基于绿色生态开采的我国西部生态脆弱矿区“煤-水-热”共采范式

工程（英文） ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (7) : 235 -248. DOI: 10.1016/j.eng.2024.01.019

研究论文

刘晓秀 ^a^,^b ,
曾一凡 ^a^,^b^,^c^,^* ,
武强 ^a^,^b^,^c ,
孟世豪 ^a^,^b ,
梁季月 ^a^,^b ,
侯柱平 ^a^,^b

作者信息 +

Ecological-Based Mining: A Coal-Water-Thermal Collaborative Paradigm in Ecologically Fragile Areas in Western China

Xiaoxiu Liu ^a^,^b ,
Yifan Zeng ^a^,^b^,^c^,^* ,
Qiang Wu ^a^,^b^,^c ,
Shihao Meng ^a^,^b ,
Jiyue Liang ^a^,^b ,
Zhuping Hou ^a^,^b

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Received	Accepted	Published
2023-05-24	2024-01-09
Issue Date
2024-06-14

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摘要

规模化煤炭开采造成的地下水流失加剧了中国西部生态脆弱煤炭基地水资源短缺窘境。在国家“碳达峰、碳中和”战略目标下，围绕水资源保护与利用进行绿色开采、清洁生产是西部煤炭产业优化的必要途径。本文基于矿井水/热害的资源特征，提出了一种适用于开采过程中持续进行的集约化“煤-水-热”协同共采模式。联合顶板水害防控、水热提质和深部回灌地质封存技术，实现采后伴生资源产、供、储一体化体系。针对矿山原生地质特征与充水动态过程，提出了以调整开采工艺为核心的主动防治体系和以多目标排水、注浆治理为核心的被动防治体系。针对陕西榆林矿区“天窗型”突水模式采取多目标超前疏放被动防控技术后，钻孔涌水量大幅减少50%，有效保障后续安全采煤。结合余热利用的清洁生产理念，建立矿区综合能源互补模型，分析了利用矿井水热和风热是小纪汗矿可选的供热方式，为矿区建筑供暖节约标准煤8419 t，节能率达到50.2%，降低矿区供热碳排放24.2%，具有节能环保特点。提出同质异位超深回灌技术流程，模拟评价了长期储水地质环境安全，以单井100 m³∙h^-1长期注水不会造成地层破裂和回注水泄露，每年可有效封存处理78.7万吨矿井水于刘家沟组地层。该模式为鄂尔多斯矿区矿井水管理提供了一种可行的方法，为煤炭企业绿色开采和低碳生产提供参考。

Abstract

A substantial reduction in groundwater level, exacerbated by coal mining activities, is intensifying water scarcity in western China’s ecologically fragile coal mining areas. China’s national strategic goal of achieving a carbon peak and carbon neutrality has made eco-friendly mining that prioritizes the protection and efficient use of water resources essential. Based on the resource characteristics of mine water and heat hazards, an intensive coal-water-thermal collaborative co-mining paradigm for the duration of the mining process is proposed. An integrated system for the production, supply, and storage of mining companion resources is achieved through technologies such as roof water inrush prevention and control, hydrothermal quality improvement, and deep-injection geological storage. An active preventive and control system achieved by adjusting the mining technology and a passive system centered on multi-objective drainage and grouting treatment are suggested, in accordance with the original geological characteristics and dynamic process of water inrush. By implementing advanced multi-objective drainage, specifically designed to address the “skylight-type” water inrush mode in the Yulin mining area of Shaanxi Province, a substantial reduction of 50% in water drillings and inflow was achieved, leading to stabilized water conditions that effectively ensure subsequent safe coal mining. An integrated-energy complementary model that incorporates the clean production concept of heat utilization is also proposed. The findings indicate a potential saving of 8419 t of standard coal by using water and air heat as an alternative heating source for the Xiaojihan coalmine, resulting in an impressive energy conservation of 50.2% and a notable 24.2% reduction in carbon emissions. The ultra-deep sustained water injection of 100 m³·h⁻¹ in a single well would not rupture the formation or cause water leakage, and 7.87 × 10⁵ t of mine water could be effectively stored in the Liujiagou Formation, presenting a viable method for mine-water management in the Ordos Basin and providing insights for green and low-carbon mining.

