孫亞軍，李 鑫，馮 琳，徐智敏，陳 歌，劉 琪

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

2017年，武強(qiáng)院士提出煤-水雙資源協(xié)調(diào)開采的基本理念，強(qiáng)調(diào)合理平衡礦井水害、區(qū)域水資源、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境3者之間的關(guān)系[1]：煤炭開采必然形成礦井涌水，鄂爾多斯盆地煤層頂板侏羅系直羅組底部砂巖含水層、延安組煤系頂板砂巖含水層是煤層的主要充水含水層，開采時(shí)礦井涌水量大且穩(wěn)定增長(zhǎng)；鄂爾多斯盆地水資源匱乏，與礦井涌水量大形成鮮明對(duì)比的是其干旱-半干旱的氣候條件，煤炭開采與地下水資源保護(hù)之間的矛盾關(guān)系成為研究區(qū)亟需解決的科學(xué)問題；對(duì)于一些含特征污染組分的礦井水，若治理措施不當(dāng)，將對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)構(gòu)成威脅，且大量礦井水抽提、水處理、排放成本增加了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

高礦化度礦井水處理工藝包括蒸餾法、離子交換法、膜分離法等[2-3]，而且光-熱脫鹽[4]、電化學(xué)脫鹽[5]、石墨烯脫鹽[6]等新材料技術(shù)也逐漸興起。但上述水處理工藝均難以同時(shí)滿足較低成本、大規(guī)模礦井水處理的需求，目前礦井水處理成本一般在8～30元/t[7]。結(jié)合國(guó)家對(duì)礦井水排放的嚴(yán)格監(jiān)督，要求礦井水必須達(dá)標(biāo)處理后完全利用，部分地區(qū)嚴(yán)格實(shí)行“零排放”政策等，少數(shù)煤礦為了減少水處理成本，將礦井水回灌至第四系水源層、采空區(qū)、頂板含水層、離層空間，甚至偷排地表等，對(duì)煤礦安全開采和生態(tài)環(huán)境造成一定程度的威脅及負(fù)面影響。

筆者基于鄂爾多斯盆地煤-水雙資源協(xié)調(diào)開采的矛盾、瓶頸，立足于對(duì)研究區(qū)原位保水措施缺陷、礦井水水質(zhì)特征、水處理保護(hù)利用成本等方面的分析研究，針對(duì)研究區(qū)礦井水以常規(guī)離子超標(biāo)為主、極少數(shù)重金屬超標(biāo)的特征，提出將水質(zhì)較好的高礦化度礦井水不處理或進(jìn)行微處理后的深井異位回灌-存儲(chǔ)技術(shù)，并結(jié)合示范工程闡明了在研究區(qū)進(jìn)行異位回灌的“三減一治”技術(shù)思路并進(jìn)行綜合比較，實(shí)踐了高礦化度礦井水微處理或不處理前提下的較低成本、大規(guī)模超深回灌-存儲(chǔ)技術(shù)工藝，并討論了該工藝的理論與技術(shù)框架、技術(shù)內(nèi)容、技術(shù)難點(diǎn)及推廣應(yīng)用價(jià)值，以期為鄂爾多斯盆地煤-水雙資源協(xié)調(diào)開采提供新的思考方向，并在相似條件礦區(qū)進(jìn)行推廣與應(yīng)用。

1 煤炭開采與水資源保護(hù)的矛盾

1.1 開采擾動(dòng)下含水層儲(chǔ)水能力增強(qiáng)

直羅組含水層自身厚度大，儲(chǔ)水體量大，砂巖巖體充填物多以弱膠結(jié)為主[8]。在開采過程中，上覆巖層形成“上三帶”，在擾動(dòng)破壞范圍內(nèi)應(yīng)力重新分布；煤層充水含水層的滲透性、空隙度有增大趨勢(shì)，大大提升了含水層的儲(chǔ)水空間，使其靜儲(chǔ)量與動(dòng)儲(chǔ)量均有不同程度的增加。由于鄂爾多斯盆地特殊的沉積條件，部分礦區(qū)煤層開采導(dǎo)致白堊系地層內(nèi)“彎曲下沉帶”產(chǎn)生離層空間。根據(jù)李文平團(tuán)隊(duì)對(duì)營(yíng)盤壕煤礦的研究：受采動(dòng)影響，白堊系下部巖層的滲透性會(huì)顯著增大，其滲透率增長(zhǎng)為初始滲透率的1.5～5.0倍[9]。同時(shí)，由于長(zhǎng)期疏水降壓和井下排水等造成地下水形成區(qū)域降落漏斗，促使局部范圍內(nèi)的水力坡度加大，增強(qiáng)了地下水的循環(huán)水動(dòng)力條件，還可能造成巖層中易溶鹽類、膠結(jié)物溶出，間接導(dǎo)致含水層溶孔發(fā)育、空隙度增大，進(jìn)一步使含水層滲透性增強(qiáng)，儲(chǔ)水能力增大，在一定程度上也改變了區(qū)域地下水動(dòng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)的背景值。

煤層開采后覆巖結(jié)構(gòu)破壞、彎曲下沉導(dǎo)致隔水層的隔水能力降低，層間裂隙相互溝通后成為徑流通道、儲(chǔ)水空間，地下水在水力坡度的驅(qū)動(dòng)下涌入采掘空間，加劇了地下水資源的流失速率及煤炭開采的水害風(fēng)險(xiǎn)，且隨著礦區(qū)開采面積的擴(kuò)大，礦井涌水量穩(wěn)定且持續(xù)增加，使礦井水的抽提成本、水處理成本增加。針對(duì)研究區(qū)水資源匱乏現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的礦井水抽排處理方法既不利于地下水資源保護(hù)，也不利于煤炭安全開采。

