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| 煤海藏水，煤水何以共赢 |
| 来源：中国煤炭报 作者：王琳 时间：2026/8/26 |
一边是口渴的大地，一边是流失的水源。
这是山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆五省(自治区)煤炭开采面临的一对矛盾，也是国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室从成立第一天起就面对的攻坚任务。
上述五省(自治区)每年贡献全国八成以上的煤炭，但其产煤区的水资源总量不到全国的1%。
我国煤炭生产每年产生的矿井水约80亿吨，其中50亿吨矿井水没有得到有效利用，相当于南水北调东中线年调水量的三分之二。
2014年申报，2015年获批，2023年完成重组，这个依托国家能源集团，由国家能源集团神东煤炭集团与科学技术研究总院(低碳院)共建的全国重点实验室，从诞生起就面临这样一项任务：把每年未有效利用的50亿吨矿井水保住、用好。
煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室下设矿井水保护、矿井水处理和矿井水利用(矿区生态修复)三个研究方向，围绕矿井水“从哪来、怎么存、如何用”全链条展开攻关。
“全国关于井下储用水的技术标准，96%出自我们的实验室;煤矿地下水库的相关专利，60%出自我们的实验室。”中国工程院院士、煤炭开采水资源保护与利用实验室主任顾大钊说。
近年来，该实验室主导的科研成果获得国家科学技术进步奖一等奖1项、二等奖4项，中国专利金奖2项。其中，露天矿水资源保护技术获2026年度国家技术发明奖二等奖。
01
水从哪来?
被逼出来的理念转折
在地下深处，煤层上下分布着多层含水层，如同埋在地下的“水囊”。采煤时，煤层被掏空，上方的岩层垮落，产生大量裂隙。含水层里的水顺着裂隙往下渗，汇集在采空区。这就是矿井水。
煤炭行业面对的矿井水问题有着独特的“身不由己”。“只要采煤，水就一定下来，拦都拦不住。”顾大钊说。
更特殊的是，采煤不仅产生水，还会“激活”原本取不出来的水资源——藏在岩层裂隙深处的基岩裂隙水，平时打井抽都抽不出来。一旦采煤时扰动了岩层，裂隙贯通，这些水反而被释放出来，汇入采空区。
顾大钊表示：“神东煤炭集团大柳塔煤矿于1996年投产，到现在30年了，水量还是那么大，周边的基岩裂隙水一直往这边汇。某种意义上，我们不只是把水保住，还相当于‘开源’，采出了正常情况下抽不出来的水。”
在煤炭开采史上，矿井水一直被视作水害。传统做法简单直接：把水尽快排到地表，能用就用，用不了就排走。但煤炭主产区西移之后，这条路走不通了。我国西北矿区年降雨量仅三四百毫米，蒸发量却高达2500毫米。矿井水排到地面，几乎瞬间蒸发。
能不能把水堵住，不让它涌出来?这是学界提倡多年的保水开采路线。其具体做法有两种：限高开采，对厚煤层只采一半，让顶板不垮透，水就下不来;充填开采，采空后用材料填满，地层不下沉，水也下不来。
“这两条路，技术上可行，但在西部不适用。”顾大钊解释，限高开采要损失一半煤炭资源，充填开采至今最大的工作面年产能不过100万吨，而西部500万吨级以上采煤工作面比比皆是。
既然“堵”不住，不如换条路。1995年，顾大钊团队在神东矿区捕捉到一个悖论：地面极度缺水，井下却涌水不断。水排上来就被蒸发，为什么不把它存在井下?
一个全新的理念由此诞生：从“保含水层”转向“保水资源本身”。水一定会下来，那就让它下来，把它存住、用好。这正是煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室第一个攻关方向——矿井水保护。
02
水怎么存?
