鄂爾多斯盆地煤-水協調開采下礦區水資源異位回灌-存儲技術思路

孫亞軍，李 鑫，馮 琳，徐智敏，陳 歌，劉 琪

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.礦山水害防治技術基礎研究國家級專業中心實驗室，江蘇 徐州 221116)

2017年，武強院士提出煤-水雙資源協調開采的基本理念，強調合理平衡礦井水害、區域水資源、礦區生態環境3者之間的關系[1]：煤炭開采必然形成礦井涌水，鄂爾多斯盆地煤層頂板侏羅系直羅組底部砂巖含水層、延安組煤系頂板砂巖含水層是煤層的主要充水含水層，開采時礦井涌水量大且穩定增長；鄂爾多斯盆地水資源匱乏，與礦井涌水量大形成鮮明對比的是其干旱-半干旱的氣候條件，煤炭開采與地下水資源保護之間的矛盾關系成為研究區亟需解決的科學問題；對于一些含特征污染組分的礦井水，若治理措施不當，將對區域生態環境保護構成威脅，且大量礦井水抽提、水處理、排放成本增加了煤炭生產企業的經濟負擔。

高礦化度礦井水處理工藝包括蒸餾法、離子交換法、膜分離法等[2-3]，而且光-熱脫鹽[4]、電化學脫鹽[5]、石墨烯脫鹽[6]等新材料技術也逐漸興起。但上述水處理工藝均難以同時滿足較低成本、大規模礦井水處理的需求，目前礦井水處理成本一般在8～30元/t[7]。結合國家對礦井水排放的嚴格監督，要求礦井水必須達標處理后完全利用，部分地區嚴格實行“零排放”政策等，少數煤礦為了減少水處理成本，將礦井水回灌至第四系水源層、采空區、頂板含水層、離層空間，甚至偷排地表等，對煤礦安全開采和生態環境造成一定程度的威脅及負面影響。

筆者基于鄂爾多斯盆地煤-水雙資源協調開采的矛盾、瓶頸，立足于對研究區原位保水措施缺陷、礦井水水質特征、水處理保護利用成本等方面的分析研究，針對研究區礦井水以常規離子超標為主、極少數重金屬超標的特征，提出將水質較好的高礦化度礦井水不處理或進行微處理后的深井異位回灌-存儲技術，并結合示范工程闡明了在研究區進行異位回灌的“三減一治”技術思路并進行綜合比較，實踐了高礦化度礦井水微處理或不處理前提下的較低成本、大規模超深回灌-存儲技術工藝，并討論了該工藝的理論與技術框架、技術內容、技術難點及推廣應用價值，以期為鄂爾多斯盆地煤-水雙資源協調開采提供新的思考方向，并在相似條件礦區進行推廣與應用。

1 煤炭開采與水資源保護的矛盾

1.1 開采擾動下含水層儲水能力增強

直羅組含水層自身厚度大，儲水體量大，砂巖巖體充填物多以弱膠結為主[8]。在開采過程中，上覆巖層形成“上三帶”，在擾動破壞范圍內應力重新分布；煤層充水含水層的滲透性、空隙度有增大趨勢，大大提升了含水層的儲水空間，使其靜儲量與動儲量均有不同程度的增加。由于鄂爾多斯盆地特殊的沉積條件，部分礦區煤層開采導致白堊系地層內“彎曲下沉帶”產生離層空間。根據李文平團隊對營盤壕煤礦的研究：受采動影響，白堊系下部巖層的滲透性會顯著增大，其滲透率增長為初始滲透率的1.5～5.0倍[9]。同時，由于長期疏水降壓和井下排水等造成地下水形成區域降落漏斗，促使局部范圍內的水力坡度加大，增強了地下水的循環水動力條件，還可能造成巖層中易溶鹽類、膠結物溶出，間接導致含水層溶孔發育、空隙度增大，進一步使含水層滲透性增強，儲水能力增大，在一定程度上也改變了區域地下水動力場、化學場的背景值。

煤層開采后覆巖結構破壞、彎曲下沉導致隔水層的隔水能力降低，層間裂隙相互溝通后成為徑流通道、儲水空間，地下水在水力坡度的驅動下涌入采掘空間，加劇了地下水資源的流失速率及煤炭開采的水害風險，且隨著礦區開采面積的擴大，礦井涌水量穩定且持續增加，使礦井水的抽提成本、水處理成本增加。針對研究區水資源匱乏現狀，傳統的礦井水抽排處理方法既不利于地下水資源保護，也不利于煤炭安全開采。

