(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

山西省地處華北地區(qū)西部，總面積為156271km2，其中黃河流域97138 km2，占全省總面積的62.2%；海河流域面積為59133 km2，占全省總面積的37.8%。山西省煤炭資源分布廣、儲量大，含煤面積6.2萬km2，2000m以淺煤炭預(yù)測資源儲量6652億t，探明保有資源儲量2674.3億t，約占全國的1/4，2015年全省煤礦生產(chǎn)能力14.6億t/a，其中實際產(chǎn)量9.75億t。煤層氣資源總量83097.86億m3，約占全國煤層氣資源總量的1/3，2015年地面煤層氣抽采量41.77億m3，煤礦井下瓦斯抽采量60.2億m3，分別占全國的96.07%和41.65%。煤礦開采和煤層氣的抽取，對受益區(qū)的經(jīng)濟具有非常重要的貢獻(xiàn)作用，但也造成了不可忽略的負(fù)面影響，特別對相關(guān)區(qū)域的水生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響和破壞，主要表現(xiàn)為水資源量的減少和水質(zhì)的污染。

山西省水資源較少，全省60%的地區(qū)缺少灌溉水源及飲用水源。多年來，煤炭開采產(chǎn)生的礦井水利用率不高。污染過的礦井水若不經(jīng)處理直接排放，不僅會造成水資源的大量浪費，也會對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境造成不利影響。為消減礦井水及煤氣層排水對水環(huán)境的負(fù)荷，將該資源開發(fā)成可利用的資源已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題，取得了許多理論及實踐成果。國外對礦井水的利用研究較早，美國對礦井水的利用率已達(dá)81%，俄羅斯更是高達(dá)90%[1]。一部分礦井水經(jīng)處理后進(jìn)行了達(dá)標(biāo)排放，另一部分主要用于煤礦的生產(chǎn)和生活用水[2]。與國外的研究相比，我國對該資源的處理及回用的研究起步較晚[3]，對礦井水的利用率還很低，平均僅為22%。但部分區(qū)域礦井水利用技術(shù)也有較大的提高，如山西晉城、陽泉等地，對礦井水的利用已達(dá)到70%左右，平頂山礦務(wù)局的利用率也已達(dá)70%以上[4]。

隨著對水資源的需求越來越多且人們對環(huán)境保護(hù)意識的不斷提高，礦井水的資源化利用將成為未來很長一段時間的研究重點之一。因此，本文通過詳細(xì)的調(diào)查研究，以山西省采煤礦井水及煤層排水為例，對礦井水的綜合利用提出科學(xué)合理的對策，對于保障區(qū)域生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水需求，加強水資源的合理配置、全面節(jié)約和有效保護(hù)，促進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 采煤礦井水成因和煤層氣排水原因

山西省煤(氣)層主要賦存在山西組和太原組地層中，煤(氣)層、含水層、隔水層均為交互相沉積，煤(氣)層夾于含水層中，其頂?shù)装寰泻畬雍透羲畬樱悦?氣)層開采時，在采區(qū)范圍內(nèi)，含水層會受到影響，地下水天然條件下的補、徑、排關(guān)系也會發(fā)生變化。

1.1 采煤礦井涌水成因

山西省自北向南分布有大同、寧武、西山、河?xùn)|、沁水、霍西6大煤田和渾源、繁峙、五臺、垣曲、平陸5個煤產(chǎn)地，煤系含水層中地下水的補給、徑流、排泄關(guān)系，在煤礦開采前后各有不同，在采區(qū)范圍內(nèi)會發(fā)生變化。

礦井水是指在礦產(chǎn)資源開采過程中從巖層中涌出的水[5]。當(dāng)一個煤層開采后，其上部巖層移動時，如果裂隙帶達(dá)到地表，就會使地表水與井下連通。如果裂隙帶達(dá)不到地表，但達(dá)到了煤系地層中某一含水層，就會使該含水層破壞，改變其徑流特征，使含水層中的水漏入井下，形成礦井水。礦井水本來是清潔的水，但由于生產(chǎn)污染，礦井水變得色澤渾濁、懸浮物含量高、沉積物量大，如果未經(jīng)處理排放則會對河流造成嚴(yán)重的污染。

