“保治用儲”，變水害為“水利”

在我國14個大型煤炭基地中，有9個分布在黃河流域，煤水矛盾由來已久。

“過去，煤炭開采會導致地下水流失，給生態環境造成不良影響，我們也一直把水當作災害來防治。面對黃河流域、西部礦區煤炭高強度開采與水資源流失的矛盾，必須在煤炭開采和生態保護中尋找最優解，加強對水資源的保護利用。”中國煤科首席科學家董書寧說。

在董書寧看來，理念的轉變離不開技術的支撐。

為破解礦井水害治理、水資源保護與利用的難題，中國煤科西安研究院積極探索，形成了礦井水源頭保護、災害防治、多途徑利用、轉移存儲于一體的“保治用儲”技術體系。

“‘保’是在煤炭開采前，根據礦區水文地質條件和采煤規劃，實施針對性的地下水和地表水資源保護措施；‘治’是在采煤過程中，將治水與保水、用水相結合，用最小的疏排水量來保障開采安全；‘用’是對于迫不得已進入礦井的水，進行井上井下分布式處理、分級多用途利用；‘儲’是把用不完的那部分礦井水選擇合適層位儲存起來待以后開發利用。”董書寧說。

內蒙古大雁礦業集團有限責任公司扎尼河露天煤礦長期受保護地表水資源和脆弱生態問題的困擾。對此，中國煤科西安研究院創新采用帷幕截水保水技術，徹底解決了扎尼河露天煤礦的煤水矛盾問題。

“我們利用帷幕截水保水技術在礦坑來水方向筑起‘擋水墻’，截斷扎尼河徑流側向補給。這樣一來，不僅礦坑內部涌水顯著減少，礦坑周邊的地下水位也逐漸回升至原始水位，沙化的草場也復綠了。”中國煤科西安研究院水文分院副研究員張雁說。

在陜北礦區的一處煤礦礦井水處理站，礦井水無需全部抽到地面處理，就可以實現資源化利用。而這離不開中國煤科西安研究院井下短流程直濾與地面深度凈化技術的加持。

“我們在適合的位置建設短流程水處理設施，把礦井水處理到井下生產設備或工序能使用的程度后就地使用。多余的礦井水在預處理后進入地面深度處理車間，凈化后的礦井水可調度使用。目前，該煤礦礦井水綜合利用率已達85%以上。”中國煤科西安研究院環保所副所長汪凡說。

“‘保治用儲’技術體系的關鍵點和難點都在‘保’上，過去的礦井水災隱患治理多是以大量疏放水為代價的，如何用最小的疏排水量來保障礦井安全，是當今煤礦開發面臨的新問題。為此，我們持續攻關各項治保結合技術，形成了淺埋、中埋、深埋各類不同深度的帷幕截水保水技術，研發煤層頂板含水層控制疏放技術等，都是從減少疏排水量出發來解決水災隱患問題。當然，這個方向還需要持續研發先進的工藝技術和配套裝備，使‘保’的成效更加顯著。”董書寧說。

智慧監測，有了“安全護盾”

國能神東煤炭集團有限責任公司（以下簡稱神東煤炭集團）礦區地處山西、陜西、內蒙古三省（自治區）交界地帶，位于黃河中游多沙粗沙區，原生生態環境脆弱，水土流失嚴重，氣候干旱少雨。

針對礦區地下水、地表水和大氣降水“三水同缺”且煤炭開采規模大的現狀和問題，神東煤炭集團通過應用地下水保水開采技術，在地下礦井建成30余座地下水庫，利用采空區建造地下壩體形成儲水空間，轉移、儲存巖層滲水和井下開采產生的污水，并利用矸石和長距離流動實現水的自然凈化。該過程中，采空區水文監測至關重要。

為此，中國煤科常州研究院與神東煤炭集團合作，將先進的水文安全監測理念引入我國西部地區地下采空區儲水、積水煤礦，研發出煤礦采空區水文監測系統。

據了解，與現有的礦用水文監測系統相比，煤礦采空區水文監測系統主要針對煤礦井下儲水、積水采空區，監測對象更為聚焦，不僅可對水位、水溫、水壓等基礎參數進行監測，還可對采空區儲水的擋水煤柱和防水密閉等防護結構體進行監測。