1.2 防治水措施下含水層滲透性降低

為了增強煤層頂板隔水層的阻隔水能力及其完整性，降低頂板含水層的富水性，工程上常用注漿加固、帷幕截流、區域治理等方法阻斷礦井的充水水源、導水通道，改變含水層的富水性，甚至將含水層改造成隔水層，使礦井涌水量得到一定程度的控制，進而降低了礦井水形成及水處理成本，提升了煤炭開采的安全性。然而，注漿阻斷工程造成含水層的介質條件變為弱滲/低滲巖層，其滲透性顯著降低，使原生含水層的富水性、儲水性能明顯降低。錢自衛[10]利用化學漿液對鄂爾多斯盆地紅四煤礦下石盒子組孔隙砂巖進行模擬試驗，得出注漿前后砂巖滲透性降低超過90%，造成注漿范圍內含水層的靜儲量、動儲量均有不同程度的減小，且這種消極影響對含水層的富水性具有不可逆轉性；尤其是煤礦關閉后的地下水動力場難以完全恢復至采前狀態，含水層儲水能力和富水性徹底被人為改變，不利于對地下水資源的長期保護利用。

1.3 水位持續下降對生態環境影響

研究區淺埋松散砂層水位埋深與植被發育關系密切。水位埋深淺時，易形成土地鹽漬化；水位埋深大時，砂柳、小葉楊等植被會枯梢或死亡，湖、淖和濕地面積萎縮，河流斷流，植被生態退化、土地荒漠化等[11-12]，因此，必須合理控制水位埋深，一般建議將水位埋深維持在3～5 m[13]。范立民等[12]針對不同類型植被水位埋深條件下生態環境特征進行了詳細劃分，提出適度開發煤炭資源，以維持生態環境。第四系松散砂層與直羅組含水層不同程度存在間接的補給關系，直羅組含水層水位及富水性對第四系含水層生態水位的保持具有不同程度的影響[14]，如薄基巖礦區。針對研究區某些露天煤礦開采，第四系含水層最低水位的保持對西部脆弱地表植被生態環境的保護起到關鍵作用。

綜上，在煤-水雙資源協調開采的背景下，煤炭開采造成上覆含水層水位下降明顯，形成區域降落漏斗，減少了可利用的地下水資源量。如何平衡煤炭安全開采、礦井水較低成本治理、水資源保護、生態環境之間的平衡關系成為亟需解決的科學問題。若實施大范圍的帷幕截流、區域治理工程，易對區域含水層的水文地質條件造成不可逆的消極影響，且注漿工程本身造價高、影響煤礦閉坑后含水層的水生態恢復效果。若不采取防治水措施，會造成安全開采威脅、地下水資源浪費，且需要巨大經濟成本進行礦井水抽提及地面水處理。以上的突出矛盾使異位回灌保水成為研究區實現礦井水有效治理、水資源保護利用的另一種途徑和思考方向。

2 煤-水雙資源協調開采的瓶頸

2.1 研究區礦井水水質典型特征

礦井水作為一種非常規水資源，其治理與保護問題必須得到合理解決，以符合研究區煤炭綠色安全開采、可持續發展的宏觀策略。筆者基于對研究區內山西礦區、黃隴礦區、神東礦區、寧東礦區等38個煤礦的調研統計[15-20]、實驗研究[21-28]、文獻檢索[29-35]等，得到鄂爾多斯盆地部分礦區礦井水的典型特征(表1)，研究區高礦化度礦井水水質的規律有：

(1)各礦區普遍關注的常規離子數據量較為豐富，其他組分(如COD，BOD)整體上比常規離子、pH、TDS(礦化度)、懸浮物(SS)受關注程度小，數據量較少；有些指標甚至不被關注，如有益元素、放射性元素、氨氮、微生物群落結構等。

(3)Fe，Mn是礦井水中較易超標的組分，尤其是偏酸性的礦井水，但其中有8座的含量超出《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)的Ⅲ類水標準，占比20%；同時，各礦區有毒有害成分含量少，部分礦區礦井水含有毒性較強的重金屬(如As，Pb，Cr等)和揮發酚類，但僅極少數超標。

