基于遥感生态指数的矿井关闭前后生态环境时空变化规律研究

我国煤炭资源丰富,煤炭资源开采为地方社会经济发展发挥支撑作用的同时,也对矿区周围的生态环境带来重大影响。近年来,随着煤矿资源枯竭和国家去产能政策的出台,大量煤矿被关闭。现有研究多关注开采过程中生态环境的变化,较少涉及关闭矿井后生态环境变化规律的研究。为此,以徐州贾汪关闭矿区为例,选取2009—2021年的Landsat 5和8影像,采用遥感生态指数(Remote Sensing Ecological Index,RSEI)方法动态监测分析了该矿区关闭前后生态环境的时空演化规律。研究表明:矿井关闭后矿区整体的生态质量呈上升趋势,其中权台矿的RSEI值由2009年的0.432上升至2021年的0.568,旗山矿的RSEI值由0.490上升至0.546。贾汪矿区生态等级差和较差区域所占的比例在减少,由2009年的41.51%降为2021年的29.06%;生态等级良和优的区域所占比例在增加,由2009年的36.4%升为2021年的47.36%。另外,生态指数较低的区域不太稳定,重心迁移较明显,生态指数较高的区域相对来说较稳定且集中。将生态结果与高分辨率影像进行可视化对比,反映出利用30 m分辨率的Landsat遥感影像对贾汪矿区进行RSEI指数评价具有一定的可靠性。

关闭/废弃矿井抽水蓄能开发利用现状与进展

探索清洁能源发展的创新途径是实现我国“双碳”目标的重要推动力。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题,新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展,但生态保护与地形等因素制约了传统抽水蓄能电站发展。关闭/废弃矿井,由于具有丰富的地下空间及水资源,可创新性地开发抽水蓄能并延长矿区的经济寿命,降低对环境与经济的负面影响。为助力建立适合我国国情的废弃矿井抽水蓄能利用模式和管理体系,通过文献分析法综述了国内外废弃矿井抽水蓄能技术研究与应用进展。详细阐述了关闭/废弃矿井抽水蓄能技术原理、分类及其优缺点;总结了关闭/废弃矿井抽水蓄能电站利用模式,并在前人研究基础上对选址要素进行了修订;梳理了关闭/废弃矿井改建抽水蓄能电站的水-气两相流动特性、水泵水轮机工况特性、地下空间围岩稳定性及地下蓄水空间体积测算等的研究现状,明确了水泵-水轮机关键技术、地下空间稳定性控制关键技术等亟待解决的技术难题。此外,对关闭/废弃矿井抽水蓄能相关的生态与环境保护、市场需求与经济效益、政策与法规等研究成果进行了广泛的文献综述。发展关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能技术可为我国井下空间资源利用提供思路,为保障国家能源安全与经济社会高质量发展提供新途径。

关闭矿井采空区破碎岩体再断裂机制及空隙结构演化特性

受“双碳”政策影响,关闭矿井地热开采技术逐渐受到关注。关闭矿井采空区内储热流体提取效率与其渗流特性密切相关,而破碎岩体空隙结构是决定采空区渗流特性的关键因素。因此,需要研究地热开采复杂环境下储热空间破碎岩体空隙结构变形演化特性。笔者基于颗粒离散元数值方法,建立浸水及侧向约束压缩条件下不同级配的破碎岩体数值模型,分析破碎岩体变形行为及二次断裂演化特性,追踪颗粒从岩体骨架结构剥离及空隙内运移规律。得到如下结论:破碎岩体压实过程应力随应变增长可分为3个阶段:初始阶段(0<ε≤0.175),缓慢增长阶段(0.175<ε≤0.275)以及快速增长阶段(ε>0.275)。快速增长阶段应力-应变曲线出现明显波动,破碎岩体二次断裂及应力重分布现象在该阶段最明显。破碎岩体热储环境下空隙率的变化值与初始空隙率成正比,最大达到0.2。当破碎岩体内岩块粒径悬殊大时,接触键应变能最大,断裂能增长缓慢。岩块与颗粒密集区接触部分断裂分布多,与空隙接触部分断裂分布极少。颗粒未剥离岩块时,随岩块运动,整体运动路径复杂速度较小;颗粒剥离瞬间速度突然增大,与岩块碰撞导致速度改变。当颗粒速度减小到与周围岩块相近时,将造成空隙空间的堵塞。研究结果可为关闭矿井储热空间换热效率评估提供理论依据。

