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煤矿覆岩裂隙地下水渗流特征的试验研究

煤炭科学技术 2023年第6期51卷 168-176页

作者：李海祥曹志国吴宝杨池明波张保北京低碳清洁能源研究院煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102209

覆岩裂隙地下水渗流特征是采煤和采空区后期维护需考虑的重点因素,特别是煤矿地下水库修建区,覆岩裂隙场经沉积作用形成稳定形态,具有良好的储水和导水能力,也是煤矿地下水库重要的组成部分。在浅层地下水丰富区域或夏季极端降雨条件下... 详细信息

覆岩裂隙地下水渗流特征是采煤和采空区后期维护需考虑的重点因素,特别是煤矿地下水库修建区,覆岩裂隙场经沉积作用形成稳定形态,具有良好的储水和导水能力,也是煤矿地下水库重要的组成部分。在浅层地下水丰富区域或夏季极端降雨条件下,地下水库形成垂向补给,分析地下水在覆岩裂隙中的渗流特征为煤矿地下水库安全运营及地下水资源保护提供科学依据。此次研究通过固−液耦合相似模型试验获得开采区覆岩裂隙发育稳定规律及导通含水层后地下水渗流特征,分析得出延伸远空间大的离层裂隙和微裂隙多以储水为主,贯穿多个岩层的垂向裂隙具有很强的导水能力,离层裂隙间的水力联系主要靠两侧区域的垂向裂隙形成。垂向补给条件下,地下水先以非饱和方式沿垂向裂隙进行入渗,由上及下覆岩裂隙逐渐区域饱和,最终形成稳定的饱和入渗形式。在此基础上建立饱和渗流状态的地下水渗流数学模型,并依靠数值法求解,与相似模拟试验相互验证得出垂向裂隙是主要的导水通道,其导水量占比最大可达到97%,与此同时垂向裂隙中地下水的运移速度也远超出离层裂隙中的多个数量级。最后通过敏感性分析得出垂向裂隙渗流量与裂隙发育程度和总涌水量成正相关,与岩石渗透性成负相关。覆岩裂隙中地下水的运移时间与裂隙发育程度、岩石渗透性和总涌水量均呈负相关。

关键词：地下水库覆岩裂隙地下水渗流运移时间优势通道

东部草原区露天煤矿减损开采与生态系统修复技术及应用

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煤炭科学技术 2023年第1期51卷 484-492页

作者：李全生李淋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京102209

东部草原区是我国重要的煤能源基地,煤炭开发为东北区能源保供和我国经济发展做出了巨大贡献。东部草原区气候酷寒干旱、土壤瘠薄、植被抗扰动能力低,而煤炭大规模开发导致了当地草原退化和水位下降等问题,因此开展了东部草原区露天煤... 详细信息

东部草原区是我国重要的煤能源基地,煤炭开发为东北区能源保供和我国经济发展做出了巨大贡献。东部草原区气候酷寒干旱、土壤瘠薄、植被抗扰动能力低,而煤炭大规模开发导致了当地草原退化和水位下降等问题,因此开展了东部草原区露天煤矿减损开采与生态系统修复研究,提出了露天煤矿源头减损-过程控制-末端治理的生态修复理念,研发了开采节地减损、物料跨时空调配储用和“生态窗口期”协同修复等技术,并在胜利露天矿和宝日希勒露天矿进行技术应用和示范。结果表明:胜利露天矿原排土工作帮坡角提高了2.9°,可开展生态修复时间提前0.9 a,采场占地面积缩小75.2 hm^(2);仅在宝日希勒露天矿南帮实施冻结期靠帮开采-快速回填技术多回收煤炭资源69.55万t,占年生产能力的2%,在满足露天矿生产能力的前提下少征地2.4 hm^(2)/a。研究成果为相似露天矿开展减损开采与生态修复工作提供了技术支撑,具有广泛的应用和推广价值。

关键词：东部草原区露天煤矿减损开采生态修复绿色开采

神东矿区顶板垮落岩体在不同水化学条件下的离子迁移特征

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煤炭学报 2023年第3期48卷 1353-1364页

作者：苏琛吴敏唐佳伟包一翔刘兆峰薛蕊张海琴蒋斌斌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 中国地质大学(北京)水资源与环境学院北京100083