关键词

双碳目标 / 煤-水-热共采 / 生态脆弱矿区 / 矿井水防控 / 水资源利用

Key words

Dual carbon targets / Coal-water-thermal co-mining / Ecologically fragile areas / Mine-water control / Resource utilization

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刘晓秀,曾一凡,武强,孟世豪,梁季月,侯柱平. 基于绿色生态开采的我国西部生态脆弱矿区“煤-水-热”共采范式[J]. 工程（英文）, 2024, 38(7): 235-248 DOI:10.1016/j.eng.2024.01.019

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1 引言

随着我国中东部矿区浅部资源枯竭，煤炭开采重心向西部富集区转移，目前中国煤炭产量70%以上主要集中在西部生态脆弱区（图1）[1]。煤炭的高强度开采直接破坏地下含水层结构，官方统计煤炭开采与地下水破坏比例约为1∶2 [2]。开采通常伴随大量矿井水产生，调研统计中国2018年全国平均煤矿富水系数为1.87，矿井水产生量达到68.8亿立方米，全国矿井水平均仅有35%被用于煤矿工业、生活和其他用水[3]。矿井水利用率低在水资源丰度为5.52的晋陕蒙宁生态脆弱矿区尤为明显，矿化度高、水质差和处理成本高昂给西部矿井水大规模处置和利用带来挑战。

黄河流域鄂尔多斯盆地富煤少水，侏罗系煤层分布广泛，水资源短缺和水害事故类型复杂是制约该区域煤炭开发利用的重要阻碍[4]，人均水资源量仅有1318 m³，人均水资源占有量和单位面积水资源保有量仅占我国平均量的1/10。年均蒸发量远高于年均降水量。受高矿化度矿井水大规模处理成本高、采空区储水政策及区域经济发展水平等制约，除神东矿区外，该区域多数煤矿矿井水资源化利用率低于40%，每年矿井水排放量超过10亿立方米，这意味着大量矿井水不被有效利用、储存，或不再参与地下水循环[5‒6]。神东矿区利用地下采空区的空间优势，建立地下水库储存部分矿井水，满足矿区95%以上的用水需求。值得注意的是，地下水库在开采过程中的稳定性是决定这项技术安全可行性和推广的关键因素[7]。

地下水是干旱区的主要、唯一水源，是维持良好生态环境的重要水源。在中国许多富水矿井中，地下水的超前疏放是减少产水量和突水风险的最常用方法[8]，然而过度疏放水或将引发矿区土地荒漠化、地下水位下降、地面沉降等生态灾害，这将进一步降低区域生态作物固碳能力，这种趋势有悖于煤炭绿色开采的发展目标[9]。当代煤炭化学加工以高耗水、高排放为特征，加剧了煤炭开采与地下水资源之间的矛盾。鄂尔多斯盆地榆神府矿区累计水位下降超过15.0 m的面积达306.8 km²，其中79.3%的面积集中在高强度和极端开采强度区域[9]，超过地下水位自然变化，这是由采煤活动造成的。另外，环境保护部门要求矿井水零外排也促使研究人员探索新的方法，以解决当前西部生态脆弱矿区矿井水处置和利用瓶颈。

在长期的突水治理实践中，注浆治理逐渐发展成为相对先进的控水和减沉保水采煤方法[10‒11]。该方法主要通过控制导水裂隙带的发育，根据顶板含水层的失水方式和具体充填位置，可概括为覆岩注浆和采空区充填[12‒13]，填充材料被注入隔离层以重建含水层并密封渗水通道，形成的弱透水层将减弱地下水向工作面渗透的趋势。采空区充填对支护和减小煤层顶板变形具有积极作用，可有效控制顶板覆岩垮落引起的二次破坏突水。常用的充填材料有矸石充填、高水充填、水泥膏体充填等[14]。

煤炭开发和利用活动产生的碳排放量约占中国碳排放总量的80%。作为实现“双碳”目标国家战略的主要能源生产单元，煤炭开发应兼顾安全煤矿开采、生态环境保护和清洁生产的协调发展[15‒16]。在解决突水和高温热害时，转化和解放有益能源，可提高自生水热资源循环利用对低碳节能矿业发展的贡献，通过促进煤炭和清洁能源互补协同作用，有效减少能源消耗和碳排放[17‒19]。通过这种方式，煤炭开采可以从单一煤炭生产发展为煤炭和清洁能源优化组合。

Wang等评估了中国主要赋煤区的地热资源储量，建立了新能源开发框架[20‒21]，Wan等[22]通过数值模拟评价了煤层底板下地热水开采并评价了热储温度场变化。Guo等[23]结合热泵技术和余热回收技术实现矿井回风的余热利用。矿井水资源研究也从聚焦于水害治理转向梯级利用。作为非常规水资源，矿井水资源化管理逐步发展为控制、处理、利用、回灌与生态保护五位一体模式，通过连接水循环与矿区周边自然与社会经济系统，平衡矿井水害、区域水资源和矿区生态环境关联，以整体提高矿井水资源化利用率及矿区生态环境效益[24‒25]。国外一直注重发挥伴生矿井水的能源属性，利用矿井水蕴藏热能为区域供暖的能源项目已经发展成熟[26‒28]，各类工程实践表明可积极有效降低能源系统的二氧化碳排放。鄂尔多斯盆地富煤区与地热赋存区在空间上高度重合，该区域平均地温梯度为27 ºC∙km^-1，平均大地热流值为64.1 mW∙m^-2，属于较高热流背景，意味着通过利用矿井深部高温矿井水、乏风和地热资源，同步提升减碳潜力[29]。

