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摘 要：为缓解水资源供需矛盾与水资源压力，评价矿井水开发利用现状，挖掘其潜力，是开展矿井水资源化利用的重要工作。梳理总结矿井水资源利用及相关概念与内涵，指出矿井水资源可利用量是开发利用能力的函数，对应开发利用能力的矿井水资源可划分为可利用量和不可利用量两部分。采用极限分析理论，推理辨析矿井水现状利用量、理论利用量及潜力等概念和定量关系，完善和统一了矿井水资源利用的概念体系和评价方法。以石圪台矿区为例，评价矿井水资源利用现状和潜力，计算出现状和理论可利用量分别为602.25万～1 159.75万m3、730.00万～1 405.75万m3，现状和理论利用潜力分别为0 ～163.66万m3和131.67万～ 409.67万m3，指出了现状矿井水资源利用的阈值空间和挖掘方向。
关键词：矿井水资源;可利用量;开发利用能力;潜力;石圪台矿区
Abstract：In order to alleviate the contradiction between supply and demand of water resources and the pressure of water resources， evaluate the present situation of mine water development and utilization， and tap the potential， it is an important work to carry out the utilization of mine water resources. Combing and summarizing the utilization of mine water resources and related concepts and connotations， this paper brought out the related concepts of mine water resources utilization， and pointed out that the available amount of mine water resources was a function of utilization capacity. Mine water resources with corresponding utilization capacity could be divided into two parts. Using the theory of limit analysis， the concept and quantitative relationship of mine water current utilization， theoretical utilization and potential were analyzed. This paper improved and unified the concept system and evaluation method of mine water resources utilization. Taking the Shigetai mining area as an example， the status and utilization potential of mine water resources utilization were evaluated. After calculation， the current situation and theoretical available capacity were 6.02 million m3-11.59 million m3 and 7.30 million -14.06 million m3 respectively. The current and theoretical utilization potential were 0-1.64 million m3 and 1.32 million m3-4.10 million m3 respectively. It pointed out the threshold space and excavation direction of the current utilization of mine water resources.
Key words： mine water resources; available quantity; utilization capability; potential evaluation; Shigetai mining area
