陕西日报讯：生产用水需要从地面的生活水厂抽到地下，井下的“水害”矿井水要抽到地上经过处理后外排——对于神东矿区来说，这一下一上不仅产生高额的运转费用，更给缺水地区带来了巨大的水负荷。
为了解决这个问题，神东矿区研发了分布式地下水库技术，变“水害”为“水利”。“现在，神东矿区95%的生产、生活和生态用水都来自地下水库，每年可节省约10亿元。”该技术的主要研发人员、大柳塔煤矿总工程师陈苏社说。
目前，神东矿区在井下已建成35座地下水库，库容总量近3000万立方米，相当于两个西湖的容量，年供水量超过6000万立方米。
35座地下水库
黄绿相间的大门，左右两旁写着“绿色开采造福子孙后代，科学保水建设美丽家园”，横批为“人水和谐”。这便是神东矿区大柳塔煤矿2-2煤1号地下水库，距地表约93.6米，距平硐井口约3.6千米。
走进水库，几盆平安树绿意盎然，巷道两边分布着各式仪器和颜色不一的管道。拧开一条绿色管道的阀门，清澈的水便流了出来。水的一旁是一堵水泥墙，上书“人工坝体”四个字。“人工坝体后面就是地下水库，水有几米深，库容量达300多万立方米。我们看到的蓝色管道是往水库里输污水，绿色管道往外排净水。”一位工作人员说。
这样的水库，在大柳塔煤矿有3座，库容量共710万立方米；在神东矿区有35座，库容总量近3000万立方米。
神东矿区地处毛乌素沙漠边缘，是我国重度缺水地区之一，干旱少雨，矿区年蒸发量是降水量的6倍以上。而作为我国最大的煤炭生产企业，随着矿区生产规模、生产队伍不断扩大，生产、生活需水量也在不断增加，神东矿区中心区总用水量由2000年的805万吨增至2014年的5600多万吨。但矿区主要水源考考赖沟、哈拉沟等均出现水位降低的趋势，地面水和地下水不断减少。
大柳塔煤矿总工程师陈苏社介绍：“地下水库，就是利用超大工作面开采后留下的采空区，转移、储存岩层渗水和井下开采产生的污水，利用矸石和长距离流动自然净化，通过自然压差供水，实现地面净水零入井，地下污水零升井。它具有井下供水、井下排水、矿井水处理、水灾防治、环境保护和节能减排6大功能。”
采空区里的矸石具有强大的污水净化能力。经实验室分析表明，矿井水经采空区自然净化后，悬浮物和有机物浓度显著降低，并随距离和时间的延长净化效果更明显。
与地面水库不同，地下水库犹如埋在地下的一个巨大“水瓶”，矸石占了瓶内80%左右的空间，输进去的污水在矸石缝里流动，实现自然净化。分布式地下水库则是一个工程系统。以大柳塔煤矿为例，分布式地下水库即分布在2-2煤的3个“水瓶”，通过钻孔、管路等连接在一起，瓶内的水通过净化后向地面、同煤层及5-2煤（两层煤层间距约155米）供水。
矿井水经过过滤、沉淀、吸附、离子交换等过程，最后变成净化水，至少需要在“水瓶”中“走”1公里。而这短短的一段路程，却花了神东公司近20年的时间：
1998年，大柳塔煤矿在2号煤层建成第一个采空区储水设施，水容量为5万立方米，但无自然压差供水。
2002年，顺利建成6个单采空区储水设施，容量达到100万立方米。
2010年，建成充分利用采空区空间储水、采空区矸石对水体的过滤净化、自然压差输水的世界首个煤矿分布式地下水库。它由3座地下水库组成，总储水量达到710万立方米。
截至2015年年底，神东矿区已建成35座地下水库，年供水超过6000万立方米。目前，神东矿区已基本实现“地面净水零入井，地下污水零升井”。
地下水库技术曾获得国家科技进步二等奖、中国煤炭行业科技进步一等奖、中国专利金奖等重要奖项。“来自中国工程院、世界煤炭协会的专家参观水库后，都给予了充分肯定。”陈苏社说。
作用巨大又万无一失
“有人参观后说，地下水库不用花钱，真神！”陈苏社说，“地下水库无设备、无电耗、无材耗，也无需用人，既是水库，也是‘四无’天然污水处理厂。它实现了煤矿水资源良性立体循环，矿井水经处理后，一部分可作为井下工业生产用水，一部分可通过管路输送到地面供选煤厂、热电厂和橡胶坝等使用，其余存于地下水库备用。”
神东洗选中心大柳塔选煤厂的生产技术主管吕宏广告诉记者，目前全球大部分煤矿都用水洗选煤，大柳塔选煤厂全厂小时循环水量约1.19万立方米。选煤厂除了采用先进技术循环使用水资源外，每月平均补充复用水量约5.31万立方米，这些水都来自地下水库。