针对西部生态脆弱地区绿色开采与伴生矿井水、地热能利用不平衡的现状，提出了基于保水开采和清洁生产理念的全时域“煤-水-热”协同共采模式。该模式旨在通过源头减量、过程资源化利用、矿井水无害化处理，实现西部矿区水热害的良性转化。并考虑利用自生清洁能源，促进工矿园区能源系统的低碳转型。本文对该模式的基本框架和关键技术进行了初步探讨，并报道了在鄂尔多斯盆地陕西榆神府矿区进行的示范试验和效果评价。

2 协同共采模式构建

2.1 概念模型

全时域“煤-水-热”协同共采模式的本质在于充分发挥煤炭及其伴生水热的各自优势，以煤矿开采全生命周期各时间节点矿井水管控、处理和利用系统为基础，结合水害防治技术及节能技术，以伴生热能作为矿区供能热源，深化煤炭与伴生资源之间的内在关联，引入耗能碳排放约束，使煤矿具备持续承载能源供给的能力。

如图2所示，“煤-水-热”协同共采模式将由源头减排、过程利用和末端封存三个主要模块构成井上井下多维立体体系，时间尺度上覆盖矿井水探、疏、治、用和排，先后经历动力突水防控、水热提质处理及尾水回灌阶段。在突水防控时期侧重于矿井水减排，表现为防治为主、降碳为辅，通过减少与排水相关的钻井材料和电力消耗来间接减少碳排放，其他阶段更注重矿井水资源被用于替代能源后的降碳能效。同样，矿井水回注储存技术将最大限度减少矿井水深度处理所消耗的电力以减少间接碳排放。该模式的全空域表现在两方面：①形成井上井下立体控水体系，井上完成地面区域抽水疏降和注浆帷幕构建，配合开展井下重点区域钻孔超前疏降；②井下深井回注封存扩展为单井同层定向分支回注、同井多层回注和多井联合回注，形成立体回灌结构。最终构建矿区水害防控、热能高效利用、水资源消纳保护一体化的绿色开发模式。

2.2 模块一：源头减排-动力突水防控一体

中国西部生态脆弱区煤厚大、埋深浅，高强度规模化开采不可避免破坏含水层结构，导水裂隙带垂向激活间接补水含水层越流动态补给，增大矿井充水危险，威胁矿井安全开采和生态水位红线[30‒31]。从地质结构整体性和矿山动态充水过程分析，衍生式动力充水模式可被总结为越流补给型和天窗补给型（图3）。

越流补给型充水的直接驱动力是直接充水含水层与间接充水含水层之间的水头差，开采扰动增强隔水层渗透性，提高导水通道过水能力，从而加大矿井涌水。天窗补给型动力突水由于存在隔水层缺失，形成天窗优势区域，一类为原生有效隔水层空间域上不完整，另一类由于采动破坏上覆顶板，导致承载力减弱，上部地层弯曲下沉形成离层空间并充水，隔水层完整性被破坏，导致隔水层薄弱区相邻含水层之间的水头差增大。导水裂隙带发育范围外的地下水汇聚并参与到矿井水涌水过程，由于天窗处直接含水层与间接含水层水力联系密切，更容易造成突发性大规模涌水。

顶板突水防治根本在于削弱导水通道透水能力，一方面对采煤方法进行调整，降低采煤扰动引起的导水裂隙带空间展布；另一方面通过超前疏降联合注浆封堵完成顶板含水层重造，削弱含水层之间的水力联系，减少回采工作面涌水量并将其控制在安全生产范围内，以达到矿井水源头减排效果。基于此，联合主动开采与被动水害防治，创新提出矿井动力突水技术质量控制流程（图4），涵盖主动与被动两种防控体系。

主动防控技术强调通过优化工作面开采方法保护含水层结构来控制工作面涌水量，本质是减少开采活动对岩体的扰动程度，以有效控制导水裂隙带发育高度，将导水带垂向扩展限制于受保护含水层的底界。控制手段取决于采矿方法和工作面参数设计，如开采宽度、煤柱尺寸和煤层厚度。选择合适的保水开采方式，如限高分层开采、条带开采、充填开采等。形成“三查、一定、两验证、两跟踪”主动防控技术流程：首先对矿区水文地质和覆岩破坏条件进行评估，确定采煤方式和工艺参数，然后联合物理模拟和数值模拟验证是否达到控水采煤要求，最后通过地表破坏程度和观测井水位变化监测回采效果[32]。

