第17屆中國(guó)專(zhuān)利獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)名單上，“一種礦井地下水的分布式利用方法”榮獲中國(guó)專(zhuān)利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)，成為自1989年該獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立以來(lái)煤炭行業(yè)獲得的第三個(gè)中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)。
今年9月國(guó)家科技部公布了第三批企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)名單，神華集團(tuán)“煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式獲批，成為整個(gè)煤炭行業(yè)僅有的8個(gè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一！
赫赫榮譽(yù)和卓越的科技創(chuàng)新水平，將這個(gè)二十年來(lái)專(zhuān)注如一，行事低調(diào)的團(tuán)隊(duì)——神華集團(tuán)“煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)利用與地表生態(tài)修復(fù)”科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶進(jìn)了公眾的視野。
需求引領(lǐng)換思維——著力將礦井水有效儲(chǔ)存
我國(guó)人均水資源量?jī)H占世界的四分之一左右，且水資源分布嚴(yán)重不均。水資源既是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，也是全球緊缺的重要戰(zhàn)略資源。
據(jù)中國(guó)工程院院士、煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任顧大釗介紹，中國(guó)西部的晉、陜、蒙、寧、甘五個(gè)省區(qū)，煤炭?jī)?chǔ)量占我國(guó)探明的三分之二左右，產(chǎn)量占全國(guó)的70%左右，但水資源量?jī)H占3.9%。水資源短缺、生態(tài)脆弱和煤炭資源開(kāi)發(fā)利用之間存在巨大矛盾。
煤炭開(kāi)采過(guò)程中，每生產(chǎn)1噸煤平均產(chǎn)生2噸礦井水，我國(guó)煤炭年產(chǎn)量約38億噸，每年約產(chǎn)生礦井水80億噸。但礦井水利用率僅為25%左右，尤其西部礦區(qū)，蒸發(fā)量是年降雨量的6倍左右，大量礦井水外排后很快蒸發(fā)損失。“水資源短缺已成為我國(guó)西部煤炭開(kāi)發(fā)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸，如何保護(hù)利用好寶貴的礦井水資源意義重大。”顧大釗說(shuō)道。
作為團(tuán)隊(duì)核心人物，顧大釗早在20年前，就已經(jīng)意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，并和其團(tuán)隊(duì)開(kāi)始進(jìn)行煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)利用項(xiàng)目的技術(shù)研發(fā)。從此理論與實(shí)踐并行，無(wú)數(shù)次模擬分析，無(wú)數(shù)個(gè)加班日夜。“顧院士經(jīng)常加班，甚至是周末都在集團(tuán)，導(dǎo)致我們集團(tuán)的保安都認(rèn)識(shí)顧院士”這是神華集團(tuán)內(nèi)部關(guān)于顧大釗的一個(gè)“小段子”。
科技創(chuàng)新和技術(shù)研發(fā)不能靠運(yùn)氣，他們從1996年開(kāi)始研發(fā)這個(gè)項(xiàng)目，設(shè)想了三條技術(shù)路：一是想辦法在煤炭開(kāi)采過(guò)程中不產(chǎn)生礦井水；二是如果避免不了礦井水，能不能把水存在地面；三是把水存在井下。三條技術(shù)路線同時(shí)進(jìn)行。
為了不產(chǎn)生礦井水，團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)想過(guò)充填開(kāi)采技術(shù)和限高開(kāi)采技術(shù)，但都會(huì)造成大量煤炭資源無(wú)法開(kāi)采。也就是說(shuō)想要在西部大規(guī)模、高效率開(kāi)采煤炭，必然產(chǎn)生礦井水。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)也曾研究過(guò)在地表做一個(gè)類(lèi)似于水庫(kù)的設(shè)施，來(lái)儲(chǔ)存礦井水，但因西部地區(qū)蒸發(fā)量過(guò)大，水根本存不住。最終，團(tuán)隊(duì)把目光鎖定在第三條技術(shù)路線上。
1996到1998年，建成了第一個(gè)工作面儲(chǔ)水設(shè)施，存水5萬(wàn)方，同時(shí)，把每一個(gè)工作面加大，將好多工作面連到一塊，擴(kuò)大了儲(chǔ)水空間；
1998到2006年，建成了第一個(gè)地下水庫(kù)，儲(chǔ)水60萬(wàn)方，但是水還會(huì)外排；
2006到2010年，在不同煤層、不同區(qū)域做很多的水庫(kù)，然后把水庫(kù)連接，到2010年，終于大柳塔煤礦建成了第一個(gè)分布式地下水庫(kù)，儲(chǔ)水710萬(wàn)方，由四個(gè)水庫(kù)組成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了礦井水不外排。
截至2015年底，神東礦區(qū)已建成煤礦地下水庫(kù)35座，年供水超過(guò)6000萬(wàn)方，供應(yīng)了礦區(qū)95%的用水，保障了世界唯一2億噸級(jí)水資源供應(yīng)。
直面礦井水隱患——建立地下水庫(kù)安全防護(hù)