在地下建一座水库
“在地面建水库，找块洼地，筑一道坝，水汇进来就行。”顾大钊说，“井下完全不是一回事。采空区里全是垮落的石头，水存在石头缝里。要建坝，这个坝不仅要承受侧面水压，头上还压着几百米厚的岩层，同时扛住高矿化度水的化学腐蚀。应力场、裂隙场、渗流场、水化学场四场耦合，比在地面建水库面临更多的挑战。”
建水库之前，得算清两笔账：有多少水，能存多少。水源预测通过物探、勘探和模拟试验一体化完成。该实验室结合神东矿区约250个工作面涌水量实测数据，建立储水区涌水量预测模型。利用库容计算关键技术，基于煤矿地下水库底板高程，采用GIS(地理信息系统)准确建立煤矿地下水库三维储水空间数学模型，结合储水系数，实现库容的精准计算。
水库建在采煤形成的采空区里。煤采完后，地下遗留巨大的空间，上方岩层垮落下来把它填满，水就存在岩块缝隙里——这是“库容”所在。采煤时留设的煤柱，天然就是水库的“围墙”骨架。煤柱之间有缺口，建水库就是把这些缺口用人工坝体封住，形成密闭的储水空间。
但不是随便哪个采空区都能当水库。选址有明确依据：宜建在煤层底板低洼处，库区不能有导水构造和不良地质条件，底板岩层渗透性要低，矿井水补给要稳定，还要便于水体调配。
建坝也绝非砌一道墙。煤矿地下水库坝体主要由煤柱坝体和人工坝体组成。该实验室研发出一种楔形结构人工坝体，能把破坏性的侧向水压转化为坝体的加固力。施工工艺已经标准化：先用掏槽机在煤柱和顶底板四周掏槽，注浆加固防渗，打入锚杆、铺设工字钢和钢筋网，再连续浇筑混凝土，最后喷浆封闭。这套工艺使坝体整体安全系数提高75%，建设成本降低40%。
2024年，坝体建设形成了标准图集。“T字形、平板型，不同地质条件用不同坝型，按标准执行。”该实验室矿井水保护研究部经理张勇介绍。
走进神东矿区地下巷道，并不能直观看到水库。它们藏在巷道两侧密闭墙的后面。墙是用混凝土浇筑的人工坝体，与留设的煤柱一起，把采空区围成一个封闭空间。水就储存在里面垮落岩石的孔隙里。
“里面是什么样?你看不见，是个‘黑箱’。”张勇说。
解密“黑箱”，是该实验室保护矿井水的核心任务之一。位于北京未来科学城的实验基地内，一套被称为“镇馆之宝”的装置——煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验台，正是揭开这一谜题的关键。该试验台长10米、宽3米、高3米，是煤炭领域全球最大尺寸的相似模拟实验平台，建设投入近5600万元。它可通过等比例缩尺模型，完整模拟从煤炭开采、岩层变形、水分渗流到采空区汇集储存的全过程，相当于将整个“黑箱”搬进了实验室。
“以前凭经验摸索，现在有了这个平台，可以看清水怎么流、岩体怎么压、水位升多高会出问题。”该实验室矿井水保护研究部研发骨干吴宝杨告诉记者，“怎么选址、坝体怎么建、库容怎么算，很多关键参数都靠它‘试’出来。”
安全，是地下水库的一道红线。“井下不能出事。地面水库遇险情，人可以撤。井下有人，撤不了。”顾大钊说，该实验室为地下水库建立了“三重防控”体系。
第一重：水位控制。每个水库设安全水位，一旦逼近安全水位立刻调水到其他水库。
“地面水库出事，十之八九是水位超限把坝冲垮了。我只要管住水位，它就出不了大事。”顾大钊说。
第二重：坝体实时监测。该实验室发现并验证了煤柱含水率这个关键预警指标。
“这个值不能拍脑门定，每个矿都要单独通过试验确定。”吴宝杨说，坝体的应力、变形等参数也在实时监控之中，超过设计值立刻预警。
第三重：应急泄水。
“遇到冲击地压或矿震，压力突然升高怎么办?我们设计了像高压锅安全阀一样的装置，压力到临界点，阀门自动打开，放一点水泄压，水顺着管道流到附近的水库，不用排空整个水库。”顾大钊打了个比方，“以前井下没抽干净的水，叫‘林中虎’，不知道藏在哪，随时会伤人。现在水全收进水库，水位可控、坝体可监测、应急有手段，变成‘笼中虎’。比过去安全了。”
如今，35座地下水库星罗棋布于神东矿区井下，最大储水能力达3500万立方米——相当于两个西湖的水量;每年稳定供水7000万立方米以上，覆盖神东矿区97%的生产、生活、生态用水。
03
水如何用?