被动式防控技术体系联合采前多目标疏降技术和局部注浆治理技术，侧重于通过降低突水水源水位和切断直接与间接含水层之间水力联系实现涌水量控制和矿井水减排，减小采煤对西部矿区第四系潜水层的影响，缓和生态水资源保护与矿井安全开采之间的矛盾。①针对越流型充水模式，以多目标疏降技术[33‒35]为主：采前多目标疏放执行方案通过线性目标规划算法对受涌水量、资源量和经济约束的地下水管理模型进行求解来构建，以得到的生产安全、水资源保护和高效疏降水的多目标函数最优解集为参考，优化管理疏放钻孔布置、疏放水量及时间；②对于天窗型补给突水治理，采取联合疏降和含水层改造技术（图3），分区分时保水开采。即在采前利用不同岩层接触面对“天窗区”实施隔水层注浆重建、在采后利用采动覆岩裂隙对“采动劣化区”实施隔水层修复技术、在生产阶段对“越流区”采用基于矿井安全和生态水位保护等多目标约束的超前疏放水技术[36]。

多层位定向局部注浆治理技术流程如图4所示，从充水水源、通道、强度、充水时间和水质方面评价矿区危险性富水区与流场分布特征，结合覆岩破坏观测结果判定目标治理区域，对垮落带、离层和间接充水含水层进行垂向分层定向注浆封堵，形成上下联合治理，同步实施井下钻探检验区域治理效果，对异常区域进行补浆。根据应用现状，总结了当前的水防治技术及其优缺点，详细信息见表1 [10, 33‒34, 37‒41]。

2.3 模块二：过程降碳-水热提质关键技术

煤炭安全开采前提下，发展井上井下绿色低碳能源优势是有序降低生产能耗、提高科学产能的基本途径，提升矿区能源持续供给能力[42]，开采逐渐由单一煤炭资源向可再生能源过渡。井下热能主要赋存于矿井乏风、矿井水和围岩之中。通过煤矿生产系统进行混合型水热开发，联合井上太阳能、风能构建矿区多能源互补与调控体系对矿区用能优化改造（图5），建立以矿井水热与岩温耦合为主的综合能源系统，实现矿区能源多元开采与分级利用。该综合能源系统主要由能量采集、能量转换、能量配置和能量储存四个主要模块构成。

矿井水热采集可充分利用井下丰富水、热和空间资源，通过水源热泵开环系统或闭环系统提升矿井水热能品质作为低碳供热制冷热源，浅采矿井的高温回风对矿井水泵送起到保温层效果，减少热流体集输沿程能量耗散。随着开采深度增加，围岩热能优势逐渐凸显。为了充分利用以上热能优势，地源热泵技术可有效提取巷道围岩赋存的地热能，高温热交换技术（HEMS）、增强型地热技术、充填埋管和同轴套管换热技术相继被提出[43‒46]，水质良好的矿井涌水作为循环介质与围岩换热后完成水热提质。井上太阳能集热与空气源热泵作为辅助储能调峰矿区用热需求。

能量配置模块以热量供给平衡和能源高效利用为核心，考虑负荷时空分布不确定性、能源禀赋和传输特性、设备选型与容量配置，热能动态传输响应时间较长。设计管理模式和运行场景设计时，末端热能需求匹配遵循能量流能级平衡理论，具体的梯级利用过程为：矿井水与回风中热能经过热泵升温至80 ºC以上；高温热能可用于矿区废水膜蒸馏与多级蒸发浓缩处理、居民生活供暖和洗衣用水；30~80 ºC热能可用于制备日常洗衣用水；低于30 ºC的热能则适用于矿区农业大棚以及夏季制冷用热需求。能源监测网对用户节点温度进行监测并反馈至调控平台，实现矿井热能经高温到低温逐级提取。

2.4 模块三：末端降碳-矿井尾水深部贮存

2.4.1 多井联合超深异位贮存技术

传统的矿井水处理策略包括地表排放、反渗透脱盐、蒸发池等，然而这些解决方案面临经济以及获得向环境排放废盐水许可的挑战[47]。深井注入被认为是处理大量盐水废物的环境安全和经济可行的方法[48]，在美国和加拿大的工业和油田中应用广泛，在亚洲地区还未普遍推广，特别是在煤矿开采的矿井水管理工作中。梧桐庄煤矿是国内首次进行矿井水回灌尝试的煤矿，矿井水通过井深为1200 m的回灌井被注入奥灰含水层中，注入量为258.4 m³·h^-1[49]。

