王 皓，董书宁，尚宏波,3，王甜甜，杨 建，赵春虎，张 全，周振方，刘 基，侯 悦
(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；
2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；
3.煤炭科学研究总院，北京 100013)
煤炭资源是人类生活和生产的重要能源基础和化工原料，全球煤炭资源储量大、分布广、产量高[1]，2021 年全球原煤产量高达78.89 亿t。但是煤炭资源开采产生大量矿井水，据统计，在荷兰[2]、中国每采1 t煤约产生2 t 矿井水[3]；
在英国每采1 t 煤约产生3 t 矿井水[4]，依此推算全球每年将产生百万亿吨矿井水。但受自然水−岩作用与人类采掘活动的双重影响，矿井水中含有悬浮物、盐分、特殊组分等污染物[5]，直接无序排放将诱发水资源浪费、水环境污染、地表生态破坏等诸多问题。因此，将矿井水资源化处理，用于生产、生活、生态等十分重要。
煤炭资源是我国的主体能源，2021 年中国原煤产量40.7 亿t，且受我国“富煤、贫油、少气”资源禀赋条件影响，煤炭将是短期内不可替代的稳定主体能源[6]。我国西部煤炭资源丰富，但水资源匮乏，西部煤炭资源占全国总量的70%，水资源仅占全国总量的4.6%。我国西南部水资源丰富，但矿井水污染严重，直接排放将污染干净水系，为此国家相继颁发一系列政策法规加强矿井水资源保护与利用。2015 年4 月，国务院在《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)中指出推进矿井水综合利用，煤炭矿区的补充用水、周边地区生产和生态用水应优先使用矿井水，加强选煤废水循环利用[7]。2019 年习近平总书记先后6 次考察黄河流域生态环境治理现状，2021 年国务院颁布了《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》，五部门联合发布《关于印发黄河流域水资源节约集约利用实施方案的通知》，要求把水资源作为最大的刚性约束，实施最严格的水资源保护利用制度，并优先使用矿井水。因此，提升矿井水处理技术，提高矿井水的利用率，将为我国矿区高质量发展提供有力保障。
随着国家对矿井水资源的高度重视，近年来，国内大量矿井水处理技术不断涌现，矿井水利用迅速发展，但矿井水综合利用率仍偏低，尚未达到行业发展的预期目标[8]。发达国家如美国、英国等矿井水处理及利用发展时间更长、更成熟，在理念、技术及管理模式上有一些宝贵经验值得借鉴。因此，笔者总结国内外矿井水水质特征、深入研究水质形成机制，综述与之适应的处理技术及利用现状，提出未来的发展趋势，为我国矿井水资源综合利用及煤炭绿色开采提供科学支撑。
掌握矿井水水质特征是实现其资源化的基础，矿井水水化学特征可直接反映矿井水水质状况，而水质演化过程及形成机制可间接反映未来水质变化趋势。基于水质特征及其演化过程对不同开采阶段的矿井水水质进行精准评价，对矿井水处理与利用均具有重要意义。
在采煤过程中，掘进巷道或开采煤层附近的地下水或地表水经导水裂隙渗入或涌入巷道形成矿井水[3]。矿井水主要来源于地表水或地下水，但受水文地质条件、水动力条件、矿床构造条件、采煤方式[9]及人类活动等综合因素影响，具备显著的煤炭行业特征[10]。根据水质特征及污染组分类型，矿井水划分为洁净矿井水、常规组分矿井水、酸性矿井水、高悬浮物矿井水、高矿化度矿井水及含特殊组分矿井水6 种类型[11]。
洁净矿井水一般不含煤岩粉及其他污染物，水质较好[12]。常规组分矿井水包括Ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋、Cl－、等常规离子，且离子浓度均低于环境质量阈值[13]。酸性矿井水pH 小于6，常含有硫酸盐、重金属等污染物[14]。高悬浮物矿井水pH 一般呈中性，矿化度较低，但煤岩粉细小微粒占比很高，地下开采煤矿高悬浮物矿井水较为常见，约占煤矿总排水量的60%[15]。高矿化度矿井水一般呈弱碱性或碱性，矿化度或TDS(Total Dissolved Solids，总溶解性固体)大于1 000 mg/L[16]。含特殊组分矿井水根据特殊组分对人类及环境的影响又可划分为有益组分矿井水及有害组分矿井水，其中有益组分包括锶、硒等元素；
有害组分包括氟、重金属元素汞、铬、铅、砷等及放射性元素镭、铀、钍、氡等[17]，高氟矿井水氟离子质量浓度大于1.0 mg/L，与高矿化度矿井水类似，其水质一般呈弱碱性或碱性[18]。
