煤矿地下水库技术原创试验平台体系研制及应用

煤炭是我国主体能源,西部是我国煤炭主产区,矿井水保护利用是煤炭开发面临的重大技术难题。国家能源集团煤炭绿色开采技术研发团队经过20多年持续技术攻关,首创了煤矿地下水库技术,在西部神东矿区推广应用,为矿区开发提供了95%以上用水,确保了矿区可持续开发。为进一步丰富完善煤矿地下水库理论和技术体系,在西部煤炭主产区不同地质和工况条件下推广应用该技术,保障国家能源安全和水资源安全,研发团队构建了煤矿地下水库原创技术试验平台体系,包括煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验平台、多煤层开采煤矿地下水库模拟试验平台、煤矿地下水库坝体结构试验平台、西部深部井工矿井筒施工模拟试验台、地下水库水岩耦合机理试验、水处理工艺集成试验平台、煤矿地下水库冲击试验平台等,能够开展西部矿区不同煤层赋存条件下地下水运移规律、坝体结构参数优化、水库安全稳定性、水岩耦合作用机理、矿井水处理工艺参数优化、垮落岩体垮落冲击对坝体影响等研究,为煤矿地下水库建设、运行和安全提供理论支撑和技术验证。利用上述试验平台,开展了多煤层开采煤矿地下水库稳定性及渗流规律模拟、煤矿地下水库坝体结构安全、煤矿地下水库水岩耦合机理等多项试验研究,相关...     

神东矿区煤炭开采水资源保护利用技术与应用

针对神东矿区矿井水外排蒸发损失的问题,分析了以往保水采煤方法的不足,系统研究了矿区水文地质条件,提出了矿区三类水(近地表土壤水、第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水)概念。在此基础上,神东矿区通过开展一系列水资源保护和利用技术研究,掌握了矿区煤炭现代开采地下水的运移规律,相继研发了采空区储水设施、煤矿地下水库和煤矿分布式地下水库的水资源保护和利用技术,形成了以煤矿地下水库为核心的矿区水资源保护和利用技术,并通过技术提升,建成了大柳塔矿分布式地下水库示范工程,实现了矿井水井下循环利用。现场工程应用表明,神东矿区煤矿地下水库安全稳定运行,提供了矿区95%以上用水,有效保障了矿区的可持续发展,为我国西部地区煤炭开采水资源保护利用技开辟了新的技术途径。     

煤矿地下水库理论框架和技术体系

针对我国西部（晋陕蒙宁甘）地区富煤缺水,且蒸发量是降雨量的6倍左右的条件,以及西部煤炭规模化开采产生的裂隙场,破坏了原有的地下水系统,产生大量矿井水,为保障煤矿安全,解决将大量矿井水外排地表蒸发损失的问题,提出了“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护利用理念,研究开发了涵盖煤矿地下水库设计、建设和运行的技术体系,包括水源预测、水库选址、库容设计、坝体构建、安全运行和水质保障等六大关键技术,并在神东矿区成功建设了示范工程,累计建成32座煤矿地下水库,为矿区提供了95%以上用水,且实现了长期低成本安全稳定运行。工程实践表明,煤矿地下水库是充分利用地下自然空间和自然力储存和净化矿井水的安全、低成本、规模化的储水技术,为西部地区煤炭开采地下水资源保护利用提供了有效技术支撑。     

复杂地质条件下煤矿地下水库建设研究

针对西部煤矿主产区煤炭开采与水资源保护矛盾突出的问题,采用了煤矿地下水库建设技术实现矿井水保护与利用。以宁煤灵新煤矿为对象,研究在缓倾斜煤层条件下建设煤矿地下水库。水库建设地址位于井田开拓的一采区的北翼,总库容可达380万m3,挡水坝体采用钢筋混凝土平板支墩坝。通过布置监测系统,可实现地下水库运行状况的数据采集和分析,为水库安全运行和维护提供有力保障。     

我国煤炭开采水资源保护利用技术研究进展

水资源短缺是全球性问题,我国是全球最缺水的国家之一。煤炭资源与水资源的逆向分布使得我国煤炭开采水资源保护利用成为煤炭绿色开发的重大技术难题。我国西部已成为煤炭的主产区,但该地区生态环境脆弱,水资源蒸发量大,矿井水外排后蒸发损失是我国目前煤炭开采年损失60亿t矿井水的主要原因。系统分析了煤炭开采水资源保护利用的技术进展及工程应用特点;介绍了神华集团经过近20年的技术探索和工程实践,突破传统理念,首次提出采空区储用矿井水的技术构想,攻克了水源预测、水库选址、库容计算、坝体构筑、安全控制和水质保障等技术难题,构建了煤矿地下水库技术体系。该技术已在神东矿区全面实施,并将在西部其他矿区推广应用,为煤炭开采水资源保护利用开辟了有效的技术途径。     

