我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考

当前我国煤炭产能中部分矿井已到达其生命周期或不符合安全生产的要求或开采成本高亏损严重,直接关闭或废弃此类矿井不仅造成资源的巨大浪费,还有可能诱发后续的安全、环境及社会等问题。我国关闭/废弃矿井剩余资源开发利用难度大,〖JP2〗无法照搬国外利用模式,开展整体战略、基础理论和关键技术研究迫在眉睫。系统阐述了我国关闭/废弃矿井资源开发利用面临的5个科学问题:地下煤炭气化高效转化与开发利用耦合机制、基于安全智能精准控制的地下空间储物环境保障机理、基于多场耦合的矿井水及非常规能源智能精准开发模式、构建关闭/废弃矿井可再生能源开发与微电网输能模式、构建基于生态修复与环境支持的关闭/废弃矿井工业旅游开发模式。在能源生产与消费革命和推动煤炭供给侧改革的新时代背景下,开展我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究,具有重要的政治和经济战略内涵,对于提高关闭/废弃矿井资源开发利用效率意义重大。     

关闭矿山空间资源特征解析与转型路径

随着我国社会经济发展和煤炭资源的持续开发,部分矿井已到达其生命周期终点。预计到2030年,我国关闭矿井将达到15 000处,矿井直接关闭不仅会造成资源巨大浪费和国有资产流失,还可能诱发生态环境问题。针对关闭矿山引起资源浪费及环境与社会问题,如何科学开发利用关闭矿山资源,促进资源枯竭型矿区转型,已成为当今世界能源环境领域的重要议题。主要研究：（1）分析国内外关闭矿山学术关注与相关研究热点,总结了关闭矿山领域主要有待研究解决的问题,探究关闭矿山研究理论体系及主要评价方法。（2）采用卫星-机载-地面数据识别关闭矿山资源特征并划分了矿井地上/下资源类型,地上资源包括地表水资源、土地资源、工业广场和生活区建筑等,地下资源包括地下水资源、残留煤炭资源、地下空间资源和井下设备等。（3）运用井上/下空间资源评价模型,计算得到朱家河煤矿工业广场建筑空间体积为1.04×10⁵ m³,井下空间包括井筒、巷道、硐室体积共1.18×10⁵ m³,总残留煤炭资源量近5 600万t。（4）比较已有国内外关闭矿山转型利用方式,基于...     

一种废弃矿井地热资源再利用系统研究

废弃矿井的再利用对矿业产业的可持续发展起着至关重要的作用。矿井废弃后仍赋存着丰富的资源,有潜在的积极用途,尤其是大量可再生地热资源有着巨大的应用前景。分析了国外废弃矿井地热资源开采与利用现状,提出了一种废弃矿井地热资源利用循环系统模型,该系统利用顶板垮落后采空区的储水优势,能够充分利用废弃矿井地热、水及空间资源,进行清洁能源的生产,避免了矿井废弃后资源的浪费与次生灾害的发生,同时可有效地降低温室气体排放和环境污染。研究结果表明:倾向长度350 m,走向长度4 000 m,高度6 m近水平工作面采空区的储水能力约为580 000 m³,静态储能约为5 200 MW·h;考虑不同地层采空区的温度特性,设置冷热源水库,整个系统运行时功率可达8.4 MW,年供能约24 960 MW·h,可约为250 000 m²住宅空间进行有效的供暖或制冷。与传统化石能源煤炭相比,系统运行时每年可减少约为7 812 t二氧化碳排放,碳排放系数仅为0.072 kg/(kW·h),降低了81%以上。此外,相关部门应建立健全废弃矿井的管理机构,提前做好矿井关闭前再利用计划...     

废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式研究

废弃矿井地下空间利用是煤炭行业重点支持的方向。将地下空间利用、汛期蓄洪和冬季供热相结合,提出了基于地面引水蓄洪、井下蓄水储能和热泵取热技术的废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式,阐述了该模式的概念、关键技术和科学问题;分析了我国废弃矿井分布及其与降水量分布之间的关系,论证了废弃矿井地下空间的蓄洪储能潜力。研究发现,安徽、河南、山东等13个省份的废弃矿井地下空间近6 000万m³,可储存约6个西湖的水量,适宜开展废弃矿井地下蓄洪储能和取热的工程示范。其中,仅淮南矿区5个废弃矿井的地下空间资源高达30万m³,储能量达94 500 GJ,可满足21万m²的建筑供暖需求。以旗山矿为例,设计了地面引水沟渠布置、井下储水空间布置以及矿井水提取和利用等方案,初步测算旗山矿蓄洪储能方案的供热功率可达6 835 kW,可为13.67万m²的建筑供暖,减少二氧化碳排放量约5 330 t,经济效益达350.75万元,初步论证了废弃矿井地下空间蓄洪储能的可行性。废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式既可有效利用废弃矿井地下空间,...     