矿井水水质的形成过程及演化机制十分复杂，总体受自然因素与人类活动共同控制。自然因素主要包括外界气候、煤岩矿物组分、水文地球化学环境、矿区水文地质结构等[19]。受干旱–半干旱气候及季节性降水的影响，我国西北部矿区(新疆、宁夏、甘肃、陕西、内蒙古)地表水及浅层地下水矿化度较高，导致矿井水矿化度较高。例如，宁夏鸳鸯湖矿区，矿井水矿化度高达15 000 mg/L[16]。不同岩层复杂的矿物成分对矿井水水质特征具有重要的影响，煤岩中常见的矿物包括硅酸盐矿物(如石英、长石、云母)、碳酸盐矿物(如方解石、白云石)、硫化矿物(如黄铁矿、闪锌矿)[20]，在长期的水–岩相互作用中，矿物溶解进入地下水，地下水富含煤岩中的某些组分，包括K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、、Fe2＋、Mn2＋、As5＋等。在不同矿区，地下水的温度、酸碱度、氧化还原电位等水文地球化学环境差异较大，控制水–岩相互作用过程，影响地下水的水质特征。受岩石中黄铁矿沉积及水文地球化学环境的影响，我国西南矿区(云南、贵州)多为酸性矿井水，pH 较低，含量较高，且含有Fe2＋、Zn2+、Mn2＋、As5+等重金属离子。此外，矿区水文地质结构的不同，直接影响矿井水水量的大小及地下水水化学背景，从而影响矿井水的水质特征。
人类活动主要指采煤活动，采煤扰动一方面破坏煤层顶板形成导水裂隙带，改变原含水层水–岩相互作用，影响矿井水水质；
另一方面扰动后形成采空区，矿井水与采空区岩石发生二次水–岩作用，促进岩石中离子化合物的溶解，改变矿井水水质特征[21]。
综合自然因素及人类活动对矿井水水质特征形成作用的控制，将矿井水水质形成划分为2 个阶段[22]，概念模型如图1 所示。第一个阶段，含水层水–岩作用阶段。煤层覆岩导水裂隙带形成，沟通不同含水层，改变了地下水的天然循环状态。与此同时，原生的水文地球化学环境也发生了改变，控制地下水与岩石之间的相互作用，改变地下水的水质特征，进而影响矿井水的水质特征。这个阶段的矿井水主要来源于顶板水，具有明显的原生含水层水质特征。第二个阶段，采空区水–岩作用阶段。采煤扰动后，破碎的岩石堆积形成采空区，矿井水与采空区岩石发生二次充分水–岩作用。此外，采空区中矿井水的水动力条件及水化学条件均发生变化，促进了岩石中典型离子的溶解。煤矿闭坑前，采空区矿井水中的离子浓度大于新生矿井水。
图1 矿井水水质特征形成概念模型Fig.1 Conceptual model of mine water quality characteristic formation
受多种因素影响，不同开采阶段的矿井水水质特征差异较大，酸性矿井水、高矿化度及高氟矿井水的成因机制有待深入研究。此外，对矿井水水质进行精准评价，是处理与利用前重要的环节。目前，国内外常用的矿井水水质评价方法包括单一的标准比对法、内梅罗指数法[23]、层次分析法[24]、BP 神经网络法[25]、模糊综合评价法[26]等。这些评价方法均促进了矿井水水质评价的发展，但均侧重于对矿井水现状水质的评价，对全生命周期的矿井水水质评价是未来研究的重点与趋势。
2.1 含悬浮物矿井水
含悬浮物矿井水中的悬浮物主要来源于煤巷掘进及煤炭开采过程中的岩粒、岩粉、煤粒、煤粉等微粒。这些微小颗粒使矿井水的感官性变差，且悬浮物粒径小、密度小，难以沉降。因此，悬浮物的去除是所有矿井水处理必须面临的一个重要问题。国内外常用的悬浮物去除工艺包括混凝沉淀过滤、超磁分离及高效旋流技术。
混凝沉淀过滤技术，即将悬浮物含量较高的矿井水提升到地面调节池，经预沉处理、混凝、沉淀、过滤等工序后(图2)，出水水质满足环境排放、工业生产或日常生活用水要求[11]。
图2 悬浮物处理工艺流程Fig.2 Process flow chart of suspended solids treatment
超磁分离技术原理是在磁粉体材料和絮凝剂(磁种)的共同作用下，使水体中的悬浮物与磁种凝聚在一起，形成具有一定磁性的絮体，再利用永磁材料所产生的高强磁场力的作用将磁性絮团快速分离[27]。该技术的核心是磁微粉的选择、超磁分离和磁种回收设备的选择。采用超磁分离技术处理矿井水效率高，设备运行稳定，管理简单。
