鄭州市礦井水資源利用模式研究

閻官法，郭 雷

(河南省科學(xué)院地理研究所，鄭州450052)

0 引言

礦井水是伴隨煤炭開采產(chǎn)生的地下涌水，它本身是一種地下水資源［1-2］。中國(guó)煤炭以井工開采為主，約占整個(gè)煤炭產(chǎn)量的97%，由于含煤地層一般在地下含水層之下，在采煤過(guò)程中，為確保煤礦井下安全生產(chǎn)，必須排出大量礦井涌水。礦井水是一類多元相的復(fù)合型水，包含無(wú)機(jī)、有機(jī)污染物，細(xì)菌污染物和多種有毒有害物質(zhì)及放射性物質(zhì)。與生活污水、工業(yè)污水相比，大多數(shù)礦井水處理較易。將礦井水實(shí)現(xiàn)資源化后，不僅可大大減輕由于礦區(qū)地下水資源的過(guò)度開采而造成的環(huán)境資源破壞，同時(shí)還可緩解地區(qū)水資源短缺問(wèn)題。目前，對(duì)于礦井水的研究主要集中在2個(gè)方面:(1)礦井水處理技術(shù)的提升。針對(duì)不同類型的礦井水，不斷優(yōu)化技術(shù)，以提高技術(shù)的適用性和處理效率，這部分研究占大多數(shù)［3-6］。(2)政策層面的研究。集中在對(duì)礦井水目前利用現(xiàn)狀、存在問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的對(duì)策［7-9］。而針對(duì)區(qū)域、礦區(qū)特點(diǎn)等進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)、分析礦井水開發(fā)利用方向的研究較少。

鄭州市水資源短缺［10］，水資源供需矛盾突出［11］，為有效提高鄭州水資源和水環(huán)境的承載能力，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與人口、資源、環(huán)境的關(guān)系，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，提高水資源利用效率，鄭州市在提高礦井水等非常規(guī)水資源利用方面做了很多工作［12-14］，形成了多種有效的礦井水開發(fā)利用方式。然而，目前對(duì)于這些利用方式缺乏系統(tǒng)的總結(jié)分析。本研究通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、專家座談等方法對(duì)鄭州市礦井水開發(fā)利用情況進(jìn)行了調(diào)查總結(jié)，對(duì)區(qū)域水資源情況、礦區(qū)特點(diǎn)、用水特點(diǎn)等進(jìn)行深入分析，并在此基礎(chǔ)上提出了鄭州市礦井水開發(fā)利用模式，為鄭州市加強(qiáng)礦井水的管理、提高礦井水資源的利用效率提供一定的指導(dǎo)，為其他地區(qū)礦井水利用提供一定的借鑒。

1 研究方法

在鄭州市供水節(jié)水技術(shù)中心的指導(dǎo)下，采用問(wèn)卷調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與座談相結(jié)合的方法。問(wèn)卷內(nèi)容包括2012年全年鄭州轄市、縣、上街區(qū)礦井水資源利用情況，礦山企業(yè)及各個(gè)礦井概況(包括礦區(qū)規(guī)模、年產(chǎn)量、現(xiàn)有儲(chǔ)量、擬規(guī)劃產(chǎn)量、用水量、生活用水量、生產(chǎn)用水量、工業(yè)用水重復(fù)利用率、礦區(qū)周邊環(huán)境等)以及礦井水利用情況(包括礦井水年涌水量及利用量、處理技術(shù)及工藝流程、利用方式、處理成本、現(xiàn)有處理工程的投資額)等。

