鄂尔多斯盆地煤-水协调开采下矿区水资源异位回灌-存储技术思路

2022-11-11孙亚军徐智敏

煤炭学报 2022年10期

孙亚军，李鑫，冯琳，徐智敏，陈歌，刘琪

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2.矿山水害防治技术基础研究国家级专业中心实验室，江苏徐州 221116)

2017年，武强院士提出煤-水双资源协调开采的基本理念，强调合理平衡矿井水害、区域水资源、矿区生态环境3者之间的关系[1]：煤炭开采必然形成矿井涌水，鄂尔多斯盆地煤层顶板侏罗系直罗组底部砂岩含水层、延安组煤系顶板砂岩含水层是煤层的主要充水含水层，开采时矿井涌水量大且稳定增长；鄂尔多斯盆地水资源匮乏，与矿井涌水量大形成鲜明对比的是其干旱-半干旱的气候条件，煤炭开采与地下水资源保护之间的矛盾关系成为研究区亟需解决的科学问题；对于一些含特征污染组分的矿井水，若治理措施不当，将对区域生态环境保护构成威胁，且大量矿井水抽提、水处理、排放成本增加了煤炭生产企业的经济负担。

高矿化度矿井水处理工艺包括蒸馏法、离子交换法、膜分离法等[2-3]，而且光-热脱盐[4]、电化学脱盐[5]、石墨烯脱盐[6]等新材料技术也逐渐兴起。但上述水处理工艺均难以同时满足较低成本、大规模矿井水处理的需求，目前矿井水处理成本一般在8～30元/t[7]。结合国家对矿井水排放的严格监督，要求矿井水必须达标处理后完全利用，部分地区严格实行“零排放”政策等，少数煤矿为了减少水处理成本，将矿井水回灌至第四系水源层、采空区、顶板含水层、离层空间，甚至偷排地表等，对煤矿安全开采和生态环境造成一定程度的威胁及负面影响。

笔者基于鄂尔多斯盆地煤-水双资源协调开采的矛盾、瓶颈，立足于对研究区原位保水措施缺陷、矿井水水质特征、水处理保护利用成本等方面的分析研究，针对研究区矿井水以常规离子超标为主、极少数重金属超标的特征，提出将水质较好的高矿化度矿井水不处理或进行微处理后的深井异位回灌-存储技术，并结合示范工程阐明了在研究区进行异位回灌的“三减一治”技术思路并进行综合比较，实践了高矿化度矿井水微处理或不处理前提下的较低成本、大规模超深回灌-存储技术工艺，并讨论了该工艺的理论与技术框架、技术内容、技术难点及推广应用价值，以期为鄂尔多斯盆地煤-水双资源协调开采提供新的思考方向，并在相似条件矿区进行推广与应用。

1 煤炭开采与水资源保护的矛盾

1.1 开采扰动下含水层储水能力增强

直罗组含水层自身厚度大，储水体量大，砂岩岩体充填物多以弱胶结为主[8]。在开采过程中，上覆岩层形成“上三带”，在扰动破坏范围内应力重新分布；煤层充水含水层的渗透性、空隙度有增大趋势，大大提升了含水层的储水空间，使其静储量与动储量均有不同程度的增加。由于鄂尔多斯盆地特殊的沉积条件，部分矿区煤层开采导致白垩系地层内“弯曲下沉带”产生离层空间。根据李文平团队对营盘壕煤矿的研究：受采动影响，白垩系下部岩层的渗透性会显著增大，其渗透率增长为初始渗透率的1.5～5.0倍[9]。同时，由于长期疏水降压和井下排水等造成地下水形成区域降落漏斗，促使局部范围内的水力坡度加大，增强了地下水的循环水动力条件，还可能造成岩层中易溶盐类、胶结物溶出，间接导致含水层溶孔发育、空隙度增大，进一步使含水层渗透性增强，储水能力增大，在一定程度上也改变了区域地下水动力场、化学场的背景值。

