國內外礦井水處理及資源化利用研究進展

王 皓，董書寧，尚宏波,3，王甜甜，楊 建，趙春虎，張 全，周振方，劉 基，侯 悅

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077；3.煤炭科學研究總院，北京 100013)

煤炭資源是人類生活和生產的重要能源基礎和化工原料，全球煤炭資源儲量大、分布廣、產量高[1]，2021 年全球原煤產量高達78.89 億t。但是煤炭資源開采產生大量礦井水，據統計，在荷蘭[2]、中國每采1 t煤約產生2 t 礦井水[3]；在英國每采1 t 煤約產生3 t 礦井水[4]，依此推算全球每年將產生百萬億噸礦井水。但受自然水?巖作用與人類采掘活動的雙重影響，礦井水中含有懸浮物、鹽分、特殊組分等污染物[5]，直接無序排放將誘發水資源浪費、水環境污染、地表生態破壞等諸多問題。因此，將礦井水資源化處理，用于生產、生活、生態等十分重要。

煤炭資源是我國的主體能源，2021 年中國原煤產量40.7 億t，且受我國“富煤、貧油、少氣”資源稟賦條件影響，煤炭將是短期內不可替代的穩定主體能源[6]。我國西部煤炭資源豐富，但水資源匱乏，西部煤炭資源占全國總量的70%，水資源僅占全國總量的4.6%。我國西南部水資源豐富，但礦井水污染嚴重，直接排放將污染干凈水系，為此國家相繼頒發一系列政策法規加強礦井水資源保護與利用。2015 年4 月，國務院在《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)中指出推進礦井水綜合利用，煤炭礦區的補充用水、周邊地區生產和生態用水應優先使用礦井水，加強選煤廢水循環利用[7]。2019 年習近平總書記先后6 次考察黃河流域生態環境治理現狀，2021 年國務院頒布了《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》，五部門聯合發布《關于印發黃河流域水資源節約集約利用實施方案的通知》，要求把水資源作為最大的剛性約束，實施最嚴格的水資源保護利用制度，并優先使用礦井水。因此，提升礦井水處理技術，提高礦井水的利用率，將為我國礦區高質量發展提供有力保障。

隨著國家對礦井水資源的高度重視，近年來，國內大量礦井水處理技術不斷涌現，礦井水利用迅速發展，但礦井水綜合利用率仍偏低，尚未達到行業發展的預期目標[8]。發達國家如美國、英國等礦井水處理及利用發展時間更長、更成熟，在理念、技術及管理模式上有一些寶貴經驗值得借鑒。因此，筆者總結國內外礦井水水質特征、深入研究水質形成機制，綜述與之適應的處理技術及利用現狀，提出未來的發展趨勢，為我國礦井水資源綜合利用及煤炭綠色開采提供科學支撐。

1 礦井水水質特征

掌握礦井水水質特征是實現其資源化的基礎，礦井水水化學特征可直接反映礦井水水質狀況，而水質演化過程及形成機制可間接反映未來水質變化趨勢。基于水質特征及其演化過程對不同開采階段的礦井水水質進行精準評價，對礦井水處理與利用均具有重要意義。

在采煤過程中，掘進巷道或開采煤層附近的地下水或地表水經導水裂隙滲入或涌入巷道形成礦井水[3]。礦井水主要來源于地表水或地下水，但受水文地質條件、水動力條件、礦床構造條件、采煤方式[9]及人類活動等綜合因素影響，具備顯著的煤炭行業特征[10]。根據水質特征及污染組分類型，礦井水劃分為潔凈礦井水、常規組分礦井水、酸性礦井水、高懸浮物礦井水、高礦化度礦井水及含特殊組分礦井水6 種類型[11]。

潔凈礦井水一般不含煤巖粉及其他污染物，水質較好[12]。常規組分礦井水包括Ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋、Cl－、等常規離子，且離子濃度均低于環境質量閾值[13]。酸性礦井水pH 小于6，常含有硫酸鹽、重金屬等污染物[14]。高懸浮物礦井水pH 一般呈中性，礦化度較低，但煤巖粉細小微粒占比很高，地下開采煤礦高懸浮物礦井水較為常見，約占煤礦總排水量的60%[15]。高礦化度礦井水一般呈弱堿性或堿性，礦化度或TDS(Total Dissolved Solids，總溶解性固體)大于1 000 mg/L[16]。含特殊組分礦井水根據特殊組分對人類及環境的影響又可劃分為有益組分礦井水及有害組分礦井水，其中有益組分包括鍶、硒等元素；有害組分包括氟、重金屬元素汞、鉻、鉛、砷等及放射性元素鐳、鈾、釷、氡等[17]，高氟礦井水氟離子質量濃度大于1.0 mg/L，與高礦化度礦井水類似，其水質一般呈弱堿性或堿性[18]。