基于遥感影像数据的关闭矿井功能性分区规划

为探究关闭矿井功能性分区规划方法,以新谢矿区为研究对象,基于多期卫星遥感影像获取研究区土地利用现状,采取热点空间聚类方法及PLUS预测模型预测2025年研究区热点区域及土地利用空间分布。发现新谢矿区水体扩张变化显著,热点区域为水体类型,耕地为不变化区域,冷点区域以林地和草地类型零星斑块状分布。基于预测结果、土地利用现状调查结果与矿山地质环境问题分布特点,将新谢矿区划分为5个功能性分区大区,分别为Ⅰ区水体和林地功能提升区、Ⅱ区塌陷水域和农业用地功能提升区、Ⅲ区水体和耕地及湿地景观用地功能提升区、Ⅳ区水体和农业用地功能提升区、Ⅴ区水体和农业用地功能提升区;并针对各功能性分区提出治理提升方案和用地建议。

基于时序InSAR的关闭矿井地表残余沉降监测

矿井关闭后,由于受到岩体之间应力和地下水等诸多因素的影响,导致矿区地下岩层和土层的结构发生变化,从而在采空区的地表上造成了二次形态的改变。为探寻矿井关闭后地表形变的规律,采用SBAS-InSAR(Small Baselines Subset InSAR)技术,对影像数据处理后,得到了淮北市海孜矿区关闭矿井5.5 a的地表形变信息。通过影像结果分析,该矿区有2处较为明显的下沉区域,分别分布于矿区东部和西南部,最大下沉速率为25 mm/a,最大下沉量为124 mm,根据以往学者对关闭矿井地区残余下沉的研究,推测其下沉原因可能与煤层采深、地下水汇集破坏煤岩柱以及地表积水等因素有关,同时矿区中部区域发生明显抬升,多集中于祁集镇及周边范围,最大抬升速率为18 mm/a,最大抬升量为133 mm,推测抬升原因可能与地下水回升和建筑物的重力加载有关,推测地下水涌入居民区地下,造成裂隙岩体反弹,而建筑物重力加速了这一过程,则建筑物集中地区抬升越明显。矿区下沉区域约4 a后地表沉降趋于稳定,居民区地表经历先下沉后抬升逐渐趋于稳定。笔者从地表形变最显著区域选取特征点,结合煤层深度、地下水和建筑物重力等因素进行更加详细地分析,根据形变特征将地表形变随时间变化分为3个阶段:残余下沉阶段、相对稳定阶段和抬升阶段;再根据矿区内地表的年形变面积变化得出:监测时间内,矿区大体上抬升面积逐年增加,下沉面积的比重逐渐减小,从而推测矿区抬升区域已达到最大抬升量,但抬升范围将会进一步扩大。

关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能发展战略研究

在双碳战略目标牵引下,中国深化能源革命,目前已成为世界上最大的可再生能源发电国。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题,新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展,但在生态红线与地形等因素约束下,传统抽水蓄能电站选址难题亟须解决。同时,煤炭去产能过程中形成了大量的关闭/废弃矿井与资源枯竭型城市。本研究详细概述了中国抽水蓄能电站的发展现状,分析了关闭/废弃矿井与抽水蓄能结合后对水资源压力的缓解与温室气体减排等环境效益。基于关闭/废弃矿井抽水蓄能电站不同模式,对关闭/废弃矿井抽水蓄能应用潜力展开了分析,最后提出中国废弃矿井抽水蓄能发展战略,并展望了关闭/废弃矿井+储能的多元产业愿景。

