大水矿山开采水环境系统失效致灾机理

基于大水矿山开采水环境由人工排水系统及天然的地下水系统共同构成,通过系统分析方法,构建大水矿山排水-地下水开采水环境系统。在此基础上,进行大水矿山开采水环境系统失效致灾机理研究,建立大水矿山排水-地下水开采环境系统随机模型及系统失效致灾判据。将所建立的模型及判据应用于凡口铅锌矿大水地下开采矿山。研究结果表明:在一定时域范围内,模型可有效识别系统的灾害状态;系统失效致灾是系统输入流量大于输出流量,系统水位离散程度随时间不断增大,以及系统自身结构承受安全水位的能力过低共同作用的结果,从影响程度来讲,系统流量差的变化对灾害影响最大,其次为安全水位,最后为系统的随机作用;所建立的系统模型及系统失效致灾判据具有实用性和有效性,研究成果可为大水矿山开采水害防治提供有效的技术支持。

油田开采水中铁的去除及其对浊度的影响

研究了加氢氧化钠去除油田开采水中铁和出水含铁质量浓度对浊度的影响。铁的测定使用邻二氮菲吸收光谱法,浊度采用便携式浊度仪测定。实验结果表明,进水pH对去除铁、降低浊度、处理装置防腐有重要影响。当pH小于7时,除铁效果不理想而且不能抑制处理装置的腐蚀,铁的去除率为负数。pH在8.3左右较佳,此时能达到除铁和抑制装置腐蚀的双重目的,出水总铁含量和浊度可以满足SY/T 5329-94碎屑岩油藏注水水质推荐指标中A1类标准的要求,出水放置2.5 h浊度几乎保持不变。而在pH值为6.6和7.3下由于氢氧化亚铁被氧化使水呈黄色而导致放置水样浊度缓慢上升。理论分析表明混凝剂能促进氢氧化亚铁的沉降,铁的去除机制主要是沉降、过滤拦截、吸附;在低pH值时,由于电化学腐蚀使得处理装置向水体中释放铁,导致出水铁浓度高于进水,在高pH值时,由于保护膜形成和阴极反应受到抑制而阻断了电化学腐蚀。

断层活化机制及断层承压开采水防治危险性预测和评价

针对山西潞安余吾矿井田文王山断层地质特点,通过对该断层探测结果及含、导水性分析,给出了该断层活化和伴生裂隙(小断层)扩展机制,有效地对该断层承压开采水防治危险性预测和评价,提出的断层开采水防治危险性预测和评价方法对国内外煤矿的断层开采有重要的指导意义。

断层伴生裂隙近距离开采水害防治技术和评价

分析了断层伴生裂隙产生的机理和特征,计算了余吾矿区断层伴生裂隙带高度,给出了近距离开采承压水防治方法,提出的近距离开采水防治危险性预测和评价方法对断层近距离煤层开采具有重要的指导意义。

煤矿防治水开采技术工程实践研究

以一煤矿为例介绍一种煤矿防治水开采技术方案。该方案主要包括3个部分,分别为:矿井水害防治措施、含水层工作面排水优化及含水层工作面采掘技术方案。通过该技术方案的应用,可有效控制煤矿涌水量,为煤矿作业创造安全的环境,具有一定应用价值。

鄂尔多斯盆地侏罗系煤田保水开采技术与应用

煤炭是我国能源安全的压舱石,在保障煤炭资源开发安全的前提下,最大程度地实现对水资源的保护,是黄河流域煤炭工业高质量发展面临的重大科学难题。以鄂尔多斯盆地侏罗系煤田为背景,对不同水文地质和采矿条件下覆岩结构类型、导水裂缝带发育规律、地表裂缝分布特征、采动隔水层稳定性以及疏控水方案等方面进行了系统研究。针对厚基岩浅层地下水保护,监测分析了导水裂缝带与地表裂缝发育特征及其连通性,研究了保证隔水层稳定性的保水开采技术;针对浅埋薄基岩厚土层条件下的地表水体保护,探讨了黏土隔水层对导水裂缝带的抑制作用和采动影响下的阻水特性,研究了基于采动黏土阻水效应的保水开采技术;针对深部多重高压含水层,提出了"先疏后采与边采边疏相结合"的疏控水技术,实现了安全开采前提下的最大程度的对水资源的保护。