礦井水水質的形成過程及演化機制十分復雜，總體受自然因素與人類活動共同控制。自然因素主要包括外界氣候、煤巖礦物組分、水文地球化學環境、礦區水文地質結構等[19]。受干旱–半干旱氣候及季節性降水的影響，我國西北部礦區(新疆、寧夏、甘肅、陜西、內蒙古)地表水及淺層地下水礦化度較高，導致礦井水礦化度較高。例如，寧夏鴛鴦湖礦區，礦井水礦化度高達15 000 mg/L[16]。不同巖層復雜的礦物成分對礦井水水質特征具有重要的影響，煤巖中常見的礦物包括硅酸鹽礦物(如石英、長石、云母)、碳酸鹽礦物(如方解石、白云石)、硫化礦物(如黃鐵礦、閃鋅礦)[20]，在長期的水–巖相互作用中，礦物溶解進入地下水，地下水富含煤巖中的某些組分，包括K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、、Fe2＋、Mn2＋、As5＋等。在不同礦區，地下水的溫度、酸堿度、氧化還原電位等水文地球化學環境差異較大，控制水–巖相互作用過程，影響地下水的水質特征。受巖石中黃鐵礦沉積及水文地球化學環境的影響，我國西南礦區(云南、貴州)多為酸性礦井水，pH 較低，含量較高，且含有Fe2＋、Zn2+、Mn2＋、As5+等重金屬離子。此外，礦區水文地質結構的不同，直接影響礦井水水量的大小及地下水水化學背景，從而影響礦井水的水質特征。

人類活動主要指采煤活動，采煤擾動一方面破壞煤層頂板形成導水裂隙帶，改變原含水層水–巖相互作用，影響礦井水水質；另一方面擾動后形成采空區，礦井水與采空區巖石發生二次水–巖作用，促進巖石中離子化合物的溶解，改變礦井水水質特征[21]。

綜合自然因素及人類活動對礦井水水質特征形成作用的控制，將礦井水水質形成劃分為2 個階段[22]，概念模型如圖1 所示。第一個階段，含水層水–巖作用階段。煤層覆巖導水裂隙帶形成，溝通不同含水層，改變了地下水的天然循環狀態。與此同時，原生的水文地球化學環境也發生了改變，控制地下水與巖石之間的相互作用，改變地下水的水質特征，進而影響礦井水的水質特征。這個階段的礦井水主要來源于頂板水，具有明顯的原生含水層水質特征。第二個階段，采空區水–巖作用階段。采煤擾動后，破碎的巖石堆積形成采空區，礦井水與采空區巖石發生二次充分水–巖作用。此外，采空區中礦井水的水動力條件及水化學條件均發生變化，促進了巖石中典型離子的溶解。煤礦閉坑前，采空區礦井水中的離子濃度大于新生礦井水。

圖1 礦井水水質特征形成概念模型Fig.1 Conceptual model of mine water quality characteristic formation

受多種因素影響，不同開采階段的礦井水水質特征差異較大，酸性礦井水、高礦化度及高氟礦井水的成因機制有待深入研究。此外，對礦井水水質進行精準評價，是處理與利用前重要的環節。目前，國內外常用的礦井水水質評價方法包括單一的標準比對法、內梅羅指數法[23]、層次分析法[24]、BP 神經網絡法[25]、模糊綜合評價法[26]等。這些評價方法均促進了礦井水水質評價的發展，但均側重于對礦井水現狀水質的評價，對全生命周期的礦井水水質評價是未來研究的重點與趨勢。

2 礦井水處理技術研究進展

2.1 含懸浮物礦井水

含懸浮物礦井水中的懸浮物主要來源于煤巷掘進及煤炭開采過程中的巖粒、巖粉、煤粒、煤粉等微粒。這些微小顆粒使礦井水的感官性變差，且懸浮物粒徑小、密度小，難以沉降。因此，懸浮物的去除是所有礦井水處理必須面臨的一個重要問題。國內外常用的懸浮物去除工藝包括混凝沉淀過濾、超磁分離及高效旋流技術。

混凝沉淀過濾技術，即將懸浮物含量較高的礦井水提升到地面調節池，經預沉處理、混凝、沉淀、過濾等工序后(圖2)，出水水質滿足環境排放、工業生產或日常生活用水要求[11]。

圖2 懸浮物處理工藝流程Fig.2 Process flow chart of suspended solids treatment

超磁分離技術原理是在磁粉體材料和絮凝劑(磁種)的共同作用下，使水體中的懸浮物與磁種凝聚在一起，形成具有一定磁性的絮體，再利用永磁材料所產生的高強磁場力的作用將磁性絮團快速分離[27]。該技術的核心是磁微粉的選擇、超磁分離和磁種回收設備的選擇。采用超磁分離技術處理礦井水效率高，設備運行穩定，管理簡單。

目前，高效旋流技術是一種新型的懸浮物處理技術[28]，該技術利用旋流混合、常壓旋流、二次旋流離心分離、湍流顆粒污泥層過濾、流動過濾原理，將污水凈化的混凝反應、離心、泥漿層過濾、動態過濾、污泥濃縮等處理技術有機結合在一起，在同一罐中短時間內(15～20 min)，使水中懸浮物在離心作用下與污水分離，從而實現凈化(圖3a)。懸浮物顆粒沉積在下端泥斗，通過排泥管道將污泥排放至污泥池。

