黄河流域煤炭开发区地下水污染成因分析及防治建议

[研究目的]黄河流域内由于煤炭资源开发导致地下水污染严重,从整体角度对流域内重点煤炭开发区地下水进行归纳总结,为其可持续健康发展和地下水资源改善提供防治建议。[研究方法]从黄河流域战略地位出发,对地下水污染成因和污染模式进行归纳总结。采用改进后的综合水质指数法对流域内九大煤炭基地的地下水进行水质评价。选用主成分分析法赋权指标,并引入改进的内梅罗污染指数法,按照WPI分级法进行评价。[研究结果]通过对黄河流域各重点断面水质评价,得到目前流域内煤炭基地水质结果中Ⅲ、Ⅳ类占比较多,水质较差。分析成因当前流域内存在高矿化度矿井水、酸性矿井水和含特殊组分矿井水污染,同时阐述污染地下水形成的浅层和深层两种污染模式。[结论]对3种矿井水采用相应防治方法,并提出膏体充填技术和微生物修复技术2种防治技术建议,通过应用实际矿山为例,印证污染防治技术能够改善由煤炭开采引发的流域内地下水污染严重的问题,以期研究结果能够对成功推动中国绿色矿山的快速发展具有参考意义。

采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制

随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征,系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。研究结果表明:①随着工作面不断推进,底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通,形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径,并随着冲蚀时间增加,最终发展成为数条优势导水通道,造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。②随着渗流时间增加,断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定3个阶段,冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。③在研究矿区地质条件下,为预防发生断层突水,可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法,超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前,若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。

基于组合赋权三维云评估技术的深部煤矿顶板事故风险分析

为了更好地对深部煤矿顶板事故展开风险评价,提出了组合赋权三维云评估技术。基于事故统计及事故致因理论,对深部煤矿顶板事故风险指标体系展开研究,采用博弈论对改进层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)和熵权法进行博弈分析,以实现风险指标的组合赋权,通过构建三维云模型,对深部煤矿顶板事故危险性进行可视化分析。结果表明:包括行为、技术、设备、环境、管理5大风险因素在内的一级指标并其下20个二级风险指标是深部煤矿顶板事故风险评价指标体系的主体内容,且以环境风险权重最大;由三维云评估技术分析可知,平煤九矿的顶板事故风险级别为Ⅲ级,即修复后可接受,与该矿生产实际情况相符。组合赋权三维云评估技术的提出有助于完善深部煤矿顶板事故风险评价方法,可应用于工程实践。

新近系含水层下厚煤层综放安全绿色开采及水资源清洁利用

煤炭开采在支撑国民经济和社会高质量发展的同时,也对矿区安全、生态环境造成严重影响。为加快推进绿色矿山建设进程,基于安全绿色开采与可持续发展理念,对新近系含水层下采煤的安全性进行了区域划分,提出了将顶板水转化为矿井水的井上、井下联合贯通疏放水及利用技术,解决了松散含水层水害威胁问题,实现了安全高效开采。分析了综放开采地表响应特征,阐明了地表动态演化规律,得到了地表动态移动变形参数;通过对沉陷区破坏程度进行区域划分,以工程复垦与生态复垦相结合的原则,对开采沉陷区实施了土地复垦措施;结合水资源与清洁能源综合利用理念,以全寿命周期理论为基础,建立了矿井供热方式的全寿命周期成本模型,分析研究了合理的矿井热源供应方式。结果表明:疏干排水解放了5.99 Mt的水体下压煤资源,且为覆岩含水层水资源的清洁利用提供了丰富的矿井水余热资源,以不同供热方式的全寿命周期成本进行分析,确定了余热利用是矿井热源供应的最佳方式,具有运行成本少、高效节能、绿色环保等特点,实现了清洁能源的高效利用;同时,以地表移动变形角量参数指导沉陷区土地复垦不仅提高了土地生产力,而且有效改善了矿区生态环境,加快了绿色矿山建设进程。