再论废弃矿井利用面临的科学问题与对策

在经济发展新常态和供给侧改革背景下,关闭/废弃矿井数量逐年增多,仍遗留大量可开发利用资源,开展关闭/废弃矿井资源开发利用意义重大。目前,相关研究工作仍相对滞后,难以系统解决遗留能源资源及地下空间开发利用等方面存在的科学问题和技术瓶颈。基于山西省关闭/废弃矿井资源禀赋与开发现状分析,结合关闭/废弃矿井遗留煤炭地下气化、遗留煤层气地面抽采、地下空间储能储物等重大需求,亟需研究关闭/废弃矿井能源资源协同综合利用评价方法、固-液-气及应力-位移-渗流-温度等多相多场动态演化机制、复杂遗留空间煤层气运移规律与储集成藏机理、复杂岩体多场耦合作用机理及稳定性控制等4个关键科学问题,攻克关闭/废弃矿井能源资源协同利用安全与风险评价技术、遗留煤炭地下气化炉构建及气化工艺、遗留煤层气资源地面抽采与利用、地下储库(储水、储油、储气等)库容探测与防渗等4项关键核心技术。基于矿井全生命周期绿色利用科学理念,以白家庄煤矿为例,提出了山西省关闭/废弃矿井遗留资源和空间资源"能源化、资源化、功能化"协同利用综合性解决方案,创新了"政产学研用金"协同机制为基础的关闭/废弃矿井能源资源精准开发与利用新模式。     

关闭矿山地下空间资源定量评估与再利用途径

随着煤炭资源的长期开发,越来越多的煤矿面临关闭/废弃或已关闭。这些矿井历经长期开采,形成大量地下空间,传统的封井措施会造成巨大的地下空间资源浪费。在国内外关闭矿山数量增加与绿色发展时代背景之下,采用数学模型定量评估与管理关闭矿山地下空间资源,提出矿区资源再利用途径,不仅是能源环境领域的重要议题,而且也是社会关注的热点,还是矿山企业解决发展困境的迫切需求。主要研究内容包括：（1）划分了关闭矿山地下空间资源类型,提出了不同类型巷道空间计算方法、工作面采空区空间计算方法和井下残留煤炭资源的估算方法。（2）分析了国内外关闭矿山地下转型利用模式,构建基于生态效益、经济效益、社会效益的矿山转型综合效益评估指标体系,采用层次分析法评估关闭矿山地下空间不同转型方案的综合效益。在此基础上,通过比较分析得出关闭矿山地下空间资源最优转型利用路径。（3）以渭河流域某矿为例,估算得到某矿地下空间为1.18×10⁵ m³,残余资源量为5 600万t,地下转型方式按照效益由大到小依次为地下矿山博物馆、地下度假村和地下物资储备库。综合关闭矿山地上/下空间资源,根据资源特点与...     

河南省煤矿城市地下空间量估算

河南省内，因资源枯竭、非法开采、经营不当以及国家去产能政策等导致大量煤矿关闭/废弃，形成了大量的井筒、巷道、硐室和采空区等地下空间。基于河南省煤矿统计数据和矿井地面数据、井下调研数据，采用比例系数法和采空区模型计算法对河南省煤矿井巷和采空区可利用地下空间进行了估算，获得井巷地下可利用空间5265.97万m³,采空区可利用地下空间180255.21万m³,空间上主要分布在全省的中部和西部城市。并对空间资源量超过10000 m³的典型煤矿城市郑州市、平顶山市、三门峡市、鹤壁市和洛阳市提出了综合开发利用建议。     

关闭煤炭矿区资源利用与可持续发展的几点思考

随着中国能源结构的调整,煤炭开采从原来的分散式开采向精细化、集中化和精准化发展,矿井数量大幅度减少,大量资源枯竭及落后产能矿井面临关闭或废弃。这一转变将使中国现阶段及未来很长一段时间都将面临与德国相似的"后采矿"时代。从中国能源结构发展的大趋势以及煤炭资源开发的宏观战略来看,已经关闭和即将关闭的大量矿井或者矿区重新恢复开采的可能性不大。矿井的关闭或废弃不仅会带来水、大气等环境污染问题,还会带来企业职工难以安置、固定资产难以处理等社会经济问题。因此,本文针对矿区关闭或废弃后出现的问题,借鉴德国应对后采矿的处理方案、后采矿工业区资源可持续发展战略,对比中国对关闭矿区的处理案例,提出了应把矿区关闭后资源的利用纳入整个矿山开发的顶层设计中的理念,以及煤炭地下空间、矿井水等资源综合利用的思路。国内外虽提出了形式多样的废弃矿井利用方案,但总体利用率不高,仍需继续深入探究关闭矿区资源利用基础理论和手段方法,以及应对关闭矿区后发展需要的教育与技术人才培养措施。     

