水資源短缺是全球性問題，我國是全球最缺水的國家之一。煤炭資源與水資源的逆向分布使得我國煤炭開采水資源保護利用成為煤炭綠色開發(fā)的重大技術(shù)難題。我國西部已成為煤炭的主產(chǎn)區(qū)，但該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源蒸發(fā)量大，礦井水外排后蒸發(fā)損失是我國目前煤炭開采年損失 60 億 t 礦井水的主要原因。系統(tǒng)分析了煤炭開采水資源保護利用的技術(shù)進展及工程應(yīng)用特點; 介紹了神華集團經(jīng)過近 20 年的技術(shù)探索和工程實踐，突破傳統(tǒng)理念，首次提出采空區(qū)儲用礦井水的技術(shù)構(gòu)想，攻克了水源預(yù)測、水庫選址、庫容計算、壩體構(gòu)筑、安全控制和水質(zhì)保障等技術(shù)難題，構(gòu)建了煤礦地下水庫技術(shù)體系。該技術(shù)已在神東礦區(qū)全面實施，并將在西部其他礦區(qū)推廣應(yīng)用，為煤炭開采水資源保護利用開辟了有效的技術(shù)途徑。

　　1 問題的提出

　　我國是全球最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，2014 年煤炭生產(chǎn)和消費分別占全球的 46. 9% 和 50. 6%[1]; 煤炭在我國一次能源生產(chǎn)與消費中長期占 70% 左右( 圖 1) ，煤炭在我國的主體能源地位較長時期內(nèi)不會發(fā)生改變，安全和綠色已成為當前煤炭開采的主題。目前，我國煤炭安全形勢趨好，煤炭百萬噸死亡率已經(jīng)由 2000 年的 5. 77 降低至 2014 年的 0. 257 ( 圖 2) 。我國煤炭開采效率已達世界先進水平，在煤機裝備、煤炭開采工藝方面全球領(lǐng)先。全球 95% 以上的千萬噸礦井都在中國。綠色開采是煤炭科學開發(fā)的核心內(nèi)容，而煤炭開采水資源保護與利用是煤炭綠色開采面臨的重大難題。我國煤炭綠色開采水平提升緩慢，嚴重影響了煤炭開采整體技術(shù)水平的提高。因此，習總書記 2014 年 6 月 13 日在有關(guān)能源革命的講話中指出，煤炭開采對地下水資源和地表生態(tài)的破壞是煤炭開發(fā)面臨的主要問題。筆者針對水資源短缺的全球性問題，分析了我國煤炭資源與水資源逆向分布特征; 總結(jié)了我國西部煤炭開采水資源保護利用的技術(shù)進展，指出礦井水井下儲用是煤炭開采水資源保護與利用的主要技術(shù)方向。

　　2 水資源短缺是全球性問題

　　水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。據(jù)統(tǒng)計，地球上水的總儲量約 1. 26 × 1018 m3 ，海水和其他咸水占 97. 47% ，淡水僅占 2. 53% ; 其中，人類真正可利用的河水、淡水湖水和淺層地下水等淡水資源總量約為 4. 15 × 1015 m3 ，僅占地球總水量的 0. 3% 左右[2 - 4]。隨著世界人口數(shù)量增加，淡水需求量逐年增加，而可用淡水總量卻以 6. 4 × 1010 m3 /a 的速度減少。目前，全球約 7. 8 億人難以獲取可用的潔凈淡水資源，超過 20 億人生活在供水高度緊張的地區(qū); 預(yù)計到 2050 年，世界人口的 67% 將生活在水資源嚴重稀缺的地區(qū)[5 - 10]。中國從 20 世紀 70 年代開始出現(xiàn)水資源緊缺問題; 20 世紀 80 年代以來，中國的水資源緊缺由局部逐漸蔓延至全國，對國民經(jīng)濟帶來嚴重影響。我國是全球最缺水的國家之一，2014 年人均水資源已不足 2 000 m3 ，水資源形勢極為嚴峻[11]。我國淡水資源分布不均，表現(xiàn)為“南多北少，東多西少”: 長江流域及其以南地區(qū)面積占全國 36. 5% ，而水資源量占全國的 81% ; 淮河流域及其以北地區(qū)的面積占全國 63. 5% ，其水資源量僅占全國的 19% ; 我國北方人口占全國總?cè)丝诘?2 /5，但水資源占有量不足全國水資源總量的 1 /5 [12 - 14]。從水量上看，全國 561 個地級以上城市中 400 多個缺水。為緩解區(qū)域水資源緊張狀況，我國相繼修建了多項大型跨流域調(diào)水工程，如南水北調(diào)工程、天津引灤入津工程、山東引黃濟青工程、山西引黃入晉工程和陜西引漢入渭工程等[15]，部分緩解了區(qū)域用水緊張難題。

