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煤炭生态型露天开采理论与技术体系及其应用

煤炭学报 2024年第5期49卷 2426-2444页

作者：李全生煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室北京102209 国家能源投资集团有限责任公司北京100011

煤炭大规模露天开采会引起土地挖损与压占、地下水疏干、水土流失、植被破坏、大气污染、区域景观破损等生态问题。针对现有露天煤矿生态修复技术较为单一,缺乏从开采源头减损和生态全要素系统性修复技术的难题,提出了“减损开采与生态... 详细信息

煤炭大规模露天开采会引起土地挖损与压占、地下水疏干、水土流失、植被破坏、大气污染、区域景观破损等生态问题。针对现有露天煤矿生态修复技术较为单一,缺乏从开采源头减损和生态全要素系统性修复技术的难题,提出了“减损开采与生态系统修复”的理念,阐述了露天煤矿生态型开采的内涵与特征,提出了露天煤矿生态型开采关键科学问题和基础理论框架,研发了“采前生态化设计−采中减损开采−生态系统修复”的全生命周期生态减损开采和生态全要素(水、土、大气、植被、景观)系统修复技术,创建了露天煤矿生态型开采理论与技术体系,形成了可推广可复制的露天矿生态型开采模式。研究成果应用表明,半干旱区胜利露天矿生态型开采示范区减少土地挖损和压占面积60003 m^(2)/a,排土场生态修复期提前1 a以上,植被覆盖率较本底值提高41.78%,地面水库(蓄水量40万m^(3))实现了矿井水的分季节、分级分质利用;酷寒区宝日希勒露天矿生态型开采示范区减少土地挖损和压占面积106672 m^(2)/a,新生物种从14种增加到21种,土壤含水率提升10%,土壤年侵蚀率降低59.6%,植被覆盖率较本底值提高37.96%,露天煤矿地下水库(储水容量122万m^(3))实现了矿坑水“冬储夏用”,取得了显著的生态修复效果。

关键词：露天煤矿生态型开采减损开采系统修复全周期

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生态保护型煤炭开采技术与实践

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 28-37页

作者：李全生李淋方杰郭俊廷李军徐祝贺李晓斌国家能源投资集团有限责任公司北京100011 中国矿业大学(北京) 北京100083 煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室北京102209

针对生态脆弱区煤炭规模化高效开采造成生态影响范围大、周期长和强度高,缺乏统筹开采全周期源头减损与生态全要素系统技术,导致矿区生态修复成本高、效率低和效果差的问题,提出了生态保护型煤炭开采理念,露天开采损伤传导途径和井工开... 详细信息

针对生态脆弱区煤炭规模化高效开采造成生态影响范围大、周期长和强度高,缺乏统筹开采全周期源头减损与生态全要素系统技术,导致矿区生态修复成本高、效率低和效果差的问题,提出了生态保护型煤炭开采理念,露天开采损伤传导途径和井工开采损伤传导模型、生态损伤定量分析方法和矿区生态修复决策方法,研发了露天矿节地减损开采、生态型地层重构、分布式水资源集−储−用、基于“生态修复窗口期”协同修复技术;研发了井工开采损伤传导控制、含水层生态功能恢复、装配式楔形地下水库坝体构筑、沉陷区分时分区生态修复技术。建成蒙东矿区生态保护型露天开采示范工程,宝日希勒露天矿示范区植被盖度由开发前30%提高到59%,胜利露天矿示范区植被盖度由开发前5%提高到39%;建成神东井工生态保护型煤炭开采示范工程,植被盖度由开发前不足10%提高到70%。研究成果为生态保护型煤炭开采提供了科技支撑,具有广泛的应用和推广价值。

关键词：露天开采井工开采生态保护减损开采生态修复绿色开采

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煤矿矿井水零排放处理除硬过程影响因素

洁净煤技术 2024年第S1期 598-604页

作者：李小端郭强唐佳伟刘兆峰蒋斌斌闫祖喻李井峰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神华新街能源有限责任公司

软化除硬过程是煤矿高矿化度矿井水零排放处理的重要环节，随着矿井水组成和矿化度的变化，传统双碱法除硬普遍存在投加药剂过量、除硬效果不佳等问题。为了揭示复杂成分体系下高矿化度矿井水的除硬影响机制，通过配制模拟水的方式探究... 详细信息