关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能发展战略研究

在双碳战略目标牵引下,中国深化能源革命,目前已成为世界上最大的可再生能源发电国。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题,新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展,但在生态红线与地形等因素约束下,传统抽水蓄能电站选址难题亟须解决。同时,煤炭去产能过程中形成了大量的关闭/废弃矿井与资源枯竭型城市。本研究详细概述了中国抽水蓄能电站的发展现状,分析了关闭/废弃矿井与抽水蓄能结合后对水资源压力的缓解与温室气体减排等环境效益。基于关闭/废弃矿井抽水蓄能电站不同模式,对关闭/废弃矿井抽水蓄能应用潜力展开了分析,最后提出中国废弃矿井抽水蓄能发展战略,并展望了关闭/废弃矿井+储能的多元产业愿景。     

湘中冷水江矿区煤层气地质条件分析

基于勘探资料和实验数据,分析了冷水江矿区煤层含气性和储层特征,估算了煤层气资源量。研究表明：研究区3、5煤层累计厚度3.5 m。3、5煤层含气量一般大于8 m³/t,最高可达20.37 m³/t。3、5煤层煤体结构较破碎,孔隙、裂隙发育,渗透性差,吸附性好,储层压力适中。研究区煤层气地质资源量28.37亿m³,资源丰度0.61亿m³/km²,资源前景较好。     

煤矿回采工作面瓦斯治理技术分析

以某回采工作面为例详细介绍了高瓦斯煤层的治理技术方案。对矿井和工作面的基本情况进行了介绍,计算获得工作面的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量分别为25.58 m³/min和9.21 m³/t。结合矿井实际情况,同时利用高位钻场钻孔瓦斯抽采技术、顶板岩层定向长钻孔瓦斯抽采技术和地面钻孔瓦斯抽采技术对工作面的瓦斯进行治理,对不同技术方案的钻孔参数进行了详细介绍。上述3种瓦斯抽采方案在整个回采期间抽采获得的瓦斯总量分别为130.01万m³、56.36万m³和227.9万m³。对容易聚集瓦斯的上隅角和回风巷部位的瓦斯浓度进行持续监测,发现2个部位的瓦斯浓度平均值分别为0.21%和0.19%,远低于安全基本要求,说明所述工作面瓦斯治理技术效果良好。     

鹤煤九矿涌水水源分析及涌水量预测

鹤煤九矿目前已进入二₁煤层第3水平的开采。为减少突水事故对矿井建设和安全生产的威胁,根据鹤煤九矿2006—2016年矿井涌水量数据,结合矿井过往开采经验,对影响矿井建设与生产的涌水水源进行归类分析,同时对矿井涌水量时间和空间上的变化趋势进行动态评价。采用比拟法和解析法对矿井未来涌水量进行预测,通过可靠性分析确定以比拟法涌水量预测结果,以正常涌水量436.8 m³/h、最大涌水量573 m³/h作为鹤煤九矿防治水的参考依据。     

极复杂水文地质条件下矿井堵源截流技术应用研究

平禹一矿水文地质类型为极复杂型,历史上多次发生灰岩承压水突水淹井和淹采区事故,矿井主采二₁煤层、二₃煤层,当前矿井总涌水量为2 000 m³/h。中央泵房排水能力3 300 m³/h,五采区中央泵房排水能力3 200 m³/h,中央泵房及五采区中央泵房均采用独立系统,井下水可分别直排地面。平禹一矿岩溶水补给量较大,疏水降压存在着排水量大、降压目标难以实现的困难,经研究论证,通过采取地面注浆和井下注浆的堵源截流技术,切断岩溶水进入矿井导水通道,可以完全或部分消除岩溶水对二₁煤层开采的威胁。经过Ⅰ期（2009—2010年）和Ⅱ期（2013—2014年）2次堵源截流工程施工,矿井涌水量显著减少,特别是Ⅱ期工程实施后,堵水效果明显。通过堵源截流技术在平禹一矿的应用,封堵了充水通道,减少了矿井排水量,降低了矿井生产成本,有效保护了地下水资源,同时保证了矿井带压开采的安全性,具有明显的经济和社会效益。     