如图6所示，超出地面二次浓缩与蒸发结晶处理饱和能力的矿井水资源，经过疏导式换热器与热泵机组联合提取蕴含能量，随后被集中或分散转注于远离煤层底板的超深部地层中。通过地质环境的封闭、降解实现矿井水异位保护与资源化长期存储。结合辅助井孔水位监测、微地震监测和测井反演，辨识注入水方向性水进、层间突进以及注水井吸水剖面指状吸水特征。考虑三种回灌井群布置方案：（I）轨道式、（II）棋盘式和（III）对角矩阵集中式（图6）。井间间距与回灌井群运行数量根据矿井水处理需求与回灌效果进行决策调控。

注水体安全贮存已成为深井灌注持续运行的重要前提，宏观层面以注水动力对储盖层结构安全稳定性影响为主，考虑回注压力、储层吸水能力约束：回注压力大于目标注水地层压力，同时小于目标层到煤层底板岩层隔水压力；储层吸水能力不足时，根据地层岩性特征实施射孔、压裂等增透处理；可持续安全回注需同时满足上述约束条件。细观层面，物理堵塞和水岩作用诱发低渗致密砂岩地层吸水能力衰减不可忽略，包括水敏、速敏、盐敏发生的注水损伤。提出使用水质准数来确定与储层匹配的水质决策界限[50]。

2.4.2 基于代理模型的注水参数优化设计

如图7所示深井灌注优化流程可被概括为：首先针对目标储层开展储水综合性能研判与优选，目标储层需要满足地层完整、可渗透、储存有效性和地球化学的原则，需要考虑水文地质条件、历史钻井记录和储层特征参数（岩石基质孔隙度、渗透率、裂缝发育等）；确定优选参数后，根据多层段储层单元物性与微观渗流特征，实施多级定向水力压裂精准增透处理；最后利用深层注水数值模拟不同布井方式（I/II/III）、不同注入方案（定速、间歇定速、间歇变速注入速率）条件下注水效果可视化分析，动态反馈回灌参数优化设计，以井底压力、回注水位和注水量为主反映储水层对回注参数的响应关系。

深井灌注参数优化基于代理模型进行设计，将试验设计和响应面方法纳入数值模拟。由于储层参数不确定性超出人工调控范围，优化重点集中于注入速度、井距参数。如图7所示，完成注水区域三维地质建模后，选择可能决定回灌持续性的关键参数（包括流量、井距、水质、温度等），根据地质条件和生产条件确定各参数水平范围。根据设计的试验矩阵运行数值模拟，对储层响应性数据进行回归统计分析后，基于加点准则构建控制参数与储层响应之间的代理模型。最后，利用多响应优化方法确定最优参数设置组合，实现提高高矿化度矿井水回注效率的同时，避免诱发储层顶板破裂、结垢堵塞等地层损伤。

3 应用案例与分析

3.1 动力突水被动防控示范

3.1.1 水文地质条件

曹家滩井田位于鄂尔多斯榆神府矿区内，占地面积为5298 km²，#2‒2煤层为主采煤层，厚度为11.55~2.03 m，平均为11.8 m。主煤层以上主要含水层为第四系孔隙潜水含水层、风化基岩孔隙裂隙含水层和基岩裂隙含水层，矿区西部存在红土隔水层剥蚀缺失区，属于典型的天窗补给型突水模式。如图8所示，122108和122109工作面回采完毕后涌水量分别稳定在350 m³∙h^-1和650 m³∙h^-1，其来源以第四系潜水含水层越流补给和风化基岩含水层侧向补给为主。122107工作面涌水量自开采以来持续增大，当前涌水量已超过700 m∙h^-1。实际回采过程中，在距离切眼1600 m和1900 m处均发生涌水量骤增现象。根据水害危险性评价划分，距切眼2500 m内均为危险区，需要进行探查疏放。

3.1.2 多目标超前疏放

以122107工作面疏放水量、疏放钻孔位置和疏放时间优化设置为采前多目标管理，限制矿井涌水量以保证生产安全，同时控制第四系潜水含水层越流补给，保护生态环境。结合曹家滩矿区富水性分区、涌水特征和红土厚度分布特征，通过0~1整数规划进行疏降钻孔方案设计，在直接充水含水层的红土隔水层缺失区等间距设置10个疏降水控制结点，分别为红土缺失区中心、边缘、1.5 m厚处、2.6 m厚处和3.7 m厚处（图9），管理周期以煤层回采至距切眼2000 m处为限设置为12个月，分为四个管理阶段。设置单孔疏水量为10 m³∙h^-1、20 m³∙h^-1、30 m³∙h^-1、40 m³∙h^-1、50 m³∙h^-1，获得地下水单位脉冲响应矩阵，在此基础上设置涌水量约束和越流量约束，疏降钻孔成本设置为经济约束，从而构建超前疏放水多目标管理模型[33‒34]。