“水经过进一步净化后还可以作为生活用水。去年冬天，有一次矿区的生活水管爆裂，天冷不好维修，当时就是从地下水库抽水，经过严格处理后供给居民区。”陈苏社告诉记者。
目前，神东矿区的35座地下水库可供应矿区95%的工业、绿化灌溉及橡胶坝观赏用水，同时还给周边神华国神集团的两家电厂以及神华煤制油项目供水，每年可节约购水、污水处理及矿井水外排等费用约10亿元。
“以往传统的方法是将地面水引入井下进行生产，再把产生的矿井水抽到地面，经过污水处理厂处理后排放。”大柳塔煤矿生产技术办的李瑞群说，“矿井‘水害’是影响煤矿安全生产的五大灾害之一，分布式地下水库技术的应用不仅减少了污染和浪费，还可以减少透水事故的发生。”
地下水库作用巨大，其自身安全又该如何保证？
据陈苏社介绍，地下水库的安全性取决于煤柱坝体和人工坝体。“人工坝体的建设是难点，是保证水库安全性的关键。”团队为此研究出了一种“T”形结构——在两个煤柱之间嵌入人工坝体，坝墙内布置有工字钢、锚杆等，再用混凝土浇筑，坝墙外有“T”形墙体支撑，犹如一个支架。
“要想弄倒人工坝体，除非把底板和顶板冲垮。”陈苏社说，“经专家论证，该墙体结构安全可靠、稳定。当安全稳定系数为3.0时，最大承载水位为60米，目前地下水库的存水最高只有10米。”
陈苏社告诉记者，地下水库还有三重保障技术：一是通过库间调水，控制水库水位，保障水库安全；二是监控坝体薄弱环节，保障坝体安全；三是在人工坝体上安装应急泄水装置，在发生矿震和冲击地压等突发情况时，泄水降压，保障地下水库安全。
此外，为了确保地下水库安全运行，神东矿区还安装了安全监测平台，24小时实时监测地下水库人工坝体的水压、水位、流量、水质等情况，并配有摄像头，能在地面随时看到井下现场情况。
为世界采煤保水开辟了新路
8月16日，记者见到陈苏社时，他刚从神华宁夏煤炭集团公司的灵新煤矿回来。为了推广分布式地下水库技术，他已出差多次。
陈苏社认为，该技术适用于煤体和岩石硬度大的缺水地区，应用前景广阔。神东公司的侯志成在《大柳塔煤矿井下水资源保护及复利用技术工程实践》一文中也提出，该系统可根据井下采空区及采场的实际情况，灵活设计，施工技术简单，管理维护成本低，便于安全管理，对井下地质条件适应性高，易于推广。
目前，神华集团在宁东、新疆、乌海等所属西部矿区建成、在建和规划了50多座地下水库，地下水库技术也在中西部晋陕蒙宁甘地区的13个千万吨矿井成功应用。
据悉，该技术也被国土资源部、国家发改委和科技部作为先进技术在全国进行推广应用。世界煤炭协会制作了煤矿地下水库专题案例，在世界主要煤炭国家推广应用。
中国工程院院士、神华集团科技发展部总经理顾大钊此前在接受媒体采访时表示，在我国中西部的晋陕蒙宁甘5个省区，煤炭储量约占中国探明煤炭储量的三分之二，煤炭产量约占全国的70%，但水资源量仅占3.9%。如果将分布式地下水库这项技术在中西部适宜的地区推广应用，预计每年能够保护利用30多亿吨矿井水。
2016年10月，获国家科技部批准建设的“煤炭开采水资源保护与利用”国家重点实验室在神华集团设立。该实验室致力于针对我国煤、水逆向分布的特点和水资源短缺问题，系统研究煤炭资源开发中相关的水资源保护利用和矿区地表生态修复基础理论，重点突破我国水资源保护利用关键技术、解决水资源保护利用技术产业化难题。
未来，该实验室研发团队将依托实验室平台，以神东、宁东和新疆三个典型区域为对象，不断完善煤矿地下水库技术，建成高矿化度矿井水井下处理工程，对高矿化度矿井水进行处理，缓解水资源紧缺。
关于地下水库，大柳塔煤矿的未来工作规划则更为具体。陈苏社表示，下一步将继续完善水库建设，其中主要解决2-2煤采完后，5-2煤的水库选址问题。
此外，该煤矿将对地下水库技术进一步完善提高，目前已在5-2煤建成净化水系统，以进一步提高水质。下一步，将实现地下水库水能自流补充到橡胶坝和选煤厂水池，取消泵排补水；对地下水库系统进一步检查、完善、加固、优化，如局部加固，更换安装不锈钢阀门；进一步优化管路系统，完善监测监控系统；在井下通过养鱼对水质进行试验等。
经过多年的实践，神东矿区形成了一套高效建设与安全运行地下水库的关键技术。该技术解决了矿井的供排水、污水处理、水灾防治、环境保护和节能减排问题，解决了神东矿区的生产、生态和生活缺水问题，使矿井水资源得到安全高效利用，保护了生态环境，为我国甚至世界煤矿开采保护水资源开辟了一条崭新的道路。（记者 张玲玲）