根据国家煤矿安全监察局2012年的调查统计，近年来我国煤矿年实际排水量为71.7亿m3，煤矿正常涌水量超过1 000 m3/a的共有61家，矿井水损失量约60亿t/a，相当于我国工业和民用缺水量（100亿t/a）的60%[1]。在矿井水没有得到有效利用的同時，矿区建设面临找水、水资源综合利用和优化配置等难题。因此，矿井水资源化利用是煤炭资源开发和水资源短缺矛盾双重驱动下的产物，将其纳入区域水资源开发利用发展规划，是缓解煤炭开采区水资源短缺、提高水资源利用效率的重要途经。国家发展改革委、国家能源局联合印发的《矿井水利用发展规划》提出 “到2015年……全国煤矿矿井水排放量达71亿m3，利用量54亿m3，利用率提高到75%，新增矿井水利用量18亿m3”。2015年国务院发布的“水十条”中明确提出“推进矿井水综合利用，煤炭矿区的补充用水、周边地区生产和生态用水应优先使用矿井水，加强选煤废水循环利用”。
众多学者从不同角度对矿井水资源利用现状、技术及存在问题进行了研究。李喜林等[2]提出了“矿井水资源评价”的概念，阐述了其内涵、研究内容和技术体系。何绪文等[3]调查得出2005年全国煤矿矿井涌水量为42亿m3左右，利用率仅为26.2%。顾大钊[4]提出的地下水库储用矿井水理念在神东矿区成功运用，为西部地区煤矿矿井水资源化利用提供了理论和技术依据。袁亮等[5]基于多应力场耦合演化规律对关闭/废弃矿井水进行智能精准开发。郭雷等[6]针对矿井水管理现状及存在的问题，建议健全矿井水利用标准体系。连会青等[7]提出了矿井水“排水（疏水）—供水—回灌—生态环保—安全开采”五位一体化利用模式。矿井水处理技术的长足发展[8-14]，为矿井水资源化利用奠定了科技基础。 尽管在矿井水资源利用方面积累了较多的理论成果和实践经验，但仍存在若干问题需深入研究：一是目前对于矿井水资源利用相关的基本概念缺乏系统总结和梳理，加之不同学者研究的背景和角度不尽相同，存在较多的争论和分歧，从相关术语的多样性可见端倪[15-20];二是如何科学合理评价矿井水资源利用的现状和潜力，协调煤炭矿区严重缺水和矿井水外排的矛盾，成为区域水资源开发利用研究的热点和难点。因此，本文梳理矿井水资源利用及相关概念与内涵，采用极限分析理论，推理辨析矿井水资源现状利用潜力、理论利用潜力等定量关系，完善和统一矿井水资源利用的概念体系和评价方法，并应用于石圪台矿区，以期为区域矿井水资源化利用提供技术支撑。
1 矿井水资源利用相关概念辨析
1.1 矿井水资源和矿井水资源量
明確“矿井水资源”和“矿井水资源量”两个概念是讨论矿井水资源可利用量和矿井水资源利用潜力的前提。长期以来，主要从煤炭开采或者资源利用角度对这两个概念进行定义。参考虎维岳等[16]的研究成果，笔者将“矿井水资源”定义为：在采掘过程中人为地、主动地疏降水以及采掘诱发的或直接、间接揭露或导通某种充水水源的水，并在特定时段和区段内流入矿井的水。相应的矿井水资源对应的水量称为矿井水资源量。
定义的依据：①2013年国家发改委《关于水资源费征收标准有关问题的通知》（发改价格[2013]29号）提出“鼓励水资源回收利用，采矿排水由本企业回收利用的，其水资源费征收标准可从低征收”，明确规定了矿井水的水资源属性;②矿井水由疏降水和涌水（主要包括工作面涌水和采空区积水）两部分组成，其中在采矿过程中预先疏排和随汇随排的矿井水，经过处理水质达标后可作为生产、生活和生态用水，另一部分采空区积水可作为生态环境治理较为经济的水源。因此，矿井疏降水和涌水均具有作为自然资源对人类的使用价值。
1.2 矿井水资源可利用量
矿井水资源化利用是对矿井开采期间进入矿井的全部水量进行主动蓄集、调节、控制，使之转化为可供利用的水资源。作为水资源开发利用的一种特殊而重要的方式，矿井水资源化利用主要受以下两方面因素的制约：①矿井水资源化利用过程中受到采掘工程和矿井水处理利用能力等限制，需满足开发利用安全的需求。不考虑开发利用能力，盲目增加矿井水利用量，将造成突水或淹井等危险。②必须考虑生态环境安全。因其具有污染物属性，矿井水资源利用量必须控制在合理的范围内，若超过了开发利用能力，可能导致地下水位持续下降、地下水污染等严重的生态环境问题。
基于对上述两方面限制因素的考虑，本文将“矿井水资源可利用量”定义为：可预见时期内，在统筹考虑煤炭资源开发安全与矿井水资源化的耦合关系、保障生态环境安全的基础上，以现有采掘工程和矿井水处理利用技术为依托，依靠科技进步提高矿井水资源开发利用能力，能够开发利用的最大矿井水量。
因此，矿井水资源可利用量兼具“能够利用”和“允许利用”两层含义。“能够利用”是指矿井水资源可利用量在采掘工程和矿井水处理利用能力之内，“允许利用”是指矿井水资源可利用量不能超过生态环境允许的限度。在此基础上，将矿井水资源量划分为“可利用量”和“不可利用量”两部分。
矿井水资源可利用量界定了一定时期内区域矿井水资源利用的合理阈值，为矿井水资源利用评价提供了一个综合判据。同时，矿井水资源可利用量是一个动态概念，它是相对于一定的经济水平、工程技术条件和生态环境保护目标而言的。不同发展阶段，矿井水资源开发利用能力不同，其可利用量也不同。