“我們在擋水煤柱內部和防水密閉墻表面布設傳感裝置，在傳統水文基礎參數監測的基礎上，形成了對變形、應力、滲壓、位移、振動、明渠流量、管道流量、多參數氣體和長觀孔水位等12種關鍵安全參數的全方位實時監測。此外，我們還建立了防水密閉墻、擋水煤柱和采空區整體儲水、積水安全評估模型，能夠實現對儲水、積水采空區安全運行態勢進行全方位、立體化的監測和預警。”中國煤科常州研究院智能化分院院長助理、該系統負責人屈世甲說。

目前，中國煤科常州研究院在神東煤炭集團部署的煤礦采空區水文監測系統，可對該集團11個煤礦的19處儲水、積水采空區的106道防水密閉墻、101道擋水煤柱進行實時安全監測。

在煤礦采空區水文監測系統的加持下，神東煤炭集團瓦斯檢查工對儲水、積水采空區巡檢的工作強度顯著降低。

“煤礦采空區水文監測系統集‘監—警—控—護’于一體，把復雜難測的儲水狀況，轉化為直觀精準的實時數據，將傳統被動的管理模式，轉變為主動高效的動態監管模式。通過提前感知防水密閉墻、擋水煤柱滲水、漏水等情況，可有效避免潰水事故發生。”屈世甲說。

“下一步，我們將在安全監測及報警的基礎上，增加該系統的應急聯動功能。當采空區水位超標或防護結構體發生損壞滲水時，先通過井下應急廣播等提醒相關區域人員安全撤離，同時將報警信息與采空區應急排水裝置實時聯動，迅速進行采空區的應急泄水，通過監測、預警、聯動和應急幾個步驟，切實保障井下采空區的儲水、積水安全。”屈世甲說。

打造“海綿礦區”，讓雨洪變資源

去年9月，中煤平朔集團有限公司東露天煤礦排土場復墾區的玉米迎來了大豐收，玉米畝產量較往年增加了25%以上。

玉米生長周期內需水量較大，玉米增產對地處干旱、半干旱地區的東露天煤礦來說十分不易。而這得益于中煤科工生態環境科技有限公司（以下簡稱科工生態）近年來在東露天煤礦試點的“海綿礦區”建設。

“我國露天煤礦大多位于干旱、半干旱地區，夏季降雨多以短時強降雨為主，極易在地形散亂、地表裸露的排土場上形成大量徑流，易引發邊坡滑塌失穩、侵蝕沖溝等地質災害和水土流失問題。”科工生態科創中心副研究員李鵬翔說，“此外，露天煤礦排土場在進行生態復墾過程中，生態農業、畜牧業以及林草業發展對水資源穩定、持續供給也有較高要求。”

一方面是可能發生的雨洪災害，另一方面是干旱和缺水。面對汛情和旱情，科工生態調整治水思路，將“海綿城市”理念引入露天煤礦排土場雨洪管理。

“‘海綿城市’是指通過生態與工程相結合的方式，使城市具有吸水、蓄水等彈性功能。我們在露天煤礦排土場構建分布式蓄水池模塊，在夏季可以像海綿一樣儲存雨水，在冬春季節抽取利用。”科工生態科創中心副研究員任慧君說。

科工生態結合東露天煤礦所在地區降雨特征、徑流形成情況和該礦用水需求等，提出“海綿礦區”理念，針對雨水源頭攔截、過程疏導、末端集蓄、終端使用和超量排棄等關鍵環節，分別建設相應的功能設施，最終形成“截—導—蓄—用—排”全鏈條雨洪資源集蓄與利用系統。

“我們分別在排土場邊坡的坡頂、坡面、坡腳安設截水、導水和排水設施，并建設了水流消能、沉砂截污等設施。其中，埋沒于地下3米至5米深度的蓄水池是最核心的設施。”李鵬翔說。

自從建成投運了雨洪資源集蓄與利用系統，以往夏季東露天煤礦排土場邊坡常出現的大流量、大流速集中徑流被排導設施攔截分流，排土場坡頂和平盤的積水被快速、安全地疏導到蓄水池中。雨洪導致的沖溝、邊坡滑塌等情況，在東露天煤礦從此成為歷史。

除了治水效果顯著外，該系統帶來的生態效益和經濟效益同樣不容小覷。

“蓄水池集蓄的雨水可以滿足東露天煤礦排土場復墾區近150公頃的作物灌溉需求。作物‘喝飽了水’，長勢一年比一年好。”李鵬翔說。

下一步，科工生態將總結該系統在東露天煤礦應用的成功經驗，并在山西、陜西、內蒙古等露天煤礦相對集中、灌溉水資源缺乏的礦區推廣應用。（盧慧穎）