顧大釗，李井峰，曹志國,2，吳寶揚,2，蔣斌斌,2，楊 毅,2，楊 建，陳要平

(1.國家能源集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102200；2.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211；3.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710054；4.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

水是文明之源、生態(tài)之要、發(fā)展之需，2020年我國水資源總量3.1萬億m3，人均水資源占有量2 214 m3[1]，僅為世界平均水平的1/4，中國已經(jīng)被聯(lián)合國列為13個貧水國家之一[2]。目前我國每年缺水500億m3，其中農(nóng)業(yè)缺水約400億m3、工業(yè)和民用缺水約100億m3；在655個城市中，近400個城市缺水。水資源短缺未來將成為制約我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重大瓶頸。

黨的十八大以來，黨和國家高度重視水資源保護工作，2013年國家發(fā)改委出臺了《礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》[3]；2014年國務院發(fā)布了《水污染防治行動計劃》(水十條)，明確指出:“推進礦井水綜合利用，煤炭礦區(qū)的補充用水、周邊地區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水應優(yōu)先使用礦井水[4-5]；2017年財政部、國家稅務總局、水利部聯(lián)合發(fā)布了《擴大水資源稅改革試點實施辦法》，在試點地區(qū)將礦井水納入了征收范圍[6]；2021年生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關于進一步加強煤炭資源開發(fā)環(huán)境影響評價管理的通知》，規(guī)定了礦井水在充分利用后確需外排的，水質(zhì)應滿足或優(yōu)于受納水體環(huán)境功能區(qū)劃規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量對應值，且含鹽量不得超過1 000 mg/L[7]。這些政策的出臺對我國水資源保護和礦井水的綜合利用起到了極大的推動作用。

煤炭資源的開采常伴隨著大量礦井水的產(chǎn)生，我國噸煤開采產(chǎn)生礦井水約2 t[8-9]，礦井水的外排、滲漏造成嚴重的水資源浪費。2014-06-13在中央財經(jīng)領導小組第6次會議上習近平總書記指出，煤炭大規(guī)模開發(fā)利用帶來兩大問題：一是煤炭開發(fā)帶來的地下水破壞和地表生態(tài)損傷；二是煤炭利用帶來的大氣污染。

因此，厘清我國煤礦礦井水資源保護利用現(xiàn)狀，提出未來我國煤礦礦井水資源發(fā)展戰(zhàn)略、目標與技術路線，推進煤礦礦井水資源的綜合利用，可以有效緩解我國水資源短缺的矛盾，對我國煤炭行業(yè)的綠色發(fā)展和礦區(qū)生態(tài)文明建設具有重大意義。

2018年，中國工程院設立了“2035我國礦井水保護利用戰(zhàn)略與工程科技”重點咨詢項目，筆者主要闡述了該研究的主要結(jié)論。

1 我國煤礦礦井水保護利用現(xiàn)狀

(1)礦井水保護技術發(fā)展歷程。我國礦井水保護相關的技術研究與工程實踐開始于20世紀90年代，發(fā)展至今主要經(jīng)歷了3個階段，如圖1所示。20世90年代之前，煤炭行業(yè)總體上尚未建立保護礦井水資源的意識，煤礦企業(yè)只是將礦井水當成水害的源頭，現(xiàn)場多采取限高開采、礦井水抽放等技術手段盡量減小礦井水對煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生的影響[10]。20世紀90年代—21世紀初，逐漸認識到煤炭開采對地下水資源的破壞及污染問題，提出保水采煤的理念，科研院所也開始初步開展相關的基礎研究和技術研發(fā)，結(jié)合煤礦企業(yè)的現(xiàn)場實際情況，逐步形成了以限高協(xié)調(diào)開采、注漿封堵、充填開采等為代表的堵截法保水采煤技術[11-14]。21世紀初至今，國家及煤礦企業(yè)意識到在煤礦開采過程中，不僅要保護礦井水不被破壞浪費，更要充分利用礦井水，這就形成了煤水共采的理念。國家能源集團在神東礦區(qū)創(chuàng)造性的開展了煤礦地下水庫技術研發(fā)，實現(xiàn)了礦井水資源的大規(guī)模利用。此外，通過相關科研院所的不斷努力，多種堵截法礦井水保護技術也得到了進一步發(fā)展，新型充填開采、帷幕注漿等技術開始在煤礦企業(yè)示范應用[15-18]。