软化除硬过程是煤矿高矿化度矿井水零排放处理的重要环节，随着矿井水组成和矿化度的变化，传统双碱法除硬普遍存在投加药剂过量、除硬效果不佳等问题。为了揭示复杂成分体系下高矿化度矿井水的除硬影响机制，通过配制模拟水的方式探究原水及膜浓缩液化学法除硬在盐类型、矿化度、硬度等方面的影响；分别设计了SO4-Na和Cl-Na两种盐类型，1 000～60 000 mg/L共4水平的矿化度梯度，及500、1 000、2 000 mg/L共3水平钙硬（以碳酸钙计）梯度试验。结果表明，矿化度升高对硬度的去除有显著负影响，矿化度低于15 000 mg/L的低矿化度矿井水可参考双碱法的控制参数；SO4-Na型矿井水沉淀反应速率较Cl-Na型矿井水显著变缓，高矿化度SO4-Na型矿井水反应时间较传统双碱法需延长至10～20 min。而硬度升高对除硬有正向影响，高矿化度硫酸钠体系除外。探究了浓缩液体系阻垢剂影响下除硬的脱稳方法，结果表明Fe3+、碳酸钙、硫酸钙晶种诱导法可有效改进膜浓缩液除硬效果。本研究建立了零排放工艺中不同水质化学法除硬的影响因素和优化操作建议，为矿井水零排放提供理论与技术支撑。

关键词：矿井水浓缩液除硬影响因素阻垢剂

地下水水化学垂向分带特征及成因机制-以新街矿区为例

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煤炭科学技术 2024年第8期52卷 222-233页

作者：王旭东闫祖喻郭强张锁唐佳伟胡瑜恬刘小庆李井峰神华新街能源有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017200 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北京102211

矿井水作为煤矿矿区主要的潜在供水水源,具有较好的综合再利用潜力。然而,煤层顶板充水含水层与围岩发生的复杂多样的物理、化学反应共同影响煤矿矿井水水质。因此,确定不同充水含水层地下水水质状况及其成因机制,对矿井水的保护与综合... 详细信息

矿井水作为煤矿矿区主要的潜在供水水源,具有较好的综合再利用潜力。然而,煤层顶板充水含水层与围岩发生的复杂多样的物理、化学反应共同影响煤矿矿井水水质。因此,确定不同充水含水层地下水水质状况及其成因机制,对矿井水的保护与综合利用具有至关重要的意义。本研究基于新街矿区一井田的地下水样本和岩石矿物成分数据,采用多元统计分析与水文地球化学方法,并通过PHREEQC软件对水化学平衡进行模拟,深入探讨了不同含水层地下水的化学特征及其矿物溶解/沉淀的垂直分带规律,旨在揭示其成因机制。研究发现:①矿区地下水的化学特征呈现出明显的垂直异质性,其中志丹群以HCO_(3)-Na·Ca、HCO_(3)-Mg·Ca型为主,而安定组至延安组则主要为SO_(2)-4Cl·SO_(4)-Na、SO_(4)-Na型,TDS、Na^(+)、可能是主导水质垂向分异的关键驱动因子。②关键水质指SO_(4)^(2-)标,如TDS、Na+和的浓度与含水层深度(从志丹群至延安组)呈线性关系,通过离子比值分析发现K^(+)、Na^(+)主要源于硅酸盐矿物溶解,Ca^(2+)、Mg^(2+)浓度受到碳酸盐、硫酸盐以及硅酸盐矿物溶解作用的共同影响。③矿物饱和指数的深度变化表明,白云石、斜长石和岩盐等矿物在不同含水层中存在未饱和与过饱和状态的交替,志丹群和安定组的地下水中,许多矿物显示出进一步溶解的趋势;而在直罗组和延安组,多数矿物已达到过饱和状态。④水岩相互作用控制不同深度矿井水的水化学组成,最上层的志丹群水化学组分主要受钠长石、钾长石、方解石、绿泥石等矿物溶解作用的影响,深部含水层硅酸盐矿物、石膏、岩盐和黄铁矿的溶解反应更强,并伴随着阳离子交替吸附作用,形成了高矿化的Cl·SO_(4)-Na、SO_(4)-Na型水。本研究深入探讨了煤矿区不同含水层地下水化学的垂直分带特征及其矿物溶解机制,为矿井水资源的精准管理、水质调控和环境保护提供了坚实的科学基础,具有重要的理论指导价值和实践应用前景。

关键词：矿井水水化学特征垂向分带矿物饱和指数新街矿区

基于3D打印的粗糙结构面模型表征及渗流特性试验研究

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岩土力学 2024年第3期45卷 725-736页

作者：王培涛黄浩张博王路军杨毅北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 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北京102201 北京低碳清洁能源研究院北京100011 核工业北京地质研究院北京100029

基于Weierstrass-Mandelbrot(W-M)分形函数开展三维粗糙结构面表征,讨论了W-M典型几何参数对三维曲面形态影响,分析确定对应于典型Barton节理JRC轮廓线的二维与三维W-M几何参数。基于自主设计结构面渗流测试系统,结合3D打印开展不同分... 详细信息