　　3 水資源保護利用是煤炭綠色開發(fā)面臨的重大技術(shù)難題

　　3. 1 我國煤炭資源與水資源逆向分布中國工程院相關(guān)研究表明，我國含煤盆地和煤炭資源呈“井”字型分布格局，即煤炭資源受東西向展布的天山 - 陰山構(gòu)造帶、昆侖 - 秦嶺 - 大別山構(gòu)造帶和呈南北向展布的大興安嶺 - 太行山 - 雪峰山構(gòu)造帶、賀蘭山 - 六盤山 - 龍門山構(gòu)造帶控制。煤炭資源分布具有西多東少、北多南少和東深西旱特征[16]。目前，東 部 新 汶、徐州等老礦區(qū)采深已達 1 000 m 左右，且資源日漸枯竭，開采復(fù)雜程度加大; 西部地區(qū)煤炭埋藏淺、煤層厚、開采條件相對簡單，已成為煤炭主產(chǎn)區(qū)，煤炭產(chǎn)量已占全國 70% ，且比例不斷增加( 圖 3) 。我國水資源與煤炭資源呈逆向分布，中西部富煤地區(qū)多處于干旱和半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)，水資源短缺且地表生態(tài)脆弱; 主要煤炭基地水資源短缺，礦區(qū)供水主要靠抽取地下水資源和礦井水綜合利用，礦區(qū)建設(shè)面臨找水、水資源綜合利用和水權(quán)配置難題[17]。

　　3. 2 水資源保護利用是西部煤炭開發(fā)面臨的重大難題水資源保護與利用是煤炭開發(fā)長期面臨的重大難題。據(jù)統(tǒng)計，我國開采 1 t 煤炭約產(chǎn)生 2 t 礦井水，但礦井水利用率僅 25% 左右[18 - 20]; 目前每年產(chǎn)生礦井水約 80 億 t [21]，礦井水年損失量達 60 億 t，相當于我國每年工業(yè)和民用缺水量( 100 億 t) 的 60% 。煤炭開發(fā)水資源損失的主要原因是礦井水外排地面沒有得到有效利用，在西部礦區(qū)尤為明顯。我國西部煤炭主產(chǎn)區(qū)氣候干旱，年蒸發(fā)量是降水量的 6 倍以上，為保障安全生產(chǎn)，礦井水都是外排地表后排放，但由于蒸發(fā)量大，不能有效儲存和利用。如何實現(xiàn)煤炭開發(fā)與水資源保護利用相互協(xié)調(diào)是西部礦區(qū)煤炭綠色開發(fā)面臨的重大技術(shù)難題，也是西部礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的核心內(nèi)容之一。

　　3. 3 國家高度重視礦井水保護利用礦井水保護利用已成為煤炭綠色開發(fā)的難點和熱點問題，受到全社會的關(guān)注。習總書記在中央財經(jīng)領(lǐng)導小組第六次會議上提出: 我國煤炭資源豐富， “煤老大”在較長時間內(nèi)作為我國主體能源的地位不會發(fā)生變化。煤炭的大量開采和使用帶來兩大突出問題: 一是煤炭開采對地下水資源和地表生態(tài)的破壞; 二是煤炭消費對環(huán)境的破壞。

　　4 煤炭開采水資源保護利用的技術(shù)進展

　　長期以來，針對煤炭開采對地下水的影響問題，國內(nèi)外進行了大量的技術(shù)研究和工程實踐。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)研究的若干領(lǐng)域，指出必須研發(fā)適合于西部礦區(qū)的煤炭開采與水資源協(xié)調(diào)技術(shù)[30 - 32]。據(jù)此不同機構(gòu)和學者展開了大量的研究工作，包括煤炭開采“三帶”和煤炭開采地下水運移規(guī)律等基礎(chǔ)研究[33 - 40]，形成了兩類技術(shù)途徑: 一是以“堵截法”為特征的保水開采技術(shù); 二是以“疏導法”為特征的礦井水儲存利用技術(shù)。

　　4. 1 “堵截法”為特征的保水開采技術(shù) “堵截法”保水開采技術(shù)的核心是保護煤層上 方隔水層完整性，避免形成導水裂隙，從而堵截地下水向下滲流，實現(xiàn)保護含水層地下水的目的。采用的主要技術(shù)手段包括充填開采、限高開采、房柱式開采、保水區(qū)域劃分等[41 - 47]。充填開采在我國東部和中部礦區(qū)，特別是“三下”采煤中得到較好的應(yīng)用，但在我國西部煤炭主產(chǎn)區(qū)推廣應(yīng)用，必須解決提高充填效率和降低充填成本等難題。針對西部煤炭開采地下水保護，相關(guān)學者研發(fā)了基于生態(tài)水位保護的保水區(qū)域劃分、房柱式開采和條帶式開采等技術(shù)[48 - 50]，但其推廣應(yīng)用尚需解決提高煤炭資源采出率等問題。