煤层开采后覆岩结构破坏、弯曲下沉导致隔水层的隔水能力降低，层间裂隙相互沟通后成为径流通道、储水空间，地下水在水力坡度的驱动下涌入采掘空间，加剧了地下水资源的流失速率及煤炭开采的水害风险，且随着矿区开采面积的扩大，矿井涌水量稳定且持续增加，使矿井水的抽提成本、水处理成本增加。针对研究区水资源匮乏现状，传统的矿井水抽排处理方法既不利于地下水资源保护，也不利于煤炭安全开采。

1.2 防治水措施下含水层渗透性降低

为了增强煤层顶板隔水层的阻隔水能力及其完整性，降低顶板含水层的富水性，工程上常用注浆加固、帷幕截流、区域治理等方法阻断矿井的充水水源、导水通道，改变含水层的富水性，甚至将含水层改造成隔水层，使矿井涌水量得到一定程度的控制，进而降低了矿井水形成及水处理成本，提升了煤炭开采的安全性。然而，注浆阻断工程造成含水层的介质条件变为弱渗/低渗岩层，其渗透性显著降低，使原生含水层的富水性、储水性能明显降低。钱自卫[10]利用化学浆液对鄂尔多斯盆地红四煤矿下石盒子组孔隙砂岩进行模拟试验，得出注浆前后砂岩渗透性降低超过90%，造成注浆范围内含水层的静储量、动储量均有不同程度的减小，且这种消极影响对含水层的富水性具有不可逆转性；尤其是煤矿关闭后的地下水动力场难以完全恢复至采前状态，含水层储水能力和富水性彻底被人为改变，不利于对地下水资源的长期保护利用。

1.3 水位持续下降对生态环境影响

研究区浅埋松散砂层水位埋深与植被发育关系密切。水位埋深浅时，易形成土地盐渍化；水位埋深大时，砂柳、小叶杨等植被会枯梢或死亡，湖、淖和湿地面积萎缩，河流断流，植被生态退化、土地荒漠化等[11-12]，因此，必须合理控制水位埋深，一般建议将水位埋深维持在3～5 m[13]。范立民等[12]针对不同类型植被水位埋深条件下生态环境特征进行了详细划分，提出适度开发煤炭资源，以维持生态环境。第四系松散砂层与直罗组含水层不同程度存在间接的补给关系，直罗组含水层水位及富水性对第四系含水层生态水位的保持具有不同程度的影响[14]，如薄基岩矿区。针对研究区某些露天煤矿开采，第四系含水层最低水位的保持对西部脆弱地表植被生态环境的保护起到关键作用。

综上，在煤-水双资源协调开采的背景下，煤炭开采造成上覆含水层水位下降明显，形成区域降落漏斗，减少了可利用的地下水资源量。如何平衡煤炭安全开采、矿井水较低成本治理、水资源保护、生态环境之间的平衡关系成为亟需解决的科学问题。若实施大范围的帷幕截流、区域治理工程，易对区域含水层的水文地质条件造成不可逆的消极影响，且注浆工程本身造价高、影响煤矿闭坑后含水层的水生态恢复效果。若不采取防治水措施，会造成安全开采威胁、地下水资源浪费，且需要巨大经济成本进行矿井水抽提及地面水处理。以上的突出矛盾使异位回灌保水成为研究区实现矿井水有效治理、水资源保护利用的另一种途径和思考方向。

2 煤-水双资源协调开采的瓶颈

2.1 研究区矿井水水质典型特征

矿井水作为一种非常规水资源，其治理与保护问题必须得到合理解决，以符合研究区煤炭绿色安全开采、可持续发展的宏观策略。笔者基于对研究区内山西矿区、黄陇矿区、神东矿区、宁东矿区等38个煤矿的调研统计[15-20]、实验研究[21-28]、文献检索[29-35]等，得到鄂尔多斯盆地部分矿区矿井水的典型特征(表1)，研究区高矿化度矿井水水质的规律有：

(1)各矿区普遍关注的常规离子数据量较为丰富，其他组分(如COD，BOD)整体上比常规离子、pH、TDS(矿化度)、悬浮物(SS)受关注程度小，数据量较少；有些指标甚至不被关注，如有益元素、放射性元素、氨氮、微生物群落结构等。