采空区内含有大量的顶板垮落岩体,矿井水在地下水库内储存过程中,与采空区内顶板垮落岩体存在离子交换/吸附、溶滤等水岩相互作用,在一定程度上影响矿井水水质。采集了内蒙古哈拉沟矿区采空区顶板垮落岩体,对其阳离子交换容量(CEC)进行... 详细信息

采空区内含有大量的顶板垮落岩体,矿井水在地下水库内储存过程中,与采空区内顶板垮落岩体存在离子交换/吸附、溶滤等水岩相互作用,在一定程度上影响矿井水水质。采集了内蒙古哈拉沟矿区采空区顶板垮落岩体,对其阳离子交换容量(CEC)进行测定,并开展了不同水化学条件下(Na^(+)、Mg^(2+)、K^(+)、Ca^(2+)质量浓度各250 mg/L)的水岩耦合静态吸附-溶出实验。实验结果表明:采空区顶板垮落岩体的CEC与粒径大小成反比,当粒径小于120目(0.125 mm)时CEC达134 mmol^(+)/kg,采空区顶板垮落岩体中交换性盐基离子总量排序为交换性钙交换性镁>交换性钠>交换性钾;静态吸附-溶出实验48 h后各体系中离子质量浓度趋于平衡,Na^(+)体系溶液中阳离子质量浓度均有所升高,其他3种体系中,原有离子质量浓度均有所下降,且K^(+)质量浓度下降幅度最大。采空区顶板垮落岩体交换至水溶液中的离子质量浓度由高到低的顺序为:Ca^(2+)>Na^(+)>Mg^(2+)>K^(+),Ca^(2+)质量浓度在试验结束后依然有上升趋势。反应后采空区顶板垮落岩体的CEC均有所增加,Ca^(2+)体系下CEC最大达183.7 mmol^(+)/kg。基于XRD等表征结果进一步揭示了微斜长石、钠长石、硫铁矿等非黏土矿物的溶滤作用可以导致溶液中Ca^(2+)、Na^(+)的质量浓度增加,而伊利石、高岭石等黏土矿物则通过配位作用等对溶液中的阳离子进行吸附/交换。对于阳离子而言,若溶滤作用>离子交换作用(初始质量浓度较低)则质量浓度有所上升;反之则有所下降。因此当矿井水Ca^(2+)、Mg^(2+)质量浓度较高时,煤矿地下水库可通过水岩相互作用在一定程度上降低矿井水的硬度。

关键词：煤矿地下水库水岩作用离子交换容量吸附溶滤作用

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煤矿地下水库不同人工坝体结构抗震性能研究

煤炭科学技术 2020年第12期48卷 237-243页

作者：曹志国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京100011

作为新型地下工程构筑物,煤矿地下水库工程在西部神东矿区已得到成功应用。长期安全稳定运行是煤矿地下水库技术的核心要素之一。作为煤矿地下水库挡水构筑物的水库坝体,尤其是人工坝体,是煤矿地下水库安全运行的重要组成部分。为保证... 详细信息

作为新型地下工程构筑物,煤矿地下水库工程在西部神东矿区已得到成功应用。长期安全稳定运行是煤矿地下水库技术的核心要素之一。作为煤矿地下水库挡水构筑物的水库坝体,尤其是人工坝体,是煤矿地下水库安全运行的重要组成部分。为保证煤矿地下水库在极端条件(如矿震、地震等条件)的安全性,需对人工坝体结构进行抗震安全分析。人工坝体结构一般为平板型,考虑到矿震或地震条件下坝体结构的破坏通常为剪切破坏,为提高人工坝体的抗震性能,提出新型煤矿地下水库人工坝体结构—拱形人工坝体,对比分析了平板式和拱形人工坝体的受力状态;采用有限元方法,得到了震级烈度分别为7、8、9、10时的平板式人工坝体和拱形人工坝体的剪切应力与位移分布云图,对比分析了2种坝体的整体安全系数及可能破坏模式。结果表明:人工坝体的薄弱部位是其与煤岩体的接触部位;地下水库人工坝体受顶底板和周边煤岩体约束,在极端特殊工况条件下仍能保持较好的安全性能,地震烈度达到10时,拱形和平板式人工坝体安全系数分别为22.6和6.4;拱的作用使得煤柱对人工坝体的反作用力中产生了部分压应力,拱形人工坝体受到的部分矿震荷载传递至煤柱坝体,减少了由于矿震引起的人工坝体剪切应力,提高了拱形人工坝体的抗震性能,地震烈度10时拱形人工坝体安全系数是平板式人工坝体的3.5倍以上。