　　4. 2 “疏導法”為特征的礦井水井下儲用技術(shù)該技術(shù)是采用疏導手段，在掌握并利用煤炭開采地下水運移規(guī)律基礎(chǔ)上，將礦井水轉(zhuǎn)移至采空區(qū)進行儲存，并建設(shè)相應(yīng)的抽采利用工程，確保礦井水不外排地表，實現(xiàn)礦井水資源的保護利用。神華集團在神東礦區(qū)經(jīng)過近 20 年技術(shù)攻關(guān)和工程實踐，研發(fā)成功了煤礦地下水庫技術(shù)，即利用煤炭開采形成的采空區(qū)巖體空隙，用人工壩體將不連續(xù)的安全煤柱連接形成水庫壩體，形成相對封閉的儲水空間，同時建設(shè)礦井水注入設(shè)施和取水設(shè)施，充分利用采空區(qū)巖體對礦井水的自然凈化作用，實現(xiàn)礦井水井下儲存與利用[51 - 52]，該技術(shù)已成功在神東礦區(qū)全面實施。

　　4. 3 煤炭開采地下水資源保護利用的技術(shù)探索針對西部礦區(qū)煤炭開采礦井水外排損失的問題，神華集團聯(lián)合中國礦業(yè)大學( 北京) 、中國礦業(yè)大學、清華大學和中國煤炭科工集團西安研究院等高校和科研機構(gòu)，在神東礦區(qū)開展了《神東礦區(qū)水資源保護性開采與綜合利用技術(shù)》《神東礦區(qū)水資源保護性采煤技術(shù)研究與應(yīng)用》《神東礦區(qū)現(xiàn)代煤炭開采對地下水資源和生態(tài)影響規(guī)律研究》等多項科技創(chuàng)新項目和工程實踐，掌握了神東礦區(qū)煤炭開采地下水的運移規(guī)律，開展了礦井水保護利用的技術(shù)探索: 一是設(shè)法阻止礦井水的產(chǎn)生，主要采用限高和充填開采技術(shù); 二是在地面建設(shè)儲水設(shè)施; 三是探索在井下儲用礦井水。

　　5 煤礦地下水庫技術(shù)在西部礦區(qū)成功應(yīng)用

　　神華集團在神東礦區(qū)成功應(yīng)用煤礦地下水庫技術(shù)，目前累計建成 35 座煤礦地下水庫，儲水量約 2 500 萬 m3 ; 并在神東礦區(qū)大柳塔礦建成首座煤礦分布式多層地下水庫，由 2 號煤層的 3 座地下水庫和 5 號煤層的1 座地下水庫組成，儲水量達710 萬 m3 ，實現(xiàn)了礦井水不外排。近 3 年來，煤礦地下水庫供應(yīng)了礦區(qū)用水的 95% 以上，2014 年煤礦地下水庫給礦區(qū)供水達 6 500 萬 m3 ，為世界唯一的 2 億 t 級礦區(qū)提供了水資源保障; 3 年為神東礦區(qū)累計創(chuàng)造經(jīng)濟效益 27. 85 億元，包括節(jié)約生活和生產(chǎn)用水的購水費用 23. 29 億元和節(jié)約的礦井水外排費用、地面水處理費用及排污費用等 4. 56 億元。神華集團已掌握了該技術(shù)成套的自主知識產(chǎn)權(quán)，累計申報煤礦地下水庫方面的國內(nèi)專利 70 余項: 其中已授權(quán)的專利 51 項( 發(fā)明專利 29 項) ; 申報 PCT 專利 4 項，開辟了我國西部煤炭主產(chǎn)區(qū)煤炭開采水資源保護與利用新的路徑，實現(xiàn)了煤炭開采與水資源保護利用的協(xié)調(diào)。其中: “一種礦井地下水的分布式利用方法”發(fā)明專利榮獲第十七屆中國專利獎金獎，成為在 1989 年該獎項設(shè)立以來煤炭行業(yè)獲得的第 3 個中國專利金獎; 以該技術(shù)為核心技術(shù)支撐的“生態(tài)脆弱區(qū)煤炭現(xiàn)代開采地下水和地表生態(tài)保護關(guān)鍵技術(shù)”成果獲得國家科技進步二等獎; “煤礦地下水庫關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”成果獲得內(nèi)蒙古自治區(qū)科技進步一等獎。該技術(shù)相繼被國土資源部和國家科技部等作為先進技術(shù)在全國進行推廣應(yīng)用，世界煤炭協(xié)會制作了煤礦地下水庫專題案例，在世界主要煤炭企業(yè)推廣應(yīng)用。神華集團在所屬的煤礦區(qū)，包括包頭礦區(qū)、新街礦區(qū)、榆神礦區(qū)、寧東礦區(qū)、大雁礦區(qū)、新疆礦區(qū)等全面推廣應(yīng)用該技術(shù); 2015 年 9 月國家科技部批準了神華集團以煤礦地下水庫為核心技術(shù)建設(shè)的 “煤炭開采水資源保護與利用”國家重點實驗室，神華集團將致力于西部不同地質(zhì)特征和煤炭開采條件下的礦區(qū)水資源保護利用技術(shù)研發(fā)和工程實施，為我國西部煤礦區(qū)煤炭開采水資源保護利用提供科技支撐。

