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探索煤炭与水资源协调开发新道路

2017-05-22 10:58:11    来源: 中国国土资源报    作者:顾大钊

能矿开发对水土环境带来影响

近年来,我国主要能源矿产品产量均居世界前列。其中原煤、铁矿石、黄金、磷矿石等矿产品2016 年产量居世界首位。但能源矿产资源的高强度开发利用对生态环境带来重大的负面影响。

首先,能源矿业资源存在分布严重不均的问题。大量资源分布在水资源短缺和地表生态脆弱区域。其次,能源矿业多属于大宗资源,其开发强度非常高,资源加工利用过程对生态环境影响巨大,主要体现在开发过程对地下水资源和地表生态的破坏、加工利用对水资源的大量消耗以及开发利用过程中产生的大量工业“三废”。

煤炭是我国储量最丰富的化石能源,也是我国的主体能源。但煤炭和水资源呈逆向分布:西部五省区煤炭产量占全国70%以上,而水资源总量仅占全国的3.9%。煤炭开发对环境的影响主要体现在三个方面:一是煤炭开采会破坏大量水资源。在现有的煤炭开采工艺条件下,吨煤开采平均产生矿井水2 吨以上,但矿井水利用率长期低于30%,因而导致矿井水大量外排,水资源浪费严重。据国家能源局统计,2013 年我国煤炭开采产生矿井水80亿吨,损失约60 亿吨,是我国工业和民用缺水量(100 亿吨)的60%。二是煤炭全产业链对水资源消耗巨大。我国煤炭开发利用全产业链(包括开采、洗选、火电和煤化工等)的水资源消耗每年超过170 亿吨。三是煤炭开采造成的地表生态损失。据统计,万吨煤开采损伤土地0.2 公顷左右,目前年损伤土地约7 万公顷,全国采煤沉陷损毁土地面积已达100 万公顷,但地表生态修复率一直不足30%。干旱缺水煤矿区地表生态修复主要受制于水资源短缺。

在开发中保护利用水资源

神华集团是世界最大的煤炭企业,其中80%以上的煤炭产自西部严重缺水区。基于煤炭资源与水资源协调开发的基本理念,我们进行了煤矿地下水库的技术创新与工程实践,突破了矿井水只能外排地表的传统思维方式,提出了利用煤矿地下水库保护利用地下水的技术思路,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,同时建设矿井水调入和调出煤矿地下水库的调水系统,充分利用采空区岩体对矿井水的自然净化作用,完成矿井水的井下储存与利用,实现矿井水向资源的转化。

煤矿地下水库技术是一个不断探索与创新的过程。1996 年,神华集团神东大柳塔矿建成投产,随即开始探索该技术路线。1998 年,建设了单采空区储水设施,证实井下储水可行。2002 年,神东矿区建成6 座单采空区储水设施,储水总量100 万立方米。2006 年,建成了多采空区地下水库,大幅增加了库容。2008 年,神东矿区建成16 座多采空区地下水库,储水总量1120万立方米;2010 年,建成了分布式地下水库,实现了矿井水不外排的目标。截至2015 年,神东矿区建成35 座煤矿地下水库,储水总量达到3100 万立方米。其中,大柳塔矿煤矿分布式地下水库群是在全球最大的井工矿中建成的世界首个煤矿分布式多层地下水库群,该工程包含4 座地下水库,储水量710 万立方米,实现了长期安全井下储用水以及矿井水的零外排。

煤矿地下水库技术的应用推广产生了巨大的经济效益和社会效益。神东矿区建成的35 座地下水库,2015 年供水约7000 万立方米,提供了矿区95%以上用水,而矿区每年从外部只能调水300 万立方米。同时还给周边电厂和煤制油项目供水,使矿区由耗水大户变为供水的基地。目前神华煤直接液化第一条线已全部用矿井水作为水源,正在建设给二三线供水工程,年供水量达1000 万立方米。

在煤矿地下水库技术体系的探索过程中,神华开展了大量技术储备积累的工作:一是水源预测方面,通过实践证明了西部煤炭大规模高效率开采时必然产生大量矿井水,在基岩裂隙水和第四系孔隙水的持续补给下,西部矿井涌水量长期稳定;研究建立了可较为准确预测矿井涌水量的预测模型,为煤矿地下水库设计及储水量确定提供理论依据。二是库容计算和扩容技术方面,首次提出储水系数概念(即采空区单位体积岩体的储水量),建立了由储水系数和储水体积确定煤矿地下水库库容的计算方法,为库容计算提供了依据;研发出超大工作面开采技术等。三是水库选址方面,提出了水库选址三原则,即煤层底板不漏水、采空区域可聚水、开采规划好调水。通过勘探发现,神东矿区60%以上的采空区域适合储水,证明西部煤矿采空区有足够空间储存矿井水。四是坝体设计与构筑方面,发明了人工坝体与煤柱坝体掏槽连接方法,提出了煤柱坝体宽度、人工坝体厚度、掏槽深度等关键参数的计算模型等。五是坝体安全性评估方面,首次研究建立了煤矿煤柱坝体和人工坝体受力和变形的数值模型和物理模型,提出了地震条件下坝体安全度的概念,揭示了地震对地下水库坝体的影响,结果表明:地震条件下煤矿地下水库坝体安全度远高于地面水库。六是水库安全保障技术方面,建立了安全三重保障技术,发明了地下水库安全监控方法,研发出矿震和地震、水位、坝体等参数的实时监控系统。七是水质保障技术方面,形成煤矿地下水库三位一体水质保障技术。

保护地表生态

能源矿产开发利用面临的另一难题是地表生态保护。

实现能源矿产资源开发地表生态保护,要坚持开采减损和生态修复并重。开采减损重点需要研究基于生态友好的开采工艺设计和参数优化;而对于生态修复,其核心要素仍然是水资源,重点在于研究适生植物选择和微生物修复促进技术及开采修复同步理论与技术。

在生态脆弱区开采煤炭,神华在地表生态保护方面取得了一些很有意义的研究成果:一是研究掌握了开采参数(如工作面长度、工作面推进距离和推进速度等)与地表沉陷分区及裂缝分布关系,建立了均匀沉降区面积计算模型和动态裂缝间距计算模型。二是开发了现代开采沉陷区地表减损技术,提出了“主动减损与人工引导分区修复”的技术理念,如:加大工作面尺寸,增加均匀沉降面积;加快推进速度,降低地表层损伤程度,增强地表生态自修复能力。三是开发了现代开采沉陷区生态分区修复技术,包括均匀沉降区采用自然修复,以原生植物为主;非均匀沉降区采用人工引导修复,以优选植物修复为主;利用地下水库水资源进行净水灌溉,为生态修复提供充足水源,促进植被修复。利用上述成果,神华分别在神东矿区、胜利矿区和宝日希勒矿区实施了地表生态保护工程。神东矿区累计投入15 亿元,应用地表生态主动减损的煤炭开采工艺和生态修复技术进行生态综合治理,完成生态治理面积250 多平方公里,相当于开发面积的2倍;矿区植被覆盖率由开发前的10%左右提高到目前的70%。在宝日希勒矿区,投入超2 亿元实施了严酷草原区绿色生态露天煤矿建设。在胜利矿区,实施了内排土场绿化与矿区养护工程,环保绿化累计投入2.8 亿元。

(作者为中国工程院院士,现供职于神华集团有限公司)

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关键词: 煤炭 水资源
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