煤矿地下水库建设适应性条件及其设计体系

为了使煤炭开采中水资源得到保护与利用,神东矿区历经20年的技术探索和工程实践,顾大钊院士提出了以"导储用"为核心的煤矿地下水库理论框架和技术体系;基于此论述了建设煤矿地下水库的适应性条件,构建了以水库选址、库容设计、子水库时序、煤柱坝体设计、人工坝体及连接处设计、管网及巷道布置、调水系统、安全监控系统为核心的设计体系。     

煤矿地下水库研究进展与展望

针对西部生态脆弱区煤层埋藏浅、煤层保水开采地质条件较差特点,突破以往以堵截地下水渗漏为主要技术手段的被动保水开采理念,提出了以“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护理念,通过近年来的研究,煤矿地下水库在基础理论和工程实践等领域取得了大量成果。系统地总结了煤矿地下水库六大关键技术(水源预测、库容设计、水库选址、坝体结构、安全运行和水质保障)的研究进展,前3项技术是煤矿地下水库建设的前提,其研究主要涉及煤矿工程地质与水文地质条件、煤炭开采地下水运移规律、采空区垮落岩体空隙与碎胀性等;坝体结构研究主要涉及各种复杂力作用下煤柱坝体、人工坝体的稳定性及二者的连接问题;安全保障和水质保障主要研究分别为煤矿地下水库安全监控系统建立和采空区垮落岩体对矿井水的净化机理。阐述了煤矿地下水库水资源井下和地面的利用情况,实现了矿区由耗水大户向供水水源地转变。在总结相关研究成果的基础上,以煤-水-生态相协调为宗旨,展望了煤矿地下水库研究的方向。     

矿震动载影响下的储水结构坝体损伤破坏特征研究

煤矿地下水库是西部矿区煤炭开采水资源保护与利用的重要技术手段,而储水结构坝体稳定性是地下水库安全建设及稳定运行的核心评价指标。以西部矿区上湾煤矿22101地下水库为工程背景,采用数值模拟的方法,分析不同震源位置的矿震动载对煤矿地下水库煤柱坝体与人工坝体的影响。结果表明：煤柱坝体与T型人工坝体在受矿震动载作用后,高应力区范围显著增大、应力集中程度明显提高且走向方向的塑性区范围有所增加;与远场矿震动载作用相比,近场矿震动载的影响更加明显;处于迎波面的坝体受影响较大。在远场循环动载扰动下,仅初始扰动对T型人工坝体强度明显削弱。     

煤矿井下抽水蓄能发电新技术:原理、现状及展望

煤炭开采引发矿山灾害、地表沉陷、水土流失及生态环境损害等问题,但同时在地下形成了巨大的可供利用空间。全面阐述了煤矿井下抽水蓄能发电的概念与技术,对比分析了落差型、活塞抬举型、海洋浮力型和高压风储库蓄能4种非常规蓄能发电技术,指出利用废旧煤矿的开采空间（巷道及采空区）的煤矿井下抽水蓄能发电新技术具有得天独厚的优势,对我国废旧矿井重复利用、可再生能源开发和电力调蓄、矿区生态保护等提供了新思路。估算了我国废弃煤矿和现有煤矿的蓄水储能发电总量。进一步提出了煤矿地下水库、矿井水循环利用与抽水蓄能发电一体化技术构想,充分利用煤炭开采过程中形成的巨大的地下空间,实现储水、蓄能发电、矿井水循环利用和新能源开发等多重目标,并有助于控制地表沉陷、维护生态平衡,对我国可再生能源产业发展以及水资源严重短缺的西部地区煤炭开发提供重要的技术保障,并对未来现代化、生态化矿井开拓布局、节能减排、绿色开发产生深远影响。     

大柳塔煤矿地下水库建设与水资源利用技术

为解决神东矿区因高强度大规模开采引起的生态环境脆弱与水资源匮乏的问题,基于对煤矿水灾的防治和井下水资源的保护与合理利用,提出了利用煤矿井下采空区对水资源进行"转移、净化、储存和利用"的地下水库水循环利用关键技术。大柳塔煤矿利用此技术建成了我国第一个具有立体空间网络的庞大的地下水库水资源保护与循环利用工程系统,实现了水资源的高效循环利用,既解决了矿井水灾问题,又创造性地保护了井下水资源,为我国浅埋煤层绿色开采开辟了新途径。     