圖1 我國煤礦礦井水保護技術發(fā)展歷程Fig.1 Development history of water protection technology of coal mine in China

(2)礦井水處理技術發(fā)展歷程。我國礦井水處理利用相關的技術研究與工程實踐開始于20世紀80年代，發(fā)展至今主要經(jīng)歷了4個階段，如圖2所示。

圖2 我國煤礦礦井水利用技術發(fā)展歷程Fig.2 Development history of water treatment and utilization technology of coal mine in China

20世紀80年代—2005年，針對礦井水處理和排放的管理較為粗放，大量中小型煤礦直接外排；對礦井水進行處理的企業(yè)中，處理要求也僅是去除礦井水中的煤粉等大顆粒懸浮物，代表性技術為簡單的“混凝—沉淀—過濾”。

2006—2010年，在2006年原國家環(huán)?？偩诸C布了《煤炭工業(yè)污染物排放標準》，要求所有煤礦外排礦井水的COD、懸浮物等6項指標必須達到標準要求限值，這標志著我國對礦井水的管理逐漸實現(xiàn)正規(guī)化，也倒逼煤炭企業(yè)開始重視礦井水處理問題。這個時期，在傳統(tǒng)“混凝—沉淀—過濾”的基礎上，發(fā)展出“高密度迷宮斜板(斜管)沉淀”技術[19]，礦井水處理率、水質(zhì)達標率也大幅提升。

2011—2015年，國家對礦井水處理與利用重視程度越來越高，國家發(fā)改委、國家能源局和國務院等機構相繼發(fā)布了《礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》《水污染防治行動計劃》(水十條)《煤炭清潔高效利用行動計劃》等政策，都要求加強與提高礦井水的處理與利用水平。為了更好的處理與利用礦井水，煤炭企業(yè)應用了煤礦地下水庫、微砂絮凝、磁分離等新技術[7,20-22]，同時隨著我國煤炭開采主產(chǎn)區(qū)向西部地區(qū)的轉(zhuǎn)移，高礦化度礦礦井水成為影響處理利用的主要問題[23]，超濾、反滲透等技術的應用也開始逐年增多。

2016—2020年，隨著《水污染防治行動計劃》(水十條)的深入開展，內(nèi)蒙古、陜西、山西等西部煤炭主產(chǎn)區(qū)近年來都要求煤炭企業(yè)將礦井水外排標準由《煤炭工業(yè)污染物排放標準》提高到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準。地表水Ⅲ類標準要求的基本水質(zhì)指標有24項，遠多于《煤炭工業(yè)污染物排放標準》的6項，且在共有的水質(zhì)指標中，地表水Ⅲ類指標的標準限值都要嚴格于《煤炭工業(yè)污染物排放標準》。但由于大多數(shù)煤礦礦井水處理站是按照《煤炭工業(yè)污染物排放標準》建造的，因此需要大幅度的提標改造才能滿足新的標準要求，另外大部分新建煤礦按照環(huán)評要求必須達到污水“零排放”，在這種情況下，反滲透、納濾、高級反滲透、濃鹽水結(jié)晶分鹽等技術得到大量應用[24-25]。

(3)礦井水井下保護利用技術處于世界領先水平。世界上絕大多數(shù)國家的地下礦山都是將礦井水排至地表來處理，這不僅要耗費大量的能源來提升礦井水，而且地面處理占用大量的土地資源，同時對于蒸發(fā)量大于降雨量的西部地區(qū)，礦井水排至地表還會造成水資源蒸發(fā)浪費。我國科技工作者將礦井水處理與井下空間緊密結(jié)合，研發(fā)了礦井水井下處理技術與裝備，將井下產(chǎn)生的礦井水直接在井下處理，處理后可直接回用于井下的生產(chǎn)、降塵、消防等，多余的礦井水還可儲存于井下采空區(qū)改造的地下水庫中，降低了礦井水總體處理成本。其中最具代表性的是煤礦地下水庫采空區(qū)凈化技術，該技術充分利用了采空區(qū)中垮落的巖體對礦井水的過濾、沉淀、吸附等作用，實現(xiàn)了礦井水的大規(guī)模低成本處理(圖3)。井下處理技術中，還涌現(xiàn)出井下高密度沉降(重介速沉)、井下超磁分離、井下反滲透等一批先進新技術，并得到了一定規(guī)模的應用，取得了很好的處理效果。

