根据神东矿区多年来地下水库的建设和运行经验,地下水库是在水源预测、水库选址、库容设计、坝体构建、安全运行和水质保障六大关键技术基础上进行设计和建设施工的。地下水库建设要素主要分为硐室建设、钻孔和配套设施建设、人工坝体构建、管路等设备设施、安全监测监控系统这5个方面,如图2所示。硐室建设主要包含泵房、水仓、水净化硐室、取水注水泄水硐室、水循环利用硐室及管路联通联巷等;钻孔和配套设施包含注水钻孔、泄水钻孔、自流集水钻孔、水位探测孔、地面生态供水钻孔等;人工坝体的建设方式,是在煤柱上先掏槽,后锚固,再浇筑混凝土,并注浆防渗,构筑形成人工坝体;管路等设备设施包含供排水管道、各分布式水库间吊水配水管道等;安全监测监控系统包含光栅解调仪、微震解调仪、网络摄像仪、水质分析仪以及应力应变监测系统等,主要保障煤矿地下水库井下储水安全,监测分析采空区垮落岩体对矿井水的净化效果。

     为系统分析地下水库的建设成本优势,以大柳塔矿区为例,通过现场调研及分析在用地下水库的建设设计图纸,对图2中所涉及的建设费用明细进行梳理和估算。 

     大柳塔煤矿目前在建在用4个地下水库,总建设费用约4793.80万元,按照水库总水量1210.5万m³计算,吨水储存体积的建设费用为3.96元。其中1号地下水库吨水储存体积的建设单价3.14元;2号地下水库吨水储存体积的建设单价4.96元;3号地下水库吨水储存体积的建设单价6.48元;4号地下水库吨水储存体积的建设单价2.71元。假设该地下水库生命周期为30a,年储水量为800万m³,吨水储水建设成本小于0.2元,要远小于矿井水升井处理再回用的吨水成本,可见地下水库具有较大的建设成本优势。 

     大柳塔煤矿地下水库建设成本分析见表1,地下水库建设成本与储水量和人工坝体数量无数量级关系,这主要是由于煤矿采空区复杂的建设条件决定的。矿区各地下水库间通过管道设施相互连通,可以实现库间水量调配和水体紧急调运,保证地下水库的坝体安全。因此下文地下水库的建设成本优势以煤矿为单位进行探讨。 

     根据煤矿地下水库各建设要素在总建设成本中的占比进行分析,占比最大的是硐室建设成本,占总建设成本的30.5%;其次是安全监测系统成本,占总建设成本的20.8%,具体如图3所示。

     分析其占比较大原因,硐室建设和安全监测系统属于新建设施,硐室包含水净化硐室、水循环硐室等,需配置传统的水处理设施,以实现矿井水在地下水库的预处理功能,提高地下水库的自净化效率。安全监测系统是保障地下水库长期安全运行的新建模块,用于水库日常运行参数监测、数据可视化、预测预警及安全应急等安全监测。建设成本中占比最小的是人工坝体建设支出,占总建设成本的12%,这是由于地下水库煤柱坝体是在原采煤区安全煤柱或防水煤柱基础上改造的,人工坝体的构筑主要在人工坝体和煤柱坝体的连接处进行掏槽连接,保证坝体的安全。另外,在地下水库建设成本中,管道及水泵、钻孔及配套成本占比分别为19%和18%,这2个要素用于地下水库库间调水,管道和钻孔等配套调水系统是在原井下供排水系统升级和改造基础上形成。总之,地下水库建设大规模应用了原煤炭开采基建设施和采空区,节省了地下水库建设费用。

     地下水库运行过程中,主要涉及地下水库各主体设施备件的维修、维护等,因此水库运行费用包含电费、人工成本、坝体及设备设施维护费用等。大柳塔矿区地下水库近11年的运行费用明细见表2。

     地下水库运行成本中,电费、坝体维护支出及监测系统的维护费用占比较大,主要用于保障地下水库的安全运行,如图4所示。地下水库的供水排水、水质净化以及设备运行等都需要电力支持,因此电费支出较大。坝体维护支出主要来自于地下水库运行过程中由于储水浸泡、矿震等原因而造成的坝体强度软化或是裂隙等,这种情况具有突发性,因此2013—2015年这项支出波动较大。监测系统的维护费用主要与检测设备的寿命、使用频率等有关。据推测,地下水库的运行成本与煤矿采煤量有关,采煤量越大,涌水量越大,地下水库的储水量越高,地下水库的设备用电、维护等运行成本越大。

2.1.1　建设成本 

     地下水库的建设成本C_c指地下水库建设前期的一次性投资,主要包含硐室建设成本C_cc、钻孔和配套设施建设成本C_ds、人工坝体构建成本C_ad、管路等设备设施成本C_po、安全监测监控系统成本 C_sm ,计算公式为 

 2.1.2　运行成本 

     地下水库的运行成本是指地下水库正常储水调水过程中所需投入的日常费用,计算公式为 

式中:C_cm指硐室日常维护支出;C_mm指坝体维护支出;C_smm指安全监测监控系统更换维护支出; C_ppm指管路、水泵更换维护费用支出;C_ec指电费;C_la指人工成本; C_qs指质量标准化费用支出。由表2可知, 用电支出比重大且增长较快。假设用电支出为线性增长, 则用电成本计算如下, 其中N为运行年度, 如图5所示。

     目前, 地下水库清水的水质可以满足工业和绿化用水要求, 一部分可直接作为井下工业生产用水, 为地下水库直接复用水; 另外一部分可通过管路输送到地面, 经水处理厂处理后, 供洗煤厂、露采和橡胶坝等使用, 为地下水库处理后复用水; 其余矿井水存于地下水库备用, 或处理后外排。 