　　6 煤礦地下水庫技術(shù)發(fā)展方向

　　煤礦地下水庫技術(shù)涉及采礦工程、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、水利工程和環(huán)境工程等多個學科，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，面臨眾多技術(shù)難題，如水源預(yù)測、水庫選址與規(guī)劃、儲水系數(shù)計算、壩體構(gòu)筑工藝、壩體參數(shù)設(shè)計、庫間通道建設(shè)、安全保障技術(shù)、巖體對礦井水凈化規(guī)律、水質(zhì)控制、高礦化度水處理等基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)難題，未來將依托“煤炭開采水資源保護與利用”國家重點實驗室，聯(lián)合國內(nèi)外科研院所，開展基礎(chǔ)理論研究與突破關(guān)鍵技術(shù)，形成適用于我國西部煤炭主產(chǎn)區(qū)的水資源保護與利用技術(shù)體系。未來將開展以下研究工作: 1) 煤炭開采對地下水系統(tǒng)的影響評價與區(qū)域水資源動態(tài)平衡理論研究。包括: 煤炭開采巖體裂隙演化規(guī)律及控制機理、煤炭開采對地下水系統(tǒng)的影響規(guī)律、煤炭開采引起的應(yīng)力場變化與地下水位的影響、區(qū)域水資源動態(tài)平衡理論與技術(shù)等。 2) 煤礦地下水庫基礎(chǔ)理論研究。包括煤炭開采的采動應(yīng)力場、裂隙場和滲流場“三場”關(guān)系及演化機理; 采空區(qū)巖體對礦井水的自凈化機理; 煤礦地下水庫儲水對地下水循環(huán)系統(tǒng)和地表植被生長的影響; 煤礦地下水庫壩體安全與水體優(yōu)化調(diào)度理論等。 3) 煤礦地下水庫關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。包括煤礦地下水庫壩體構(gòu)筑工藝及參數(shù)優(yōu)化研究、煤礦地下水庫安全保障技術(shù)、煤礦地下水庫協(xié)調(diào)運行技術(shù)、煤礦地下水庫水質(zhì)保障技術(shù)、煤礦地下水庫水質(zhì)分級處理技術(shù)、礦井水高效循環(huán)利用技術(shù)等。

　　7 結(jié) 論

　　1) 水資源短缺是一個全球性問題，尤其在我國煤炭主產(chǎn)區(qū)的西部礦區(qū)，由于特殊的地理氣候條件，干旱少雨，水資源供需矛盾十分突出，嚴重制約該地區(qū)煤炭綠色開發(fā)。 2) 以“堵截法”理念為特征的保水開采技術(shù)必須進一步解決提高開采效率和煤炭資源采出率等技術(shù)難題。 3) 煤礦地下水庫技術(shù)作為“疏導法”理念的代表技術(shù)，實現(xiàn)了煤炭資源與水資源的協(xié)調(diào)開采，為西部煤炭開采地下水保護利用開辟了一條有效的技術(shù)途徑。 4) 煤礦地下水庫技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及采礦、水利、地質(zhì)和環(huán)境等多個學科，還須進一步開展相關(guān)基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)攻關(guān)，從而形成適用于不同地質(zhì)和開采條件的理論與技術(shù)體系，為保護利用我國每年煤炭開采損失的 60 億 t 礦井水提供科技支撐。

　　參考文獻( References) :

　　[1] BP 公司. 2015 年 BP 世界能源統(tǒng)計年鑒[R]. 倫敦: 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.

　　《我國煤炭開采水資源保護利用技術(shù)研究進展》來源：《煤炭科學技術(shù)》，作者：顧大釗1，2 ，張 勇1，2 ，曹志國1，2

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