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。     

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。     

煤矿地下水库煤柱动力响应与稳定性分析

参考借鉴地面水库坝体抗震安全评价的相关研究,构建了煤矿地下水库相似材料模型平台,进行了不同烈度条件下的动力破坏试验研究,并利用摩尔库伦模型对坝体在地震作用下的动力响应进行了数值仿真,研究了坝体的地震破坏形态、抗震薄弱环节以及影响因素;同时对同等条件下的地面水库坝体进行了模型试验和数值模拟,对比分析了地下水库与地面水库的抗震安全性。结果表明:物理模型试验和数值模拟得到的动力响应较为接近;在地震波逐级加载的过程中,由于受到顶底板约束,煤矿地下水库坝体晚于地面水库坝体进入塑性工作状态,验证了煤矿地下水库坝体较地面水库坝体具有更好的抗震安全性。在此基础上,提出了煤矿地下水库坝体安全系数概念,对比分析了同条件的煤矿地下水库坝体和地面水库坝体的安全稳定性。     

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...     

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。     

“能源金三角”地区煤炭开采水资源保护与利用工程技术

针对制约我国煤炭开发战略西移面临的水资源短缺问题,避免矿井水外排地表蒸发损失和造成土壤盐碱化,开辟节省土地资源和节约建设运行费用的矿井水储用的新途径,保护和利用西部矿区宝贵的矿井水资源,提出了矿井水井下储存利用的新理念,即利用煤炭开采形成的采空区作为储水空间,用人工坝体将不连续的煤柱坝体连接构成复合坝体,建设煤矿地下水库。开发了水库水量预测、水库选址、库容计算、坝体建设、安全运行和水质保障等关键技术,建立了煤矿地下水库技术体系,在神东矿区建设了示范工程。目前已建成32座煤矿地下水库,储水量达3100万m3,供应了矿区用水量的95%以上,为矿区发展提供水资源保障,为我国煤炭开采水资源保护利用提供了新的技术途径。     

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。     

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。     

缓倾斜煤层地下水库煤柱坝体宽度计算及影响因素分析

为分析缓倾斜煤层条件下煤矿地下水库煤柱坝体的影响因素,建立煤矿地下水库煤柱坝体力学模型,划分地下水库煤柱坝体在复杂应力环境下的强度分区,构建煤体的理想弹塑性应变软化模型,区分煤体的破坏过程阶段,推导煤柱坝体合理宽度的理论计算公式,并以灵新煤矿一采区煤矿地下水库煤柱坝体合理尺寸问题为例,分析不同因素对煤柱坝体理论宽度的影响规律。结果表明：与煤矿地下水库运行期间的储水因素(储水时间、储水高度及水源情况)相比,煤矿地下水库所处煤层的地质条件(厚度及埋深)对煤柱坝体合理宽度的影响要更大。     

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。     

煤矿地下水库对矿井水净化机理研究进展

煤矿地下水库对矿井水的净化作用主要在于库内岩体与矿井水发生的水-岩耦合作用。本文系统梳理了煤矿地下水库水-岩耦合作用的研究方法,指出水样水质测试和岩样理化性质表征项目,并通过静态模拟、动态淋滤、循环净化模拟等试验,探索煤矿地下水库对矿井水的净化规律,利用数值模拟获取反应过程中离子的选择性吸附趋势,结合Piper三线图、Gibbs模型和相关性分析等方法揭示水-岩耦合作用机理。论述了煤矿地下水库对矿井水中悬浮物、特征离子和有机物的净化作用和研究进展,研究表明,煤矿地下水库对矿井水具有一定的净化效果,其中对特征离子的净化主要与溶滤和吸附作用相关;提出了未来煤矿地下水库净化技术的3个研究方向：(1)基于水-岩耦合净化作用的井下矿井水大规模低成本处理技术;(2)耦合多种水处理技术的煤矿地下水库“三位一体”水质控制技术;(3)浓盐废水井下存储及资源化利用技术。     

