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采动含水层生态功能修复:概念内涵、理论与技术框架

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绿色矿山

绿色矿山 2024年第1期2卷 21-30页

作者：鞠金峰李全生许家林王晨煜中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室北京100011 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

针对我国保水采煤研究现状及煤矿区采损生态修复的技术需求,提出应开展采动含水层生态功能修复研究,并将其纳入绿色开采技术体系中。在充分阐述采动含水层生态功能修复概念与内涵的基础上,构建了以采动含水层失水流动规律及水径流阻隔... 详细信息

针对我国保水采煤研究现状及煤矿区采损生态修复的技术需求,提出应开展采动含水层生态功能修复研究,并将其纳入绿色开采技术体系中。在充分阐述采动含水层生态功能修复概念与内涵的基础上,构建了以采动含水层失水流动规律及水径流阻隔关键技术为主的理论与技术框架,分析了当前相关研究进展与未来攻关方向。含水层的损伤失水与生态功能退化本质源于采煤引起的岩层运动与裂隙发育,应在充分掌握含水层失水机制与规律的基础上对其开展生态功能修复理论与技术研究。深入揭示含水层失水路径分布与水流动力耗散规律,将失水流量集中分布的采动影响区作为重点修复的靶区,合理运用“边采边修”、“采后再修”等方式实施水流通道封堵与修复。同时,应充分利用采动岩体裂隙自修复机制及其引起的含水层自恢复效应,开展采动含水层生态功能引导修复研究与实践;基于水-气-岩相互作用产生化学沉淀促进导水裂隙自修复的降渗机理,提出了向含水层下方裂隙岩体中灌注可与地下水产生化学沉淀的修复试剂,以诱导沉淀物在裂隙中吸附-固结并封堵通道的含水层生态功能修复技术路径。在此基础上,阐述了利用铁/钙质化学沉淀进行导水裂隙修复降渗的研究现状,提出未来应重点研究形成利于不同类型导水通道高效封堵的化学沉淀诱导生成对策。研究可望为西北部生态脆弱矿区煤炭开采地下水保护与生态修复提供参考。

关键词：含水层生态功能修复失水路径修复靶区导水裂隙自修复绿色开采

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煤矿绿色开采技术及经济评价方法研究

采矿与安全工程学报 2023年第5期40卷 1092-1101页

作者：秦伟许家林轩大洋鞠金峰陈晓军中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008

煤矿绿色开采理念提出20年以来,我国煤矿绿色开采技术显著发展,对煤矿绿色开采的重视程度不断提高。然而,煤矿绿色开采技术及经济评价方面的研究仍相对滞后,这对绿色开采技术产业化发展极其不利。针对上述问题,提出了反映煤矿绿色开采... 详细信息

煤矿绿色开采理念提出20年以来,我国煤矿绿色开采技术显著发展,对煤矿绿色开采的重视程度不断提高。然而,煤矿绿色开采技术及经济评价方面的研究仍相对滞后,这对绿色开采技术产业化发展极其不利。针对上述问题,提出了反映煤矿绿色开采技术应用程度的评价指标——绿色开采度,建立考虑土地保护、矸石减排、保水开采、煤与瓦斯共采、资源采出率的绿色开采技术评价指标体系;遵循煤炭开采完全成本要求,构建考虑投资估算、应用成本和经济效益的煤矿绿色开采经济评价方法,并以阳泉矿区煤与瓦斯共采为例开展经济评价,定量评价其财务效益、安全效益、环境效益和社会效益。研究结果明确了绿色开采技术产业化的经济条件和经济特点,为相关技术产业化发展提供经济理论支持,为制定各项优惠政策提供依据。

关键词：绿色开采技术评价经济评价绿色开采度评价指标

倾向煤柱边界超前失稳对工作面出煤柱动载矿压的影响

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煤炭学报 2012年第7期37卷 1080-1087页

作者：鞠金峰许家林中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221008

针对近距离煤层工作面出上覆倾向煤柱时的动载矿压问题,采用理论分析、数值模拟以及工程验证的方法,从煤柱边界超前工作面失稳的角度阐述了其对动载矿压灾害的抑制机理,并就煤柱埋深、煤层间有无关键层以及煤柱边界有无空巷等因素对煤... 详细信息