高效旋流凈化工藝流程如圖3b 所示，高效旋流凈化代替了傳統的混凝沉淀+過濾單元，與常規的水處理工藝相比，該工藝利用旋流分離可大幅度預沉懸浮物，擴大了礦井水懸浮物濃度的適用范圍。而且，該技術及裝備適應性強、出水水質穩定，彌補了常規工藝處理成本高的缺點，將成為今后新穎而主流的懸浮物去除工藝。

圖3 高效旋流凈化器及工藝流程Fig.3 High efficiency cyclone purification process flow and section diagram of purifier

2.2 高礦化度礦井水

高鹽礦井水一般是指含鹽量(也稱礦化度)大于1 000 mg/L 的礦井水。此類礦井水水質多數呈堿性或弱堿性，礦化度一般介于1～3 g/L，少數達4 g/L，最高可達40 g/L[21]。該類礦井水多分布于我國西北部礦區如新疆、寧夏、內蒙古、陜西(北部)、山西[29]。根據主要離子類型，高礦化度礦井水又可分為高硫酸鹽型、高硬度型、高氯化物型和混合型。國內外將高礦化度水處理技術按照原理可分為化學法、熱力法及膜分離法3 種。

化學法主要通過化學反應去除礦井水中的鹽分，包括藥劑法和離子交換法等，其中藥劑法常利用石灰石軟化高硬度型礦井水[30]；而離子交換法利用固體交換劑交換混合型礦井水中的Ca2+、Mg2+、Cl?等。當礦化度大于500 mg/L 時，該方法成本較高。

熱力法利用熱力源作為動力迫使水鹽分離，從而達到脫鹽目的，適用于礦化度大于3 000 mg/L 的礦井水[31]。由于大量耗能，在具備蒸汽熱源條件的項目中應用廣泛。蒸餾是熱力法中脫鹽淡化的有效方法，目前現場應用較多的有多級閃蒸(MSF)和機械蒸汽壓縮蒸發(MVR)。這2 種技術預處理成本低、脫鹽效率高，缺點為運行過程中裝置易結垢、易腐蝕，且蒸餾設備前期投入高，運行能耗大。

膜分離技術主要是在原水側施加壓力使高鹽礦井水透過分離膜，去除水體中的無機離子[32]。根據壓力和孔徑的不同，膜技術細分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)4 種類型[33]。微濾與超濾屬于低壓驅動膜，納濾與反滲透屬于高壓驅動膜，4 種壓力驅動膜的主要特點如圖4 所示。按照膜的構型不同又可以分為平板型、管式、卷式以及中空纖維式膜。其中卷式反滲透膜和納濾膜廣泛應用于高礦化度礦井水零排放工藝，一方面利用反滲透的高效脫鹽性能盡可能降低水中含鹽量，另一方面利用納濾的選型性、分鹽性能將硫酸鈉和氯化鈉分離，以便提高蒸發結晶工藝產出的結晶鹽純度。

圖4 壓力驅動膜工藝及其特點Fig.4 Overview of pressure-driven membrane processes and their characteristics

隨著礦井水零排放工藝的不斷推廣，新工藝和新技術也在不斷發展，其中雙極膜和膜蒸餾技術是深度處理技術的研究熱門。雙極膜技術可以將低附加值的鹽轉化為高附加值的酸堿，具有工藝鏈的價值延伸特征，但針對雙極膜特點及雜鹽水化學成分，需要提出雙極膜系統進水預處理解決方案，另外需要落實酸堿的應用場景[34]；此外，膜蒸餾是以疏水膜兩側蒸汽壓力差為驅動力的分離技術，具有脫鹽率高、成本低、操作簡單等特點[35]，可以將膜蒸餾工藝與地熱能以及太陽能開發相結合，形成基于雙碳目標的新能源–膜蒸餾技術，從而減少對常規能源的依賴，實現節能脫鹽[36]。現有膜蒸餾技術需要攻克溫差極化、能量損耗以及膜污染等問題，值得注意的是，高礦化度煤礦疏放水屬于清水，基于清污分流的潔凈高礦化度疏放水在膜蒸餾過程中會避免膜污染問題，更易推廣應用。

2.3 酸性礦井水

酸性礦井水是指pH 小于6 的礦井水，主要由于硫化礦物的氧化作用引起。采煤過程中，還原環境轉變為氧化環境，與煤共生伴生的硫化礦物如黃鐵礦在氧氣、水和微生物的共同作用下，發生氧化反應產生低pH、高硫酸鹽、含重金屬的礦井水。酸性礦井水在全球(如印度、加拿大、巴西、南非、美國)廣泛分布，且對周邊環境污染明顯。在美國，酸性礦井水污染超過20 000 km 的河流。在我國，酸性礦井水主要集中在云貴煤炭基地，如貴州畢節和凱里礦區。因此，酸性礦井水的污染與治理備受國內外學者關注。

