党的十九大报告指出“必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策”。我国的煤炭资源储量大、分布广，长期的煤矿开采引发了诸多的水文地质效应及生态环境问题[1-7]，其中，西部煤炭资源占据全国煤炭资源总量的70%，但西部地区属于干旱-半干旱气候，水资源短缺，地表植被稀疏，生态环境脆弱[8]，煤矿开采加剧了区域水资源匮乏趋势，造成的生态环境损伤较难在短期内自然恢复。东部地区，煤矿开采深度逐年增加，煤炭资源趋于枯竭，部分矿区、矿井逐年关闭，造成了矿区水土流失、地面沉降、地面塌陷、隔水层结构破坏、地下水串层污染和水位下降等地质环境问题。新时代下，煤炭安全绿色开采是推动“煤炭革命”的主动力，国家《煤炭行业绿色矿山建设规范(DZ/T 0315—2018)》要求“最大限度减少对自然环境的扰动和破坏，选择资源节约型、环境友好型开发方式”和“水资源短缺矿区，矿井水利用率要求达到100%”。
自国家“十二五”《矿井水利用发展规划》颁布以来，煤矿区水环境得到极大改善，政府部门对矿井水资源化利用愈发重视，促进了我国矿井水资源化体系快速发展，科研与生产结合更为紧密，明显改善现阶段矿井水处理工艺技术和资源化利用手段，提升了矿区水环境与生态协调发展。
虽然煤矿区存在一定的水环境问题，但是也不应谈虎色变。由于不同矿区产生矿井水的水文地质结构和背景差异，其环境影响程度也有很大的不同，既有负向环境生态影响，也有正向环境生态影响，需要科学地区别对待和定量研究。因此，笔者深入研究我国煤矿各个矿区的水环境问题，开展了相应的矿井水处理和环境影响方面的研究，通过建立水资源化利用的模式，为煤矿资源的安全绿色高效开采和改善煤矿区水环境，提供技术支持和理论支撑。
1 煤矿矿区水环境现状
煤矿矿区的水环境问题主要是矿井水抽排、煤炭洗选、生活污水等衍生的各种水生态环境问题，常见的有矿井水污染、隔水岩组结构破坏、水资源流失、矿区土壤重金属富集、废弃矿井水位回升诱发的地质灾害等(图1)，其中以矿井水抽排引发的环境问题最为突出，也是本文着重研究之处。
图1 煤矿矿区水环境问题
Fig.1 Water environmental issues in coal mine
1.1 矿井水污染
矿井水污染的模式主要表现为矿井水外排诱发的地表水和浅层地下水污染、矸石山淋滤水和煤炭洗选废水泄露对浅地表水系的污染和生态破坏、废弃矿井水对局部地区多含水层串层污染和地表水系的污染、煤层顶底板含水层水通过导水通道进入工作面形成污染地下水等(图2)。目前国内对矿井水污染的模式研究深度不足，应从地下水污染的动力学机制出发，结合水动力-化学-生物等多场耦合方法，查清矿井水污染成因，从源头、通道和污染受体等方面进行阻断、减量。
矿井水污染类型可根据矿井水的组成成分进行划分，包括常见组分矿井水、酸性矿井水、高矿化度矿井水、高硫酸盐矿井水、高氟矿井水、碱性矿井水[9-10]及含特殊组分的矿井水7种类型[11]。其中特殊组分是针对矿井水中的有害离子[12]，如重金属[13]镉、汞、铅、砷、Cr6+、镍等。国内对矿井水的水化学方面的研究，多以常规离子为主，对有害元素(汞、镉、铅、砷等)、总α,β放射性及有益元素(锶、硒等)研究比较零散[14-16]，特别是关于有益元素的研究几乎没有，但是这些有害或有益元素对矿井开采前后的环境影响及水资源利用有重大影响，因此亟需查清矿井水有害、有益元素的分布特征、物源基础、成因机制及演化规律，建立完善的评价理论基础及方法。
图2 煤矿区矿井水污染概念模型
Fig.2 Conceptual model of minewater pollution in coal mining areas
1.2 含水岩组结构破坏
