方向清

(中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004)

我國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國煤炭探明總儲量在9 000億t以上，居世界第三；已知含煤面積55萬多km2，且煤種齊全。煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源資源，煤炭開采存在引發(fā)諸多的生態(tài)環(huán)境問題，為此，20世紀(jì)末提出了保水采煤的理念。不論是保水采煤技術(shù)，還是綠色采煤技術(shù)或是礦井水回灌技術(shù)主要是考慮煤炭生產(chǎn)過程中環(huán)境問題，而煤礦關(guān)閉后還不可避免的存在礦井水酸化、污染河流和破壞土地資源等生態(tài)環(huán)境問題。本文基于煤炭生產(chǎn)全生命周期的理念，提出礦井水灌溉系統(tǒng)、礦井水生物工廠2種新型的采煤技術(shù)模式，不僅解決煤礦生產(chǎn)過程中的礦井水排放問題，而且解決因煤礦關(guān)閉(后生產(chǎn)周期)而引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題。

1 保水采煤

1.1 “保水采煤”的發(fā)展

隨著西部煤炭資源的開發(fā)利用，1990年之后形成了保水采煤的基本思想。

1990年4月28日和12月20日，神北礦區(qū)的瓷窯灣煤礦先后兩次發(fā)生巷道冒頂事故，引發(fā)了地下水水位的持續(xù)下降、順溝渠水庫干涸、飲馬泉流量迅速減少，小溪斷流和植被枯萎等生態(tài)環(huán)境問題。1992年，韓樹青等論述了陜北侏羅紀(jì)煤田開發(fā)的水文地質(zhì)問題[1]，范立民首次提出“保水采煤”的觀點(diǎn)，認(rèn)為生態(tài)脆弱區(qū)的地下水保護(hù)是至關(guān)重要的[2]。1995年范立民提出了開展陜北侏羅紀(jì)煤田水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合研究的建議，主要研究煤炭開發(fā)對水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)條件的影響及控制對策。煤炭工業(yè)部“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃啟動了《中國西部侏羅紀(jì)煤田(榆神府礦區(qū))保水采煤與地質(zhì)環(huán)境綜合研究》項(xiàng)目，首次明確提出“保水采煤”概念，奠定了保水采煤研究的基礎(chǔ)。2000年6月19日，范立民在《光明日報(bào)》撰文，呼吁根據(jù)地質(zhì)條件，對于破壞含水層結(jié)構(gòu)的區(qū)域暫緩開采或不采，做好西部煤礦區(qū)的含水層保護(hù)問題[3]。2003年以后，范立民在陜西省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃《陜北煤炭資源開發(fā)可持續(xù)發(fā)展思路》等課題中發(fā)表了系列論點(diǎn)，探討了保水采煤的問題。

2003年錢鳴高院士提出了綠色開采的概念和技術(shù)體系[4](圖1)，保水采煤成為綠色開采的重要組成部分。2004年以后，王雙明、范立民提出了以生態(tài)水位保護(hù)為核心的保水采煤技術(shù)體系，在榆樹灣煤礦、榆陽區(qū)的地方煤礦開展了保水開采工程實(shí)踐[5-8]。

圖1 煤礦綠色開采技術(shù)體系

1.2 存在問題

不論是綠色采煤技術(shù)，還是礦井水回灌技術(shù)主要考慮的是采煤過程中的煤炭及伴生資源利用、水資源保護(hù)的問題，而忽視了煤礦關(guān)閉后的生態(tài)環(huán)境問題。

1)關(guān)閉煤礦礦井水污染地表河流和土地資源。云南凱里魚洞河流域白水河和平路河的下游干流受河流沿岸關(guān)閉煤礦酸性廢水污染，pH值、硫酸鹽、總鐵和鎘超標(biāo)[9]。

2)關(guān)閉礦井老空水破壞了地下水水環(huán)境，威脅著飲水安全。山東淄博洪山、寨里煤礦關(guān)閉后，老空水水位反抬升，并通過多種途徑補(bǔ)給奧灰水[10]。

3)關(guān)閉礦井老空水引發(fā)鄰區(qū)礦井突水。2010年2月6日，旗山煤礦發(fā)生一起特大突水災(zāi)害，主要原因是鄰區(qū)關(guān)閉煤礦賈汪礦區(qū)高壓老空水通過韓橋煤礦200m 運(yùn)輸石門水閘墻附近的圍巖中隱伏的過水通道進(jìn)入礦井而引起的[10]，致使旗山煤礦-850m以下水平被淹，瞬時(shí)礦井涌水量達(dá)4 500～6 000m3/h。