目前，高效旋流技术是一种新型的悬浮物处理技术[28]，该技术利用旋流混合、常压旋流、二次旋流离心分离、湍流颗粒污泥层过滤、流动过滤原理，将污水净化的混凝反应、离心、泥浆层过滤、动态过滤、污泥浓缩等处理技术有机结合在一起，在同一罐中短时间内(15～20 min)，使水中悬浮物在离心作用下与污水分离，从而实现净化(图3a)。悬浮物颗粒沉积在下端泥斗，通过排泥管道将污泥排放至污泥池。
高效旋流净化工艺流程如图3b 所示，高效旋流净化代替了传统的混凝沉淀+过滤单元，与常规的水处理工艺相比，该工艺利用旋流分离可大幅度预沉悬浮物，扩大了矿井水悬浮物浓度的适用范围。而且，该技术及装备适应性强、出水水质稳定，弥补了常规工艺处理成本高的缺点，将成为今后新颖而主流的悬浮物去除工艺。
图3 高效旋流净化器及工艺流程Fig.3 High efficiency cyclone purification process flow and section diagram of purifier
2.2 高矿化度矿井水
高盐矿井水一般是指含盐量(也称矿化度)大于1 000 mg/L 的矿井水。此类矿井水水质多数呈碱性或弱碱性，矿化度一般介于1～3 g/L，少数达4 g/L，最高可达40 g/L[21]。该类矿井水多分布于我国西北部矿区如新疆、宁夏、内蒙古、陕西(北部)、山西[29]。根据主要离子类型，高矿化度矿井水又可分为高硫酸盐型、高硬度型、高氯化物型和混合型。国内外将高矿化度水处理技术按照原理可分为化学法、热力法及膜分离法3 种。
化学法主要通过化学反应去除矿井水中的盐分，包括药剂法和离子交换法等，其中药剂法常利用石灰石软化高硬度型矿井水[30]；
而离子交换法利用固体交换剂交换混合型矿井水中的Ca2+、Mg2+、Cl−等。当矿化度大于500 mg/L 时，该方法成本较高。
热力法利用热力源作为动力迫使水盐分离，从而达到脱盐目的，适用于矿化度大于3 000 mg/L 的矿井水[31]。由于大量耗能，在具备蒸汽热源条件的项目中应用广泛。蒸馏是热力法中脱盐淡化的有效方法，目前现场应用较多的有多级闪蒸(MSF)和机械蒸汽压缩蒸发(MVR)。这2 种技术预处理成本低、脱盐效率高，缺点为运行过程中装置易结垢、易腐蚀，且蒸馏设备前期投入高，运行能耗大。
膜分离技术主要是在原水侧施加压力使高盐矿井水透过分离膜，去除水体中的无机离子[32]。根据压力和孔径的不同，膜技术细分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)4 种类型[33]。微滤与超滤属于低压驱动膜，纳滤与反渗透属于高压驱动膜，4 种压力驱动膜的主要特点如图4 所示。按照膜的构型不同又可以分为平板型、管式、卷式以及中空纤维式膜。其中卷式反渗透膜和纳滤膜广泛应用于高矿化度矿井水零排放工艺，一方面利用反渗透的高效脱盐性能尽可能降低水中含盐量，另一方面利用纳滤的选型性、分盐性能将硫酸钠和氯化钠分离，以便提高蒸发结晶工艺产出的结晶盐纯度。
图4 压力驱动膜工艺及其特点Fig.4 Overview of pressure-driven membrane processes and their characteristics
随着矿井水零排放工艺的不断推广，新工艺和新技术也在不断发展，其中双极膜和膜蒸馏技术是深度处理技术的研究热门。双极膜技术可以将低附加值的盐转化为高附加值的酸碱，具有工艺链的价值延伸特征，但针对双极膜特点及杂盐水化学成分，需要提出双极膜系统进水预处理解决方案，另外需要落实酸碱的应用场景[34]；
此外，膜蒸馏是以疏水膜两侧蒸汽压力差为驱动力的分离技术，具有脱盐率高、成本低、操作简单等特点[35]，可以将膜蒸馏工艺与地热能以及太阳能开发相结合，形成基于双碳目标的新能源–膜蒸馏技术，从而减少对常规能源的依赖，实现节能脱盐[36]。现有膜蒸馏技术需要攻克温差极化、能量损耗以及膜污染等问题，值得注意的是，高矿化度煤矿疏放水属于清水，基于清污分流的洁净高矿化度疏放水在膜蒸馏过程中会避免膜污染问题，更易推广应用。
2.3 酸性矿井水
酸性矿井水是指pH 小于6 的矿井水，主要由于硫化矿物的氧化作用引起。采煤过程中，还原环境转变为氧化环境，与煤共生伴生的硫化矿物如黄铁矿在氧气、水和微生物的共同作用下，发生氧化反应产生低pH、高硫酸盐、含重金属的矿井水。酸性矿井水在全球(如印度、加拿大、巴西、南非、美国)广泛分布，且对周边环境污染明显。在美国，酸性矿井水污染超过20 000 km 的河流。在我国，酸性矿井水主要集中在云贵煤炭基地，如贵州毕节和凯里矿区。因此，酸性矿井水的污染与治理备受国内外学者关注。