表1 鄂爾多斯盆地部分礦區礦井水的典型特征

續表

總體上，鄂爾多斯盆地典型水質特征表現為礦化度高，pH=7～9，部分礦區高氟特征明顯、少數重金屬指標超標(如鐵、錳)，但極少含有毒有害物質(鉛、砷、鉻(Ⅵ)、有機污染物等)。

2.2 礦井水達標處理的瓶頸

有效的防治水措施在一定程度上減少了礦井水的產生，但仍存在必然形成、無法避免的礦井水。基于上述對研究區礦井水水質的分析結果，礦井水處理首要問題是解決其高礦化度問題，即脫鹽處理；其次是對少量特征污染組分的去除。

礦井水形成后，有條件的礦區通常經過井下預處理后，抽提地表進行地面預處理、深度處理，達到回用標準后進行保護、利用。目前，關于高礦化度礦井水脫鹽技術的發展，常用的技術工藝包括蒸餾法、離子交換法、膜分離法等。蒸餾法多適用于礦井水含鹽量大于4 g/L，離子交換法適用于含鹽量不超過500 mg/L[2]，膜分離法更適用于大規模礦井水脫鹽處理，其中，反滲透技術(RO)是當前應用最為廣泛的脫鹽技術。常規RO工藝的最大水回收率在35%～50%，基于膜的滲透輔助反滲透(OARO)工藝可將水的回收率提高至70%以上[36]。以寧夏煤業棗泉煤礦為例，其采用預調節池、高密度沉淀、V型濾池、超濾、反滲透工藝處理高礦化度礦井水，超濾、反滲透工藝處理礦井水量約為8 000 m3/d，出水量約為5 000 m3/d，其處理礦井水水量完全滿足每日需求，可用于煤炭生產、生活用水[3]。但反滲透膜分離技術存在對預處理要求高、堵塞(清洗周期短)、腐蝕、濃縮倍數不高、反滲透后濃水排放難等問題；當礦井水中含鹽量大于6 000 mg/L時，對脫鹽率的影響較大，且濃縮RO廢水的處理成本較高，占RO脫鹽工藝總成本的30%左右。

雖然國內外學者在電化學脫鹽、光-熱脫鹽、石墨烯脫鹽等新材料技術方法的研究方面已取得較大突破[4-6]，但上述研究仍處于室內小規模的應用和試驗階段。針對鄂爾多斯盆地煤礦區普遍存在的高礦化度礦井水典型特征，目前仍無法在工程實踐上同時滿足較低成本、大規模水治理需求，迫切需要一種新型水治理思路來緩解煤-水雙資源協調開采下常規水處理瓶頸問題。

3 水資源異位回灌-存儲技術思路

煤-水雙資源協調開采、保水采煤以保護、合理利用水資源為前提，但并非完全不破壞原位水資源。筆者基于不同煤礦區的水文地質結構類型、礦井水水質特征及研究區的地層沉積特征分析，依據不同煤礦的開采方式(包括井工、露天開采)，以減少水資源的消耗和浪費、礦井水水量的形成、地面排放、地表蒸發以及降低環境污染、保障煤礦安全開采等為目的，提出將充水含水層或高礦化度礦井水資源轉移存儲至不受開采影響的其他位置，既不會對煤層安全開采造成威脅，在一定程度上也可起到異位保水的作用。異位保水回灌應優先考慮煤層底板深部含水層，以保障對煤層安全開采無威脅、對區域水循環無消極影響、對水資源利用無影響、礦井水水質整體優于回灌層水質、不產生污染等基本原則。

異位回灌有利于保護含水層的原生水文地質結構，有利于閉坑后水動力條件的快速恢復。針對鄂爾多斯盆地礦井水以常規組分超標為主、少數重金屬超標的總體特征，若實現礦井水的微處理或不處理異位回灌，可大幅降低礦井水的治理成本。筆者從水害防治、礦井水減量、較低成本及大規模水治理等角度出發，將鄂爾多斯盆地煤礦區水資源分為常規組分、含特殊組分2種。常規組分可分為充水含水層、采空水、露天礦坑水，這3種水資源的水質保留了原生含水層的特征，以常規組分超標為主，基本可在不處理的前提下回灌。此外，在礦井水形成前將其回灌處理，既保障了煤礦安全開采，也是礦井水減量的一種有效形式。而針對含特殊組分的礦井水，則需抽出處理后再進行回灌治理。故筆者總結出3個礦井水防控減量思路及1種礦井水治理保護技術，并進行綜合比較，形成研究區“三減一治”的水資源異位回灌保水技術思路。

