东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术与示范专题

东部草原区位于我国生态安全“两屏三带”的北方防沙带，该区域聚集了锡林浩特和呼伦贝尔两大煤电基地，以露天开采为主，产能超过4亿t，是我国东北区域重要的能源供应基地。要筑牢我国北方重要生态安全屏障，必须坚持生态优先、绿色发展的理念，为此国家科技部于2016年启动了“典型脆弱生态修复与保护研究”重点专项，将东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术及示范作为重点研发项目纳入其中。

行业视野: 环境保护
类别; 124个
关键词; 101位
专家; 31篇
论文; 34131IP
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考虑有效应力影响的煤矿地下水库储水系数计算模型

作者(Author)：方杰, 宋洪庆, 徐建建, 杨连枝, 李正一

摘要：综合考虑煤矿地下水库储水系数的潜在影响因素，对弹性模量、上覆岩层体应力、泊松比、上覆岩层密度等进行理论分析，结合弹性力学、渗流力学的相关原理与知识，以及矿井水流动涉及的流固耦合渗流机理，建立了考虑有效应力影响的煤矿地下水库储水系数数学模型，并确定了模型解析解。以宽沟煤矿地下水库为例，计算该地下水库的储水系数并进行影响因素分析。结果表明:采高对储水系数的影响最大，上覆岩层体应力次之，弹性模量最小;储水系数随上覆岩层体应力、垮落带高度的增大而减小，随弹性模量、泊松比、采高的增大而增大。弹性模量每增加1.1 GPa，储水系数增大0.4%~3.0%;上覆岩层体应力每增加20 MPa，储水系数减小19%~39%;泊松比每增加0.1，储水系数增大10%~14%;垮落带高度每增加2 m，储水系数减小8%~11%;采高每增加1 m，储水系数增大20%~60%。根据该模型计算所得储水系数的分布范围为10%~35%，这与矿区抽排水工程试验值范围一致，验证了模型的准确性。

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煤炭学报

2019年第12期

978

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顶板导水裂隙高度随采厚的台阶式发育特征

作者(Author)：王晓振, 许家林, 韩红凯, 鞠金峰, 李全生, 邢延团, 曹志国

摘要：传统导水裂隙发育高度预计方法对顶板岩性进行均化，忽略了具体条件关键层结构差异所造成的影响，认为导水裂隙的发育高度随采厚是呈线性增大的，有时会导致较大的判别误差。针对该问题，采用理论分析、现场探测等方法，研究了关键层结构影响下顶板导水裂隙发育高度随采厚的变化特征。结果表明，导水裂隙的发育高度同时受到采厚和覆岩关键层结构的影响。在覆岩关键层结构的控制作用下，导水裂隙的发育高度随采厚呈现台阶式突变而非连续的近线性变化。关键层厚度及其所控制的岩层厚度越大，导水裂隙高度随采厚变化时的台阶落差越大，突变越明显。一定关键层结构条件下，如果采高变化范围没有超出导水裂隙高度产生台阶的范围，则采高变化并不导致导水裂隙高度的变化，也就是说此时降低采高并不能减少导水裂隙高度，增加采高也并不会增大导水裂隙高度。研究结果得到了亭南煤矿导水裂隙高度实际探测结果的验证，在二盘区206工作面开采条件下，采厚7.5和9.0 m时对应的导水裂隙高度分别为140.2和148.3 m，均发育至宜君组底界，采厚在一定范围增加并未引起导水裂隙高度的明显变化，该工作面在保证导水裂隙高度不明显增大的前提下，最大采厚理论上可以达到14 m。基于研究成果形成了考虑关键层结构的洛河组砂岩含水层下合理采厚确定方法，指导了亭南煤矿二盘区综放工作面洛河组砂岩水防治实践。根据亭南煤矿207工作面附近钻孔柱状的关键层结构，以导水裂隙高度不直接沟通洛河组为限，提出207工作面在设计采厚7.5 m基础上，可以将顶煤全部放出的方案。工作面实际总采厚平均达9.0 m，多放顶煤1.5 m，顺利多回收煤炭资源约71万t，有效提高了采出率。