煤炭开采引发的一系列地质活动打破了地下水系统的原有水文地质条件和岩组结构，不仅破坏了原有的含水层结构，例如以孔隙为主的弱渗含水层转变成为以裂隙为主的强渗含水层，还造成了地下水循环系统中的有效隔水层的损伤,进而影响原有地下水流场动态平衡。
1.3 水资源流失
煤炭安全开采过程常疏放顶底板含水层中的水，在煤炭开采区域形成大范围的水位降落漏斗。一方面矿井水外排、煤炭开采形成的地裂缝会造成邻近水源地和浅层农业水井水位下降、泉水断流或流量渐少[17]、地表水系渗漏和退化[18];另一方面矿井长期的疏排水破坏了地下水资源[19]，间接造成了地下水资源量的衰减和短缺[20]，影响浅地表生态环境。2019年预计全国煤矿矿井水产量达到71亿m3(图3)。西北和华北贫水地区吨煤矿井水产生量可达0.78和1.05 m3/t。中南地区的吨煤矿井水产生量可达5.39 m3/t。
1.4 矿区土壤重金属富集
矿区土壤重金属富集主要是富含重金属的矿井水长期外排至地表、煤炭洗选泄露的污废水或矸石山经过降雨淋滤生成含重金属的废水，经自然蒸发、运移和渗透，生物吸收和转化、土壤包气带吸附和富集等，使岩层中的重金属富集至地表土壤中，导致土壤重金属超标。酸性矿井水及其沉淀物的化学成分和物相组成中，主要包括酸性矿井水中硫酸根、铁、锰、铝、铅、钍、铀、铍、锌、镍、钴、铜等离子含量较高，对环境有潜在危害[21]。
图3 2005年、2010年和2019年全国各区煤矿矿井水产生量和吨煤矿井水产生量情况
Fig.3 Quantity and unit of mine water production in each regional coal mining area of China in 2005,2010 and 2019
1.5 废弃矿井水位回升诱发的地质灾害
废弃矿井水位回升过程中可能形成的地质灾害有:采空区积水突水威胁、浸泡软化煤岩柱、地面塌陷和2次沉降、地下水串层污染(图4)。采空区突水诱因复杂、致灾机理难明确，前兆信息采集普遍缺失，多源信息耦合分析不到位。此外，废弃矿井水害是复杂的多相多场耦合问题，研究固-气-液和应力场-裂隙场-渗流场-温度场等耦合致灾机理多为定性研究，定量研究缺乏，使废弃矿井孕灾过程的研究一直处于有方法无理论状态。而且，目前国内鲜有研究涉及由矿井水位回升引起的地面塌陷或地面2次沉降的成因机制、监测技术和方法。该方面的理论和技术还处于探索阶段，大多数对于因矿井水流场演化引起的地面变形监测缺乏针对性，其定量评价方法和数学模型还难以刻画矿井水诱发的影响过程。
图4 废弃矿井诱发的环境地质灾害问题示意
Fig.4 Schematic diagram of environmental and geological hazard that resulted from closed coal mines
2 矿井水处理技术现状与研究发展
在矿井水处理技术方面，国外一般分为主动处理和被动处理两类。我们根据矿井水类型，将水质处理工艺可分为洁净矿井水处理、含悬浮物矿井水处理、高矿化度矿井水处理、酸性矿井水处理、特殊组分矿井水处理和矿井水回灌等。
2.1 洁净矿井水处理
洁净矿井水是指部分矿区主要充水含水层补给条件好、循环径流快，矿井水矿化度低、不含有毒有害成分矿井水，基本符合国家生活饮用水的水质标准。有些矿区的矿井水，不仅矿化度低、不含有毒有害成分，甚至含有一些对人体有益的微量元素，可开发为矿泉水。例如，江苏徐州新河矿井太灰水(奥灰补给)中锶含量0.64～1.05 mg/L;偏硅酸19.07～21.26 mg/L，属于重碳酸钙镁型深层循环水，评价为“锶型饮用天然矿泉水[22]”，累计向江苏徐州市供水6 092万m3。对这类矿井水可按一般饮用地下水进行处理，处理后直接供居民作为生活用水[23]。山西霍州辛置煤矿二叠系下统石盒子组碎屑岩裂隙水富含锶[24]，形成了桃沟矿泉水。山东某矿矿井水锶含量高达15.68 mg/L，也已开发为矿泉水。
