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(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077；3.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

煤炭資源是人類生活和生產(chǎn)的重要能源基礎(chǔ)和化工原料，全球煤炭資源儲(chǔ)量大、分布廣、產(chǎn)量高[1]，2021 年全球原煤產(chǎn)量高達(dá)78.89 億t。但是煤炭資源開(kāi)采產(chǎn)生大量礦井水，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在荷蘭[2]、中國(guó)每采1 t煤約產(chǎn)生2 t 礦井水[3]；在英國(guó)每采1 t 煤約產(chǎn)生3 t 礦井水[4]，依此推算全球每年將產(chǎn)生百萬(wàn)億噸礦井水。但受自然水?巖作用與人類采掘活動(dòng)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(wú)序排放將誘發(fā)水資源浪費(fèi)、水環(huán)境污染、地表生態(tài)破壞等諸多問(wèn)題。因此，將礦井水資源化處理，用于生產(chǎn)、生活、生態(tài)等十分重要。

煤炭資源是我國(guó)的主體能源，2021 年中國(guó)原煤產(chǎn)量40.7 億t，且受我國(guó)“富煤、貧油、少氣”資源稟賦條件影響，煤炭將是短期內(nèi)不可替代的穩(wěn)定主體能源[6]。我國(guó)西部煤炭資源豐富，但水資源匱乏，西部煤炭資源占全國(guó)總量的70%，水資源僅占全國(guó)總量的4.6%。我國(guó)西南部水資源豐富，但礦井水污染嚴(yán)重，直接排放將污染干凈水系，為此國(guó)家相繼頒發(fā)一系列政策法規(guī)加強(qiáng)礦井水資源保護(hù)與利用。2015 年4 月，國(guó)務(wù)院在《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡(jiǎn)稱“水十條”)中指出推進(jìn)礦井水綜合利用，煤炭礦區(qū)的補(bǔ)充用水、周邊地區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水應(yīng)優(yōu)先使用礦井水，加強(qiáng)選煤廢水循環(huán)利用[7]。2019 年習(xí)近平總書記先后6 次考察黃河流域生態(tài)環(huán)境治理現(xiàn)狀，2021 年國(guó)務(wù)院頒布了《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》，五部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于印發(fā)黃河流域水資源節(jié)約集約利用實(shí)施方案的通知》，要求把水資源作為最大的剛性約束，實(shí)施最嚴(yán)格的水資源保護(hù)利用制度，并優(yōu)先使用礦井水。因此，提升礦井水處理技術(shù)，提高礦井水的利用率，將為我國(guó)礦區(qū)高質(zhì)量發(fā)展提供有力保障。

隨著國(guó)家對(duì)礦井水資源的高度重視，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大量礦井水處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)，礦井水利用迅速發(fā)展，但礦井水綜合利用率仍偏低，尚未達(dá)到行業(yè)發(fā)展的預(yù)期目標(biāo)[8]。發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)等礦井水處理及利用發(fā)展時(shí)間更長(zhǎng)、更成熟，在理念、技術(shù)及管理模式上有一些寶貴經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。因此，筆者總結(jié)國(guó)內(nèi)外礦井水水質(zhì)特征、深入研究水質(zhì)形成機(jī)制，綜述與之適應(yīng)的處理技術(shù)及利用現(xiàn)狀，提出未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)礦井水資源綜合利用及煤炭綠色開(kāi)采提供科學(xué)支撐。

1 礦井水水質(zhì)特征

掌握礦井水水質(zhì)特征是實(shí)現(xiàn)其資源化的基礎(chǔ)，礦井水水化學(xué)特征可直接反映礦井水水質(zhì)狀況，而水質(zhì)演化過(guò)程及形成機(jī)制可間接反映未來(lái)水質(zhì)變化趨勢(shì)?；谒|(zhì)特征及其演化過(guò)程對(duì)不同開(kāi)采階段的礦井水水質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，對(duì)礦井水處理與利用均具有重要意義。

在采煤過(guò)程中，掘進(jìn)巷道或開(kāi)采煤層附近的地下水或地表水經(jīng)導(dǎo)水裂隙滲入或涌入巷道形成礦井水[3]。礦井水主要來(lái)源于地表水或地下水，但受水文地質(zhì)條件、水動(dòng)力條件、礦床構(gòu)造條件、采煤方式[9]及人類活動(dòng)等綜合因素影響，具備顯著的煤炭行業(yè)特征[10]。根據(jù)水質(zhì)特征及污染組分類型，礦井水劃分為潔凈礦井水、常規(guī)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(zhì)較好[12]。常規(guī)組分礦井水包括Ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋、Cl－、等常規(guī)離子，且離子濃度均低于環(huán)境質(zhì)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(xì)小微粒占比很高，地下開(kāi)采煤礦高懸浮物礦井水較為常見(jiàn)，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?cè)芙庑怨腆w)大于1 000 mg/L[16]。含特殊組分礦井水根據(jù)特殊組分對(duì)人類及環(huán)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(zhì)量濃度大于1.0 mg/L，與高礦化度礦井水類似，其水質(zhì)一般呈弱堿性或堿性[18]。