圖3 煤礦地下水庫凈化機理Fig.3 Purification mechanism of underground reservoir of coal mine

此外，國家能源集團正在建設高礦化度礦井水井下處理工程，即將投入運行，在世界上首次實現(xiàn)了高礦化度礦井水“井下脫鹽+濃鹽水采空區(qū)封存”的全套技術工藝與裝備，為高礦化度礦井水處理提供了一個全新的技術路線(圖4)。

圖4 高礦化度礦井水采空區(qū)封存技術工程示范Fig.4 Engineering demonstration of high salinity mine water storage technology in coal mine

(4)探索出了具有中國特色的礦井水大規(guī)模利用新路徑。我國煤炭資源的開采強度和開采規(guī)模高于國外發(fā)達國家，產(chǎn)生的礦井水量較大，為了能夠最大程度的利用礦井水，減輕對礦區(qū)環(huán)境的影響，我國除了將礦井水回用于生活用水、生產(chǎn)用水、環(huán)境用水等常規(guī)利用方法外，還依據(jù)產(chǎn)業(yè)特點，探索出了坑口電廠和煤化工等工業(yè)利用、礦區(qū)大范圍綜合生態(tài)恢復利用、專業(yè)化水務公司大區(qū)域調(diào)配利用等具有中國特色的新路徑，有效提升了礦井水利用率，較大程度緩解了地區(qū)發(fā)展水資源短缺的矛盾。

以神東礦區(qū)為例，礦區(qū)生產(chǎn)能力約2億t，每年用水需求約7 000萬m3，但外部供水量不足300萬m3，其余絕大部分用水均來源于煤礦地下水庫儲水。自煤礦地下水庫技術研發(fā)成功并應用于神東礦區(qū)以來，已累計建成33座地下水庫，最大儲水量約3 100萬m3，提供了礦區(qū)95%以上的用水，滿足了礦區(qū)生產(chǎn)、生活、生態(tài)的用水需求。

2 我國煤礦礦井水資源現(xiàn)狀與趨勢

2.1 我國煤礦礦井水資源量總體情況

2005年中國煤炭工業(yè)協(xié)會和中國礦業(yè)大學(北京)調(diào)研統(tǒng)計得出，我國煤礦富水系數(shù)(即噸煤排水量)為2.1，2005年我國煤炭產(chǎn)量約20億t，全國礦井水資源量約為42億m3；2010年我國煤炭產(chǎn)量32.4億t，礦井富水系數(shù)為1.9，全國煤礦礦井水產(chǎn)生量約為61億m3[26]。

2018—2019年，筆者所在團隊調(diào)研了全國11個省、自治區(qū)的396座生產(chǎn)礦井，并充分考慮了在建礦井、停產(chǎn)與廢棄礦井排水影響，通過統(tǒng)計分析得出我國平均煤礦富水系數(shù)約為1.87。根據(jù)2018年我國煤炭產(chǎn)量36.8億t，可以得出2018年全國礦井水產(chǎn)生量約為68.8億m3，詳細的礦井水產(chǎn)生量詳見表1。

表1 2018年我國煤礦礦井水產(chǎn)生量

2.2 我國煤礦礦井水資源利用總體情況

2005年全國煤礦礦井水資源量為42億m3，礦井水利用量約為8.54億m3，平均利用率為20.3%[27]。

2018—2019年，筆者所在團隊通過調(diào)研和統(tǒng)計分析得出，2018年全國煤礦礦井水平均利用率約為35%。2018年與2005年相比，礦井水產(chǎn)生總量由約42億m3提高到68.8億m3，礦井水平均利用率由20.3% 提高到35.0%。