针对近距离煤层工作面出上覆倾向煤柱时的动载矿压问题,采用理论分析、数值模拟以及工程验证的方法,从煤柱边界超前工作面失稳的角度阐述了其对动载矿压灾害的抑制机理,并就煤柱埋深、煤层间有无关键层以及煤柱边界有无空巷等因素对煤柱边界超前失稳的影响规律进行了研究。结果表明:工作面临近推出上覆倾向煤柱时,煤柱边界的超前失稳会造成上部关键块体提前发生反向回转,从而能在工作面出煤柱时削弱关键块体结构回转运动对煤层间岩层作用的能量,最终减弱动载矿压灾害发生的几率和强度。上覆倾向煤柱埋深大、煤层间无关键层以及煤柱边界存在空巷均易导致煤柱边界发生超前失稳,从而可对动载矿压灾害的发生发挥明显的抑制作用。对于煤层埋深较浅或煤层间仅存在一层关键层等动载矿压灾害易发生的开采条件,可在处于下煤层工作面出煤柱一侧边界内开掘空巷,或对此区域实施人工预爆破,促使煤柱边界在工作面临近出煤柱时发生超前失稳,从而达到防治动载矿压灾害的目的。研究结果得到了神东矿区活鸡兔井和补连塔煤矿4个工作面出煤柱开采工程实例的验证。

关键词：倾向煤柱超前失稳动载矿压关键层

水岩相互作用对煤矿地下水库水质影响机理研究

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采矿与安全工程学报 2022年第4期39卷 779-785页

作者：智国军鞠金峰刘润杨瑞刚方志远张成璞国能包头能源有限责任公司万利一矿内蒙古鄂尔多斯017000 中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

为了掌握煤矿地下水库储水过程中的水质演变机制,基于万利一矿地下水库工程实践,通过室内水岩相互作用实验,开展了采空区垮落煤岩对储水水质净/劣化机理与规律研究,据此提出了优化地下水库选址与调水复用的合理对策。结果表明:地下水库... 详细信息

为了掌握煤矿地下水库储水过程中的水质演变机制,基于万利一矿地下水库工程实践,通过室内水岩相互作用实验,开展了采空区垮落煤岩对储水水质净/劣化机理与规律研究,据此提出了优化地下水库选址与调水复用的合理对策。结果表明:地下水库储水过程中,水体与采空区垮裂煤岩会发生长期水岩相互作用,得益于吸附、溶滤、离子交换、以及氧化还原等物理、化学过程,大部分水质指标得到明显改善;相比泥质或砂质类岩石,煤对水体的净化效果最好;实验80 d,煤对水体浊度、BOD5、余氯、石油类等指标的削减率可达85%以上,对总碱度、总硬度的降低率超过30%。然而,受水岩相互作用持续时间的影响,COD等关键指标值会出现先降后升的现象,表现出水库储水时间过长而导致的水质劣化效应。实验表明:万利一矿井下污水与煤、砂岩作用后,COD在实验4~5周时达标、而后又出现超标;而与铝质泥岩作用后,COD在实验4~23周内达标、而后超标。充分考虑井下分质用水需求以及岩石岩性对水质的影响规律,对万利一矿分别进行了“消防用水”和“采掘生产用水”地下水库的构建选址与储水时间优化确定。

关键词：水岩相互作用煤矿地下水库水质净化水质劣化储水复用

特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响

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岩石力学与工程学报 2011年第8期30卷 1547-1556页

作者：许家林鞠金峰中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

通过对我国首个7.0 m支架综采工作面开采的现场实测、模拟试验与理论分析,就神东矿区特大采高综采工作面覆岩关键层结构形态及其对矿压显现的影响规律与支架合理工作阻力的确定等问题进行了深入研究。结果表明:由于特大采高工作面采高... 详细信息

通过对我国首个7.0 m支架综采工作面开采的现场实测、模拟试验与理论分析,就神东矿区特大采高综采工作面覆岩关键层结构形态及其对矿压显现的影响规律与支架合理工作阻力的确定等问题进行了深入研究。结果表明:由于特大采高工作面采高明显增大,覆岩亚关键层1易进入垮落带中,不能形成"砌体梁"结构,而呈"悬臂梁"结构周期性破断,形成工作面的周期来压,周期来压的持续长度与支架控顶距接近,较关键层"砌体梁"结构来压持续长度明显偏大。一定条件下,覆岩亚关键层2的周期破断会引起亚关键层1的提前破断,并造成工作面周期来压步距和来压强度呈一大一小的周期性变化。提出了特大采高综采面不同覆岩关键层结构形态时支架工作阻力的确定方法,并依此确定了补连塔煤矿22303工作面7.0 m支架的合理工作阻力为17 612 kN,现有支架额定工作阻力16 800 kN,在工作面部分区域略显偏小。

