一邊是口渴的大地，一邊是流失的水源。

這是山西、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏、新疆五省(自治區(qū))煤炭開采面臨的一對矛盾，也是國家能源集團煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室從成立第一天起就面對的攻堅任務(wù)。

上述五省(自治區(qū))每年貢獻全國八成以上的煤炭，但其產(chǎn)煤區(qū)的水資源總量不到全國的1%。

我國煤炭生產(chǎn)每年產(chǎn)生的礦井水約80億噸，其中50億噸礦井水沒有得到有效利用，相當于南水北調(diào)東中線年調(diào)水量的三分之二。

2014年申報，2015年獲批，2023年完成重組，這個依托國家能源集團，由國家能源集團神東煤炭集團與科學技術(shù)研究總院(低碳院)共建的全國重點實驗室，從誕生起就面臨這樣一項任務(wù)：把每年未有效利用的50億噸礦井水保住、用好。

煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室下設(shè)礦井水保護、礦井水處理和礦井水利用(礦區(qū)生態(tài)修復(fù))三個研究方向，圍繞礦井水“從哪來、怎么存、如何用”全鏈條展開攻關(guān)。

“全國關(guān)于井下儲用水的技術(shù)標準，96%出自我們的實驗室;煤礦地下水庫的相關(guān)專利，60%出自我們的實驗室。”中國工程院院士、煤炭開采水資源保護與利用實驗室主任顧大釗說。

近年來，該實驗室主導(dǎo)的科研成果獲得國家科學技術(shù)進步獎一等獎1項、二等獎4項，中國專利金獎2項。其中，露天礦水資源保護技術(shù)獲2026年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。

01

水從哪來?

被逼出來的理念轉(zhuǎn)折

在地下深處，煤層上下分布著多層含水層，如同埋在地下的“水囊”。采煤時，煤層被掏空，上方的巖層垮落，產(chǎn)生大量裂隙。含水層里的水順著裂隙往下滲，匯集在采空區(qū)。這就是礦井水。

煤炭行業(yè)面對的礦井水問題有著獨特的“身不由己”。“只要采煤，水就一定下來，攔都攔不住。”顧大釗說。

更特殊的是，采煤不僅產(chǎn)生水，還會“激活”原本取不出來的水資源——藏在巖層裂隙深處的基巖裂隙水，平時打井抽都抽不出來。一旦采煤時擾動了巖層，裂隙貫通，這些水反而被釋放出來，匯入采空區(qū)。

顧大釗表示：“神東煤炭集團大柳塔煤礦于1996年投產(chǎn)，到現(xiàn)在30年了，水量還是那么大，周邊的基巖裂隙水一直往這邊匯。某種意義上，我們不只是把水保住，還相當于‘開源’，采出了正常情況下抽不出來的水。”

在煤炭開采史上，礦井水一直被視作水害。傳統(tǒng)做法簡單直接：把水盡快排到地表，能用就用，用不了就排走。但煤炭主產(chǎn)區(qū)西移之后，這條路走不通了。我國西北礦區(qū)年降雨量僅三四百毫米，蒸發(fā)量卻高達2500毫米。礦井水排到地面，幾乎瞬間蒸發(fā)。

能不能把水堵住，不讓它涌出來?這是學界提倡多年的保水開采路線。其具體做法有兩種：限高開采，對厚煤層只采一半，讓頂板不垮透，水就下不來;充填開采，采空后用材料填滿，地層不下沉，水也下不來。

“這兩條路，技術(shù)上可行，但在西部不適用。”顧大釗解釋，限高開采要損失一半煤炭資源，充填開采至今最大的工作面年產(chǎn)能不過100萬噸，而西部500萬噸級以上采煤工作面比比皆是。

既然“堵”不住，不如換條路。1995年，顧大釗團隊在神東礦區(qū)捕捉到一個悖論：地面極度缺水，井下卻涌水不斷。水排上來就被蒸發(fā)，為什么不把它存在井下?

一個全新的理念由此誕生：從“保含水層”轉(zhuǎn)向“保水資源本身”。水一定會下來，那就讓它下來，把它存住、用好。這正是煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室第一個攻關(guān)方向——礦井水保護。

02

水怎么存?

在地下建一座水庫

“在地面建水庫，找塊洼地，筑一道壩，水匯進來就行。”顧大釗說，“井下完全不是一回事。采空區(qū)里全是垮落的石頭，水存在石頭縫里。要建壩，這個壩不僅要承受側(cè)面水壓，頭上還壓著幾百米厚的巖層，同時扛住高礦化度水的化學腐蝕。應(yīng)力場、裂隙場、滲流場、水化學場四場耦合，比在地面建水庫面臨更多的挑戰(zhàn)。”

建水庫之前，得算清兩筆賬：有多少水，能存多少。水源預(yù)測通過物探、勘探和模擬試驗一體化完成。該實驗室結(jié)合神東礦區(qū)約250個工作面涌水量實測數(shù)據(jù)，建立儲水區(qū)涌水量預(yù)測模型。利用庫容計算關(guān)鍵技術(shù)，基于煤礦地下水庫底板高程，采用GIS(地理信息系統(tǒng))準確建立煤礦地下水庫三維儲水空間數(shù)學模型，結(jié)合儲水系數(shù)，實現(xiàn)庫容的精準計算。