根据是否依靠设备(如搅拌机、抽滤泵、存储罐等)及持续的人工维护，酸性矿井水处理技术可分为主动处理技术和被动处理技术。主动处理技术是需要依靠设施设备(搅拌机、抽滤泵、存储罐等)、持续药剂及人工投入来处理矿井水中污染物的技术[37]。常用的主动处理技术包括药剂中和法、离子交换法、电渗析和膜过滤技术等，主动处理技术在国内应用广泛。
主动处理技术在含高浓度重金属的酸性矿井水中处理效果较好，但需要长期依靠外力，前期投资与后期处理成本偏高。被动处理技术是在人为控制的条件下，利用自然界发生化学及生物反应处理矿井水中污染物的技术。仅依靠自然可用的能源通过自然反应来净化酸性矿井水，且不需要频繁维护，尤其适合矿井水流量较小的矿井。
被动处理技术在美国、南非等国家发展迅速。按照反应原理，被动处理技术又分为化学法、生物法、化学生物联用3 大类(图5)。其中化学法包括石灰石导流井、石灰石砂处理系统、石灰石过滤床、开放石灰石沟渠、缺氧石灰石沟渠；
生物法包括硫酸盐还原菌生物反应器；
化学−生物联用法包括可渗透反应墙、人工湿地、连续产碱系统、分散碱性基质系统。各技术的适用条件及优缺点见表1。
表1 被动处理技术适用条件及优缺点Table 1 Application conditions,advantages and disadvantages of passive processing technology
图5 酸性矿井水处理技术Fig.5 Technical diagram of acid mine water treatment
人工湿地是被动处理技术中前景最为广阔的一种。研究表明，人工湿地被广泛用于低成本的酸性矿井水处理，利用介质、植物及微生物来协同处理酸性矿井水[38]。其中酸化氧化硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌是人工湿地中常见的2 种自养氧化铁和硫的微生物[39]。根据人工湿地进水方式的不同，又可分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地(图6)。据报道，目前欧洲至少有6 000 个运行的人工湿地系统，美国、新西兰、澳大利亚等也建造了大量人工湿地系统。在美国600 多座人工湿地中，有400 多座用于煤矿酸性矿井水处理，能使排水pH 提高到6～9，平均总铁含量≤3 mg/L，总锰含量≤2 mg/L[40]。人工湿地的去污效果受重金属离子浓度、填料性质、水力负荷、停留时间、温度、植物去除率等多种因素影响。填料的性质对酸性矿井水的pH及植物生产起决定性作用，温度与植物去除率是人工湿地发展的较大限制因素，湿地系统受温度影响较大，在全年平均气温10℃以上的南方地区效果较好，而我国酸性矿井水多分布于云南与贵州两省，因此可推广性强。
图6 酸性矿井水人工湿地系统Fig.6 Acid mine water constructed wetland system
综合人工湿地的主要缺点，未来人工湿地处理酸性矿井水的重点研究方向如下：(1) 开发高效、廉价的吸附材料作为人工湿地的基质；
(2) 优选重金属富集能力强，生长周期快的本地优势植物；
(3) 培养重金属去除效率高、环境适应性强的微生物，协助植物提高重金属的去除率；
(4) 人工湿地作为末端处理系统与其他被动处理技术相结合，形成基于人工湿地的酸性矿井水处理系统，例如构建集石灰石过滤床/石灰石沟渠–连续产碱系统–人工湿地为一体的酸性矿井水处理系统(图7)。
图7 石灰石沟渠–产检系统–人工湿地联合处理系统Fig.7 Limestone ditch production inspection system constructed wetland combined treatment system
2.4 含特殊组分矿井水
含特殊组分矿井水的处理一般根据所含特殊组分的类型而选择与之适应的处理技术及工艺。含特殊组分矿井水包括高氟矿井水、重金属矿井水、放射性元素矿井水等。