(3)Fe，Mn是矿井水中较易超标的组分，尤其是偏酸性的矿井水，但其中有8座的含量超出《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)的Ⅲ类水标准，占比20%；同时，各矿区有毒有害成分含量少，部分矿区矿井水含有毒性较强的重金属(如As，Pb，Cr等)和挥发酚类，但仅极少数超标。

表1 鄂尔多斯盆地部分矿区矿井水的典型特征

续表

总体上，鄂尔多斯盆地典型水质特征表现为矿化度高，pH=7～9，部分矿区高氟特征明显、少数重金属指标超标(如铁、锰)，但极少含有毒有害物质(铅、砷、铬(Ⅵ)、有机污染物等)。

2.2 矿井水达标处理的瓶颈

有效的防治水措施在一定程度上减少了矿井水的产生，但仍存在必然形成、无法避免的矿井水。基于上述对研究区矿井水水质的分析结果，矿井水处理首要问题是解决其高矿化度问题，即脱盐处理；其次是对少量特征污染组分的去除。

矿井水形成后，有条件的矿区通常经过井下预处理后，抽提地表进行地面预处理、深度处理，达到回用标准后进行保护、利用。目前，关于高矿化度矿井水脱盐技术的发展，常用的技术工艺包括蒸馏法、离子交换法、膜分离法等。蒸馏法多适用于矿井水含盐量大于4 g/L，离子交换法适用于含盐量不超过500 mg/L[2]，膜分离法更适用于大规模矿井水脱盐处理，其中，反渗透技术(RO)是当前应用最为广泛的脱盐技术。常规RO工艺的最大水回收率在35%～50%，基于膜的渗透辅助反渗透(OARO)工艺可将水的回收率提高至70%以上[36]。以宁夏煤业枣泉煤矿为例，其采用预调节池、高密度沉淀、V型滤池、超滤、反渗透工艺处理高矿化度矿井水，超滤、反渗透工艺处理矿井水量约为8 000 m3/d，出水量约为5 000 m3/d，其处理矿井水水量完全满足每日需求，可用于煤炭生产、生活用水[3]。但反渗透膜分离技术存在对预处理要求高、堵塞(清洗周期短)、腐蚀、浓缩倍数不高、反渗透后浓水排放难等问题；当矿井水中含盐量大于6 000 mg/L时，对脱盐率的影响较大，且浓缩RO废水的处理成本较高，占RO脱盐工艺总成本的30%左右。

虽然国内外学者在电化学脱盐、光-热脱盐、石墨烯脱盐等新材料技术方法的研究方面已取得较大突破[4-6]，但上述研究仍处于室内小规模的应用和试验阶段。针对鄂尔多斯盆地煤矿区普遍存在的高矿化度矿井水典型特征，目前仍无法在工程实践上同时满足较低成本、大规模水治理需求，迫切需要一种新型水治理思路来缓解煤-水双资源协调开采下常规水处理瓶颈问题。

3 水资源异位回灌-存储技术思路

煤-水双资源协调开采、保水采煤以保护、合理利用水资源为前提，但并非完全不破坏原位水资源。笔者基于不同煤矿区的水文地质结构类型、矿井水水质特征及研究区的地层沉积特征分析，依据不同煤矿的开采方式(包括井工、露天开采)，以减少水资源的消耗和浪费、矿井水水量的形成、地面排放、地表蒸发以及降低环境污染、保障煤矿安全开采等为目的，提出将充水含水层或高矿化度矿井水资源转移存储至不受开采影响的其他位置，既不会对煤层安全开采造成威胁，在一定程度上也可起到异位保水的作用。异位保水回灌应优先考虑煤层底板深部含水层，以保障对煤层安全开采无威胁、对区域水循环无消极影响、对水资源利用无影响、矿井水水质整体优于回灌层水质、不产生污染等基本原则。