3.1 礦井水防控減量的異位回灌思路

3.1.1 充水含水層水資源異位回灌減量

(1)頂板水異位回灌減量。

針對鄂爾多斯盆地多數煤礦區，煤層開采主要受到頂板直羅組砂巖水害、延安組煤系頂板砂巖水害威脅。在工作面掘進過程中，通過施工頂板水疏放鉆孔，提前將受開采影響的頂板水進行疏放，并通過井下回灌泵站將頂板水直接注入不受煤層開采影響的其他含水層或煤層底板深部含水層中(圖1)，以大幅減少礦井水量的形成。同時，降低研究區一些煤礦在采掘過程中突水潰砂威脅，保障煤層的安全開采，對煤礦防治水工作具有深遠意義。

(2)底板水異位回灌減量。

針對受到底板水水害威脅的煤礦區，在煤層開采前，亦可通過底板預疏放孔，將底板承壓水在井下進行管道收集，并通過井下泵站將水注入深部含水層中(圖2)。雖鄂爾多斯盆地煤礦區很少或幾乎不存在底板水害威脅，但該方法對其他有底板水害的礦區具有一定的借鑒意義，尤其是華北型煤礦區。

圖1 頂板水異位回灌概念Fig.1 Concept of mine-top aquifer water ectopic injection

圖2 底板水異位回灌概念Fig.2 Conceptual of mine-floor aquifer water ectopic injection

3.1.2 采空水異位回灌減量

工作面開采結束形成采空區，采空區一般不會對其他工作面的開采產生影響，當采空區蓄滿水后會存在一定的突水威脅。然而，研究區部分礦區存在將礦井水注入廢棄采空區，以達到井下預處理的目的，但將礦井水注入采空區會增加煤層開采的突水風險，對水害防控不利。尤其是近年來采空水害頻發，比如山西某些礦區的采空水害事故和傷亡人數全國居首[37]。在鄂爾多斯盆地進行采空水的異位回灌，首先應進行水質的對比分析測試，必要時需進行井下預處理，包括混凝、沉淀、過濾、曝氣等過程，甚至需將采空水抽提地表，進行地面的深度處理，再進行水資源異位回灌。采空水形成后在動力場、化學場、生物場、溫度場等多場作用下具有一定程度的自凈效果，可將污染組分沉降到底泥中，如對一些有機物的降解、重金屬的固化穩定化等，但仍難以避免一些常規組分的超標[7,38]。通常情況下，采空水自流后可在井下進行微處理或不處理，然后通過井下泵站注入到煤層底板深部含水層中(圖3)，以降低礦井水的抽排、地面排放、深度水處理成本。

圖3 采空水異位回灌概念Fig.3 Concept of ectopic injection of mined-out space water

3.1.3 露天礦坑水異位回灌減量

針對一些露天開采的煤礦區，如研究區內的活雞兔、馬家塔露天煤礦。露天礦坑邊坡失穩通常與地下水動態密切相關[39]。為了減弱地下水在邊坡附近的徑流強度，可在露天煤礦周圍布置適量的抽水井，并在一定距離外布置注水井，以建立小區域的地下水抽水-注水循環，形成小型地下水帷幕墻(圖4)。帷幕墻可對注水井外的地下水起到一定的阻隔作用，減少礦坑邊坡巖土體的含水率，降低邊坡失穩事故，減少礦坑礦井水量，從而降低了礦坑水的抽提成本和水處理成本。同時，能保持住煤礦周邊一定范圍外的地下水位，對露天煤礦區地表生態水位的保持具有重要意義。

圖4 露天礦坑水異位回灌概念Fig.4 Concept of ectopicinjection of open pit water

3.2 含特殊組分礦井水異位回灌治理保護

對于無法通過上述回灌方法減量、必然形成的礦井水可依次進行井下預處理、地面深度處理，利用回灌-存儲減少其地面排放量。根據對研究區礦井水水質特征的分析，得出研究區內約70%礦井水屬于常規組分超標，一般滿足微處理或不處理的回灌的條件；約20%礦井水中含有少量特征污染物，其中多為金屬離子(如鐵、錳、鉻等)，極少數為有機污染組分。一般先將礦井水抽提至地表，經過地面深度水處理技術去除特征污染組分，將礦井水中的污染負荷減量后以達到回灌要求，最后將滿足水質要求的礦井水借助深井回灌技術進行治理保護，形成了一種礦井水異位回灌的治理保護技術工藝(圖5)。對于研究區內的大多數煤礦，如寧煤清水營煤礦、汾西曙光煤礦、平朔井工一礦、寧夏靈新煤礦等的高礦化度礦井水(TDS為1.5～4.5 g/L)，回收率在75%～95%，脫鹽效率在98.0%～99.3%，處理成本1.6～3.0元/t[2]，基本符合微處理后回灌的要求，且微處理成本較低。

