山西采煤涌水和煤层气抽取排水处理对策研究*

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

山西省地处华北地区西部，总面积为156271km2，其中黄河流域97138 km2，占全省总面积的62.2%；海河流域面积为59133 km2，占全省总面积的37.8%。山西省煤炭资源分布广、储量大，含煤面积6.2万km2，2000m以浅煤炭预测资源储量6652亿t，探明保有资源储量2674.3亿t，约占全国的1/4，2015年全省煤矿生产能力14.6亿t/a，其中实际产量9.75亿t。煤层气资源总量83097.86亿m3，约占全国煤层气资源总量的1/3，2015年地面煤层气抽采量41.77亿m3，煤矿井下瓦斯抽采量60.2亿m3，分别占全国的96.07%和41.65%。煤矿开采和煤层气的抽取，对受益区的经济具有非常重要的贡献作用，但也造成了不可忽略的负面影响，特别对相关区域的水生态环境造成严重的影响和破坏，主要表现为水资源量的减少和水质的污染。

山西省水资源较少，全省60%的地区缺少灌溉水源及饮用水源。多年来，煤炭开采产生的矿井水利用率不高。污染过的矿井水若不经处理直接排放，不仅会造成水资源的大量浪费，也会对区域水生态环境造成不利影响。为消减矿井水及煤气层排水对水环境的负荷，将该资源开发成可利用的资源已成为国内外学者研究的热点问题，取得了许多理论及实践成果。国外对矿井水的利用研究较早，美国对矿井水的利用率已达81%，俄罗斯更是高达90%[1]。一部分矿井水经处理后进行了达标排放，另一部分主要用于煤矿的生产和生活用水[2]。与国外的研究相比，我国对该资源的处理及回用的研究起步较晚[3]，对矿井水的利用率还很低，平均仅为22%。但部分区域矿井水利用技术也有较大的提高，如山西晋城、阳泉等地，对矿井水的利用已达到70%左右，平顶山矿务局的利用率也已达70%以上[4]。

随着对水资源的需求越来越多且人们对环境保护意识的不断提高，矿井水的资源化利用将成为未来很长一段时间的研究重点之一。因此，本文通过详细的调查研究，以山西省采煤矿井水及煤层排水为例，对矿井水的综合利用提出科学合理的对策，对于保障区域生活、生产和生态用水需求，加强水资源的合理配置、全面节约和有效保护，促进水生态文明建设和经济社会的可持续发展具有十分重要的意义。

1 采煤矿井水成因和煤层气排水原因

山西省煤(气)层主要赋存在山西组和太原组地层中，煤(气)层、含水层、隔水层均为交互相沉积，煤(气)层夹于含水层中，其顶底板均有含水层和隔水层，所以煤(气)层开采时，在采区范围内，含水层会受到影响，地下水天然条件下的补、径、排关系也会发生变化。

1.1 采煤矿井涌水成因

山西省自北向南分布有大同、宁武、西山、河东、沁水、霍西6大煤田和浑源、繁峙、五台、垣曲、平陆5个煤产地，煤系含水层中地下水的补给、径流、排泄关系，在煤矿开采前后各有不同，在采区范围内会发生变化。

矿井水是指在矿产资源开采过程中从岩层中涌出的水[5]。当一个煤层开采后，其上部岩层移动时，如果裂隙带达到地表，就会使地表水与井下连通。如果裂隙带达不到地表，但达到了煤系地层中某一含水层，就会使该含水层破坏，改变其径流特征，使含水层中的水漏入井下，形成矿井水。矿井水本来是清洁的水，但由于生产污染，矿井水变得色泽浑浊、悬浮物含量高、沉积物量大，如果未经处理排放则会对河流造成严重的污染。

1.2 煤层气抽取排水原因

山西煤层气主要分布在沁水聚气盆地和河东聚气盆地，地下水的强径流带煤层气含量低，缓流带或滞流区煤层含气量高，因此一般在地下水缓流带或滞留区抽取[6]。煤层气地面抽取先决条件是降压解吸，煤层气开采工艺主要为排水—降压—采气，因此在抽取煤层气过程中会排出大量的地下水，造成地下水的极大浪费，另外煤层气富集的含水层属于地下水滞留区，水质本底污染加上添加化学材料，水质极差。