根據是否依靠設備(如攪拌機、抽濾泵、存儲罐等)及持續的人工維護，酸性礦井水處理技術可分為主動處理技術和被動處理技術。主動處理技術是需要依靠設施設備(攪拌機、抽濾泵、存儲罐等)、持續藥劑及人工投入來處理礦井水中污染物的技術[37]。常用的主動處理技術包括藥劑中和法、離子交換法、電滲析和膜過濾技術等，主動處理技術在國內應用廣泛。

主動處理技術在含高濃度重金屬的酸性礦井水中處理效果較好，但需要長期依靠外力，前期投資與后期處理成本偏高。被動處理技術是在人為控制的條件下，利用自然界發生化學及生物反應處理礦井水中污染物的技術。僅依靠自然可用的能源通過自然反應來凈化酸性礦井水，且不需要頻繁維護，尤其適合礦井水流量較小的礦井。

被動處理技術在美國、南非等國家發展迅速。按照反應原理，被動處理技術又分為化學法、生物法、化學生物聯用3 大類(圖5)。其中化學法包括石灰石導流井、石灰石砂處理系統、石灰石過濾床、開放石灰石溝渠、缺氧石灰石溝渠；生物法包括硫酸鹽還原菌生物反應器；化學?生物聯用法包括可滲透反應墻、人工濕地、連續產堿系統、分散堿性基質系統。各技術的適用條件及優缺點見表1。

表1 被動處理技術適用條件及優缺點Table 1 Application conditions,advantages and disadvantages of passive processing technology

圖5 酸性礦井水處理技術Fig.5 Technical diagram of acid mine water treatment

人工濕地是被動處理技術中前景最為廣闊的一種。研究表明，人工濕地被廣泛用于低成本的酸性礦井水處理，利用介質、植物及微生物來協同處理酸性礦井水[38]。其中酸化氧化硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌是人工濕地中常見的2 種自養氧化鐵和硫的微生物[39]。根據人工濕地進水方式的不同，又可分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地(圖6)。據報道，目前歐洲至少有6 000 個運行的人工濕地系統，美國、新西蘭、澳大利亞等也建造了大量人工濕地系統。在美國600 多座人工濕地中，有400 多座用于煤礦酸性礦井水處理，能使排水pH 提高到6～9，平均總鐵含量≤3 mg/L，總錳含量≤2 mg/L[40]。人工濕地的去污效果受重金屬離子濃度、填料性質、水力負荷、停留時間、溫度、植物去除率等多種因素影響。填料的性質對酸性礦井水的pH及植物生產起決定性作用，溫度與植物去除率是人工濕地發展的較大限制因素，濕地系統受溫度影響較大，在全年平均氣溫10℃以上的南方地區效果較好，而我國酸性礦井水多分布于云南與貴州兩省，因此可推廣性強。

圖6 酸性礦井水人工濕地系統Fig.6 Acid mine water constructed wetland system

綜合人工濕地的主要缺點，未來人工濕地處理酸性礦井水的重點研究方向如下：(1) 開發高效、廉價的吸附材料作為人工濕地的基質；(2) 優選重金屬富集能力強，生長周期快的本地優勢植物；(3) 培養重金屬去除效率高、環境適應性強的微生物，協助植物提高重金屬的去除率；(4) 人工濕地作為末端處理系統與其他被動處理技術相結合，形成基于人工濕地的酸性礦井水處理系統，例如構建集石灰石過濾床/石灰石溝渠–連續產堿系統–人工濕地為一體的酸性礦井水處理系統(圖7)。

圖7 石灰石溝渠–產檢系統–人工濕地聯合處理系統Fig.7 Limestone ditch production inspection system constructed wetland combined treatment system

2.4 含特殊組分礦井水

含特殊組分礦井水的處理一般根據所含特殊組分的類型而選擇與之適應的處理技術及工藝。含特殊組分礦井水包括高氟礦井水、重金屬礦井水、放射性元素礦井水等。

高氟礦井水在我國西北部礦區分布廣泛，與高鹽礦井水分布密切相關，近年來，隨著西北部礦區下組煤的開采，西北部礦區高氟水問題突出。西北部礦區礦井水中氟離子質量濃度介于1～12 mg/L，蒙陜接壤區部分礦區高達14.72 mg/L，是環境閾值的14.72 倍[22]。高氟礦井水處理方法包括化學沉淀法、混凝沉淀法、吸附法、膜技術等。其中吸附法因效果明顯，成本較低，在現場應用廣泛。吸附法除氟的核心在于吸附材料，目前國內外常用的除氟材料包括活性炭、生物炭、沸石等，這些材料運用較為成熟，但穩定性較差。而新型除氟材料羥基磷灰石，因生物兼容性強，吸附容量大，成為研究的熱點。羥基磷灰石的除氟機理主要是材料表面的羥基可與礦井水中的氟離子發生置換反應，從而去除礦井水中的氟離子。但隨著現場推廣與研究的深入，天然羥基磷灰石出現增加礦井水濁度、易團聚的問題。因此，眾多國內外學者開始探索改性羥基磷灰石對礦井水中氟的吸附。C.S.Sundaram 等[41]制備了納米羥基磷灰石/殼聚糖(n-HAPC)復合材料，與天然材料相比，其吸附率提高了17%。李喜林等[42]將強力磷灰石負載在蛇紋石上，制備了顆粒緊實的吸附劑，提高吸附率的同時，解決了吸附材料易團聚的問題。目前針對高氟礦井水的處理，探索改性吸附材料，增加吸附容量，降低吸附成本成為未來研究與發展的趨勢。