洁净矿井水pH值一般呈中性，矿化度低，不含有毒有害离子，各项理化指标符合国家饮用水卫生标准或渔业水质标准。对此类矿井水通常采用物理法处理，如妥善阻断截流，通过建造密闭墙、水闸墙，建立供、排水独立管线系统，避免与其他矿井水混排[25](图5)。
图5 洁净矿井水开发示意
Fig.5 Schematic diagram of clean mine water development
2.2 含悬浮物矿井水处理
含悬浮物矿井水中悬浮物主要来源于煤炭开采过程的煤粉、岩粉等微粒，其次含有部分离子、少量有机物和大量细菌[26]。该类型矿井水约占我国北方部分重点国有煤矿总排水量的60%，水质一般呈中性，矿化度小于1 g/L，含微量金属元素或基本不含有毒有害元素。矿井水中悬浮物煤粉微粒占比较高，其密度仅为地表水中悬浮物(黄泥沙)密度的一半。由于微粒粒度小，灰分高，微粒表面多带负电荷。具有同号电荷的微粒相互排斥，阻止微粒间彼此接近而聚合成大颗粒下沉。同时，微粒亦会与水分子发生水化作用，形成水化膜，阻止微粒聚合，使微粒分散于水中。此外，受煤粉微粒自身布朗运动影响，微粒界面间力的作用，使得煤泥水性质更加复杂化，既有悬浮物的特性，也有胶体的特征。
目前，含悬浮物矿井水处理工艺比较成熟，采用常规的混凝、沉淀、过滤、消毒等工艺，即可满足环境达标排放要求。常规混凝剂和助凝剂多为聚合硫酸铁和聚氯化铝铁类产品，易于购买和获取。例如邢台、阜新等矿区的高悬浮物矿井水经常规处理即可满足排放要求。但传统处理工艺存在耗时长、成本高、占地广等缺点，在目前的经济形势下，可操作性受限，而且针对悬浮物中的铁锰元素，需要对处理系统进行升级改造，才能达到环保外排最低要求。
在新型的处理工艺中，占据主流的是矿井水超磁分离技术。矿井水超磁分离处理工艺针对含悬浮物矿井水，其工作原理为向矿井水中添加磁种介质与微磁絮凝药剂，使得矿井水中悬浮物同磁种介质相互凝结在一起，产生具备磁性的絮团，然后通过超磁分离设备的高强度磁场，在强磁场力的作用下对絮团进行快速分离(图6)。超磁分离机具备占地少、井上井下均能运营、成本低、处理速率快等优势。例如山西斜沟煤矿进水SS质量浓度300～400 mg/L，5 min处理完毕，出水SS质量浓度≤10 mg/L，悬浮物去除率97%，实现了清水入仓，缩减了清淤次数。陕西中能袁大滩煤矿综合处理成本为7.8元/t，既保障了矿区和陕西未来能源化工的供水，又避免了水资源的流失，取得了良好社会经济和生态环境效益。
图6 超磁分离技术工艺流程
Fig.6 Flow chart of super-magnetic separation technology
2.3 高矿化度矿井水处理
高矿化度矿井水因含盐量大于1%，又可称为高盐矿井水、含盐矿井水。该类矿井水多呈中性或偏碱性，水中
等离子质量浓度较高，硬度大，矿化度可达为1 000～4 000 mg/L[27]，最高甚至达40 000 mg/L。
在我国干旱-半干旱气候带的中西部、北部和西北部矿区矿井水具有高矿化度特征，在陕西、甘肃、宁夏、新疆、内蒙古、山西、河南及两淮等地区矿井均有高矿化度矿井水分布。据统计，高矿化度矿井水水量约占我国北方重点煤矿矿井涌水量的30%，个别煤矿的矿井水矿化度高达40 000 mg/L以上。高矿化度矿井水直排会造成生态环境带来危害，包括地表水体污染(含盐量增加)、土壤盐碱化、地表植被减少、浅地表地下水污染等。国家严格限制高矿化度矿井水的排放，要求西部“水资源短缺矿区，矿井水利用率要求达到100%”，因此，有效处理高矿度化矿井水是实现矿区绿色可持续发展的重要途径。