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煤炭学报

2019年第12期

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采动裂隙扩展规律及渗透特性分形研究

作者(Author)：梁涛, 刘晓丽, 王思敬

摘要：采用水岩相似材料模拟试验研究了不同荷载、岩层性质及开采速度等因素影响下煤层开采后覆岩垮落及裂隙演化特征。基于分形理论，得到了采动裂隙随开采进程在采煤工作面不同分区内的分形演化规律，并根据采动裂隙分布推导了裂隙岩体分形渗流公式，得到了渗透系数随开采进程及裂隙扩展的关联性演化规律及其相应的理论公式。在此基础上，利用大型相似材料物理模型试验，通过对采动影响下上覆岩层垮落后的裂隙网络物理模型进行钻孔电视成像，得到采动裂隙分布，并应用推导的渗透系数关联演化理论公式计算出含裂隙网络的模型试验介质的渗透系数，同时，利用钻孔注水试验验证了渗透系数理论模型的正确性。研究表明，采动裂隙在水平方向分布类似“W”形;而在垂直方向，总体上分形维数随高度增加而减小，减小幅度为4.32%~11.40%。然而在裂隙带与弯曲带交接部位，由于离层裂隙的存在，使分形维数较垮落带增大约3.47%。采动裂隙渗透系数与采动裂隙分布相关，在水平向上大体呈“V”形分布，总体上中间分区渗透系数相对较低，两端分区渗透系数相对较高。随着竖向分区增高，渗透系数逐渐减小，在裂隙带和弯曲带交接部位离层裂隙发育，使该区域渗透系数显著增大。本文推导的采动裂隙渗透系数关联演化理论公式，是定量研究采动影响下上覆岩层的渗透特性变化有益尝试。

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煤炭学报

2019年第12期

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采动覆岩导水裂隙主通道分布模型及其水流动特性

作者(Author)：曹志国, 鞠金峰, 许家林

摘要：含水层受采动破坏后其赋存水体并非均匀地由覆岩各区域漏失至采空区，其在导水裂隙带范围内应存在水体流动的主要通道;研究揭示导水裂隙主通道的分布规律及其水流动特性对于科学指导井下涌水量预计、顶板水害防治、保水采煤等具有重要意义。基于导水裂隙类型划分及其渗流/管流力学分析，就采动漏失水体的流动主通道分布模型进行了研究。结果表明:开采边界外侧岩体受超前支承压力作用易产生峰后压剪裂隙，裂隙导水属非达西渗流流态;而由岩层破断回转运动产生的拉剪裂隙，由于裂隙导水雷诺数相对偏大，其导水流态一般属于管流范畴，且受岩层破断位置相对开采区域的不同，又可将其划分为采区边界附近的上端张拉裂隙和下端张拉裂隙、以及中部压实区的贴合裂隙这3种。据此利用Forcheimer公式和伯努利方程对比揭示了上述2类4种裂隙导水流动特性的差异。研究得出开采边界附近的上端张拉裂隙在进流口开度、导水流量、出口流速等特征参数上均领先于其他裂隙;且由于其出口水压较小，其水流还会受到两侧邻近的压剪裂隙和下端张拉裂隙出口水流的水平径流补给。因而，含水层采动漏失水体多由上端张拉裂隙导流而来。由此基于岩层控制的关键层理论，构建形成了以关键层在开采边界处的破断尺寸参数为依据的导水裂隙带主通道分布模型。

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煤炭学报

2019年第12期

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神府矿区井下综采设备检修过程中矿井水水质变化特征

作者(Author)：杨建, 曹志国, 王强民, 王甜甜, 张溪彧

摘要：鄂尔多斯盆地神府矿区生态环境脆弱、水资源短缺，矿井水是重要的非常规水资源，但是井下采掘过程中产生的各种污染组分，又大大限制了矿井水的回用。工作面是污染组分产生的主要来源，特别是综采设备检修期间。为查清工作面综采设备检修过程中污染组分释放规律，开展了该阶段矿井水水质变化的现场实验研究，结果表明:研究区煤层顶板基岩含水层长期水岩相互作用形成的高矿化度地下水，导致采空区积水中TDS质量浓度具有基岩含水层水特征(TDS=1348.0 mg/L)。综采设备检修和正式回采过程中设备用水TDS质量浓度较低，使综采工作面矿井水中TDS质量浓度略有降低(1 296.0~1 316.0 mg/L)，其中SO2-4质量浓度降低了28.0~48.0 mg/L。设备检修过程中的人类活动，向矿井水中排放NH4+和大肠杆菌等，硝化作用使采空区和检修前矿井水中NO-3质量浓度较高(1.12~1.97 mg/L)。综采设备检修会导致矿井水中耗氧量、TOC含量,UV254等有机物指标质量浓度显著增加，利用三维荧光指纹发现，采空区和设备检修前的矿井水中主要存在人类活动废水和煤溶出有机质，设备检修期间矿井水中主要存在多环芳烃和石油类污染物，且荧光强度非常高;正式回采期间矿井水中则存在人类活动排出有机物、设备用油、煤溶出有机物等。综采工作面(尤其是设备检修阶段)矿井水中油类污染物质量浓度相对较高。因此，有必要做好综采工作面有机污染的控制，以降低矿井水中污染物质量浓度和矿井水处理成本，扩大矿井水回用途径。