2 鄭州市礦井水分布情況

鄭州市礦井水主要分布在新密、登封、鞏義、新鄭、滎陽(yáng)。2012年，鄭州市礦井水年產(chǎn)生量約為9 365萬(wàn)m3，煤炭實(shí)際年產(chǎn)量約2 426萬(wàn)t，生產(chǎn)1 t煤炭產(chǎn)生的礦井水量為3.97 m3，其中新密、新鄭、鞏義、登封、滎陽(yáng)生產(chǎn) 1 t煤炭產(chǎn)生的礦井水量分別為 3.20，5.80，7.20，1.90，10.30 m3，新鄭、鞏義、滎陽(yáng)煤礦屬高涌水礦區(qū)(≥3.60 m3/t)。2012年，鄭州市礦井水利用率為45.0%，各地區(qū)礦井水利用發(fā)展不均衡，新密、鞏義礦井水利用率較高，分別達(dá)到了69.1%，61.9%;登封礦井水利用率居中，為43.8%;新鄭、滎陽(yáng)礦井水利用率較低，需要進(jìn)一步加強(qiáng)其礦井水利用。礦井水利用途徑主要集中在廠區(qū)自用方面，如用于井下的消防、降塵以及地面綠化和灑水降塵等。

3 礦井水開發(fā)利用模式

3.1 礦區(qū)高效自用模式

3.1.1 模式內(nèi)容。采煤礦區(qū)普遍缺水，同時(shí)礦井水又大量直接排放，既造成水資源浪費(fèi)，又對(duì)環(huán)境構(gòu)成危害。因此，礦井水利用應(yīng)優(yōu)先考慮礦區(qū)自身的利用。目前礦區(qū)已廣泛開展了礦井水的常規(guī)利用，如用于井下生產(chǎn)、儲(chǔ)煤場(chǎng)及矸石場(chǎng)降塵、洗煤、廠區(qū)灑掃等。近年來(lái)，隨著礦井水深度處理技術(shù)的發(fā)展，礦井水利用途徑得到了拓展，如將礦井水用于礦區(qū)生活、生產(chǎn)礦泉水、水源熱泵等。①用作礦區(qū)生活用水。礦井在掘進(jìn)過(guò)程中往往會(huì)碰到斷層，在斷層處一般有裂隙承壓水涌出。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)后，確定其補(bǔ)給來(lái)源，再?zèng)Q定是否有利用價(jià)值。如果裂隙承壓水未受污染，出水穩(wěn)定，水質(zhì)理化指標(biāo)能夠滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的消毒處理，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后，就可作為生活水源，從而解決礦井缺水的問(wèn)題。在井下裂隙水涌出地，就近建井下水倉(cāng)及水泵硐室，將井下水提升后送入地面儲(chǔ)水池，在水池入口處投加消毒劑，經(jīng)消毒處理后作為礦井的生活用水。或采用無(wú)機(jī)陶瓷膜處理等先進(jìn)深度處理技術(shù)，將礦井水處理后作為生活用水。礦井水應(yīng)用于生活用水較早開始于新密市超化礦，該煤礦于2008年自籌資金900多萬(wàn)元，建設(shè)礦井水綜合利用工程，采用斜板沉淀和無(wú)機(jī)陶瓷膜工藝，對(duì)礦井排水進(jìn)行初級(jí)和深度凈化處理，處理規(guī)模320 m3/h，處理后的出水達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，不僅用于礦區(qū)生產(chǎn)生活，而且制成瓶裝礦泉水，有效緩解了礦區(qū)缺水狀況，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。裴溝礦在超化礦礦井水利用的示范帶動(dòng)下，也建設(shè)了礦井水深度凈化系統(tǒng)，解決了礦區(qū)缺水的問(wèn)題。②用作水源熱泵。煤礦在開采過(guò)程中，井下采空區(qū)以及采煤區(qū)工作面排出的礦井水水溫可達(dá)到19℃，部分達(dá)到30℃左右，一年四季相對(duì)穩(wěn)定，是一種穩(wěn)定的和利用價(jià)值高的熱源。但目前情況下大部分礦井水的熱能隨著礦井水的排放而流失，或者處理過(guò)程中沒(méi)有考慮到能量的提取，造成熱源浪費(fèi)。煤礦的礦井水井下處理后，通過(guò)排水系統(tǒng)排到地面，利用礦井水作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。在夏季時(shí)，熱回收機(jī)組為礦辦公樓和公寓樓提供空調(diào)制冷，冬季則直接通過(guò)水源熱泵提取熱量為辦公樓和職工宿舍供暖。目前水源熱泵技術(shù)在部分規(guī)模較大的礦區(qū)已得到了應(yīng)用，如新密超化礦、新鄭趙家寨煤礦、永城開控水務(wù)等均采用水源熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)廠區(qū)的集中供暖和制冷，節(jié)約了大量能源，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