异位回灌有利于保护含水层的原生水文地质结构，有利于闭坑后水动力条件的快速恢复。针对鄂尔多斯盆地矿井水以常规组分超标为主、少数重金属超标的总体特征，若实现矿井水的微处理或不处理异位回灌，可大幅降低矿井水的治理成本。笔者从水害防治、矿井水减量、较低成本及大规模水治理等角度出发，将鄂尔多斯盆地煤矿区水资源分为常规组分、含特殊组分2种。常规组分可分为充水含水层、采空水、露天矿坑水，这3种水资源的水质保留了原生含水层的特征，以常规组分超标为主，基本可在不处理的前提下回灌。此外，在矿井水形成前将其回灌处理，既保障了煤矿安全开采，也是矿井水减量的一种有效形式。而针对含特殊组分的矿井水，则需抽出处理后再进行回灌治理。故笔者总结出3个矿井水防控减量思路及1种矿井水治理保护技术，并进行综合比较，形成研究区“三减一治”的水资源异位回灌保水技术思路。

3.1 矿井水防控减量的异位回灌思路

3.1.1 充水含水层水资源异位回灌减量

(1)顶板水异位回灌减量。

针对鄂尔多斯盆地多数煤矿区，煤层开采主要受到顶板直罗组砂岩水害、延安组煤系顶板砂岩水害威胁。在工作面掘进过程中，通过施工顶板水疏放钻孔，提前将受开采影响的顶板水进行疏放，并通过井下回灌泵站将顶板水直接注入不受煤层开采影响的其他含水层或煤层底板深部含水层中(图1)，以大幅减少矿井水量的形成。同时，降低研究区一些煤矿在采掘过程中突水溃砂威胁，保障煤层的安全开采，对煤矿防治水工作具有深远意义。

(2)底板水异位回灌减量。

针对受到底板水水害威胁的煤矿区，在煤层开采前，亦可通过底板预疏放孔，将底板承压水在井下进行管道收集，并通过井下泵站将水注入深部含水层中(图2)。虽鄂尔多斯盆地煤矿区很少或几乎不存在底板水害威胁，但该方法对其他有底板水害的矿区具有一定的借鉴意义，尤其是华北型煤矿区。

图1 顶板水异位回灌概念Fig.1 Concept of mine-top aquifer water ectopic injection

图2 底板水异位回灌概念Fig.2 Conceptual of mine-floor aquifer water ectopic injection

3.1.2 采空水异位回灌减量

工作面开采结束形成采空区，采空区一般不会对其他工作面的开采产生影响，当采空区蓄满水后会存在一定的突水威胁。然而，研究区部分矿区存在将矿井水注入废弃采空区，以达到井下预处理的目的，但将矿井水注入采空区会增加煤层开采的突水风险，对水害防控不利。尤其是近年来采空水害频发，比如山西某些矿区的采空水害事故和伤亡人数全国居首[37]。在鄂尔多斯盆地进行采空水的异位回灌，首先应进行水质的对比分析测试，必要时需进行井下预处理，包括混凝、沉淀、过滤、曝气等过程，甚至需将采空水抽提地表，进行地面的深度处理，再进行水资源异位回灌。采空水形成后在动力场、化学场、生物场、温度场等多场作用下具有一定程度的自净效果，可将污染组分沉降到底泥中，如对一些有机物的降解、重金属的固化稳定化等，但仍难以避免一些常规组分的超标[7,38]。通常情况下，采空水自流后可在井下进行微处理或不处理，然后通过井下泵站注入到煤层底板深部含水层中(图3)，以降低矿井水的抽排、地面排放、深度水处理成本。

图3 采空水异位回灌概念Fig.3 Concept of ectopic injection of mined-out space water

3.1.3 露天矿坑水异位回灌减量

针对一些露天开采的煤矿区，如研究区内的活鸡兔、马家塔露天煤矿。露天矿坑边坡失稳通常与地下水动态密切相关[39]。为了减弱地下水在边坡附近的径流强度，可在露天煤矿周围布置适量的抽水井，并在一定距离外布置注水井，以建立小区域的地下水抽水-注水循环，形成小型地下水帷幕墙(图4)。帷幕墙可对注水井外的地下水起到一定的阻隔作用，减少矿坑边坡岩土体的含水率，降低边坡失稳事故，减少矿坑矿井水量，从而降低了矿坑水的抽提成本和水处理成本。同时，能保持住煤矿周边一定范围外的地下水位，对露天煤矿区地表生态水位的保持具有重要意义。