1.2 防治水措施下含水層滲透性降低

為了增強(qiáng)煤層頂板隔水層的阻隔水能力及其完整性，降低頂板含水層的富水性，工程上常用注漿加固、帷幕截流、區(qū)域治理等方法阻斷礦井的充水水源、導(dǎo)水通道，改變含水層的富水性，甚至將含水層改造成隔水層，使礦井涌水量得到一定程度的控制，進(jìn)而降低了礦井水形成及水處理成本，提升了煤炭開采的安全性。然而，注漿阻斷工程造成含水層的介質(zhì)條件變?yōu)槿鯘B/低滲巖層，其滲透性顯著降低，使原生含水層的富水性、儲(chǔ)水性能明顯降低。錢自衛(wèi)[10]利用化學(xué)漿液對(duì)鄂爾多斯盆地紅四煤礦下石盒子組孔隙砂巖進(jìn)行模擬試驗(yàn)，得出注漿前后砂巖滲透性降低超過90%，造成注漿范圍內(nèi)含水層的靜儲(chǔ)量、動(dòng)儲(chǔ)量均有不同程度的減小，且這種消極影響對(duì)含水層的富水性具有不可逆轉(zhuǎn)性；尤其是煤礦關(guān)閉后的地下水動(dòng)力場(chǎng)難以完全恢復(fù)至采前狀態(tài)，含水層儲(chǔ)水能力和富水性徹底被人為改變，不利于對(duì)地下水資源的長(zhǎng)期保護(hù)利用。

1.3 水位持續(xù)下降對(duì)生態(tài)環(huán)境影響

研究區(qū)淺埋松散砂層水位埋深與植被發(fā)育關(guān)系密切。水位埋深淺時(shí)，易形成土地鹽漬化；水位埋深大時(shí)，砂柳、小葉楊等植被會(huì)枯梢或死亡，湖、淖和濕地面積萎縮，河流斷流，植被生態(tài)退化、土地荒漠化等[11-12]，因此，必須合理控制水位埋深，一般建議將水位埋深維持在3～5 m[13]。范立民等[12]針對(duì)不同類型植被水位埋深條件下生態(tài)環(huán)境特征進(jìn)行了詳細(xì)劃分，提出適度開發(fā)煤炭資源，以維持生態(tài)環(huán)境。第四系松散砂層與直羅組含水層不同程度存在間接的補(bǔ)給關(guān)系，直羅組含水層水位及富水性對(duì)第四系含水層生態(tài)水位的保持具有不同程度的影響[14]，如薄基巖礦區(qū)。針對(duì)研究區(qū)某些露天煤礦開采，第四系含水層最低水位的保持對(duì)西部脆弱地表植被生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起到關(guān)鍵作用。

綜上，在煤-水雙資源協(xié)調(diào)開采的背景下，煤炭開采造成上覆含水層水位下降明顯，形成區(qū)域降落漏斗，減少了可利用的地下水資源量。如何平衡煤炭安全開采、礦井水較低成本治理、水資源保護(hù)、生態(tài)環(huán)境之間的平衡關(guān)系成為亟需解決的科學(xué)問題。若實(shí)施大范圍的帷幕截流、區(qū)域治理工程，易對(duì)區(qū)域含水層的水文地質(zhì)條件造成不可逆的消極影響，且注漿工程本身造價(jià)高、影響煤礦閉坑后含水層的水生態(tài)恢復(fù)效果。若不采取防治水措施，會(huì)造成安全開采威脅、地下水資源浪費(fèi)，且需要巨大經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行礦井水抽提及地面水處理。以上的突出矛盾使異位回灌保水成為研究區(qū)實(shí)現(xiàn)礦井水有效治理、水資源保護(hù)利用的另一種途徑和思考方向。

2 煤-水雙資源協(xié)調(diào)開采的瓶頸

2.1 研究區(qū)礦井水水質(zhì)典型特征

礦井水作為一種非常規(guī)水資源，其治理與保護(hù)問題必須得到合理解決，以符合研究區(qū)煤炭綠色安全開采、可持續(xù)發(fā)展的宏觀策略。筆者基于對(duì)研究區(qū)內(nèi)山西礦區(qū)、黃隴礦區(qū)、神東礦區(qū)、寧東礦區(qū)等38個(gè)煤礦的調(diào)研統(tǒng)計(jì)[15-20]、實(shí)驗(yàn)研究[21-28]、文獻(xiàn)檢索[29-35]等，得到鄂爾多斯盆地部分礦區(qū)礦井水的典型特征(表1)，研究區(qū)高礦化度礦井水水質(zhì)的規(guī)律有：

(1)各礦區(qū)普遍關(guān)注的常規(guī)離子數(shù)據(jù)量較為豐富，其他組分(如COD，BOD)整體上比常規(guī)離子、pH、TDS(礦化度)、懸浮物(SS)受關(guān)注程度小，數(shù)據(jù)量較少；有些指標(biāo)甚至不被關(guān)注，如有益元素、放射性元素、氨氮、微生物群落結(jié)構(gòu)等。

(3)Fe，Mn是礦井水中較易超標(biāo)的組分，尤其是偏酸性的礦井水，但其中有8座的含量超出《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，占比20%；同時(shí)，各礦區(qū)有毒有害成分含量少，部分礦區(qū)礦井水含有毒性較強(qiáng)的重金屬(如As，Pb，Cr等)和揮發(fā)酚類，但僅極少數(shù)超標(biāo)。

表1 鄂爾多斯盆地部分礦區(qū)礦井水的典型特征

續(xù)表

總體上，鄂爾多斯盆地典型水質(zhì)特征表現(xiàn)為礦化度高，pH=7～9，部分礦區(qū)高氟特征明顯、少數(shù)重金屬指標(biāo)超標(biāo)(如鐵、錳)，但極少含有毒有害物質(zhì)(鉛、砷、鉻(Ⅵ)、有機(jī)污染物等)。