根据122109工作面前期疏降水工作，设计等间距布设疏水孔为20个、单孔疏放水量为30 m³∙h^-1的多孔同步疏水方案。与多目标管理模型优化方案进行对比，优化方案相比传统方案疏放孔数量减少50%，单孔平均疏降水量略微增加，单位时间平均总疏降水量减少42.60%，平均涌水量减少10.35%，平均越流增加量减少52.09%（表2）。即在优化方案中，疏放钻孔与疏放水量均减半的情况下，平均涌水减少量基本持平，而大幅减少了越流增加量。

对122109工作面进行注浆控水处理。目的层位于煤层顶板顶部风化基岩以下15 m处，注浆孔采用小分支直孔与水平孔相结合的方式。以矿井涌水量作为评价灌浆效果的直接指标。122109工作面涌水量呈明显持续下降趋势。经过两个月的灌浆工作，进水量从456 m³·h^-1减少到273 m³·h^-1，减少40%。

3.2 高矿化度矿井水异位存储示范

3.2.1 水文地质条件

小纪汗矿井田位于陕北侏罗纪煤田榆横矿区东北部，近三年涌水量为1280~1650 m³·h^-1。矿井涌水与高浓度浓盐水起初被存入采空区，但由于某切眼处存在渗漏，造成矿井排水矿化度升高和水量增多，超出蒸发结晶系统额定处理能力，加重矿井水处理负担。借鉴鄂尔多斯盆地现有油气田废水回注项目，初步尝试利用深井灌注技术解决该窘境，目标储层选择普遍存在区域性井漏现象的三叠系刘家沟组砂岩地层。

图10为小纪汗矿井田下部刘家沟组综合柱状图，发育了中粗、细、粉砂岩和泥岩互层。扫描电子显微镜测试表明，石英和长石为主导矿物，均发育微裂隙，岩性界面水平裂缝连通性良好，有利于形成矿井水优势渗流。浅侧电阻率测井曲线显示，地层垂向非均质性明显，局部岩层发育垂直裂隙带和纵向破碎带，天然与人为形成的导水裂缝可增强刘家沟组作为回灌目的层的储水能力。刘家沟组地层地下水流量少，原岩状态下刘家沟组渗透系数为5.31 × 10^-6 m∙d^-1 [51]，经估算回灌目的层每年可安全储存7.87 × 10⁵ t高矿化度矿井水。

图11（a）为小纪汗矿井水与刘家沟组地层原水水质Piper图，矿井原水化学类型主要为SO₄-Na·Ca型，平均溶解性总固体（TDS）浓度为3487 mg∙L^-1。刘家沟组地层水为Cl-Ca·Na型并表现出极高的盐度（TDS浓度达到64 000 mg∙L^-1），高于预回灌矿井水（RO2）矿化度浓度53 000 mg∙L^-1，总体呈现“良水回灌”。流体的化学成分列入表3。采用饱和指数法（SI）和稳定指数法（SAI）预测50 ºC地温环境下回注水与地层水结垢（碳酸钙）趋势：两者含碳酸氢根离子浓度均低，水质稳定，无结垢趋势。

利用Phreeqc软件分析混合配伍性结果如图11（b）所示（无任何沉淀/溶解反应），回灌水的水量、水质以及温度共同决定地层矿物溶解度以及饱和指数大小。当饱和指数处于-0.3 ≤ SI ≤0.3区间时认为矿物相处于热力学平衡[52]。随着回灌水的注入，刘家沟组地层中文石、方解石和白云石溶解趋势降低；混合比例为5∶5时，方解石由溶解状态转为沉淀状态，沉淀趋势不断上升。回灌水含量越高即近注水井处水温越低，碳酸盐沉淀不稳定，所讨论地层矿物在回灌水饱和状态下趋向溶解，容易产生内源性悬浮颗粒对深部地层的堵塞损伤。

3.2.2 深井灌注效果

根据水文地质资料和现场调查，建立了研究区矿井水深井注入模型，以评估刘家沟组地层的注入和储存性能。研究区模型大小为1000 m × 1000 m × 400 m，目标回灌层垂向深度范围为-1700~-2000 m，有效注水段对应于刘家沟组地层厚度。边界条件设置为Dirchlet边界，回注井与含水层接触面处压力与流速连续，回灌层顶部和底部为隔水边界，初始条件为静水压力梯度分布，回注水在地层中遵循达西渗流。模型参数设定根据文献和项目工程数据[53]。目的层的水文地质性质为：渗透系数k为6.31 × 10^-14 m²；孔隙度n为0.05；给水度S设定为5；初始水位为-200 m；注水井半径为0.1 m。承压含水层被假定为均匀层状介质，地质构造中的均匀孔隙度假定为5%。