1.2 煤層氣抽取排水原因

山西煤層氣主要分布在沁水聚氣盆地和河?xùn)|聚氣盆地，地下水的強徑流帶煤層氣含量低，緩流帶或滯流區(qū)煤層含氣量高，因此一般在地下水緩流帶或滯留區(qū)抽取[6]。煤層氣地面抽取先決條件是降壓解吸，煤層氣開采工藝主要為排水—降壓—采氣，因此在抽取煤層氣過程中會排出大量的地下水，造成地下水的極大浪費，另外煤層氣富集的含水層屬于地下水滯留區(qū)，水質(zhì)本底污染加上添加化學(xué)材料，水質(zhì)極差。

2 煤礦開采礦井水和煤層氣抽取排水的水量水質(zhì)現(xiàn)狀

山西省6大煤田和2大煤層氣富集盆地，由于不同產(chǎn)地的煤層地質(zhì)、水文地質(zhì)等基本條件不同，其開采產(chǎn)生的礦井涌水和抽取煤層氣產(chǎn)生的排水的水量和水質(zhì)也有差異。

2.1 煤礦開采現(xiàn)狀礦井水涌水量和煤層氣排水量

2015年山西省煤礦生產(chǎn)總量9.75億t，礦井涌水量40200萬m3。煤礦自身回用礦井水水量14859m3，噸煤礦坑水回用量0.15m3/t，煤礦之外利用礦井水水量8722萬m3，礦坑水總回用率58.66%，山西省現(xiàn)狀煤礦開采礦井水回用率不高，仍有繼續(xù)回收利用的潛力[7]。

2015年全省地面煤層氣抽采量417700萬m3，全省地面抽取煤層氣年排水量約為17125.7萬m3，平均單位產(chǎn)氣排水量為0.041m3/m3。

2.2 煤礦開采礦井水水質(zhì)和煤層氣抽取排水水質(zhì)

山西煤礦排出的礦井水按其水質(zhì)可分為4類：潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水和酸性礦井水。山西省礦井水監(jiān)測結(jié)果表明，礦化度由北到南由大變小，補給區(qū)小于徑流區(qū)，山區(qū)小于平原區(qū)。按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)進(jìn)行評價，山西省煤礦排放的礦井水大部分已被污染，礦井水中的主要污染物SS(懸浮物)和礦化度嚴(yán)重超標(biāo)，其超標(biāo)率自北向南由大到小，呈有規(guī)律的變化。

山西省煤層氣開采煤層屬深埋藏煤層，煤層含水層水質(zhì)較差，屬原生污染嚴(yán)重的地下水含水層。煤層氣井排出水水質(zhì)指標(biāo)中氟化物超標(biāo)情況最為突出，其次為氨氮、亞硝酸鹽、氯化物、溶解性總固體等。

3 煤礦礦井水和煤層氣排水回用及處理方面存在的問題

山西煤礦開采分露天開采和井工開采(帶壓開采和不帶壓開采)，山西在保德和晉城等局部地區(qū)有大量的煤層氣開采。煤礦礦井水回收利用方面的問題主要表現(xiàn)為：排水利用率不高，水質(zhì)處理不達(dá)標(biāo)排放造成污染等；煤層氣抽取排水存在著不經(jīng)處理直接排放污染地表、地下水體的問題；另外有一些閉坑后酸度極高的“老窯水”不斷滲出，污染地表、地下水體。

3.1 露天煤礦開采排水存在的問題

在山西朔州有大量的露天煤礦開采，開采過程中煤層以上覆蓋層全部剝離，地表水和孔隙水均不復(fù)存在；二疊系下石盒子組、石炭系山西組、石炭系太原組砂巖裂隙水隨著采煤深度的增加而增加，采取周邊裂隙水以泉水的形式排泄至采區(qū)后逐步疏干；煤層高程高于奧陶巖溶水水位，則不觸及巖溶含水層，但是若有構(gòu)造帶存在，則對巖溶含水層也會有相應(yīng)影響。

露天煤礦產(chǎn)生的礦坑水除生產(chǎn)利用外，其余全部提水到地面收集池，經(jīng)簡單處理后排入河道，造成河流或地下水污染。

3.2 井工煤礦開采礦井水存在的問題

采煤形成一定規(guī)模的采空區(qū)后，上覆巖層應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)通了所達(dá)到的上覆各含水層，就會形成地下水導(dǎo)水通道，在地下水采煤影響范圍內(nèi)，導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通的各含水層地下水漏入井下，形成礦井水；當(dāng)采煤深度位于巖溶地下水位之下帶壓開采時，底板有效隔水層厚度小于破壞厚度時，如果地下水位高于煤層底板，則會發(fā)生礦井突水，不僅威脅安全生產(chǎn)，且造成水資源破壞，形成大量的疏降排水。