2.2 礦井水達(dá)標(biāo)處理的瓶頸

有效的防治水措施在一定程度上減少了礦井水的產(chǎn)生，但仍存在必然形成、無法避免的礦井水?；谏鲜鰧?duì)研究區(qū)礦井水水質(zhì)的分析結(jié)果，礦井水處理首要問題是解決其高礦化度問題，即脫鹽處理；其次是對(duì)少量特征污染組分的去除。

礦井水形成后，有條件的礦區(qū)通常經(jīng)過井下預(yù)處理后，抽提地表進(jìn)行地面預(yù)處理、深度處理，達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行保護(hù)、利用。目前，關(guān)于高礦化度礦井水脫鹽技術(shù)的發(fā)展，常用的技術(shù)工藝包括蒸餾法、離子交換法、膜分離法等。蒸餾法多適用于礦井水含鹽量大于4 g/L，離子交換法適用于含鹽量不超過500 mg/L[2]，膜分離法更適用于大規(guī)模礦井水脫鹽處理，其中，反滲透技術(shù)(RO)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的脫鹽技術(shù)。常規(guī)RO工藝的最大水回收率在35%～50%，基于膜的滲透輔助反滲透(OARO)工藝可將水的回收率提高至70%以上[36]。以寧夏煤業(yè)棗泉煤礦為例，其采用預(yù)調(diào)節(jié)池、高密度沉淀、V型濾池、超濾、反滲透工藝處理高礦化度礦井水，超濾、反滲透工藝處理礦井水量約為8 000 m3/d，出水量約為5 000 m3/d，其處理礦井水水量完全滿足每日需求，可用于煤炭生產(chǎn)、生活用水[3]。但反滲透膜分離技術(shù)存在對(duì)預(yù)處理要求高、堵塞(清洗周期短)、腐蝕、濃縮倍數(shù)不高、反滲透后濃水排放難等問題；當(dāng)?shù)V井水中含鹽量大于6 000 mg/L時(shí)，對(duì)脫鹽率的影響較大，且濃縮RO廢水的處理成本較高，占RO脫鹽工藝總成本的30%左右。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電化學(xué)脫鹽、光-熱脫鹽、石墨烯脫鹽等新材料技術(shù)方法的研究方面已取得較大突破[4-6]，但上述研究仍處于室內(nèi)小規(guī)模的應(yīng)用和試驗(yàn)階段。針對(duì)鄂爾多斯盆地煤礦區(qū)普遍存在的高礦化度礦井水典型特征，目前仍無法在工程實(shí)踐上同時(shí)滿足較低成本、大規(guī)模水治理需求，迫切需要一種新型水治理思路來緩解煤-水雙資源協(xié)調(diào)開采下常規(guī)水處理瓶頸問題。

3 水資源異位回灌-存儲(chǔ)技術(shù)思路

煤-水雙資源協(xié)調(diào)開采、保水采煤以保護(hù)、合理利用水資源為前提，但并非完全不破壞原位水資源。筆者基于不同煤礦區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型、礦井水水質(zhì)特征及研究區(qū)的地層沉積特征分析，依據(jù)不同煤礦的開采方式(包括井工、露天開采)，以減少水資源的消耗和浪費(fèi)、礦井水水量的形成、地面排放、地表蒸發(fā)以及降低環(huán)境污染、保障煤礦安全開采等為目的，提出將充水含水層或高礦化度礦井水資源轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)至不受開采影響的其他位置，既不會(huì)對(duì)煤層安全開采造成威脅，在一定程度上也可起到異位保水的作用。異位保水回灌應(yīng)優(yōu)先考慮煤層底板深部含水層，以保障對(duì)煤層安全開采無威脅、對(duì)區(qū)域水循環(huán)無消極影響、對(duì)水資源利用無影響、礦井水水質(zhì)整體優(yōu)于回灌層水質(zhì)、不產(chǎn)生污染等基本原則。

異位回灌有利于保護(hù)含水層的原生水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，有利于閉坑后水動(dòng)力條件的快速恢復(fù)。針對(duì)鄂爾多斯盆地礦井水以常規(guī)組分超標(biāo)為主、少數(shù)重金屬超標(biāo)的總體特征，若實(shí)現(xiàn)礦井水的微處理或不處理異位回灌，可大幅降低礦井水的治理成本。筆者從水害防治、礦井水減量、較低成本及大規(guī)模水治理等角度出發(fā)，將鄂爾多斯盆地煤礦區(qū)水資源分為常規(guī)組分、含特殊組分2種。常規(guī)組分可分為充水含水層、采空水、露天礦坑水，這3種水資源的水質(zhì)保留了原生含水層的特征，以常規(guī)組分超標(biāo)為主，基本可在不處理的前提下回灌。此外，在礦井水形成前將其回灌處理，既保障了煤礦安全開采，也是礦井水減量的一種有效形式。而針對(duì)含特殊組分的礦井水，則需抽出處理后再進(jìn)行回灌治理。故筆者總結(jié)出3個(gè)礦井水防控減量思路及1種礦井水治理保護(hù)技術(shù)，并進(jìn)行綜合比較，形成研究區(qū)“三減一治”的水資源異位回灌保水技術(shù)思路。