我國不同地區(qū)礦井水利用率具有以下特點(圖5)：缺水礦區(qū)的利用率要高于不缺水礦區(qū)；礦井水水質(zhì)好的礦區(qū)利用率高于水質(zhì)差的礦區(qū)；礦區(qū)附近配套產(chǎn)業(yè)密集度高的利用率高于礦區(qū)配套產(chǎn)業(yè)密集度低的；國有大型煤礦的利用率高于地方中小煤礦。

圖5 2018年我國典型礦區(qū)礦井水利用率Fig.5 Utilization rate of mine water resources in special mining areas in China(2018)

2.3 我國煤礦礦井水資源量發(fā)展趨勢

根據(jù)中國工程院、中國煤炭工業(yè)協(xié)會、中石油等國內(nèi)機構和IEA，BP等國際機構的預測，2018—2035年，煤炭消費在一次能源消費中的占比將平穩(wěn)下降，預計將由2018年的59%下降至2035年的45%左右。綜合中國工程院、國家能源局相關煤炭生產(chǎn)布局研究，2018—2035年各省區(qū)煤炭產(chǎn)量預測見表2。

表2 我國不同地區(qū)煤炭產(chǎn)量預測

根據(jù)上面的預測，我國煤炭總產(chǎn)量將由2018年的36.8億t緩慢下降至2035年的34.5億t。同時東北、華北以及長江以南地區(qū)煤炭產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯下降，但西部晉陜蒙寧甘新6省區(qū)煤炭產(chǎn)量穩(wěn)中有升，產(chǎn)量占比將由目前的76%進一步提升至90%，我國煤炭開發(fā)基地進一步西移趨勢非常明顯。

根據(jù)煤炭產(chǎn)量發(fā)展趨勢和煤礦生產(chǎn)富水系數(shù)研究預測，我國煤礦礦井水總量將由2018年的68.8億m3下降到2035年的60.2億m3。同時，由于我國西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量不斷增加，西部地區(qū)煤礦礦井水量將由2018年的42.9億m3上升到2035年的47.4億m3。

雖然我國煤礦礦井水總量呈緩慢降低趨勢，但2035年前可以穩(wěn)定在每年60億m3以上，是長期穩(wěn)定的非常規(guī)水資源，可有效地支撐我國礦區(qū)高質(zhì)量發(fā)展。

3 我國煤礦礦井水保護利用工程科技發(fā)展趨勢

3.1 礦井水保護技術發(fā)展趨勢

我國礦井水保護技術的發(fā)展從無到有，逐步形成了以煤礦地下水庫建設為代表的疏導法和以充填開采為代表的堵截法。因此，根據(jù)我國煤炭行業(yè)發(fā)展趨勢并結(jié)合國家政策，我國煤礦礦井水保護技術的發(fā)展趨勢將在疏導法和堵截法這2種礦井水保護方法的基礎上不斷拓展，如圖6所示。

圖6 我國煤礦礦井水保護技術發(fā)展趨勢Fig.6 Development trend of water protection technology of coal mine in China

3.1.1以煤礦地下水庫為代表的疏導法發(fā)展趨勢

目前以煤礦地下水庫為代表的疏導法雖然在神東礦區(qū)得到了大規(guī)模的應用，但是受采掘地質(zhì)條件的限制，該技術尚未在其他礦區(qū)開展大規(guī)模應用，因此為了進一步拓寬煤礦地下水庫技術的適用條件，并將建設過程標準化，該技術方法未來發(fā)展方向的重點將是以下3個方面：① 特厚、大傾角等特殊條件下建庫技術研發(fā)；② 煤礦地下水庫關鍵技術系列標準制定；③ 特殊組分礦井水采空區(qū)封存技術研發(fā)。

3.1.2以充填開采為代表的堵截法發(fā)展趨勢

近年來受國家相關環(huán)保政策的影響，充填開采越來越受到煤礦生產(chǎn)企業(yè)重視，但是由于該技術目前還存在成本高、效率低的問題。因此，以充填開采為代表的堵截法必須在新型充填開采工藝的應用推廣、高效充填開采裝備研發(fā)及新型充填材料研發(fā)3個方面有所突破，以降低以充填開采為主的堵截法保水技術對生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益的影響[28]。