山西井工采煤的礦井水首先用于井下生產(chǎn)用水，但全省平均自身噸煤礦坑水回用量僅0.15m3/t，可以推測生產(chǎn)用水存在新鮮水代替礦坑水的現(xiàn)象(山西省煤礦生產(chǎn)用水定額為0.25m3/t)，另外存在多余礦坑水不達(dá)標(biāo)排放的現(xiàn)象。

3.3 煤礦停采后“老窯水”存在的問題

煤礦停產(chǎn)閉坑后，循環(huán)于地下含水層與煤礦坑道系統(tǒng)中的“老窯水”蓄積于采空區(qū)，隨著壓力的加大，會逐漸在部分區(qū)域出露，流入河流或者深入地下含水層。例如：作為全國重要飲用水水源地的娘子關(guān)泉水，其總硬度和硫酸根超標(biāo)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，就是由于大量“老窯水”涌出地表并進(jìn)入下游碳酸鹽巖區(qū)后滲漏污染所致。

“老窯水”的污染問題是難以控制、難以治理的極大難題。

3.4 煤層氣開采排水存在的問題

煤層氣開采井分羽狀分布、叢式分布等，隨著開采進(jìn)程的推進(jìn)，產(chǎn)生的排水包括：在鉆井過程中打穿了煤層以上所有含水層，造成下游的小泉、小水流量減少，乃至干枯；固井過程中含水層止水材料和工藝的不規(guī)范造成淺層地下水不斷向下漏失；采氣過程中提前抽排原煤裂隙中的水，造成煤層以上地下水下滲量增大等。

煤層氣開采過程中的鉆井施工廢水、添加一定含量的氯化鉀等化學(xué)添加劑的壓裂水、煤層氣開采井排出的地下水等，若不加以處理回用或回灌，將對周邊地表河流和地下含水層造成不利影響。

4 山西采煤礦井水資源化和煤層氣排水處理對策

4.1 2020年煤礦生產(chǎn)及礦井排水量預(yù)測

2020年，全省煤炭設(shè)計規(guī)模維持在12.3億t，產(chǎn)量預(yù)計10億t左右，礦井水排放量預(yù)計達(dá)到41201m3/a，全省礦井水處理后利用率應(yīng)達(dá)到70%以上，山西省2020年各市礦井排水量、利用量及回用率見下表。通過多種措施增加礦坑水的回用量，2020年能回用礦井水28862萬m3，從而減少相應(yīng)數(shù)量自來水的使用，達(dá)到節(jié)水減污效果。

山西省“十三五”期間，建設(shè)沁水、河?xùn)|2大煤層氣基地，推進(jìn)河曲-保德、臨縣-興縣、三交-柳林、永和-大寧-吉縣、沁南-沁北、三交-柳林等6個煤層氣片區(qū)勘探開發(fā)，到2020年，全省煤層氣總產(chǎn)能力爭達(dá)到400億m3，按現(xiàn)狀平均單位產(chǎn)氣排水量為0.041m3/m3，抽取煤層氣排水將達(dá)到164002萬m3，若不采取妥善的處理措施，其影響程度將高于煤礦開采對水生態(tài)環(huán)境造成的破壞，因此必須高度重視對煤層氣抽取產(chǎn)生排水的處理問題。

山西省2020年各市礦井排水量、利用量及回用率

4.2 礦井水資源化和煤層氣抽取排水處理對策

煤礦開采產(chǎn)生的礦井水首先回用于煤礦本身，多余礦井水可經(jīng)過不同方式的處理后利用于煤礦外企業(yè)工藝、農(nóng)業(yè)灌溉、河湖景觀生態(tài)用水和生活用水等[8]，若仍有多余并且水功能區(qū)允許設(shè)排污口，則根據(jù)《山西省節(jié)約用水條例》要求，達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)排放。