礦井水水質(zhì)的形成過(guò)程及演化機(jī)制十分復(fù)雜，總體受自然因素與人類活動(dòng)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(xué)環(huán)境、礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)等[19]。受干旱–半干旱氣候及季節(jié)性降水的影響，我國(guó)西北部礦區(qū)(新疆、寧夏、甘肅、陜西、內(nèi)蒙古)地表水及淺層地下水礦化度較高，導(dǎo)致礦井水礦化度較高。例如，寧夏鴛鴦湖礦區(qū)，礦井水礦化度高達(dá)15 000 mg/L[16]。不同巖層復(fù)雜的礦物成分對(duì)礦井水水質(zhì)特征具有重要的影響，煤巖中常見(jiàn)的礦物包括硅酸鹽礦物(如石英、長(zhǎng)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(zhǎng)期的水–巖相互作用中，礦物溶解進(jìn)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(qū)，地下水的溫度、酸堿度、氧化還原電位等水文地球化學(xué)環(huán)境差異較大，控制水–巖相互作用過(guò)程，影響地下水的水質(zhì)特征。受巖石中黃鐵礦沉積及水文地球化學(xué)環(huán)境的影響，我國(guó)西南礦區(qū)(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(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，直接影響礦井水水量的大小及地下水水化學(xué)背景，從而影響礦井水的水質(zhì)特征。

人類活動(dòng)主要指采煤活動(dòng)，采煤擾動(dòng)一方面破壞煤層頂板形成導(dǎo)水裂隙帶，改變?cè)畬铀C巖相互作用，影響礦井水水質(zhì)；另一方面擾動(dòng)后形成采空區(qū)，礦井水與采空區(qū)巖石發(fā)生二次水–巖作用，促進(jìn)巖石中離子化合物的溶解，改變礦井水水質(zhì)特征[21]。

綜合自然因素及人類活動(dòng)對(duì)礦井水水質(zhì)特征形成作用的控制，將礦井水水質(zhì)形成劃分為2 個(gè)階段[22]，概念模型如圖1 所示。第一個(gè)階段，含水層水–巖作用階段。煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶形成，溝通不同含水層，改變了地下水的天然循環(huán)狀態(tài)。與此同時(shí)，原生的水文地球化學(xué)環(huán)境也發(fā)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(zhì)特征，進(jìn)而影響礦井水的水質(zhì)特征。這個(gè)階段的礦井水主要來(lái)源于頂板水，具有明顯的原生含水層水質(zhì)特征。第二個(gè)階段，采空區(qū)水–巖作用階段。采煤擾動(dòng)后，破碎的巖石堆積形成采空區(qū)，礦井水與采空區(qū)巖石發(fā)生二次充分水–巖作用。此外，采空區(qū)中礦井水的水動(dòng)力條件及水化學(xué)條件均發(fā)生變化，促進(jìn)了巖石中典型離子的溶解。煤礦閉坑前，采空區(qū)礦井水中的離子濃度大于新生礦井水。

圖1 礦井水水質(zhì)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(kāi)采階段的礦井水水質(zhì)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(jī)制有待深入研究。此外，對(duì)礦井水水質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，是處理與利用前重要的環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)外常用的礦井水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法包括單一的標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法[23]、層次分析法[24]、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[25]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[26]等。這些評(píng)價(jià)方法均促進(jìn)了礦井水水質(zhì)評(píng)價(jià)的發(fā)展，但均側(cè)重于對(duì)礦井水現(xiàn)狀水質(zhì)的評(píng)價(jià)，對(duì)全生命周期的礦井水水質(zhì)評(píng)價(jià)是未來(lái)研究的重點(diǎn)與趨勢(shì)。

2 礦井水處理技術(shù)研究進(jìn)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(lái)源于煤巷掘進(jìn)及煤炭開(kāi)采過(guò)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(gè)重要問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外常用的懸浮物去除工藝包括混凝沉淀過(guò)濾、超磁分離及高效旋流技術(shù)。

混凝沉淀過(guò)濾技術(shù)，即將懸浮物含量較高的礦井水提升到地面調(diào)節(jié)池，經(jīng)預(yù)沉處理、混凝、沉淀、過(guò)濾等工序后(圖2)，出水水質(zhì)滿足環(huán)境排放、工業(yè)生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)生的高強(qiáng)磁場(chǎng)力的作用將磁性絮團(tuán)快速分離[27]。該技術(shù)的核心是磁微粉的選擇、超磁分離和磁種回收設(shè)備的選擇。采用超磁分離技術(shù)處理礦井水效率高，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，管理簡(jiǎn)單。

目前，高效旋流技術(shù)是一種新型的懸浮物處理技術(shù)[28]，該技術(shù)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(guò)濾、流動(dòng)過(guò)濾原理，將污水凈化的混凝反應(yīng)、離心、泥漿層過(guò)濾、動(dòng)態(tài)過(guò)濾、污泥濃縮等處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，在同一罐中短時(shí)間內(nèi)(15～20 min)，使水中懸浮物在離心作用下與污水分離，從而實(shí)現(xiàn)凈化(圖3a)。懸浮物顆粒沉積在下端泥斗，通過(guò)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(tǒng)的混凝沉淀+過(guò)濾單元，與常規(guī)的水處理工藝相比，該工藝?yán)眯鞣蛛x可大幅度預(yù)沉懸浮物，擴(kuò)大了礦井水懸浮物濃度的適用范圍。而且，該技術(shù)及裝備適應(yīng)性強(qiáng)、出水水質(zhì)穩(wěn)定，彌補(bǔ)了常規(guī)工藝處理成本高的缺點(diǎn)，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(zhì)多數(shù)呈堿性或弱堿性，礦化度一般介于1～3 g/L，少數(shù)達(dá)4 g/L，最高可達(dá)40 g/L[21]。該類礦井水多分布于我國(guó)西北部礦區(qū)如新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西(北部)、山西[29]。根據(jù)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(guó)內(nèi)外將高礦化度水處理技術(shù)按照原理可分為化學(xué)法、熱力法及膜分離法3 種。