图4 露天矿坑水异位回灌概念Fig.4 Concept of ectopicinjection of open pit water

3.2 含特殊组分矿井水异位回灌治理保护

对于无法通过上述回灌方法减量、必然形成的矿井水可依次进行井下预处理、地面深度处理，利用回灌-存储减少其地面排放量。根据对研究区矿井水水质特征的分析，得出研究区内约70%矿井水属于常规组分超标，一般满足微处理或不处理的回灌的条件；约20%矿井水中含有少量特征污染物，其中多为金属离子(如铁、锰、铬等)，极少数为有机污染组分。一般先将矿井水抽提至地表，经过地面深度水处理技术去除特征污染组分，将矿井水中的污染负荷减量后以达到回灌要求，最后将满足水质要求的矿井水借助深井回灌技术进行治理保护，形成了一种矿井水异位回灌的治理保护技术工艺(图5)。对于研究区内的大多数煤矿，如宁煤清水营煤矿、汾西曙光煤矿、平朔井工一矿、宁夏灵新煤矿等的高矿化度矿井水(TDS为1.5～4.5 g/L)，回收率在75%～95%，脱盐效率在98.0%～99.3%，处理成本1.6～3.0元/t[2]，基本符合微处理后回灌的要求，且微处理成本较低。

图5 含特殊组分矿井水抽出、异位回灌概念Fig.5 Concept of mine water extraction and ectopic injection of special componentsmine water

3.3 水资源异位回灌的综合比较

“三减一治”水资源异位回灌技术思路可针对不同水害类型、水质特征具有灵活多变的适应性，包括顶板水、底板水、采空水、露天矿坑水及含特征污染组分矿井水等；可大幅降低研究区矿井水抽提、地面水处理的成本，并合理保护了研究区的地下水资源，减少水资源的无端消耗、浪费和地面蒸发。笔者分别从施工难度(主要考虑成井工艺、施工环境，分为大、中、小)、回灌成本(主要考虑回灌井、注水泵、用电、水处理，分为高、中、低)、水资源保护效果(主要考虑可存储水量、生态环境影响，分为好、中、差)等3方面进行定性分析(表2)。

表2 水资源异位回灌综合比较

露天煤矿回灌层位浅，施工难度小，施工环境良好；注水泵所需的扬程小，用电成本较低；回灌水量可观，且属于同一含水层内异位回灌，对生态环境基本无不良影响，总体对水资源保护、生态水位保持效果较好。充水含水层、采空水均属于井下回灌，回灌井施工环境复杂。成井工艺也有不同选择(包括水平井、垂直井)，钻井成本相对较高，且对回灌泵有一定的扬程要求，用电成本也会相应增加。但充水含水层回灌的水环境评价难度小，对生态环境影响小，水资源保护效果优于采空水回灌，且含特殊组分的采空水需经过井下处理以满足回灌要求，增加了成本。含特殊组分的矿井水回灌不仅会增加矿井水抽提、地面处理成本，而且需从地面施工回灌井，施工难度较大，成本较高，技术流程相对复杂。

4 高矿化度矿井水超深回灌技术

4.1 理论与技术框架

为缓解研究区矿井水整体矿化度高、水处理成本高、处置方法不合理等，本文以实现煤-水双资源协调开采、煤炭绿色开采、保水采煤为宗旨，以减少矿井水地面排放量、降低矿井水治理成本、保护研究区地下水资源为主要目的，选择煤层底板深部刘家沟组巨厚砂岩含水层为目的回灌层，提出将水质相对较好的高矿化度矿井水进行深井回灌-存储的治理技术工艺。结合示范工程实施过程中的理论基础、研究内容、研究手段、关键结论等，致力于探索体系化、高效化、效益化的高矿化度矿井水污染防控及水治理的有效途径。