废弃煤矿瓦斯开发利用技术与前景分析

受煤炭市场需求减少、能源结构调整、安全生产以及生态环境等因素的影响,大量煤矿关闭退出,这些关闭矿井富含大量可以开发利用废弃煤矿瓦斯资源,对其进行开发利用具有安全、社会和环境多重效益。本文系统分析了英国、德国等发达国家废弃煤矿瓦斯开发利用成果、成功案例,对废弃煤矿瓦斯资源量评估方法、抽采利用关键技术和安全保障措施进行了深入研究。在此基础上剖析了我国废弃煤矿瓦斯资源潜力及开发前景,并结合实例论证了我国开展废弃煤矿瓦斯资源开发的技术和经济可行性。     

茂通煤业煤层瓦斯分布规律及涌出量预测

以茂通煤业有限公司开采的2号、3号煤层为工程背景,对煤层瓦斯含量进行测定并分析地勘钻孔瓦斯含量测定数据,通过线性回归建立煤层埋深与瓦斯含量的关系,得出煤层瓦斯含量随埋深的增加而逐渐增加,同时采用分源预测法预测矿井瓦斯涌出量,当矿井生产能力达0.9 Mt/a时,在开采2号、3号煤层过程中矿井最大绝对瓦斯涌出量分别为34.06 m³/min、32.98 m³/min,最大相对涌出量分别为17.99 m³/t、17.42 m³/t。     

燕子山矿对有补给水源的采空区积水治理技术研究

燕子山矿C5^#煤层8401工作面上覆有侏罗系14^-3#煤层303盘区8301-8309面采空区,其中8307工作面预计积水量8万m³,连续三个月放水10万m³后,仍有补给量20 m³/h,严重影响工作面安全回采。后续通过将采空区积水截留到相邻掘进工作面排放等技术措施,减小8401工作面涌水量,遏制了上覆补给水源对下方工作面开采带来的危害,降低安全风险,保证了工作面安全回采。该项技术研究可为存在类似问题的矿井提供借鉴。     

斜井过强含水厚沙层的综合技术措施

在矿井建设中,实际涌水量超过50 m³/h时的井筒施工是普通法施工的技术难点。麻黄梁煤矿主斜井井筒施工在穿越萨拉乌苏组强含水厚沙层时,实际沙层厚度、涌水量与勘探井筒钻孔资料有很大差别,原预测最大涌水量为8 m³/h,实际最大涌水量达到65 m³/h。为此,在矿井建设施工中采用井筒内、外降水法等综合技术措施,防止了流沙层产生,安全顺利地通过斜长130 m、涌水量65 m3/h的强含水厚流沙层段,为矿井建设普通法施工提供了一个成功的实例。     

原相煤矿瓦斯抽采量预测研究

通过对原相煤矿矿井瓦斯含量分布及瓦斯基础参数进行测试,得出02号煤层最大瓦斯含量约14.50 m³/t,2号煤层最大瓦斯含量约15.20 m³/t.根据02、2号煤层矿井瓦斯涌出量预测,02号煤层工作面为瓦斯治理的重点,其中关键是下邻近层涌出瓦斯的治理。对02号煤层工作面进行瓦斯抽采量预计,得到工作面总抽采量为48.91 m³/min,风排瓦斯量为10.42 m³/min.     

活性磁化水控除粉尘技术在采煤工作面的应用

为有效解决西铭煤矿48712采煤面作业过程中产尘量大的问题,针对该面粉尘具有疏水性难于裹挟沉降的特点,试验和应用了活性磁化水控除粉尘技术。实践证明,通过采用“活化+磁化+局部封闭”的综合防尘措施,采煤面作业区域的时间加权平均全尘降尘率≥86%,时间加权平均呼吸尘降尘率≥82%,工作面全尘最大浓度由1 104.7 mg/m³,减至221.4 mg/m³,呼吸性粉尘最大浓度由662.6 mg/m³,减至151.3 mg/m³,为井工矿井相似条件工作面的粉尘治理提供了一种新型的控除尘工艺和技术,保障了矿工身体安康和矿井安全生产。     

矿井通风阻力压差计法测定及系统分析

通风安全是矿井安全的基础,矿井通风阻力测定是矿井通风系统分析与管理、优化和改造的技术基础。在分析四台矿生产条件的基础上,采用压差计法,根据矿井通风阻力测定规程要求进行了通风阻力测定方案设计、实施及数据处理分析。四台矿实测总风阻为0.004 N·s²/m⁸,总等积孔为18.805 4 m²,为通风容易矿井。最后,根据阻力测定结果数据分析,提出了四台矿通风系统调整的建议。