圖5 含特殊組分礦井水抽出、異位回灌概念Fig.5 Concept of mine water extraction and ectopic injection of special componentsmine water

3.3 水資源異位回灌的綜合比較

“三減一治”水資源異位回灌技術思路可針對不同水害類型、水質特征具有靈活多變的適應性，包括頂板水、底板水、采空水、露天礦坑水及含特征污染組分礦井水等；可大幅降低研究區礦井水抽提、地面水處理的成本，并合理保護了研究區的地下水資源，減少水資源的無端消耗、浪費和地面蒸發。筆者分別從施工難度(主要考慮成井工藝、施工環境，分為大、中、小)、回灌成本(主要考慮回灌井、注水泵、用電、水處理，分為高、中、低)、水資源保護效果(主要考慮可存儲水量、生態環境影響，分為好、中、差)等3方面進行定性分析(表2)。

表2 水資源異位回灌綜合比較

露天煤礦回灌層位淺，施工難度小，施工環境良好；注水泵所需的揚程小，用電成本較低；回灌水量可觀，且屬于同一含水層內異位回灌，對生態環境基本無不良影響，總體對水資源保護、生態水位保持效果較好。充水含水層、采空水均屬于井下回灌，回灌井施工環境復雜。成井工藝也有不同選擇(包括水平井、垂直井)，鉆井成本相對較高，且對回灌泵有一定的揚程要求，用電成本也會相應增加。但充水含水層回灌的水環境評價難度小，對生態環境影響小，水資源保護效果優于采空水回灌，且含特殊組分的采空水需經過井下處理以滿足回灌要求，增加了成本。含特殊組分的礦井水回灌不僅會增加礦井水抽提、地面處理成本，而且需從地面施工回灌井，施工難度較大，成本較高，技術流程相對復雜。

4 高礦化度礦井水超深回灌技術

4.1 理論與技術框架

為緩解研究區礦井水整體礦化度高、水處理成本高、處置方法不合理等，本文以實現煤-水雙資源協調開采、煤炭綠色開采、保水采煤為宗旨，以減少礦井水地面排放量、降低礦井水治理成本、保護研究區地下水資源為主要目的，選擇煤層底板深部劉家溝組巨厚砂巖含水層為目的回灌層，提出將水質相對較好的高礦化度礦井水進行深井回灌-存儲的治理技術工藝。結合示范工程實施過程中的理論基礎、研究內容、研究手段、關鍵結論等，致力于探索體系化、高效化、效益化的高礦化度礦井水污染防控及水治理的有效途徑。

筆者提出以“選擇、計算、環保、可持續”為回灌-存儲技術的關鍵環節，開展室內與野外相關研究。依據流體力學、巖石力學、地下水動力學、晶體形態學、水文地球化學及巖體微觀介質等方面的理論成果，從區域地下水系統、弱滲砂巖儲層物性特征、水力壓裂增滲、地下水流場演化、儲層存儲潛力評價、水環境影響評價和可持續回灌能力形成等方面進行研究，以解決高礦化度礦井水超深存儲面臨的存儲水量精細評價難、高壓注水對弱滲儲層物性特征的不確定性影響、長期可持續存儲能力的形成等關鍵科學問題，鄂爾多斯盆地煤礦區進行深井回灌理論與技術框架如圖6所示。

4.2 技術內容

鄂爾多斯盆地烏審旗某礦的示范工程研究了劉家溝組儲層的水文地質條件與結構特征，建成了高礦化度礦井水超深回灌-存儲的示范工程，形成了研究區礦井水深井回灌及水資源保護的關鍵技術與工藝。回灌效果良好，回灌水量超出預期(圖7)。