1.3 矿井水资源可利用潜力
在矿井水资源可利用量的基础上，进一步提出“矿井水可利用潜力”的定义：扣除矿井水资源现状实际利用量之后，在保障区域生态环境的基础上（即当地下水位埋深达到40～60 m时[21]停止矿井水资源化利用，防止地下水位持续下降、水生态环境恶化），采取经济合理、技术可行的措施，可进一步开发利用的最大水量。
矿井水可利用潜力是指在可预见时期内，相对于实际开发利用量，最多能够增加的利用量。在矿井水实际利用量不超过矿井水可利用量的情况下，矿井水可利用潜力是矿井水资源可利用量与实际利用量之差。若矿井水资源利用潜力大于零，则说明该区域尚具有进一步开发利用的空间，可通过合理的措施增加利用量;若可利用潜力为零，则说明在一定阶段矿井水利用量已达到或超过了可利用量，不存在进一步开发利用的空间。
2 矿井水资源利用现状与潜力评价方法
2.1 公式推导
根据矿井水资源可利用量的定义，矿井水资源量可以划分为可利用量和不可利用量两部分，不可利用量主要为限于开发利用水平而不能够利用的水量。
综上所述，提出两个基本假设：①矿井水资源可利用量可描述为开发利用能力的函数;②矿井水资源量均可划分为可利用量和不可利用量。然后推理矿井水资源理论利用潜力、现状利用潜力，以及矿井水理论可利用量、现状可利用量等概念之间的定量关系，并建立评价方法。
2.2 相关指标之间的关系
由公式推导可知，矿井水可利用量属于绝对量，而开发利用潜力则属于增量;对应同一开发利用能力，可利用量等于现状利用量与开发利用潜力之和。矿井水现状可利用量和现状利用潜力，是指可以基于现有采掘工程和矿井水处理利用工程，可以开发利用的上限和在现有开发利用基础上可进一步挖掘的增量。矿井水理论可利用量和理论潜力是指通过无限提高开发利用能力，可开发利用的上限和在现有利用基础上可进一步挖掘的增量，即可利用的最大量和最大可增加量，是理论值，可以无限接近但不可能达到的数值。
为了直观地反映矿井水资源量、矿井水资源现状可利用量、矿井水资源现状利用潜力、矿井水资源理论可利用量、矿井水资源理论利用潜力等指标之间的定量关系，假定某区域在尚未进行矿井水资源开发之前，矿井水资源量为QX1（t），t∈[t0，tX];随着矿井水资源开发利用能力的提高，现状利用水平下的矿井水资源开发利用量为QX0α（t），t∈[t0，tX];现状条件下矿井水资源实际开发利用量为QX0τ（t），t∈[t0，tX]。QX1（t）、QX0α（t）、QX0τ（t）之间的关系见图1。 实际开发利用量之间的数量关系
2.3 矿井水资源利用现状与潜力评价方法
（1）矿井水资源利用现状评价方法。利用式（2）计算不同采掘时段和矿井水处理利用能力条件下矿井水资源实际利用量QX0τ（t），利用式（7）计算矿井水资源现状可利用量QX0α1（t）。根据QX0τ（t）与QX0α1（t）的大小关系，判断现状条件下矿井水资源利用的合理性：若QX0α1（t）>QX0τ（t），表明基于现有工程技术体系，通过优化调控还有进一步挖掘潜力的空间;反之，若QX0α1（t）≤QX0τ（t），则表明已经没有挖掘潜力，甚至可能过度开发利用，出现地下水位持续下降、水质恶化等生态环境问题。
（2）矿井水资源利用潜力和可利用量评价方法。利用式（5）和式（8），分别计算矿井水资源理论利用潛力Qp（t）和现状利用潜力QX0p1（t），给出可利用的矿井水资源理论最大量和现状可能的最大量。
（3）不可利用矿井水资源量和矿井水资源开发利用能力。不可利用矿井水资源量主要包含两部分：一部分是水处理和输水损失量（称为水处理利用损失量）;另一部分是采掘过程中难于收集利用的矿井水及超过最大调蓄能力和处理利用能力，受到经济、技术等因素影响而不能够被利用的水量（称为难以控制利用量）。
矿井水资源开发利用能力可定义为：在保证煤炭安全开采的前提下，依赖于开发利用能力能够开发利用的最大水量。不可利用矿井水资源量和矿井水资源开发利用能力应在现状或规划条件下的采掘工程条件、矿井水处理利用能力的基础上，通过建立区域水量仿真模型确定。但这一方法比较烦琐，且可靠性有待评估。笔者建议用实际统计数据，修正矿井水资源可利用量和不可利用量的计算方法，相互验证。
3 实例应用
3.1 研究区概况及数据来源
石圪台煤矿是神东煤炭集团公司的主力生产矿井之一，位于陕西省神木县境内，井田面积65.25 km2，主采煤层为1-2上、1-2、2-2、3-1四层，煤层赋存稳定。该煤矿2004年12月建成投产，2008年原煤产量达到1 000万t，2008—2018年矿井水资源量在1 000万m3以上，具备实施矿井水资源化利用的基础。该矿区属干旱半干旱大陆性季风气候区，年均降水量不足350 mm，水资源短缺，生态环境脆弱，水资源和煤炭资源分布极不平衡。随着煤矿持续开采，缺水加剧，矿井水资源化利用可有效缓解缺水状况。煤矿2011年对井下排水管路进行了优化和完善，矿井水开发利用能力有所提高。
