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煤矿地下水库岩石堆积效应对矿井水悬浮物去除规律研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：蒋斌斌李井峰马力强吴敏苏琛李吉辉北京低碳清洁能源研究院国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室中国矿业大学(北京)

煤矿地下水库为煤炭开采过程中保障水资源的合理利用开辟了一条有效的技术途径。本文以神东矿区大柳塔煤矿地下水库岩石和矿井水为研究对象，结合矿井水悬浮物去除模拟试验、计算流体力学-有限元分析耦合仿真模拟等研究手段，量化了岩... 详细信息

煤矿地下水库为煤炭开采过程中保障水资源的合理利用开辟了一条有效的技术途径。本文以神东矿区大柳塔煤矿地下水库岩石和矿井水为研究对象，结合矿井水悬浮物去除模拟试验、计算流体力学-有限元分析耦合仿真模拟等研究手段，量化了岩石堆积效应对水体悬浮物去除的影响规律。结果表明：岩石堆积环境能改变矿井水流态特征，产生明显的回流区和低速区，从而延长悬浮物沉降距离，减弱水流的扰动，创造类自由沉降环境；在一定范围内，悬浮物浓度随沉降时间和距离的增加而逐渐减小，第6m出水口的悬浮物浓度为20mg/L，比初始浓度降低95.7%，且悬浮物稳态沉降时间为5h，浊度为60NTU，远小于空白模拟试验的9h和350NTU；沉降后悬浮物颗粒的平均径由14.99μm减小到2.02μm，比表面积由12.30m2/g 增加到15.75m2/g；地下水库对悬浮物的去除作用主要包括过滤作用、沉降作用和吸附作用，使悬浮物沉降时间更短、效果更佳。该研究为煤矿地下水库出水水质特征预测和淤积防控提供理论依据。

关键词：煤矿地下水库悬浮物沉降岩石堆积效应仿真模拟流态分布特征

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矿井水中有机污染物的潜在风险评估

煤炭科学技术 2024年

作者：何昱鹏包一翔吴敏胡嘉敏李杰刘小庆钟金魁李井峰甘肃省黄河水环境重点实验室兰州交通大学环境与市政工程学院国家能源神东煤炭集团有限责任公司技术研究院北京低碳清洁能源研究院煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室

矿井水中有机污染物种类复杂、风险不明，目前还没有受到广泛关注。针对矿井水中的潜在有机污染物，使用EPI Suite和毒理学数据对其持久性、生物累积性和急性毒性进行系统模拟和评估，并采用层次分析法（AHP）基于毒性效应和环境效应的... 详细信息

矿井水中有机污染物种类复杂、风险不明，目前还没有受到广泛关注。针对矿井水中的潜在有机污染物，使用EPI Suite和毒理学数据对其持久性、生物累积性和急性毒性进行系统模拟和评估，并采用层次分析法（AHP）基于毒性效应和环境效应的2个一级指标及7个二级指标建立矿井水中优先有机污染物的评估体系。研究结果表明: (1) 54种有机物中有13种持久性物质、8种生物累积性物质及1种急性毒性物质，其中卤代烃的持久性最强，多环芳烃的生物累积性最强，与羟基自由基(OH·)反应的反应速率的总体趋势为: 醚＞酯＞卤代烃；脂肪族＞芳香族。(短链卤代)脂肪族化合物没有生物累积性物质，多环芳烃的生物累积性普遍较高，且生物累积性物质分子结构中均有4个及以上的苯环，苯环个数的增加会导致多环芳烃生物累积性增强。磷酸三苯酯为显著急性毒性物质，需要在后续的矿井水处理中重点关注。(2)筛选出综合评分最高的20种有机污染物作为矿井水中的优先污染物，其中评分较高的二氯甲烷、1， 2-二氯乙烷、甲苯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、萘、苯并[a]芘、二苯并[a， h]蒽、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽和苯并[a]蒽符合新污染物特征，但目前矿井水中已经测出的有机污染物存在水平普遍不足以对人体健康和生态环境造成显著风险。随着国家政策实施和矿井水高质量处理利用需求的增加，矿井水中有机污染物的管控将成为区域水资源保护与利用的现实需求，本研究构建的优先有机污染物的潜在风险评估体系可用于筛选出矿井水中优先污染物，为未来矿井水中有机污染物管控提供理论基础。