重金屬礦井水常與酸性礦井水相伴，酸性水文地球化學條件加速了煤巖中重金屬離子的溶解，因此，酸性礦井水中常含有高濃度的重金屬離子，其處理技術與酸性礦井水處理類似，此處不再贅述。

放射性礦井水指含有鐳、鈾、釷、氡等放射性元素的礦井水，其最大的特點是不易被察覺，但危害性極強，容易誘發皮膚癌、肝癌、膀胱癌、腎癌和甲狀腺癌等一系列癌癥。目前放射性礦井水已在河南平頂山部分礦區被發現[43]。常用的處理技術包括吸附法、沉淀法、膜技術等[44]，其中膜技術前景廣闊，在新型膜的研發、成本的降低及膜污染問題等方面的研究仍是未來的發展趨勢。

3 礦井水資源化利用研究進展

在全球水資源日益短缺的形勢下，開展礦井水的綜合利用，是世界各產煤國的必然選擇。已有許多國家對礦井水處理利用進行了深入的研究和實踐，積累了豐富的成果與經驗。

早在20 世紀，美國礦井水的利用率就達到了80%以上，德國以立法的形式規定了礦井水必須處理利用。國內近年來高度重視礦井水資源化利用問題，2020 年生態環境部、國家發改委和國家能源局聯合發布了《關于進一步加強煤炭資源開發環境影響評價管理的通知》，指出礦井水應優先用于項目建設及生產，并鼓勵多途徑利用多余礦井水。2021 年《關于印發黃河流域水資源節約集約利用實施方案的通知》中要求推動礦井水利用，推進隴東、寧東、蒙西、陜北、晉西等能源基地的煤礦礦井水綜合利用。因此，礦井水資源化利用對于防止水資源浪費、避免水環境污染、改善礦區生態環境、最大限度地滿足生產和生活用水需求均具有重要意義。目前，國內外礦井水資源化利用的方式主要包括工農業生產用水、生態用水、生活用水及熱能利用等(圖8)。

圖8 礦井水資源化利用技術體系Fig.8 Technical system of mine water resource utilization

3.1 生產利用

礦井水資源生產利用主要分為工業和農業生產用水(圖9)。其中礦井水工業生產利用方式主要包括煤炭生產、洗選加工、周圍電廠、煤化工項目等[45]。例如，蘇聯為消除煤礦產生的礦井水對環境的污染，通過分級處理方式將凈化后的礦井水作為洗煤廠和井下防塵等工業用水[46-47]。德國萊茵褐煤區的煤礦產生的礦井水經過簡單處理后，通過輸水管路被泵送至電廠用于發電中的生產作業[48]。英國煤礦每年排放的礦井水有15%的作為工業生產用水，85%的經凈化處理后排入地表。近年來，國外對常規礦井水利用的報道很少[49]。國內礦井水工業利用主要包括煤炭開采及加工過程中的井下用水，煤礦企業產生的礦井水除滿足自身需求外，還可將剩余的礦井水經處理后供給周邊企業作為生產用水。例如，內蒙古的母杜柴登和門克慶煤礦產生的礦井水除自身回用之外，其余經過深度處理后，輸送至鄂爾多斯圖克工業園區用于煤化工項目的生產用水，有效緩解了礦井水排放壓力與圖克工業園區用水壓力[50]。陜北煤炭基地的榆橫礦區礦井水產生量大，為解決礦井水浪費及排放問題，通過統一規劃礦井水綜合利用管網，將礦井水統一集中收集用于周邊工業園區工業用水，有效緩解了陜北地區缺水與礦井水排放的難題[51]。

圖9 礦井水資源生產利用Fig.9 Schematic diagram of production and utilization of mine water resources

處理達標后的礦井水也可用于農業生產，包括農田灌溉、水庫調蓄補水及動物飲用等。約旦的磷礦已成功將礦井水用于農業生產，通過將礦井水抽排到附近農田中，用于灌溉各種蔬菜和糧食作物，解決了當地農民的農田灌溉問題[52]；在美國的內華達州，Newmont 礦業公司管理著Carlin 鎮郊外1.82×109m3的牧場，附近采礦作業排放的礦井水被用作該牧場農作物的灌溉[53]；英國Xstrata 國際礦業公司在澳大利亞的Ulan 煤礦利用其礦井水灌溉了2.42×106m3的牧場[54]；秘魯的Yanacocha 金屬礦利用一個采空區作為水庫來存儲礦井水，為區域的農業生產提供水源[55]。國內，礦井水也被作為礦區農田灌溉的潛在水資源。陜煤澄合礦業董東煤業公司建設了礦井水深度凈化站，將處理后的礦井水用于附近居民小麥的澆灌。2018 年陜西榆林市為解決榆陽區周邊煤礦廢水的回收利用，歷時4 年建成礦井疏干水綜合利用項目并投運，將凈化達標后的疏干水用于生態建設、塌陷區治理、農田灌溉及田園綜合體補水，解決了周邊“既缺水又費水”的突出用水矛盾。