数据主要来源于现场调研、有关报告整理及文献查阅。收集了石圪台矿区发展历史资料，国家发改委和陕西省发改委对煤矿的批复或核准文件，《矿区总体规划报告》《初步设计报告》《地质勘探报告》《补充勘探报告》及《环境评价报告》等。重点收集了2008—2018年的逐月原煤产量与矿井涌水量、2014—2018年实际用水量、矿井水处理站的建成投运时间、处理规模、处理工艺、现有用户以及水质报告等数据。由于未能收集到2008—2013年的实际用水数据，因此根据收集到的矿区人数、用水设施等数据确定实际用水数据。此外，2008年矿区升级改造工程基本完成，原煤生产能力达到1 000万t/a， 2008年以来的矿井水资源利用情况基本代表了现状开发利用能力。
3.2 矿井水资源开发利用能力和不可利用量
3.2.1 计算过程及合理性分析
据式（2）和式（7）分别计算石圪台矿区矿井水实际利用量与现状可利用量，结果见表1。2008—2018年矿井水实际利用率较大的年份为2016年（82.50%）和2017年（88.69%）。根据较大值法，从偏于生产安全及矿井水资源化利用的角度考虑，笔者认为该阶段矿井水开发利用能力以不超过2016年开发利用率（82.50%）为宜。因此，选择2016年矿井水资源实际利用量（953.46万m3）作为2008—2018年矿井水资源开发利用能力。
本文之所以采用“较大值”而非“最大值”计算矿井水不可利用量，是因为矿井水资源调蓄耗用量最大的年份有可能发生矿井突水，该年矿井水资源调蓄利用水量将高估正常开发利用能力。因此，笔者认为应结合矿区涌水、突水等数据和开发利用实际，综合权衡，选择历年矿井水资源实际开发利用中的某一“较大值”来估算其开发利用能力。
不可利用矿井水资源量中难于收集利用的矿井水，按照矿井水处理站水处理损失率取值，一般为总水量的5%～10%。输水损失量因输水线路长度、输水方式不同而有所不同，根据现场调研情况（主要为管道输水，少量为渠道输水），建议按总水量的5%～10%计算。另外，超过最大处理利用能力而难以利用的水量及受经济技术等因素限制而不能被利用的水量比较少，建议按总水量的1%～5%折算。鉴于现状条件下矿井水资源利用过程中可能有总水量的11%～25%为不可利用量，因此本文选择的矿井水利用量在合理取值范围之内。
3.2.2 结果分析
（1）由表1可知， 2008—2018年平均实际利用量为809.47万m3，最大值为1 032.12万m3（2017年），最小值为514.21万m3（2008年），平均矿井水资源可利用量占矿井水资源量的75.67%。2008—2018年多年平均现状可利用量为882.49万m3，最大值为1 159.75万m3（2013年），最小值为602.25万m3（2008年）。从多年平均角度来看，现状可利用量大于等于实际利用量，说明有一定的开发利用潜力;但在2017年实际利用量大于可利用量，说明可能出现了过度利用的现象。
（2）根据式（5）和式（8）计算石圪台矿区矿井水资源理论和现状利用潜力，结果见表1。由表1可知，多年平均现状利用潜力为79.57万m3，占矿井水资源量的7.44%，最大值为163.66万m3（2013年），最小值为0（2016年、2017年）。2008—2013年平均矿井水利用潜力为102.06万m3，其中2009年和2013年分别为117.90万m3和163.66万m3。2014—2018年平均矿井水利用潜力为52.57万m3，显著小于2008—2013年利用潜力。从多年平均角度来看，现状利用潜力占矿井水理论潜力的30.58%，说明具有较大的开发利用潜力。 （3）根据式（5）和式（6）计算石圪台矿区矿井水资源理论潜力和理论可利用量，结果见表1。2008—2018年多年平均矿井水资源理论潜力为260.21万m3，最大值为409.67万m3（2013年），最小值为131.67万m3（2017年）;矿井水资源多年平均理论可利用量为1 069.68万m3，最大值为1 405.75万m3（2013年），最小值为730.00万m3（2008年）。总体而言，矿井水理论可利用量越大，理论利用潜力越大（2016年和2017年除外）。
4 结 语
（1）本文系统阐述了矿井水资源量、矿井水资源可利用量和矿井水资源利用潜力的定义与内涵，提出了相应的评价计算方法，同时对矿井水资源开发利用能力等概念进行了阐述，为矿井水资源合理利用提供了基本的阈值条件和综合性判据。
（2）石圪台矿区2008—2018年平均现状可利用量和实际利用量分别为882.49万、809.47万m3，现状可利用量大于等于实际利用量，有一定的开发利用潜力。2014—2018年平均矿井水现状利用潜力52.57万m3，显著小于2008—2013年的平均102.06万m3。从多年平均角度来看，现状利用潜力占矿井水理论潜力的30.58%，具有较大的开发利用潜力。
（3）矿井水开发利用能力的确定方法仍需要进一步深入研究。本文主要采用经验估算的方法，具有一定的不确定性。受现状矿井水处理能力、处理工艺等因素制约，需要进一步结合矿井水涌水特性、水质和矿井水处理利用技术等资料，建立实践性、原则性、可操作性更强的计算方法。