化學(xué)法主要通過(guò)化學(xué)反應(yīng)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(dāng)?shù)V化度大于500 mg/L 時(shí)，該方法成本較高。

熱力法利用熱力源作為動(dòng)力迫使水鹽分離，從而達(dá)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(xiàng)目中應(yīng)用廣泛。蒸餾是熱力法中脫鹽淡化的有效方法，目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多的有多級(jí)閃蒸(MSF)和機(jī)械蒸汽壓縮蒸發(fā)(MVR)。這2 種技術(shù)預(yù)處理成本低、脫鹽效率高，缺點(diǎn)為運(yùn)行過(guò)程中裝置易結(jié)垢、易腐蝕，且蒸餾設(shè)備前期投入高，運(yùn)行能耗大。

膜分離技術(shù)主要是在原水側(cè)施加壓力使高鹽礦井水透過(guò)分離膜，去除水體中的無(wú)機(jī)離子[32]。根據(jù)壓力和孔徑的不同，膜技術(shù)細(xì)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(qū)動(dòng)膜，納濾與反滲透屬于高壓驅(qū)動(dòng)膜，4 種壓力驅(qū)動(dòng)膜的主要特點(diǎn)如圖4 所示。按照膜的構(gòu)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(yīng)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(fā)結(jié)晶工藝產(chǎn)出的結(jié)晶鹽純度。

圖4 壓力驅(qū)動(dòng)膜工藝及其特點(diǎn)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(shù)也在不斷發(fā)展，其中雙極膜和膜蒸餾技術(shù)是深度處理技術(shù)的研究熱門。雙極膜技術(shù)可以將低附加值的鹽轉(zhuǎn)化為高附加值的酸堿，具有工藝鏈的價(jià)值延伸特征，但針對(duì)雙極膜特點(diǎn)及雜鹽水化學(xué)成分，需要提出雙極膜系統(tǒng)進(jìn)水預(yù)處理解決方案，另外需要落實(shí)酸堿的應(yīng)用場(chǎng)景[34]；此外，膜蒸餾是以疏水膜兩側(cè)蒸汽壓力差為驅(qū)動(dòng)力的分離技術(shù)，具有脫鹽率高、成本低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[35]，可以將膜蒸餾工藝與地?zé)崮芤约疤?yáng)能開(kāi)發(fā)相結(jié)合，形成基于雙碳目標(biāo)的新能源–膜蒸餾技術(shù)，從而減少對(duì)常規(guī)能源的依賴，實(shí)現(xiàn)節(jié)能脫鹽[36]。現(xiàn)有膜蒸餾技術(shù)需要攻克溫差極化、能量損耗以及膜污染等問(wèn)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(guò)程中會(huì)避免膜污染問(wèn)題，更易推廣應(yīng)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(guò)程中，還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)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(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)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(guó))廣泛分布，且對(duì)周邊環(huán)境污染明顯。在美國(guó)，酸性礦井水污染超過(guò)20 000 km 的河流。在我國(guó)，酸性礦井水主要集中在云貴煤炭基地，如貴州畢節(jié)和凱里礦區(qū)。因此，酸性礦井水的污染與治理備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。

根據(jù)是否依靠設(shè)備(如攪拌機(jī)、抽濾泵、存儲(chǔ)罐等)及持續(xù)的人工維護(hù)，酸性礦井水處理技術(shù)可分為主動(dòng)處理技術(shù)和被動(dòng)處理技術(shù)。主動(dòng)處理技術(shù)是需要依靠設(shè)施設(shè)備(攪拌機(jī)、抽濾泵、存儲(chǔ)罐等)、持續(xù)藥劑及人工投入來(lái)處理礦井水中污染物的技術(shù)[37]。常用的主動(dòng)處理技術(shù)包括藥劑中和法、離子交換法、電滲析和膜過(guò)濾技術(shù)等，主動(dòng)處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛。

主動(dòng)處理技術(shù)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(zhǎng)期依靠外力，前期投資與后期處理成本偏高。被動(dòng)處理技術(shù)是在人為控制的條件下，利用自然界發(fā)生化學(xué)及生物反應(yīng)處理礦井水中污染物的技術(shù)。僅依靠自然可用的能源通過(guò)自然反應(yīng)來(lái)凈化酸性礦井水，且不需要頻繁維護(hù)，尤其適合礦井水流量較小的礦井。

