发布机构: 山西省科学技术厅能源处 发布日期: 2021-11-24 13:18:30

王红冬:碳达峰碳中和背景下的保水采煤技术——以大同矿区采空区地下水库构建及水资源恢复利用为例


水,一切生命之源是人类生存和发展的重要物质基础。地球上的淡水资源十分稀缺,若把地球上的水比成一缸的话,能饮用的水也只有一碗(如图1所示)。联合国的一份报告警告说,除非世界各国使用水资源方式得到显著改变,否则在将来短短15年内(2030年前),世界可用水资源缺口将可能达到40%。如果不采取措施珍惜水资源、保护水资源,人类将难以生存!

1 世界水资源示意图

我国是一个缺水严重的国家,人均淡水资源仅为世界平均水平的1/4、在世界上名列110位,是全球人均水资源最贫乏的国家之一,人均可利用水资源量仅为900 m3,并且分布极不均衡。据统计,在全国600多座城市中有400多个城市存在供水不足问题。我国又是世界的产煤及消费大国,煤炭在一次性能源生产和消费中的比例长期处于65%以上,煤炭已经成为国民经济高速发展的重要基础。然而,在全国96个国有重点矿区中,缺水矿区占71%,其中严重缺水的占40%。煤矿大规模开采对水资源的破坏严重。据统计,全国每年煤矿开采产生的矿井水约80亿吨,而利用率仅为25%,矿进水损失量巨大,每年达60亿吨。因此保护水资源,提高水资源循环利用,实现可持续发展已经成为人们的共识

大同市地处干旱少雨、生态脆弱的晋北黄土高原,属温带大陆性季风气候,多年平均降雨量400mm,平均水资源总量9.51亿m3,人均占有量不足全国平均值的1/8,被列为全国110座严重缺水城市之一。目前,大同市为维持居民生活用水和工农业的生产需求,每年超采地下水多达5000万~8000m3,地下水超采面积达394 km2但是由于大同市城市供水水源地周边分布着规模不等的几十座矿井,在持续100余年的采矿过程中,一方面,煤矿要确保各矿井生产过程的安全,需要大量抽排地下水,使得原有地下水系统的补径排条件发生剧烈改变,矿井排水导致的区域地下水位下降强烈影响城市供水水源地的地下水资源储存量;另一方面,随着大同矿区部分矿井煤炭资源的逐步枯竭,矿井关闭后停止排水,导致原有井巷积水并产生周边地下水系统的水位抬升、恢复以及水质污染等一系列水文地质效应,并可能造成城区水源地的水质污染,最终导致区域地下水资源的利用率下降。加之煤矿的高强度开采和其他工业及生活废水的排放,直接导致大同市地表水污染,境内已无类地表水。以水资源短缺、地下水污染严重为特征的水危机已成为全市经济社会可持续发展的重要制约因素。因此如何寻求合理而可靠的技术,对矿区水资源形成有效的保护以及合理的循环利用,是矿区急待解决的重大难题。

            

2 国内煤矿地下水库示意图(据王恩志)

3 地下水库供水示意图

保水采煤是煤矿绿色开采技术的一个重要分支。保水开采即是在采煤的过程中,通过相关的技术措施,对矿区范围内的水资源进行保护,并对生产矿井产生的矿井水进行合理资源化利用,使煤炭开采过程中对矿区水文环境的扰动量小于该生产区域实际的水文环境容量针对目前大同市面临的地下水水资源短缺问题和煤矿开采中地下水污染(矿井水)、水资源浪费的矛盾,结合大同城区周边的特殊矿井地下水系统,国内学者结合保水采煤的理念,提出矿井水储用的新途径通过构建采空区地下水库(图2技术,将煤矿废弃采空区地下空间作为储水空间,矿井谁经过水处理工艺技术达到社会需求水质级别,可做为工业、农业、景观及生活用水,经济效益明显,且能促进研究区工农业社会发展。地下水库构建和水处理技术能净化污水水质,减少煤矿外排水量,实现水资源高效利用和可持续发展(图3

采空区地下水库构建及水资源恢复利用就是保水采煤技术的拓展应用对破解大同市工业发展和城市缺水难题具有重大战略意义。其中采空区地下水库构建的主要难点在于两方面:其一为根据大同市各矿开采条件及所处水文地质单元的差异,对研究区内的生产矿井和报废矿井进行归类,选择典型矿井开展采矿活动对区域地下水流场的评价重点对采矿活动垂向影响的含水层层位、横向影响的范围以及对供水水源地影响等进行定量评价其二在于结合大同市即将闭坑典型矿井的已有观测资料(包括水位、水量、水质等)及采空区参数(范围、空间等),系统评价采空区或者井巷积水后的水位恢复对供水水源地的环境影响以及与水源地的水质交换与演化过程。矿区地下水资源恢复利用方案及矿井水净化处理工艺则主要在于结合大同矿区采空区分布情况,以及地下水库构建的关键因素,从充水水源、水量、水质分析与预测和水库结构与管理等方面,分析研究矿井地下水库构建的可行性,提出矿区地下水资源恢复利用方案及矿井水净化处理工艺。

我们相信随着保水采煤技术研究的深入,我国将会形成越来越多的地下水库水资源保护与循环利用工程系统,从而实现水资源的高效循环利用,最终既解决了矿井水灾问题,又创造性地保护了井下水资源,为我国浅埋煤层绿色开采开辟新途径

                                   供稿人:王红冬 山西省地质矿产研究院院长、总工程师


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