2 煤矿开采矿井水和煤层气抽取排水的水量水质现状

山西省6大煤田和2大煤层气富集盆地，由于不同产地的煤层地质、水文地质等基本条件不同，其开采产生的矿井涌水和抽取煤层气产生的排水的水量和水质也有差异。

2.1 煤矿开采现状矿井水涌水量和煤层气排水量

2015年山西省煤矿生产总量9.75亿t，矿井涌水量40200万m3。煤矿自身回用矿井水水量14859m3，吨煤矿坑水回用量0.15m3/t，煤矿之外利用矿井水水量8722万m3，矿坑水总回用率58.66%，山西省现状煤矿开采矿井水回用率不高，仍有继续回收利用的潜力[7]。

2015年全省地面煤层气抽采量417700万m3，全省地面抽取煤层气年排水量约为17125.7万m3，平均单位产气排水量为0.041m3/m3。

2.2 煤矿开采矿井水水质和煤层气抽取排水水质

山西煤矿排出的矿井水按其水质可分为4类：洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水和酸性矿井水。山西省矿井水监测结果表明，矿化度由北到南由大变小，补给区小于径流区，山区小于平原区。按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)进行评价，山西省煤矿排放的矿井水大部分已被污染，矿井水中的主要污染物SS(悬浮物)和矿化度严重超标，其超标率自北向南由大到小，呈有规律的变化。

山西省煤层气开采煤层属深埋藏煤层，煤层含水层水质较差，属原生污染严重的地下水含水层。煤层气井排出水水质指标中氟化物超标情况最为突出，其次为氨氮、亚硝酸盐、氯化物、溶解性总固体等。

3 煤矿矿井水和煤层气排水回用及处理方面存在的问题

山西煤矿开采分露天开采和井工开采(带压开采和不带压开采)，山西在保德和晋城等局部地区有大量的煤层气开采。煤矿矿井水回收利用方面的问题主要表现为：排水利用率不高，水质处理不达标排放造成污染等；煤层气抽取排水存在着不经处理直接排放污染地表、地下水体的问题；另外有一些闭坑后酸度极高的“老窑水”不断渗出，污染地表、地下水体。

3.1 露天煤矿开采排水存在的问题

在山西朔州有大量的露天煤矿开采，开采过程中煤层以上覆盖层全部剥离，地表水和孔隙水均不复存在；二叠系下石盒子组、石炭系山西组、石炭系太原组砂岩裂隙水随着采煤深度的增加而增加，采取周边裂隙水以泉水的形式排泄至采区后逐步疏干；煤层高程高于奥陶岩溶水水位，则不触及岩溶含水层，但是若有构造带存在，则对岩溶含水层也会有相应影响。

露天煤矿产生的矿坑水除生产利用外，其余全部提水到地面收集池，经简单处理后排入河道，造成河流或地下水污染。

3.2 井工煤矿开采矿井水存在的问题

采煤形成一定规模的采空区后，上覆岩层应力平衡状态被打破，导通了所达到的上覆各含水层，就会形成地下水导水通道，在地下水采煤影响范围内，导水裂隙带导通的各含水层地下水漏入井下，形成矿井水；当采煤深度位于岩溶地下水位之下带压开采时，底板有效隔水层厚度小于破坏厚度时，如果地下水位高于煤层底板，则会发生矿井突水，不仅威胁安全生产，且造成水资源破坏，形成大量的疏降排水。

山西井工采煤的矿井水首先用于井下生产用水，但全省平均自身吨煤矿坑水回用量仅0.15m3/t，可以推测生产用水存在新鲜水代替矿坑水的现象(山西省煤矿生产用水定额为0.25m3/t)，另外存在多余矿坑水不达标排放的现象。

3.3 煤矿停采后“老窑水”存在的问题

煤矿停产闭坑后，循环于地下含水层与煤矿坑道系统中的“老窑水”蓄积于采空区，随着压力的加大，会逐渐在部分区域出露，流入河流或者深入地下含水层。例如：作为全国重要饮用水水源地的娘子关泉水，其总硬度和硫酸根超标现象越来越严重，就是由于大量“老窑水”涌出地表并进入下游碳酸盐岩区后渗漏污染所致。

“老窑水”的污染问题是难以控制、难以治理的极大难题。

3.4 煤层气开采排水存在的问题

煤层气开采井分羽状分布、丛式分布等，随着开采进程的推进，产生的排水包括：在钻井过程中打穿了煤层以上所有含水层，造成下游的小泉、小水流量减少，乃至干枯；固井过程中含水层止水材料和工艺的不规范造成浅层地下水不断向下漏失；采气过程中提前抽排原煤裂隙中的水，造成煤层以上地下水下渗量增大等。