被動(dòng)處理技術(shù)在美國(guó)、南非等國(guó)家發(fā)展迅速。按照反應(yīng)原理，被動(dòng)處理技術(shù)又分為化學(xué)法、生物法、化學(xué)生物聯(lián)用3 大類(圖5)。其中化學(xué)法包括石灰石導(dǎo)流井、石灰石砂處理系統(tǒng)、石灰石過(guò)濾床、開(kāi)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(yīng)器；化學(xué)?生物聯(lián)用法包括可滲透反應(yīng)墻、人工濕地、連續(xù)產(chǎn)堿系統(tǒng)、分散堿性基質(zhì)系統(tǒng)。各技術(shù)的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 被動(dòng)處理技術(shù)適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Application conditions,advantages and disadvantages of passive processing technology

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

人工濕地是被動(dòng)處理技術(shù)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(zhì)、植物及微生物來(lái)協(xié)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(jiàn)的2 種自養(yǎng)氧化鐵和硫的微生物[39]。根據(jù)人工濕地進(jìn)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(jù)報(bào)道，目前歐洲至少有6 000 個(gè)運(yùn)行的人工濕地系統(tǒng)，美國(guó)、新西蘭、澳大利亞等也建造了大量人工濕地系統(tǒng)。在美國(guó)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(zhì)、水力負(fù)荷、停留時(shí)間、溫度、植物去除率等多種因素影響。填料的性質(zhì)對(duì)酸性礦井水的pH及植物生產(chǎn)起決定性作用，溫度與植物去除率是人工濕地發(fā)展的較大限制因素，濕地系統(tǒng)受溫度影響較大，在全年平均氣溫10℃以上的南方地區(qū)效果較好，而我國(guó)酸性礦井水多分布于云南與貴州兩省，因此可推廣性強(qiáng)。

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

綜合人工濕地的主要缺點(diǎn)，未來(lái)人工濕地處理酸性礦井水的重點(diǎn)研究方向如下：(1) 開(kāi)發(fā)高效、廉價(jià)的吸附材料作為人工濕地的基質(zhì)；(2) 優(yōu)選重金屬富集能力強(qiáng)，生長(zhǎng)周期快的本地優(yōu)勢(shì)植物；(3) 培養(yǎng)重金屬去除效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的微生物，協(xié)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(tǒng)與其他被動(dòng)處理技術(shù)相結(jié)合，形成基于人工濕地的酸性礦井水處理系統(tǒng)，例如構(gòu)建集石灰石過(guò)濾床/石灰石溝渠–連續(xù)產(chǎn)堿系統(tǒng)–人工濕地為一體的酸性礦井水處理系統(tǒng)(圖7)。

圖7 石灰石溝渠–產(chǎn)檢系統(tǒng)–人工濕地聯(lián)合處理系統(tǒng)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(jù)所含特殊組分的類型而選擇與之適應(yīng)的處理技術(shù)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(guó)西北部礦區(qū)分布廣泛，與高鹽礦井水分布密切相關(guān)，近年來(lái)，隨著西北部礦區(qū)下組煤的開(kāi)采，西北部礦區(qū)高氟水問(wèn)題突出。西北部礦區(qū)礦井水中氟離子質(zhì)量濃度介于1～12 mg/L，蒙陜接壤區(qū)部分礦區(qū)高達(dá)14.72 mg/L，是環(huán)境閾值的14.72 倍[22]。高氟礦井水處理方法包括化學(xué)沉淀法、混凝沉淀法、吸附法、膜技術(shù)等。其中吸附法因效果明顯，成本較低，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。吸附法除氟的核心在于吸附材料，目前國(guó)內(nèi)外常用的除氟材料包括活性炭、生物炭、沸石等，這些材料運(yùn)用較為成熟，但穩(wěn)定性較差。而新型除氟材料羥基磷灰石，因生物兼容性強(qiáng)，吸附容量大，成為研究的熱點(diǎn)。羥基磷灰石的除氟機(jī)理主要是材料表面的羥基可與礦井水中的氟離子發(fā)生置換反應(yīng)，從而去除礦井水中的氟離子。但隨著現(xiàn)場(chǎng)推廣與研究的深入，天然羥基磷灰石出現(xiàn)增加礦井水濁度、易團(tuán)聚的問(wèn)題。因此，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始探索改性羥基磷灰石對(duì)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(fù)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(qiáng)力磷灰石負(fù)載在蛇紋石上，制備了顆粒緊實(shí)的吸附劑，提高吸附率的同時(shí)，解決了吸附材料易團(tuán)聚的問(wèn)題。目前針對(duì)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(lái)研究與發(fā)展的趨勢(shì)。

重金屬礦井水常與酸性礦井水相伴，酸性水文地球化學(xué)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(shù)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(diǎn)是不易被察覺(jué)，但危害性極強(qiáng)，容易誘發(fā)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(qū)被發(fā)現(xiàn)[43]。常用的處理技術(shù)包括吸附法、沉淀法、膜技術(shù)等[44]，其中膜技術(shù)前景廣闊，在新型膜的研發(fā)、成本的降低及膜污染問(wèn)題等方面的研究仍是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 礦井水資源化利用研究進(jìn)展

在全球水資源日益短缺的形勢(shì)下，開(kāi)展礦井水的綜合利用，是世界各產(chǎn)煤國(guó)的必然選擇。已有許多國(guó)家對(duì)礦井水處理利用進(jìn)行了深入的研究和實(shí)踐，積累了豐富的成果與經(jīng)驗(yàn)。