深部采空区煤自燃早期预测预报方法研究

目的煤矿深部开采中出现的“三高一扰动”特点,导致深部采空区煤自燃危险区域出现判定困难和煤自燃早期预测预报理论依据不足等问题。方法在分析深部高应力条件下,煤氧化气体衍生规律的基础上,计算不同轴向应力下煤体的格雷哈姆系数和链烷比,结果结果表明:不同承压状态下,煤样氧化自燃过程中CO,CO_(2)气体的生成量随温度升高而增加;相同温度条件下,随着轴向应力增加,CO和CO_(2)气体的生成量先增加后减小。相同温度条件下,随着轴向应力增大,格雷哈姆系数先增大后减小,R1在9 MPa时达到极大值,R2在6 MPa时达到极大值,R3在9 MPa时达到极大值;相同轴向应力条件下,随着煤样室内温度升高,格雷哈姆系数基本呈线性变化。相同温度条件下,随着轴向应力增加,煤样的链烷比逐渐增大;不同承压状态下链烷比随着温度升高而升高。结论研究结果可为深部煤自燃早期预测预报提供理论依据。

深部开采高温热液侵蚀煤自燃特性

深部开采过程中,矿井水温度显著高于浅部煤层,高温热液侵蚀作用影响着煤体物化特征,进而对其自然发火特性产生影响。为研究深部开采热液侵蚀作用下的煤自然发火特性及其影响机制,通过低场核磁共振、分子动力学模拟、力学测试及C600微量热实验,分析了热液侵蚀作用对煤体孔隙度、孔径分布、力学强度、氧化热特征参数的影响规律,并结合相关性分析,定量描述了各个参数间的相关度。研究结果表明:热液侵蚀煤体受热应力和溶胀作用的双重影响,内部孔隙结构发生显著变化,热液温度与煤体总孔隙度之间存在显著正相关关系,相关系数为0.97;随着热液温度的升高,煤体总孔隙度由0.24%增长至1.35%,微孔占比由69%以上降至60%以下,中孔、大孔占比增大;煤体孔隙大小显著影响着氧气的扩散系数,随着煤体孔隙宽度的线性增加,氧气扩散系数呈指数增加;受高温热液侵蚀作用影响,煤体孔隙发育以及部分有机质的溶解显著降低了煤体的力学强度,从原煤到80℃热液侵蚀煤体,其抗压强度均值由23 MPa降低至11.6 MPa,降低了50%;相较于原煤,热液侵蚀煤体的放热强度更高,放热量更大,TH40、TH50、TH60、TH70、TH80放热量分别增加了12.61%、16.63%、17.32%、19.36%和25.02%,热液温度与煤氧化放热量间相关系数为0.92。高温热液侵蚀作用显著影响着煤的孔隙度及氧化过程,随着热液温度升高,煤体孔隙度增大,力学强度减弱,氧化过程耗氧量及氧化速率加快,放热量增加。高温热液侵蚀煤具有更高的自燃危险性,且热液温度越高,风险越大。

深部巷道围岩裂隙注浆加固浆液扩散规律研究

目的为了解决深部巷道围岩裂隙注浆加固难题,方法采用现场矿压观测、数值模拟等方法,结果研究得到深部巷道围岩破坏特征:深部巷道呈现“顶、帮、底”全断面大变形现象,围岩破坏深度显著增加;深部巷道围岩由浅至深形成裂隙发育区、裂隙扩展区和原生裂隙区,其中裂隙扩展区裂隙较小,注入难度较大。采用数值模拟方法,分析裂隙特征、注浆压力、浆液水灰比等因素对浆液扩散特征的影响规律,结果表明:裂隙开度对浆液扩散半径影响显著,而裂隙粗糙度的影响较小;对于裂隙开度较大的裂隙发育区,采用常规注浆压力;对于裂隙扩展区,裂隙开度较小(小于0.10 mm),应采用高于10 MPa的注浆压力;浆液扩散半径与注浆压力、水灰比呈正比,但对于深部微围岩裂隙而言,注浆压力存在临界点,不应盲目增大注浆压力,选取水灰比时,应综合考虑浆液扩散半径和浆液析水效应。结论对于注浆工程而言,选取浆液配比及注浆压力时,应考虑巷道开挖后围岩裂隙开度的发育状态。

