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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

采煤和岩溶水开采对晋祠泉出流影响的随机模型分析

以晋祠泉域为例,在泉域驱动因素的基础上,将泉域岩溶水系统概化为一个多输入-双输出的系统,输入项为当年及前7 a的降水、岩溶水开采量和采煤排水量;输出项为晋祠泉总排泄量,即出流量和侧排量。然后采用多元线性回归和BP神经网络2种随机模型,建立泉域各输出项与各输入项的关系,再假定无岩溶水开采和无采煤排水2种情景,在这2种情景下模拟泉域的排泄量,对比分析采煤和岩溶水开采对晋祠泉出流量的影响。研究结果表明:采用多元线性回归模型,在1956—1994年多年平均条件下,岩溶水开采后晋祠泉排泄量减少0.42 m^3/s,采煤排水后出流量减少0.23 m^3/s,人类开采使总排泄量减少0.65 m^3/s;采用BP神经网络模型,1956—1994年多年平均条件下,岩溶水开采后泉域排泄量减少0.30 m^3/s,采煤排水后出流量减少0.27 m^3/s,人类开采使总排泄量减少0.65m^3/s。20世纪80年代后采煤活动加剧,2种随机模型均反映出采煤排水对泉域有严重的影响。

大采高工作面顶水开采技术

针对第四系松散含水层下5.5 m大采高工作面顶水开采过程中水害防治问题,分析表明顶板砂岩水是工作面的主要充水水源,计算出导水裂隙带发育高度最大为56.9 m,防砂煤岩柱高度为42.36 m,防水煤岩柱高度为67.9 m;提出了煤水分运和分区域限高顶水开采技术以及"探放水+局部封堵+分段排水"顶板防治水技术,保证了工作面安全生产。该研究成果可为大采高工作面顶水开采提供借鉴。

大涌水工作面顶水开采的实践

介绍了7107工作面的充水水源、导水通道。张双楼煤矿对该面顶水开采期间的矿压显现和涌水量进行了动态监测,分析了工作面矿压显现与涌水量变化的相关性,并据此提前发出涌水预报,有力地指导了现场安全生产。

大倾角工作面顶水开采技术与实践

分析了张双楼煤矿7107工作面顶水开采的涌水特征,介绍了开采时期的顶板管理及水害治理。

顶水开采技术在赵坡煤矿的实践与应用

通过系统整理和综合分析赵坡煤矿164采区及其上方124采区地质、水文地质资料, 对164采区16煤、17煤层联合开采的安全性进行了综合评价, 为164采区16煤、17煤层的联合开采提供了科学依据, 确保了矿井安全生产。

顶水开采矿压显现与顶板管理技术

通过对现场观测,分析了张双楼矿7111工作面淋水前后的矿压显现规律,顶水开采综采工作面支架阻力变化与淋水前后的对比,及时采取顶板支护措施,保证了工作面的顺利回采。

孤岛采煤面带底板高压水开采技术

结合永煤集团车集煤矿生产实际,介绍了孤岛回采面带底板高压水开采的方法,从技术与现场管理的角度进行了总结,为孤岛回采面的安全生产提供了经验。

7煤顶水开采对惯性思维的冲击与思索

通过对张双楼煤矿7煤顶水开采的深层次思考,总结了井下水文地质规律,用于指导实践,从而把握关键、有效控制水害事故发生,把事故发生降低到最低限度。

顶水开采矿压显现与顶板管理技术

分析了张双楼矿7111工作面掉水前后矿压显现规律,通过顶水开采综采工作面支架阻力变化与掉水前后的对比,及时采取顶板支护措施,保证工作面的顺利回采。