河南省煤矿矿井水资源综合利用研究

师晓东,李 远,张建瑞,刘攀峰,王小艳

(河南省地质局地质灾害防治中心,河南 郑州 450012)

矿井水(煤矿矿井涌水)是伴随煤炭开采产生的地下涌水,是采煤过程中必然发生的一种水患危害,不仅会给井巷开拓及回采工作带来困难,需耗巨资建立矿井防排水工程,增加采矿成本,同时大型突水还会造成重大的人身伤亡和水淹采区甚至淹井事故。我国煤炭开采以井工开采为主,其产量约占整个煤炭产量的97%,由于含煤地层一般在地下水含水层之下,在采煤过程中,为保障煤矿井下安全生产,必须及时将进入矿井全部的水从矿井中排出,故矿井排水量与矿井涌水量一致,由于各煤矿在生产过程中对矿井排水量进行了监测,亦有成系列的排水量数据,故矿井水排水量的大小可表征矿井水涌水量的大小[1-3]。

河南省除义马矿区中几对矿井开采侏罗系煤层外,其他矿区多属华北石炭—二叠岩溶型煤田,煤层底板分布有石炭纪薄层灰岩和奥陶纪(或寒武纪)巨厚层灰岩岩溶含水层,水文地质条件普遍较复杂,尤其是焦作、鹤壁、禹州、新密、荥巩、新安、偃龙等矿区普遍存在着较为严重的矿井突水问题。不仅增加了防治煤矿矿井涌水难度、提高了采煤成本,大量疏排地下水也造成宝贵的地下水资源被浪费。河南省的矿井水主要来源为煤层顶板砂岩裂隙水和底板灰岩岩溶水,井下采掘生产活动虽然会改变天然固有的水质状态,但矿井水通常是悬浮物和色度超标,经过简单处理就可以用于工农业生产甚至居民生活。当前,矿井水资源化程度很低,大部分被白白排放地表,不仅浪费了大量水资源,也造成了一定的环境污染[4-7]。煤炭绿色开采和保护生态环境已成为现阶段我国经济社会和谐发展的目标,减少矿井水和提高其资源化利用水平,不仅是国内各产煤大省同时也是世界都在着手解决的重大问题。

基于此,本文研究了河南省煤矿矿井水水资源综合利用方法,为提高河南省矿井水的利用程度和保护生态环境提供依据。

1 煤田概况

河南省煤炭资源丰富,地下垂深2 000 m以浅含煤面积约18 900 km2,其中已探明面积约3 800 km2。河南省共分为19个矿区(或煤田),分别是:安阳矿区、鹤壁矿区、焦作矿区、济源矿区、陕渑矿区、义马矿区、新安矿区、宜洛矿区、临汝矿区、偃龙矿区、荥巩矿区、新密矿区、登封矿区、禹州矿区、平顶山矿区、南召矿区、确山矿区、商固矿区和永夏矿区。煤炭资源分布于豫北、豫西和豫东地区,其中90%的资源集中分布在京广线以西地区,主要分布在郑州、三门峡和焦作等14个地区[8-10]。截至2007年12月31日,河南省煤炭资源储量构成如图1所示。

图1 河南省煤炭资源储量构成饼图Fig.1 Pie chart of coal resource reserves in Henan Province

2 矿井水资源化利用现状

在当今环境生态问题突出,国家对环保要求非常严格,原煤开采成本高和亏损严重,安全生产要求高的形势下,煤炭企业都能从大局出发,一方面采取综合性的防治水措施,千方百计削减矿井水涌(排)水量,确保安全生产;另一方面,针对采煤不得不排放矿井水的现实,遵照国家有关规定,建设环保设施,使矿井水基本上都能达标排放。对于处理后矿井水如何利用,按照充分利用和减少外排量的原则,尽量用于煤矿自身的生产和生活。对于外排的矿井水,也应大力支持所在地方工农业生产及居民生活将其再利用。但由于矿井水水量及水质远不及其他水源稳定,尤其最近几年煤矿生产状况极不稳定,排水量变化较大,从而为其再利用增加了难度。此外,排出矿井之外的矿井水,利用方向及其利用量难以掌控,尤其是农业用水量,难以获得准确的数字。项目外业调查期间,针对大水矿井外排水的利用曾通过走访、实地查看和资料收集等多种途径进行调查,但不同部门、不同单位统计数字不一。因此,矿井水利用量尤其是农田灌溉利用量是大概数字。