水庫建在采煤形成的采空區(qū)里。煤采完后，地下遺留巨大的空間，上方巖層垮落下來把它填滿，水就存在巖塊縫隙里——這是“庫容”所在。采煤時留設(shè)的煤柱，天然就是水庫的“圍墻”骨架。煤柱之間有缺口，建水庫就是把這些缺口用人工壩體封住，形成密閉的儲水空間。

但不是隨便哪個采空區(qū)都能當水庫。選址有明確依據(jù)：宜建在煤層底板低洼處，庫區(qū)不能有導(dǎo)水構(gòu)造和不良地質(zhì)條件，底板巖層滲透性要低，礦井水補給要穩(wěn)定，還要便于水體調(diào)配。

建壩也絕非砌一道墻。煤礦地下水庫壩體主要由煤柱壩體和人工壩體組成。該實驗室研發(fā)出一種楔形結(jié)構(gòu)人工壩體，能把破壞性的側(cè)向水壓轉(zhuǎn)化為壩體的加固力。施工工藝已經(jīng)標準化：先用掏槽機在煤柱和頂?shù)装逅闹芴筒郏{加固防滲，打入錨桿、鋪設(shè)工字鋼和鋼筋網(wǎng)，再連續(xù)澆筑混凝土，最后噴漿封閉。這套工藝使壩體整體安全系數(shù)提高75%，建設(shè)成本降低40%。

2024年，壩體建設(shè)形成了標準圖集。“T字形、平板型，不同地質(zhì)條件用不同壩型，按標準執(zhí)行。”該實驗室礦井水保護研究部經(jīng)理張勇介紹。

走進神東礦區(qū)地下巷道，并不能直觀看到水庫。它們藏在巷道兩側(cè)密閉墻的后面。墻是用混凝土澆筑的人工壩體，與留設(shè)的煤柱一起，把采空區(qū)圍成一個封閉空間。水就儲存在里面垮落巖石的孔隙里。

“里面是什么樣?你看不見，是個‘黑箱’。”張勇說。

解密“黑箱”，是該實驗室保護礦井水的核心任務(wù)之一。位于北京未來科學城的實驗基地內(nèi)，一套被稱為“鎮(zhèn)館之寶”的裝置——煤炭開采地下水運移與保護綜合智能試驗臺，正是揭開這一謎題的關(guān)鍵。該試驗臺長10米、寬3米、高3米，是煤炭領(lǐng)域全球最大尺寸的相似模擬實驗平臺，建設(shè)投入近5600萬元。它可通過等比例縮尺模型，完整模擬從煤炭開采、巖層變形、水分滲流到采空區(qū)匯集儲存的全過程，相當于將整個“黑箱”搬進了實驗室。

“以前憑經(jīng)驗摸索，現(xiàn)在有了這個平臺，可以看清水怎么流、巖體怎么壓、水位升多高會出問題。”該實驗室礦井水保護研究部研發(fā)骨干吳寶楊告訴記者，“怎么選址、壩體怎么建、庫容怎么算，很多關(guān)鍵參數(shù)都靠它‘試’出來。”

安全，是地下水庫的一道紅線。“井下不能出事。地面水庫遇險情，人可以撤。井下有人，撤不了。”顧大釗說，該實驗室為地下水庫建立了“三重防控”體系。

第一重：水位控制。每個水庫設(shè)安全水位，一旦逼近安全水位立刻調(diào)水到其他水庫。

“地面水庫出事，十之八九是水位超限把壩沖垮了。我只要管住水位，它就出不了大事。”顧大釗說。

第二重：壩體實時監(jiān)測。該實驗室發(fā)現(xiàn)并驗證了煤柱含水率這個關(guān)鍵預(yù)警指標。

“這個值不能拍腦門定，每個礦都要單獨通過試驗確定。”吳寶楊說，壩體的應(yīng)力、變形等參數(shù)也在實時監(jiān)控之中，超過設(shè)計值立刻預(yù)警。

第三重：應(yīng)急泄水。

“遇到?jīng)_擊地壓或礦震，壓力突然升高怎么辦?我們設(shè)計了像高壓鍋安全閥一樣的裝置，壓力到臨界點，閥門自動打開，放一點水泄壓，水順著管道流到附近的水庫，不用排空整個水庫。”顧大釗打了個比方，“以前井下沒抽干凈的水，叫‘林中虎’，不知道藏在哪，隨時會傷人。現(xiàn)在水全收進水庫，水位可控、壩體可監(jiān)測、應(yīng)急有手段，變成‘籠中虎’。比過去安全了。”

如今，35座地下水庫星羅棋布于神東礦區(qū)井下，最大儲水能力達3500萬立方米——相當于兩個西湖的水量;每年穩(wěn)定供水7000萬立方米以上，覆蓋神東礦區(qū)97%的生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水。

03

水如何用?