新疆准东地区场地尺度二氧化碳地质封存联合深部咸水开采潜力评估

二氧化碳地质封存联合深部咸水开采技术(CO_(2)-EWR)被认为是有效的碳减排途径之一。在新疆准东地区率先开展CO_(2)-EWR技术,可在实现CO_(2)减排的同时获得咸水,在一定程度上缓解当地的水资源短缺问题,取得环境经济双重效益。以往研究大多以概化模型为主,缺乏工程实践依托,根据准噶尔盆地东部CO_(2)源汇匹配适宜性评价结果,基于我国首个CO_(2)-EWR野外先导性工程试验场地资料,构建拟选CO_(2)-EWR场地西山窑组三维(3D)非均质模型开展了场地尺度CO_(2)-EWR技术潜力研究。研究表明,拟选场地CO_(2)理论封存量为1.72×10^(6)(P50)t,动态封存量为2.14×10^(6) t。采用CO_(2)-EWR技术可实现CO_(2)动态封存量11.18×10^(6) t,较单独CO_(2)地质封存提升5.22倍,同时可增采咸水资源10.17×10^(6) t,CO_(2)采水比率为1∶0.91。同时,该技术可有效缓解因CO_(2)大量注入引起的储层压力累积,提高CO_(2)封存效率,增加咸水开采潜力。本研究可为新疆准东地区实施规模化CO_(2)地质封存联合深部咸水开采工程提供理论依据和技术支撑。

油藏水驱开采时移地震监测岩石物理基础测量

岩石物理测量是油藏水驱开采时移地震监测的基础.在实验室对来自胜利油田的5块岩石样品模拟储层条件进行了水驱和气驱动态岩石物理弹性测量,重点分析了流体替换、温度、孔隙压力对岩石纵、横波速度的影响.实验表明,在水驱情形下,由于流体替换和温度、孔隙压力变化所引起的岩石纵横波速度的变化均很小,实施时移地震监测具有较大的风险性.相比之下,气驱可能引起较为明显的纵波速度变化,有利于时移地震监测的实施.进一步完善实验方法、丰富实验内容、是今后时移地震岩石物理实验研究的主要任务.

中国煤化工行业开展CO2强化深部咸水开采技术的潜力评价

中国是煤转化的技术引领者,已建、拟建和审批了大量煤转化企业;随之带来了严峻的CO2排放和水资源缺乏的问题。CO2强化深部咸水开采(CO2-EWR)技术是大规模CO2减排和水资源开采的方法,特别适合缺水区域的煤化工行业。煤化工企业工艺排放的高浓度CO2结合CO2-EWR技术可以较低成本实现CO2减排,并部分解决工业缺水的问题。研究首先建立了行业尺度的包括源汇匹配、技术经济评价、CO2排放量评估和封存场地适宜性评价等方法的全流程碳捕集、利用和封存技术经济评估方法(ITEAM-CCUS),然后采用该方法对2018年的煤化工企业排放的高浓度CO2开展全流程CO2-EWR项目的源汇匹配、成本范围及减排潜力进行评价并得到:大部分的源汇组合分布在中国西北、华北及北部等干旱地区;基于煤化工厂2018年的实际产量和100%总产能计算,高浓度CO2年排放量分别是190 Mt和1726 Mt;当全流程CO2-EWR项目的平准化成本低于200元/t CO2时,累计CO2减排量分别为160 Mt/a与1569 Mt/a,地下水产量分别为241 Mt/a与2353 Mt/a。研究结果表明煤化工CO2-EWR技术是中国煤化工行业低碳可持续发展的关键技术,也为中国部署大规模CCUS提供了低成本机会。

鄂尔多斯盆地煤-水协调开采下矿区水资源异位回灌-存储技术思路

鄂尔多斯盆地侏罗系煤层开采过程中矿井涌水量不断增大,为缓解矿井水深度处理成本持续增加、矿井水难以较大规模处理等问题,立足于煤-水协调开采、保水采煤等科学理念,提出在研究区内开展矿井水深井回灌试验性研究。阐述了鄂尔多斯盆地煤层开采与水资源保护间的矛盾问题,包括矿井水害防治、区域水资源保持、矿区生态环境保护3者间的关系;结合对研究区38座煤矿矿井水水质特征的调研统计,阐明了煤-水协调开采下的矿井水处理的瓶颈问题。结果表明:研究区矿井水常规离子超标占比68.4%,铁、锰超标占比20%,且高盐高氟,导致矿井水处理无法同时满足较低成本、大规模的需求。提出了煤矿区“三减一治”的水资源异位回灌保水技术思路,包括充水含水层水资源异位回灌、采空水异位回灌、露天矿坑水异位回灌及含特殊组分矿井水异位回灌,并对其试验性研究的可行性进行了定性比较。然后,结合鄂尔多斯盆地某矿超深回灌存储的工程案例,总结得出了超深存储相关的理论与技术框架、技术内容、技术难点,建成了研究区高矿化度矿井水超深回灌-存储的示范工程。基于对全国87座煤矿TDS和133座煤矿pH的统计分析,提出将弱酸弱碱(44%)、高矿化度矿井水(69%)进行超深回灌存储,以减少对地下水资源的消耗、浪费及对煤矿区水生态环境的影响,同时降低矿井水治理成本,指出矿井水深井回灌在华北区甚至全国煤矿区具有较高的推广应用价值。