基于Weierstrass-Mandelbrot(W-M)分形函数开展三维粗糙结构面表征,讨论了W-M典型几何参数对三维曲面形态影响,分析确定对应于典型Barton节理JRC轮廓线的二维与三维W-M几何参数。基于自主设计结构面渗流测试系统,结合3D打印开展不同分形参数和开度的裂隙渗流试验,试验结果表明:随着水力梯度和粗糙度的增加,流体的流动表现出明显的非线性,Forchheimer方程的系数A与B都随着裂隙粗糙度的增加而增大,随着裂隙开度的增加而减小;随着裂隙粗糙度的增加,临界雷诺系数Rec趋于减小,说明流体流动趋于非达西流动。光滑表面流体的流场流速比较均匀;粗糙裂隙表面流场更加复杂,整个粗糙面上存在多个高流速区域和低流速区域。研究成果可为裂隙渗流特性研究提供了可靠的分析方法和模型。

关键词：岩石裂隙渗流试验分形维数粗糙度 3D打印

布尔台煤矿采空区土地复垦对涌水量的影响及灌溉水回归系数研究

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中国煤炭 2024年第8期50卷 223-234页

作者：杨茂林吴宝杨汪定武国能神东煤炭集团有限责任公司陕西省榆林市719315 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市昌平区102209

矿山土地复垦是解决矿山生态环境问题的主要途径之一,土地复垦后大量灌溉水涌入采空区,增大的矿井涌水量影响矿井安全。为研究煤矿采空区上部土地复垦对矿井涌水量的影响,确定采空区灌溉水回归系数,协调矿区灌溉复垦与煤矿生产关系,采... 详细信息

矿山土地复垦是解决矿山生态环境问题的主要途径之一,土地复垦后大量灌溉水涌入采空区,增大的矿井涌水量影响矿井安全。为研究煤矿采空区上部土地复垦对矿井涌水量的影响,确定采空区灌溉水回归系数,协调矿区灌溉复垦与煤矿生产关系,采用室外试验、数值模拟的方法开展采空区灌溉水回归系数研究。研究结果表明,在多年平均气象条件下,研究区黄土和砂土地区灌溉水回归系数分别为30.30%和30.38%,灌溉水需要424 d到达采空区。灌溉水达到采空区所需时间受松散层厚度以及导水裂缝带发育高度的影响,所需时间与松散层的厚度呈正比,与导水裂缝带发育高度成反比。灌溉水入渗过程存在明显的滞后效应,即松散层越厚,滞后效应越明显、月灌溉水回归系数波动越小。

关键词：煤矿采空区土地复垦矿井涌水量灌溉水回归系数入渗过程

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

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

1986—2023年间神东矿区煤炭开采活动下植被覆盖遥感监测与时空变化分析

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自然资源遥感 2024年

作者：王义张艺藂程洋许联航郭俊廷王慧李军杜守航国能神东煤炭集团有限责任公司中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室

神东矿区是我国重要的煤炭生产区之一,在气候条件改善和大规模煤炭开采的共同影响下,矿区内植被受到煤炭开采负作用和气候改善及生态修复正作用两类影响。利用遥感手段开展矿区长时序植被覆盖定量监测与评价,对当地生态环境质量管理和... 详细信息

神东矿区是我国重要的煤炭生产区之一,在气候条件改善和大规模煤炭开采的共同影响下,矿区内植被受到煤炭开采负作用和气候改善及生态修复正作用两类影响。利用遥感手段开展矿区长时序植被覆盖定量监测与评价,对当地生态环境质量管理和生态保护具有十分重要的意义。本文基于Landsat卫星影像数据,从矿区植被年际变化、变化趋势、稳定性、未来变化等4个维度,对神东矿区1986—2023近40 a的NDVI进行长时序监测,并以煤炭大规模开采时间(2008年)为界,进行分段定量分析。结果表明:(1)近40 a来气候的改善促进了神东矿区的植被生长,煤炭大规模开采虽然对地表植被造成了一定程度的负影响,但更适宜的气候条件与矿区生态修复工作保障了植被覆盖继续向甚至速部分区域恢复率更高。(2)矿区植被在不同阶段内都以改善为主,植被改善区域的面积占比均超过80%。大规模的煤炭开采对地表植被造成的损毁程度有限,且这种损毁主要发生于露天矿区,井工矿区的植被修复工程能够有效保障区域内的植被生长环境。(3)矿区植被在不同阶段均较为稳定,在煤炭大规模开采阶段,波动较大的区域集中分布于露天矿区的采场及排土场内,井工矿区内除工矿建设用地外整体仍较为稳定。(4)从未来变化趋势角度来看,神东矿区维持现有状态的能力较脆弱。受大规模采矿活动影响,有3.92%的区域表现为持续退化,这些区域主要分布于露天矿采场区域,说明该区域亟需开展人工生态修复。本文研究成果为神东矿区生态质量环境监管提供了可靠的数据参考,有助于更科学和高地的建立生态环境综合防治体系。

关键词：神东矿区植被损毁及恢复长时序监测时空变化分析