3.1 礦井水防控減量的異位回灌思路

3.1.1 充水含水層水資源異位回灌減量

(1)頂板水異位回灌減量。

針對(duì)鄂爾多斯盆地多數(shù)煤礦區(qū)，煤層開采主要受到頂板直羅組砂巖水害、延安組煤系頂板砂巖水害威脅。在工作面掘進(jìn)過程中，通過施工頂板水疏放鉆孔，提前將受開采影響的頂板水進(jìn)行疏放，并通過井下回灌泵站將頂板水直接注入不受煤層開采影響的其他含水層或煤層底板深部含水層中(圖1)，以大幅減少礦井水量的形成。同時(shí)，降低研究區(qū)一些煤礦在采掘過程中突水潰砂威脅，保障煤層的安全開采，對(duì)煤礦防治水工作具有深遠(yuǎn)意義。

(2)底板水異位回灌減量。

針對(duì)受到底板水水害威脅的煤礦區(qū)，在煤層開采前，亦可通過底板預(yù)疏放孔，將底板承壓水在井下進(jìn)行管道收集，并通過井下泵站將水注入深部含水層中(圖2)。雖鄂爾多斯盆地煤礦區(qū)很少或幾乎不存在底板水害威脅，但該方法對(duì)其他有底板水害的礦區(qū)具有一定的借鑒意義，尤其是華北型煤礦區(qū)。

圖1 頂板水異位回灌概念Fig.1 Concept of mine-top aquifer water ectopic injection

圖2 底板水異位回灌概念Fig.2 Conceptual of mine-floor aquifer water ectopic injection

3.1.2 采空水異位回灌減量

工作面開采結(jié)束形成采空區(qū)，采空區(qū)一般不會(huì)對(duì)其他工作面的開采產(chǎn)生影響，當(dāng)采空區(qū)蓄滿水后會(huì)存在一定的突水威脅。然而，研究區(qū)部分礦區(qū)存在將礦井水注入廢棄采空區(qū)，以達(dá)到井下預(yù)處理的目的，但將礦井水注入采空區(qū)會(huì)增加煤層開采的突水風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)水害防控不利。尤其是近年來采空水害頻發(fā)，比如山西某些礦區(qū)的采空水害事故和傷亡人數(shù)全國(guó)居首[37]。在鄂爾多斯盆地進(jìn)行采空水的異位回灌，首先應(yīng)進(jìn)行水質(zhì)的對(duì)比分析測(cè)試，必要時(shí)需進(jìn)行井下預(yù)處理，包括混凝、沉淀、過濾、曝氣等過程，甚至需將采空水抽提地表，進(jìn)行地面的深度處理，再進(jìn)行水資源異位回灌。采空水形成后在動(dòng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、生物場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多場(chǎng)作用下具有一定程度的自凈效果，可將污染組分沉降到底泥中，如對(duì)一些有機(jī)物的降解、重金屬的固化穩(wěn)定化等，但仍難以避免一些常規(guī)組分的超標(biāo)[7,38]。通常情況下，采空水自流后可在井下進(jìn)行微處理或不處理，然后通過井下泵站注入到煤層底板深部含水層中(圖3)，以降低礦井水的抽排、地面排放、深度水處理成本。

圖3 采空水異位回灌概念Fig.3 Concept of ectopic injection of mined-out space water

3.1.3 露天礦坑水異位回灌減量

針對(duì)一些露天開采的煤礦區(qū)，如研究區(qū)內(nèi)的活雞兔、馬家塔露天煤礦。露天礦坑邊坡失穩(wěn)通常與地下水動(dòng)態(tài)密切相關(guān)[39]。為了減弱地下水在邊坡附近的徑流強(qiáng)度，可在露天煤礦周圍布置適量的抽水井，并在一定距離外布置注水井，以建立小區(qū)域的地下水抽水-注水循環(huán)，形成小型地下水帷幕墻(圖4)。帷幕墻可對(duì)注水井外的地下水起到一定的阻隔作用，減少礦坑邊坡巖土體的含水率，降低邊坡失穩(wěn)事故，減少礦坑礦井水量，從而降低了礦坑水的抽提成本和水處理成本。同時(shí)，能保持住煤礦周邊一定范圍外的地下水位，對(duì)露天煤礦區(qū)地表生態(tài)水位的保持具有重要意義。

圖4 露天礦坑水異位回灌概念Fig.4 Concept of ectopicinjection of open pit water

3.2 含特殊組分礦井水異位回灌治理保護(hù)

對(duì)于無法通過上述回灌方法減量、必然形成的礦井水可依次進(jìn)行井下預(yù)處理、地面深度處理，利用回灌-存儲(chǔ)減少其地面排放量。根據(jù)對(duì)研究區(qū)礦井水水質(zhì)特征的分析，得出研究區(qū)內(nèi)約70%礦井水屬于常規(guī)組分超標(biāo)，一般滿足微處理或不處理的回灌的條件；約20%礦井水中含有少量特征污染物，其中多為金屬離子(如鐵、錳、鉻等)，極少數(shù)為有機(jī)污染組分。一般先將礦井水抽提至地表，經(jīng)過地面深度水處理技術(shù)去除特征污染組分，將礦井水中的污染負(fù)荷減量后以達(dá)到回灌要求，最后將滿足水質(zhì)要求的礦井水借助深井回灌技術(shù)進(jìn)行治理保護(hù)，形成了一種礦井水異位回灌的治理保護(hù)技術(shù)工藝(圖5)。對(duì)于研究區(qū)內(nèi)的大多數(shù)煤礦，如寧煤清水營(yíng)煤礦、汾西曙光煤礦、平朔井工一礦、寧夏靈新煤礦等的高礦化度礦井水(TDS為1.5～4.5 g/L)，回收率在75%～95%，脫鹽效率在98.0%～99.3%，處理成本1.6～3.0元/t[2]，基本符合微處理后回灌的要求，且微處理成本較低。

圖5 含特殊組分礦井水抽出、異位回灌概念Fig.5 Concept of mine water extraction and ectopic injection of special componentsmine water