笔者提出以“选择、计算、环保、可持续”为回灌-存储技术的关键环节，开展室内与野外相关研究。依据流体力学、岩石力学、地下水动力学、晶体形态学、水文地球化学及岩体微观介质等方面的理论成果，从区域地下水系统、弱渗砂岩储层物性特征、水力压裂增渗、地下水流场演化、储层存储潜力评价、水环境影响评价和可持续回灌能力形成等方面进行研究，以解决高矿化度矿井水超深存储面临的存储水量精细评价难、高压注水对弱渗储层物性特征的不确定性影响、长期可持续存储能力的形成等关键科学问题，鄂尔多斯盆地煤矿区进行深井回灌理论与技术框架如图6所示。

4.2 技术内容

鄂尔多斯盆地乌审旗某矿的示范工程研究了刘家沟组储层的水文地质条件与结构特征，建成了高矿化度矿井水超深回灌-存储的示范工程，形成了研究区矿井水深井回灌及水资源保护的关键技术与工艺。回灌效果良好，回灌水量超出预期(图7)。

(1)目的回灌层选择。

回灌层位的选择是超深回灌-存储技术应用的首要前提，其次考虑其他因素(如对油、气、地热等自然资源的开采与保护)。回灌层位的选择必须满足安全开采、地下水循环、水资源利用、水质占优等4个基本原则(图6)，具体包括：① 目地储层必须有足够储水空间(体量大)，具备可持续回灌能力，能满足长期的存储要求，关键参数包括厚度、孔隙度和渗透率，应优先选取碳酸盐岩层或裂缝广泛发育的砂岩层位；② 储层的上层和下层，均要有相对完整的隔水层或缓冲层(泥页岩或砂泥岩混层)，对于隔水层必须具有足够低的渗透性(最好是有足够厚度的纯泥岩层)，以满足隔水强度要求；③ 储层应具有较好的横向连通性、脆性，注水过程中能够形成可观的裂隙网络；④ 储层埋深要位于有利用价值的含水层下部，且区域内发生地震的概率较低；⑤ 高压注水时满足水力影响范围内无断层、无地表露头或出露点，存储后对浅层地下水不造成影响；⑥ 优先选择资源枯竭层或废弃层，实现地下空间资源再利用，不应造成较高的泵注回压，不应引起回灌水反注和外泄。

图6 高矿化度矿井水异位回灌理论与技术框架Fig.6 Theory and technical framework of high salinity mine water ectopic injection

图7 高矿化度矿井水现场异位回灌剖面Fig.7 Profile diagram of high salinity mine water in situ ectopic injection

乌审旗地区刘家沟组含水层埋深1 800～2 300 m，平均厚度416 m[40]，其中，粗粒砂岩发育厚度9～104 m，横向上厚度不一，垂向上存在非均质性，各段均有发育粗粒砂岩的可能，为矿井水运移提供了通道和空间，保障了基本的储水能力。岩性成分主要为石英，其次为长石，胶结性和承载力差，易碎，较疏松，垂向断层发育，断口粗糙。根据岩样开展了室内电镜扫描、X衍射、压汞实验等，测试目的回灌层砂(砾)岩的矿物成分(石英40.1%、钾长石13.6%、斜长石17.5%、方解石12%、黏土矿物17.8%)、砂(砾)岩胶结程度(较弱)、岩石结构(颗粒骨架以石英、长石为主，胶结物包含伊利石、伊蒙混层和绿蒙混层)、微孔结构(粒间孔、粒间溶孔和微裂隙为主)、孔隙度(总孔隙度为7.5%，平均孔隙度为5.13%)、渗透率(5.31×10-6m/d)等，获取目的回灌层存储空间的基本特征[40]，进一步明确了刘家沟组储水体量大、低孔低渗、胶结程度低、可压裂性较好、孔隙-裂隙双重介质的巨厚砂岩储层特性。