2.1 矿井水利用情况

河南省煤矿2016年矿井水总量为41 225万 m3,在排水资料[5-10]相对翔实的9个矿区中,矿井水总量为35 539万m3,利用量为24 219万m3,利用率为68%。由于9个矿区矿井水总量占河南省煤矿总排水量的86%,该值基本上能够代表河南省矿井水利用的水平。在利用方式上,以城市供水、电力企业生产用水、矿井自用和环境生态用水(指有配套工程和专门用途的用水)。在城市供水方面,平煤神马集团供水总厂将优质的矿井水经过集中处理后向各矿及周边居民供水,年利用量3 000万m3,供水量已占平顶山市城市总供水量的40%以上。焦作市第六水厂利用中马矿优质矿井水为水源,年利用量为360万m3。在工业利用方面,仍以电厂生产用水为主。鹤壁矿区建设了矿井水综合利用工程,将统一处理后矿井水用于鹤壁电厂三期工程(2×600 MW)和鹤煤热电厂(2×135 MW)的生产用水,利用量1 700万m3。焦作矿区中马村矿和演马矿的矿井水被焦作万方电厂和金冠电厂所利用,古汉山矿和九里山矿的矿井水被华电新乡电厂利用。

河南省矿井水利用率以鹤壁和平顶山矿区最高,基本上达到或接近100%,一些矿井关闭停止排水后,甚至出现了供给不足和工业、农业供水争先利用矿井水问题。在矿井水利用潜力方面,虽然利用率为68%,但仍以农田灌溉为主,扣除农田灌溉后的直接利用率仅为37%,开发利用潜力仍然很大。例如,永城矿区因水资源紧张,境内煤矿矿井水未利用量达到2 500万m3,可以解决裕东电厂二期和神火600 MW机组电厂部分生产用水,目前已经制定利用矿井水的方案。焦作煤业集团赵固电厂2×35万kW低热值煤发电厂已经获准建设,其生产用水可以优先考虑利用赵固一矿及赵固二矿的矿井水,目前未利用量1 200万m3/a。新安万基控股电厂2×600 MW超超临界发电机组工程也已获批,厂址位于新安县铁门镇庙头村,可以优先考虑利用新安矿区的矿井水,可以利用量1 500万m3/a。

2.2 矿井水利用方面问题

(1)矿井水利用水平有待于进一步提高。煤矿在节能减排、矿井水达标排放及加强自身就近利用方面做得较好,但对剩余矿井水如何利用问题煤矿自身不能掌控,需要会同地方政府有关部门及厂矿企业共同合作,共同推进矿井水资源化工作,提高矿井水利用率。

(2)矿井水利用方向有待于优化。从工业生产利用矿井水来说,需水量较大的电厂仍是目前最适宜的利用方向。不少矿区周边规划有发电厂,煤矿应积极配合当地政府和电厂,共同推进排水利用水平。此外,平顶山和焦作也利用矿井水作为城市供水。

(3)煤矿需进一步提高综合防治水水平,不断削减排水量。河南省不少煤矿都受底板灰岩承压水的突水威胁,大水煤矿也有不少。在当前骨干煤炭企业中,排水量超过1 000 m3/h矿井有焦煤集团的中马村矿、演马矿、九里山矿和古汉山矿,郑煤集团的赵家寨矿和平煤神马集团的平禹一矿6对矿井,排水量在500～1 000 m3/h的矿井有15对之多。随着开采深度的加大,底板承压水突水危险加大。因此,煤矿应全力以赴地做好防治水工作,采用不破坏含水层系统、不导致生态环境恶化,同时又加强矿井水资源循环利用的绿色环保开采技术。

3 矿井水资源化利用原则及途径

矿井水资源化利用的原则是:“优质水优用,劣质水劣用”原则;“先井下后井上,先生产后生活”原则;“先矿区后城市,最后是农业”原则。根据这些原则,矿井水利用途径很多,如图2所示。