3.2 生態利用

礦井水資源生態利用方面主要包括園林綠化、人工濕地修復、河湖補水等方面。德國的Garzweiler 露天礦將處理達標后的礦井水通過入滲井滲入附近的濕地，以保護具有生態價值的濕地，同時將剩余的礦井水排入河流中[56]。德國的Lusatian 褐煤區露天礦也采取了相同的措施將處理后的礦井水資源進行生態利用[57]。在德國東部，露天褐煤礦開采產生的礦井水被用于補充已廢棄褐煤礦附近的坑湖，這樣既發揮礦井水的生態利用潛力，同時也是減少礦井水酸化的一種有力措施[58]。礦井水還可以對濕地進行修復，進而創造新的生態系統，增加生物多樣性。例如，西班牙的As Pontes 礦山，利用礦井水創建了一個新的濕地湖泊，從而美化了景觀和周圍環境，增加了生物多樣性。近年來，國內開始意識到礦井水資源生態利用的重要性。內蒙古鄂爾多斯市棋盤井生態園中的人造瀑布就是利用處理后的礦井水建成的，且生態園的園林綠化的水源主要來自棋盤井地區周邊煤礦的井下疏干水。該生態園是缺水地區節約地下水、通過礦井水有效緩解用水緊張、彌補供水不足的有益實踐。位于毛烏素沙漠地帶的神東礦區采用煤礦地下水庫凈化技術，實現了礦井水的大規模保護和利用。每年處理并供應給礦區的礦井水超過1 億m3，占神東礦區用水總量的95%以上，使神東礦區礦井水利用率提升至83%，支撐了礦區339 km2的生態治理恢復用水。同時，扭轉了礦區缺水局勢，大幅度減少礦井水外排，建成神府東勝礦區采空沉陷區沙棘生態修復示范基地，改善了礦區生態并支撐了礦區產業發展。

3.3 生活利用

在干旱半干旱水資源匱乏區，煤炭資源開發進一步加劇了水資源短缺。礦井水經深度凈化處理達到國家飲用水標準后可作為生活用水。一般優先滿足煤礦企業自身的生活用水，剩余部分可為周邊的企業或居民提供生活用水。在南非東北部的Witbank 煤田其煤炭資源儲量豐富，但區域內水資源相對匱乏，英美資源集團聯合必和必拓公司(BHP)與當地市政府，在EMalahleni 市共同建立了第一個礦井水處理廠，通過在水處理中增加兩套凈化、超濾以及自主研發的膜滲透處理程序，將礦井水處理凈化為生活飲用水。該處理廠每天生產3.0×107m3的達標飲用水，輸送給當地居民作為日常生活用水，解決了生活用水難題[59]。印度尼西亞的PT Adaro 煤炭公司，采用凈化處理的方式將產生的礦井水處理達標后，通過管道輸送給周邊的居民作為生活飲用水，緩解了當地水資源緊張的局面[60]。V.Masindi[61]研究了從酸性礦井水中回收飲用水，并成功地使用反滲透系統制備了飲用水，滿足SANS 241 飲用水標準。國內礦井水資源生活利用方面研究起步稍晚，山西美錦集團東于煤礦建設了礦井水凈化系統，使礦井水全部達到生活飲用水標準，將達標后的礦井水輸送到單位食堂、職工家中。神東礦區已建成多個礦井水深度處理廠，對排至地表的礦井水和生活污水進行深度處理，用于居民生活用水。對于富含微量元素的礦井水，可將其制作成桶裝水、瓶裝水，完成礦井水向“礦泉水”的變身。遼寧阜礦集團將深度處理后達到飲用標準的礦井水，制成桶裝礦泉水，改變了城市生活用水緊缺的現狀。