注水压力和水力扩散半径作为深井注水的安全判据。图12展示了定流量100 m³∙h^-1持续注水过程中含水层水压力动态变化，回注水经由回灌段进入含水层会消耗大量动能，叠加多孔介质阻力作用，注水段周围地下水水位不断被抬升，形成以注水井为中心的水丘；回灌层底界距离注水孔越远，回灌压力逐渐衰减。持续回注十年后回注井中心处稳定水压为23.9 MPa，采用突水系数法计算上部煤层底板突水系数为0.015 MPa，低于0.06 MPa的安全上限，表明深部注水不会对上部煤炭资源构成威胁。注入后地层压力低于饱和岩石抗压强度（32 MPa），因此，注入水不会破坏岩层并泄漏到上部含水层中。

4 基于矿井水利用和回注的碳减排

4.1 低碳模式的矿井水资源配置

矿井水具有环境污染和资源利用双重属性，同时具有碳排放和碳减排或固碳特征。基于能源替代的矿井水零排放是一种旨在有效处理矿井水和优化矿井水利用的管理策略，具有最大限度减少环境污染和提高煤炭开采可持续性的双重功能[54]。第2节阐述了矿井水减量化、资源化和无害化的主要过程和关键阶段，讨论了各阶段消耗电、水、燃料等资源产生的直接和间接碳排放。矿井水控制和资源化利用的间接减碳效果是低碳矿山建设的关键。共采模式下，矿井水被视为非常规水资源被减量、回收、利用和回注储存。煤炭开采过程中，通过能源回收替代原材料实现减碳并通过地下水循环保护增大陆地生态系统的“固碳”能力。图13描绘了共采全过程的碳减排。

取水、输水、用水和注水过程中耗能直接影响煤炭矿区二氧化碳间接排放当量，目前矿井水资源管理过程中忽略了热循环和碳循环耦合。矿区“水-热-碳”耦合模式下矿井水利用配置模型构建，首先在于明确各用水、用热单元之间的平衡关系，其次对各节点对应的水资源量、用热量和碳排放量进行分配计算。基于能源替代低碳模式下的矿井水资源配置模型初步构建如下：

（1）矿区资源供需单元识别。矿井水源侧（i）主要为探放水、工作面涌水与采空区排水，配水部门（j）为工业用水、生活用水、生态用水和回灌用水。在不设计地面清洁能源辅助蓄热调节的情况下，考虑利用矿井回风与矿井水热为主要热源（m），用热末端（n）主要包括建筑采暖、热水制备与井筒预热防冻。

（2）配置目标。以矿区自生水、热资源替代获取的净效益和生产单元碳排放量为关键目标因子，构建目标函数。

f = f 1 (x), f 2 (x)

（1）

f 1 (x) = m a x ∑ j = 1 J ∑ i = 1 I (a i j - c i j) Q i j + ∑ n = 1 N ∑ m = 1 M (a m n - c m n) Q m n f 2 (x) = m i n ∑ t = 1 T ∑ m = 1 M (Q p r o C r e l a e s e - Q i n j C c a p t u r e)

（2）

式中，f ₁(x)为经济目标函数，f ₂(x)为碳的净排放量函数；a_ij 为第i种水源向第j用户提供用水的供能效益系数，i和j分别代表总水源和用水户；a_mn 为第m种热源向第n用户提供用热的供能效益系数，m和n分别代表热源和热用户的数量；c为单位供能成本系数，c_ij和c_mn 分别表示供水和供热的单位供能成本系数；Q_ij和Q_mn 分别为水、热资源供应量；C _relaese和C _capture分别为单方水的碳排放量、碳捕获量；Q _pro为生产水量；Q _inj为用于生态保护的用水量，包括生态基流补充与回灌恢复地下水位等；T为总管理周期。

（3）约束条件。①能源供需约束：矿井水生产能力保证矿区用水刚性需求；②生态约束：系统运行水位降深不超过最大允许降深；③最低热能保证率约束；④碳水关系指数约束：

Q w' ≤ ∑ j = 1 J Q i j ≤ Q w'' s (k, t) ≤ ∑ n = 1 N ∑ t = 1 T ∑ j = 1 J Q i j (x, t) β (k, x, t) ≤ s' (k, t) ∑ t = 1 T Q m n ≤ Q h' ∑ t = 1 T C = Q i j C r e l e a s e - Q i n j C c a p t u r e