关闭矿井次生沉陷监测、预测与稳定性评价研究进展和展望

近年来由于部分矿区煤炭资源枯竭和国家去产能政策的出台,大量矿井被关闭。矿井关闭后,采动破裂岩体在应力、地下水等多种因素的作用下发生风化劣化、强度降低,将改变废弃采空区内破裂岩体的应力和承载能力,导致地表发生二次形变或多次形变,这种由非直接采动引起的覆岩及地表沉陷,称为次生沉陷,将对地表工程建设和人民生命财产安全造成巨大的潜在威胁。在回顾关闭矿井发展历史的基础上,首先阐述了关闭矿井的地理分布,之后分别对关闭矿井次生沉陷监测、预测方法和煤柱稳定性评价方法等方面展开综述,最后对关闭矿井次生沉陷灾害研究存在的问题和研究热点进行了展望。研究结果表明:(1)目前我国关闭矿井数量众多,仅在2016—2020年间就退出5 243处,退出产能87 538万t。(2)常规的关闭矿井沉陷监测方法虽然精度高,但存在工作量大、费用高、难以获取面域信息等缺陷,而基于InSAR技术的地表沉陷监测不仅可以获取高精度、大范围当下时间序列形变信息,还可以对已发生形变进行溯源监测,基于时域反射计和微震监测仪的地下岩层移动变形监测可以实时、高密度获取岩层移动形变信息。(3)对于复杂地质采矿条件,数值模拟法预测的关闭矿井地表次生沉陷可靠性较高,但其建模过程复杂、参数选取困难;对于简单地质采矿条件,解析法求解精度和效率更高。(4)柱式开采煤柱应力与采空区尺寸有关,当采空区尺寸与采深比在3~4时,可用从属面积理论计算煤柱应力,否则需要考虑压力拱。剥离破坏模型考虑了矿柱尺寸随时间的变化,并且其在理论上解释了矿柱宽高比对矿柱长期稳定性的影响,同时矿柱剥离破坏模型能够较好地区分稳定和失稳煤柱。(5)关闭矿井次生沉陷灾害问题的研究仍面临沉陷规律及其机理、煤柱长期强度变化规律和煤岩体风化劣化机理不明确等关键科学问题。

基于SBAS-InSAR技术的关闭矿井地表多维形变时空监测与分析方法

矿井关闭后,煤岩体在应力、地下水等多种因素的作用下发生风化劣化、强度降低,将改变废弃采空区内破裂岩体的应力和承载能力,可能导致采空区地表发生二次形变或多次形变。为探明矿井关闭后的地表形变规律,以徐州东部矿区为例,基于SBAS-InSAR技术,提出了关闭矿井地表形变时空监测与分析方法。利用2015年7月6日—2021年11月19日的171景Sentinel-1A SAR数据,监测并分析了徐州东部矿区闭矿后6 a内的地表多维变形时空演化规律。研究表明:关闭矿区内地表最大沉降速率为-33 mm/a,累计最大沉降量为-219 mm;最大抬升速率为36mm/a,累计最大抬升量为233 mm。同时发现地表最大倾斜与曲率值分别达到3.6 mm/m和-0.19 mm/m^(2),已经超过了建筑物允许变形值,需要对其进行加固和保持持续监测;此外还发现权台矿地表以抬升为主,抬升面积6 a内增加了9.81 km^(2),旗山矿在闭矿后出现先下沉后抬升的过程,整体表现为抬升,面积由8.44 km^(2)上升至15.27 km^(2),其余4个矿区以沉降为主。

无人机遥感技术在关闭矿井地质普查中的应用

该文针对我国关闭矿井逐年增多的现状,以及矿山生态修复的迫切需要,以山西省关闭煤矿地质普查为例,介绍无人机遥感技术的实施方法,阐述遥感图像数据处理流程,分析不同地质灾害体的图像解译和验证方法。该方法精度高、速度快和成本低,建议在关闭矿井地质普查中进一步推广。

基于城市触媒的徐州市夏桥关闭矿井工业广场更新设计

关闭矿井工业广场作为矿业城市的重要组成部分,具有既丰富又独特的空间特征和煤矿文化。闭矿以后的工业广场也面临着空间更新和矿区文脉保护的矛盾。梳理城市触媒在城市更新中的应用原理,分析关闭矿井工业广场的物质性与非物质性触媒元素,并以江苏省徐州市贾汪区夏桥煤矿工业广场为例,结合矿区与场地发展的历史和现状,选取触媒元素塑造具有煤炭记忆的触媒空间,提出与徐州市贾汪区发展相适应的设计策略,以期为关闭矿井工业广场活力重生提供一些思路。