從“苦咸水”到“零浪費”

把水存住只是開始。西部許多礦井水是高鹽、高氟的“苦咸水”，礦化度動輒每升上萬毫克，氟化物超標好幾倍，不能直接使用。

“黃河流域60%以上的礦井水存在高礦化度問題，40%左右的礦井水存在氟化物超標問題。”該實驗室副主任李井峰說。

為什么越往深部水質(zhì)越差?李井峰解釋，一方面，地下水經(jīng)過億萬年的溶解作用，含鹽量高;另一方面，水在運移過程中不斷與巖石發(fā)生化學反應(yīng)，溶解更多礦物質(zhì)。“隨著淺部資源枯竭、開采深度增加，這個問題越來越突出。”李井峰說。

傳統(tǒng)做法是抽到地面建廠處理，但成本之高讓企業(yè)望而卻步：1噸高礦化度水全量處理，費用約30元。對年產(chǎn)數(shù)千萬噸煤的礦區(qū)而言，一年的水處理費可謂天文數(shù)字。這就引出了該實驗的第二個攻關(guān)方向——礦井水處理。

為降低礦井水處理成本，該實驗室研發(fā)出“三位一體”水質(zhì)控制技術(shù)——庫前預(yù)處理、庫內(nèi)凈化、庫后專項處理。

張勇解釋：“礦井水進入水庫之前，先過模塊化預(yù)處理裝置，把水里的大顆粒煤泥去掉;進水庫以后，靠采空區(qū)垮落巖體實現(xiàn)自然凈化;從水庫取水時如果還不達標，可在取水口附近用模塊化裝置做除氟、脫鹽等專項處理。三道關(guān)口各管一段，不是把所有壓力都堆在最后一步。”

解題思路很巧妙：充分利用井下空間和采空區(qū)巖體的自然凈化能力，把昂貴的地面工程變成低成本的井下循環(huán)。

“采空區(qū)里垮落的巖石，有點像活性炭。”李井峰解釋，“水流經(jīng)巖體時，懸浮物被大量吸附沉降，部分硬度離子通過離子交換去除。整個采空區(qū)，相當于一個巨型的天然預(yù)處理裝置。單這一項預(yù)處理，成本降到地面工藝的三分之一到四分之一。”

經(jīng)采空區(qū)自然凈化后，礦井水流進中央水倉，再按不同用途分級處理。這正是該實驗室第三個攻關(guān)方向——礦井水利用(礦區(qū)生態(tài)修復(fù))。

一是水直接用于井下設(shè)備冷卻和采掘工作面噴霧降塵。采煤機刀頭切削煤層濺起的火星，就靠這股水壓滅;巷道里彌漫的粉塵，被噴嘴噴出的這股水裹挾，塵粒隨之沉降落地。

二是水供給洗煤廠補水和用于井下消防。在洗煤廠的管道里，這股水裹挾煤炭，分選出精煤;在消防管網(wǎng)終端，隨時待命，預(yù)備著應(yīng)對瓦斯聚集等突發(fā)狀況。

三是將礦井水泵送至地表用于生態(tài)灌溉或外供。在神東礦區(qū)，曾經(jīng)的毛烏素沙漠邊緣，黑色滴灌帶像毛細血管爬過沙地，礦井水順著細孔滲出，浸潤著苜蓿、沙棘和楊柴的根系。

整個鏈條末端也沒有浪費——高鹽礦井水處理產(chǎn)生的濃鹽水副產(chǎn)物被加工成工業(yè)鹽，真正實現(xiàn)“零浪費”。

礦井水處理技術(shù)還在持續(xù)迭代。針對高氟礦井水處理難題，該實驗室科研團隊利用礦區(qū)大量堆存的煤矸石，開發(fā)出改性煤矸石除氟劑，正在推進2萬噸級除氟劑生產(chǎn)線和每天1萬立方米的除氟工程示范，實現(xiàn)“以廢治廢”。

針對高礦化度礦井水，該實驗室團隊攻關(guān)井下低溫多效技術(shù)——像海水淡化一樣，在井下直接提取淡水供使用，濃鹽水則封存于深部地層，省去了將礦井水全部提上來再處理的巨額成本。

“不是處理不了，是太貴了。”顧大釗直言，“我們的目標，是想辦法把成本降下來，讓企業(yè)用得起。”

在生態(tài)利用環(huán)節(jié)，該實驗室提出“近自然修復(fù)”理念，不盲目大量灌溉和種樹，而是講究對礦井水利用的精準匹配。該實驗室科研人員系統(tǒng)篩選適合不同水質(zhì)的耐鹽堿植物，研究采動裂隙對植被根系的影響、土壤改良劑的保水效果。他們種苜蓿、種沙棘、種高羊茅，通過對照試驗尋找最優(yōu)方案。

顧大釗說：“有些植被對高礦化度水耐受力強，就優(yōu)先用它，省去深度處理的成本。用最少的水，匹配最合適的植物。”

如今，神東礦區(qū)的植被覆蓋率已從開發(fā)之初的不足10%提升到70%以上。昔日黃沙漫天的毛烏素沙漠邊緣，如今綠意成片。