成适用于不同地质和开采条件的理论与技术体系，为保护利用我国每年煤炭开采损失的 60 亿 t 矿井水提供科技支撑。
参考文献( References) :
[1] BP 公司. 2015 年 BP 世界能源统计年鉴[R]. 伦敦: BP 公司， 2015.
[2] WWAP ( United Nations World Water Assessment Programme) . United Nations World Water Development Report 2014，water and energy[R]. Paris: UNESCO，2014.
《我国煤炭开采水资源保护利用技术研究进展》来源：《煤炭科学技术》，作者：顾大钊1，2 ，张 勇1，2 ，曹志国1，2