(1)目的回灌層選擇。

回灌層位的選擇是超深回灌-存儲技術應用的首要前提，其次考慮其他因素(如對油、氣、地熱等自然資源的開采與保護)。回灌層位的選擇必須滿足安全開采、地下水循環、水資源利用、水質占優等4個基本原則(圖6)，具體包括：① 目地儲層必須有足夠儲水空間(體量大)，具備可持續回灌能力，能滿足長期的存儲要求，關鍵參數包括厚度、孔隙度和滲透率，應優先選取碳酸鹽巖層或裂縫廣泛發育的砂巖層位；② 儲層的上層和下層，均要有相對完整的隔水層或緩沖層(泥頁巖或砂泥巖混層)，對于隔水層必須具有足夠低的滲透性(最好是有足夠厚度的純泥巖層)，以滿足隔水強度要求；③ 儲層應具有較好的橫向連通性、脆性，注水過程中能夠形成可觀的裂隙網絡；④ 儲層埋深要位于有利用價值的含水層下部，且區域內發生地震的概率較低；⑤ 高壓注水時滿足水力影響范圍內無斷層、無地表露頭或出露點，存儲后對淺層地下水不造成影響；⑥ 優先選擇資源枯竭層或廢棄層，實現地下空間資源再利用，不應造成較高的泵注回壓，不應引起回灌水反注和外泄。

圖6 高礦化度礦井水異位回灌理論與技術框架Fig.6 Theory and technical framework of high salinity mine water ectopic injection

圖7 高礦化度礦井水現場異位回灌剖面Fig.7 Profile diagram of high salinity mine water in situ ectopic injection

烏審旗地區劉家溝組含水層埋深1 800～2 300 m，平均厚度416 m[40]，其中，粗粒砂巖發育厚度9～104 m，橫向上厚度不一，垂向上存在非均質性，各段均有發育粗粒砂巖的可能，為礦井水運移提供了通道和空間，保障了基本的儲水能力。巖性成分主要為石英，其次為長石，膠結性和承載力差，易碎，較疏松，垂向斷層發育，斷口粗糙。根據巖樣開展了室內電鏡掃描、X衍射、壓汞實驗等，測試目的回灌層砂(礫)巖的礦物成分(石英40.1%、鉀長石13.6%、斜長石17.5%、方解石12%、黏土礦物17.8%)、砂(礫)巖膠結程度(較弱)、巖石結構(顆粒骨架以石英、長石為主，膠結物包含伊利石、伊蒙混層和綠蒙混層)、微孔結構(粒間孔、粒間溶孔和微裂隙為主)、孔隙度(總孔隙度為7.5%，平均孔隙度為5.13%)、滲透率(5.31×10-6m/d)等，獲取目的回灌層存儲空間的基本特征[40]，進一步明確了劉家溝組儲水體量大、低孔低滲、膠結程度低、可壓裂性較好、孔隙-裂隙雙重介質的巨厚砂巖儲層特性。

(2)儲水能力計算。

① 結合儲層空間特征研究、現場壓水試驗階段監測、檢測及數值模擬等，研究目的儲層在回灌條件下的水動力場演化過程與規律。② 開展原生水文地質條件及不同回灌工況條件下參數的定量評價和回灌水量計算，初步確定并評價深部目的儲層的回灌可行性及回灌井、監測井的布置方案、成井工藝。③ 開展地面回灌孔長期礦井水回灌試驗工程，研究回灌過程中的壓力、流量過程控制等相關技術，包括連續回灌、間歇回灌、不定時回揚過程(時間不少于2個月)的精準控制。依據上述各回灌試驗準確獲取目的回灌層的水動力場演化、水質演化、影響半徑、彈性儲水系數等關鍵參數，獲取回灌壓力與流量的關系曲線。④ 構建回灌水動力場的高精度數值模型，揭示回灌條件下目的回灌層水動力場、水質演化規律，精確評價目的回灌層的儲水潛力。為揭示長期持續、大流量、高壓水力壓裂增滲機理，系統評價劉家溝組低孔低滲巨厚砂巖層儲蓄水潛力提供依據。