3.2 礦井水處理技術發(fā)展趨勢

礦井水處理利用技術的發(fā)展除了受到新技術發(fā)展的影響外，還與國家政策、煤炭行業(yè)的發(fā)展等緊密相關。因此，根據(jù)我國煤炭行業(yè)發(fā)展趨勢并結(jié)合國家政策，我國礦井水處理利用技術的發(fā)展有3個趨勢，如圖7所示。

圖7 我國煤礦礦井水利用技術發(fā)展趨勢Fig.7 Development trend of water treatment and utilization technology of coal mine in China

(1)井下處理將成為礦井水利用的重要趨勢。井下處理是當前礦井水處理的研究熱點，井下處理除了可有效利用井下空間、減少地面征地費用、減少礦井水升井費用等優(yōu)勢外，更重要的是有利于實現(xiàn)礦井水的儲存、處理一體化，并為礦井水零排放提供了技術經(jīng)濟上可行的解決方案。首先，充分利用井下采空區(qū)巖體的自然凈化作用，發(fā)揮煤礦地下水庫過濾、吸附和離子交換作用優(yōu)勢，支撐礦井水的大規(guī)模低成本井下處理；其次，研發(fā)井下高效處理裝置，研制用于井下處理的低成本天然礦物和粉煤灰材料；最后，綜合構建“庫前預處理—庫內(nèi)自然凈化—庫后深度處理—濃鹽水封存”的礦井水井下處理技術體系，從而實現(xiàn)礦井水井下高效低成本處理和零排放[29-32]。

(2)高礦化度礦井水處理及零排放新技術日益增多。高礦化度礦井水處理及零排放技術目前最大的難題是處理流程長、投資運行成本高和副產(chǎn)結(jié)晶鹽消納處置難，因此其發(fā)展趨勢首先是針對濃縮和蒸發(fā)結(jié)晶過程提效降能等關鍵技術開展研究，其次是針對如何減少投資和運行成本開展研究，最后是結(jié)晶鹽的處理與利用研究。關鍵技術研發(fā)包括研發(fā)高通量、耐污堵、低成本、長壽命的新型膜材料，開發(fā)高效除硬、膜污染控制和蒸發(fā)結(jié)晶結(jié)垢腐蝕控制技術等，通過提高濃縮倍率技術來減少噸水處理能耗。減少投資和運行成本研究方面，主要是研發(fā)利用太陽能、風能、地熱等新能源，以及礦區(qū)電廠、煤化工的余熱等低成本熱源，因地制宜發(fā)展低溫多效、膜蒸餾等處理技術來降低整體處理成本。結(jié)晶鹽的處理利用研究方面，可以采用雙極膜電滲析將鹽溶液制備成酸堿回用，也可以直接封存到井下廢棄采空區(qū)，實現(xiàn)結(jié)晶鹽源頭減量處理[33-34]。

(3)含特殊組分礦井水處理技術趨于精準化、標準化。常見的含特殊組分礦井水主要有高氟礦井水、高鐵錳礦井水、含重金屬礦井水以及放射性礦井水。由于水質(zhì)特征各異，目前尚沒有通用性的技術方案與成套裝備，這導致不同案例之間的處理工藝差異較大，無法控制和對比處理效果及成本[35]。目前含特殊組分礦井水處理技術的發(fā)展趨勢首先是精準化，目標是針對不同的污染組分實現(xiàn)高效定向去除。由于礦井水主要來自于地下水，其含有的陰陽離子對礦井水中特殊離子的去除有競爭、干擾等作用，因此亟須開發(fā)特殊污染組分的高效定向去除技術。其次是標準化，目標是開發(fā)去除特殊污染組分通用性的技術方案與成套裝備，這需要不斷的對大量個體案例總結(jié)和技術積累與改進，最終形成行業(yè)內(nèi)普遍認可的最佳可行解決方案。