关键词：矿井水有机污染物层次分析法潜在风险评估

基于双极膜电渗析的膜集成技术的高矿化度矿井水资源化处理

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煤炭学报 2024年第5期49卷 2462-2471页

作者：刘兆峰郭强王霄唐佳伟蒋斌斌曹志国张锁闫祖喻王群李井峰国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102209 北京低碳清洁能源研究院北京102209 神华新街能源有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017200 山东科技大学化学与生物工程学院山东青岛266590 山东海化集团有限公司山东潍坊262737

在当前煤矿矿井水“零排放”及煤炭与水资源逆向分布背景下,西部矿区的高矿化度矿井水如若不进行合理处置便直接排放,不仅对当地生态环境造成不可估量的破坏,而且造成严重的水资源浪费,最终将制约煤炭绿色开发与生态文明建设。传统的高... 详细信息

在当前煤矿矿井水“零排放”及煤炭与水资源逆向分布背景下,西部矿区的高矿化度矿井水如若不进行合理处置便直接排放,不仅对当地生态环境造成不可估量的破坏,而且造成严重的水资源浪费,最终将制约煤炭绿色开发与生态文明建设。传统的高盐废水零排放技术主要是利用蒸发结晶技术将无机盐由溶液态转变为结晶态进行回收。从经济性方面分析,该技术受投资高、运行成本高、无机盐附加值低等问题制约。基于此,以西部某矿井水为原水,以矿井水资源化零排放利用及脱盐低碳化为目标进行膜集成工艺设计,并在此基础上重点探讨电渗析和双极膜电渗析工序不同操作条件(操作电压、进料液浓度、温度、酸碱度、电流密度等)对电渗析脱盐性能及双极膜电渗析制酸碱性能的影响规律,之后以实验数据及经济评估模型,探究其经济可行性,旨在探索出适用于西部矿区高矿化度矿井水处理的膜集成技术,为高矿化度矿井水绿色资源化处理工艺的开发提供新的研究思路。通过对电渗析−双极膜电渗析实验过程探究,发现双极膜系统进料液质量浓度应不超过80 g/L、适宜的操作电压为18 V、适宜的进料液温度为25℃、进料液pH保持中性、更适合采用恒电压操作。此外,证实了以双极膜电渗析为核心的膜集成系统可实现高矿化度矿井水绿色资源化处理,以电渗析系统进料液总含盐量20 g/L为例,总的净收益为18604299元/a,且在耦合光伏电力供应系统时具有明显的二氧化碳减排效应,二氧化碳减排将超过3162 t/a,具有良好的经济效益和社会效益。

关键词：高矿化度矿井水集成膜系统零排放双极膜电渗析技术矿井水资源化

基于双极膜电渗析的膜集成技术用于高矿化度矿井水资源化研究

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煤炭学报 2024年

作者：刘兆峰郭强王霄唐佳伟蒋斌斌曹志国张锁闫祖喻王群李井峰山东科技大学化学与生物工程学院国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室神华新街能源有限责任公司山东海化集团有限公司北京低碳清洁能源研究院

在当前煤矿矿井水“零排放”及煤炭与水资源逆向分布背景下，西部矿区的高矿化度矿井水如若不进行合理处置便直接排放，不仅对当地生态环境造成不可估量的破坏，而且造成严重的水资源浪费，最终将制约煤炭绿色开发与生态文明建设。传统... 详细信息

在当前煤矿矿井水“零排放”及煤炭与水资源逆向分布背景下，西部矿区的高矿化度矿井水如若不进行合理处置便直接排放，不仅对当地生态环境造成不可估量的破坏，而且造成严重的水资源浪费，最终将制约煤炭绿色开发与生态文明建设。传统的高盐废水零排放技术主要是利用蒸发结晶技术将无机盐由溶液态转变为结晶态进行回收。从经济性方面分析，该技术受投资高、运行成本高、无机盐附加值低等问题。基于此，西部某矿井水为原水，以矿井水资源化零排放利用及脱盐低碳化为目标进行膜集成工艺设计，并在此基础上重点探讨电渗析和双极膜电渗析工序不同操作条件（操作电压、进料液浓度、温度、酸碱度、电流密度等）对电渗析脱盐性能及双极膜电渗析制酸碱性能的影响规律，之后以实验数据及经济评估模型，探究其经济可行性，旨在探索出适用于西部矿区高矿化度矿井水处理的膜集成技术，为高矿化度矿井水绿色资源化处理工艺的开发提供新的研究思路。通过对电渗析-双极膜电渗析实验过程探究，发现双极膜系统进料液浓度应不超过80000 mg/L、适宜的操作电压为18 V、适宜的进料液温度为25℃、进料液pH保持中性、更适合采用恒电压操作。此外，证实了以双极膜电渗析为核心的膜集成系统可实现高矿化度矿井水绿色资源化处理，以电渗析系统进料液总含盐量20，000 mg/L为例，总的净收益为￥18，604，299/年，且在耦合光伏电力供应系统时具有明显的二氧化碳减排效应，二氧化碳减排将超过3，162吨/年，具有良好的经济效益和社会效益。