3.3 水資源異位回灌的綜合比較

“三減一治”水資源異位回灌技術(shù)思路可針對(duì)不同水害類型、水質(zhì)特征具有靈活多變的適應(yīng)性，包括頂板水、底板水、采空水、露天礦坑水及含特征污染組分礦井水等；可大幅降低研究區(qū)礦井水抽提、地面水處理的成本，并合理保護(hù)了研究區(qū)的地下水資源，減少水資源的無端消耗、浪費(fèi)和地面蒸發(fā)。筆者分別從施工難度(主要考慮成井工藝、施工環(huán)境，分為大、中、小)、回灌成本(主要考慮回灌井、注水泵、用電、水處理，分為高、中、低)、水資源保護(hù)效果(主要考慮可存儲(chǔ)水量、生態(tài)環(huán)境影響，分為好、中、差)等3方面進(jìn)行定性分析(表2)。

表2 水資源異位回灌綜合比較

露天煤礦回灌層位淺，施工難度小，施工環(huán)境良好；注水泵所需的揚(yáng)程小，用電成本較低；回灌水量可觀，且屬于同一含水層內(nèi)異位回灌，對(duì)生態(tài)環(huán)境基本無不良影響，總體對(duì)水資源保護(hù)、生態(tài)水位保持效果較好。充水含水層、采空水均屬于井下回灌，回灌井施工環(huán)境復(fù)雜。成井工藝也有不同選擇(包括水平井、垂直井)，鉆井成本相對(duì)較高，且對(duì)回灌泵有一定的揚(yáng)程要求，用電成本也會(huì)相應(yīng)增加。但充水含水層回灌的水環(huán)境評(píng)價(jià)難度小，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小，水資源保護(hù)效果優(yōu)于采空水回灌，且含特殊組分的采空水需經(jīng)過井下處理以滿足回灌要求，增加了成本。含特殊組分的礦井水回灌不僅會(huì)增加礦井水抽提、地面處理成本，而且需從地面施工回灌井，施工難度較大，成本較高，技術(shù)流程相對(duì)復(fù)雜。

4 高礦化度礦井水超深回灌技術(shù)

4.1 理論與技術(shù)框架

為緩解研究區(qū)礦井水整體礦化度高、水處理成本高、處置方法不合理等，本文以實(shí)現(xiàn)煤-水雙資源協(xié)調(diào)開采、煤炭綠色開采、保水采煤為宗旨，以減少礦井水地面排放量、降低礦井水治理成本、保護(hù)研究區(qū)地下水資源為主要目的，選擇煤層底板深部劉家溝組巨厚砂巖含水層為目的回灌層，提出將水質(zhì)相對(duì)較好的高礦化度礦井水進(jìn)行深井回灌-存儲(chǔ)的治理技術(shù)工藝。結(jié)合示范工程實(shí)施過程中的理論基礎(chǔ)、研究?jī)?nèi)容、研究手段、關(guān)鍵結(jié)論等，致力于探索體系化、高效化、效益化的高礦化度礦井水污染防控及水治理的有效途徑。

筆者提出以“選擇、計(jì)算、環(huán)保、可持續(xù)”為回灌-存儲(chǔ)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展室內(nèi)與野外相關(guān)研究。依據(jù)流體力學(xué)、巖石力學(xué)、地下水動(dòng)力學(xué)、晶體形態(tài)學(xué)、水文地球化學(xué)及巖體微觀介質(zhì)等方面的理論成果，從區(qū)域地下水系統(tǒng)、弱滲砂巖儲(chǔ)層物性特征、水力壓裂增滲、地下水流場(chǎng)演化、儲(chǔ)層存儲(chǔ)潛力評(píng)價(jià)、水環(huán)境影響評(píng)價(jià)和可持續(xù)回灌能力形成等方面進(jìn)行研究，以解決高礦化度礦井水超深存儲(chǔ)面臨的存儲(chǔ)水量精細(xì)評(píng)價(jià)難、高壓注水對(duì)弱滲儲(chǔ)層物性特征的不確定性影響、長(zhǎng)期可持續(xù)存儲(chǔ)能力的形成等關(guān)鍵科學(xué)問題，鄂爾多斯盆地煤礦區(qū)進(jìn)行深井回灌理論與技術(shù)框架如圖6所示。

4.2 技術(shù)內(nèi)容

鄂爾多斯盆地烏審旗某礦的示范工程研究了劉家溝組儲(chǔ)層的水文地質(zhì)條件與結(jié)構(gòu)特征，建成了高礦化度礦井水超深回灌-存儲(chǔ)的示范工程，形成了研究區(qū)礦井水深井回灌及水資源保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)與工藝?；毓嘈Ч己?，回灌水量超出預(yù)期(圖7)。

(1)目的回灌層選擇。

回灌層位的選擇是超深回灌-存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用的首要前提，其次考慮其他因素(如對(duì)油、氣、地?zé)岬茸匀毁Y源的開采與保護(hù))?；毓鄬游坏倪x擇必須滿足安全開采、地下水循環(huán)、水資源利用、水質(zhì)占優(yōu)等4個(gè)基本原則(圖6)，具體包括：① 目地儲(chǔ)層必須有足夠儲(chǔ)水空間(體量大)，具備可持續(xù)回灌能力，能滿足長(zhǎng)期的存儲(chǔ)要求，關(guān)鍵參數(shù)包括厚度、孔隙度和滲透率，應(yīng)優(yōu)先選取碳酸鹽巖層或裂縫廣泛發(fā)育的砂巖層位；② 儲(chǔ)層的上層和下層，均要有相對(duì)完整的隔水層或緩沖層(泥頁巖或砂泥巖混層)，對(duì)于隔水層必須具有足夠低的滲透性(最好是有足夠厚度的純泥巖層)，以滿足隔水強(qiáng)度要求；③ 儲(chǔ)層應(yīng)具有較好的橫向連通性、脆性，注水過程中能夠形成可觀的裂隙網(wǎng)絡(luò)；④ 儲(chǔ)層埋深要位于有利用價(jià)值的含水層下部，且區(qū)域內(nèi)發(fā)生地震的概率較低；⑤ 高壓注水時(shí)滿足水力影響范圍內(nèi)無斷層、無地表露頭或出露點(diǎn)，存儲(chǔ)后對(duì)淺層地下水不造成影響；⑥ 優(yōu)先選擇資源枯竭層或廢棄層，實(shí)現(xiàn)地下空間資源再利用，不應(yīng)造成較高的泵注回壓，不應(yīng)引起回灌水反注和外泄。