“互联网+”背景下大学生科技创新竞赛团队培养模式研究

“互联网+”背景下大学生科技创新竞赛形式多样,但学生竞赛的参赛队伍实力、教师指导水平以及竞赛融合程度都有待提高。以中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛为例,基于“互联网+”赛事规则,从竞赛团队组建、团队培养、教师能力提升以及成功要素整合四个方面,探讨科技创新团队组建的思路,分析教师指导能力提升的途径,提出团队组建成功的要素,最后以实例进行分析,为高校大学生科技创新竞赛团队组建提供新思路。

铜改性TiO_(2)/碳纤维膜光热协同催化H_(2)O_(2)脱除燃煤烟气中NO性能

燃煤电厂排放的烟气中含有大量氮氧化物(NO_(x)),太阳能驱动的光催化技术为烟气脱硝提供了近零排放的新途径,但单一光催化脱硝效率有限,为实现燃煤烟气中高浓度NO的有效脱除,亟需开发基于光催化的协同氧化脱硝技术。采用水热法并结合氢气还原处理制备了富含氧空位的TiO_(2)纳米片(Defective TiO_(2),D-TiO_(2))后,利用液相浸渍法将铜氧化物(CuO_(x))负载至D-TiO_(2)表面,制得复合样品CuO_(x)/D-TiO_(2)。利用透射电镜(TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、室温电子顺磁共振(EPR)及紫外-可见漫反射光谱等表征技术对复合催化剂的微观组成和能带结构进行测定分析,结果表明,负载的铜物种为混合价态CuO_(x),CuO_(x)改性未影响D-TiO_(2)的微观形貌,但可使D-TiO_(2)的导带电势负移,增强光生电子的还原能力。以CuO_(x)/D-TiO_(2)作为活化H_(2)O_(2)的催化剂,在模拟太阳光照射下考察CuO_(x)负载量对NO脱除率的影响,并以性能最佳的5%CuO_(x)/D-TiO_(2)为光催化剂,研究模拟烟气流速和NO初始体积分数对脱硝活性的影响。基于密度泛函理论的DFT计算结果表明,氧空位有利于NO吸附与活化,光电化学和EPR测试结果表明,复合CuO_(x)不仅增强了D-TiO_(2)的光生电荷分离效率,同时CuO_(x)作为H_(2)O_(2)分解产生·OH的活性位点,起到了助催化剂的关键作用。自由基猝灭实验结果表明,表面·OH是NO光氧化脱除的主要活性自由基,助催化剂CuO_(x)和氧空位的协同作用使NO脱除率由TiO_(2)的15.1%提升至5%CuO_(x)/D-TiO_(2)的63.8%。同时,将5%CuO_(x)/D-TiO_(2)固载至改性碳纤维(MCF)表面构筑了整体式催化剂CuO_(x)/D-TiO_(2)/MCF,MCF载体的光热效应可将吸收的近红外光转化为热,使CuO_(x)/D-TiO_(2)表面产生局部温升,有效加速光电子界面传输与H_(2)O_(2)分解反应动力学,进一步提升NO脱除率达95.2%。此外,NO光氧化脱除的主要产物是可用于生产氮肥的NO_(3)^(-),副产物NO_(2)的质量浓度仅为4.7 mg/m^(3),NO_(2)与残余NO质量浓度均远低于燃煤锅炉NO_(x)质量浓度不超过50 mg/m^(3)的超低排放标准,且该整体式催化剂可在连续操作的工况下净化烟气中高浓度NO。基于CuO_(x)/D-TiO_(2)/MCF的光热协同催化体系在实际工业烟气脱硝与氮资源化利用领域具有良好的应用前景。

