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我国西部生态脆弱矿区煤水共采关键技术

2020-07-29   来源:煤炭科学技术   作者:姚强岭

  高强度、大规模的开发与生态环境的保护,这一矛盾将伴随着西部煤炭开采全生命周期。


建立国家西部生态脆弱矿区煤炭资源开发与环境保护协调中心,由国家发改委能源局主导协调多部门参与,以煤炭开采与生态环境保护为主线,制定考虑生态环境承载能力的煤炭开采中长期规划。这是国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室姚强岭教授团队在最新一项发表于《煤炭科学技术》的研究中给出的建议,点击这里查看研究详情。

  

  到2011 年为止,我国“十二五”规划基本确定了神东、陕北、黄陇、晋北、晋中、晋东、鲁西、两淮、冀中、河南、云贵、蒙东(东北)、宁东、新疆等14 个大型煤炭基地,这些煤炭基地划分主要是根据煤炭资源的富集程度,但是较少考虑到生态、水文等综合因素。

  

  随着东部煤炭资源枯竭和煤炭需求量增加,煤炭开采重心开始向西部生态脆弱矿区转移,2008年时西部地区煤炭产量首次超过50%,此后西部矿区煤炭产量占比持续增加,2014年时超过70%,从2000年至今西部矿区已生产原煤约333.4亿吨,成为我国名副其实的煤炭战略生产基地。

  

  2000—2018 年中国能源结构及煤炭占比

  

  根据已有的研究成果可知,大规模高强度开发已超过西部部分矿区的生态环境承载能力,极有可能造成生态环境的不可逆破坏。

  

  面对如何在科学合理开采煤炭资源的前提下又兼顾区域生态环境长期安全的问题,在“保水开采”、“绿色开采”、“科学开采”、“精准开采”等理念的指导下,相关学者在矿区开发设计、开采技术方法、生态环境监测与修复等多方面展开了卓有成效的研究与讨论。

  

  一、保水开采理论

  

  煤炭开采将导致顶板裂隙不断向上发育,直至贯通含水层,引起水体从裂隙处向下渗流,含水层水体大量流失。导水裂隙带高度预计方法目前普遍采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中根据覆岩坚硬程度推荐的经验公式,煤层、含水层、隔水关键层以及(结构)关键层之间的物理力学特性和空间位置关系是开采方法选择的主要依据。

  

  常用的保水开采方法有条带开采、房柱式开采、限高开采和充填开采等,通过设计方法预留一定量的煤体或充填材料来承载上覆岩层的应力,使含(隔)水岩层采动裂隙在煤炭开采后能够自行闭合或使其不致发展至地表含(隔)水岩层。

  

  加快采煤工作面推进速度等措施可以有助于裂隙闭合,从而利于含(隔)水岩层的恢复。除此之外,部分煤矿采用注浆加固的方法封闭导水通道(即采动裂隙)、增大围岩强度,也具有一定效果。

  

  但目前这些开采方法存有一定缺陷,例如:部分开采煤炭资源采出率低,充填开采成本高、充填原料获取较为困难、工作面推进速度慢,条带开采及房柱式开采在上覆岩层中造成的协调变形很难预计和控制等。

  

  二、地下水库理论

  

  西部矿区可采煤层数较多、煤层厚、埋藏浅、地质条件简单,煤层开采后,采动裂隙将迅速发展至地表,上覆含水层水资源大部分将通过采动裂隙渗入采空区,传统的处理方法是将矿井水直接抽送到地面,净化后再利用或直接排放,该方法利用率低且蒸发损失严重,造成水资源的极大浪费。

  

  为了改变这种现状,顾大钊提出了“采空区地下水库”的概念,即将通过采动裂隙流失的水储备在采空区中,从而为西北矿区水文环境及生态的恢复提供保障,中国神东集团大柳塔、乌兰木伦等煤矿已进行了工业性试验。

  

  利用采空区矸石的净化污水能力,使得矿井污水在采空区流动,经过过滤、沉淀、吸附、离子交换、自生矿物生成等复杂的物理和化学过程而得到净化,再通过自然压差或机器设备实现采空区水资源的抽采利用和补给。经过净化的水可以满足矿山生活及生产用水,同时可用来实现西北矿区的环境恢复,推进西部煤炭资源可持续性开采。

  

  最后研究人员指出,目前矿区开发过程中保护地下水的技术思路存在许多共性问题。含水层或人造含水层的动态水源补给是水资源储备的基础要素,在实际工作中,不仅需要理论推算、实验室试验和数值模拟预测,更重要的是通过现场原位测试地应力和裂隙发育规律,以确保在自然或人工干预下能够长期维持(人造)含水层的补给和利用。

  

  煤水共采理论的共性问题

  

  最后,研究人员在国家战略布局的角度出发,给出了煤炭开采与环境保护统筹协调系统。


煤炭开采与环境保护统筹协调系统


这项研究得到了“煤炭开采水资源保护与利用 ”国家重点实验室开放基金的资金支持。


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  责任编辑:宫在芹

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