（4）矿井水资源利用中定义了生态约束，即当地下水位埋深达到40～60 m时，建议停止矿井水的资源化利用，防止地下水位持续下降、水生态环境恶化等，如何在算法中体现生态约束需进一步研究。
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【责任编辑 张华兴】
关键词：矿井水资源;可利用量;开发利用能力;潜力;石圪台矿区
Abstract：In order to alleviate the contradiction between supply and demand of water resources and the pressure of water resources， evaluate the present situation of mine water development and utilization， and tap the potential， it is an important work to carry out the utilization of mine water resources. Combing and summarizing the utilization of mine water resources and related concepts and connotations， this paper brought out the related concepts of mine water resources utilization， and pointed out that the available amount of mine water resources was a function of utilization capacity. Mine water resources with corresponding utilization capacity could be divided into two parts. Using the theory of limit analysis， the concept and quantitative relationship of mine water current utilization， theoretical utilization and potential were analyzed. This paper improved and unified the concept system and evaluation method of mine water resources utilization. Taking the Shigetai mining area as an example， the status and utilization potential of mine water resources utilization were evaluated. After calculation， the current situation and theoretical available capacity were 6.02 million m3-11.59 million m3 and 7.30 million -14.06 million m3 respectively. The current and theoretical utilization potential were 0-1.64 million m3 and 1.32 million m3-4.10 million m3 respectively. It pointed out the threshold space and excavation direction of the current utilization of mine water resources.
Key words： mine water resources; available quantity; utilization capability; potential evaluation; Shigetai mining area
根据国家煤矿安全监察局2012年的调查统计，近年来我国煤矿年实际排水量为71.7亿m3，煤矿正常涌水量超过1 000 m3/a的共有61家，矿井水损失量约60亿t/a，相当于我国工业和民用缺水量（100亿t/a）的60%[1]。在矿井水没有得到有效利用的同時，矿区建设面临找水、水资源综合利用和优化配置等难题。因此，矿井水资源化利用是煤炭资源开发和水资源短缺矛盾双重驱动下的产物，将其纳入区域水资源开发利用发展规划，是缓解煤炭开采区水资源短缺、提高水资源利用效率的重要途经。国家发展改革委、国家能源局联合印发的《矿井水利用发展规划》提出 “到2015年……全国煤矿矿井水排放量达71亿m3，利用量54亿m3，利用率提高到75%，新增矿井水利用量18亿m3”。2015年国务院发布的“水十条”中明确提出“推进矿井水综合利用，煤炭矿区的补充用水、周边地区生产和生态用水应优先使用矿井水，加强选煤废水循环利用”。