煤层气开采过程中的钻井施工废水、添加一定含量的氯化钾等化学添加剂的压裂水、煤层气开采井排出的地下水等，若不加以处理回用或回灌，将对周边地表河流和地下含水层造成不利影响。

4 山西采煤矿井水资源化和煤层气排水处理对策

4.1 2020年煤矿生产及矿井排水量预测

2020年，全省煤炭设计规模维持在12.3亿t，产量预计10亿t左右，矿井水排放量预计达到41201m3/a，全省矿井水处理后利用率应达到70%以上，山西省2020年各市矿井排水量、利用量及回用率见下表。通过多种措施增加矿坑水的回用量，2020年能回用矿井水28862万m3，从而减少相应数量自来水的使用，达到节水减污效果。

山西省“十三五”期间，建设沁水、河东2大煤层气基地，推进河曲-保德、临县-兴县、三交-柳林、永和-大宁-吉县、沁南-沁北、三交-柳林等6个煤层气片区勘探开发，到2020年，全省煤层气总产能力争达到400亿m3，按现状平均单位产气排水量为0.041m3/m3，抽取煤层气排水将达到164002万m3，若不采取妥善的处理措施，其影响程度将高于煤矿开采对水生态环境造成的破坏，因此必须高度重视对煤层气抽取产生排水的处理问题。

山西省2020年各市矿井排水量、利用量及回用率

4.2 矿井水资源化和煤层气抽取排水处理对策

煤矿开采产生的矿井水首先回用于煤矿本身，多余矿井水可经过不同方式的处理后利用于煤矿外企业工艺、农业灌溉、河湖景观生态用水和生活用水等[8]，若仍有多余并且水功能区允许设排污口，则根据《山西省节约用水条例》要求，达到地表水Ⅲ类标准排放。

煤层气抽取产生的排水必须处理后回灌地下同一含水层，若有多余也根据《山西省节约用水条例》要求，达到地表水Ⅲ类标准排放。

4.2.1 露天煤矿矿井水利用处理对策

对于露天煤矿，开采过程中，剥离的含水层设置排水收集池，首先用于开采工作层生产用水，若有多余排水，集中提水到地面，经过蓄水池收集和处理后，应按接纳河道水功能区的要求，遵照《山西省节约用水条例》，达到地表水Ⅲ类水方可排放。

4.2.2 井工煤矿矿井水

不同煤矿矿井水水质和排放量差异较大，回用措施应采用因地制宜、分类实施。优先保证矿区内用水，尤其要做到先井下后井上，先矿内后矿外，先生产后生活。

a.矿区内综合利用。首先用于矿井开采及原煤洗选用水。矿井开采包括开拓、掘进、采煤、转载、煤壁注水和个别煤矿的黄泥灌浆等多项用水，这些生产用水对水质没有什么特殊要求，只需经简单的物理处理后即可利用。但对于煤炭企业压风机、综采机、钻机等动力机械及辅助设备间接冷却用水，应严格控制回用水水质，以防止因腐蚀而造成的设备损坏。

矿井水若有富余，可用于矿区公共生活用水，比如冲洗车辆、绿化、消防和矿井生活杂用水，根据水质要求不同进行不同方式的处理，采用“中水道”分质供水。

b.矿区附近企业用水。多余矿井水，可供给矿区附近企业的生产用水，比如焦化厂、建材厂等，不同用水户对水质的要求不同，进行相应不同深度的处理水质达标后利用，取用矿井水企业根据本企业的供排水状况，联通附近煤矿企业矿井水供水管道，兴建备用供水系统。

c.矿井水用于景观和农业用水。矿井水可作为农业灌溉、林牧渔业的供水水源，充分利用废旧矿井回灌和储存矿井水，通过蓄水池调蓄矿井水，经过适当处理后用于灌溉。

晋城市实施的典型模式“一矿一池一园区”，成为全国节水型社会试点建设的一大亮点。

d.矿井水用于改善生态环境。煤矿废水可供河道外生态景观用水，在矿坑口建封闭式调节水池，将存水输送到周边旅游景点，可作为花园灌溉用水、冲洗车辆、道路喷洒或消防用水等，改善旅游景点的生态环境。

e.优良水质的矿井水用于生活用水。 对于部分矿井，洁净矿井水大多是从煤系中石灰岩或煤系下伏奥陶系石灰岩中涌出的水，水质一般较好，只要在井下实行清浊分流，不与含煤岩粉的浊水混合，在源头妥善截流，通过井下单独布设的排水管道将其排出，经处理后可作为生活饮用水。

