陝西日報訊：生產用水需要從地面的生活水廠抽到地下，井下的“水害”礦井水要抽到地上經過處理後外排——對於神東礦區來說，這一下一上不僅產生高額的運轉費用，更給缺水地區帶來了巨大的水負荷。
為了解決這個問題，神東礦區研發了分佈式地下水庫技術，變“水害”為“水利”。“現在，神東礦區95%的生產、生活和生態用水都來自地下水庫，每年可節省約10億元。”該技術的主要研發人員、大柳塔煤礦總工程師陳蘇社說。
目前，神東礦區在井下已建成35座地下水庫，庫容總量近3000萬立方米，相當於兩個西湖的容量，年供水量超過6000萬立方米。
35座地下水庫
黃綠相間的大門，左右兩旁寫著“綠色開採造福子孫後代，科學保水建設美麗家園”，橫批為“人水和諧”。這便是神東礦區大柳塔煤礦2-2煤1號地下水庫，距地表約93.6米，距平硐井口約3.6千米。
走進水庫，幾盆平安樹綠意盎然，巷道兩邊分佈著各式儀器和顏色不一的管道。擰開一條綠色管道的閥門，清澈的水便流了出來。水的一旁是一堵水泥牆，上書“人工壩體”四個字。“人工壩體後面就是地下水庫，水有幾米深，庫容量達300多萬立方米。我們看到的藍色管道是往水庫裡輸汙水，綠色管道往外排淨水。”一位工作人員說。
這樣的水庫，在大柳塔煤礦有3座，庫容量共710萬立方米；在神東礦區有35座，庫容總量近3000萬立方米。
神東礦區地處毛烏素沙漠邊緣，是我國重度缺水地區之一，乾旱少雨，礦區年蒸發量是降水量的6倍以上。而作為我國最大的煤炭生產企業，隨著礦區生產規模、生產隊伍不斷擴大，生產、生活需水量也在不斷增加，神東礦區中心區總用水量由2000年的805萬噸增至2014年的5600多萬噸。但礦區主要水源考考賴溝、哈拉溝等均出現水位降低的趨勢，地面水和地下水不斷減少。
大柳塔煤礦總工程師陳蘇社介紹：“地下水庫，就是利用超大工作面開採後留下的採空區，轉移、儲存岩層滲水和井下開採產生的汙水，利用矸石和長距離流動自然淨化，通過自然壓差供水，實現地面淨水零入井，地下汙水零升井。它具有井下供水、井下排水、礦井水處理、水災防治、環境保護和節能減排6大功能。”
採空區裡的矸石具有強大的汙水淨化能力。經實驗室分析表明，礦井水經採空區自然淨化後，懸浮物和有機物濃度顯著降低，並隨距離和時間的延長淨化效果更明顯。
與地面水庫不同，地下水庫猶如埋在地下的一個巨大“水瓶”，矸石佔了瓶內80%左右的空間，輸進去的汙水在矸石縫裡流動，實現自然淨化。分佈式地下水庫則是一個工程系統。以大柳塔煤礦為例，分佈式地下水庫即分佈在2-2煤的3個“水瓶”，通過鑽孔、管路等連接在一起，瓶內的水通過淨化後向地面、同煤層及5-2煤（兩層煤層間距約155米）供水。
礦井水經過過濾、沉澱、吸附、離子交換等過程，最後變成淨化水，至少需要在“水瓶”中“走”1公里。而這短短的一段路程，卻花了神東公司近20年的時間：
1998年，大柳塔煤礦在2號煤層建成第一個採空區儲水設施，水容量為5萬立方米，但無自然壓差供水。
2002年，順利建成6個單採空區儲水設施，容量達到100萬立方米。
2010年，建成充分利用採空區空間儲水、採空區矸石對水體的過濾淨化、自然壓差輸水的世界首個煤礦分佈式地下水庫。它由3座地下水庫組成，總儲水量達到710萬立方米。
截至2015年年底，神東礦區已建成35座地下水庫，年供水超過6000萬立方米。目前，神東礦區已基本實現“地面淨水零入井，地下汙水零升井”。
地下水庫技術曾獲得國家科技進步二等獎、中國煤炭行業科技進步一等獎、中國專利金獎等重要獎項。“來自中國工程院、世界煤炭協會的專家參觀水庫後，都給予了充分肯定。”陳蘇社說。
作用巨大又萬無一失
“有人蔘觀後說，地下水庫不用花錢，真神！”陳蘇社說，“地下水庫無設備、無電耗、無材耗，也無需用人，既是水庫，也是‘四無’天然汙水處理廠。它實現了煤礦水資源良性立體循環，礦井水經處理後，一部分可作為井下工業生產用水，一部分可通過管路輸送到地面供選煤廠、熱電廠和橡膠壩等使用，其餘存於地下水庫備用。”
神東洗選中心大柳塔選煤廠的生產技術主管呂宏廣告訴記者，目前全球大部分煤礦都用水洗選煤，大柳塔選煤廠全廠小時循環水量約1.19萬立方米。選煤廠除了採用先進技術循環使用水資源外，每月平均補充複用水量約5.31萬立方米，這些水都來自地下水庫。
“水經過進一步淨化後還可以作為生活用水。去年冬天，有一次礦區的生活水管爆裂，天冷不好維修，當時就是從地下水庫抽水，經過嚴格處理後供給居民區。”陳蘇社告訴記者。