煤層氣抽取產(chǎn)生的排水必須處理后回灌地下同一含水層，若有多余也根據(jù)《山西省節(jié)約用水條例》要求，達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)排放。

4.2.1 露天煤礦礦井水利用處理對策

對于露天煤礦，開采過程中，剝離的含水層設(shè)置排水收集池，首先用于開采工作層生產(chǎn)用水，若有多余排水，集中提水到地面，經(jīng)過蓄水池收集和處理后，應(yīng)按接納河道水功能區(qū)的要求，遵照《山西省節(jié)約用水條例》，達(dá)到地表水Ⅲ類水方可排放。

4.2.2 井工煤礦礦井水

不同煤礦礦井水水質(zhì)和排放量差異較大，回用措施應(yīng)采用因地制宜、分類實施。優(yōu)先保證礦區(qū)內(nèi)用水，尤其要做到先井下后井上，先礦內(nèi)后礦外，先生產(chǎn)后生活。

a.礦區(qū)內(nèi)綜合利用。首先用于礦井開采及原煤洗選用水。礦井開采包括開拓、掘進(jìn)、采煤、轉(zhuǎn)載、煤壁注水和個別煤礦的黃泥灌漿等多項用水，這些生產(chǎn)用水對水質(zhì)沒有什么特殊要求，只需經(jīng)簡單的物理處理后即可利用。但對于煤炭企業(yè)壓風(fēng)機、綜采機、鉆機等動力機械及輔助設(shè)備間接冷卻用水，應(yīng)嚴(yán)格控制回用水水質(zhì)，以防止因腐蝕而造成的設(shè)備損壞。

礦井水若有富余，可用于礦區(qū)公共生活用水，比如沖洗車輛、綠化、消防和礦井生活雜用水，根據(jù)水質(zhì)要求不同進(jìn)行不同方式的處理，采用“中水道”分質(zhì)供水。

b.礦區(qū)附近企業(yè)用水。多余礦井水，可供給礦區(qū)附近企業(yè)的生產(chǎn)用水，比如焦化廠、建材廠等，不同用水戶對水質(zhì)的要求不同，進(jìn)行相應(yīng)不同深度的處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)后利用，取用礦井水企業(yè)根據(jù)本企業(yè)的供排水狀況，聯(lián)通附近煤礦企業(yè)礦井水供水管道，興建備用供水系統(tǒng)。

c.礦井水用于景觀和農(nóng)業(yè)用水。礦井水可作為農(nóng)業(yè)灌溉、林牧漁業(yè)的供水水源，充分利用廢舊礦井回灌和儲存礦井水，通過蓄水池調(diào)蓄礦井水，經(jīng)過適當(dāng)處理后用于灌溉。

晉城市實施的典型模式“一礦一池一園區(qū)”，成為全國節(jié)水型社會試點建設(shè)的一大亮點。

d.礦井水用于改善生態(tài)環(huán)境。煤礦廢水可供河道外生態(tài)景觀用水，在礦坑口建封閉式調(diào)節(jié)水池，將存水輸送到周邊旅游景點，可作為花園灌溉用水、沖洗車輛、道路噴灑或消防用水等，改善旅游景點的生態(tài)環(huán)境。

e.優(yōu)良水質(zhì)的礦井水用于生活用水。 對于部分礦井，潔凈礦井水大多是從煤系中石灰?guī)r或煤系下伏奧陶系石灰?guī)r中涌出的水，水質(zhì)一般較好，只要在井下實行清濁分流，不與含煤巖粉的濁水混合，在源頭妥善截流，通過井下單獨布設(shè)的排水管道將其排出，經(jīng)處理后可作為生活飲用水。

4.2.3 煤層氣開采排水處理

優(yōu)化布井，避開構(gòu)造帶、河流、水源地和泉域重點保護(hù)區(qū)，固井返漿至孔口，鉆井泥漿采用無毒無害材料，抽氣前的排水必須經(jīng)收集處理后回灌到含水層，鉆井壓裂用水等生產(chǎn)廢水處理后回用。

