1. 引言
我国是煤炭生产大国，2002年以来，我国煤炭产量和增长速度也迅速增加，且煤炭生产总量在14亿t/a以上。由于我国煤炭开采方式主要以井工为主，大规模的煤炭生产伴随着外排大量的矿井水，据国家发展改革委、国家能源局联合印发《矿井水利用发展规划》 [1] ，2015年煤矿矿井水排放量约71亿m3，黄河流域矿井水排水量约56亿m3，占全国矿井水排放量的79%。全国七成以上矿井水来自缺水地区和严重缺水区的大型煤炭基地。“十二五”期间我国规划建设的14个大型煤炭基地，其中有11个煤炭基地位于降雨量400 mm以下的干旱区或降雨量200 mm以下的极度干旱区，区域水资源供需矛盾十分尖锐，矿井水资源的开发利用对缓解区域水资源供需矛盾具有重要意义 [2] 。
为评价区域矿井水资源量，促进矿井水利用，国内有关学者进行矿井水资源量的研究，倪深海等 [3] 利用综合利用潜力计算方法，推算出2020年我国煤矿矿井水资源综合利用潜力。张海丰等 [4] 利用富水系数计算了鄂尔多斯市煤矿矿井水水量。赵耀东等 [5] 利用煤炭产量、矿井生产能力、富水系数等数据研究了神府榆矿区矿井现状和未来排水量。综合上述研究，本文理清区域现状矿井水资源量及可利用量的基本概念和估算方法，并通过宁夏回族自治区(简称宁夏)银川市宁东煤炭基地和其它地市矿区典型煤矿调查，分别依次计算出典型单个煤矿、宁东煤炭基地(矿区)、银川市和其它地市以及宁夏的现状矿井水资源量及可利用量。本研究对于促进区域矿井水资源安全高效利用、减少矿井水排放、切实保护水环境具有重要的现实意义 [6] 。
2. 概念与方法
2.1. 基本概念
矿井水资源量：矿井涌水量从矿井投产开始，一般要经历逐步增大、衰减和相对稳定等三个阶段，从资源利用角度分析，矿井水资源量应为相对稳定阶段的矿井涌水量。
矿井抽水量：根据煤炭开采过程，小部分矿井涌水滞留于矿井，用于矿井井下生产用水；其余大部分矿井涌水通过水泵和管道输送至地表，该部分矿井水量为矿井抽水量，可通过煤矿企业计量设施准确获取。
矿井水可利用量：从资源利用的角度，通过水泵和管道等方式输送至地表且经过处理后的矿井水，扣除处理损失和矿井井上煤炭洗选等自用水量后的富裕水量，为矿井水可利用量。
富水系数：一定时期内矿井水资源量与同时期内煤炭产量之比。
2.2. 估算方法
根据矿井水资源量、矿井抽水量和矿井水可利用量的基本概念，通过相互之间的关系，确定其计算公式如下：
(1)
式中：W1为矿井水资源量，即矿井涌水量，m3；W2为矿井抽水量，m3。
(2)
式中：W3为矿井水可利用量，m3；W4为矿井水处理损失量，m3；W5为矿井自用水量(包括井下和井上用水量)，m3。
(3)
式中：Kp为富水系数，m3/t；P0为煤矿煤炭产量，t。
3. 应用实例
3.1. 研究区基本情况
宁夏回族自治区(简称宁夏)位于黄河上游地区，南北相距约456 km，东西相距约250 km，总面积为6.6万km2。宁夏矿产资源以煤炭为主，煤炭探明储量300多亿t，预测储量2020多亿t。全区含煤地层分布面积1.7万km2，占宁夏总面积的25%。全区22个县(区)中，除银川市的永宁县、固原市的隆德县、泾源县、西吉县和吴忠市利通区5县(区)以外，其余17个县(区)均分布有煤炭资源。同时，宁夏是我国水资源量最少的省区，大气降水、地表水和地下水都十分贫乏。且水资源特点为空间分布不均，时间变化大。过境水资源有黄河干流地表水，其中宁夏多年平均耗水量指标为40亿m3。中部干旱高原丘陵区最为缺水，不仅地表水量小，且水质含盐量高，多属苦水。南部半干旱半湿润山区，主要河流有清水河、苦水河、葫芦河、泾河和祖厉河等。
3.2. 矿井水可利用量估算
宁夏矿井水可利用量由各地市矿井水可利用量加和得出，各地市矿井水可利用量由煤炭基地(或矿区)和其他煤矿矿井水可利用量加和得出。煤炭基地(或矿区)矿井水可利用量由单个煤矿矿井水可利用量加和得出，单个煤矿矿井水可利用量由矿井水资源量和可利用量关系公式计算得出，单个煤矿矿井水资源量通过实测资料获取。
1) 单个煤矿矿井水可利用量估算
单个煤矿以宁东煤炭基地灵新煤矿为例。经调查，宁东煤炭基地灵新煤矿现状煤炭产量为376万t/a，矿井涌水量(即矿井水资源量)为351万m3/a，煤矿自身用水量为33万m3/a，处理损失量为16万m3/a，则矿井水可利用量为：351 − 33 – 16 = 302万m3/a
2) 宁东基地矿井水可利用量估算
收集宁东煤炭基地12个煤矿的煤炭产量和矿井涌水量等现状资料，经调查，宁东基地12个煤矿煤炭产量为6017万 t/a，矿井水资源量为2979万m3/a，自用水量为778万m3/a，处理损失量为110万m3/a，则该12个煤矿矿井水可利用量为：2979 – 778 – 110 = 2091万m3/a。