3.1.2 模式適用范圍。礦井水高效自用模式對(duì)于礦井水水質(zhì)的要求較高，需要采用無(wú)機(jī)陶瓷膜等深度處理設(shè)備才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)要求。因此，該模式適用于年涌水量達(dá)到一定規(guī)模(60萬(wàn)t/a)的資金充足的大中型礦區(qū)。煤礦企業(yè)所處地區(qū)水資源緊張，為滿足礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，將礦井水通過(guò)深度處理技術(shù)作為礦區(qū)生活用水、生產(chǎn)礦泉水、洗浴水源等以實(shí)現(xiàn)高效利用，有條件的礦區(qū)可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化利用，建設(shè)水源熱泵系統(tǒng)。

3.2 作為城市集中供水水源模式

3.2.1 模式內(nèi)容。煤炭資源所在地普遍缺水，為保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需要，必須加強(qiáng)礦井水利用，將礦井水納入城鎮(zhèn)供水水源統(tǒng)籌規(guī)劃，有效緩解區(qū)域水資源短缺約束。①與城市水廠聯(lián)合供水模式。有的煤礦距離城區(qū)較近，而且礦井水抽采量大、水質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)簡(jiǎn)單處理后能夠達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可以考慮將礦井水納入城市供水水源，與水廠聯(lián)合供水。如位于新鄭市的趙家寨煤礦礦井水涌水量為45 000 m3/d，除部分自用外，大部分直接外排。趙家寨煤礦所在的新鄭市辛店鎮(zhèn)為缺水地區(qū)，目前鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)沒(méi)有供水水廠，居民生活用水及企事業(yè)單位用水全部采用自備井。隨著新鄭市及辛店鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，供水范圍不斷擴(kuò)大，用水需求大幅增長(zhǎng)。為解決辛店鎮(zhèn)居民及企事業(yè)單位用水需求，辛店鎮(zhèn)政府在趙家寨煤礦西側(cè)緊臨煤礦廠區(qū)建設(shè)了1座規(guī)模為2萬(wàn)m3/d的凈水廠，水源采用趙家寨煤礦礦井水。該工程的實(shí)施保障了辛店鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求，減少了礦井水的排放，提高了水資源利用效率。②排入城市水源地實(shí)現(xiàn)供水模式。對(duì)于特殊地質(zhì)條件下抽采出的潔凈礦井水，可以將其直接排入城市水源地，作為城市飲用水源的補(bǔ)給水源，實(shí)現(xiàn)資源化利用。如新密市煤礦排水陣地，為解決新密市牛店鎮(zhèn)22家鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦涌水威脅，在王莊礦東改造大巷上部，牛店武村建立排水陣地，將井下水倉(cāng)的礦井水集中抽提到地面。由于抽排的礦井水出水水質(zhì)較好，能夠滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—93)Ⅲ類水質(zhì)要求，為緩解新密市水資源緊缺現(xiàn)狀，新密市將抽排的礦井水通過(guò)管道直接輸送到李灣水庫(kù)作為城市集中供水水源。排水陣地為特殊地質(zhì)條件下集中分布的小煤礦安全生產(chǎn)和礦井水高效利用提供了新思路，具有一定的推廣意義和示范作用。