高氟矿井水在我国西北部矿区分布广泛，与高盐矿井水分布密切相关，近年来，随着西北部矿区下组煤的开采，西北部矿区高氟水问题突出。西北部矿区矿井水中氟离子质量浓度介于1～12 mg/L，蒙陕接壤区部分矿区高达14.72 mg/L，是环境阈值的14.72 倍[22]。高氟矿井水处理方法包括化学沉淀法、混凝沉淀法、吸附法、膜技术等。其中吸附法因效果明显，成本较低，在现场应用广泛。吸附法除氟的核心在于吸附材料，目前国内外常用的除氟材料包括活性炭、生物炭、沸石等，这些材料运用较为成熟，但稳定性较差。而新型除氟材料羟基磷灰石，因生物兼容性强，吸附容量大，成为研究的热点。羟基磷灰石的除氟机理主要是材料表面的羟基可与矿井水中的氟离子发生置换反应，从而去除矿井水中的氟离子。但随着现场推广与研究的深入，天然羟基磷灰石出现增加矿井水浊度、易团聚的问题。因此，众多国内外学者开始探索改性羟基磷灰石对矿井水中氟的吸附。C.S.Sundaram 等[41]制备了纳米羟基磷灰石/壳聚糖(n-HAPC)复合材料，与天然材料相比，其吸附率提高了17%。李喜林等[42]将强力磷灰石负载在蛇纹石上，制备了颗粒紧实的吸附剂，提高吸附率的同时，解决了吸附材料易团聚的问题。目前针对高氟矿井水的处理，探索改性吸附材料，增加吸附容量，降低吸附成本成为未来研究与发展的趋势。
重金属矿井水常与酸性矿井水相伴，酸性水文地球化学条件加速了煤岩中重金属离子的溶解，因此，酸性矿井水中常含有高浓度的重金属离子，其处理技术与酸性矿井水处理类似，此处不再赘述。
放射性矿井水指含有镭、铀、钍、氡等放射性元素的矿井水，其最大的特点是不易被察觉，但危害性极强，容易诱发皮肤癌、肝癌、膀胱癌、肾癌和甲状腺癌等一系列癌症。目前放射性矿井水已在河南平顶山部分矿区被发现[43]。常用的处理技术包括吸附法、沉淀法、膜技术等[44]，其中膜技术前景广阔，在新型膜的研发、成本的降低及膜污染问题等方面的研究仍是未来的发展趋势。
在全球水资源日益短缺的形势下，开展矿井水的综合利用，是世界各产煤国的必然选择。已有许多国家对矿井水处理利用进行了深入的研究和实践，积累了丰富的成果与经验。
早在20 世纪，美国矿井水的利用率就达到了80%以上，德国以立法的形式规定了矿井水必须处理利用。国内近年来高度重视矿井水资源化利用问题，2020 年生态环境部、国家发改委和国家能源局联合发布了《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》，指出矿井水应优先用于项目建设及生产，并鼓励多途径利用多余矿井水。2021 年《关于印发黄河流域水资源节约集约利用实施方案的通知》中要求推动矿井水利用，推进陇东、宁东、蒙西、陕北、晋西等能源基地的煤矿矿井水综合利用。因此，矿井水资源化利用对于防止水资源浪费、避免水环境污染、改善矿区生态环境、最大限度地满足生产和生活用水需求均具有重要意义。目前，国内外矿井水资源化利用的方式主要包括工农业生产用水、生态用水、生活用水及热能利用等(图8)。
图8 矿井水资源化利用技术体系Fig.8 Technical system of mine water resource utilization
3.1 生产利用
矿井水资源生产利用主要分为工业和农业生产用水(图9)。其中矿井水工业生产利用方式主要包括煤炭生产、洗选加工、周围电厂、煤化工项目等[45]。例如，苏联为消除煤矿产生的矿井水对环境的污染，通过分级处理方式将净化后的矿井水作为洗煤厂和井下防尘等工业用水[46-47]。德国莱茵褐煤区的煤矿产生的矿井水经过简单处理后，通过输水管路被泵送至电厂用于发电中的生产作业[48]。英国煤矿每年排放的矿井水有15%的作为工业生产用水，85%的经净化处理后排入地表。近年来，国外对常规矿井水利用的报道很少[49]。国内矿井水工业利用主要包括煤炭开采及加工过程中的井下用水，煤矿企业产生的矿井水除满足自身需求外，还可将剩余的矿井水经处理后供给周边企业作为生产用水。例如，内蒙古的母杜柴登和门克庆煤矿产生的矿井水除自身回用之外，其余经过深度处理后，输送至鄂尔多斯图克工业园区用于煤化工项目的生产用水，有效缓解了矿井水排放压力与图克工业园区用水压力[50]。陕北煤炭基地的榆横矿区矿井水产生量大，为解决矿井水浪费及排放问题，通过统一规划矿井水综合利用管网，将矿井水统一集中收集用于周边工业园区工业用水，有效缓解了陕北地区缺水与矿井水排放的难题[51]。
图9 矿井水资源生产利用Fig.9 Schematic diagram of production and utilization of mine water resources
处理达标后的矿井水也可用于农业生产，包括农田灌溉、水库调蓄补水及动物饮用等。约旦的磷矿已成功将矿井水用于农业生产，通过将矿井水抽排到附近农田中，用于灌溉各种蔬菜和粮食作物，解决了当地农民的农田灌溉问题[52]；
在美国的内华达州，Newmont 矿业公司管理着Carlin 镇郊外1.82×109m3的牧场，附近采矿作业排放的矿井水被用作该牧场农作物的灌溉[53]；