关键词：高矿化度矿井水集成膜系统零排放双极膜电渗析技术矿井水资源化

煤矿地下水库技术原创试验平台体系研制及应用

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煤炭学报 2024年第1期49卷 100-113页

作者：顾大钊曹志国李井峰吴宝杨张勇蒋斌斌郭强王汉鹏武洋史小萌王路军杨毅查尔晟煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室北京102211 北京低碳清洁能源研究院北京102211 国家能源投资集团有限责任公司北京100011 国能神东煤炭集团有限责任公司陕西榆林719315 山东大学齐鲁交通学院山东济南250061

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... 详细信息

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,相关研究成果已应用于现场工程实践,确保了煤矿地下水库安全稳定运行。

关键词：煤矿地下水库地下水运移坝体结构冲击试验水岩耦合

神东矿区典型矿井水中氟的分布特征及形成机制

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煤炭科学技术 2023年第6期51卷 246-256页

作者：杨思敏李井峰白璐国家能源集团煤炭开采水资源与利用国家重点实验室北京102211 国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司陕西榆林719315

神东矿区位于陕西省北部和内蒙古鄂尔多斯市南部,气候干燥且降水稀少,水资源缺乏。矿区煤炭开采过程中产生的大量矿井水是重要的生产生活水源,然而神东矿区不同区域的矿井水氟化物浓度相差较大,部分区域浓度较高,为此笔者分析了高氟矿... 详细信息

神东矿区位于陕西省北部和内蒙古鄂尔多斯市南部,气候干燥且降水稀少,水资源缺乏。矿区煤炭开采过程中产生的大量矿井水是重要的生产生活水源,然而神东矿区不同区域的矿井水氟化物浓度相差较大,部分区域浓度较高,为此笔者分析了高氟矿井水的分布特征及成因,对矿井水的资源化复用具有重要意义。基于神东矿区不同区域的58组矿井水水质分析结果,运用数理统计法,Piper三线图、Gibbs图,SI模拟等研究方法,同时通过对不同区域采集岩心和煤层顶板岩石进行XRF分析,探讨神东北部和中心矿区不同埋深矿井水中氟的时空分布特征及形成机制。研究结果表明:研究区矿井水中F−的质量浓度变化范围为0.3~13.7 mg/L,均值为4.3 mg/L,较高F−浓度的矿井水pH呈碱性。在水平方向上神东矿区呈现北部和西南部矿井水中F−浓度较高、东南部矿井水中F−浓度低的现象;垂直方向上呈现随开采深度的增加而增加的趋势,不同深度延安组含水层地下水所补给矿井水的F−浓度差异较大,深度80~130 m延安组含水层地下水补给矿井水中F−浓度较低,200~500 m延安组含水层地下水补给矿井水F−浓度相对较高。矿井水中F−浓度随季节的变化趋势不明显。延安组岩样含氟矿物XRF分析表明北部矿区和中心矿区西部含氟矿物含量相对中心矿区东部高。矿井水较高的F−浓度与水化学环境具有一定的关系,蒸发浓缩作用、阳离子交替吸附,水−岩相互作用导致的矿物溶解共同导致了地下水中F−的富集。

关键词：氟矿井水水化学类型空间分布神东矿区

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西部矿区高矿化度矿井水膜蒸馏处理技术

煤炭科学技术 2022年第3期50卷 295-300页

作者：卞伟李井峰顾大钊郭强吕嘉峰齐继国家能源投资集团有限责任公司煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

西部煤矿矿井水有相当比例为高矿化度矿井水,典型的处理工艺产品水符合再生水要求,但存在前期投资高、工艺复杂、处理成本高等问题。统计数据显示,西部7个大型煤炭基地太阳能和地热资源均属于丰富或较丰富。为实现高矿化度矿井水大规模... 详细信息

