能源“金三角”煤炭现代开采水资源及地表生态保护技术

晋陕蒙宁甘地区是我国的能源"金三角"。该地区煤炭储量和产量均占我国的三分之二左右,已成为我国煤炭开发的主战场,但该地区水资源仅占全国的3.9%。针对该地区煤炭现代开采与水资源短缺和生态脆弱的矛盾,以神东矿区现代煤炭开采为工程依托,创新研究方法,揭示了该地区现代开采水资源的运移规律和地表生态"自修复"规律,首次开发了煤矿分布式地下水库技术和应用"自修复"规律的地表生态主动性减损及修复技术,建立了示范工程,为煤炭开采水资源和地表生态保护探索了一条新的技术途径。

神东矿区现代煤炭开采技术下地表生态自修复研究

通过采用地表移动测量、植物测量、生物测量等方法,对西部煤炭富集区的神东矿区现代煤炭开采(超大工作面)不同扰动程度下地表变形和裂缝、地形、地表水、地表植被的持续动态监测研究,揭示了地表动态裂缝宽度自修复周期以及裂缝周边土壤水分恢复周期等规律。研究表明,超大工作面显著增加了开采造成的地表稳定下沉区的面积和范围,显著提高了地表生态自修复能力。植被自修复能力依次为:草本>灌木>乔木,草本基本恢复到开采前状态,为解决矿区环境改善、水资源供需矛盾以及区域经济可持续发展等提供依据。

煤矿地下水库理论框架和技术体系

针对我国西部(晋陕蒙宁甘)地区富煤缺水,且蒸发量是降雨量的6倍左右的条件,以及西部煤炭规模化开采产生的裂隙场,破坏了原有的地下水系统,产生大量矿井水,为保障煤矿安全,解决将大量矿井水外排地表蒸发损失的问题,提出了"导储用"为核心的煤矿地下水库地下水保护利用理念,研究开发了涵盖煤矿地下水库设计、建设和运行的技术体系,包括水源预测、水库选址、库容设计、坝体构建、安全运行和水质保障等六大关键技术,并在神东矿区成功建设了示范工程,累计建成32座煤矿地下水库,为矿区提供了95%以上用水,且实现了长期低成本安全稳定运行。工程实践表明,煤矿地下水库是充分利用地下自然空间和自然力储存和净化矿井水的安全、低成本、规模化的储水技术,为西部地区煤炭开采地下水资源保护利用提供了有效技术支撑。

风积沙区不同沙基比对覆岩移动和破坏的影响

分析了补连塔煤矿12407工作面煤层赋存特征,利用FLAC3D软件建立了不同沙基比的三维地质模型,对开采引起的煤层覆岩移动和破坏进行了数值模拟;分析了现代煤炭开采过程中煤层覆岩的位移和应力分布规律,讨论了不同沙基比对覆岩移动和破坏的影响,可以预测采空区上覆岩层的损伤程度,并提前采取措施,可防止工作面溃沙、透水和保护地表植被。

开采不同覆岩结构煤层的数值模拟

利用FLAC3D数值模拟软件,以补连塔煤矿近水平煤层为背景,对不同结构介质条件下的现代煤炭开采分别进行数值试验。结果表明:在同样强度的开采下,坚硬覆岩具有较强的抗扰动能力,工作面安全开采及地表受到的影响相对较小,而软弱覆岩抗扰动能力较弱,工作面溃沙、透水事故较容易发生,工作面安全开采及地表受到的影响相对较大;并且坚硬岩层离工作面较近时,覆岩受开采扰动影响较大。

补连塔矿区不同采高对覆岩移动和破坏的影响

通过利用FLAC3D数值模拟软件,以补连塔煤矿近水平煤层为背景,对补连塔矿区主要影响覆岩移动和破坏的不同采高进行研究,并分别建立了不同采高和地表移动、覆岩破坏、拉伸区的量化关系,可以预测大采高对采空区上覆岩层的损伤程度,并提前采取措施,可防止工作面溃沙、透水和保护地表植被。