3.4 熱能利用

地熱能開發利用是助力實現“碳達峰碳中和”目標的有效途徑之一，其中煤礦開采過程中產生的礦井水的熱能也可以作為地熱資源開發利用[62]。采礦活動增加了地下圍巖的滲透率，同時形成大量的采空區及礦井水，這為礦井水資源熱能的高效利用提供了保障[63]。國外煤炭資源逐漸枯竭，遺留了大量的廢棄礦井，人們開始關注廢棄礦井作為地熱能資源利用的相關問題，認為廢棄礦井中礦井水的熱能利用潛力巨大[64]。廢棄礦井中的礦井水可以作為熱源，為居民或企業供暖，具有成本低、環境效益明顯等優勢，已在世界多國得到應用。目前最著名的是加拿大Springhill 的廢棄煤礦將礦井水作為熱源，從礦井水中提取熱能為大型建筑物提供夏季冷卻和冬季供暖[65]。在德國已經實施了許多廢棄礦井的礦井水低溫資源開發利用項目，“GrEEn-Projekt”項目位于德國阿爾斯多夫市，該項目是利用廢棄的Anna 煤礦中的礦井水產生的熱能，為Energeticon公司旗下的兩棟建筑供暖[66]。荷蘭在2008 年利用廢棄礦井建成了世界上最大的礦井水地熱區域供暖系統，該系統是通過廢棄礦井從地下深處取出熱水，用于附近住宅、商店、圖書館和大型辦公樓的供暖，到2015 年該系統已達到為50 萬m2建筑面積供能，降低了65%的CO2排放[67]。西班牙的Barredo 廢棄礦井中存在大量的礦井水，將其改造為地熱系統為周邊的大學和醫院提供熱能，使得CO2的排放量降低了約72%[68]。國外礦井水資源熱能利用主要是針對廢棄礦井，并且礦井水資源熱能的利用主要集中在淺部(600 m 以淺)。相比而言，國內千米深井已成常態，礦井圍巖原始溫度較高，礦井地熱能利用潛力巨大。國內一些學者提出了礦井地熱能開發利用的技術方案構想，分析了礦井水資源熱能利用技術[69]。He Manchao等[70]在江蘇張雙樓煤礦將熱害問題作為熱能資源進行利用，通過HEMS-Ⅲ機組建立了地面換熱系統，解決了礦區2.156×105m2的建筑供熱，節約燃煤1.197 萬t/a。河南新義煤礦采用水源熱泵機組技術，利用礦井“熱水”，改造了原有鍋爐系統，充分利用高溫礦井水的熱能，解決了礦區供熱供暖問題，年減少用煤約6 000 t[71]。因此，借鑒國外礦井地熱能利用的成熟經驗，結合我國礦井實際情況，合理開發利用礦井水資源熱能，可有效減少CO2等溫室氣體的排放，助力“雙碳”目標的實現。圖10 中給出了礦井水資源熱能利用的模式，包括回注和未回注2 種系統。

圖10 礦井水資源熱能利用模式Fig.10 Schematic diagram of thermal energy utilization of mine water resources

4 存在問題與科學思考

煤炭資源開發過程中礦井水資源處理與高效利用是支撐煤炭工業綠色發展的關鍵所在，更是礦區生態文明建設的必然要求。礦井水是一種非常規水資源，其資源化利用的重要性逐漸得到認可，有效緩解了區域水資源短缺的緊張局面。但目前礦井水處理及資源化利用仍存在一些問題，制約煤炭資源開發與礦區生態文明建設的平衡發展。同時，筆者結合國內外礦井水處理及資源化利用技術研究現狀，提出了我國礦井水處理及資源化利用的幾點科學思考，并據此建立礦井水處理及資源化利用概念模型(圖11)，為廣大礦井水資源保護利用工作者提供參考。

圖11 礦井水處理及資源化利用概念模型Fig.11 Mine water treatment and resource utilization mode

4.1 礦井水處理及資源化利用存在問題

(1) 含懸浮物礦井水地面處理占用空間大、礦井水提升費用高。現主流的含懸浮物礦井水處理工藝需將礦井水提升至地面，通過一系列流程去除懸浮物，處理能耗大，增加了含懸浮物礦井水整體處理成本。同時，當井下回用水質要求高時，仍需將地面處理后的礦井水再次輸送至井下，額外增加輸送成本，降低了礦井水的回用效率。

(2) 高礦化度高氟礦井水前期投資和后期運行成本高，經處理后殘余的濃鹽水或固體危廢難以有效處置。受煤巖組分、水文地質條件及采礦活動等綜合因素影響，導致我國西北部礦區產生大量高礦化度高氟礦井水。目前常用的反滲透、納濾等膜處理工藝產生的濃鹽水處置困難；多級閃蒸、機械蒸汽壓縮等工藝產生的固體鹽分雜質含量高，固體危廢難以處置；主流的吸附法處理高氟礦井水，吸附材料吸附容量低、再生性差，給西北部高礦化度高氟礦井水處理利用帶來新的挑戰。

(3) 酸性礦井水主要分布在西南地區，其主動處理技術投資及維護成本高。受地層年代、巖石性質、環境條件的影響，我國酸性礦井水礦區多分布在西南部，在云南與貴州2 個省份尤為突出。西南部煤礦整體規模較小、涌水量小，建立廢水處理站利用主動處理技術凈化酸性廢水，初期投資與后期運行費用高，制約了礦區水資源保護利用的發展。

(4) 礦井水資源利用調配方案較為粗放。目前礦井水主要利用方向為生產、生活及生態用水。但煤礦區用水方向眾多，如井下生產、井下除塵、地面綠化、生活雜用，且礦井水在工作面開采產生后，經過井下水溝、管路等輸送至水倉最終提升至地面的過程中，水質均發生了一定的變化。而針對不同用戶對水質的要求進行分級處理，逐步調配水量的礦井水資源利用調配模式不夠精細，限制了礦井水資源的高效利用，嚴重影響了煤炭資源開發與礦區水資源利用協調發展。

(5) 礦井水資源從產生到利用的全周期監測體系不完善。礦井水水量、水質的監測是其資源化利用的基礎，目前我國西北部的一些礦區初步建立了地下水水位、水壓、水溫及水質等監測網，但尚未建立礦井水資源從產生到利用的全周期監測體系，無法滿足精細化的礦井水資源化利用需求，難以為煤礦企業實現精準化的礦井水分級分質資源化利用提供可靠的基礎數據。