目前，神東礦區的35座地下水庫可供應礦區95%的工業、綠化灌溉及橡膠壩觀賞用水，同時還給周邊神華國神集團的兩家電廠以及神華煤制油項目供水，每年可節約購水、汙水處理及礦井水外排等費用約10億元。
“以往傳統的方法是將地面水引入井下進行生產，再把產生的礦井水抽到地面，經過汙水處理廠處理後排放。”大柳塔煤礦生產技術辦的李瑞群說，“礦井‘水害’是影響煤礦安全生產的五大災害之一，分佈式地下水庫技術的應用不僅減少了汙染和浪費，還可以減少透水事故的發生。”
地下水庫作用巨大，其自身安全又該如何保證？
據陳蘇社介紹，地下水庫的安全性取決於煤柱壩體和人工壩體。“人工壩體的建設是難點，是保證水庫安全性的關鍵。”團隊為此研究出了一種“T”形結構——在兩個煤柱之間嵌入人工壩體，壩牆內佈置有工字鋼、錨杆等，再用混凝土澆築，壩牆外有“T”形牆體支撐，猶如一個支架。
“要想弄倒人工壩體，除非把底板和頂板沖垮。”陳蘇社說，“經專家論證，該牆體結構安全可靠、穩定。當安全穩定係數為3.0時，最大承載水位為60米，目前地下水庫的存水最高只有10米。”
陳蘇社告訴記者，地下水庫還有三重保障技術：一是通過庫間調水，控制水庫水位，保障水庫安全；二是監控壩體薄弱環節，保障壩體安全；三是在人工壩體上安裝應急洩水裝置，在發生礦震和衝擊地壓等突發情況時，洩水降壓，保障地下水庫安全。
此外，為了確保地下水庫安全運行，神東礦區還安裝了安全監測平臺，24小時實時監測地下水庫人工壩體的水壓、水位、流量、水質等情況，並配有攝像頭，能在地面隨時看到井下現場情況。
為世界採煤保水開闢了新路
8月16日，記者見到陳蘇社時，他剛從神華寧夏煤炭集團公司的靈新煤礦回來。為了推廣分佈式地下水庫技術，他已出差多次。
陳蘇社認為，該技術適用於煤體和岩石硬度大的缺水地區，應用前景廣闊。神東公司的侯志成在《大柳塔煤礦井下水資源保護及複利用技術工程實踐》一文中也提出，該系統可根據井下采空區及採場的實際情況，靈活設計，施工技術簡單，管理維護成本低，便於安全管理，對井下地質條件適應性高，易於推廣。
目前，神華集團在寧東、新疆、烏海等所屬西部礦區建成、在建和規劃了50多座地下水庫，地下水庫技術也在中西部晉陝蒙寧甘地區的13個千萬噸礦井成功應用。
據悉，該技術也被國土資源部、國家發改委和科技部作為先進技術在全國進行推廣應用。世界煤炭協會製作了煤礦地下水庫專題案例，在世界主要煤炭國家推廣應用。
中國工程院院士、神華集團科技發展部總經理顧大釗此前在接受媒體採訪時表示，在我國中西部的晉陝蒙寧甘5個省區，煤炭儲量約佔中國探明煤炭儲量的三分之二，煤炭產量約佔全國的70%，但水資源量僅佔3.9%。如果將分佈式地下水庫這項技術在中西部適宜的地區推廣應用，預計每年能夠保護利用30多億噸礦井水。
2016年10月，獲國家科技部批准建設的“煤炭開採水資源保護與利用”國家重點實驗室在神華集團設立。該實驗室致力於針對我國煤、水逆向分佈的特點和水資源短缺問題，系統研究煤炭資源開發中相關的水資源保護利用和礦區地表生態修復基礎理論，重點突破我國水資源保護利用關鍵技術、解決水資源保護利用技術產業化難題。
未來，該實驗室研發團隊將依託實驗室平臺，以神東、寧東和新疆三個典型區域為對象，不斷完善煤礦地下水庫技術，建成高礦化度礦井水井下處理工程，對高礦化度礦井水進行處理，緩解水資源緊缺。
關於地下水庫，大柳塔煤礦的未來工作規劃則更為具體。陳蘇社表示，下一步將繼續完善水庫建設，其中主要解決2-2煤採完後，5-2煤的水庫選址問題。
此外，該煤礦將對地下水庫技術進一步完善提高，目前已在5-2煤建成淨化水系統，以進一步提高水質。下一步，將實現地下水庫水能自流補充到橡膠壩和選煤廠水池，取消泵排補水；對地下水庫系統進一步檢查、完善、加固、優化，如局部加固，更換安裝不鏽鋼閥門；進一步優化管路系統，完善監測監控系統；在井下通過養魚對水質進行試驗等。
經過多年的實踐，神東礦區形成了一套高效建設與安全運行地下水庫的關鍵技術。該技術解決了礦井的供排水、汙水處理、水災防治、環境保護和節能減排問題，解決了神東礦區的生產、生態和生活缺水問題，使礦井水資源得到安全高效利用，保護了生態環境，為我國甚至世界煤礦開採保護水資源開闢了一條嶄新的道路。（記者 張玲玲）
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