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煤炭学报

2019年第12期

894

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采动岩体裂隙自修复的水-CO2-岩相互作用试验研究

作者(Author)：鞠金峰, 李全生, 许家林, 杨磊

摘要：采动破坏岩体易与采空区水、气发生一系列物理化学作用，促使裂隙发生导水能力降低的自修复现象;研究揭示导水裂隙的自修复机理对于科学评价地下水生态恢复能力、合理制定裂隙限流的保水采煤对策等具有重要的指导意义。基于砂质泥岩裂隙岩样在酸性和碱性水溶液条件下的水-CO2-岩相互作用实验，揭示了裂隙在黏土矿物遇水膨胀以及次生矿物或沉淀物充填作用下的自修复机理和规律。结果表明:无论酸性或碱性水溶液条件，裂隙均具备自修复能力，但酸性水溶液条件下的自修复效果更好。裂隙自修复过程中存在渗透率“先快后慢”的分区特征;首先出现以裂隙面黏土矿物遇水膨胀作用为主引起的渗透率快速下降现象，其下降速度在碱性水条件下更快;其次随着时间的累积，裂隙面岩石矿物溶解、溶蚀形成的离子与水溶液中的阴阳离子、游离CO2发生离子交换化学反应，引起高岭石等衍生矿物或Fe(OH)3等沉淀物的生成，这些新的物质在裂隙面逐渐吸附堆积，不断降低裂隙的导水能力。由于实验砂质泥岩中铝硅酸盐矿物含量偏低，无法充分消耗加大通入量的CO2，导致多余的CO2会以碳酸的形式对裂隙面矿物形成溶蚀作用，从而引起裂隙开度及其水渗流能力的提高，表现出对裂隙岩石自修复进程的阻滞作用。

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煤炭学报

2019年第12期

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煤矿分布式地下水库渗流场分析及优化调度

作者(Author)：刘晓丽, 曹志国, 陈苏社, 高岩堂

摘要：煤炭规模化开采势必产生扰动裂隙场，进而破坏地下水系统，并产生大量矿井水，导致矿井突涌水风险。为了保障煤矿生产安全，并将矿井水储存在井下供生产和生活使用，提出了煤矿地下水库理论框架和技术体系。煤矿地下水库建设的关键难题是库容(或储水量)的评估与控制，即将矿井水储存在采空区后，如何保障不断增加的矿井水不会危及到后续煤炭开采活动。基于此，提出了在煤矿区建设多个地下水库，通过管道将多个地下水库相互连接起来形成相互连通的分布式地下水库，并可在多个水库间进行水量联合调度的技术思路。其优势是可以通过水库间的水量调度保证每个水库中的矿井水在安全库容范围，特别是可以使威胁现有采区的地下水库储水量得到有效控制，防止水害发生。以某煤矿分布式地下水库建设为例，根据矿井开采区的地质资料，计算不同高程区域的储水能力，确定分布式地下水库的库容-水位曲线;在此基础上，建立分布式地下水库的地下水数值模拟模型，预测矿区的涌水量;并针对矿区的涌水量，结合地表水资源，按照水量供求关系，进行矿区水资源的优化调度，使得矿区涌水得到合理和高效利用。

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2019年第12期

1026

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节地减损开采模式下边坡结构及应力发展规律

作者(Author)：尚涛, 韩流, 舒继森, 陈树召

摘要：为了实现节地减损开采技术在露天矿的安全应用，对开采过程中的边坡结构、岩体应力状态和稳定性进行分析，揭示开采程序和参数与边坡应力分布和稳定性的耦合规律。采用剖面法阐述了适用于扩建和新建露天矿的2种节地减损开采技术方案;分析了边坡内部的应力类型，建立了降段或靠帮开采造成的不平衡应力分异模型及其诱发的边坡牵引式渐进破坏模型。以蒙东地区露天矿采场端帮的形成和发展过程为依据建立了三维模型，并设定模拟条件如下:采场深度从0降段至300 m，每次降段50 m;端帮角度从37°线性提高至45°，每次提高2°;内排土场从0回填至300 m，每次回填50 m。分析得到开挖降段和靠帮开采过程中自重应力和水平应力变化规律以及开挖降段和内排回填过程中的端帮边坡稳定系数变化规律。根据矿山的设备生产能力和采剥工程量，计算出开挖降段、靠帮开采所需的工程时间，通过回归分析得到自重和水平应力随时间的变化规律，以及时效稳定性的变化规律。研究结果表明:开挖降段过程中，自重和水平应力分别下降了1.6和5.6 MPa，端帮边坡稳定系数从2.23下降到0.83;靠帮开采过程中，自重和水平应力分别提高了0.5和9.4 MPa;内排回填过程中，端帮稳定系数从0.83提高到1.87。自重应力和水平应力均呈现以采场中心线为轴的对称结构，在采场范围内，自重应力呈拱形结构，水平应力呈“楔形”结构;随着开挖降段深度或端帮边坡角度的增大，自重应力拱顶曲率和水平应力楔形曲率均不断减小。自重和水平应力的峰值随开挖深度的增大呈二次函数下降，随开挖时间的增加均呈线性规律下降，随端帮边坡角度的增大呈二次函数规律增大。端帮稳定系数随开挖降段深度的增加呈负指数降低，随时间的增长呈二次函数规律下降;端帮的稳定系数随内排回填高度、时间均呈现指数的增长规律。

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煤炭学报

2019年第12期

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