圖6 高礦化度礦井水異位回灌理論與技術(shù)框架Fig.6 Theory and technical framework of high salinity mine water ectopic injection

圖7 高礦化度礦井水現(xiàn)場(chǎng)異位回灌剖面Fig.7 Profile diagram of high salinity mine water in situ ectopic injection

烏審旗地區(qū)劉家溝組含水層埋深1 800～2 300 m，平均厚度416 m[40]，其中，粗粒砂巖發(fā)育厚度9～104 m，橫向上厚度不一，垂向上存在非均質(zhì)性，各段均有發(fā)育粗粒砂巖的可能，為礦井水運(yùn)移提供了通道和空間，保障了基本的儲(chǔ)水能力。巖性成分主要為石英，其次為長(zhǎng)石，膠結(jié)性和承載力差，易碎，較疏松，垂向斷層發(fā)育，斷口粗糙。根據(jù)巖樣開展了室內(nèi)電鏡掃描、X衍射、壓汞實(shí)驗(yàn)等，測(cè)試目的回灌層砂(礫)巖的礦物成分(石英40.1%、鉀長(zhǎng)石13.6%、斜長(zhǎng)石17.5%、方解石12%、黏土礦物17.8%)、砂(礫)巖膠結(jié)程度(較弱)、巖石結(jié)構(gòu)(顆粒骨架以石英、長(zhǎng)石為主，膠結(jié)物包含伊利石、伊蒙混層和綠蒙混層)、微孔結(jié)構(gòu)(粒間孔、粒間溶孔和微裂隙為主)、孔隙度(總孔隙度為7.5%，平均孔隙度為5.13%)、滲透率(5.31×10-6m/d)等，獲取目的回灌層存儲(chǔ)空間的基本特征[40]，進(jìn)一步明確了劉家溝組儲(chǔ)水體量大、低孔低滲、膠結(jié)程度低、可壓裂性較好、孔隙-裂隙雙重介質(zhì)的巨厚砂巖儲(chǔ)層特性。

(2)儲(chǔ)水能力計(jì)算。

① 結(jié)合儲(chǔ)層空間特征研究、現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)階段監(jiān)測(cè)、檢測(cè)及數(shù)值模擬等，研究目的儲(chǔ)層在回灌條件下的水動(dòng)力場(chǎng)演化過程與規(guī)律。② 開展原生水文地質(zhì)條件及不同回灌工況條件下參數(shù)的定量評(píng)價(jià)和回灌水量計(jì)算，初步確定并評(píng)價(jià)深部目的儲(chǔ)層的回灌可行性及回灌井、監(jiān)測(cè)井的布置方案、成井工藝。③ 開展地面回灌孔長(zhǎng)期礦井水回灌試驗(yàn)工程，研究回灌過程中的壓力、流量過程控制等相關(guān)技術(shù)，包括連續(xù)回灌、間歇回灌、不定時(shí)回?fù)P過程(時(shí)間不少于2個(gè)月)的精準(zhǔn)控制。依據(jù)上述各回灌試驗(yàn)準(zhǔn)確獲取目的回灌層的水動(dòng)力場(chǎng)演化、水質(zhì)演化、影響半徑、彈性儲(chǔ)水系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，獲取回灌壓力與流量的關(guān)系曲線。④ 構(gòu)建回灌水動(dòng)力場(chǎng)的高精度數(shù)值模型，揭示回灌條件下目的回灌層水動(dòng)力場(chǎng)、水質(zhì)演化規(guī)律，精確評(píng)價(jià)目的回灌層的儲(chǔ)水潛力。為揭示長(zhǎng)期持續(xù)、大流量、高壓水力壓裂增滲機(jī)理，系統(tǒng)評(píng)價(jià)劉家溝組低孔低滲巨厚砂巖層儲(chǔ)蓄水潛力提供依據(jù)。

根據(jù)極限容積法(理論儲(chǔ)水量)、反漏斗模型法(有效儲(chǔ)水量)的計(jì)算方法[41]，筆者對(duì)研究區(qū)深部劉家溝組的存儲(chǔ)水量進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)可注回灌空間一定，流體和巖石顆粒骨架可被壓縮，則極限存儲(chǔ)空間包括孔隙空間和巖石、流體彈性壓縮釋放空間，其理論儲(chǔ)水量為740.7萬m3。在水力影響半徑為635 m的條件下，配線法計(jì)算得到彈性釋水系數(shù)為2.37×10-3～3.10×10-3，現(xiàn)階段孔口壓力為8 MPa，對(duì)應(yīng)水頭上升高度816 m，計(jì)算得到孔口保持壓力8～9 MPa下，單井有效儲(chǔ)水量為244萬～320萬m3。同時(shí)，在回灌示范場(chǎng)地已階段性開展7次壓水試驗(yàn)，獲取了高強(qiáng)度、持續(xù)性、壓水條件下地下水流場(chǎng)演化及水壓變化規(guī)律。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)注水井的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及初步統(tǒng)計(jì)，歷經(jīng)15個(gè)月左右累積注入水量超過100萬m3。