2 礦井水全生命周期

礦井水是伴隨資源開采而產(chǎn)生的二次資源，具有生命周期性，根據(jù)資源利用的前生產(chǎn)期(勘查階段)、生產(chǎn)初期(建井至小規(guī)模生產(chǎn))、生產(chǎn)晚期(大規(guī)模生產(chǎn)至生產(chǎn)晚期)后生產(chǎn)期(礦山關(guān)閉以后)四個(gè)階段，可將礦井水生命周期劃分為天然期、生長期、成熟期、死亡(或退化)期四個(gè)階段(表1)。

表1 礦井水全生命周期

3 礦井水利用技術(shù)模式

3.1 礦井水綜合利用影響因素

礦井水的水質(zhì)決定了礦井水的用途，因而，影響礦井水綜合利用主要影響因素是礦井水的水質(zhì)及其用途。

3.1.1 水質(zhì)

按礦井水水質(zhì)特征，將全國礦井水大致分為：常見組分礦井水、酸性礦井水、高礦化度礦井水、高硫酸鹽礦井水、高氟礦井水以及含特殊組份的礦井水這6大類型[10]。其中常見組分礦井水和含特殊組分的礦井水一般不用處理或簡單處理即可利用，對于酸性礦井水、高礦化度礦井水、高硫酸鹽礦井水、高氟礦井水需要進(jìn)行特殊處理才能利用。

3.1.2 用途現(xiàn)狀

如表1所示，礦井水利用是針對煤礦生產(chǎn)過程疏排水，且局限于煤礦企業(yè)生產(chǎn)生活用水，少量供周邊生活用水。

1)礦區(qū)周邊供水。目前，我國煤礦礦井水凈化后供生活用水水量為5×105m3/d。

2)灌溉用水。主要是工業(yè)場地綠化用水。

3)工業(yè)用水。主要是煤礦、洗煤廠、矸石電廠、水泥廠等企業(yè)用水。

為解決礦井水全生命周期利用問題，就必須建立礦井水永久利用機(jī)制，鑒于我國目前煤炭主要生產(chǎn)基地大部分分布于水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱的中西部的特點(diǎn)，應(yīng)采取建立永久性灌溉和生物工廠。

3.2 劃分依據(jù)

礦井水綜合利用是由礦井水水質(zhì)、用途所決定的。因此，依此將全生命周期的礦井水利用技術(shù)劃分為礦區(qū)周邊供水、生態(tài)采煤用水2種模式(圖2)，圖2中的煤礦生產(chǎn)用水屬煤礦生產(chǎn)期，不屬此列。其中生態(tài)采煤用水模式根據(jù)用途再分為礦井水灌溉系統(tǒng)、礦井水生物工廠2種亞模式。進(jìn)一步將礦井水灌溉系統(tǒng)、礦井水生物工廠劃分為煤礦礦井水聯(lián)合澆灌系統(tǒng)、煤礦礦井水生態(tài)灌溉系統(tǒng)、煤礦礦井水無土農(nóng)業(yè)栽培系統(tǒng)、煤礦礦井水生物能源系統(tǒng)。

圖2 礦井水利用技術(shù)模式

由于礦區(qū)周邊供水是目前既有礦井水利用模式，本文不再敘述。

3.3 煤礦礦井水灌溉系統(tǒng)亞模式

3.3.1 煤礦礦井水聯(lián)合澆灌系統(tǒng)

礦井水聯(lián)合澆灌系統(tǒng)(圖3)將處理后的礦井水蓄水池通過聯(lián)合水壓站和聯(lián)合渠構(gòu)建成集中式的礦井水供水源，再通過分支水壓站、主渠和分渠對特定區(qū)域農(nóng)作物進(jìn)行澆灌。建成的澆灌系統(tǒng)在煤礦關(guān)閉后仍可繼續(xù)使用，這樣不僅保證采空積水為一動態(tài)循環(huán)水，水質(zhì)不會變差，而且保證了地面農(nóng)作物區(qū)正常動作。

①蓄水池；②分支水壓站；③主渠；④支渠水閘；⑤分渠滴灌系統(tǒng)；⑥聯(lián)合水壓站；⑦聯(lián)合渠

3.3.2 煤礦礦井水生態(tài)灌溉系統(tǒng)

生態(tài)灌溉系統(tǒng)(圖4)由與礦井水排泄系統(tǒng)相連接的蓄水池，礦井水通過沉淀或處理達(dá)到灌溉用水水質(zhì)要求時(shí)，通過一級加壓站輸出到主管道，再通過次級加壓站輸送到滴灌系統(tǒng)或噴灑系統(tǒng)，滴灌系統(tǒng)或噴灑系統(tǒng)的多少根據(jù)礦井水排泄量設(shè)定。該系統(tǒng)適用于保護(hù)天然(或人工)植被不受采煤影響。

①蓄水池；②一級加壓站；③主管道；④次級加壓站；⑤滴灌系統(tǒng)；⑥噴灑系統(tǒng)