关键词：煤矿地下水库平板式人工坝体拱形人工坝体数值模拟抗震安全性评价

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亲水和疏水改性膜的抗结垢和润湿能力的对比

化工进展 2023年第8期42卷 4458-4464页

作者：李雪佳李鹏李志霞晋墩尚郭强宋旭锋宋芃彭跃莲国能神东煤炭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陕西榆林719315 北京工业大学环境与生命学部北京100124 北京低碳清洁能源研究院北京101303 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102208

膜蒸馏过程受料液盐度的影响较小,可以处理高矿化度的矿井水,但膜污染和润湿制约其工业化应用。本文首次全面比较了两种商业化的疏水膜,即平板聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏氟乙烯(PVDF),以及分别进行亲水和疏水表面改性后制备的PVA-PAA/PTFE... 详细信息

膜蒸馏过程受料液盐度的影响较小,可以处理高矿化度的矿井水,但膜污染和润湿制约其工业化应用。本文首次全面比较了两种商业化的疏水膜,即平板聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏氟乙烯(PVDF),以及分别进行亲水和疏水表面改性后制备的PVA-PAA/PTFE和Teflon/PVDF两种复合膜,在直接接触式膜蒸馏(DCMD)中浓缩饱和硫酸钙溶液时的结垢和润湿程度。重点分析了两种基膜和复合膜的结垢和润湿机理,探讨它们在矿井水浓缩中的应用潜力和最佳膜结构。实验结果显示,饱和硫酸钙浓缩过程中,膜表面结垢是主要影响因素,PTFE膜和PVDF膜尽管膜微观结构差别巨大,但抗结垢能力接近;Teflon/PVDF复合膜因其表面有滑移特性而表现出完美的抗结垢性能,PVA-PAA/PTFE复合膜尽管有致密的亲水表面,抗结垢能力并不强。

关键词：矿井水膜蒸馏亲水改性疏水改性结垢润湿

东部草原区大型煤电基地开发的生态影响与修复技术

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煤炭学报 2019年第12期44卷 3625-3635页

作者：李全生煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室国家能源投资集团有限责任公司

东部草原区大型煤电基地是我国东部能源保障的重要基地,且位于国家“两屏三带”的北方防沙带东部,区位能源供应和生态功能均十分重要。为实现东部草原区大型煤电基地开发与生态环境保护的协调,国家于2016年启动实施了“东部草原区大型... 详细信息

东部草原区大型煤电基地是我国东部能源保障的重要基地,且位于国家“两屏三带”的北方防沙带东部,区位能源供应和生态功能均十分重要。为实现东部草原区大型煤电基地开发与生态环境保护的协调,国家于2016年启动实施了“东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术及示范研究”重点研发计划项目。针对煤电基地开发对区域生态要素(水、土、植被)的影响边界与累积效应机理认识不清,急需开发矿区生态修复技术的问题,开展重大技术攻关和工程示范。依托国家重点研发计划项目,提出了煤电基地生态环境保护的内涵,构建了基于采矿源头主动减损、涵盖采前、采中、采后和闭坑的采矿全生命周期的主动生态减损理念,以煤炭开采生态环境损伤最小化为目标,实现水、土、植被指标达到或优于采前生态本底值,从基础理论、关键技术、集成示范与区域调控模式方面,开展了系统研究,具体包括:一是基础理论研究,厘清了煤炭开采对地下水、土壤理化性质、植被覆盖度的影响边界和程度,提出了景观与区域生态评价方法。二是关键技术研发,提出了基于生态减损的采排复一体化技术,构建了地面和地下相结合的露天矿立体储水技术体系,掌握了覆岩导水裂隙的发育类型及其导水流动特性,提出了井工开采地下水原位保护方法;优化设计了露天矿排土场边坡整形技术,开展了表土替代材料研究;筛选得到适应于东部草原区的本土植被种类,提出了土壤提质增容有机生物改良技术,优化设计了区域景观分布。初步构建了东部草原区煤电基地生态修复与综合整治技术体系,并在典型矿区应用示范,将为该区域生态环境保护提供技术支撑,助推东部草原区生态文明建设。