西部煤矿矿井水有相当比例为高矿化度矿井水,典型的处理工艺产品水符合再生水要求,但存在前期投资高、工艺复杂、处理成本高等问题。统计数据显示,西部7个大型煤炭基地太阳能和地热资源均属于丰富或较丰富。为实现高矿化度矿井水大规模低成本的处理,可充分利用西部太阳能、地热能和工业余热丰富的优势,采用膜蒸馏技术进行处理。其优势主要体现在:可利用低成本热源、浓缩倍数高、工艺流程短、产水水质好、膜污染(润湿)程度轻等。深入阐述了膜蒸馏与太阳能和地热能的结合工艺,指出太阳能膜蒸馏可用于反渗透浓水的地面深度浓缩;地热膜蒸馏则可直接在井下处理高矿化度矿井水,产水回用井下或地面,浓水井下封存,可大幅降低矿井水“零排放”的成本。以宁东地区100 t/h矿井水处理规模为例,分别测算了太阳能膜蒸馏所需的光热面积和地热膜蒸馏所需的换热器长度。结果显示反渗透串联膜蒸馏处理100 m^(3)/h矿井水所需的光热面积约为8 257 m^(2),可充分利用处理站和蓄水池顶部空间,基本做到不新增占地。地热膜蒸馏井下直接处理100 m^(3)/h矿井水所需的换热器长度约为9 435 m,所需的PTFE中空纤维疏水膜面积为8 333~12 500 m^(2),采煤工作面上覆层或下伏层的广袤岩土可满足地热膜蒸馏所需的换热空间。

关键词：西部矿区高矿化度矿井水膜蒸馏膜污染

二氧化碳用于地质资源开发及同步封存技术综述

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煤炭科学技术 2022年第6期50卷 84-95页

作者：包一翔李井峰郭强蒋斌斌苏琛国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102209 北京低碳清洁能源研究院北京102209

以煤炭为主体的化石燃料目前占我国一次能源消费的80%以上,在“碳达峰、碳中和”目标下,二氧化碳捕集与封存技术(CCS)是二氧化碳(CO_(2))规模化减排的关键技术。对比了世界各国CCS工程应用的进展,全球目前共有164个CCS项目(分布在28个国... 详细信息

以煤炭为主体的化石燃料目前占我国一次能源消费的80%以上,在“碳达峰、碳中和”目标下,二氧化碳捕集与封存技术(CCS)是二氧化碳(CO_(2))规模化减排的关键技术。对比了世界各国CCS工程应用的进展,全球目前共有164个CCS项目(分布在28个国家),正在运行的CCS项目有56个(分布在15个国家),美国、中国和英国是CCS项目总数排名前三的国家,正在运行的CCS项目数前三的国家为美国、中国和加拿大。介绍了CO_(2)用于石油、卤咸水、天然气、可燃冰等地质资源开发并同步实现不同程度地质封存的技术原理。CO_(2)驱油技术比传统生产方法碳强度低,同时能够利用原油采空区实现CO_(2)封存。深部卤咸水层的理论CO_(2)封存容量可实现保持大气中CO_(2)浓度约为450×10^(-6),卤咸水及其所含矿物元素均可转化为收益从而抵消一部分封存技术成本。采用CO_(2)驱替甲烷等气体时,岩层特性、注入压力和温度等决定了生产效率,天然气储存地层的密封性有助于减少CO_(2)在竖直方向的扩散和损失。探讨了CO_(2)地质封存协同高浓盐水处置、CO_(2)用于地下煤气化、CO_(2)用于干热岩开发技术。CO_(2)封存协同高浓盐水处置可实现二者同时减量,浓盐水中的高硬度可加快CO_(2)的碳酸化过程。CO_(2)用作气化剂,可调节合成气的组成,但气化过程较难控制,煤气化产生的地层空间可用于CO_(2)封存。CO_(2)用于干热岩开发可节省用水、减少管道结垢等,但CO_(2)较高损失率或导致封存效果不够理想。最后,总结了CCS面临的成套装备开发缺乏、技术原理认识不足、技术成本高、法律法规不完善等问题并对其应用潜力进行了展望。

关键词：二氧化碳地质封存资源开发同步封存

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膜技术在煤化工污水回用中的应用

现代化工 2015年第6期35卷 164-167页

作者：李井峰神华集团有限责任公司科技发展部北京100011

分析了煤化工污水的来源和主要特点,介绍了煤化工污水处理、膜技术回用及反渗透浓水处理的主要方法和技术要点。并通过具体回用装置的实例,分析介绍了目前膜技术在煤化工污水回用中的现状。

关键词：膜技术煤化工污水