3.4 煤礦礦井水生物工廠亞模式

3.4.1 煤礦礦井水無土農(nóng)業(yè)栽培系統(tǒng)

無土農(nóng)業(yè)栽培系統(tǒng)(圖5)是為礦井水宜回滲礦井而不宜灌溉區(qū)而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)包括礦井水蓄水池、水過濾系統(tǒng)、輸送主管、多個(gè)無土蔬菜栽培車間和多個(gè)無土糧食栽培車間。

①礦井水蓄水池；②沉淀池；③重金屬水過濾系統(tǒng)；④壓輸送裝置 ⑤輸送主管；⑥無土蔬菜栽培車間；⑦無土糧食栽培車間

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，改善了地下水排放產(chǎn)生的不良影響；改善地面生態(tài)系統(tǒng)、同時(shí)利用礦井水建立蔬菜和糧食工廠，減少大氣中CO2，通過礦井水生產(chǎn)蔬菜和糧食，創(chuàng)造了礦井再利用的經(jīng)濟(jì)效益；煤礦關(guān)閉后，仍能繼續(xù)利用礦井水，保證煤礦關(guān)閉后采空區(qū)不會產(chǎn)生酸性水而影響地下水水環(huán)境。

如遼寧省沈陽市建立了小韓村蔬菜工廠，為全國首家蔬菜工廠[11]，占地面積8.6×104m2，建筑面積5×104m2。工廠按功能劃分為科技展示區(qū)和生產(chǎn)示范區(qū)?？萍颊故緟^(qū)包括現(xiàn)代果蔬園、綠色創(chuàng)意園、果香茗園、瓜藝田園。生產(chǎn)示范區(qū)有育苗工廠。果菜植物工廠、葉菜植物工廠。實(shí)現(xiàn)了立體化、多層次、全天候的工廠化生產(chǎn)模式。

3.4.2 煤礦礦井水生物能源系統(tǒng)

礦井水生物能源系統(tǒng)(圖6)是專門為礦井水不宜灌溉地區(qū)且不需農(nóng)作物生產(chǎn)地區(qū)設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)包括礦井水蓄水池、水過濾裝置、輸送主管和多個(gè)微生物(如葡萄藻等)養(yǎng)殖車間。

①礦井水蓄水池；②水過濾裝置；③加壓輸送裝置；④輸送主管；⑤微生物養(yǎng)殖車間；⑥微生物加工設(shè)備

如南昌大學(xué)博士黃學(xué)平2017年設(shè)計(jì)制作了豬沼液處理耦合培養(yǎng)小球藻的系列工藝系統(tǒng)[12]，研究分析了沼液處理效果、藻生長與產(chǎn)油潛力性能。養(yǎng)豬廢水培養(yǎng)環(huán)境下，小球藻耐污、耐沖擊能力強(qiáng)，小球藻的生長速度較快、生物量高，能夠在養(yǎng)豬廢水環(huán)境中優(yōu)勢生長；藻油脂含量高、總脂收獲量大、產(chǎn)油潛力大；能較好地脫氮除磷、降解有機(jī)物，對培養(yǎng)系統(tǒng)中的沼液水質(zhì)凈化效果最好。因此確認(rèn)小球藻是適應(yīng)養(yǎng)豬廢水培養(yǎng)環(huán)境能力強(qiáng)、能優(yōu)勢生長、產(chǎn)油潛力大、對沼液水質(zhì)凈化效果好的目標(biāo)藻種篩選對象。

3.5 模式特點(diǎn)

以上四種利用系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1)改善了地下水排放產(chǎn)生的不良影響。礦井水不需無序排放或回灌，不會產(chǎn)生對地表或地下水環(huán)境的破壞。

2)地面生態(tài)系統(tǒng)，通過農(nóng)田、植被灌溉，維護(hù)或改善了地表生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)。

3)減少大氣中CO2。利用礦井水建立微生物、蔬菜和糧食工廠，能有效降低大氣中的CO2。

4)煤礦關(guān)閉后，仍能繼續(xù)利用礦井水，保證煤礦后生產(chǎn)周期采空區(qū)不會產(chǎn)生酸性水而影響地下(或地表)水水環(huán)境。

5)通過礦井水養(yǎng)殖微生物、蔬菜和糧食，創(chuàng)造了礦井水再利用的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

1)在系統(tǒng)總結(jié)煤炭開采技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于全生命周期的礦井水利用技術(shù)模式架構(gòu)。

2)在分析研究我國中西部生態(tài)環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出礦井水灌溉系統(tǒng)、礦井水生物工廠2種礦井水利用技術(shù)模式。

3)礦井水利用技術(shù)模式具有改善礦井水排放產(chǎn)生的不良環(huán)境問題、降低大氣CO2含量、創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益、改善煤礦后生產(chǎn)周期水環(huán)境的特征。