4 我國煤礦礦井水保護利用工程科技與發(fā)展戰(zhàn)略

4.1 總體戰(zhàn)略目標

4.1.1指導思想

以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，堅持綠色發(fā)展理念，全面對接西部大開發(fā)、黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展等國家戰(zhàn)略，根據(jù)2035年建成美麗中國的總體要求，通過科技創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新，推動我國煤礦礦井水保護與利用水平不斷邁上新臺階，支撐礦區(qū)生態(tài)修復和高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)煤炭行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4.1.2預期目標

依托科技創(chuàng)新“2030—煤炭清潔高效利用”重大項目等國家科技項目及企業(yè)攻關項目，建立系統(tǒng)的礦井水資源保護與處理技術理論框架和技術體系，突破煤礦礦井水大規(guī)模低成本處理技術，建立煤礦礦井水高效利用政策保障體系，不斷優(yōu)化體制機制，實現(xiàn)煤礦礦井水資源有效保護和高效利用。到2025年，實現(xiàn)煤礦地下水庫儲水規(guī)模達到1億m3、充填開采技術成本下降20%以上、全國煤礦礦井水利用率達到55%的目標。到2030年，實現(xiàn)煤礦地下水庫儲水規(guī)模達到3億m3、充填開采技術成本下降40%以上、全國煤礦礦井水利用率達到70%的目標。到2035年，實現(xiàn)煤礦地下水庫儲水規(guī)模達到5億m3、充填開采技術成本下降50%以上、全國煤礦礦井水利用率達到80%的目標。

4.2 技術路線

圍繞國家經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略需求，針對我國礦井水保護利用中關鍵科技瓶頸問題，大力支持相關基礎研究，突破重大關鍵技術，建立示范工程，實現(xiàn)從煤炭開發(fā)源頭保護礦井水資源，提高礦井水資源綜合利用水平，為煤炭綠色開采和礦區(qū)高質(zhì)量發(fā)展提供水資源保障。2035年我國礦井水保護利用戰(zhàn)略實現(xiàn)技術路線如圖8所示。

圖8 2035我國礦井水保護與利用工程科技發(fā)展技術路線Fig.8 Engineering and technical route towards 2035 of water resource protection and utilization of coal mine in China

4.2.1基礎理論

煤層開采覆巖裂隙帶發(fā)育規(guī)律與地下水運移機制研究：研究大規(guī)模高強度煤炭開采條件下上覆巖層導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，分析煤炭開采工藝參數(shù)與采動應力場、裂隙場和滲流場的關系；系統(tǒng)掌握采空區(qū)垮落巖體空隙空間分布與時空演變規(guī)律；建立煤層開采地下水運移物理試驗模型，揭示礦井水在采空區(qū)和覆巖中的滲流路徑和運移規(guī)律。

礦井水水-巖耦合化學作用機理研究：采用數(shù)值模擬和物理模擬試驗相結(jié)合的方法建立典型地質(zhì)和開采條件下水-巖耦合作用模擬模型，掌握礦井水運移和儲存過程中水-巖耦合作用下地下水水質(zhì)變化規(guī)律，揭示水-巖耦合化學作用的主要反應過程；探討礦井水自凈化過程的自發(fā)趨勢，為礦井水存儲和利用提供理論依據(jù)和應用指導。

4.2.2關鍵技術

地下水賦存精準探測技術。研究復雜水文地質(zhì)條件下煤炭開采上覆巖層結(jié)構和富水特征的精準探測技術，突破現(xiàn)有物探方法的局限性，重點研發(fā)精準探測儀器與裝備，實現(xiàn)對礦井水源、水量及導水通道等礦井水文地質(zhì)信息的精準探查和預測，為礦井水保護利用方案的制定和相關措施的精準實施提供支撐。

充填開采技術材料與裝備。針對新型高效充填開采工藝和裝備、低成本充填材料等開展技術攻關。通過研發(fā)高效充填支架及配套裝備，降低充填工序?qū)ぷ髅婊夭尚实挠绊?；在充分利用煤矸石等材料進行充填的同時，研發(fā)低成本、高強度充填材料，實現(xiàn)煤炭開采與水資源保護協(xié)調(diào)發(fā)展。