关键词：东部草原区煤炭开发生态修复采排复一体化

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煤矿覆岩裂隙地下水渗流特征的实验研究

煤炭科学技术 2022年

作者：李海祥曹志国吴宝杨池明波张保北京低碳清洁能源研究院煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室

覆岩裂隙地下水渗流特征是采煤和采空区后期维护需考虑的重点因素，特别是煤矿地下水库修建区，覆岩裂隙场经沉积作用形成稳定形态，具有良好的储水和导水能力，也是是煤矿地下水库重要的组成部分。在浅层地下水丰富区域或夏季极端降雨... 详细信息

覆岩裂隙地下水渗流特征是采煤和采空区后期维护需考虑的重点因素，特别是煤矿地下水库修建区，覆岩裂隙场经沉积作用形成稳定形态，具有良好的储水和导水能力，也是是煤矿地下水库重要的组成部分。在浅层地下水丰富区域或夏季极端降雨条件下，地下水库形成垂向补给，分析地下水在覆岩裂隙中的渗流特征为煤矿地下水库安全运营及地下水资源保护提供科学依据。此次研究通过固-液耦合相似模型试验获得开采区覆岩裂隙发育稳定规律及导通含水层后地下水渗流特征，分析得出延伸远空间大的离层裂隙和微裂隙多以储水为主，贯穿多个岩层的垂向裂隙具有很强的导水能力，离层裂隙间的水力联系主要靠两侧区域的垂向裂隙形成。垂向补给条件下，地下水先以非饱和方式沿垂向裂隙进行入渗，由上及下覆岩裂隙逐渐区域饱和，最终形成稳定的饱和入渗形式。在此基础上建立饱和渗流状态的地下水渗流数学模型，并依靠数值法求解，与相似模拟试验相互验证得出垂向裂隙是主要的导水通道，其导水量占比最大可达到97%，与此同时垂向裂隙中地下水的运移速度也远远超出离层裂隙中的多个数量级。最后通过敏感性分析得出垂向裂隙渗流量与裂隙发育程度和总涌水量成正相关，与岩石渗透性成负相关。覆岩裂隙中地下水的运移时间与裂隙发育程度、岩石渗透性和总涌水量均呈负相关。

关键词：地下水库覆岩裂隙地下水渗流运移时间优势通道

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

煤系砂质泥岩和细砂岩对Mn(Ⅱ)吸附特性研究

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中国矿业大学学报 2020年第3期49卷 411-418页

作者：姚强岭王伟男夏泽朱柳王傲于利强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京100011 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

探讨了西部矿区侏罗系煤层覆岩典型煤系沉积岩(砂质泥岩和细砂岩)对Mn(Ⅱ)的等温吸附和解吸特性,分析了温度、pH值和固液比对岩样吸附特性的影响.结果表明:随着温度升高,细砂岩的饱和吸附量明显增大,而砂质泥岩的饱和吸附量增大程度较小... 详细信息

探讨了西部矿区侏罗系煤层覆岩典型煤系沉积岩(砂质泥岩和细砂岩)对Mn(Ⅱ)的等温吸附和解吸特性,分析了温度、pH值和固液比对岩样吸附特性的影响.结果表明:随着温度升高,细砂岩的饱和吸附量明显增大,而砂质泥岩的饱和吸附量增大程度较小;Mn(Ⅱ)溶液的pH值由2增至4时,砂质泥岩和细砂岩对Mn(Ⅱ)的吸附效率分别增大4和2倍;而当pH值大于4时,砂值泥岩和细砂岩对Mn(Ⅱ)的吸附效率无明显变化;溶液固液比由1∶800增加至1∶50的过程中,砂质泥岩和细砂岩的吸附效率分别由32.9%和44.8%增加至90.6%和99.2%;砂质泥岩对Mn(Ⅱ)的解吸过程缓慢,且无法完全解吸;细砂岩对Mn(Ⅱ)的解吸量极低,具有较强的化学吸附性.

关键词：侏罗系煤系沉积岩采空区矸石重金属吸附与解吸特性