已关闭矿井老采空区稳定性评价方案研究

为分析某已关闭矿井的老采空区稳定性,通过对矿山采空区现状的详细调查,明确采空区状态特征,采用定性分析和数值模拟方法进行评价。研究结果表明:-250 m中段以上采空区形成已有20余年,覆岩厚大、完整性好、强度高且地表无开裂下沉,综合判断其处于稳定状态;-250 m以下中段采空区形成后,出现局部区域的应力集中,最大拉应力约1.5 MPa,未超过岩层的抗拉强度;最大竖直位移出现在顶板位置,整体位移变形较小,下沉和底鼓现象不明显;地表覆土后,采空区应力和位移几乎无变化,综合分析来看,井下老采空区可以保持稳定。研究成果可以为老采空区稳定性的分析提供技术路线。

国外关闭矿井煤层气资源量计算方法研究

关闭矿井中赋存丰富的煤层气资源,煤层气的开发利用不仅可以缓解能源短缺问题,而且能将瓦斯排放引起的环境和安全问题的影响降到最低。关闭矿井煤层气资源量的准确评估是高效开发煤层气资源的关键,但国内针对关闭矿井煤层气资源的开发利用研究处于起步阶段,为了经济、高效开采关闭矿井中的煤层气资源,我国需要学习国外已经形成的较为成熟的理论体系。本文从早期煤田地质及煤层气地质条件、煤层气资源开发的可能性和煤层气保存条件这三方面分析国外关闭矿井煤层气资源特征,介绍了国外两种关闭矿井煤层气资源量计算方法,阐述了上述两种资源量计算方法的优缺点。

关闭矿井次生沉陷研究现状及展望

我国关闭矿井数量多范围广,矿井关闭后,停止排水,地下水位上升,受地下水影响,覆岩及地表将再次沉陷,危及关闭矿井上方和周边建构筑物、交通电力通讯等基础设施安全及建设场地稳定性,研究关闭矿井覆岩与地表次生沉陷机理、规律、预测方法具有重要的理论和实用价值。在收集国内外相关文献基础上,结合徐州东西部矿区关闭矿井地面次生沉陷监测实践,系统回顾和分析了关闭矿井地面次生沉陷监测方法、形成机理、时空分布规律及预测方法研究现状和存在的问题。首先,对比研究了常规地面变形监测方法和航天航空测量方法的优缺点,重点总结了合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术应用于关闭矿井地表沉陷监测中的优势及存在的问题;其次,基于国内外大量实测资料,分析总结了关闭矿井覆岩及地表次生沉陷形成机理及时空演化规律,得到了覆岩及地表下沉的主要诱因为采动破裂岩体、覆岩结构及煤(岩)柱在地下水作用下的变形或失稳;覆岩与地表上升的主要诱因为:随着地下水位升高,作用在采动破裂岩体、第四系松散层内的孔隙压力增大,有效应力减小,使其产生弹性恢复变形,膨胀岩体遇水膨胀也可能导致覆岩及地表上升;关闭矿井次生沉陷在时间上可分为5个阶段:①初期稳定阶段;②下沉阶段;③中间稳定阶段;④上升阶段;⑤最终稳定阶段。并分析了不同开采方法、多煤层开采对关闭矿井地表沉陷时空分布规律的影响。在此基础上,基于采动破裂岩体本构关系,分下沉和上升2阶段,分别给出了长壁垮落法、充填开采和柱式开采地表沉陷预测模型。最后指出,关闭矿井覆岩及地表沉陷机理、规律是非常复杂的物理力学过程,涉及地质采矿环境、采动破裂岩体及覆岩结构、本构关系、变形特征、水岩耦合作用、地下水动力效应、膨胀岩体膨胀变形等复杂因素,因此,还需进一步深入研究。

我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考

当前我国煤炭产能中部分矿井已到达其生命周期或不符合安全生产的要求或开采成本高亏损严重,直接关闭或废弃此类矿井不仅造成资源的巨大浪费,还有可能诱发后续的安全、环境及社会等问题。我国关闭/废弃矿井剩余资源开发利用难度大,无法照搬国外利用模式,开展整体战略、基础理论和关键技术研究迫在眉睫。系统阐述了我国关闭/废弃矿井资源开发利用面临的5个科学问题:地下煤炭气化高效转化与开发利用耦合机制、基于安全智能精准控制的地下空间储物环境保障机理、基于多场耦合的矿井水及非常规能源智能精准开发模式、构建关闭/废弃矿井可再生能源开发与微电网输能模式、构建基于生态修复与环境支持的关闭/废弃矿井工业旅游开发模式。在能源生产与消费革命和推动煤炭供给侧改革的新时代背景下,开展我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究,具有重要的政治和经济战略内涵,对于提高关闭/废弃矿井资源开发利用效率意义重大。