矿业类“专业导论”课程内容与教学模式创新实践

矿业类专业早期的艰苦、危险形象深入人心,导致矿业类学生的学习积极性不高,转专业率、转行率较高,而实际上新世纪以来,我国煤矿矿井面貌、工作环境、职业福利待遇有了极大改善。在详细分析我国煤炭行业发展现状及智能化建设成就的基础上,借助智能矿山模型、VR虚拟矿山、视频连线生产现场、毕业校友回校报告等方式改革教学模式,让采矿专业学生客观、详细地了解采矿专业的重要性及行业现状,有效提高了学生的学习效率,激发了学生的学习兴趣,使采矿专业学生转专业率、转行率明显下降。

河南省煤矿安全管理现状与对策研究

【目的】为了解当前河南省煤矿安全管理情况,进一步推动河南省煤矿企业安全生产工作的发展。【方法】运用事故调查法和资料分析法,从煤炭能源保供、煤炭能源安全生产两方面分别展开分析,重点对河南省煤矿企业安全生产工作面临的主要问题展开探讨,并针对性地提出改进措施及建议。【结果】研究表明:河南省煤矿安全形势较之前十年有极大的改善,但尚未能实现“清零”,主要面临的问题有企业主体安全责任意识差、现场安全管理混乱、安全技术管理不到位、作业环境恶劣、瓦斯治理难度大、职工安全培训不到位等。【结论】当前河南省煤矿安全管理形势仍然相对严峻,希望通过本研究进一步提高河南省煤炭能源安全水平,确保能源的稳定供应,促进河南省的经济和社会发展。

深部地热水多开采井联合运行模式优化

深部地热水作为一种清洁低碳的可再生能源,对促进实现“双碳”目标具有重要意义,但其不合理开采将导致水量减少、水位下降、工程效益低等一系列问题。以河南开封市城区已有的地热井勘探资料为基础,构建表征地热水运移的水文地质模型及对应的数学模型,利用Galerkin有限单元法对模型进行识别与验证。针对现有地热井单独运行、按需开采的弊端,围绕开封市城区主采的埋深1200~1400 m热储层,以水位降深最小、井间干扰最小、运行费用最低为目标函数,以水位降深、供需平衡为约束条件,建立地热水开采井运行模式优化模型。为提高收敛的准确性和结果可靠性,引入Pareto-灰狼算法求解模型并用TOPSIS理论对结果进行排序。研究表明:优化后剖分节点水位降深之和减少70.3%,地热井之间水位降深影响值之和减少10.83%,分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水位降深分别减少12.85%、28.14%、43.77%,-80和-90 m水位等值线包围的降落漏斗面积分别降低15.5%和28.7%,地热井运行总费用降低28.7%。研究成果通过构建优化模型和引入改进算法,为地热水合理开发提供科学依据,优化地热水开采井的运行模式,不仅可以减少水资源浪费,提高水资源利用效率,还可以降低地热井运行费用,对于地热水合理开发与科学保护具有重要指导作用。

煤炭地下气化渗透反应墙构建材料的吸附和渗流特性研究

煤炭地下气化(UCG)带来的地下水污染风险是限制其推广发展的主要问题之一。渗透反应墙(PRB)修复技术是地下水原位修复的主要研究热点,而PRB材料特性是影响其正常运行的关键。本文首先探究了砂、有机膨润土、活性炭对UCG特征有机污染物苯酚的吸附特性,在此基础上,采用自建的渗流实验系统研究了砂、有机膨润土、活性炭及其混合物的吸附和渗透特性对净化污染水的综合影响效果。结果表明:(1)有机膨润土对溶液中苯酚的吸附速率较快,可在10 min之内达到吸附平衡,但吸附容量较小(1.98 mg/g);活性炭对溶液中苯酚的吸附速率较慢,但吸附容量较大(2.22 mg/g)。(2)有机膨润土对苯酚的等温吸附可用Freundlich模型描述,模型参数k_(F)=0.040,n=1.207;活性炭对苯酚的等温吸附可用Langmuir模型描述,模型参数S_(max)=2.44 mg/g,k_(L)=0.125 L/mg。(3)砂和活性炭的渗透系数分别为1.006×10^(-3) m/s和4.761×10^(-2) m/s,砂与活性炭或有机膨润土混合可有效调节混合材料的渗透性,当砂与有机膨润土质量比由1∶1增大到3∶1时,其混合材料的渗透系数由2.624×10^(-6)增大至3.468×10^(-5) m/s;而砂与活性炭质量比由1∶1增大到3∶1时,其混合材料的渗透系数由1.379×10^(-3)减小至1.301×10^(-4) m/s。