图2 矿井水资源化利用Fig.2 Resource utilization of mine water

(1)井下实行清水污水分流,清水经过简单处理后直接利用。华北石炭—二叠岩溶型煤田煤层底板岩溶水是矿井水的重要来源,发生岩溶水突水或从疏放钻孔、泄水巷流入矿坑的岩溶水,未在采煤巷道或采空区长距离流动并没有与其他矿井水混合时,其水质保持天然水质,可以直接作为生产和生活用水。煤矿可将直接从含水层中流出并未受污染的地下水,与从采空区或工作面流出的被污染矿井水分开排放,将清水排至地面简单处理后加以利用。例如,郑州矿区东风矿实施的利用井下大巷突水点向自备坑口电厂供水,供水量800 m3/h。庞庄煤矿单独提取-370 m的陷落煤柱水作生活饮用水,减轻了中央泵房60 m3/h的负荷,使矿区4 000人的生活用水得以解决。河北邢台矿在开采下组煤时,将疏排底板岩溶水,通过专门的排水管路,输送至地面供矿区生活用水和电厂生产用水需要。潞安矿区王庄煤矿井下设立清水仓与污水仓,把清水输送至地面进行简单的消毒处理用作生活用水。义安煤矿分别对斜井-60 m水源、-160 m水源、-280 m水源、-500 m水源进行水质调查和分析,分别将其用作矿区生活饮用水源、井下防尘供水源、地面绿化与杂用供水源和洗煤供水源,满足了矿区不同用水部门对水的需求。

(2)矿井水净化处理后利用。从空间角度,矿井水净化处理工程主要分为两类:地面处理工程和井下处理工程。前者是井下各处产生的矿井水经巷道汇集到矿井的中央水仓,由中央泵房将混合的矿井水提升至地面,在地面建净化站处理,达标后再分别输送到各用水部门使用;后者是在矿井水进入中央水仓前,经过井下净化站处理,达标后进入中央水仓,中央泵房再将清水输送到各用水部门使用。

(3)农业灌溉。据资料显示,我国煤矿目前约有80%的矿井,其矿井水溶解性总固体浓度小于300 mg/L,可以达到《污水综合排放标准》中规定的新、改、扩建二级排放的要求。对于含一般悬浮物矿井水,当溶解性总固体小于200 mg/L,一般可满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—92)。华北石炭—二叠岩溶型煤田各煤矿涌水量都较大,水质普遍较好,这为煤矿周边农田灌溉提供了水源条件。焦作矿区在20世纪70—80年代,利用矿井水灌溉农田66.67 km2,取得较好的社会效益。

(4)工业用水。电厂或热电联产工程冷却用水和脱硫除尘用水量大,矿井水经过处理后能够满足电力生产企业工业用水的水质要求。国家针对电力企业的用水,提出了“优先选择城市再生水和矿井排水、鼓励利用地表水和限制使用地下水”的政策。因此,具备使用矿井水条件的电力企业,应优先选择矿井水作为生产用水的水源。例如,新乡市辉县市吴村镇南的华电新乡发电有限公司电厂一期工程为2×660 MW燃煤发电机组,二期工程2×1 000 MW燃煤发电机组,需水量为2 758 m3/h。以古汉山矿和九里山矿的矿井水为生产用水的水源,利用量达到1 300万m3/a。

4 城市供水的水源

含一般悬浮物的矿井水经过简单处理后,可以作为城市供水的水源。例如,焦作市马村区水厂就是以中马村矿的排水为水源,年利用量可达300万m3。平顶山矿区也有利用矿井水作为矿区居民供水水源的成熟经验。但是,由于矿井水水质较差且不稳定,水量亦不如其他水源稳定,随着人们对供水质量的高要求以及南水北调工程提供了丰富的优质水源,为城市饮用供水的利用量将会有所下降。

5 矿井水的处理工艺

5.1 地面处理工艺

目前,对于含一般悬浮物矿井水,地面处理工程的工艺相对成熟单一,基本沿用“混凝—沉淀—过滤—消毒”的流程进行,出水可满足生活饮用水标准。常用的构筑物有:调节池、澄清池、无阀重力双层滤池、污泥浓缩池、加氯消毒车间(图3)。

图3 矿井水基础处理工段工艺流程Fig.3 Process flow of mine water foundation treatment section

(1)混凝药剂的选择与复配,以降低药剂费用,提高出水水质。聚合氯化铝(PAC)+聚丙烯酰胺(PAM-)是常用的药剂组合。PAC适宜处理含浊水质,PAM-分子量大,助凝性能优良,两者组合处理效果远远优于单独使用的效果,并可节约PAC用量,可由100 mg/L降到10 mg/L以下,我国在这方面已有成熟经验。