(3)地下水環(huán)境保護(hù)評(píng)價(jià)。

① 在回灌開始前采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試、野外監(jiān)測(cè)、樣品采集和數(shù)值模擬等方法，獲取礦井水對(duì)回灌目的層水質(zhì)影響演化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為礦井水回灌條件下水質(zhì)對(duì)比、目的儲(chǔ)層的短/長(zhǎng)期水環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。② 在回灌過程中開展水量、水溫、水質(zhì)、水位(壓)等關(guān)鍵參數(shù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，形成回灌條件下的綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)，為礦井水長(zhǎng)期回灌條件下的回灌量定量預(yù)計(jì)與地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供指標(biāo)依據(jù)和資料。③ 結(jié)合礦井水、目的儲(chǔ)層水質(zhì)特征，優(yōu)化礦井水預(yù)處理工藝，實(shí)現(xiàn)礦井水微處理或不處理回灌，優(yōu)化設(shè)備配置與選型；通過深井注水量的分析，對(duì)注水量及工程成本進(jìn)行測(cè)算，綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、政策等因素，評(píng)價(jià)礦井水深井回灌的直接間接經(jīng)濟(jì)效益，得出礦井水深井回灌、水資源保護(hù)、經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化評(píng)價(jià)結(jié)果。

根據(jù)刁玉杰[42]對(duì)劉家溝組的水質(zhì)分析結(jié)果，劉家溝含水層屬于TDS含量較高(最高約65 g/L)的鹵水層，筆者對(duì)比分析劉家溝組的水質(zhì)和研究區(qū)內(nèi)烏審旗某礦的礦井水水質(zhì)，結(jié)果表明：礦井水中除氨氮、重碳酸根和硝酸鹽濃度高于劉家溝組外，其余指標(biāo)均低，劉家溝的水環(huán)境背景值相比礦井水水質(zhì)更差[40]，礦井水與劉家溝組儲(chǔ)層水質(zhì)具有相對(duì)良好的匹配性，礦井水超深存儲(chǔ)后呈現(xiàn)“良水回灌”，次生地下水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)較低，滿足微處理前提下回灌要求。

(4)安全性評(píng)價(jià)。

① 構(gòu)建煤層底板深部水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式，結(jié)合儲(chǔ)層上部隔水層或緩沖層的巖石力學(xué)強(qiáng)度分析測(cè)試等，開展主采煤層底板至目的回灌層頂板隔水層結(jié)構(gòu)與組合、抗破壞能力、綜合阻隔水能力分析與研究。② 開展底板突水構(gòu)造因素分析，進(jìn)行不同工況及回灌條件下斷層活化導(dǎo)水評(píng)價(jià)、原有斷層煤(巖)柱穩(wěn)定性與安全性評(píng)價(jià)。③ 通過上述專題分析，綜合評(píng)價(jià)礦井水深井回灌對(duì)研究區(qū)煤礦安全開采，甚至油、氣、地?zé)岬挠绊?。研究區(qū)內(nèi)烏審旗地區(qū)劉家溝組上距煤底板1 200 m左右，儲(chǔ)層上部緩沖層達(dá)600～800 m，是研究區(qū)內(nèi)較為理想的回灌層位。

(5)壓裂增滲形成可持續(xù)回灌能力。

① 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)深井鉆探工藝技術(shù)、回灌技術(shù)、完井工藝及前期壓水試驗(yàn)等，開展地面/井下回灌、儲(chǔ)層壓裂關(guān)鍵技術(shù)研究。② 通過對(duì)施加不同壓力壓裂及滲流過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以研究滲流壓裂過程中導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展的臨界水壓力及巖體滲透性的變化規(guī)律，并對(duì)壓裂后不同破碎程度巖塊的裂縫三維形態(tài)進(jìn)行描述分析，以精細(xì)刻畫實(shí)際壓裂裂隙網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的三維特征。③ 建立應(yīng)力場(chǎng)→裂隙網(wǎng)絡(luò)→滲透性→地下水流場(chǎng)的相互影響因果關(guān)聯(lián)，闡明用于判斷在不同壓力條件下裂隙網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展范圍內(nèi)巖體增滲的理論計(jì)算方法，用以指導(dǎo)長(zhǎng)期、大流量、可持續(xù)礦井水深井成井工藝及回灌技術(shù)方案。前期壓裂增滲結(jié)果表明：壓裂后的滲透系數(shù)為原始滲透系數(shù)的1 788～2 858倍，壓裂效果明顯[43]。

4.3 理論與技術(shù)難點(diǎn)

結(jié)合示范場(chǎng)地回灌工程，礦井水超深異位回灌實(shí)施中的難點(diǎn)有：

(1)回灌潛力精細(xì)評(píng)價(jià)。

根據(jù)儲(chǔ)層空間特征研究，可初步估算目的層可存儲(chǔ)的礦井水體量。若要精細(xì)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的儲(chǔ)水體量，需結(jié)合礦井涌水量及煤礦排水需求，設(shè)計(jì)合理的回灌井、觀測(cè)井鉆孔結(jié)構(gòu)、數(shù)量、距離等回灌方案、完井工藝，因深井造價(jià)高，應(yīng)保證將所有鉆孔合理化、效益化。根據(jù)目的回灌儲(chǔ)層特性、水文地質(zhì)條件、壓水試驗(yàn)階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模型，以模擬礦井水回灌過程中回灌水量、回灌壓力、裂隙網(wǎng)絡(luò)的演化規(guī)律。當(dāng)壓力、流量趨于穩(wěn)定后，可根據(jù)模擬結(jié)果得出回灌水量的最優(yōu)解。但實(shí)際回灌過程中，通常會(huì)出現(xiàn)流量保持不變、壓力持續(xù)上升的情況[40]，且儲(chǔ)層壓裂后形成孔隙-裂隙雙重介質(zhì)結(jié)構(gòu)，在精細(xì)評(píng)價(jià)回灌潛力時(shí)，需要在傳統(tǒng)地下水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)相關(guān)理論模型后才能適用。