早在20 世紀(jì)，美國(guó)礦井水的利用率就達(dá)到了80%以上，德國(guó)以立法的形式規(guī)定了礦井水必須處理利用。國(guó)內(nèi)近年來(lái)高度重視礦井水資源化利用問(wèn)題，2020 年生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤炭資源開(kāi)發(fā)環(huán)境影響評(píng)價(jià)管理的通知》，指出礦井水應(yīng)優(yōu)先用于項(xiàng)目建設(shè)及生產(chǎn)，并鼓勵(lì)多途徑利用多余礦井水。2021 年《關(guān)于印發(fā)黃河流域水資源節(jié)約集約利用實(shí)施方案的通知》中要求推動(dòng)礦井水利用，推進(jìn)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(duì)于防止水資源浪費(fèi)、避免水環(huán)境污染、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、最大限度地滿足生產(chǎn)和生活用水需求均具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外礦井水資源化利用的方式主要包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、生態(tài)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(shù)體系Fig.8 Technical system of mine water resource utilization

3.1 生產(chǎn)利用

礦井水資源生產(chǎn)利用主要分為工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水(圖9)。其中礦井水工業(yè)生產(chǎn)利用方式主要包括煤炭生產(chǎn)、洗選加工、周圍電廠、煤化工項(xiàng)目等[45]。例如，蘇聯(lián)為消除煤礦產(chǎn)生的礦井水對(duì)環(huán)境的污染，通過(guò)分級(jí)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(yè)用水[46-47]。德國(guó)萊茵褐煤區(qū)的煤礦產(chǎn)生的礦井水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后，通過(guò)輸水管路被泵送至電廠用于發(fā)電中的生產(chǎn)作業(yè)[48]。英國(guó)煤礦每年排放的礦井水有15%的作為工業(yè)生產(chǎn)用水，85%的經(jīng)凈化處理后排入地表。近年來(lái)，國(guó)外對(duì)常規(guī)礦井水利用的報(bào)道很少[49]。國(guó)內(nèi)礦井水工業(yè)利用主要包括煤炭開(kāi)采及加工過(guò)程中的井下用水，煤礦企業(yè)產(chǎn)生的礦井水除滿足自身需求外，還可將剩余的礦井水經(jīng)處理后供給周邊企業(yè)作為生產(chǎn)用水。例如，內(nèi)蒙古的母杜柴登和門克慶煤礦產(chǎn)生的礦井水除自身回用之外，其余經(jīng)過(guò)深度處理后，輸送至鄂爾多斯圖克工業(yè)園區(qū)用于煤化工項(xiàng)目的生產(chǎn)用水，有效緩解了礦井水排放壓力與圖克工業(yè)園區(qū)用水壓力[50]。陜北煤炭基地的榆橫礦區(qū)礦井水產(chǎn)生量大，為解決礦井水浪費(fèi)及排放問(wèn)題，通過(guò)統(tǒng)一規(guī)劃礦井水綜合利用管網(wǎng)，將礦井水統(tǒng)一集中收集用于周邊工業(yè)園區(qū)工業(yè)用水，有效緩解了陜北地區(qū)缺水與礦井水排放的難題[51]。

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

處理達(dá)標(biāo)后的礦井水也可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，包括農(nóng)田灌溉、水庫(kù)調(diào)蓄補(bǔ)水及動(dòng)物飲用等。約旦的磷礦已成功將礦井水用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，通過(guò)將礦井水抽排到附近農(nóng)田中，用于灌溉各種蔬菜和糧食作物，解決了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的農(nóng)田灌溉問(wèn)題[52]；在美國(guó)的內(nèi)華達(dá)州，Newmont 礦業(yè)公司管理著Carlin 鎮(zhèn)郊外1.82×109m3的牧場(chǎng)，附近采礦作業(yè)排放的礦井水被用作該牧場(chǎng)農(nóng)作物的灌溉[53]；英國(guó)Xstrata 國(guó)際礦業(yè)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(chǎng)[54]；秘魯?shù)腨anacocha 金屬礦利用一個(gè)采空區(qū)作為水庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)礦井水，為區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供水源[55]。國(guó)內(nèi)，礦井水也被作為礦區(qū)農(nóng)田灌溉的潛在水資源。陜煤澄合礦業(yè)董東煤業(yè)公司建設(shè)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(yáng)區(qū)周邊煤礦廢水的回收利用，歷時(shí)4 年建成礦井疏干水綜合利用項(xiàng)目并投運(yùn)，將凈化達(dá)標(biāo)后的疏干水用于生態(tài)建設(shè)、塌陷區(qū)治理、農(nóng)田灌溉及田園綜合體補(bǔ)水，解決了周邊“既缺水又費(fèi)水”的突出用水矛盾。