高矿化度矿井水处理工艺的关键是除盐，现阶段处理工艺有蒸馏法、离子交换法、膜分离法和生物处理法等。
(1)蒸馏法。热力法中的蒸馏法是以消耗热能进行脱盐淡化的有效方法，一般适合于含盐量>4 000 mg/L的高盐矿井水。此法需要消耗大量热能，在煤矿区可利用煤矸石和低热值煤做燃料，从而降低了成本。目前多采用多效多级闪蒸法，既使热量经济利用，又避免了严重的结垢现象。其优点是运营寿命长、预处理要求低、可操作性强、回收率高，缺点是热表面易结垢、能耗高、设备重、需具备防腐防蚀能力等。
(2)离子交换法。离子交换法是化学脱盐的主要方法，是利用固体离子交换剂与溶液中的离子之间所发生的交换反应来进行分离(图7)。适合含盐量100～300 mg/L的矿井水，从经济角度来看，以含盐量不超过500 mg/L为宜。
图7 离子交换法示意
Fig.7 Schematic diagram of ion exchange
(3)膜分离法。膜分离技术是一种以天然或人工合成的高分子薄膜为介质，以外界能量或化学位差为推动力，利用膜对矿井水各组分选择透过性能的差异进行分离、提纯和浓缩。具有效率高、能耗低、易操作、环境友好等优点[28]。
膜分离机理包括膜表面的物理截留、膜表面微孔内吸附、位阻截留和静电排斥截留。按膜孔径大小及截留机理的不同分为微滤、超滤、纳滤、电渗析、反渗透、电驱离子膜和脱气膜等(表1)。
针对碱性矿井水，南非采用碳酸钡进行处理，可降低100%硝酸盐、93%硫酸盐、50%硬度和68%～93%金属离子。
目前国内常见的工艺多由脱盐、2次浓缩及蒸发结晶3个工艺环节组成。超滤、反渗透、纳滤以及电驱离子膜等膜分离技术在脱盐、减量化、物料提浓及分盐等方面多有应用[29]。在制水的同时，最大限度的浓缩废水，减少蒸发的液体量，降低整个项目的投资与处理成本。工艺流程如图8所示。
表1 主要膜分离技术比较
Table 1 Comparison of membrane separation technology
膜名称膜孔径/nm主要膜材质膜去除物膜驱动力超滤10中空纤维、聚砜提浓含大分子、交替、细菌、病毒等溶液机械压力微滤100聚丙烯分离大胶体、大颗粒,纯化含有微粒、细菌的溶液机械压力纳滤1聚酰胺等降低部分硬度、去除小分子有机物机械压力反渗透0.1聚乙烯、含氟材料等降低电导率、去除盐分机械压力电驱动离子交换膜—聚乙烯、含氟材料等盐分直流电场脱气膜—聚丙烯气体—
图8 膜分离技术工艺流程
Fig.8 Flow chart of membrane separation technology
超滤、微滤膜分离技术针对高盐矿井水处理效果仍有局限性，一般对澄清、保安过滤、除菌、病毒、大分子有机物进行分离和纯化。电渗析常存在电耗大、处理成本高、回水率稍低等问题，目前逐渐被主流的反渗透膜分离技术替代。反渗透膜分离技术中膜易遭受污染、堵塞、腐蚀，当矿井水中含盐量>6 000 mg/L时，对脱盐率影响较大。
目前国内神华宁煤清水营煤矿、兖矿赵楼煤矿、山西汾西曙光煤矿、山西平朔井工一矿、河北范各庄煤矿、神华宁夏灵新煤矿等矿井的高矿化度矿井水回收率在75%～95%，脱盐效率大于98%～99.3%，处理成本1.6～3.0元/t，出水可达到饮用水标准。但是对更高矿化度的矿井水，目前国内外都缺少低成本的处理方法。
2.4 酸性矿井水处理
酸性矿井水多因开采高硫煤层引起，如德国、美国和我国。我国酸性矿井水多分布在南方省份，其他省份亦有分布，如贵州毕节矿区、浙江长兴长广矿区、山西孝义矿区、江西吉安矿区和山西阳泉矿区的老空水。酸性矿井水是指pH值小于6的矿井水，pH值在2～4，含