根據極限容積法(理論儲水量)、反漏斗模型法(有效儲水量)的計算方法[41]，筆者對研究區深部劉家溝組的存儲水量進行計算。假設可注回灌空間一定，流體和巖石顆粒骨架可被壓縮，則極限存儲空間包括孔隙空間和巖石、流體彈性壓縮釋放空間，其理論儲水量為740.7萬m3。在水力影響半徑為635 m的條件下，配線法計算得到彈性釋水系數為2.37×10-3～3.10×10-3，現階段孔口壓力為8 MPa，對應水頭上升高度816 m，計算得到孔口保持壓力8～9 MPa下，單井有效儲水量為244萬～320萬m3。同時，在回灌示范場地已階段性開展7次壓水試驗，獲取了高強度、持續性、壓水條件下地下水流場演化及水壓變化規律。經現場注水井的長期監測及初步統計，歷經15個月左右累積注入水量超過100萬m3。

(3)地下水環境保護評價。

① 在回灌開始前采用室內實驗分析測試、野外監測、樣品采集和數值模擬等方法，獲取礦井水對回灌目的層水質影響演化的基礎數據，為礦井水回灌條件下水質對比、目的儲層的短/長期水環境影響評價提供數據支撐。② 在回灌過程中開展水量、水溫、水質、水位(壓)等關鍵參數的長期監測，形成回灌條件下的綜合監測技術，為礦井水長期回灌條件下的回灌量定量預計與地下水環境影響評價提供指標依據和資料。③ 結合礦井水、目的儲層水質特征，優化礦井水預處理工藝，實現礦井水微處理或不處理回灌，優化設備配置與選型；通過深井注水量的分析，對注水量及工程成本進行測算，綜合經濟、技術、政策等因素，評價礦井水深井回灌的直接間接經濟效益，得出礦井水深井回灌、水資源保護、經濟效益的優化評價結果。

根據刁玉杰[42]對劉家溝組的水質分析結果，劉家溝含水層屬于TDS含量較高(最高約65 g/L)的鹵水層，筆者對比分析劉家溝組的水質和研究區內烏審旗某礦的礦井水水質，結果表明：礦井水中除氨氮、重碳酸根和硝酸鹽濃度高于劉家溝組外，其余指標均低，劉家溝的水環境背景值相比礦井水水質更差[40]，礦井水與劉家溝組儲層水質具有相對良好的匹配性，礦井水超深存儲后呈現“良水回灌”，次生地下水環境污染風險較低，滿足微處理前提下回灌要求。

(4)安全性評價。

① 構建煤層底板深部水文地質結構模式，結合儲層上部隔水層或緩沖層的巖石力學強度分析測試等，開展主采煤層底板至目的回灌層頂板隔水層結構與組合、抗破壞能力、綜合阻隔水能力分析與研究。② 開展底板突水構造因素分析，進行不同工況及回灌條件下斷層活化導水評價、原有斷層煤(巖)柱穩定性與安全性評價。③ 通過上述專題分析，綜合評價礦井水深井回灌對研究區煤礦安全開采，甚至油、氣、地熱的影響。研究區內烏審旗地區劉家溝組上距煤底板1 200 m左右，儲層上部緩沖層達600～800 m，是研究區內較為理想的回灌層位。

(5)壓裂增滲形成可持續回灌能力。

① 結合現場深井鉆探工藝技術、回灌技術、完井工藝及前期壓水試驗等，開展地面/井下回灌、儲層壓裂關鍵技術研究。② 通過對施加不同壓力壓裂及滲流過程的動態監測，以研究滲流壓裂過程中導致裂隙產生、擴展的臨界水壓力及巖體滲透性的變化規律，并對壓裂后不同破碎程度巖塊的裂縫三維形態進行描述分析，以精細刻畫實際壓裂裂隙網絡擴展的三維特征。③ 建立應力場→裂隙網絡→滲透性→地下水流場的相互影響因果關聯，闡明用于判斷在不同壓力條件下裂隙網絡擴展范圍內巖體增滲的理論計算方法，用以指導長期、大流量、可持續礦井水深井成井工藝及回灌技術方案。前期壓裂增滲結果表明：壓裂后的滲透系數為原始滲透系數的1 788～2 858倍，壓裂效果明顯[43]。