(2)回灌及完井工藝。

深井回灌必然會(huì)高壓壓裂原生儲(chǔ)層，使目的回灌層的原生裂隙增生、擴(kuò)展和連通，滲透系數(shù)增大對(duì)提升目的層回灌量、形成可持續(xù)回灌能力具有重要價(jià)值。如何選擇成井工藝、設(shè)計(jì)回灌方案使裂隙網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展更有利于區(qū)域地下水的循環(huán)流動(dòng)，需結(jié)合原生地層裂隙條件、地質(zhì)構(gòu)造、主應(yīng)力方向等判斷。如前期示范工程回灌井為單井垂直井，若考慮采用水平井結(jié)構(gòu)，將對(duì)儲(chǔ)層的壓裂增滲效果更好，但成本可能增加。在高壓回灌過程中，回灌方案應(yīng)盡量使礦井水在含水層中能沿著裂隙優(yōu)勢(shì)通道流向排泄區(qū)，使回灌壓力逐漸消散，保持回灌壓力-流量相對(duì)穩(wěn)定，能滿足大流量、可持續(xù)礦井水深井成井工藝及回灌技術(shù)方案也亟需突破。

5 推廣應(yīng)用價(jià)值

研究區(qū)礦井水水質(zhì)特征普遍以高礦化度為主，在全國(guó)范圍內(nèi)高礦化度礦井水特征廣泛存在，如研究區(qū)內(nèi)母杜柴登煤礦、納林河二號(hào)井煤礦、門克慶煤礦、葫蘆素煤礦均存在高礦化度、堿性礦井水且涌水量大等問題，但鄂爾多斯盆地之外的煤礦區(qū)，污染組分的超標(biāo)比例相對(duì)較高，達(dá)42%[7]，若要進(jìn)行回灌，對(duì)特殊污染組分的去除成本會(huì)相應(yīng)增加。從全國(guó)不同煤礦礦井水的水質(zhì)特征出發(fā)，為了減少礦井地面排放對(duì)地表水生態(tài)、水環(huán)境的影響，筆者提出采用深部回灌-存儲(chǔ)技術(shù)將弱酸、弱堿、高TDS、總體上水質(zhì)良好的礦井水進(jìn)行治理，以減少礦井水地面排放量，同時(shí)削減礦井水的治理成本。筆者基于前期對(duì)全國(guó)201座煤礦的礦井水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)[7]，結(jié)合其中87座煤礦的TDS及133座煤礦的pH分析，得出全國(guó)不同煤礦礦化度、酸堿性的占比和分布(圖8)，進(jìn)一步明確了深部礦井水主要是常規(guī)離子含量高、礦化度高、弱酸、弱堿等特征，其中44%的煤礦區(qū)屬于弱酸、弱堿型礦井水，僅有31%的煤礦區(qū)礦井水達(dá)到淡水標(biāo)準(zhǔn)，其余皆高于1 g/L，大多數(shù)煤礦區(qū)總體上屬于可進(jìn)行超深存儲(chǔ)的礦井水水質(zhì)類型，但仍有42%的礦井水存在不同程度的特征污染物超標(biāo)，遠(yuǎn)高于鄂爾多斯盆地煤礦區(qū)的20%，故全國(guó)范圍內(nèi)大多數(shù)煤礦區(qū)仍需經(jīng)過適應(yīng)性礦井水處理后才能進(jìn)行回灌，部分指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重的礦區(qū)也會(huì)不同程度地增加水處理成本。

6 結(jié) 論

(1)闡述了鄂爾多斯盆地煤層開采與水資源保護(hù)間存在的矛盾問題，包括礦井水害、區(qū)域水資源、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。結(jié)合對(duì)研究區(qū)38個(gè)煤礦礦井水水質(zhì)特征的調(diào)研統(tǒng)計(jì)，分析并指出了煤-水協(xié)調(diào)開采下的礦井水處理的瓶頸問題。研究區(qū)礦井水常規(guī)離子超標(biāo)占比68.4%，鐵、錳超標(biāo)占比20%，高鹽高氟等特征明顯。

(2)提出了研究區(qū)“三減一治”的水資源異位回灌技術(shù)思路，包括充水含水層水資源異位回灌、采空水異位回灌、露天礦坑水異位回灌及含特殊組分礦井水異位回灌。

(3)基于“三減一治”的水資源異位回灌思路，結(jié)合鄂爾多斯盆地烏審旗地區(qū)某礦超深回灌-存儲(chǔ)的工程案例闡述了相關(guān)的理論與關(guān)鍵技術(shù)框架、技術(shù)內(nèi)容、技術(shù)難點(diǎn)，建成了研究區(qū)高礦化度礦井水超深回灌-存儲(chǔ)的示范工程。

(4)基于對(duì)全國(guó)87座煤礦TDS和133座煤礦pH值的統(tǒng)計(jì)分析，提出將弱酸弱堿(44%)、高礦化度礦井水(69%)進(jìn)行超深回灌-存儲(chǔ)；并結(jié)合華北型礦區(qū)李樓煤礦礦井水水質(zhì)特征，闡明了異位回灌技術(shù)思路對(duì)礦區(qū)水資源保護(hù)的推廣應(yīng)用及研究?jī)r(jià)值。