4.2.3 煤层气开采排水处理

优化布井，避开构造带、河流、水源地和泉域重点保护区，固井返浆至孔口，钻井泥浆采用无毒无害材料，抽气前的排水必须经收集处理后回灌到含水层，钻井压裂用水等生产废水处理后回用。

4.2.4 闭坑后“老窑水”处理对策

4.2.5 煤矿开采矿坑水资源化和煤层气抽取排水处理的其他措施

a.煤矿开采和天然气抽取须遵守相关法律、法规和标准。遵守《中华人民共和国水法》《中华人民共和国水污染防治法》《水污染防治行动计划》《取水许可和水资源费征收和管理条例》《建设项目水资源论证管理办法》《山西省水资源管理条例》《山西省节约用水条例》《山西省泉域水资源保护条例》等。

b.对煤矿开采和煤层气抽取，依据《采矿业水资源论证导则》进行水资源论证，严格履行取水许可手续。取水量在区域最严格水资源管理“三条红线”总量控制范围内，符合区域水资源优化配置原则，生产取水首先取自煤矿自身的矿井水，补充生产取水优先使用非传统水源和地表水，实施关井压采行动，取水指标符合《山西省用水定额》。若煤矿自身和外界回用后，仍有多余矿井水排放，应根据水功能区的划分要求履行设排污口手续，并依据《山西省节约用水条例》达到地表水Ⅲ类标准方可排放，工业场地生产废水和生活污水必须处理后回用，不得外排。

c.开展煤矿开采及煤层气抽取对岩溶大泉、重要饮用水水源地和重点河流的环境影响评价工作，以避免不当开采而破坏含水层，造成水资源的大量漏失和水环境污染。泉域重点保护区禁止煤矿开采，重要饮用水水源地、水利工程和河流，按其保护有关规定留设保安煤柱，不能越界开采。对于带压开采的煤矿，突水系数大于0.1MPa/s的区域禁止开采，突水系数0.06～0.1MPa/s的区域暂缓开采，探明构造再决定是否开采。带压开采禁止疏水降压，无压开采禁止利用渗坑渗井向下回灌污染后未经处理的矿坑水。

d.严格采煤和抽取煤层气工艺各环节取水和排水的计量，并按计量上缴水资源税。根据山西省人民政府印发的《山西省水资源税改革试点实施办法》规定，煤矿开采水资源税根据疏干排水量征收，若没有排水计量，则按吨产品排水2.48m3折算排水量征收水资源税。

e.采煤企业和煤层气抽取企业建设一定容量的取水调蓄池和取水水质处理设施，以保障稳定的、水质符合要求的生活、生产供水。建设一定容量的废污水处理设施，工业场地的生活污水和生产废水必须处理后全部回用，建设事故污废水收集池，并制定突水和水污染事件应急预案。煤矿开采和煤层气抽取过程中，接受当地水资源及环境部门监督。

f.树立全民节水意识，实施计划用水，履行考核制度。加强节约用水补偿奖励制度研究，加强采煤矿井水资源化课题的进一步研究，加强煤层气抽取排水处理对策课题的深入研究，加强煤矿闭坑后“老窑水”处理对策的研究，积极实施矿坑水资源化和煤层气抽取排水处理先进技术和典型经验的示范推广工作。

5 结 语

山西省是国内煤炭和煤层气生产的大省之一，采煤和抽取煤层气形成了大量的排水，存在矿井水利用率不高和造成河湖及地下水水体污染的现状问题。文中对矿井水用于矿井本身、矿井外企业、农业灌溉、生态用水和生活用水等方面的对策进行了分析研究，同时明确多余矿井水和抽取煤层气的排水按水功能区要求，依照《山西省节约用水条例》达到地表水Ⅲ类标准方可排放。该研究提出的对策，可为煤矿开采及煤层气抽取过程中对水资源的保护与利用提供科学依据，对于推动水资源节约和水生态文明建设具有积极的作用。