及其他金属离子。如果水中
质量浓度较高，其矿化度与硬度也因酸的作用而增高。矿井水呈酸性的主要原因是由于采煤活动将原来的还原环境变为氧化环境，与煤共生伴生的还原态硫铁矿被氧化成硫酸，pH值下降。当煤系地层中的碱性矿物不足以中和酸性成分时，就形成酸性矿井水。酸性矿井水的形成与煤的赋存状态、含硫量、矿井的涌水量、密闭状态、空气流通状况以及微生物的种类和数量等有密切的关系，酸性矿井水易溶解煤层中各类可溶性物质，加剧水质恶化，例如矿化度和有毒有害元素的增加。
美国各个矿区以酸性矿井水居多，其治理也是美国研究的焦点，从主、被动治理技术层次进行了深入的研究。目前，酸性矿井水的处理方法主要有物理法、化学法和生物法等几类。常用主动方法是通过曝气和添加Ca(OH)2或CaCO3中和酸性矿井水，同时使水中的重金属离子和形成沉淀从而得到去除[30](图9)。
图9 石灰处理酸性矿井水示意
Fig.9 Schematic diagram of acid mine water treatment by Ca(OH)2
该方法也是现阶段应用最广泛的方法，还可以通过修建缺氧的石灰岩排水渠进行被动治理[31]。其他方法还包括通过离子交换、电渗析和膜过滤技术去除酸性矿井水中的金属离子;被动有氧人工湿地法充分利用土壤、人工介质、植物、微生物之间的物理、化学、生物综合作用处理酸性矿井水，具备稳定水质、低成本、易操作等优点，但局限于中国南部温暖湿润气候地区(图10);利用硫酸盐还原菌构建硫酸盐生物反应器对酸性矿井水中的硫酸盐进行处理等。德国莱比锡等以褐煤为主的矿区，在原位含水层中采用微生物硫酸盐还原法减少40%的硫酸盐和90%铁离子，可利用草类纤维素降解产物为硫酸盐还原菌提供碳源和能源。
图10 酸性矿井水处理示意
Fig.10 Schematic diagram of acid mine water treatment
上述方法存在的主要问题包括成本高、工艺复杂、效果不理想以及处理周期过长等[32]。相比较而言，吸附法由于处理周期短、适用性强以及操作简便等特点，一般是研究和应用的重要方向。常见的低成本吸附剂包括天然吸附材料，如贝壳粉、生物炭以及黏土吸附材料等。新西兰学者自2006年起开始用当地资源禀赋丰富的废贻贝壳处理酸性矿井水，贻贝壳碳酸钙含量高达90%～95%，处理效果整体优于灰岩，具备步骤简单、可持续性强、效率高等优点[33];美国学者在2011年利用活性污泥生物质的吸附特性和城市污水的碱性联合处理酸性矿井水，中和并去除金属元素[34]。工业生产副产品、城市建筑垃圾，如废弃混凝土等;农业废弃物，如植物堆肥等吸附材料，对酸性矿井水中的有害组分均具有较理想的吸附效果，并且来源广泛、价格低廉，部分吸附剂本身就是废弃物，因此根据地区情况就地取材将其作为吸附剂对酸性矿井水进行净化不但可以保护环境，还能够降低后续处理费用[35]，但需要避免其可能诱发的2次污染问题。
2.5 含特殊组分矿井水处理
含特殊污染物矿井水主要是指含有含微量元素或放射性元素等有毒有害污染物的矿井水。如放射性矿井水、高氟矿井水、重金属矿井水等。此类矿井水根据所含污染物的不同，分别有与其相对应的处理方法。
放射性矿井水因含来自铀、钍、镭等天然放射性元素的总α，β放射性超标而称为放射性矿井水，受煤层中天然放射性元素的赋存和衰变产物的影响，各个矿区普遍存在。较常用的处理方法是化学沉淀法和吸附法。目前因其成本高、污泥处理难度大和环保重视程度低，在矿山领域中应用不多。德国利用水动力学和自然衰减特征预测放射性污染物的逐年减少率，从而制定相关补救和后处理措施。
含氟矿井水通常是由于富氟岩层(如磷灰石、水晶石、萤石等)中的固态氟在水流的物理、化学、生物等作用下，迁移进入矿井水中形成含氟矿井水，多与地理环境和地质构造有关，常用处理方法有石灰乳沉淀法、铝盐凝聚法和离子交换法等。