2.2.1 地下水库用水收益 

     地下水库可存储的水量代表可保护和利用的水资源, 属于矿区可利用的水资源。假设矿井水年储水量为W_s , 直接复用量为W_ds,处理后复用量W_hs,地下水库创造的用水资源价值B₁主要来自于复用的矿井水, 计算公式为

     其中, P_w 为矿区吨水价格, 按照神木市用水价格, 记为6元。 

2.2.2 地下水库节水收益

     地下水库存储的水资源经过地下水库的自净化作用后, 水质满足矿区生产、绿化等用途, 不需要经过进出水管网和水处理厂, 因此地下水库的节水效益主要包含可直接复用矿井水节省的水处理费,计算公式为 

     其中, P_c 为矿区水处理厂吨水处理费用, 假设按1.8元计。 

2.2.3 地下水库社会经济效益 

     工业用水量指工矿企业在生产过程中用于制造、加工、冷却(包括火电直流冷却)、空调、净化、洗涤等方面的用水, 按新水取用量计, 不包括企业内6部的重复利用水量。参考《2020年水资源公报》, 2020年全国万元工业增加用水量为32.9m³, 假设地下水库30%的直接复用矿井水量为新水取用量, 则地下水库增加的工业万元生产值B_G为

     假设地下水库的运行期或投资回收期为30年,则地下水库运行第n年的累计净现值可表示为

式中: NCF_t 为地下水库第n年的效益; t为运行年度; i_c 为折现率。

     以神东矿区某矿区地下水库为例, 假设该矿区和地下水库可以稳定运行30年, 预估储水量约1200万m³, 最大储水量约2000万m³, 所储水资源约40%用于井下生产, 30%~40%经处理后用于绿化或工业用水。地下水库前3年属于边建设边试运行阶段, 储水量相对较少; 矿井水复用量的计算, 按照我国煤矿矿井水保护利用发展战略与工程科技预测, 煤矿矿井水利用率2025年提高至55%, 2035年预计提高至80%。详细数据见表3。

     模拟地下水库30年运营期内经济效益, 将经济效益的出发点分为矿区和社会2个角度。从矿区角度出发, 地下水库产生的效益主要来自地下水库的矿井水复用量, 包含矿井水直接复用节省的水处理费和水费, 以及处理后矿井水再复用节省的水费; 从社会全局考虑, 地下水库存储可利用的矿井水一部分属于增加的水资源量, 假设其中30%的直接复用的矿井水是正常外排废水, 地下水库的建设保存了这部分水资源并有效利用, 增加了矿区的区域用水量, 按照2020年《水资源公报》全国万元工业增加值用水量32.9m³计算, 可计算出这部分矿井水增加的社会经济效益。将2个视角计算的效益值代入地下水库经济效益评估模型, 得到地下水库的累计净现值和投资回收期, 测算结果如图6所示, 2种方式计算得到的地下水库投资回收期均较短, 说明地下水库技术非常适合在矿区推广应用, 其中通过万元工业增加值用水量得到的经济效益更高, 地下水库试运行1年达到投资回收期, 间接说明矿井水资源对国民经济的重要性。

     以运营期第4年为例,可得到地下水库的各项效益,见表4。从矿区节水收益分析,地下水库矿井水井下直接复用节省的水处理费用为630万元,矿井水井下直接复用节省的水费为2100万元,矿井水处理后复用节省的水费为1800万元,总计4530万元;以社会工业增长值计算,假设直接复用的矿井水中约30%应用于工业生产,产生的收益为31914万元,远大于矿区节水收益。

     随着地下水库技术的成熟应用,在建设和运行过程中需要的人力和物力成本会出现波动。分析地下水库建设和运行的成本变化对累计净现值和投资回收期的影响,如图7所示,在增大水库建设成本和运行成本比例的条件下,水库投资比例随之提高,地下水库在30年的运行期内,累计净现值的变化规律相似。分析2种收益模式下建设和运行成本对地下水库经济效益的敏感性,当以地下水库用水收益分析时,如图7(a)所示,发现投资成本增加20%~40%,投资回收期分别增加5年和6年;投资增加60%~80%,投资回收期成为运行期的第9年和16年。说明地下水库建设和运行的成本低时,对地下水库经济效益的敏感性较弱;地下水库建设和运行的成本高于60%时,对地下水库的经济效益影响较大。实际上,地下水库的建设主要是对地下采煤空间和设施的改造,地下水库建设成本比较稳定,运行成本主要是电费,建设运行成本的稳定有助于地下水库直接经济效益的提高。

     以万元工业值计算地下水库的社会经济效益,如图7(b)所示,投资成本的变化对地下水库的净现值和投资回收期影响均较弱,地下水库的建设不仅保护和利用了矿井水资源,节省了矿区用水支出,而且间接产生了巨大的社会经济和生态环境效益。

     另外,地下水库的经济效益主要来自于地下水库的矿井水。假设由于自然因素等不可抗拒性原因导致地下水库有3年或5年不能储水, 如图8所示, 第10年、第20年储水量为0时, 矿井水复用量以及节省的矿井水费用发生较大的变化, 直接导致当年的累计净现值减小, 整个投资回收期内的累计净现值为正值, 说明偶然的事件导致地下水库不能储水会降低当年地下水库的效益, 但对地下水整个生命周期的经济性效益影响较小。假设地下水库建成后, 水库的储水量下降60%时, 地下水库的效益整体下降, 地下水库依旧可以在第4年收回成本, 说明地下水库对储水量的敏感性较弱, 储水量在40%~100%的情况下, 储水量降低对地下水库的经济效益影响较小。