关键词：采矿工程岩层移动特大采高矿压显现关键层结构形态绿色开采

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导水裂隙的自修复——地下水混流沉淀的影响

煤炭学报 2023年第6期48卷 2540-2549页

作者：李全生鞠金峰许家林曹志国张凯王晨煜郭俊廷无国家能源投资集团有限责任公司北京100011 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

采动覆岩导水裂隙在其产生后的长期演变过程中,会发生导水渗流能力逐步降低的自修复现象,研究揭示导水裂隙的自修复机制对于科学指导矿区采动地下水的生态功能恢复实践意义重大。基于神东矿区补连塔煤矿12401工作面采后15 a覆岩导水裂... 详细信息

采动覆岩导水裂隙在其产生后的长期演变过程中,会发生导水渗流能力逐步降低的自修复现象,研究揭示导水裂隙的自修复机制对于科学指导矿区采动地下水的生态功能恢复实践意义重大。基于神东矿区补连塔煤矿12401工作面采后15 a覆岩导水裂隙自修复的工程探测结果,就采后不同层位地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的修复降渗机理开展研究。结果表明,12401工作面采后覆岩导水裂隙直接发育至第四系松散层,已沟通多个含水层;由于浅层地下水含有较多Ca^(2+),而基岩地下水CO_(3)^(2-)、HCO_(3)^(-)质量浓度偏多,2种地下水在采动覆岩中交汇混流时会产生CaCO3化学沉淀;沉淀物随水迁移并不断吸附于裂隙通道表面,发生包藏-共沉-固结的结垢过程,经过长时间的累积,最终形成具备一定抗蚀能力的结垢物或包结物,堵塞并修复裂隙。室内试验测试发现,这一过程引起的导水裂隙自修复降渗效果相比水-(气)-岩相互作用产生的效果更为稳定且快速;裂隙岩样受2种不同水质模拟地下水混流通过近2个月时间后,绝对渗透率即由0.09×10-15m2降低为0.0025×10-15m2,且在水压1.5 MPa条件下也未出现明显渗透性波动。由于这种不同地下水的交汇混流主要发生在开采边界附近的裂隙岩体中,因而覆岩不同区域导水裂隙的自修复过程及效果将出现明显差异。12401工作面中部区域覆岩导水裂隙的自修复主要由降雨入渗过程引起的水-(气)-岩相互作用引起,而开采边界附近覆岩导水裂隙则由不同地下水的交汇混流反应和水-(气)-岩相互作用共同主导其自修复,因而后者对应产生的自修复效果要明显偏好。现场探测结果显示,历经15 a的自修复演变,开采边界附近覆岩在深度86.7~179.1 m范围导水裂隙已全部实现自修复,而采区中部覆岩在对应自修复区域内仍存在局部未修复现象,深度在110.0~118.6 m,由此证实了地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的良好修复效果。

关键词：含水层修复地下水交汇混流化学沉淀导水裂隙自修复绿色开采

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神东矿区采动裂隙岩体自修复特征研究

煤炭科学技术 2023年第8期51卷 12-22页

作者：李全生鞠金峰许家林曹志国张凯王晨煜郭俊廷煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室北京100011 国家能源投资集团有限责任公司北京100011 中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

针对采动裂隙岩体在煤层采后长期演变过程中易发生降渗自修复的客观现象,以神东补连塔煤矿12401工作面和大柳塔煤矿52306工作面为典型试验区,开展覆岩不同区域裂隙岩体自修复规律的工程探测与理论研究,揭示了采后覆岩导水裂隙长期自修... 详细信息