(2)储水能力计算。

① 结合储层空间特征研究、现场压水试验阶段监测、检测及数值模拟等，研究目的储层在回灌条件下的水动力场演化过程与规律。② 开展原生水文地质条件及不同回灌工况条件下参数的定量评价和回灌水量计算，初步确定并评价深部目的储层的回灌可行性及回灌井、监测井的布置方案、成井工艺。③ 开展地面回灌孔长期矿井水回灌试验工程，研究回灌过程中的压力、流量过程控制等相关技术，包括连续回灌、间歇回灌、不定时回扬过程(时间不少于2个月)的精准控制。依据上述各回灌试验准确获取目的回灌层的水动力场演化、水质演化、影响半径、弹性储水系数等关键参数，获取回灌压力与流量的关系曲线。④ 构建回灌水动力场的高精度数值模型，揭示回灌条件下目的回灌层水动力场、水质演化规律，精确评价目的回灌层的储水潜力。为揭示长期持续、大流量、高压水力压裂增渗机理，系统评价刘家沟组低孔低渗巨厚砂岩层储蓄水潜力提供依据。

根据极限容积法(理论储水量)、反漏斗模型法(有效储水量)的计算方法[41]，笔者对研究区深部刘家沟组的存储水量进行计算。假设可注回灌空间一定，流体和岩石颗粒骨架可被压缩，则极限存储空间包括孔隙空间和岩石、流体弹性压缩释放空间，其理论储水量为740.7万m3。在水力影响半径为635 m的条件下，配线法计算得到弹性释水系数为2.37×10-3～3.10×10-3，现阶段孔口压力为8 MPa，对应水头上升高度816 m，计算得到孔口保持压力8～9 MPa下，单井有效储水量为244万～320万m3。同时，在回灌示范场地已阶段性开展7次压水试验，获取了高强度、持续性、压水条件下地下水流场演化及水压变化规律。经现场注水井的长期监测及初步统计，历经15个月左右累积注入水量超过100万m3。

(3)地下水环境保护评价。

① 在回灌开始前采用室内实验分析测试、野外监测、样品采集和数值模拟等方法，获取矿井水对回灌目的层水质影响演化的基础数据，为矿井水回灌条件下水质对比、目的储层的短/长期水环境影响评价提供数据支撑。② 在回灌过程中开展水量、水温、水质、水位(压)等关键参数的长期监测，形成回灌条件下的综合监测技术，为矿井水长期回灌条件下的回灌量定量预计与地下水环境影响评价提供指标依据和资料。③ 结合矿井水、目的储层水质特征，优化矿井水预处理工艺，实现矿井水微处理或不处理回灌，优化设备配置与选型；通过深井注水量的分析，对注水量及工程成本进行测算，综合经济、技术、政策等因素，评价矿井水深井回灌的直接间接经济效益，得出矿井水深井回灌、水资源保护、经济效益的优化评价结果。

根据刁玉杰[42]对刘家沟组的水质分析结果，刘家沟含水层属于TDS含量较高(最高约65 g/L)的卤水层，笔者对比分析刘家沟组的水质和研究区内乌审旗某矿的矿井水水质，结果表明：矿井水中除氨氮、重碳酸根和硝酸盐浓度高于刘家沟组外，其余指标均低，刘家沟的水环境背景值相比矿井水水质更差[40]，矿井水与刘家沟组储层水质具有相对良好的匹配性，矿井水超深存储后呈现“良水回灌”，次生地下水环境污染风险较低，满足微处理前提下回灌要求。

(4)安全性评价。

① 构建煤层底板深部水文地质结构模式，结合储层上部隔水层或缓冲层的岩石力学强度分析测试等，开展主采煤层底板至目的回灌层顶板隔水层结构与组合、抗破坏能力、综合阻隔水能力分析与研究。② 开展底板突水构造因素分析，进行不同工况及回灌条件下断层活化导水评价、原有断层煤(岩)柱稳定性与安全性评价。③ 通过上述专题分析，综合评价矿井水深井回灌对研究区煤矿安全开采，甚至油、气、地热的影响。研究区内乌审旗地区刘家沟组上距煤底板1 200 m左右，储层上部缓冲层达600～800 m，是研究区内较为理想的回灌层位。