煤矿地下水库建设需注意的关键技术问题

为了保护宝贵的矿井水资源,大柳塔煤矿将井下采空区作为矿井水"转移、净化、储存、利用"的空间,创造性地建成了我国首座煤矿地下水库,实现了矿井水资源的循环利用。根据现场实践经验,就煤矿地下水库建设条件、位置确定、坝体施工、安全设施及管理等关键技术问题进行了探讨和详细介绍。     

灵新煤矿地下水库煤柱坝体合理尺寸研究

近年来,煤矿地下水库技术已成为西部地区保护和利用矿区水资源的重要手段,地下水库矿井水已成为西部地表生态灌溉的重要水源之一。以西部矿区灵新煤矿近距离倾斜煤层群采掘地质条件为工程背景,针对该矿首座煤矿地下水库建设过程中遇到的煤柱坝体留设问题,采用数值模拟的方法,分析了六采区工作面开采和水库储水压力两大因素对煤矿地下水库煤柱坝体的影响。研究表明:相关工作面回采后,会在煤柱坝体及邻近围岩中产生塑性区,随着煤柱坝体宽度的增加,煤柱坝体及附近围岩中塑性区相互贯通的趋势逐渐减弱。当煤柱坝体宽度增至50 m时,塑性区相互贯通的现象消失;当煤柱坝体宽度增加到60 m时,煤柱坝体及邻近围岩中的塑性区间距(塑性区未贯通区域)扩大至40 m左右。在储水压力作用下,煤柱坝体及邻近围岩中的塑性区裂隙将发生二次扩展,随着水压的增大,裂隙扩展长度逐步增大,在3 MPa水压(储水高度300 m)作用下塑性区裂隙扩展长度达到5 m左右。因此,为防止水力作用下煤矿地下水库透水灾害的发生,认为煤柱坝体合理尺寸应取60 m。     

煤矿地下水库技术标准体系构建与制定

为进一步推广煤矿地下水库技术,应用系统工程理论与方法,分析了煤矿地下水库6大关键技术(水量预测、水库选址、库容确定、坝体构筑、安全运行和水质保障)涉及的关键技术标准,构建了煤矿地下水库技术标准核心架构并详述了其内涵,提出了基于PDCA循环的煤矿地下水库技术标准实施方法;在此基础上,叙述了神华集团煤矿地下水库技术标准制定与实施现状,提出了煤矿地下水库技术标准制定的建议,旨在为该技术在西部矿区的全面推广应用提供技术指导。     

“煤炭开采水资源保护与利用”国家重点实验室在神华集团揭牌

正近日,"煤炭开采水资源保护与利用"国家重点实验室在神华集团揭牌。据悉,该实验室主要研究内容围绕煤炭开采水资源保护、水资源利用、矿区生态减损修复3个方向,开展基础理论研究、重大试验装置研制、关键技术研发和示范工程建设。实验室的目标主要是建设煤炭—水资源协调开发的国家级平台,为保护利用我国损失的约6Gt/a矿井水提供科技支撑,     

水神之笔绘就煤炭绿色开采宏伟蓝图——记中国工程院院士、神华集团科技发展部总经理顾大钊

正水资源短缺是一个全球性问题,而中国的水资源人均占有量仅为世界的四分之一。水是生命之源。没有水,就没有生态;没有水,就没有生命!但是对于煤炭开采而言,水却是危害矿井安全、危及矿工生命的重大隐患,与瓦斯、顶板、煤尘、火并称为“煤矿五大自然灾害”。长久以来,排水一直煤炭生产的前提条件。目前,我国煤炭开采每年产生矿井水约80亿吨,有60亿吨外排后未能利用而损失。可是有这样一个人,二十余载聚焦能源生态文明重大课题,彻底颠覆了传统的矿井水理念,在采煤生产过程中,不仅能不再向地面排水,还把水库建在了矿井下,仅在世界最大的神东矿区每年就为矿区生产、生活和生态提供了6000多万吨水资源,使我国的煤炭开采水资源保护利用技术领先全球,让这个曾经的重大安     

地下水受煤炭开采的影响及其储存利用技术

针对神东矿区现代煤炭开采对地下水的影响和矿井水外排蒸发损失等问题,采用物探和钻探观测、模型试验和数值模拟等手段,揭示神东矿区10余年来煤炭开采的地下水运移规律,即第四系松散孔隙含水层水位在下降20%~30%时,水量补给达到平衡,水位基本保持不变;基岩裂隙水是目前矿井涌水主要来源。在掌握现代煤炭开采对地下水影响规律基础上,研发了以超大工作面采空区冒落岩体空隙为储水空间,通过建设煤柱和人工挡水坝体,构筑煤矿地下水库,实现了地下水井下储存利用。     