常說(shuō)煤礦有“五害”：水、火、瓦斯、煤塵、頂板，而水害事故是煤炭發(fā)生概率最高的事故類(lèi)型，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，僅2008至2012年我國(guó)煤礦水害事故就有212起，其中采空區(qū)透水事故占水害事故總數(shù)的90%以上。據(jù)安監(jiān)總局網(wǎng)站消息，僅今年6月下旬至7月初，貴州省、山西省就連續(xù)發(fā)生4起煤礦水害事故。
正是由于這樣的“恩怨”，多年來(lái)為了井下安全生產(chǎn)，將礦井水抽采到地面導(dǎo)致礦井水的利用率低。但安全生產(chǎn)是不可逾越的紅線，地下水庫(kù)面臨最關(guān)鍵的技術(shù)攻關(guān)，就是安全問(wèn)題。
為了保障安全，團(tuán)隊(duì)對(duì)煤礦地下水庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了一一攻克，預(yù)測(cè)地下水庫(kù)來(lái)水量；發(fā)明由儲(chǔ)水系數(shù)和儲(chǔ)水體積確定煤礦地下水庫(kù)庫(kù)容的方法；針對(duì)煤柱壩體和人工壩體連接處，結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，研發(fā)了人工壩體掏槽連接技術(shù)。
神東煤炭集團(tuán)有限公司副總工程師賀安民指出，團(tuán)隊(duì)研發(fā)地下水庫(kù) “三重防護(hù)”技術(shù)，一是庫(kù)間調(diào)水技術(shù)，保障每個(gè)水庫(kù)的水量都不超標(biāo)；二是實(shí)時(shí)監(jiān)控地下水庫(kù)壩體應(yīng)力變形技術(shù)；三是應(yīng)急泄水技術(shù)，保障在突發(fā)情況下的突然冒水時(shí)可以及時(shí)泄水，保障安全。同時(shí)，提出了地震（礦震）條件下煤礦地下水庫(kù)安全性評(píng)價(jià)方法，模擬研究表明，同等條件下，煤礦地下水庫(kù)較地面水庫(kù)更安全。
如今，在神東礦區(qū)，每一個(gè)水庫(kù)里面有多少水，水位有多少，水量有多少，水庫(kù)周邊的壩體的應(yīng)力變形是什么樣的，地面每個(gè)人的手機(jī)上都可以實(shí)時(shí)反映出來(lái)。
解決了安全儲(chǔ)水問(wèn)題，還要考慮安全用水問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)研發(fā)了庫(kù)前沉淀、井下模塊化處理、庫(kù)內(nèi)凈化“三位一體”水處理技術(shù)，使采空區(qū)成為高效率、低成本的水處理工廠，使處理后的礦井水更加符合用水標(biāo)準(zhǔn)。、
化解敵對(duì)為共贏——實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益
目前，研發(fā)的煤礦地下水庫(kù)技術(shù)在世界最大的井工礦區(qū)—神東礦區(qū)已經(jīng)全面推廣應(yīng)用。
“神東礦區(qū)外購(gòu)1噸水需要13.5元。原來(lái)將礦井水抽到地表要花錢(qián)，在地表處理水要花錢(qián)，處理完了外排還要花錢(qián)，外排1噸礦井水需要花費(fèi)3元至5元。如果沒(méi)有這項(xiàng)技術(shù)，神東礦區(qū)用1噸水的成本在15元以上。使用礦井水的完全成本為每噸2元左右。因?yàn)樵诰陆ㄋ畮?kù)充分利用了原有設(shè)施和自然條件，成本低。”顧大釗說(shuō)，神東礦區(qū)已由耗水大戶變成了水源地，原來(lái)沙漠化的地表生態(tài)變成了綠洲。
以2011年～2013年為例，神東礦區(qū)地下水庫(kù)給礦區(qū)井下供水4000萬(wàn)方，給地面供水4500萬(wàn)方，三年累計(jì)節(jié)水8500萬(wàn)方，因節(jié)水和減排礦井水節(jié)約費(fèi)用新增利潤(rùn)15.91億元，應(yīng)用地下水庫(kù)技術(shù)提高了煤炭回收率，僅大柳塔煤礦三年累計(jì)多回收煤炭1922.6萬(wàn)噸。
而近三年，煤礦地下水庫(kù)供水量近2億方，節(jié)約購(gòu)水費(fèi)用、礦井水外排處理費(fèi)用28.52億，為礦區(qū)發(fā)展提供了水資源保障。
除了為本礦區(qū)供水，神東礦區(qū)地下水庫(kù)還向神華集團(tuán)電廠及煤制油項(xiàng)目供水。因此，這一技術(shù)成果已在神華所屬的烏海能源公司、包頭能源公司、大雁集團(tuán)推廣應(yīng)用，并在神寧煤業(yè)集團(tuán)、神新能源公司、神寶能源公司、神延煤炭公司等規(guī)劃實(shí)施。
煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任李全生講到，大柳塔煤礦的地下水庫(kù)不僅實(shí)現(xiàn)了自給自足，還免費(fèi)向周邊的居民提供生活用水，用于灌溉、畜牧業(yè)等。
首創(chuàng)的煤礦地下水庫(kù)技術(shù)相繼被國(guó)土資源部、國(guó)家發(fā)改委和科技部作為先進(jìn)技術(shù)在全國(guó)進(jìn)行推廣應(yīng)用，世界煤炭協(xié)會(huì)制作了煤礦地下水庫(kù)專(zhuān)題案例，在世界主要煤炭國(guó)家推廣應(yīng)用。
據(jù)顧院士介紹，西部地區(qū)礦井大部分適合建設(shè)地下水庫(kù)。如果在西部礦區(qū)推廣這一技術(shù)，每年可有效保護(hù)30多億噸礦井水，相當(dāng)于1.5億千瓦裝機(jī)容量火電廠（耗水14億噸）、1億噸煤制油（耗水6億噸）、1000億立方米煤制天然氣（耗水7億噸）、2萬(wàn)口頁(yè)巖氣井（耗水3億噸）一年所需的水資源總量，預(yù)計(jì)5-10年，我國(guó)西部煤炭開(kāi)采礦井水利用率將由目前的不足30%提高到60%！
而這個(gè)低調(diào)科研的團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了讓煤炭和水這兩種戰(zhàn)略資源，從“水火不容”到協(xié)同發(fā)展。