众多学者从不同角度对矿井水资源利用现状、技术及存在问题进行了研究。李喜林等[2]提出了“矿井水资源评价”的概念，阐述了其内涵、研究内容和技术体系。何绪文等[3]调查得出2005年全国煤矿矿井涌水量为42亿m3左右，利用率仅为26.2%。顾大钊[4]提出的地下水库储用矿井水理念在神东矿区成功运用，为西部地区煤矿矿井水资源化利用提供了理论和技术依据。袁亮等[5]基于多应力场耦合演化规律对关闭/废弃矿井水进行智能精准开发。郭雷等[6]针对矿井水管理现状及存在的问题，建议健全矿井水利用标准体系。连会青等[7]提出了矿井水“排水（疏水）—供水—回灌—生态环保—安全开采”五位一体化利用模式。矿井水处理技术的长足发展[8-14]，为矿井水资源化利用奠定了科技基础。 尽管在矿井水资源利用方面积累了较多的理论成果和实践经验，但仍存在若干问题需深入研究：一是目前对于矿井水资源利用相关的基本概念缺乏系统总结和梳理，加之不同学者研究的背景和角度不尽相同，存在较多的争论和分歧，从相关术语的多样性可见端倪[15-20];二是如何科学合理评价矿井水资源利用的现状和潜力，协调煤炭矿区严重缺水和矿井水外排的矛盾，成为区域水资源开发利用研究的热点和难点。因此，本文梳理矿井水资源利用及相关概念与内涵，采用极限分析理论，推理辨析矿井水资源现状利用潜力、理论利用潜力等定量关系，完善和统一矿井水资源利用的概念体系和评价方法，并应用于石圪台矿区，以期为区域矿井水资源化利用提供技术支撑。
1 矿井水资源利用相关概念辨析
1.1 矿井水资源和矿井水资源量
明確“矿井水资源”和“矿井水资源量”两个概念是讨论矿井水资源可利用量和矿井水资源利用潜力的前提。长期以来，主要从煤炭开采或者资源利用角度对这两个概念进行定义。参考虎维岳等[16]的研究成果，笔者将“矿井水资源”定义为：在采掘过程中人为地、主动地疏降水以及采掘诱发的或直接、间接揭露或导通某种充水水源的水，并在特定时段和区段内流入矿井的水。相应的矿井水资源对应的水量称为矿井水资源量。
定义的依据：①2013年国家发改委《关于水资源费征收标准有关问题的通知》（发改价格[2013]29号）提出“鼓励水资源回收利用，采矿排水由本企业回收利用的，其水资源费征收标准可从低征收”，明确规定了矿井水的水资源属性;②矿井水由疏降水和涌水（主要包括工作面涌水和采空区积水）两部分组成，其中在采矿过程中预先疏排和随汇随排的矿井水，经过处理水质达标后可作为生产、生活和生态用水，另一部分采空区积水可作为生态环境治理较为经济的水源。因此，矿井疏降水和涌水均具有作为自然资源对人类的使用价值。
1.2 矿井水资源可利用量
矿井水资源化利用是对矿井开采期间进入矿井的全部水量进行主动蓄集、调节、控制，使之转化为可供利用的水资源。作为水资源开发利用的一种特殊而重要的方式，矿井水资源化利用主要受以下两方面因素的制约：①矿井水资源化利用过程中受到采掘工程和矿井水处理利用能力等限制，需满足开发利用安全的需求。不考虑开发利用能力，盲目增加矿井水利用量，将造成突水或淹井等危险。②必须考虑生态环境安全。因其具有污染物属性，矿井水资源利用量必须控制在合理的范围内，若超过了开发利用能力，可能导致地下水位持续下降、地下水污染等严重的生态环境问题。
基于对上述两方面限制因素的考虑，本文将“矿井水资源可利用量”定义为：可预见时期内，在统筹考虑煤炭资源开发安全与矿井水资源化的耦合关系、保障生态环境安全的基础上，以现有采掘工程和矿井水处理利用技术为依托，依靠科技进步提高矿井水资源开发利用能力，能够开发利用的最大矿井水量。
因此，矿井水资源可利用量兼具“能够利用”和“允许利用”两层含义。“能够利用”是指矿井水资源可利用量在采掘工程和矿井水处理利用能力之内，“允许利用”是指矿井水资源可利用量不能超过生态环境允许的限度。在此基础上，将矿井水资源量划分为“可利用量”和“不可利用量”两部分。
矿井水资源可利用量界定了一定时期内区域矿井水资源利用的合理阈值，为矿井水资源利用评价提供了一个综合判据。同时，矿井水资源可利用量是一个动态概念，它是相对于一定的经济水平、工程技术条件和生态环境保护目标而言的。不同发展阶段，矿井水资源开发利用能力不同，其可利用量也不同。
1.3 矿井水资源可利用潜力
在矿井水资源可利用量的基础上，进一步提出“矿井水可利用潜力”的定义：扣除矿井水资源现状实际利用量之后，在保障区域生态环境的基础上（即当地下水位埋深达到40～60 m时[21]停止矿井水资源化利用，防止地下水位持续下降、水生态环境恶化），采取经济合理、技术可行的措施，可进一步开发利用的最大水量。