西部缺水矿区地下水库保水的库容研究

利用井下采空区进行水源蓄存和循环利用的地下水库技术是实现西部矿区保水采煤的有效措施,研究确定采空区的合理储水容量对于地下水库技术的安全高效实施至关重要。综合采用理论分析、模拟实验与现场实测等手段,就地下水库储水容量计算、以及极限库容与合理库容的确定等问题进行了研究,结果表明：地下水库的储水容量即为储水范围内覆岩垮落带破碎岩块间自由空隙量与裂隙带断裂岩层离层裂隙量的总和;基于覆岩垮落带类抛物空间形态模型的构建,得到了考虑煤层倾角条件下垮落带岩体空隙量的计算公式;利用覆岩采动裂隙分布的“O”形圈理论模型,获得了覆岩各层关键层底界面及相邻关键层间断裂岩层的离层空隙量确定方法;由此根据储水水位在覆岩垮裂带内的不同位置,建立了地下水库储水容量的数学表达式,形成了地下水库极限库容与合理库容的确定方法,指导了李家壕煤矿地下水库工程实践。     

基于CAN总线的煤矿井下水情实时监测系统

针对煤矿水害防治与研究,提出一种基于CAN总线的煤矿井下水情实时监测系统设计方案,结合CAN总线技术特点,给出了系统的总体构成、网络拓扑以及系统软件结构,对系统中的关键技术,即网络通信接口和数据采集单元的设计及实现方法进行了重点阐述。实际应用表明,该方案具有结构简单、性能可靠、实时性强等优点,对研究、掌握矿区水文地质条件,指导矿井水害治理具有一定的实用价值。     

矿井安全计算机仿真系统软件的设计与实现

由于煤矿井下工作的环境非常复杂,加强防灾和避灾知识的培训就成为井下工作人员安全的保证,因此,计算机仿真技术的开发和应用成为保证煤矿矿井工作的重要手段。文章通过简单介绍计算机仿真技术,对矿井安全计算机仿真系统软件实现的重要技术做出分析,并根据重要技术进行矿井安全计算机仿真系统软件的设计与实现。     

济三煤矿矿井水资源化工程的实践与研究

基于目前国内矿井水处理技术现状,探索把矿井水资源化利用作为一个系统工程,集成嵌入到煤炭生产过程,作为煤炭开采的必然行为同时进行系统的设计和规划,实现煤炭资源与水资源的同步开采模式。研究实施了矿井水处理系统的信息化管理、矿井水井下处理就地复用及自动化监测和控制、井下突水工作面矿井水的有效分流与处理等关键技术,以及电吸附除盐技术在煤矿高矿化度矿井水处理中的推广应用,为矿井水资源化利用提供有效的途径和技术支持。     

水浸煤岩体强度变化研究

以李家壕煤矿地下水库为背景,从3^-1号煤层取煤岩样进行加工,对煤岩样浸水处理,采用CMT5305微机控制电子万能试验机对煤岩样进行抗压强度和抗拉强度实验,得出平均值。根据煤岩样自然状态和浸水一周平均抗压和抗拉强度实验数据分析水对煤岩的软化作用,得出煤岩的颗粒构成、矿物成分、坚硬程度等因素决定了水对煤岩强度的损伤及其软化程度,煤样和岩样浸水弱化表现不同,岩样较煤样强度弱化程度更大。煤岩遇水后强度降低的现象为水对岩石的软化作用,软化作用形成的原因有化学作用、物理作用或力学作用。分析水浸煤岩体的强度,对水库坝体的稳定性和水库建成后安全运行具有重要的意义。     

煤矿井下安全避险六大系统设计探讨

通过对赵官煤矿井下监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统、井下通信联络系统的井下安全避险六大系统设计探讨,合理进行煤矿井下安全避险六大系统系统设计,提高矿井安全保障能力。