(2)集澄清和过滤作用一体的净化器。澄清池集混合絮凝沉淀于一体,减少了构筑物的数量,因而获得广泛的应用;部分厂矿开发的高效矿井水净化设备集澄清池和过滤池于一体的一体化净化器,普遍用于中小规模矿井水处理厂的首选设备。

5.2 井下处理工艺

井下处理工程,形式多样。主要形式亦有2类:①在各矿井水涌出口,未经巷道就地建立简易井下处理站,处理后输送到各用水部门。②矿井水在经过巷道进入中心水仓前增加净化处理站,中心水仓变成清水仓,从而解决了定期清理中心水仓的难题,中心泵房再将处理后的清水输送到各用水工作断面。如兖州东滩煤矿开发的“格栅—沉砂—混合—漩流反应及斜管沉淀—混凝—过滤吸附以及污泥压滤”工艺的井下处理工程;徐州权台煤矿则是将中心水仓改造成混凝反应的主要设备,对矿井水进行预处理后,再由中心泵房提升至地面净化站进行二级处理。

5.3 一般悬浮物处理工艺

根据矿井水的水质、水量和处理后的用途,处理工艺通常划分两段:基础处理工段和深度处理工段。经过基础处理工段的处理,矿井水应能满足除生活饮用之外的其他用途;经深度处理工段的处理,矿井水进一步净化,水质达到或接近生活饮用水水质要求。基础处理工段去除的主要污染物包括:悬浮物、有机物和油类。深度处理工段去除的主要污染物是部分菌类和微量有机物,增加饮用水的安全性,处理工艺流程如图4所示。

图4 矿井水深度处理工段工艺流程Fig.4 Process flow of deep treatment section of mine water

6 水资源需求分析与提高矿井水利用途径

2015年全国矿井水利用率要达到75%以上,河南省矿井水2016年利用率仅为68%,利用水平有待于进一步提高。根据前述的农田灌溉用水评价结果可以看出,河南省矿井排水绝大部分适宜作为农田灌溉用水,同时由于河南省农田灌溉以漫灌为主,用水量大,且利用成本较低,故现状矿井水资源化利用方式中农业利用(以灌溉为主)占比最大。但节水农田灌溉方式作为未来发展方向,农业用水量要进一步减小,同时矿井水作为一种较为优质的地下水资源,应对其利用方式进一步优化,未来应侧重于解决正在或批准建设的火电厂的生产用水。同时煤矿需进一步提高综合防治水水平,不断削减排水量。结合前述矿区矿井水水质评价结果及各矿区需水实际,提出各矿区提高矿井水利用水平的具体途径,并分矿区详述。