矿井水可利用潜力是指在可预见时期内，相对于实际开发利用量，最多能够增加的利用量。在矿井水实际利用量不超过矿井水可利用量的情况下，矿井水可利用潜力是矿井水资源可利用量与实际利用量之差。若矿井水资源利用潜力大于零，则说明该区域尚具有进一步开发利用的空间，可通过合理的措施增加利用量;若可利用潜力为零，则说明在一定阶段矿井水利用量已达到或超过了可利用量，不存在进一步开发利用的空间。
2 矿井水资源利用现状与潜力评价方法
2.1 公式推导
根据矿井水资源可利用量的定义，矿井水资源量可以划分为可利用量和不可利用量两部分，不可利用量主要为限于开发利用水平而不能够利用的水量。
综上所述，提出两个基本假设：①矿井水资源可利用量可描述为开发利用能力的函数;②矿井水资源量均可划分为可利用量和不可利用量。然后推理矿井水资源理论利用潜力、现状利用潜力，以及矿井水理论可利用量、现状可利用量等概念之间的定量关系，并建立评价方法。
2.2 相关指标之间的关系
由公式推导可知，矿井水可利用量属于绝对量，而开发利用潜力则属于增量;对应同一开发利用能力，可利用量等于现状利用量与开发利用潜力之和。矿井水现状可利用量和现状利用潜力，是指可以基于现有采掘工程和矿井水处理利用工程，可以开发利用的上限和在现有开发利用基础上可进一步挖掘的增量。矿井水理论可利用量和理论潜力是指通过无限提高开发利用能力，可开发利用的上限和在现有利用基础上可进一步挖掘的增量，即可利用的最大量和最大可增加量，是理论值，可以无限接近但不可能达到的数值。
为了直观地反映矿井水资源量、矿井水资源现状可利用量、矿井水资源现状利用潜力、矿井水资源理论可利用量、矿井水资源理论利用潜力等指标之间的定量关系，假定某区域在尚未进行矿井水资源开发之前，矿井水资源量为QX1（t），t∈[t0，tX];随着矿井水资源开发利用能力的提高，现状利用水平下的矿井水资源开发利用量为QX0α（t），t∈[t0，tX];现状条件下矿井水资源实际开发利用量为QX0τ（t），t∈[t0，tX]。QX1（t）、QX0α（t）、QX0τ（t）之间的关系见图1。 实际开发利用量之间的数量关系
2.3 矿井水资源利用现状与潜力评价方法
（1）矿井水资源利用现状评价方法。利用式（2）计算不同采掘时段和矿井水处理利用能力条件下矿井水资源实际利用量QX0τ（t），利用式（7）计算矿井水资源现状可利用量QX0α1（t）。根据QX0τ（t）与QX0α1（t）的大小关系，判断现状条件下矿井水资源利用的合理性：若QX0α1（t）>QX0τ（t），表明基于现有工程技术体系，通过优化调控还有进一步挖掘潜力的空间;反之，若QX0α1（t）≤QX0τ（t），则表明已经没有挖掘潜力，甚至可能过度开发利用，出现地下水位持续下降、水质恶化等生态环境问题。
（2）矿井水资源利用潜力和可利用量评价方法。利用式（5）和式（8），分别计算矿井水资源理论利用潛力Qp（t）和现状利用潜力QX0p1（t），给出可利用的矿井水资源理论最大量和现状可能的最大量。
（3）不可利用矿井水资源量和矿井水资源开发利用能力。不可利用矿井水资源量主要包含两部分：一部分是水处理和输水损失量（称为水处理利用损失量）;另一部分是采掘过程中难于收集利用的矿井水及超过最大调蓄能力和处理利用能力，受到经济、技术等因素影响而不能够被利用的水量（称为难以控制利用量）。
矿井水资源开发利用能力可定义为：在保证煤炭安全开采的前提下，依赖于开发利用能力能够开发利用的最大水量。不可利用矿井水资源量和矿井水资源开发利用能力应在现状或规划条件下的采掘工程条件、矿井水处理利用能力的基础上，通过建立区域水量仿真模型确定。但这一方法比较烦琐，且可靠性有待评估。笔者建议用实际统计数据，修正矿井水资源可利用量和不可利用量的计算方法，相互验证。
3 实例应用
3.1 研究区概况及数据来源
石圪台煤矿是神东煤炭集团公司的主力生产矿井之一，位于陕西省神木县境内，井田面积65.25 km2，主采煤层为1-2上、1-2、2-2、3-1四层，煤层赋存稳定。该煤矿2004年12月建成投产，2008年原煤产量达到1 000万t，2008—2018年矿井水资源量在1 000万m3以上，具备实施矿井水资源化利用的基础。该矿区属干旱半干旱大陆性季风气候区，年均降水量不足350 mm，水资源短缺，生态环境脆弱，水资源和煤炭资源分布极不平衡。随着煤矿持续开采，缺水加剧，矿井水资源化利用可有效缓解缺水状况。煤矿2011年对井下排水管路进行了优化和完善，矿井水开发利用能力有所提高。
数据主要来源于现场调研、有关报告整理及文献查阅。收集了石圪台矿区发展历史资料，国家发改委和陕西省发改委对煤矿的批复或核准文件，《矿区总体规划报告》《初步设计报告》《地质勘探报告》《补充勘探报告》及《环境评价报告》等。重点收集了2008—2018年的逐月原煤产量与矿井涌水量、2014—2018年实际用水量、矿井水处理站的建成投运时间、处理规模、处理工艺、现有用户以及水质报告等数据。由于未能收集到2008—2013年的实际用水数据，因此根据收集到的矿区人数、用水设施等数据确定实际用水数据。此外，2008年矿区升级改造工程基本完成，原煤生产能力达到1 000万t/a， 2008年以来的矿井水资源利用情况基本代表了现状开发利用能力。