4.3 理論與技術難點

結合示范場地回灌工程，礦井水超深異位回灌實施中的難點有：

(1)回灌潛力精細評價。

根據儲層空間特征研究，可初步估算目的層可存儲的礦井水體量。若要精細評價儲層的儲水體量，需結合礦井涌水量及煤礦排水需求，設計合理的回灌井、觀測井鉆孔結構、數量、距離等回灌方案、完井工藝，因深井造價高，應保證將所有鉆孔合理化、效益化。根據目的回灌儲層特性、水文地質條件、壓水試驗階段監測數據，建立數值模型，以模擬礦井水回灌過程中回灌水量、回灌壓力、裂隙網絡的演化規律。當壓力、流量趨于穩定后，可根據模擬結果得出回灌水量的最優解。但實際回灌過程中，通常會出現流量保持不變、壓力持續上升的情況[40]，且儲層壓裂后形成孔隙-裂隙雙重介質結構，在精細評價回灌潛力時，需要在傳統地下水動力學基礎上進一步改進相關理論模型后才能適用。

(2)回灌及完井工藝。

深井回灌必然會高壓壓裂原生儲層，使目的回灌層的原生裂隙增生、擴展和連通，滲透系數增大對提升目的層回灌量、形成可持續回灌能力具有重要價值。如何選擇成井工藝、設計回灌方案使裂隙網絡的擴展更有利于區域地下水的循環流動，需結合原生地層裂隙條件、地質構造、主應力方向等判斷。如前期示范工程回灌井為單井垂直井，若考慮采用水平井結構，將對儲層的壓裂增滲效果更好，但成本可能增加。在高壓回灌過程中，回灌方案應盡量使礦井水在含水層中能沿著裂隙優勢通道流向排泄區，使回灌壓力逐漸消散，保持回灌壓力-流量相對穩定，能滿足大流量、可持續礦井水深井成井工藝及回灌技術方案也亟需突破。

5 推廣應用價值

研究區礦井水水質特征普遍以高礦化度為主，在全國范圍內高礦化度礦井水特征廣泛存在，如研究區內母杜柴登煤礦、納林河二號井煤礦、門克慶煤礦、葫蘆素煤礦均存在高礦化度、堿性礦井水且涌水量大等問題，但鄂爾多斯盆地之外的煤礦區，污染組分的超標比例相對較高，達42%[7]，若要進行回灌，對特殊污染組分的去除成本會相應增加。從全國不同煤礦礦井水的水質特征出發，為了減少礦井地面排放對地表水生態、水環境的影響，筆者提出采用深部回灌-存儲技術將弱酸、弱堿、高TDS、總體上水質良好的礦井水進行治理，以減少礦井水地面排放量，同時削減礦井水的治理成本。筆者基于前期對全國201座煤礦的礦井水水質統計[7]，結合其中87座煤礦的TDS及133座煤礦的pH分析，得出全國不同煤礦礦化度、酸堿性的占比和分布(圖8)，進一步明確了深部礦井水主要是常規離子含量高、礦化度高、弱酸、弱堿等特征，其中44%的煤礦區屬于弱酸、弱堿型礦井水，僅有31%的煤礦區礦井水達到淡水標準，其余皆高于1 g/L，大多數煤礦區總體上屬于可進行超深存儲的礦井水水質類型，但仍有42%的礦井水存在不同程度的特征污染物超標，遠高于鄂爾多斯盆地煤礦區的20%，故全國范圍內大多數煤礦區仍需經過適應性礦井水處理后才能進行回灌，部分指標超標嚴重的礦區也會不同程度地增加水處理成本。

6 結 論

(1)闡述了鄂爾多斯盆地煤層開采與水資源保護間存在的矛盾問題，包括礦井水害、區域水資源、礦區生態環境。結合對研究區38個煤礦礦井水水質特征的調研統計，分析并指出了煤-水協調開采下的礦井水處理的瓶頸問題。研究區礦井水常規離子超標占比68.4%，鐵、錳超標占比20%，高鹽高氟等特征明顯。

(2)提出了研究區“三減一治”的水資源異位回灌技術思路，包括充水含水層水資源異位回灌、采空水異位回灌、露天礦坑水異位回灌及含特殊組分礦井水異位回灌。

(3)基于“三減一治”的水資源異位回灌思路，結合鄂爾多斯盆地烏審旗地區某礦超深回灌-存儲的工程案例闡述了相關的理論與關鍵技術框架、技術內容、技術難點，建成了研究區高礦化度礦井水超深回灌-存儲的示范工程。

(4)基于對全國87座煤礦TDS和133座煤礦pH值的統計分析，提出將弱酸弱堿(44%)、高礦化度礦井水(69%)進行超深回灌-存儲；并結合華北型礦區李樓煤礦礦井水水質特征，闡明了異位回灌技術思路對礦區水資源保護的推廣應用及研究價值。