3.2 生態(tài)利用

礦井水資源生態(tài)利用方面主要包括園林綠化、人工濕地修復(fù)、河湖補(bǔ)水等方面。德國(guó)的Garzweiler 露天礦將處理達(dá)標(biāo)后的礦井水通過(guò)入滲井滲入附近的濕地，以保護(hù)具有生態(tài)價(jià)值的濕地，同時(shí)將剩余的礦井水排入河流中[56]。德國(guó)的Lusatian 褐煤區(qū)露天礦也采取了相同的措施將處理后的礦井水資源進(jìn)行生態(tài)利用[57]。在德國(guó)東部，露天褐煤礦開(kāi)采產(chǎn)生的礦井水被用于補(bǔ)充已廢棄褐煤礦附近的坑湖，這樣既發(fā)揮礦井水的生態(tài)利用潛力，同時(shí)也是減少礦井水酸化的一種有力措施[58]。礦井水還可以對(duì)濕地進(jìn)行修復(fù)，進(jìn)而創(chuàng)造新的生態(tài)系統(tǒng)，增加生物多樣性。例如，西班牙的As Pontes 礦山，利用礦井水創(chuàng)建了一個(gè)新的濕地湖泊，從而美化了景觀和周圍環(huán)境，增加了生物多樣性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)始意識(shí)到礦井水資源生態(tài)利用的重要性。內(nèi)蒙古鄂爾多斯市棋盤井生態(tài)園中的人造瀑布就是利用處理后的礦井水建成的，且生態(tài)園的園林綠化的水源主要來(lái)自棋盤井地區(qū)周邊煤礦的井下疏干水。該生態(tài)園是缺水地區(qū)節(jié)約地下水、通過(guò)礦井水有效緩解用水緊張、彌補(bǔ)供水不足的有益實(shí)踐。位于毛烏素沙漠地帶的神東礦區(qū)采用煤礦地下水庫(kù)凈化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦井水的大規(guī)模保護(hù)和利用。每年處理并供應(yīng)給礦區(qū)的礦井水超過(guò)1 億m3，占神東礦區(qū)用水總量的95%以上，使神東礦區(qū)礦井水利用率提升至83%，支撐了礦區(qū)339 km2的生態(tài)治理恢復(fù)用水。同時(shí)，扭轉(zhuǎn)了礦區(qū)缺水局勢(shì)，大幅度減少礦井水外排，建成神府東勝礦區(qū)采空沉陷區(qū)沙棘生態(tài)修復(fù)示范基地，改善了礦區(qū)生態(tài)并支撐了礦區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.3 生活利用

在干旱半干旱水資源匱乏區(qū)，煤炭資源開(kāi)發(fā)進(jìn)一步加劇了水資源短缺。礦井水經(jīng)深度凈化處理達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)后可作為生活用水。一般優(yōu)先滿足煤礦企業(yè)自身的生活用水，剩余部分可為周邊的企業(yè)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(chǔ)量豐富，但區(qū)域內(nèi)水資源相對(duì)匱乏，英美資源集團(tuán)聯(lián)合必和必拓公司(BHP)與當(dāng)?shù)厥姓?，在EMalahleni 市共同建立了第一個(gè)礦井水處理廠，通過(guò)在水處理中增加兩套凈化、超濾以及自主研發(fā)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(chǎn)3.0×107m3的達(dá)標(biāo)飲用水，輸送給當(dāng)?shù)鼐用褡鳛槿粘Ｉ钣盟?，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(chǎn)生的礦井水處理達(dá)標(biāo)后，通過(guò)管道輸送給周邊的居民作為生活飲用水，緩解了當(dāng)?shù)厮Y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(tǒng)制備了飲用水，滿足SANS 241 飲用水標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)礦井水資源生活利用方面研究起步稍晚，山西美錦集團(tuán)東于煤礦建設(shè)了礦井水凈化系統(tǒng)，使礦井水全部達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，將達(dá)標(biāo)后的礦井水輸送到單位食堂、職工家中。神東礦區(qū)已建成多個(gè)礦井水深度處理廠，對(duì)排至地表的礦井水和生活污水進(jìn)行深度處理，用于居民生活用水。對(duì)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(tuán)將深度處理后達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)的礦井水，制成桶裝礦泉水，改變了城市生活用水緊缺的現(xiàn)狀。

3.4 熱能利用

地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用是助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的有效途徑之一，其中煤礦開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的礦井水的熱能也可以作為地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用[62]。采礦活動(dòng)增加了地下圍巖的滲透率，同時(shí)形成大量的采空區(qū)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(guó)外煤炭資源逐漸枯竭，遺留了大量的廢棄礦井，人們開(kāi)始關(guān)注廢棄礦井作為地?zé)崮苜Y源利用的相關(guān)問(wèn)題，認(rèn)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(yè)供暖，具有成本低、環(huán)境效益明顯等優(yōu)勢(shì)，已在世界多國(guó)得到應(yīng)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(guó)已經(jīng)實(shí)施了許多廢棄礦井的礦井水低溫資源開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目，“GrEEn-Projekt”項(xiàng)目位于德國(guó)阿爾斯多夫市，該項(xiàng)目是利用廢棄的Anna 煤礦中的礦井水產(chǎn)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?zé)釁^(qū)域供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過(guò)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(tǒng)已達(dá)到為50 萬(wàn)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?zé)嵯到y(tǒng)為周邊的大學(xué)和醫(yī)院提供熱能，使得CO2的排放量降低了約72%[68]。國(guó)外礦井水資源熱能利用主要是針對(duì)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(guó)內(nèi)千米深井已成常態(tài)，礦井圍巖原始溫度較高，礦井地?zé)崮芾脻摿薮?。?guó)內(nèi)一些學(xué)者提出了礦井地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的技術(shù)方案構(gòu)想，分析了礦井水資源熱能利用技術(shù)[69]。He Manchao等[70]在江蘇張雙樓煤礦將熱害問(wèn)題作為熱能資源進(jìn)行利用，通過(guò)HEMS-Ⅲ機(jī)組建立了地面換熱系統(tǒng)，解決了礦區(qū)2.156×105m2的建筑供熱，節(jié)約燃煤1.197 萬(wàn)t/a。河南新義煤礦采用水源熱泵機(jī)組技術(shù)，利用礦井“熱水”，改造了原有鍋爐系統(tǒng)，充分利用高溫礦井水的熱能，解決了礦區(qū)供熱供暖問(wèn)題，年減少用煤約6 000 t[71]。因此，借鑒國(guó)外礦井地?zé)崮芾玫某墒旖?jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)礦井實(shí)際情況，合理開(kāi)發(fā)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)。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(tǒng)。