从“苦咸水”到“零浪费”
把水存住只是开始。西部许多矿井水是高盐、高氟的“苦咸水”，矿化度动辄每升上万毫克，氟化物超标好几倍，不能直接使用。
“黄河流域60%以上的矿井水存在高矿化度问题，40%左右的矿井水存在氟化物超标问题。”该实验室副主任李井峰说。
为什么越往深部水质越差?李井峰解释，一方面，地下水经过亿万年的溶解作用，含盐量高;另一方面，水在运移过程中不断与岩石发生化学反应，溶解更多矿物质。“随着浅部资源枯竭、开采深度增加，这个问题越来越突出。”李井峰说。
传统做法是抽到地面建厂处理，但成本之高让企业望而却步：1吨高矿化度水全量处理，费用约30元。对年产数千万吨煤的矿区而言，一年的水处理费可谓天文数字。这就引出了该实验的第二个攻关方向——矿井水处理。
为降低矿井水处理成本，该实验室研发出“三位一体”水质控制技术——库前预处理、库内净化、库后专项处理。
张勇解释：“矿井水进入水库之前，先过模块化预处理装置，把水里的大颗粒煤泥去掉;进水库以后，靠采空区垮落岩体实现自然净化;从水库取水时如果还不达标，可在取水口附近用模块化装置做除氟、脱盐等专项处理。三道关口各管一段，不是把所有压力都堆在最后一步。”
解题思路很巧妙：充分利用井下空间和采空区岩体的自然净化能力，把昂贵的地面工程变成低成本的井下循环。
“采空区里垮落的岩石，有点像活性炭。”李井峰解释，“水流经岩体时，悬浮物被大量吸附沉降，部分硬度离子通过离子交换去除。整个采空区，相当于一个巨型的天然预处理装置。单这一项预处理，成本降到地面工艺的三分之一到四分之一。”
经采空区自然净化后，矿井水流进中央水仓，再按不同用途分级处理。这正是该实验室第三个攻关方向——矿井水利用(矿区生态修复)。
一是水直接用于井下设备冷却和采掘工作面喷雾降尘。采煤机刀头切削煤层溅起的火星，就靠这股水压灭;巷道里弥漫的粉尘，被喷嘴喷出的这股水裹挟，尘粒随之沉降落地。
二是水供给洗煤厂补水和用于井下消防。在洗煤厂的管道里，这股水裹挟煤炭，分选出精煤;在消防管网终端，随时待命，预备着应对瓦斯聚集等突发状况。
三是将矿井水泵送至地表用于生态灌溉或外供。在神东矿区，曾经的毛乌素沙漠边缘，黑色滴灌带像毛细血管爬过沙地，矿井水顺着细孔渗出，浸润着苜蓿、沙棘和杨柴的根系。
整个链条末端也没有浪费——高盐矿井水处理产生的浓盐水副产物被加工成工业盐，真正实现“零浪费”。
矿井水处理技术还在持续迭代。针对高氟矿井水处理难题，该实验室科研团队利用矿区大量堆存的煤矸石，开发出改性煤矸石除氟剂，正在推进2万吨级除氟剂生产线和每天1万立方米的除氟工程示范，实现“以废治废”。
针对高矿化度矿井水，该实验室团队攻关井下低温多效技术——像海水淡化一样，在井下直接提取淡水供使用，浓盐水则封存于深部地层，省去了将矿井水全部提上来再处理的巨额成本。
“不是处理不了，是太贵了。”顾大钊直言，“我们的目标，是想办法把成本降下来，让企业用得起。”
在生态利用环节，该实验室提出“近自然修复”理念，不盲目大量灌溉和种树，而是讲究对矿井水利用的精准匹配。该实验室科研人员系统筛选适合不同水质的耐盐碱植物，研究采动裂隙对植被根系的影响、土壤改良剂的保水效果。他们种苜蓿、种沙棘、种高羊茅，通过对照试验寻找最优方案。
顾大钊说：“有些植被对高矿化度水耐受力强，就优先用它，省去深度处理的成本。用最少的水，匹配最合适的植物。”
如今，神东矿区的植被覆盖率已从开发之初的不足10%提升到70%以上。昔日黄沙漫天的毛乌素沙漠边缘，如今绿意成片。
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