重金属矿井水多和酸性矿井水共生。矿井水在酸性条件下能够溶解、累积大量矿床中的重金属元素(Mn,Cd,Cr,Cu,As,Zn,Pb等)，使其含量超标。现阶段重金属矿井水处理的常用方法是絮凝沉淀法和离子交换法。
特殊组分矿井水因其成分的特殊性导致处理难度极大、污染威胁严重、毒性明显，对当地生态环境恢复和矿井水的资源化利用造成极大障碍。目前针对特殊组分矿井水处理工艺的研究仍在探索和尝试中，寻求效率高、成本低、次生污染少的处理方法仍是矿井水处理研究的重点之一。
2.6 矿井水回灌现状
国外开展污水回灌研究最早最多的是美国，并出台了相关的地下水回灌的水质和处理工艺要求，受地区水文地质条件、补径排条件和回灌目的限制，回灌水质的要求各不统一。国内开展矿井水回灌试验研究极少，仅有梧桐庄煤矿、中关铁矿和毛乌素沙漠腹地的煤矿有文献记载。大部分资料是关于采空区储水[36]、备用蓄水[37-38]和废弃煤矿转变成地下水库[39-41]。峰峰矿区梧桐庄煤矿开展了“高矿化度矿井水处理回灌工程”，即向奥陶系含水层回灌，回灌量300 m3/h以上，实现了矿井水零排放，每年削减悬浮物排放量约800 t、削减总盐排放量4万t[42]，既避免水环境污染，又保护了地下水资源。中关铁矿向地下水强径流带中回灌，单孔回灌能力达到496 m3/h[43];毛乌素沙漠地区利用浅地表萨拉乌苏组关键带的过滤作用补给较深部的含水层并达到自然净化矿井水的目的[44]。
根据目的回灌含水层所处空间，可划分为离层水回灌、老空水回灌和深层回灌3种类型(图11)，可利用已采工作面顶板发育的离层或邻近废弃矿井采空区的地下空间资源，实现矿井井下空间资源的再利用，延长矿井服务期限。鄂尔多斯盆地地区深部二叠系地层中发育厚层粗砂岩或砂砾岩，油田钻孔钻进时存在钻井液普遍漏失现象，因其垂向裂隙发育，具有广泛的回灌空间，适合开展一定程度的矿井水深层回灌研究[45]。
图11 矿井水回灌示意
Fig.11 Schematic diagram of mine water injection
矿井水回灌既能降低采矿活动对地下水水资源量的影响、减少矿井水外排，又可减轻地表沉降、地面塌陷等地质灾害，但需要考虑目的回灌含水层的相对回灌能力和水文地质单元封闭或开放程度、回灌导致水压升高对煤层顶底板突水的安全风险等。为防止离层水、老空水对安全开采或矿井水2次污染的影响，还需开展地下水安全、环境影响专题评价研究，并获得环保等相关部门批准，有必要通过定量和定性手段开展矿井水进入其他含水层的理化特征和生物演化规律等研究。
3 矿井水资源化利用现状
矿井水也是一种重要的水资源。矿井水资源的利用作为非常规水资源利用的一部分，已经被写入《中国节水技术政策大纲》，成为国家指导性战略。结合目前的矿区水环境现状及矿井水处理工艺前沿，根据处理后水的使用功能和面向对象，可将矿井水用于工业、生活、农业与生态等领域[46]。通常，为了最大化、资源化利用矿井水，一般按照“清污分流，水质处理，分级应用”的原则来处理矿井水[47]。考虑其运输成本和处理体量，矿井水利用顺序依次分为:先井下后地面，先工业后生活和农业(图12)。
图12 矿井水资源化、生态化利用技术体系
Fig.12 Technological frame diagram of mine water resource utilization and ecological utilization
3.1 矿井水用于工农业生产