3) 地市矿井水资源量和可利用量估算
a) 矿井水资源量和可利用量计算思路
以银川市为例，计算其矿井水资源量。实地调查表明，银川市煤矿主要集中在宁东煤炭基地，但宁东煤炭基地的煤矿从数量和煤炭产量上均不能全部覆盖银川市。在宁东煤炭基地矿井水资源量和可利用量计算的基础上，采用富水系数法估算银川市其他煤矿的矿井水资源量，结合银川市其他煤矿矿井水资源量和可利用量估算结果，计算出宁东煤炭基地矿井水资源量和可利用量。
b) 矿井水资源量和可利用量估算过程
根据《银川市统计年鉴》(2015年) [7] ，银川市煤炭产量为6131.3万t，根据调查，宁东煤炭基地煤炭产量为6017万t，占银川市煤炭总产量6131.3万t/a的98.14%。则银川市其他煤矿煤炭产量为114.3万t。
根据收集的宁东煤炭基地的煤矿煤炭产量和矿井水资源量，计算出宁东煤炭基地富水系数，并近似为估算其他煤矿矿井水资源量的富水系数。其中宁东煤炭基地的富水系数为：2979 ÷ 6017 = 0.4951 m3/t。
根据宁东煤炭基地已调查煤矿的富水系数0.4951,结合银川市其他煤矿煤炭产量114.3万t，计算出银川市其他煤矿矿井水资源量为：114.3 × 0.4951 = 57万m3/a。
根据宁东煤炭基地12个煤矿自用水量和处理损失量的计算结果。估算银川市其他煤矿自用水量为26万m3/a，处理损失量为2万m3/a。则银川市其他煤炭矿井水资源可利用量为：57 – 26 – 2 = 29万m3/a。
根据已估算出的宁东煤炭基地12个煤矿矿井水资源量和可利用量，计算出银川市煤炭基地矿井水资源量和可利用量分别为：2979 + 57 = 3036万m3/a和2091 + 29 = 2120万m3/a。
4) 宁夏矿井水资源量和可利用量估算
宁夏由银川、吴忠、石嘴山和固原等地市组成，通过对各地市矿井水资源量和可利用量估算结果进行加和，得出宁夏矿井水资源量和可利用量(详见表1)分别为：3036 + 503 + 660 + 171 = 4370万m3/a和2120 + 306 + 439 + 89 = 2954万m3/a。
Table 1. Mine water resources and available water resources in Ningxia
表1. 宁夏矿井水资源量和可利用量估算表
3.3. 结果分析
3.3.1. 估算误差分析
经分析，宁夏矿井水资源量和可利用量估算误差可能存在如下方面：
1) 估算方法产生的误差。由于煤矿开采过程中，矿井水资源量是一个动态变化的量，其与煤炭产(开采)量的关系(即富水系数)随着开采过程而变化。因此利用富水系数方法估算的矿井水资源量与实际值存在一定的误差。
2) 实际调查煤矿数量与区域煤矿总数量的差异。根据宁夏和各地市统计年鉴，可以得到宁夏和各地市煤炭产量，但是受各种因素的影响，各地市实际煤矿数量很难准确获取或者统计不完全。此外，受实际情况的影响，能够开展具体调查工作的煤矿数量与各地市实际煤矿数量存在一定的差异。因此，实际调查煤矿数量与区域煤矿总数量的差异必然导致矿井水资源量估算存在一定的误差。
3) 其他因素带来的误差。根据实际调查，用水计量误差、矿井涌水量的稳定性、同一地区不同煤矿富水系数差异等致使矿井水资源量和可利用量估算结果存在一定的误差。
3.3.2. 估算结果合理性分析
1) 矿井水资源量与煤炭产量对比分析
据估算，宁夏矿井水资源总量为4370万m3/a，其中银川市矿井水资源总量为3036万m3/a，占69.5%；吴忠市矿井水资源总量为503万m3/a，占11.5%；石嘴山市矿井水资源总量为660万m3/a，占15.1%；固原市矿井水资源总量为171万m3/a，占3.9%。从宁夏及各地市煤炭产量看，宁夏煤炭产量为8306.6万t/a，其中银川市煤炭产量为6131.3万t/a，占73.8%；吴忠市煤炭产量为1081.7万t/a，占13.0%；石嘴山市煤炭产量为549.2万t/a，占6.6%；固原市煤炭产量为544.4万t/a，占6.6%。通过各地市矿井水资源量和煤炭产量与宁夏的占比可以看出，各地市矿井水资源量和煤炭产量占比情况总体一致；银川市矿井水资源量和煤炭产量占比在70%左右，为各地市最高；吴忠、石嘴山和固原等地市占明显较小；详见图1。从宁夏和各地市矿井水资源量和煤炭产量的散点图可以看出，二者相关系数R2 = 0.9877，表明二者具有很强的相关性，详见图2。在各地市煤炭埋藏水文地质条件差别不大的情况下，各地市矿井水资源量与煤炭产量占比情况的一致性和相关性表明估算结果是合理的。