3.2.2 適用范圍。由于城市供水的特殊性，一方面要求水源穩(wěn)定、水量充足，另一方面要考慮運(yùn)營(yíng)成本。所以，對(duì)于水源比較穩(wěn)定、水質(zhì)比較簡(jiǎn)單而且水量達(dá)到一定規(guī)模(年涌水量在500萬(wàn)t以上)的礦區(qū)，可以考慮用作城市供水水源，與水廠聯(lián)合供水?？紤]到輸水成本，建議臨近礦區(qū)或位于礦區(qū)排水下游的供水廠可就近采用礦井水作為供水水源。對(duì)于特殊地質(zhì)條件下抽采出的潔凈礦井水，可直接為水廠供水，也可引入城市水源地，作為城市水源統(tǒng)一調(diào)配，原則上以全部利用為主。

3.3 與工業(yè)用水大戶連供模式

3.3.1 模式內(nèi)容。結(jié)合河南省產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)建設(shè)，將礦井水利用與集聚區(qū)建設(shè)及重點(diǎn)用水企業(yè)發(fā)展相結(jié)合。根據(jù)用水水質(zhì)要求，采取先進(jìn)適用的處理技術(shù)和利用模式，重點(diǎn)加強(qiáng)礦井水在火電、化工、冶金等領(lǐng)域的應(yīng)用。如位于登封市大冶工業(yè)園區(qū)的華潤(rùn)電力有限公司2×60萬(wàn)kW發(fā)電機(jī)組將周邊煤礦的礦井水作為其重要的生產(chǎn)用水水源，有效減少了工業(yè)企業(yè)發(fā)展對(duì)區(qū)域地下水的消耗。位于永城產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)內(nèi)的永城開控水務(wù)，將永煤集團(tuán)旗下的三大礦區(qū)排水經(jīng)過(guò)管道全部收集起來(lái)，經(jīng)混凝沉淀、無(wú)機(jī)陶瓷膜處理后，全部用于對(duì)面的龍宇化工，每天處理礦井水量7萬(wàn)t，每年實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益3 500萬(wàn)元。

3.3.2 模式適用范圍。礦井水用作工業(yè)用水是目前以及將來(lái)主要的礦井水利用途徑。河南省水資源緊缺的現(xiàn)狀決定了將來(lái)電廠、化工、冶金等高耗水企業(yè)只能通過(guò)再生水或礦井水等非常規(guī)水源來(lái)滿足生產(chǎn)需求。礦井水用作工業(yè)用水，適用范圍較廣。可以將礦井水通過(guò)管道直接引入企業(yè)，由企業(yè)進(jìn)行集中處理，如上街鋁廠將鞏義新中煤礦的礦井水直接引入企業(yè)用作生產(chǎn)用水，登封市華潤(rùn)電廠將周邊煤礦的礦井水作為其重要的生產(chǎn)用水水源。也可以由第三方水務(wù)公司將周邊煤礦的礦井水進(jìn)行集中處理后用作集聚區(qū)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用水，如河南開控水務(wù)，這種模式較適用于同一煤炭集團(tuán)下邊集中分布的幾個(gè)礦區(qū)。