(5)压裂增渗形成可持续回灌能力。

① 结合现场深井钻探工艺技术、回灌技术、完井工艺及前期压水试验等，开展地面/井下回灌、储层压裂关键技术研究。② 通过对施加不同压力压裂及渗流过程的动态监测，以研究渗流压裂过程中导致裂隙产生、扩展的临界水压力及岩体渗透性的变化规律，并对压裂后不同破碎程度岩块的裂缝三维形态进行描述分析，以精细刻画实际压裂裂隙网络扩展的三维特征。③ 建立应力场→裂隙网络→渗透性→地下水流场的相互影响因果关联，阐明用于判断在不同压力条件下裂隙网络扩展范围内岩体增渗的理论计算方法，用以指导长期、大流量、可持续矿井水深井成井工艺及回灌技术方案。前期压裂增渗结果表明：压裂后的渗透系数为原始渗透系数的1 788～2 858倍，压裂效果明显[43]。

4.3 理论与技术难点

结合示范场地回灌工程，矿井水超深异位回灌实施中的难点有：

(1)回灌潜力精细评价。

根据储层空间特征研究，可初步估算目的层可存储的矿井水体量。若要精细评价储层的储水体量，需结合矿井涌水量及煤矿排水需求，设计合理的回灌井、观测井钻孔结构、数量、距离等回灌方案、完井工艺，因深井造价高，应保证将所有钻孔合理化、效益化。根据目的回灌储层特性、水文地质条件、压水试验阶段监测数据，建立数值模型，以模拟矿井水回灌过程中回灌水量、回灌压力、裂隙网络的演化规律。当压力、流量趋于稳定后，可根据模拟结果得出回灌水量的最优解。但实际回灌过程中，通常会出现流量保持不变、压力持续上升的情况[40]，且储层压裂后形成孔隙-裂隙双重介质结构，在精细评价回灌潜力时，需要在传统地下水动力学基础上进一步改进相关理论模型后才能适用。

(2)回灌及完井工艺。

深井回灌必然会高压压裂原生储层，使目的回灌层的原生裂隙增生、扩展和连通，渗透系数增大对提升目的层回灌量、形成可持续回灌能力具有重要价值。如何选择成井工艺、设计回灌方案使裂隙网络的扩展更有利于区域地下水的循环流动，需结合原生地层裂隙条件、地质构造、主应力方向等判断。如前期示范工程回灌井为单井垂直井，若考虑采用水平井结构，将对储层的压裂增渗效果更好，但成本可能增加。在高压回灌过程中，回灌方案应尽量使矿井水在含水层中能沿着裂隙优势通道流向排泄区，使回灌压力逐渐消散，保持回灌压力-流量相对稳定，能满足大流量、可持续矿井水深井成井工艺及回灌技术方案也亟需突破。

5 推广应用价值

研究区矿井水水质特征普遍以高矿化度为主，在全国范围内高矿化度矿井水特征广泛存在，如研究区内母杜柴登煤矿、纳林河二号井煤矿、门克庆煤矿、葫芦素煤矿均存在高矿化度、碱性矿井水且涌水量大等问题，但鄂尔多斯盆地之外的煤矿区，污染组分的超标比例相对较高，达42%[7]，若要进行回灌，对特殊污染组分的去除成本会相应增加。从全国不同煤矿矿井水的水质特征出发，为了减少矿井地面排放对地表水生态、水环境的影响，笔者提出采用深部回灌-存储技术将弱酸、弱碱、高TDS、总体上水质良好的矿井水进行治理，以减少矿井水地面排放量，同时削减矿井水的治理成本。笔者基于前期对全国201座煤矿的矿井水水质统计[7]，结合其中87座煤矿的TDS及133座煤矿的pH分析，得出全国不同煤矿矿化度、酸碱性的占比和分布(图8)，进一步明确了深部矿井水主要是常规离子含量高、矿化度高、弱酸、弱碱等特征，其中44%的煤矿区属于弱酸、弱碱型矿井水，仅有31%的煤矿区矿井水达到淡水标准，其余皆高于1 g/L，大多数煤矿区总体上属于可进行超深存储的矿井水水质类型，但仍有42%的矿井水存在不同程度的特征污染物超标，远高于鄂尔多斯盆地煤矿区的20%，故全国范围内大多数煤矿区仍需经过适应性矿井水处理后才能进行回灌，部分指标超标严重的矿区也会不同程度地增加水处理成本。