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(wèn)題與科學(xué)思考

煤炭資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中礦井水資源處理與高效利用是支撐煤炭工業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵所在，更是礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的必然要求。礦井水是一種非常規(guī)水資源，其資源化利用的重要性逐漸得到認(rèn)可，有效緩解了區(qū)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(wèn)題，制約煤炭資源開(kāi)發(fā)與礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的平衡發(fā)展。同時(shí)，筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)外礦井水處理及資源化利用技術(shù)研究現(xiàn)狀，提出了我國(guó)礦井水處理及資源化利用的幾點(diǎn)科學(xué)思考，并據(jù)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(hù)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(wèn)題

(1) 含懸浮物礦井水地面處理占用空間大、礦井水提升費(fèi)用高。現(xiàn)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(guò)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(shí)，當(dāng)井下回用水質(zhì)要求高時(shí)，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(yùn)行成本高，經(jīng)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(zhì)條件及采礦活動(dòng)等綜合因素影響，導(dǎo)致我國(guó)西北部礦區(qū)產(chǎn)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(chǎn)生的濃鹽水處置困難；多級(jí)閃蒸、機(jī)械蒸汽壓縮等工藝產(chǎn)生的固體鹽分雜質(zhì)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(lái)新的挑戰(zhàn)。

(3) 酸性礦井水主要分布在西南地區(qū)，其主動(dòng)處理技術(shù)投資及維護(hù)成本高。受地層年代、巖石性質(zhì)、環(huán)境條件的影響，我國(guó)酸性礦井水礦區(qū)多分布在西南部，在云南與貴州2 個(gè)省份尤為突出。西南部煤礦整體規(guī)模較小、涌水量小，建立廢水處理站利用主動(dòng)處理技術(shù)凈化酸性廢水，初期投資與后期運(yùn)行費(fèi)用高，制約了礦區(qū)水資源保護(hù)利用的發(fā)展。

(4) 礦井水資源利用調(diào)配方案較為粗放。目前礦井水主要利用方向?yàn)樯a(chǎn)、生活及生態(tài)用水。但煤礦區(qū)用水方向眾多，如井下生產(chǎn)、井下除塵、地面綠化、生活雜用，且礦井水在工作面開(kāi)采產(chǎn)生后，經(jīng)過(guò)井下水溝、管路等輸送至水倉(cāng)最終提升至地面的過(guò)程中，水質(zhì)均發(fā)生了一定的變化。而針對(duì)不同用戶對(duì)水質(zhì)的要求進(jìn)行分級(jí)處理，逐步調(diào)配水量的礦井水資源利用調(diào)配模式不夠精細(xì)，限制了礦井水資源的高效利用，嚴(yán)重影響了煤炭資源開(kāi)發(fā)與礦區(qū)水資源利用協(xié)調(diào)發(fā)展。

(5) 礦井水資源從產(chǎn)生到利用的全周期監(jiān)測(cè)體系不完善。礦井水水量、水質(zhì)的監(jiān)測(cè)是其資源化利用的基礎(chǔ)，目前我國(guó)西北部的一些礦區(qū)初步建立了地下水水位、水壓、水溫及水質(zhì)等監(jiān)測(cè)網(wǎng)，但尚未建立礦井水資源從產(chǎn)生到利用的全周期監(jiān)測(cè)體系，無(wú)法滿足精細(xì)化的礦井水資源化利用需求，難以為煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的礦井水分級(jí)分質(zhì)資源化利用提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(6) 礦井水資源智能化管控水平不足。未來(lái)煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展將會(huì)向著數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，礦井水資源管控也將逐步邁入智能化發(fā)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(shè)的背景下，煤炭企業(yè)對(duì)礦井水資源智能管控有強(qiáng)烈的需求。而目前礦井水資源智能化管控技術(shù)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(tái)，導(dǎo)致礦井水資源管控智能化水平不足，造成礦井水資源調(diào)配不充分、利用效率低等問(wèn)題。

4.2 礦井水處理及資源化利用科學(xué)思考

(1) 研發(fā)含懸浮物礦井水井下短流程處理技術(shù)。井下處理將成為今后含懸浮物礦井水處理的重點(diǎn)攻關(guān)方向，縮短處理工藝流程，研發(fā)置于井下的短流程超濾膜直濾技術(shù)，不僅可有效利用井下空間、減少地面征地費(fèi)用、減少礦井水提升費(fèi)用，還有利于實(shí)現(xiàn)礦井水的處理和儲(chǔ)存一體化、智能化控制，可為含懸浮物礦井水處理提供技術(shù)經(jīng)濟(jì)的解決方案。