英国Xstrata 国际矿业公司在澳大利亚的Ulan 煤矿利用其矿井水灌溉了2.42×106m3的牧场[54]；
秘鲁的Yanacocha 金属矿利用一个采空区作为水库来存储矿井水，为区域的农业生产提供水源[55]。国内，矿井水也被作为矿区农田灌溉的潜在水资源。陕煤澄合矿业董东煤业公司建设了矿井水深度净化站，将处理后的矿井水用于附近居民小麦的浇灌。2018 年陕西榆林市为解决榆阳区周边煤矿废水的回收利用，历时4 年建成矿井疏干水综合利用项目并投运，将净化达标后的疏干水用于生态建设、塌陷区治理、农田灌溉及田园综合体补水，解决了周边“既缺水又费水”的突出用水矛盾。
3.2 生态利用
矿井水资源生态利用方面主要包括园林绿化、人工湿地修复、河湖补水等方面。德国的Garzweiler 露天矿将处理达标后的矿井水通过入渗井渗入附近的湿地，以保护具有生态价值的湿地，同时将剩余的矿井水排入河流中[56]。德国的Lusatian 褐煤区露天矿也采取了相同的措施将处理后的矿井水资源进行生态利用[57]。在德国东部，露天褐煤矿开采产生的矿井水被用于补充已废弃褐煤矿附近的坑湖，这样既发挥矿井水的生态利用潜力，同时也是减少矿井水酸化的一种有力措施[58]。矿井水还可以对湿地进行修复，进而创造新的生态系统，增加生物多样性。例如，西班牙的As Pontes 矿山，利用矿井水创建了一个新的湿地湖泊，从而美化了景观和周围环境，增加了生物多样性。近年来，国内开始意识到矿井水资源生态利用的重要性。内蒙古鄂尔多斯市棋盘井生态园中的人造瀑布就是利用处理后的矿井水建成的，且生态园的园林绿化的水源主要来自棋盘井地区周边煤矿的井下疏干水。该生态园是缺水地区节约地下水、通过矿井水有效缓解用水紧张、弥补供水不足的有益实践。位于毛乌素沙漠地带的神东矿区采用煤矿地下水库净化技术，实现了矿井水的大规模保护和利用。每年处理并供应给矿区的矿井水超过1 亿m3，占神东矿区用水总量的95%以上，使神东矿区矿井水利用率提升至83%，支撑了矿区339 km2的生态治理恢复用水。同时，扭转了矿区缺水局势，大幅度减少矿井水外排，建成神府东胜矿区采空沉陷区沙棘生态修复示范基地，改善了矿区生态并支撑了矿区产业发展。
3.3 生活利用
在干旱半干旱水资源匮乏区，煤炭资源开发进一步加剧了水资源短缺。矿井水经深度净化处理达到国家饮用水标准后可作为生活用水。一般优先满足煤矿企业自身的生活用水，剩余部分可为周边的企业或居民提供生活用水。在南非东北部的Witbank 煤田其煤炭资源储量丰富，但区域内水资源相对匮乏，英美资源集团联合必和必拓公司(BHP)与当地市政府，在EMalahleni 市共同建立了第一个矿井水处理厂，通过在水处理中增加两套净化、超滤以及自主研发的膜渗透处理程序，将矿井水处理净化为生活饮用水。该处理厂每天生产3.0×107m3的达标饮用水，输送给当地居民作为日常生活用水，解决了生活用水难题[59]。印度尼西亚的PT Adaro 煤炭公司，采用净化处理的方式将产生的矿井水处理达标后，通过管道输送给周边的居民作为生活饮用水，缓解了当地水资源紧张的局面[60]。V.Masindi[61]研究了从酸性矿井水中回收饮用水，并成功地使用反渗透系统制备了饮用水，满足SANS 241 饮用水标准。国内矿井水资源生活利用方面研究起步稍晚，山西美锦集团东于煤矿建设了矿井水净化系统，使矿井水全部达到生活饮用水标准，将达标后的矿井水输送到单位食堂、职工家中。神东矿区已建成多个矿井水深度处理厂，对排至地表的矿井水和生活污水进行深度处理，用于居民生活用水。对于富含微量元素的矿井水，可将其制作成桶装水、瓶装水，完成矿井水向“矿泉水”的变身。辽宁阜矿集团将深度处理后达到饮用标准的矿井水，制成桶装矿泉水，改变了城市生活用水紧缺的现状。
3.4 热能利用
地热能开发利用是助力实现“碳达峰碳中和”目标的有效途径之一，其中煤矿开采过程中产生的矿井水的热能也可以作为地热资源开发利用[62]。采矿活动增加了地下围岩的渗透率，同时形成大量的采空区及矿井水，这为矿井水资源热能的高效利用提供了保障[63]。国外煤炭资源逐渐枯竭，遗留了大量的废弃矿井，人们开始关注废弃矿井作为地热能资源利用的相关问题，认为废弃矿井中矿井水的热能利用潜力巨大[64]。废弃矿井中的矿井水可以作为热源，为居民或企业供暖，具有成本低、环境效益明显等优势，已在世界多国得到应用。目前最著名的是加拿大Springhill 的废弃煤矿将矿井水作为热源，从矿井水中提取热能为大型建筑物提供夏季冷却和冬季供暖[65]。