浅埋薄煤层超高水充填开采地表移动规律

为了研究浅埋薄煤层超高水充填采空区后地表移动规律,根据某矿具体地质条件,采用FLAC3D数值模拟软件,建立了浅埋薄煤层超高水充填开采数值模型。在影响地表沉陷的诸多因素中,模拟主要给出了充填体强度一定,充填率不同时的地表下沉等值线图及下沉最大值,回归分析得出了相应函数关系式并分析出其原因。研究表明:在充分采动或超充分采动条件下,地表下沉最大值w随超高水充填率k的增大呈线性关系减小,表达式为w=-0.839 6 k+0.837 8。

榆神矿区浅埋煤层减水开采中预疏放标准确定方法

榆神矿区地处干旱半干旱地区,生态环境十分脆弱。疏放水是榆神矿区顶板水害防治的主要手段,但过度疏放不仅增加矿井排水负担,而且不利于保护浅层地下水资源。因此,在确保防治水安全的前提下,计算预疏放残余水头、确定预疏放阶段和回采阶段第四系松散含水层漏失量,从而实现总漏失量最小是煤炭减水开采中的重点研究问题之一。以榆神矿区锦界煤矿为例,在分析井田含、隔水层赋存特征的基础上,建立了煤层开采的2种充水模式,并对顶板含水层进行了富水性分区;以矿井涌水量实测数据为基础,分析了涌水量变化规律及其构成比例;采用Drain边界刻画多工作面连续回采内边界,建立了锦界煤矿采掘扰动条件下地下水流数值模型,研究了两种充水模式下预疏放残余水头在不同工况下的第四系松散含水层总漏失量变化规律,确定了工作面预疏放结束标准。结果表明:锦界煤矿煤层顶板为典型的沙(层)-土(层)-基(岩)型结构,主要充水水源为风化基岩水,主要充水模式为土层未缺失风化基岩充水型及土层缺失风化基岩和松散层混合充水型。采用GIS多元信息融合技术划分的井田富水性分区结果显示,相对强富水区位于井田二盘区局部地段、三盘区和四盘区大部分地段,与现场实际基本一致。矿井疏放水量与工作面回采残余涌水量曲线变化趋势基本一致,各占矿井涌水量的50%左右。通过数值模型计算得出两种充水模式下工作面预疏放结束标准为将充水含水层疏放至煤层底板以上15~20 m,保留一定的残余水头可进行回采,无需继续疏放。此时,第四系松散含水层水资源总漏失量最小,可起到减水采煤的作用。研究成果为榆神矿区浅埋煤层提供了“减水开采”的新思路。

五沟煤矿含水层下薄基岩浅部煤层控水开采技术与应用

研究了厚松散层底部含水层的分级细化标准、径流、补给、排泄条件及水稳定性、薄基岩风化软弱岩层的岩石属性、工程变异特征和薄基岩浅部煤层开采覆岩破坏移动演化规律与关键调控技术,揭示了薄基岩浅部煤层开采覆岩破坏移动的新特点与控水开采机理;首次系统地提出了采用采动裂隙疏放煤系砂岩裂隙水、风化裂隙水和底含水;煤水分流的设计新理念;加大开采高度,护-让结合的软弱顶板调控新技术;物探精细化探测,地质弱面预先加固的防治突水溃砂控水开采关键技术和安全防范措施,实现了安全开采,回收原设计防水煤柱128.9万吨,延长了矿井服务年限。

大水量顶水开采期间的涌水特征及矿压规律

分析了张双楼煤矿7107工作面顶板突水的直接和间接水源,其直接水源为7煤顶板砂岩水和分界砂岩水,间接水源为第四系底砾层水。通过对现场涌水量和矿压实测资料的研究,揭示了顶水开采期间的涌水规律和矿压显现特征,指出了工作面涌水与矿压显现具有明显的关联性。

巨厚砂岩含水层下厚煤层综放减水开采技术

彬长矿区是典型的综放高强度开采矿区,矿井生产长期面临顶板巨厚洛河组砂岩涌水影响与威胁,减水(减少涌水量)开采是矿区实现可持续发展的重大课题之一。基于巨厚砂岩含水层水文地质条件的精细探查,总结了巨厚含水层具备垂向非均质的总体特征,指出了该特征是彬长矿区减水开采的水文地质基础。根据区域覆岩导水裂隙带发育高度探查成果的分析,总结了矿区综放覆岩破坏总体规律。通过对矿区含水层厚度、富水性及覆岩厚度等涌水量主控因素的分析,建立了矿区受顶板水影响指数P评价模型,将顶板含水层对开采影响划分为弱影响、中等影响、强影响等3个等级,并给出了影响分区划分指标表;首次提出含水层"楔入比"的概念,并分析了其基本原理及适用条件,并针对不同影响程度分区的开采水文地质条件,建立了采高控制型、限高-限宽型、隔离-注浆型等3种减水模式。矿区典型矿井开展了综放减水开采的工程实践,实现了弱影响区采后含水层水位恢复,中等影响区采后涌水量小幅增长(基本控制在100 m^3/h以内),强影响区注浆隔离减水的绿色开采目标,取得了较好的应用效果。