(1)焦作矿区。焦作煤业集团赵固低热值煤发电厂工业用水可就近利用赵固一矿和赵固二矿的矿井水。

(2)鹤壁矿区。可调整利用方式,增加供给鹤壁丰鹤发电有限责任公司(原鹤壁电厂)与鹤煤热电厂的水量。

(3)平顶山矿区。利用经过处理的矿井水供给平煤神马集团内部的生产和生活用水。

(4)新密矿区。可为新密市、新郑市提供部分的生态用水、工业用水、农业用水,替代部分地下水开采。

(5)陕渑义马矿区。可在处理后为渑池和义马提供部分的生态用水、工业用水、农业用水。

(6)永城矿区。由于区域地下水天然背景值较高,应在进行相应的处理后作为生态用水或电厂生产用水。

(7)登封矿区。可在除铁后作为矿区周边山区人民的饮用水源。

(8)新安矿区。深度处理后作为大型企业甚至城镇供水集中利用的潜力,亦可简单处理后作为生态用水。

(9)禹州矿区。经简单处理后作为饮用水源。

(10)偃龙矿区。进一步削减其矿井水排水量,将为龙门泉涌水创造了条件,经过简单的处理可作为景区的生态用水。

6.1 焦作矿区

焦作市地表水资源量4.18亿m3,地下水资源量(浅层地下水)5.48亿m3,扣除两者重复计算量1.83亿m3,全市水资源总量为7.83亿m3。人均占有量223 m3,亩均占有量271 m3,分别占全国平均水平的1/10和1/5。九里山矿和古汉山矿的排水总量为2 250万m3/a,已被位于新乡市辉县市吴村镇南的华电新乡发电有限公司电厂所取用,该电厂一期工程为2×660 MW燃煤发电机组,二期工程2×1 000 MW燃煤发电机组,需水量为2 758 m3/h。中马矿的排水除自用外,马村区水厂利用量为400万m3/a,剩余水量已经全部被金冠电厂所利用。演马庄矿当前的排水已被万方电厂和白鹭湿地公园所利用,该矿将在2018年12月份关停,关停后万方电厂的生产用水将改用城市再生水。焦煤集团在新乡辉县境内的煤矿有赵固一矿、赵固二矿,此外还有隶属地方的程村矿,各矿2016年排水量分别为917、203、350 m3/h,由于距离辉县市及新乡市较远,不适合远距离输送。但焦作煤业集团赵固2×35万kW低热值煤发电厂已经获准建设,其工业用水可就近利用赵固一矿和赵固二矿的矿井水。

6.2 鹤壁矿区

鹤壁矿区现有三矿、中泰矿业(四矿)、五环分公司(五矿)、六矿、八矿、九矿和十矿,2016年总排水量2 000 m3/h。根据多年统计,矿井水中岩溶水占60%左右,矿井水排泄岩溶水量为1 200 m3/h。鹤壁水务集团有3个供水厂:第一水厂位于山城区,以盘石头水库(地表水)为水源;第三水厂位于淇滨区,以淇河地表水为水源,引水口位于淇滨区金山办事处的寒波洞,采用泵提方式和暗管将淇河水引入水厂;第二水厂位于鹤山区鹤壁集,以地下水为水源,有深水井2眼,井深分别为450 m和500 m,开采奥陶系灰岩岩溶水,设计取水量144万m3/a,实际开采120万m3/a。鹤壁市区(山城区和鹤山区)范围内厂矿现有抽取奥陶系灰岩岩溶水的自备水源井70眼,年均开采量601万m3,相当于0.19 m3/s。鹤壁电厂许沟水源地共开凿水源井17眼,由于水井损坏、避让公路报废等原因,可使用的水井12眼。现电厂生产用水主要靠引淇河水和利用矿井水解决,许沟水源地作为后备水源地。根据调查访问,现日常开泵5～7台,抽水量为2.6万～3.0万m3/d。鹤壁市岩溶地下水资源量有限,补给和排泄(城市开采、矿井排水及泉流量)已经处于平衡状态。因此,迫切需要将矿井水加以资源化利用,增加供给鹤壁丰鹤发电有限责任公司(原鹤壁电厂)与鹤煤热电厂的水量。

鹤壁丰鹤发电有限责任公司(原鹤壁电厂)是鹤壁市用水大户,总装机容量2 200 MW,分期投资建设。一期工程于1989年开始建设,装机容量2×300 MW,2台机组分别于1991年9月和1992年3月投入发电。二期工程于2003年开始建设,装机容量为2×300 MW,2台机组于2005年年底投入发电。三期工程装机容量为2×600 MW,2008年2月建成发电。根据供水规划,一期和二期工程以淇河地表水为主要供水水源,许沟水源地岩溶水为备用水源,许沟水源地允许开采量为1.0 m3/s。三期工程利用鹤壁矿区矿井水和盘石头水库作为联合供水水源,要求供水量0.75 m3/s。

鹤煤热电厂利用矿井水为主要供水水源,要求供水量0.2 m3/s。鹤煤热电厂2×135 MW热电项目是鹤壁市作为国家首批循环经济试点城市的最大循环经济项目,项目于2004年9月由国家核准,2005年6月开工,1、2号机组分别于2006年11月和2007年4月建成投产。年发电能力13.5亿～18.9亿kWh,年供热能力290万GJ,供热面积340万m2。