基于模糊综合评判法的关闭矿井地下水水质分类

矿井在关闭以后,随着时间延续,地下水中的污染物会向远处和深处扩散。及时对关闭矿井地下水进行水质定量评价,并根据评价分级结果采取相应处理措施尤为重要。为了对龙永煤田关闭矿井地下水进行水质定量评价及分级,参照地下水5级水质分类标准,选取地下水总硬度值、溶解性总固体值、硫酸盐含量、氯离子含量等4个指标,利用模糊综合评判法,对龙永煤田15个关闭矿井的152组地下水水样逐一进行定量评价分类。结果显示,15个已关闭矿井地下水总体水质偏差,大多属于第Ⅳ级水、第Ⅴ级水,第四系孔隙水和童子岩组裂隙水基本不能作为饮用水源来使用。下部灰岩层水质相对较好,但不宜开采,应做好保护。研究结果为下一步矿山环境修复治理提供了参考。

关闭矿井对周边矿井的水害影响与防治对策

论述关闭矿井对周边矿井水害的影响,提出有效探查、提前预防加强管理等综合防治对策。

关闭/废弃矿井地下空间资源精准开发利用模式研究

随着煤炭绿色资源的不断开采,位于煤炭开发利用全周期末端的矿井关闭\废弃问题逐渐显现,随之而来的关闭/废弃矿井地下空间资源开发利用成为一个亟须解决的问题。在对我国废弃矿井现状统计分析的基础上,以能源开采造成的地下空间方位、形态差异化为依据,将关闭/废弃矿井地下空间资源分为采空区空间资源、巷道空间资源、硐室空间资源;探讨了空间资源作为能源存储场所的单一利用方式和多方向、多领域协同多元开发利用的关闭/废弃矿井地下空间资源利用方式;并由此提出了一种关闭/废弃矿井地下空间分类分级精准利用模式,构建调研分析、工程类比初判、模型构建详估和软件决策系统研发为主干流程的精准开发利用系统,通过精准利用模式与精准开发利用系统模型对单一和多元开发利用方式进一步分析,为关闭/废弃矿井空间资源开发利用的研究和实践提供参考。

我国关闭/废弃矿井资源综合利用形势分析与对策研究

长期的矿产资源开采形成了数量众多的关闭/废弃矿井(山),包括煤矿、金属和非金属矿等。矿井关闭废弃后仍赋存着方方面面的可利用资源,除了伴生的各种矿产资源外,还拥有巨大的地下空间资源(采空区和巷道),特别是部分井下仍然有多种废弃物(设备、材料等)和空间设施可再利用。通过总结一些关闭/废弃矿井资源综合利用状况,研究其功能定位和综合利用战略,并提出将关闭/废弃矿井资源综合开发利用与国家和区域经济、社会发展统筹部署的思考与建议。

关闭矿井地上/下资源定量评估与转型路径探讨

随着我国关闭矿井数量逐年增加,对关闭矿井资源进行高效准确评估,实现关闭矿井转型升级,对煤炭行业发展乃至社会稳定具有重要战略意义。以陕西朱家河中型矿井为例,分析了关闭矿井地上/下资源特征及类型,提出了采用现场实测、探地雷达以及低空数据估算关闭矿井地上/下资源方法。研究表明:朱家河矿井井筒、大巷、井底车场及硐室可利用空间约为1.18×10^(5) m^( 3),井下残留煤柱资源量达5600万t,工业广场办公区、生产区、生活区以及辅助生产区空间容积达8.3×10^(8) m^( 3);通过与现场实测结果对比分析,验证了探地雷达以及低空数据在关闭矿井空间资源评估方面应用的可行性;预估了2030年全国关闭矿井的空间容积。探讨了朱家河关闭矿井地上/下资源转型发展新路径,如构建井下储气站、井下水库和污水处理厂,开发矿区新农业,建立地下空间疗养院以及井下残留煤炭资源流态化开采等,形成的矿井转型发展技术体系可为关闭矿山资源评估及转型发展提供借鉴。