根据用水的相对空间位置，将工业用水划分为井下用水以及地面用水。在煤矿井下，处理后的矿井水主要用于的乳液配制、防尘与冷却用水;在地面上，多用于绿化、道路降尘洒水、选煤厂用水等。通常，处理后的矿井水量远大于煤矿自身工业消耗量，大部分剩余处理后的矿井水可通过外排输送管线向周边企业提供生产用水，包括坑口电厂、煤制油、煤制气、矸石电厂、天然油气田注水驱油/气等煤化工项目[48]。例如淮南谢桥煤矿矿井水采用反渗透过滤工艺，产水能力5 000 m3/d，回收率70%，处理后纯水供工广生产生活用水，浓水进入选煤厂和矸石山，有效改善了矿区环境，实现了矿井水的资源化利用;鄂尔多斯母杜柴登和门克庆矿井将高矿化度矿井水处理后供应图克工业园区煤化工项目工业用水，调和了矿井排水和工业园缺水的供需矛盾，缓解了矿井水排放的难题。矿井水处理过程的副产品，如浓盐水、煤泥等，经2次加工后也能带来一定经济效益。
处理后的矿井水可用于农业用水，包括农田灌溉、农业设施用水、水库补蓄水、水产养殖以及动物饮用。例如，处理后的矿井水添加一定量的土壤改良剂，利用矿井水中含有的微量元素，可提高粮食的产量。通过人工的抽采和回灌，将处理过后的矿井水分区域的储存[49]，作为应急的水源地[50]。煤矿开采后留下的采空区空间会形成一定的储水空间。通过人工通道，将这些储水的采空区相连，形成地下水库群[51]，可以用做农业灌溉水源地，调蓄农业用水，缓解我国西部、北部干旱半干旱地区水资源短缺的局面[52-53]。例如神东大柳塔矿涌水量约8 400 m3/d，回收率95%，既满足井下消防洒水、电厂、洗煤补充水，又能在灌溉季节用于场地绿化及周边生态补偿用水，还可在非灌溉季节进入乌兰木伦河橡胶坝内作为景观用水，使得矿区周边生态环境得到恢复，并建成了神府东胜矿区采空沉陷区沙棘生态修复示范基地。
3.2 矿井水用于生活
国外开展矿井水用于生活相关的研究较早[54-55]，国内起步稍晚。生活用水包括居民家庭用水、公共服务用水、生产运营用水以及消防及其他用水。通常含悬浮物的低矿化度矿井水，因其成本低、排污费用少，处理后可直接用于生活。对于富含有益微量元素的低矿化度矿井水或弱碱性小分子团水，可直接开发形成类似北京“九龙山”牌、徐州“新河”牌矿泉水等。此类关闭、闭坑、废弃矿井经科学评价、规划和建设后可形成该地区的地下水库[56]、应急水源地用于城镇居民用水。
此外，针对温度较高的矿井水，选取地热能较强、可有效利用采空区空间的位置，通过人工的抽采-回灌使矿井水不断地循环，利用地热加温，从而获得地下热水。如德国弗莱贝格地区，将矿区地下水热水应用于供暖、供热以及生活热水等，或建立竖井蓄能电站和再生能源蓄积[57]、冷-热循环式地热发电站[58]等提供热能和电能。
3.3 特殊组分矿井水资源化利用
我国对煤矿矿井水资源利用问题近些年越来越得到重视。尽管在矿井水害防治领域领先世界，但对矿井水中的特殊元素，尤其是有毒有害元素及有益元素的研究处于尝试和探索阶段，国内开展利用采空区净水特性净化水资源[59]、开发优质矿井水作为饮用水源等数量较少。
在借鉴利用国外先进模式的基础上，亟需整体战略、基础理论和关键技术等方面的研究，主要包括:以各大矿区矿井水水质资料为基础，结合矿区区域水文地质背景，以饮用水、天然矿泉水中有毒有害及有益元素标准为依据，对矿区地下水及矿井水中锶、偏硅酸、锂、溴化物、碘化物、硒等典型微量有益元素或重金属等有毒有害元素进行检测、分析和筛选，划分矿井水有毒有害元素的种类、含量，构建数据库;揭示有毒有害元素的赋存地质背景条件、水-岩、水-水和岩-岩的多相物源基础以及污染源分布规律，建立矿井水中主要有毒有害元素(铅、砷、汞、镉、氟等)的综合评价指标体系与定量毒理评价模型，阐明矿区矿井水中有毒有害元素的空间分布规律及其环境影响;阐明各类有益元素在地域、含水层、埋深、补给来源等方面的空间分布规律，此外，通过建立有益元素的综合定量化评价模型，评价矿区优质矿井水的开发利用潜力等，都是值得重视发展的研究方向(图13)。