我国煤矿区水环境现状及矿井水处理利用研究进展

煤炭长期占据我国能源消费结构的主体地位,因煤矿建设、开采、洗选、加工、废旧煤窑和矿井关闭等引发矿区一系列水环境问题尤为突出。国家大力支持"煤炭革命",煤炭安全绿色开采成为新时代的主题,环保部门越发重视煤矿区的水环境问题。分析研究了我国煤矿矿区现阶段的水环境现状,针对不同矿区、不同矿井水类型,从矿井水污染模式和类型、含水岩组结构破坏、水资源流失、矿区土壤重金属富集和废弃矿井水位回升诱发的环境地质问题出发,总结我国煤矿区水环境研究现状、技术水平和未来发展趋势,并以矿井水处理为重点,分析归纳了洁净矿井水(物理法)、含悬浮物矿井水(混凝和超磁分离法)、高矿化度矿井水(蒸馏、离子交换和膜分离法)、酸性矿井水(物理、化学和生物法)、特殊组分矿井水(絮凝沉淀和离子交换法)和矿井水回灌(深层回灌)的水质特点、处理工艺和优缺点,并指明了未来的研究方向。根据煤矿区矿井水资源化利用现状,提出矿井水用于工农业生产、生活和特殊组分的矿井水资源化利用的优势和局限,针对特殊组分的矿井水提出了矿井水资源化利用的技术体系和理论框架,为进一步丰富和完善矿区水资源利用提供技术支撑。最后,针对矿井水资源化利用过程中的问题提出了"阻断、减量和保护"三原则,并对未来我国煤矿区环境现状和矿井水处理利用进行了展望。     

生态保护型煤炭开采技术与实践

针对生态脆弱区煤炭规模化高效开采造成生态影响范围大、周期长和强度高,缺乏统筹开采全周期源头减损与生态全要素系统技术,导致矿区生态修复成本高、效率低和效果差的问题,提出了生态保护型煤炭开采理念,露天开采损伤传导途径和井工开采损伤传导模型、生态损伤定量分析方法和矿区生态修复决策方法,研发了露天矿节地减损开采、生态型地层重构、分布式水资源集-储-用、基于“生态修复窗口期”协同修复技术;研发了井工开采损伤传导控制、含水层生态功能恢复、装配式楔形地下水库坝体构筑、沉陷区分时分区生态修复技术。建成蒙东矿区生态保护型露天开采示范工程,宝日希勒露天矿示范区植被盖度由开发前30%提高到59%,胜利露天矿示范区植被盖度由开发前5%提高到39%;建成神东井工生态保护型煤炭开采示范工程,植被盖度由开发前不足10%提高到70%。研究成果为生态保护型煤炭开采提供了科技支撑,具有广泛的应用和推广价值。     

煤炭开采与保水开采技术

煤炭开发与地下水资源保护之间的矛盾日益突出,煤炭开发在促进社会经济发展的同时也给当地生态环境带来了较大破坏,尤其对地下水资源的影响更为显著。如何实现煤炭开发与水资源保护间的相互协调是当前煤矿开采面临的巨大难题。通过分析煤矿开采对水资源尤其是对顶底板含水层的影响,进一步阐述了煤炭开采与水资源保护技术的技术进展情况及当前可实现保水开采的2种基本技术途径:以“堵截法”和“疏导法”为理念的保水开采技术的适用性和面临的技术难题,提出矿井要在不断探索实践中科学合理地选择适用于矿井自身的保水开采技术,对解决当前煤矿开发与水资源保护之间面临的双重难题,对矿井可持续发展具有一定的指导作用和借鉴意义。     

复杂应力环境煤柱坝体损伤破坏规律研究

煤矿地下水库是实现水资源保护与利用的有效技术途径,其中煤柱坝体稳定性对保障地下水库系统安全具有重要影响。针对地下水库煤柱坝体处于动静载叠加的复杂应力环境,结合补连塔煤矿地下水库工程背景,采用FLAC3D程序构建复杂应力场下煤柱坝体动态损伤数值计算模型,研究多工作面开采侧向支承压力分布及动载荷作用下煤柱坝体动力响应规律,并采用声波探测巷道围岩松动圈范围。研究结果表明:受邻近工作面采动影响,煤柱处于较高的侧向支承压力影响区,塑性区发育范围较大;受矿震等动载荷影响,煤柱围岩塑性区发育面积及发育深度显著增加,竖向应力极值点向纵深方向发展;巷道围岩松动圈发育深度煤柱侧大于工作面侧,在重复采动残余支承压力和动载叠加作用下煤柱损伤破坏程度更严重。研究结果为地下水库建设与长期安全运行提供了科学依据。