在德国已经实施了许多废弃矿井的矿井水低温资源开发利用项目，“GrEEn-Projekt”项目位于德国阿尔斯多夫市，该项目是利用废弃的Anna 煤矿中的矿井水产生的热能，为Energeticon公司旗下的两栋建筑供暖[66]。荷兰在2008 年利用废弃矿井建成了世界上最大的矿井水地热区域供暖系统，该系统是通过废弃矿井从地下深处取出热水，用于附近住宅、商店、图书馆和大型办公楼的供暖，到2015 年该系统已达到为50 万m2建筑面积供能，降低了65%的CO2排放[67]。西班牙的Barredo 废弃矿井中存在大量的矿井水，将其改造为地热系统为周边的大学和医院提供热能，使得CO2的排放量降低了约72%[68]。国外矿井水资源热能利用主要是针对废弃矿井，并且矿井水资源热能的利用主要集中在浅部(600 m 以浅)。相比而言，国内千米深井已成常态，矿井围岩原始温度较高，矿井地热能利用潜力巨大。国内一些学者提出了矿井地热能开发利用的技术方案构想，分析了矿井水资源热能利用技术[69]。He Manchao等[70]在江苏张双楼煤矿将热害问题作为热能资源进行利用，通过HEMS-Ⅲ机组建立了地面换热系统，解决了矿区2.156×105m2的建筑供热，节约燃煤1.197 万t/a。河南新义煤矿采用水源热泵机组技术，利用矿井“热水”，改造了原有锅炉系统，充分利用高温矿井水的热能，解决了矿区供热供暖问题，年减少用煤约6 000 t[71]。因此，借鉴国外矿井地热能利用的成熟经验，结合我国矿井实际情况，合理开发利用矿井水资源热能，可有效减少CO2等温室气体的排放，助力“双碳”目标的实现。图10 中给出了矿井水资源热能利用的模式，包括回注和未回注2 种系统。
图10 矿井水资源热能利用模式Fig.10 Schematic diagram of thermal energy utilization of mine water resources
煤炭资源开发过程中矿井水资源处理与高效利用是支撑煤炭工业绿色发展的关键所在，更是矿区生态文明建设的必然要求。矿井水是一种非常规水资源，其资源化利用的重要性逐渐得到认可，有效缓解了区域水资源短缺的紧张局面。但目前矿井水处理及资源化利用仍存在一些问题，制约煤炭资源开发与矿区生态文明建设的平衡发展。同时，笔者结合国内外矿井水处理及资源化利用技术研究现状，提出了我国矿井水处理及资源化利用的几点科学思考，并据此建立矿井水处理及资源化利用概念模型(图11)，为广大矿井水资源保护利用工作者提供参考。
图11 矿井水处理及资源化利用概念模型Fig.11 Mine water treatment and resource utilization mode
4.1 矿井水处理及资源化利用存在问题
(1) 含悬浮物矿井水地面处理占用空间大、矿井水提升费用高。现主流的含悬浮物矿井水处理工艺需将矿井水提升至地面，通过一系列流程去除悬浮物，处理能耗大，增加了含悬浮物矿井水整体处理成本。同时，当井下回用水质要求高时，仍需将地面处理后的矿井水再次输送至井下，额外增加输送成本，降低了矿井水的回用效率。
(2) 高矿化度高氟矿井水前期投资和后期运行成本高，经处理后残余的浓盐水或固体危废难以有效处置。受煤岩组分、水文地质条件及采矿活动等综合因素影响，导致我国西北部矿区产生大量高矿化度高氟矿井水。目前常用的反渗透、纳滤等膜处理工艺产生的浓盐水处置困难；
多级闪蒸、机械蒸汽压缩等工艺产生的固体盐分杂质含量高，固体危废难以处置；
主流的吸附法处理高氟矿井水，吸附材料吸附容量低、再生性差，给西北部高矿化度高氟矿井水处理利用带来新的挑战。
(3) 酸性矿井水主要分布在西南地区，其主动处理技术投资及维护成本高。受地层年代、岩石性质、环境条件的影响，我国酸性矿井水矿区多分布在西南部，在云南与贵州2 个省份尤为突出。西南部煤矿整体规模较小、涌水量小，建立废水处理站利用主动处理技术净化酸性废水，初期投资与后期运行费用高，制约了矿区水资源保护利用的发展。
(4) 矿井水资源利用调配方案较为粗放。目前矿井水主要利用方向为生产、生活及生态用水。但煤矿区用水方向众多，如井下生产、井下除尘、地面绿化、生活杂用，且矿井水在工作面开采产生后，经过井下水沟、管路等输送至水仓最终提升至地面的过程中，水质均发生了一定的变化。而针对不同用户对水质的要求进行分级处理，逐步调配水量的矿井水资源利用调配模式不够精细，限制了矿井水资源的高效利用，严重影响了煤炭资源开发与矿区水资源利用协调发展。
