水资源短缺是全球性问题,我国是全球最缺水的国家之一。 煤炭资源与水资源的逆向分布使得我国煤炭开采水资源保护利用成为煤炭绿色开发的重大技术难题。
习总书记 2014 年 6月13 日在有关能源革命的讲话中指出, 煤炭开采对地下水资源和地表生态的破坏是煤炭开发面临的主要问题。
顾大钊院士从三个方面进行了论述。
煤与水资源逆向分布
中国工程院的相关研究表明,我国含煤盆地和煤炭资呈“井”字型分布格局,即煤炭资源受东西向展布的天山-阴山构造带、昆仑-秦岭-大别山构造带和呈南北向展布的大兴安岭-太行山-雪峰山构造带、贺兰山-六盘山-龙门山构造带控制。 煤炭资源分布具有西多东少、 北多南少和东深西旱特征 。
我国中西部富煤地区多处于干旱和半干旱的生态脆弱区,水资源短缺且地表生态脆弱;主要煤炭基地水资源短缺,矿区供水主要靠抽取地下水资源和矿井水综合利用。
西部水资源保护难度大
我国中西部富煤地区多处于干旱和半干旱的生态脆弱区,水资源短缺且地表生态脆弱;主要煤炭基地水资源短缺,矿区供水主要靠抽取地下水资源和矿井水综合利用我国开采1 t煤炭约产生2 t矿井水,但矿井水利用率仅25%左右;目前每年产生矿井水约80亿t,矿井水年损失量达60亿t, 相当于我国每年工业和民用缺水量(100亿t) 的60%。
我国西部煤炭主产区气候干旱,年蒸发量是降水量的6倍以上,为保障安全生产,矿井水都是外排地表后排放,但由于蒸发量大,不能有效储存和利用。
国家高度重视矿井水保护利用
习总书记在中央财经领导小组第六次会议上提出:我国煤炭资源丰富, “煤老大”在较长时间内作为我国主体能源的地位不会发生变化。 煤炭的大量开采和使用带来两大突出问题:一是煤炭开采对地下水资源和地表生态的破坏;二是煤炭消费对环境的破坏。
一系列煤炭开发水资源保护利用的政策法规相继颁布。
2015年5月中共中央、国务院在《关于加快推进生态文明建设的意见》中指出“积极开发利用再生水、矿井水、空中云水、海水等非常规水源,严控无序调水和人造水景工程,提高水资源安全保障水平”。
2015年4月国务院在《水污染防治行动计划》 (水十条)中指出“推进矿井水综合利用,煤炭矿区的补充用水、周边地区生产和生态用水应优先使用矿井水,加强选煤废水循环利用”。
2015年4月国家能源局《煤炭清洁高效利用行动计划(2015—2020年)》中提出“加大煤矸石、煤泥、煤矿瓦斯、矿井水 等资源化利用的力度”、“有条件的矿区实施保水开 采或煤水共采,实现矿井突水控制与水资源保护一 体化”。
2015年1月国家能源局等在《促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》中指出“统筹煤炭资源条件、矿山地质环境、水资源承载力和生态环境容量,确定合理的科学产能”,将水资源作为煤炭 科学产能的约束条件。
2015年全国人大修订的《中华人民共和国环境保护法》首次将“保障公众健康” 写入总则第一条和明确规定“保护优先” 的原则。
2014年6月国务院《 能源发展战略行动计划 (2014—2020 年)》规定“依据区域水资源分布特点和生态环境承载能力,严格煤矿环保和安全准入标准,推广充填、保水等绿色开采技术”。
2012年3月国家发展改革委在《煤炭工业发展“十二五”规划》 也对矿井水利用率和地表生态修复提出了明确的指标要求。
2012年2月国务院在《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》 提出要确立水资源开发利用控制红线,确定了具体指标要求,明确指出重大项目建设要与当地水资源条件相适应等。
钱鸣高院士率先提出煤炭绿色开采理念和西部矿区保水开采技术研究的若干领域。 据此不同机构和学者展开了大量的研究工作,包括煤炭开采“三带” 和煤炭开采地下水运移规律等基础研究,形成了两类技术途径:一是以“堵截法”为特征的保水开采技术;二是以“疏导法”为特征的矿井水储存利用技术。
“堵截法”为特征的开采技术
“堵截法”保水开采技术的核心是保护煤层上方隔水层完整性,避免形成导水裂隙,从而堵截地下 水向下渗流,实现保护含水层地下水的目的。 采用的主要技术手段包括充填开采、限高开采、房柱式开采、保水区域划分等 。
“疏导法”为特征的矿井水储存
采用疏导手段,在掌握并利用煤炭开采地下水运移规律基础上,将矿井水转移至采空区进行储存,并建设相应的抽采利用工程,确保矿井水不外排地表,实现矿井水资源的保护利用。 神华集团在神东矿区经过近20年技术攻关和工程实践,研发成功了煤矿地下水库技术,即利用煤炭开采形成的采空区岩体空隙,用人工坝体将不连续的安全煤柱连接形成水库坝体,形成相对封闭的储水空间,同时建设矿井水注入设施和取水设施,充分利用采空区岩体对矿井水的自然净化作用,实现矿井水井下储存与利用。
神华集团在神东矿区成功应用煤矿地下水库技术,目前累计建成35座煤矿地下水库,储水量约2500万 m3 ;并在神东矿区大柳塔矿建成首座煤矿分布式多层地下水库,由2号煤层的3座地下水库和5号煤层的1座地下水库组成,储水量达710万m3, 实现了矿井水不外排。 近3年来,煤矿地下水库供 应了矿区用水的95%以上,2014年煤矿地下水库给 矿区供水达 6500万 m3,为世界唯一的2亿 t级矿 区提供了水资源保障;3年为神东矿区累计创造经济效益 27.85 亿元,包括节约生活和生产用水的购水费用23.29亿元和节约的矿井水外排费用、地面水处理费用及排污费用等 4.56亿元。
煤炭开采对地下水系统的影响评价与区域水资源动态平衡理论研究。 煤矿地下水库基础理论研究。煤矿地下水库关键技术研发。基于水资源保护的矿区生态建设理论与技术。加大煤矿地下水库技术的推广应用,制定企业和行业技术标准,加快在西部缺水矿区推广该技术。
文章来源:顾大钊,张勇,曹志国. 我国煤炭开采水资源保护利用技术研究进展[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44(01): 1-7.