4.2.4 閉坑后“老窯水”處理對策

4.2.5 煤礦開采礦坑水資源化和煤層氣抽取排水處理的其他措施

a.煤礦開采和天然氣抽取須遵守相關(guān)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。遵守《中華人民共和國水法》《中華人民共和國水污染防治法》《水污染防治行動計劃》《取水許可和水資源費征收和管理條例》《建設(shè)項目水資源論證管理辦法》《山西省水資源管理條例》《山西省節(jié)約用水條例》《山西省泉域水資源保護(hù)條例》等。

b.對煤礦開采和煤層氣抽取，依據(jù)《采礦業(yè)水資源論證導(dǎo)則》進(jìn)行水資源論證，嚴(yán)格履行取水許可手續(xù)。取水量在區(qū)域最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”總量控制范圍內(nèi)，符合區(qū)域水資源優(yōu)化配置原則，生產(chǎn)取水首先取自煤礦自身的礦井水，補充生產(chǎn)取水優(yōu)先使用非傳統(tǒng)水源和地表水，實施關(guān)井壓采行動，取水指標(biāo)符合《山西省用水定額》。若煤礦自身和外界回用后，仍有多余礦井水排放，應(yīng)根據(jù)水功能區(qū)的劃分要求履行設(shè)排污口手續(xù)，并依據(jù)《山西省節(jié)約用水條例》達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)方可排放，工業(yè)場地生產(chǎn)廢水和生活污水必須處理后回用，不得外排。

c.開展煤礦開采及煤層氣抽取對巖溶大泉、重要飲用水水源地和重點河流的環(huán)境影響評價工作，以避免不當(dāng)開采而破壞含水層，造成水資源的大量漏失和水環(huán)境污染。泉域重點保護(hù)區(qū)禁止煤礦開采，重要飲用水水源地、水利工程和河流，按其保護(hù)有關(guān)規(guī)定留設(shè)保安煤柱，不能越界開采。對于帶壓開采的煤礦，突水系數(shù)大于0.1MPa/s的區(qū)域禁止開采，突水系數(shù)0.06～0.1MPa/s的區(qū)域暫緩開采，探明構(gòu)造再決定是否開采。帶壓開采禁止疏水降壓，無壓開采禁止利用滲坑滲井向下回灌污染后未經(jīng)處理的礦坑水。

d.嚴(yán)格采煤和抽取煤層氣工藝各環(huán)節(jié)取水和排水的計量，并按計量上繳水資源稅。根據(jù)山西省人民政府印發(fā)的《山西省水資源稅改革試點實施辦法》規(guī)定，煤礦開采水資源稅根據(jù)疏干排水量征收，若沒有排水計量，則按噸產(chǎn)品排水2.48m3折算排水量征收水資源稅。

e.采煤企業(yè)和煤層氣抽取企業(yè)建設(shè)一定容量的取水調(diào)蓄池和取水水質(zhì)處理設(shè)施，以保障穩(wěn)定的、水質(zhì)符合要求的生活、生產(chǎn)供水。建設(shè)一定容量的廢污水處理設(shè)施，工業(yè)場地的生活污水和生產(chǎn)廢水必須處理后全部回用，建設(shè)事故污廢水收集池，并制定突水和水污染事件應(yīng)急預(yù)案。煤礦開采和煤層氣抽取過程中，接受當(dāng)?shù)厮Y源及環(huán)境部門監(jiān)督。

f.樹立全民節(jié)水意識，實施計劃用水，履行考核制度。加強節(jié)約用水補償獎勵制度研究，加強采煤礦井水資源化課題的進(jìn)一步研究，加強煤層氣抽取排水處理對策課題的深入研究，加強煤礦閉坑后“老窯水”處理對策的研究，積極實施礦坑水資源化和煤層氣抽取排水處理先進(jìn)技術(shù)和典型經(jīng)驗的示范推廣工作。

5 結(jié) 語

山西省是國內(nèi)煤炭和煤層氣生產(chǎn)的大省之一，采煤和抽取煤層氣形成了大量的排水，存在礦井水利用率不高和造成河湖及地下水水體污染的現(xiàn)狀問題。文中對礦井水用于礦井本身、礦井外企業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)用水和生活用水等方面的對策進(jìn)行了分析研究，同時明確多余礦井水和抽取煤層氣的排水按水功能區(qū)要求，依照《山西省節(jié)約用水條例》達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)方可排放。該研究提出的對策，可為煤礦開采及煤層氣抽取過程中對水資源的保護(hù)與利用提供科學(xué)依據(jù)，對于推動水資源節(jié)約和水生態(tài)文明建設(shè)具有積極的作用。