亭南煤矿洛河砂砾岩含水体下合理开采厚度的研究

亭南煤矿首采的101工作面刚刚推进120m,采空区内就出现了煤层上覆洛河砂砾岩含水层水涌入现象,给工作面正常开采带来了困难。通过对出水原因、采区地质和水文地质、覆岩岩性和结构的分析,以及综放开采覆岩破坏导水裂缝带高度预计,最终确定了洛河砂砾岩含水体下合理的开采厚度。

彬长矿区特厚煤层顶水安全开采技术研究

为了预防彬长矿区特厚煤层顶水开采时"冒落带与裂缝带"导通洛河组含水层而发生水害事故,在对该矿区内的矿井裂高采高比研究的基础上,利用"三下"采煤规程和相关综放开采导水裂缝带高度公式分别计算预计了该矿区最大导水裂缝带高度,研究确定了该矿区煤层可采厚度和所适宜的预采顶分层综放或一次采全高综放2种开采工艺,结果表明:若采用预采顶分层综放开采工艺实现顶水安全开采,保证底分层开采厚度不超过7.5 m,顶分层采高应不超过3.5 m。若采用一次采全厚综放工艺时,可据区域主采煤层至洛河组的距离开采时依裂高采高比不大于20来确定合理的采高,严格控制采高,采取间隔放煤方法,严防过度放煤,同时生产中要加强顶板管理,加强矿压监测分析,保证工作面安全顶水开采。

西部矿区煤水协调开采物理与情景模拟实验研究

针对西部煤炭主产区矿井水保护利用技术难题,以煤水协调开采为基本原则,自主设计了包含实验材料配制系统、模型框架加载系统、水压控制系统、柔性隔离层注浆控制系统、数据采集系统等5部分组成的煤水协调开采物理模拟实验平台;研制出由骨架结构物和胶结物组成的相似材料,其中骨架结构物用于调控相似材料弹性模量,胶结物用于调控相似材料整体强度,经检验,所研制材料的力学和渗流特性均满足相似模拟实验的基本要求;以西部宁东煤田麦垛山煤矿2号煤首采区为研究对象,开展了煤水协调共采物理相似模拟实验研究,工作面回采3~5个周期来压步距后,通过对隔水层进行注浆改造或压裂处理,分析煤水协调开采过程中导水裂隙带高度演化特征、7个测点水流变化情况以及顶板破断特征,研究表明:隔离层压裂改造位置应位于超前基岩顶板扰动范围之外,隔离层注浆改造应在岩层充分压实后(3~5个周期来压后)进行,采用压裂和注浆封堵相结合的工艺手段,隔离了“地下水”向下渗流通道,可以实现地下水原位保护。模拟研究了4种工况条件下人工隔水层的保水作用,首先对2号煤首采区上覆含(隔)水层系统进行数值概化,建立研究区地下水系统数值模型;然后利用矿区水文监测孔的水位数据对模型参数进行校核,获得最终含水层参数、模拟期水均衡项以及流场信息;最后结合区内用水情况、地下水开采现状,设置2号煤实际开采条件下工作面布置与回采方案,利用参数校核后的模型对研究区地下水水位和流场进行情景模拟分析,结果表明:人工隔离层建造位置越靠下,隔水效果越显著。

基于控水开采的塔然高勒煤矿首采工作面优化研究

鄂尔多斯盆地油、气、煤、铀等能源资源富集,叠置资源开发的矛盾逐渐显现,其中煤炭开采导致区域地下水位下降,可能影响地浸采铀的水文地质条件。以鄂尔多斯塔然高勒煤矿为例,通过分析井田内341个钻孔的煤层顶板岩性组合特征并进行井下放水试验,结果表明,煤炭常规开采对地下水的影响范围大于4.5km,最大降深224.33m,对周边铀矿开采条件影响较大。根据矿井开采条件具体分析了综采长壁全部垮落法、充填开采、房柱式开采和条带开采等4种采煤方法,认为综采长壁全部垮落法在技术和经济上较可行。综合考虑覆岩破坏发育高度、隔水层厚度、含水层富水性及岩性结构、煤矿建设和生产需求等因素,优选出首采工作面位置和煤炭控水开采参数。基于该模型,模拟计算导水裂隙带局部波及含水层时涌水量为229m3/h,地下水三维非稳定流数值计算显示20年后地下水位最大降深45.86m,大幅降低煤炭开采对区域地下水的影响。