基于定向钻探技术的深部矿井突水点封堵方案优化

随着矿井开拓深度增加,深部突水点封堵难度高、工程量大等问题日益突出。地面多分支水平定向钻探技术是解决问题的有效手段,施工技术难点主要是井眼轨迹控制、井壁稳定控制和注浆效果提升。基于以上问题,以焦作矿区吴村矿为例,提出突水点的优化封堵方案;采用增加偏心垫块的方法改进螺杆钻具结构,以提高对井眼轨迹的控制;采用钾铵基聚合物钻井液体系优化处理剂配比方案,以改进井壁稳定控制;采用变频调速注浆泵及二次搅拌工艺,以提升注浆效果。结果表明:工程结束后吴村矿井筒水位最大降幅达6.53 m,堵水效果显著。

基于差分进化算法的旧采空区水分质利用优化配置

大部分矿井水污染程度低,稍加处理即可供饮用、工业、农业、生态等使用。焦作煤田吴村矿旧采空区水可供水量为718 m^(3)/h,矿区周围饮用、电厂、灌溉、养殖、生态等用户需水量为1073.74 m^(3)/h,旧采空区水仅能满足66.87%的用水需求;旧采空区水需处理达标后才能供给用户,不同用户的水处理工艺和费用差异较大,依据水质优化配置旧采空区水量具有重要意义。目的为了实现矿井排水综合利用效益最大化,方法以焦作煤田吴村矿旧采空区水为研究对象,在计算其供水量和分析水质基础上,结合矿区周围饮用、电厂、灌溉、养殖、生态需水量及水质要求,构建718 m^(3)/h旧采空区水分质利用优化配置数学模型,并利用差分进化算法求解。结果结果表明:灌溉期分配饮用水6.00 m^(3)/h、电厂用水334.95 m^(3)/h、灌溉用水353.89 m^(3)/h、养殖用水19.76 m^(3)/h、生态用水3.40 m^(3)/h;非灌溉期分配饮用水6.00 m^(3)/h、电厂用水688.84 m^(3)/h、灌溉用水0 m^(3)/h、养殖用水19.76 m^(3)/h、生态用水3.40 m^(3)/h时,旧采空区水分质利用年收益最大。结论研究结果可为类似矿井旧采空区水和矿井排水资源化利用提供借鉴。

基于网络化协同的煤炭企业巷长制安全管理体系研究

为解决煤炭企业传统安全管理中存在的主体责任落实不到位、科室协同性差等问题,寻求煤炭企业安全管理的新模式。首先,将网络化治理及协同治理理论引入煤炭企业,提出建立网络化协同治理理论模型;然后在此基础上构建涵盖"四大机制"的煤炭企业巷长制安全管理体系,并详细阐述了各机制的内容;最后,将该体系运用在三交河煤矿安全生产管理中。该体系具有"三道防线"、"双轴并行"、网络化、协同化、系统化等特征。