(6) 礦井水資源智能化管控水平不足。未來煤炭產業發展將會向著數字化、智能化轉型，礦井水資源管控也將逐步邁入智能化發展階段。在礦井水“零排放”政策的剛性約束及煤礦智能化建設的背景下，煤炭企業對礦井水資源智能管控有強烈的需求。而目前礦井水資源智能化管控技術手段尚處于起步階段，尤其缺乏礦井水資源管控的一體化平臺，導致礦井水資源管控智能化水平不足，造成礦井水資源調配不充分、利用效率低等問題。

4.2 礦井水處理及資源化利用科學思考

(1) 研發含懸浮物礦井水井下短流程處理技術。井下處理將成為今后含懸浮物礦井水處理的重點攻關方向，縮短處理工藝流程，研發置于井下的短流程超濾膜直濾技術，不僅可有效利用井下空間、減少地面征地費用、減少礦井水提升費用，還有利于實現礦井水的處理和儲存一體化、智能化控制，可為含懸浮物礦井水處理提供技術經濟的解決方案。

(2) 研發高礦化度礦井水大規模低成本高效處理技術、濃鹽水深井封存技術、大容量可再生高氟礦井水吸附材料。現有的高礦化度礦井水處理技術綜合成本較高，降低投資及運行成本將成為未來重點攻關的方向。利用雙極膜將結晶鹽轉化為高附加值的氫氧化鈉和硫酸，通過產能置換實現節能脫鹽；也可將高礦化度礦井水預處理后，長期封存于深部安全地層，降低成本與能耗。高鹽高氟礦井水的協同處理也是解決我國西北部礦區礦井水高礦化度高鹽高氟難題的未來發展趨勢。

(3) 加強酸性礦井水被動處理技術推廣示范。被動處理技術成本低，更適用于分散的污染源。被動處理系統僅使用自然可用的能源(例如重力流動系統，濕地或地下流動生物反應器)來凈化水質，后期維護費用也較低。例如，可將被動處理技術中的方法聯合使用，將人工濕地作為末端處理系統與石灰石過濾床聯用，形成基于人工濕地的酸性礦井水處理系統，在處理酸性礦井水的同時，修復礦區周邊的生態系統。

(4) 研究精細化的礦井水資源調配方案。礦井水資源的精細調配是提高其利用率的關鍵之處，有利于將產生的礦井水資源進行統一的規劃與配置，從而改善區域生產、生活及生態用水狀況。通過研究精細化的礦井水資源調配方案，精準配置滿足區域內生產、生態、生活及熱能需要的礦井水資源，是提高礦井水資源綜合利用率的有效途徑和迫切需求。

(5) 建立礦井水資源從產生到利用的全周期監測網。摸清礦井水資源總量與水質情況，利用精細化的優化配置方法將礦井水合理調配，才能進一步提升礦井水資源化利用效率。通過建立礦井水資源從產生到利用的全周期監測網，將礦井水的水量、水質、利用量和調配去向等數據進行監測與記錄，建立礦井水資源化利用數據庫，為礦井水資源化利用統籌規劃及智能化管控提供數據支撐。

(6) 開發礦井水資源智能化管控平臺。隨著煤礦智能化建設的提速，加快推進礦井水資源管控智能化發展將是必然趨勢。利用大數據、物聯網等新技術新手段，將礦井水資源精細化調配方案、全周期監測數據等緊密耦合，構建礦井水資源智能化管控平臺，對礦井水處理利用全生命周期的動態管控，實現礦井水資源化利用“一張圖”管理，最終達到礦井水高效利用的目的，開啟礦井水資源數字化、智能化綜合管控的新格局，解決區域性水資源失調問題與生態保護難題，為礦區健康、高效、可持續發展提供支撐。

5 結論

a.通過分析煤礦區礦井水水質特征及其演化過程，將礦井水水質形成劃分為含水層水?巖作用和采空區水?巖作用2 個階段。重點揭示了采空區水動力條件及水文地球化學條件改變加速巖石中典型離子溶解釋放的水質形成機制，總結了礦井水水質評價方法，為礦井水處理及資源化利用提供基礎。

b.采用資料查閱、文獻綜述、現場調研等方式，系統提煉了國內外4 種典型礦井水處理技術的優缺點。提出了含懸浮物礦井水高效旋流、高礦化度礦井水雙極膜和膜蒸餾處理、酸性礦井水人工濕地處理等新技術是未來礦井水處理的主要發展趨勢，闡明了礦井水用于生產、生態、生活及熱能的4 種主要途徑。

c.基于國內外礦井水處理及資源化利用的綜合分析，今后應加強礦井水井下短流程處理技術、濃鹽水深井封存技術、大容量可再生高氟礦井水吸附材料、礦井水資源從生產到利用全周期監測及智能化管控平臺等方面的研究工作，以提升礦井水處理及資源化利用技術水平，為我國煤炭工業高質量發展提供必要支撐。