高礦化度礦井水大規(guī)模低成本處理技術。重點研發(fā)高礦化度礦井水井下處理技術與裝備，突破濃鹽水高效濃縮膜集成技術；研發(fā)高濃鹽水井下采空區(qū)封存技術，充分利用礦區(qū)內(nèi)工業(yè)余熱、太陽能、地熱能等低成本熱源，突破低溫多效蒸發(fā)、膜蒸餾等熱法和膜法-熱法耦合處理技術，最終形成高礦化度礦井水大規(guī)模低成本技術體系并大規(guī)模示范。

含特殊組分礦井水精準處理技術。針對礦井水中特殊組分，加強對特殊污染物的來源、賦存特征和遷移轉(zhuǎn)化機理等基礎理論的研究，重點研發(fā)特殊組分礦井水定向精準去除技術和大規(guī)模處理裝備，實現(xiàn)特殊組分礦井水處理的標準化和規(guī)?；?。

4.2.3示范工程

蒙陜接壤區(qū)煤礦地下水庫技術示范區(qū)。該區(qū)域是我國煤炭賦存條件最好的礦區(qū)，煤層厚，適合大規(guī)模高強度開發(fā)。在神東礦區(qū)煤礦地下水庫工程基礎之上，進一步向周邊礦區(qū)進行技術推廣應用，研發(fā)與突破大埋深、傾斜煤層、首采工作面條件下的地下水庫建庫理論與技術，重點在新街億噸級新建礦區(qū)進行推廣應用，在蒙陜地區(qū)建成超大規(guī)模煤礦地下水庫群，儲存礦井水超2億m3，滿足礦區(qū)及周邊生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水需求。

寧東、哈密高礦化度礦井水處理利用示范區(qū)。寧東和哈密礦區(qū)都屬于我國大型煤電和煤化工基地，區(qū)域內(nèi)煤電、煤化工項目對水資源需求巨大，但同時礦井水的礦化度普遍較高，區(qū)域內(nèi)有豐富的工業(yè)余熱、太陽能、地熱能等低成本熱源。在寧東和哈密重點開展高礦化度礦井水大規(guī)模低成本礦井水處理技術示范，滿足區(qū)域內(nèi)煤基能源產(chǎn)業(yè)用水需求。

蒙東草原區(qū)礦井水保護利用示范區(qū)。蒙東地區(qū)多以露天開采為主，對地表水系、淺層地下水和地表生態(tài)的破壞與井工礦具有較大區(qū)別。重點研發(fā)與應用以露天礦地下水庫為主的礦井水資源保護利用技術，并結(jié)合草原區(qū)的生態(tài)特點，建立適合于生態(tài)恢復利用的礦井水處理利用體系，并應用于大規(guī)模草原生態(tài)恢復澆灌。

華北平原區(qū)充填開采水資源保護示范區(qū)。華北平原區(qū)煤炭資源日趨枯竭，開采深度大，區(qū)域地下水位持續(xù)下降，產(chǎn)生的矸石占用大量土地。另外礦區(qū)內(nèi)村莊、道路等保護目標較多，需要控制地表沉陷。為保護地下水資源、處理矸石并保護地面建筑物，在華北平原區(qū)大力推廣應用充填開采技術，研發(fā)大規(guī)模高效率低成本充填技術和成套裝備，在確保煤炭生產(chǎn)效率的同時更好的保護地下含水層，實現(xiàn)煤炭開采與水資源保護協(xié)調(diào)發(fā)展。

兩淮礦區(qū)廢棄礦井水資源利用示范區(qū)。兩淮地區(qū)由于資源枯竭和產(chǎn)能退出等原因，廢棄礦井逐年增多，但廢棄礦井中水資源未能得到有效治理和利用。應充分利用廢棄礦井地下空間，重點突破與應用煤礦地下水庫技術、污水地下處理技術、分布式抽水蓄能電站技術等，實現(xiàn)廢棄礦井的礦井水資源充分利用。