6.3 平顶山矿区

平顶山市地处淮河流域上游,水资源严重不足,人均水资源量364 m3,低于河南省人均406 m3的水平,为极度缺水地区。1990—2013年,平顶山共发生16次较大干旱,其中特大干旱6次,严重干旱5次,中度干旱5次。2014年遭遇严重旱情,白龟山水库水位低于死水位,市区供水出现严重不足,紧急从南水北调总干渠向白龟山水库调水5 011万m3,才缓解了城市供水危机。按照规划,南水北调中线工程可向老城区和叶县县城供水13 170万m3,其中老城区10 570万m3,叶县2 600万m3。但现有城市供水仍然紧张,未来缺水更加严重。平顶山市自来水公司现有水厂4座,其中以白龟山水库水为水源的供水厂有白龟山水厂和九里山水厂,白龟山水厂设计日供水能力22.2万m3,九里山水厂设计日供水能力20万m3,开采深层地下水的水厂有周庄水厂、光明路水厂,共有深井31眼,设计日供水能力8.4万m3。4座水厂设计日供水能力50.6万m3,日平均供水量25万m3,最高日供水量30.4万m3。

6.4 新密矿区

根据《河南省地下水超采区范围的通知》(豫水政资[2014]76号),新密市大部及新郑市西部是地下水严重超采区。在地下水超采量中,有相当一部分是由于新密市煤矿生产疏干地下水所致。2016年新密矿区主干矿井超化矿、裴沟矿、大平矿、卢沟矿的排水总量2 348 m3/h,兼并重组小煤矿井水总量约为2 225 m3/h。因此,应进一步调整地下水的开发利用方式,积极利用矿坑排水,适度压缩部分地区的地下水开采规模。新密矿区矿井水水质较好,经过简单处理即可为新密市提供部分的生态用水、工业用水、农业用水,替代部分地下水开采。

根据《新郑市水资源综合规划》(2015—2045),新郑市多年平均水资源量为16 971.11万m3,其中,地表水资源量为6 458.90万m3,地下水资源量为12 160.21万m3,重复水资源量为1 648.00万m3。全市多年平均水资源可利用总量为16 249.08万m3,其中:南水北调工程新郑市输水5 000万m3/a,多年平均地表水可利用量为2 208.22万m3,多年平均地下水可开采量为9 131.90万m3,重复计算量91.04万m3。2013年全市总用水量为15 914.60万m3,其中,农业用水量为5 619.70万m3,工业用水量为7 446.80万m3,城乡生活用水2 498.10万m3,生态用水350万m3。供水大部分为地下水,占97.30%,地下水超采,而地表水用量不足。在新郑境内的赵家寨矿、王行庄矿,不仅设计产能高,而且水文地质条件复杂,排水量均较大,赵家寨矿和王行庄矿在2016年的排水量分别为1 483、337 m3/h,可为新郑市提供部分的生态用水、工业用水、农业用水,替代部分地下水开采。

6.5 陕渑义马矿区

渑池县水资源总量达2.288 4亿m3,其中,地表水2.083 8亿m3,地下水资源贫乏,仅0.199 5亿m3,地下补给地表0.193 0亿m3,重复量0.014 2亿m3。义马市地表水资源1 510万m3,可利用量86.87万m3,引用客水321.48万m3,区外引水28.42万m3。义马市和渑池县地下水资源量很少,县城供水的水源主要来自黄河水或水库水。由于水资源量有限,矿井水也成为难得的水资源。区内现有煤矿千秋矿、常村矿、跃进矿、杨村矿、耿村矿、石豪矿和观音堂矿,2016年排水总量为1 400 m3/h,年排水量为1 226万m3,可利用量735万m3。但由于区内矿井水水质较差,可在适当处理后为渑池和义马提供部分的生态用水、工业用水、农业用水。

6.6 永城矿区

7 结语

河南省矿井水总量为41 255万m3,利用量为28 053万m3,利用率为68%。在利用方式上仍以农田灌溉用水为主,占总利用量的31%,其次是城市供水利用、煤矿自用、电厂生产用水利用和环境生态用水(指有配套工程和专门用途的用水),开发利用潜力仍然很大。河南省矿井水利用率以鹤壁和平顶山最高,基本上达到或接近100%,主要利用方式为大水煤矿优质矿井水集中处理后向煤矿及周边居民供水。研究结合各矿区水资源需求实际与矿井水可利用资源量,提出了切实可行的提高各矿区矿井水利用水平途径的措施。主要利用方向为向电厂供水、农业灌溉用水、工业用水、生态用水(包括建设湿地公园)等。