(2) 研發(fā)高礦化度礦井水大規(guī)模低成本高效處理技術(shù)、濃鹽水深井封存技術(shù)、大容量可再生高氟礦井水吸附材料。現(xiàn)有的高礦化度礦井水處理技術(shù)綜合成本較高，降低投資及運(yùn)行成本將成為未來(lái)重點(diǎn)攻關(guān)的方向。利用雙極膜將結(jié)晶鹽轉(zhuǎn)化為高附加值的氫氧化鈉和硫酸，通過(guò)產(chǎn)能置換實(shí)現(xiàn)節(jié)能脫鹽；也可將高礦化度礦井水預(yù)處理后，長(zhǎng)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(xié)同處理也是解決我國(guó)西北部礦區(qū)礦井水高礦化度高鹽高氟難題的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

(3) 加強(qiáng)酸性礦井水被動(dòng)處理技術(shù)推廣示范。被動(dòng)處理技術(shù)成本低，更適用于分散的污染源。被動(dòng)處理系統(tǒng)僅使用自然可用的能源(例如重力流動(dòng)系統(tǒng)，濕地或地下流動(dòng)生物反應(yīng)器)來(lái)凈化水質(zhì)，后期維護(hù)費(fèi)用也較低。例如，可將被動(dòng)處理技術(shù)中的方法聯(lián)合使用，將人工濕地作為末端處理系統(tǒng)與石灰石過(guò)濾床聯(lián)用，形成基于人工濕地的酸性礦井水處理系統(tǒng)，在處理酸性礦井水的同時(shí)，修復(fù)礦區(qū)周邊的生態(tài)系統(tǒng)。

(4) 研究精細(xì)化的礦井水資源調(diào)配方案。礦井水資源的精細(xì)調(diào)配是提高其利用率的關(guān)鍵之處，有利于將產(chǎn)生的礦井水資源進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃與配置，從而改善區(qū)域生產(chǎn)、生活及生態(tài)用水狀況。通過(guò)研究精細(xì)化的礦井水資源調(diào)配方案，精準(zhǔn)配置滿足區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)、生態(tài)、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(chǎn)生到利用的全周期監(jiān)測(cè)網(wǎng)。摸清礦井水資源總量與水質(zhì)情況，利用精細(xì)化的優(yōu)化配置方法將礦井水合理調(diào)配，才能進(jìn)一步提升礦井水資源化利用效率。通過(guò)建立礦井水資源從產(chǎn)生到利用的全周期監(jiān)測(cè)網(wǎng)，將礦井水的水量、水質(zhì)、利用量和調(diào)配去向等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄，建立礦井水資源化利用數(shù)據(jù)庫(kù)，為礦井水資源化利用統(tǒng)籌規(guī)劃及智能化管控提供數(shù)據(jù)支撐。

(6) 開(kāi)發(fā)礦井水資源智能化管控平臺(tái)。隨著煤礦智能化建設(shè)的提速，加快推進(jìn)礦井水資源管控智能化發(fā)展將是必然趨勢(shì)。利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)新手段，將礦井水資源精細(xì)化調(diào)配方案、全周期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等緊密耦合，構(gòu)建礦井水資源智能化管控平臺(tái)，對(duì)礦井水處理利用全生命周期的動(dòng)態(tài)管控，實(shí)現(xiàn)礦井水資源化利用“一張圖”管理，最終達(dá)到礦井水高效利用的目的，開(kāi)啟礦井水資源數(shù)字化、智能化綜合管控的新格局，解決區(qū)域性水資源失調(diào)問(wèn)題與生態(tài)保護(hù)難題，為礦區(qū)健康、高效、可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

5 結(jié)論

a.通過(guò)分析煤礦區(qū)礦井水水質(zhì)特征及其演化過(guò)程，將礦井水水質(zhì)形成劃分為含水層水?巖作用和采空區(qū)水?巖作用2 個(gè)階段。重點(diǎn)揭示了采空區(qū)水動(dòng)力條件及水文地球化學(xué)條件改變加速巖石中典型離子溶解釋放的水質(zhì)形成機(jī)制，總結(jié)了礦井水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，為礦井水處理及資源化利用提供基礎(chǔ)。

b.采用資料查閱、文獻(xiàn)綜述、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研等方式，系統(tǒng)提煉了國(guó)內(nèi)外4 種典型礦井水處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。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(shù)是未來(lái)礦井水處理的主要發(fā)展趨勢(shì)，闡明了礦井水用于生產(chǎn)、生態(tài)、生活及熱能的4 種主要途徑。

c.基于國(guó)內(nèi)外礦井水處理及資源化利用的綜合分析，今后應(yīng)加強(qiáng)礦井水井下短流程處理技術(shù)、濃鹽水深井封存技術(shù)、大容量可再生高氟礦井水吸附材料、礦井水資源從生產(chǎn)到利用全周期監(jiān)測(cè)及智能化管控平臺(tái)等方面的研究工作，以提升礦井水處理及資源化利用技術(shù)水平，為我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供必要支撐。