中部矿粮复合区采煤沉陷及耕地损毁研究现状与展望

河南作为中原地区产煤和产粮大省,煤炭安全高效开采与耕地保护、粮食增产的矛盾较为突出。如何修复因开采煤炭导致损毁的耕地、保护矿区未损毁的耕地,同时稳定煤炭产能,是中部矿粮复合区目前面临的重大难题之一。在分析了中部矿粮复合区典型特征与其面临的瓶颈问题基础上,从采动覆岩与含(隔)水层破坏、采动地表沉陷规律与土壤退化、矿区耕地损毁及农作物长势、源头减沉控损与土地损毁修复技术等4个方面分析了采煤沉陷及耕地损毁问题的研究发展历程,包括采动覆岩含(隔)水层破坏及结构失稳、采动覆岩破坏充分采动定义及判据、采动地表沉陷与覆岩破坏整体响应行为、地表沉陷对土壤退化与耕地损毁影响、沉陷区耕地损毁识别与农作物长势监测、煤矿开采损毁土地修复技术等;在现有成果分析的基础上,展望了中部矿粮复合区采煤沉陷及耕地损毁的4个发展方向:采动覆岩结构失稳与含(隔)水层破坏传导机理、采动地表沉陷规律与土地损毁作用机理、矿区耕地损毁及农作物长势时空演变规律与源头减沉控损与耕地损毁高效协同修复技术,以便揭示“覆岩破坏—地表沉陷—耕地损毁—作物响应”传导驱动机制,形成中部矿粮复合区源头减沉控损与耕地损毁高效协同修复的综合技术体系,为煤矿绿色开采与保障粮食安全提供理论和技术支撑。

全氟己酮与惰性气体对甲烷爆炸的协同阻爆作用

为探究全氟己酮及其与CO_(2)、N_(2)协同下的抑爆能力,通过改变全氟己酮用量和CO_(2)、N_(2)的压力来观测其对甲烷爆炸传播特性的影响。结果表明:在试验条件下,单喷CO_(2)和N_(2)不能实现对甲烷的完全抑爆;而单喷全氟己酮能实现对甲烷的完全抑爆;全氟己酮与CO_(2)或N2混合喷出有利于全氟己酮完全汽化、提升其抑爆能力;与N_(2)混合,抑爆所需的全氟己酮最小量由23 mL下降到17 mL,与CO_(2)混合,阻爆所需全氟己酮最小量从23 mL下降到5 mL,全氟己酮与CO_(2)混合使用的抑爆能力强于全氟己酮与N2混合使用的抑爆能力。全氟己酮/CO_(2)的协同抑制机理在于全氟己酮产生的自由基F会优先替代氧气产生的O参与基元反应,CO_(2)作为第3体参与反应会优先阻断OH的放热反应,二者具有良好的协同互补关系,从而更好地抑制和阻断甲烷/空气链式反应。

组合多孔介质与氮气幕协同抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究组合多孔介质与氮气幕抑制瓦斯爆炸的协同作用,在自主设计的爆炸管道内开展了爆炸实验。氮气幕距离点火位置0.9 m。实验选择的组合多孔介质是由孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与20、30、40 ppi的泡沫铁镍形成的组合体,以及10 ppi的泡沫铁镍与20、40 ppi的泡沫铜组成的组合体。研究表明:合理改变多孔介质的组合能提升与氮气幕共同抑制瓦斯爆炸的效果;第一层使用泡沫铁镍和第二层使用泡沫铜的组合显著削减火焰到达多孔介质时的强度,降低超压峰值,同时能够防止刚度低的泡沫铜形变而造成淬熄失败;抑爆效果最佳的组合为孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与40 ppi的泡沫铜形成的组合多孔介质。

我国关闭煤矿潜在资源分析及二次利用前景

供给侧结构性改革的提出加速了我国煤矿落后产能的退出,但同时关闭煤矿的合理再利用提上日程。为探讨关闭煤矿潜在的可利用资源及其利用前景,基于关闭煤矿彻底废弃的负面效应分析,对其潜在资源类型进行了划分,并对各种资源的利用前景进行了分析,最后指出其在二次利用中亟待解决的问题。研究表明:我国关闭煤矿潜在资源主要包括剩余煤炭、矿井水、煤层气、地下空间以及生态开发与工业旅游资源;厘清剩余煤炭资源赋存特征、提高关闭煤矿信息化程度、构建关闭煤矿剩余资源评价体系以及建立健全关闭煤矿综合开发利用政策对关闭煤矿资源二次利用具有重要意义。