(5) 矿井水资源从产生到利用的全周期监测体系不完善。矿井水水量、水质的监测是其资源化利用的基础，目前我国西北部的一些矿区初步建立了地下水水位、水压、水温及水质等监测网，但尚未建立矿井水资源从产生到利用的全周期监测体系，无法满足精细化的矿井水资源化利用需求，难以为煤矿企业实现精准化的矿井水分级分质资源化利用提供可靠的基础数据。
(6) 矿井水资源智能化管控水平不足。未来煤炭产业发展将会向着数字化、智能化转型，矿井水资源管控也将逐步迈入智能化发展阶段。在矿井水“零排放”政策的刚性约束及煤矿智能化建设的背景下，煤炭企业对矿井水资源智能管控有强烈的需求。而目前矿井水资源智能化管控技术手段尚处于起步阶段，尤其缺乏矿井水资源管控的一体化平台，导致矿井水资源管控智能化水平不足，造成矿井水资源调配不充分、利用效率低等问题。
4.2 矿井水处理及资源化利用科学思考
(1) 研发含悬浮物矿井水井下短流程处理技术。井下处理将成为今后含悬浮物矿井水处理的重点攻关方向，缩短处理工艺流程，研发置于井下的短流程超滤膜直滤技术，不仅可有效利用井下空间、减少地面征地费用、减少矿井水提升费用，还有利于实现矿井水的处理和储存一体化、智能化控制，可为含悬浮物矿井水处理提供技术经济的解决方案。
(2) 研发高矿化度矿井水大规模低成本高效处理技术、浓盐水深井封存技术、大容量可再生高氟矿井水吸附材料。现有的高矿化度矿井水处理技术综合成本较高，降低投资及运行成本将成为未来重点攻关的方向。利用双极膜将结晶盐转化为高附加值的氢氧化钠和硫酸，通过产能置换实现节能脱盐；
也可将高矿化度矿井水预处理后，长期封存于深部安全地层，降低成本与能耗。高盐高氟矿井水的协同处理也是解决我国西北部矿区矿井水高矿化度高盐高氟难题的未来发展趋势。
(3) 加强酸性矿井水被动处理技术推广示范。被动处理技术成本低，更适用于分散的污染源。被动处理系统仅使用自然可用的能源(例如重力流动系统，湿地或地下流动生物反应器)来净化水质，后期维护费用也较低。例如，可将被动处理技术中的方法联合使用，将人工湿地作为末端处理系统与石灰石过滤床联用，形成基于人工湿地的酸性矿井水处理系统，在处理酸性矿井水的同时，修复矿区周边的生态系统。
(4) 研究精细化的矿井水资源调配方案。矿井水资源的精细调配是提高其利用率的关键之处，有利于将产生的矿井水资源进行统一的规划与配置，从而改善区域生产、生活及生态用水状况。通过研究精细化的矿井水资源调配方案，精准配置满足区域内生产、生态、生活及热能需要的矿井水资源，是提高矿井水资源综合利用率的有效途径和迫切需求。
(5) 建立矿井水资源从产生到利用的全周期监测网。摸清矿井水资源总量与水质情况，利用精细化的优化配置方法将矿井水合理调配，才能进一步提升矿井水资源化利用效率。通过建立矿井水资源从产生到利用的全周期监测网，将矿井水的水量、水质、利用量和调配去向等数据进行监测与记录，建立矿井水资源化利用数据库，为矿井水资源化利用统筹规划及智能化管控提供数据支撑。
(6) 开发矿井水资源智能化管控平台。随着煤矿智能化建设的提速，加快推进矿井水资源管控智能化发展将是必然趋势。利用大数据、物联网等新技术新手段，将矿井水资源精细化调配方案、全周期监测数据等紧密耦合，构建矿井水资源智能化管控平台，对矿井水处理利用全生命周期的动态管控，实现矿井水资源化利用“一张图”管理，最终达到矿井水高效利用的目的，开启矿井水资源数字化、智能化综合管控的新格局，解决区域性水资源失调问题与生态保护难题，为矿区健康、高效、可持续发展提供支撑。
a.通过分析煤矿区矿井水水质特征及其演化过程，将矿井水水质形成划分为含水层水−岩作用和采空区水−岩作用2 个阶段。重点揭示了采空区水动力条件及水文地球化学条件改变加速岩石中典型离子溶解释放的水质形成机制，总结了矿井水水质评价方法，为矿井水处理及资源化利用提供基础。
b.采用资料查阅、文献综述、现场调研等方式，系统提炼了国内外4 种典型矿井水处理技术的优缺点。提出了含悬浮物矿井水高效旋流、高矿化度矿井水双极膜和膜蒸馏处理、酸性矿井水人工湿地处理等新技术是未来矿井水处理的主要发展趋势，阐明了矿井水用于生产、生态、生活及热能的4 种主要途径。
c.基于国内外矿井水处理及资源化利用的综合分析，今后应加强矿井水井下短流程处理技术、浓盐水深井封存技术、大容量可再生高氟矿井水吸附材料、矿井水资源从生产到利用全周期监测及智能化管控平台等方面的研究工作，以提升矿井水处理及资源化利用技术水平，为我国煤炭工业高质量发展提供必要支撑。
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