4.3 經(jīng)濟社會效益分析

以2025年、2030年、2035年我國煤炭礦井水利用率分別達到55%，70%，80%為目標，對礦井水利用情況進行了情景分析。

以西部礦區(qū)為例，若煤礦礦井水利用率由2018年的35%提高到2035年的80%，則到2035年我國西部地區(qū)將新增利用23億m3煤礦礦井水(圖9)。新增利用的23億m3的礦井水，能夠支撐32萬hm2的生態(tài)復墾(目前全國累計煤炭開采損傷土地面積100萬hm2)、1億t煤制油和2 000萬t煤制烯烴生產(chǎn)，增加工業(yè)產(chǎn)值超過4 000億元(表3，4)。

圖9 西部地區(qū)煤礦礦井水利用量變化趨勢Fig.9 Trend of water consumption of coal mines in Western China

表3 新增礦井水可支撐的生態(tài)復墾面積(2035年)

4.4 政策保障

(1)摸清家底，搞好規(guī)劃。建立全國和省區(qū)層面的礦井水全生命周期管理信息系統(tǒng)，查清全國礦井水資源量，探索建立礦井水智慧水務系統(tǒng)；組織全國大型礦區(qū)完成制定礦井水利用規(guī)劃方案，鼓勵礦井水跨省、市、地區(qū)調(diào)配，明確將礦井水資源量納入水權交易范疇，可與黃河水指標按一定比例進行置換。

表4 2035年我國新增礦井水可支撐工業(yè)產(chǎn)值

(2)加大技術研發(fā)，建立示范工程。盡快啟動“面向2030—煤炭清潔高效利用”重大專項，加大對煤礦地下水庫技術、礦井水井下處理關鍵技術研發(fā)與裝備研制的支持；以國內(nèi)優(yōu)秀礦山企業(yè)為依托，推進建設“礦井水資源高效利用國家工程研究中心”，建立礦井水綜合利用典型示范工程。

(3)完善標準和政策，加強引導。修訂《煤炭工業(yè)污染物排放標準(GB 20426—2006)》；各煤炭主產(chǎn)省區(qū)根據(jù)區(qū)域水環(huán)境功能，科學界定礦井水“零排放”概念，因地制宜地科學制定礦井水生態(tài)利用的水質(zhì)標準，避免盲目追求“零排放”和提高外排標準；擴大水資源稅應用試點，適當拉大礦井水外排稅率與回用稅率，對礦井水處理利用工程在征地、用電價格上給予支持；對礦區(qū)周邊企業(yè)實行礦井水與常規(guī)水源配額制，提高常規(guī)水源取水成本，鼓勵企業(yè)優(yōu)先使用礦井水；還原礦井水資源的物權屬性，允許和鼓勵企業(yè)將處理好的礦井水作為商品進行自由交易。

5 結(jié) 論

(1)通過調(diào)研全國11個省和自治區(qū)的396座煤礦，并充分考慮了在建礦井、停產(chǎn)與廢棄礦井排水影響，經(jīng)過統(tǒng)計分析得出我國煤礦平均富水系數(shù)約為1.87；我國煤礦每年產(chǎn)生礦井水約68.8億m3，礦井水平均利用率約為35%，每年未能有效利用的礦井水約50億m3。

(2)根據(jù)煤炭產(chǎn)量發(fā)展趨勢研究預測，我國煤礦礦井水總量將由2018年的68.8億m3下降到2035年的60.2億m3；同時，由于我國西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量不斷增加，西部地區(qū)煤礦礦井水量將由2018年的42.9億m3上升到2035年的47.4億m3；2035年前全國礦井水每年可以穩(wěn)定在60億m3以上，將是我國長期穩(wěn)定的非常規(guī)水資源。

(3)圍繞國家經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略需求，針對我國礦井水保護利用中關鍵科技瓶頸問題，提出了“掌握2項基礎理論、突破5項關鍵技術、建立5個礦井水保護利用示范區(qū)”的工程科技發(fā)展路線，同時提出了相關政策建議和保障措施；到2025年實現(xiàn)我國煤礦礦井水利用率達到55%的目標；到2030年，實現(xiàn)我國煤礦礦井水利用率達到70%的目標；到2035年，實現(xiàn)我國煤礦礦井水利用率達到80%的目標。