（3）

式中，Q _w ΄表示管理矿区用水需求量；Q _w "代表管理矿区最大允许开发水量；s(k,t)和s΄(k,t)分别表示约束点k在t时段的最小和最大允许降深；β(k,x,t)为水位降深单位脉冲函数，表示在设计开采点x抽排水时，约束点k在第t时段所产生的降深；Q _h ΄为矿区总热负荷；C为系统总碳排放量，包括耗能与非耗能碳排放，通过吨煤产水与吨煤耗能进行转换计算。

4.2 矿井水清洁利用的减碳潜力

小纪汗矿当前排水量为1445 m³∙h^-1，矿井排水和排风温度分别为20 °C和25 °C。在不设计地面清洁能源和深部地热辅助蓄热调节的情况下，矿井回风和矿井水余热的清洁利用为传统的燃煤锅炉供暖提供了一种可行的替代方案。相应的设备配置包括燃煤锅炉、余热锅炉、矿井水源热泵、空气源热泵等。为了评估这些方法的有效性，考虑了三种情况：

场景1：只考虑矿井回风的综合利用；

场景2：只考虑矿井水热的综合利用；

场景3：考虑矿井回风和矿井水热的综合利用。

矿区所在地年平均气温为13 ℃，矿区供热总负荷为32.5 MW。将所在地全年划分为冬季供暖季（144 d）、夏季供冷季（120 d）和过渡季。取矿井水源热泵性能系数（COP）值为5，小纪汗矿井水蕴藏可利用热能根据等式（4）计算[55]，获得热泵机组压缩机做功后水源热泵供暖侧输出热能为11.7 MW；同理，矿井乏风源热泵侧可输出热能为18.2 MW；按居民建筑供暖面积热指标70 W∙m^-2计算，可为当地42.9万平方米的面积建筑供暖。在冬季供暖季，煤矿能源系统的热能需求优先通过矿井水与回风余热来满足，而仅利用回风热能供热存在热能缺口。考虑设备能量转换效率和不同类型负荷供能分配，应综合利用衍生能源以消除热能供应缺额。

H = Q h 1 - 1 / C O P E h = Q h × 0.315 E E R × 1000

（4）

式中，EER为能效比；H为供热负荷；Q _h为冬季供热量；E _h为空调系统冬季能耗。

以制热工况系统能效比EER为5计算热泵系统冬季能源消耗量，与燃煤锅炉相比，该系统每年可节约标准煤8419 t，冬季供暖期内热泵系统年节能率达到50.2%。经估算，相对于矿区用能总排放量，利用热泵提取矿区低品位热能可直接减少生产用能碳排放48 965.4 t（24.2%），释放碳排放权价值约220.34万元，同时有效减少其他污染气体排放，节能减排效益显著。

5 结论

西部生态脆弱矿区煤炭开采与生态环境之间矛盾日益明显，寻求全生命周期低碳化“煤-水-热”协同开采范式对于调整优化煤炭企业和生态环境的关系具有重要意义。

（1）围绕“煤-水-热”多资源共采提出了矿井水减量降碳模式，基于矿井安全与生态水资源保护、低碳化等多目标约束，形成主/被动矿井水防控、矿区多能互补供热和超深异位储存技术体系，完成矿井水的源头控制减量、中端热能提质利用、末端回灌深储处置，最终实现煤炭低碳生产、热能高效利用、水资源保护利用消纳一体化的绿色开发。

（2）对榆神府矿区存在“天窗型”突水的煤矿为例，提出并实施基于多目标约束的矿井水超前疏放被动防控技术后，解放了原有一半钻孔数量，单位时间平均总疏降水量减少42.60%，平均涌水量减少10.35%，涌水量稳定，表明该方法对于保证安全开采是有效的。

（3）初步基于遗传算法建立了低碳模式下矿井水管理模型，分析了矿井水利用和处置的碳减排效果。小纪汗矿利用丰富的水热、风热资源，较现有燃煤锅炉减少标准煤消耗8419 t，相应年减少碳_{排放48 965.4 t，供热碳排放减少24.2%。评价了小纪汗矿高矿化度矿井水的蓄水潜力，确定了小纪汗矿高矿化度矿井水的安全蓄水量为7.87 × 10⁵ t∙a^-1。}

在未来的研究中，矿区之间矿井水的协同配置与利用理念将得到进一步发展；基于现有矿井水减量降碳概念，将考虑以地面风、光、热能辅助矿井水多模式梯级协同利用技术的研发。另外包括建立该模式下碳排放强度核算理论体系以定量预测“煤-水-热”共采模式下的碳排放，以及基于情景分析研判长时间周期减碳演变和潜力。

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