3.2 矿井水资源开发利用能力和不可利用量
3.2.1 计算过程及合理性分析
据式（2）和式（7）分别计算石圪台矿区矿井水实际利用量与现状可利用量，结果见表1。2008—2018年矿井水实际利用率较大的年份为2016年（82.50%）和2017年（88.69%）。根据较大值法，从偏于生产安全及矿井水资源化利用的角度考虑，笔者认为该阶段矿井水开发利用能力以不超过2016年开发利用率（82.50%）为宜。因此，选择2016年矿井水资源实际利用量（953.46万m3）作为2008—2018年矿井水资源开发利用能力。
本文之所以采用“较大值”而非“最大值”计算矿井水不可利用量，是因为矿井水资源调蓄耗用量最大的年份有可能发生矿井突水，该年矿井水资源调蓄利用水量将高估正常开发利用能力。因此，笔者认为应结合矿区涌水、突水等数据和开发利用实际，综合权衡，选择历年矿井水资源实际开发利用中的某一“较大值”来估算其开发利用能力。
不可利用矿井水资源量中难于收集利用的矿井水，按照矿井水处理站水处理损失率取值，一般为总水量的5%～10%。输水损失量因输水线路长度、输水方式不同而有所不同，根据现场调研情况（主要为管道输水，少量为渠道输水），建议按总水量的5%～10%计算。另外，超过最大处理利用能力而难以利用的水量及受经济技术等因素限制而不能被利用的水量比较少，建议按总水量的1%～5%折算。鉴于现状条件下矿井水资源利用过程中可能有总水量的11%～25%为不可利用量，因此本文选择的矿井水利用量在合理取值范围之内。
3.2.2 结果分析
（1）由表1可知， 2008—2018年平均实际利用量为809.47万m3，最大值为1 032.12万m3（2017年），最小值为514.21万m3（2008年），平均矿井水资源可利用量占矿井水资源量的75.67%。2008—2018年多年平均现状可利用量为882.49万m3，最大值为1 159.75万m3（2013年），最小值为602.25万m3（2008年）。从多年平均角度来看，现状可利用量大于等于实际利用量，说明有一定的开发利用潜力;但在2017年实际利用量大于可利用量，说明可能出现了过度利用的现象。
（2）根据式（5）和式（8）计算石圪台矿区矿井水资源理论和现状利用潜力，结果见表1。由表1可知，多年平均现状利用潜力为79.57万m3，占矿井水资源量的7.44%，最大值为163.66万m3（2013年），最小值为0（2016年、2017年）。2008—2013年平均矿井水利用潜力为102.06万m3，其中2009年和2013年分别为117.90万m3和163.66万m3。2014—2018年平均矿井水利用潜力为52.57万m3，显著小于2008—2013年利用潜力。从多年平均角度来看，现状利用潜力占矿井水理论潜力的30.58%，说明具有较大的开发利用潜力。 （3）根据式（5）和式（6）计算石圪台矿区矿井水资源理论潜力和理论可利用量，结果见表1。2008—2018年多年平均矿井水资源理论潜力为260.21万m3，最大值为409.67万m3（2013年），最小值为131.67万m3（2017年）;矿井水资源多年平均理论可利用量为1 069.68万m3，最大值为1 405.75万m3（2013年），最小值为730.00万m3（2008年）。总体而言，矿井水理论可利用量越大，理论利用潜力越大（2016年和2017年除外）。
4 结 语
（1）本文系统阐述了矿井水资源量、矿井水资源可利用量和矿井水资源利用潜力的定义与内涵，提出了相应的评价计算方法，同时对矿井水资源开发利用能力等概念进行了阐述，为矿井水资源合理利用提供了基本的阈值条件和综合性判据。
（2）石圪台矿区2008—2018年平均现状可利用量和实际利用量分别为882.49万、809.47万m3，现状可利用量大于等于实际利用量，有一定的开发利用潜力。2014—2018年平均矿井水现状利用潜力52.57万m3，显著小于2008—2013年的平均102.06万m3。从多年平均角度来看，现状利用潜力占矿井水理论潜力的30.58%，具有较大的开发利用潜力。
（3）矿井水开发利用能力的确定方法仍需要进一步深入研究。本文主要采用经验估算的方法，具有一定的不确定性。受现状矿井水处理能力、处理工艺等因素制约，需要进一步结合矿井水涌水特性、水质和矿井水处理利用技术等资料，建立实践性、原则性、可操作性更强的计算方法。
（4）矿井水资源利用中定义了生态约束，即当地下水位埋深达到40～60 m时，建议停止矿井水的资源化利用，防止地下水位持续下降、水生态环境恶化等，如何在算法中体现生态约束需进一步研究。
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