2) 矿井水可利用量与矿井水资源量对比分析
据估算，宁夏矿井水可利用量为2954万m3/a，其中银川市矿井水资源总量为2120万m3/a，占71.8%；吴忠市矿井水资源总量为306万m3/a，占10.1%；石嘴山市矿井水资源总量为439万m3/a，占14.9%；固原市矿井水资源总量为89万m3/a，占3.0%。通过各地市矿井水可利用量和矿井水资源量与宁夏的占比可以看出，各地市矿井水可利用量和矿井水资源量占比情况总体一致；银川市矿井水可利用量和矿井水资源量占比在70%左右，为各地市最高；吴忠、石嘴山和固原等地市占比明显较小，其占比情况与各地市矿井水资源量和煤炭产量与宁夏占比情况基本一致，详见图1。从宁夏和各地市矿井水可利用量和矿井水资源量的散点图可以看出，二者相关系数R2 = 0.9994，表明二者具有很强的相关性，详见图3。根据宁夏煤炭开采和矿井水利用现状，其矿井水可利用量和矿井水资源量估算结果具有一定的合理性。
3) 富水系数与处理损失率对比分析
根据宁夏和各地市煤炭产量和矿井水资源量，计算出各地市(含基地或矿区)煤矿富水系数；根据矿井水资源量和处理损失量，分析其处理损失率，见表2。经分析，宁夏和各地市煤矿富水系数为0.2061~1.2021，富水系数最小值出现在吴忠市宁东基地，最大值出现在石嘴山市贺兰山煤田。宁夏富水系数为0.5261，与银川市富水系数接近0.4952，主要是因为银川市煤炭产量和矿井水资源量与宁夏的占比高。矿井水资源处理损失率结果表明，宁夏和各地市矿井水资源处理损失率为0~0.441，宁夏矿井水资源处理损失率为0.0357，与银川市、吴忠市和石嘴山市等各地市矿井水资源处理损失率接近，这表明宁夏和各地市矿井水处理方式差别不大。
Figure 1. Ratio of coal production, mine water resources and available water resources
图1. 宁夏及各地市煤炭产量、矿井水资源量和可利用量占比图
Figure 2. Scatter plot of coal production and mine water resources in Ningxia
图2. 宁夏及各地市煤炭产量和矿井水资源量散点图
Figure 3. Scatter plot of mine water resources and available water resources
图3. 宁夏及各地市矿井水资源量和可利用量散点图
Table 2. Results of mine water content coefficient and water loss ratio
表2. 宁夏及各地市煤矿富水系数和处理损失率计算结果表
4) 估算值与实际值对比分析
基地层面，宁东基地矿井水可利用量为2091万m3/a，由于宁东基地12个煤矿的矿井水有关数据均通过实地调查得出，因此，估算结果与实际值一致。地市层面，银川市和吴忠市的宁东基地矿井水数据、石嘴山市贺兰山煤田和固原市宁南煤田的矿井水数据由实地调查得出，其他煤矿矿井水数据结合当地煤炭产量统计数据和富水系数推算。经分析，在区域水文地质条件相同的情况下，富水系数较为接近，因此，估算出的各地市矿井水资源量、矿井水可利用量与实际值差别不大。省区层面，宁夏矿井水资源量4370万m3/a、矿井水可利用量2954万m3/a由各地市加和得出，不考虑误差累积影响的情况下，其估算值较为合理。综上，基地、地市和省区层面估算结果均具有一定的合理性。
4. 结语
1) 本研究在明确矿井水资源量和可利用量等基本概念的基础上，提出估算典型单个煤矿、基地(矿区)、地市及省区矿井水资源量和可利用量估算方法。
2) 以宁夏为例，利用富水系数法结合实际调查对灵新煤矿、宁东煤炭基地、银川市及其它地市矿井水资源量依次分别进行估算，各地市矿井水资源量加和得出宁夏矿井水资源量为4370万m3；根据矿井水资源和可利用量的内在关系，估算得出灵新煤矿、宁东煤炭基地、银川市及其它地市矿井水可利用量，各地市矿井水可利用量加和得出宁夏矿井水可利用量为2954万m3。
3) 宁夏矿井水资源量和可利用量估算结果合理性分析表明，宁夏和各地市矿井水资源量和煤炭产量、矿井水可利用量之间具有很强的相关性；宁夏和各地市煤炭富水系数与实际情况相符，且在宁夏和各地市矿井水处理方式差别不大的情况下，矿井水资源量处理损失率接近。因此，本估算结果具有一定的合理性。
基金项目
国家重点研发计划项目(20017YFC0403505)；水资源节约管理与保护项目(126201580001170003 & 12620158 0001170002)。