4 結(jié)論及政策建議

4.1 結(jié)論

鄭州市礦井水主要分布在新密、登封、鞏義、新鄭、滎陽(yáng)，礦井水利用發(fā)展不均衡，新密、鞏義礦井水利用率較高，登封礦井水利用率居中，新鄭、滎陽(yáng)礦井水利用率較低。礦井水開發(fā)利用模式主要有3類:(1)礦區(qū)高效自用模式。包括用作礦區(qū)生活用水以及用作水源熱泵，適用于年涌水量達(dá)到一定規(guī)模的大中型礦區(qū)，礦井水通過(guò)深度處理技術(shù)可以作為礦區(qū)生活、生產(chǎn)用水等實(shí)現(xiàn)高效利用，有條件的礦區(qū)可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化利用，建設(shè)水源熱泵系統(tǒng)。(2)作為城市集中供水水源模式。包括與城市水廠聯(lián)合供水以及排入城市水源地實(shí)現(xiàn)供水，適用于水源比較穩(wěn)定、水質(zhì)比較簡(jiǎn)單而且涌水量達(dá)到一定規(guī)模的礦區(qū)，且供水廠臨近礦區(qū)或位于礦區(qū)排水下游。特殊地質(zhì)條件下抽采出的潔凈礦井水，可以直接為水廠供水，也可以引入城市水源地，作為城市水源統(tǒng)一調(diào)配。(3)與工業(yè)用水大戶連供模式。模式適用范圍較廣，可以將礦井水通過(guò)管道直接引入企業(yè)，由企業(yè)進(jìn)行集中處理，或者由第三方水務(wù)公司將周邊煤礦的礦井水進(jìn)行集中處理后用作集聚區(qū)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用水。

4.2 政策建議

(1)制定礦井疏干排水利用專項(xiàng)規(guī)劃。通過(guò)規(guī)劃確定礦區(qū)礦井涌水總量控制指標(biāo)和礦井疏干排水利用指標(biāo)以及水功能區(qū)納污能力指標(biāo)的核定，建立礦井涌水、礦井疏干排水利用及排放管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。在規(guī)劃時(shí)要注意根據(jù)再生水水源的水質(zhì)、水量要求和輸配水方式，合理確定礦井疏干排水再生利用的規(guī)模、用水途徑、布局和建設(shè)方式［10，15］。

(2)加強(qiáng)水資源費(fèi)的征收使用與管理。目前，鄭州市煤礦企業(yè)若利用礦井水，就得交納水資源費(fèi)，但是若直接排放，卻不必繳納費(fèi)用，降低了煤礦企業(yè)利用礦井水的積極性。因此，要認(rèn)真實(shí)施國(guó)家和河南省的水資源費(fèi)征收管理辦法，加強(qiáng)水資源費(fèi)的征收管理，對(duì)礦井水再利用的企業(yè)給予水資源費(fèi)減免。一是加強(qiáng)礦井涌水、礦井疏干排水利用水量的計(jì)量管理，堅(jiān)決杜絕無(wú)計(jì)量收費(fèi)、協(xié)議收費(fèi)等情況的發(fā)生。二是嚴(yán)格執(zhí)行按月計(jì)量、按月征收的規(guī)定，繼續(xù)做好水資源費(fèi)征收月報(bào)制度。三是加強(qiáng)征收使用管理。確保水資源費(fèi)足額征收，杜絕挪用，保證征收的水資源費(fèi)全部用于水資源節(jié)約、保護(hù)和管理。四是對(duì)疏干排水再利用礦井水資源的企業(yè)可按標(biāo)準(zhǔn)從低征收水資源費(fèi)。

(3)拓寬融資渠道，加大資金投入。礦井水資源化利用建設(shè)資金以企業(yè)為主體，納入規(guī)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目，國(guó)家給予優(yōu)先支持，同時(shí)積極采取市場(chǎng)化運(yùn)作方式，開拓融資渠道，鼓勵(lì)社會(huì)各界投資礦井水利用工程，促進(jìn)礦井水利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

(4)動(dòng)員各方力量，加強(qiáng)協(xié)作配合。充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會(huì)等中介機(jī)構(gòu)的作用，建立礦井水利用技術(shù)交流服務(wù)平臺(tái)，加強(qiáng)技術(shù)指導(dǎo)、信息服務(wù)和經(jīng)驗(yàn)交流，及時(shí)總結(jié)和推廣礦井水利用先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，提供礦井水利用技術(shù)支持，促進(jìn)礦井水利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)裝備升級(jí)。各地有關(guān)部門要大力支持礦井水外供，減少地表和地下取水，其中協(xié)調(diào)對(duì)外供水并網(wǎng)、入網(wǎng)和支持管網(wǎng)投融資是最重要的環(huán)節(jié)。

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