图13 矿井水有害有益元素研究技术体系
Fig.13 Technological frame diagram for mine water involving trace elements including the poisonous and beneficial elements
3.4 矿井水资源化利用中存在的问题
我国目前进行矿井水资源化利用的过程中取得了显著的进步，但仍存在较多问题，主要有：
(1)普通民众对矿井水资源化利用认识不清，受煤矿历史的“脏乱差”环境意识的影响，从心理上难以接受矿井水复用于生活。
(2)矿井水资源化利用的经济市场环境有待进一步发展，企业、政府、消费群体之前宣传、协调、支持不足，具有一定抗风险能力的产业链少。
(3)国内矿井水处理技术和工艺相较国际发达国家的水平仍有一定的距离，成本高，因地制宜性差。
(4)水资源统筹分配效率低。对于矿井水资源市场的深度开发利用和开拓较浅，少见成熟的规模化市场模式。
(5)全国各个矿区资料信息数据库亟需建立，矿山地下水水位、水质监测立体网络系统未完善，废弃矿井水的基础理论工作、观测方法和监测预警体系研究不深入。
4 发展与展望
随着国家对环保的重视程度，煤矿矿区水环境得到了极大地改善，矿井水处理技术、工艺和材料得到长足发展，但仍存在着一些问题。随着科技发展，矿井水处理应当向着高效率、低成本方向发展。同时，矿井水资源化方式的不断扩展和再利用渠道的深化，也将促进矿井水资源化理论的不断创新，推动新技术、新模式的提出。
煤矿矿井水既是一种具有本行业特点的污染源，又是一种宝贵的可利用水资源。目前我国很多煤矿一方面严重缺水(如西部地区);另一方面，为保障煤矿安全开采必须排出的矿井水，如果不经处理直接外排会导致不同程度的环境生态破坏;进行达标处理排放又成本很高，煤炭企业不得不背负着矿井水处理的高经济负担。因此，开发、利用好矿井水资源，不仅具有广泛的社会效益和环境效益，对于企业自身和企业周边经济的发展也能起到了推动作用。通过对不同水质类型的矿井水采取针对性的处理措施，既降低处理成本，又达到对其进行资源化利用的目的，并为煤炭企业带来一定经济效益。
目前，我国矿井水开发利用已具备一定发展基础。由于矿山企业产业链的延伸和企业多元化经营模式的成熟，矿井水利用的市场需求不断扩大，利用规模逐渐增加，矿井水利用成本逐步降低，经济效益进一步提高。对矿井水进行资源化利用绝不是仅仅只靠煤炭一个行业就可以完成的，想要更高效的利用矿井水资源，需要协调多个行业，要对区域水资源做好统筹规划，需要政策支持。同时，我们煤矿水文地质研究工作者也应提升科研能力，发展新技术，进一步降低污水治理成本，使今后矿井水处理向着“高效率、低成本、资源化、多层次”的方向发展，为保水采煤和“煤炭革命”注入新的动力。
目前及今后相当长一段时间内，在我国的能源需求还严重依赖煤炭资源的前提下，为了保障煤矿生产安全，矿井排水仍然是必须的无奈之选，但是矿井排水又会造成不同程度的环境生态影响和水资源破坏。在此前提下，我们认为必须依据各矿区的水文地质条件，从矿井水形成的源头进行治理，实行“阻断、减量和保护”三原则，才是合理和有效的方法。“阻断”就是尽可能从源头阻断矿井水的形成，阻断闭坑矿井的老空水反补、污染含水层;“减量”就是在无法完全阻断矿井水形成的情况下，进一步研发高效率、低成本的矿井水处理工艺，尽可能减少矿井水及其污染特征成份的排放;“保护”就是保护矿井水的资源性，推行保水采煤和煤-水双资源协调开采。在上述原则下开展相关研究必要而迫切。
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