针对采动裂隙岩体在煤层采后长期演变过程中易发生降渗自修复的客观现象,以神东补连塔煤矿12401工作面和大柳塔煤矿52306工作面为典型试验区,开展覆岩不同区域裂隙岩体自修复规律的工程探测与理论研究,揭示了采后覆岩导水裂隙长期自修复过程的演变规律。结果表明,两矿试验面采动覆岩分别在采后15 a和7.3 a均获得了较好的自修复效果,在原先导水裂隙带范围出现导水的区域已明显减少,垮落带虽仍导水,但高度也已有所降低。通过将覆岩由原先导水变为隔水的自修复区段垂向长度占导水裂隙带高度的比值作为自修复率进行统计,得到12401试验面在开采边界附近及倾向中部覆岩中的自修复率已分别达到59.5%和53.5%,52306试验面在对应区域自修复率分别为25.8%和47.5%;因12401试验面采后年限更长、煤层埋深更大,其裂隙岩体自修复效果明显偏好。受覆岩纵向不同层位岩层赋存差异、横向不同区域初始垮裂程度的影响,自修复区域的分布常易呈现离散非连续性,其中间隔的未修复区一般对应于关键层或厚硬岩层位置,且采后年限越短、距开采边界越近,这种离散性越显著。采动裂隙岩体的自修复实际是多因素综合影响下的降渗演变过程,对于神东矿区开采条件,在煤层采后1.5~2 a时间内,是以应力压实作用引起的残余沉降为主导影响自修复进程,这在采区中部覆岩中体现相对显著;而后则一直以采动地下水与裂隙岩体或采空区CO_(2)等气体发生的水–岩或水–气–岩相互作用为主导影响自修复进程,即相关作用过程产生的衍生物对裂隙的充填封堵效果以及裂隙面受冲蚀后粗糙度降低程度直接影响裂隙自修复效果或程度。因此,采后覆岩中是否长期存在水体渗流决定了裂隙岩体实现自修复的难易程度;神东多数矿井覆岩导水裂隙一般直接沟通第四系松散层或地表,且近年雨水充沛,这为采动覆岩中水–岩或水–气–岩相互作用产生及促进裂隙自修复提供了优越条件。

关键词：神东矿区裂隙岩体钻孔探测自修复绿色开采

煤矿地下水库相邻采空区水力联系及渗流规律研究

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矿业安全与环保 2022年第2期49卷 9-15页

作者：智国军刘润杨瑞刚秦伟鞠金峰国能包头能源有限责任公司万利一矿内蒙古鄂尔多斯017000 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221116

区段煤柱参数对相邻采空区间的水力联系具有显著影响,而在煤矿地下水库设计时,区段煤柱参数的确定缺乏科学理论支撑。针对上述问题,以万利一矿4-2煤盘区区段煤柱为研究对象,根据区段煤柱侧向支承压力演化规律设计煤(岩)样渗流试验,获得... 详细信息

区段煤柱参数对相邻采空区间的水力联系具有显著影响,而在煤矿地下水库设计时,区段煤柱参数的确定缺乏科学理论支撑。针对上述问题,以万利一矿4-2煤盘区区段煤柱为研究对象,根据区段煤柱侧向支承压力演化规律设计煤(岩)样渗流试验,获得煤(岩)样渗透率随垂直应力的变化函数,揭示了采空区多孔介质渗透率的分布规律。在此基础上开展了区段煤(岩)柱水渗流特性的CFD数值计算,结果表明:随着采空区水位的降低、煤柱宽度的增大,采空区水流动范围和流动速度均不断减小,水位18.65、28.65、38.65 m条件下采空区水进入相邻采空区的临界煤柱宽度分别为30、50、70 m;当区段煤柱宽度小于10 m时,采空区水可以在底部煤层绕过弹性核区进入相邻采空区;当煤柱宽度超过20 m时,采空区水不能通过底部煤柱进入相邻采空区。

关键词：保水开采区段煤柱煤柱宽度采空区水渗流规律绿色开采

大采高采场关键层“悬臂梁”结构运动型式及对矿压的影响

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煤炭学报 2011年第12期36卷 2115-2120页

作者：鞠金峰许家林王庆雄中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221008

通过理论分析并结合模拟实验,提出了大采高覆岩关键层"悬臂梁"结构的3种运动型式,即:"悬臂梁"直接垮落式、"悬臂梁"双向回转垮落式、"悬臂梁-砌体梁"交替式。结合关键层"悬臂梁"与"砌体梁"结构对采场矿压影响的对比分析,揭示了关键层"... 详细信息

通过理论分析并结合模拟实验,提出了大采高覆岩关键层"悬臂梁"结构的3种运动型式,即:"悬臂梁"直接垮落式、"悬臂梁"双向回转垮落式、"悬臂梁-砌体梁"交替式。结合关键层"悬臂梁"与"砌体梁"结构对采场矿压影响的对比分析,揭示了关键层"悬臂梁"结构3种运动型式对采场矿压的不同影响规律,并得到了补连塔煤矿7.0 m支架综采工作面矿压实测数据的验证。

关键词：大采高关键层悬臂梁运动型式矿压砌体梁