“我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究”专题

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“我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究”专题

来源：煤炭学报

专题来自于《煤炭学报》2022年第6期。

行业视野: 煤炭学报
类别; 46个
关键词; 68位
专家; 17篇
论文; 8112IP
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深地医学研究新进展

作者(Author)：谢和平, 刘吉峰, 高明忠, 王领, 文巧, 刘飞, 吴江

摘要：世界主要矿业大国相继进入深部开采，我国的深部资源开采也已经成为新常态。然而，深地作业环境，尤其是1000m以下，对矿业工人等深地作业人群的生理、心理以及病理的影响规律及其作用机制基本处于空白。基于前期的调研、初步研究成果，提出深地医学新概念；即系统研究深地环境因素对人的生理、病理以及心理影响程度及其潜在机制，也即深地的物质和空间健康效应，并探索对深地有害影响因素的防护措施，有益环境因素开发利用的专门学科。从医学视角深入分析了深井矿业工程作业环境的基本特征，本底辐射随深度逐渐下降，温度湿度随深度增加、氡气浓度尚在安全范围之内。发现矿井深部低本底辐射环境可以明显抑制正常细胞与癌细胞的生长速度，如喉癌细胞在地表培养两天后细胞增加37.73%，而地下组仅增长7.53%，深部低本底辐射环境对癌细胞的生长速度抑制更胜正常细胞，且发现核糖体、线粒体可能是细胞应答深地低本底辐射环境主要细胞器。剖析了深部矿井矿工心理和作业环境的相关关系，深井矿作业工人的状态差于健康常模，约2/3的人群伴有睡眠问题，且其不佳的心理状况与井下的不良作业环境有关。提出深地医学未来迫切需要开展的前瞻性研究课题，为今后深地医学及相关生物学、生命科学研究提供参考。

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2022年第06期

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新常态下我国煤矿废弃矿井水污染防治与资源化综合利用

作者(Author)：孙文洁, 任顺利, 武强, 董东林, 甘先炎

摘要：随着我国经济发展进入新常态且供给侧改革不断推进，大量煤矿因资源消耗殆尽、产能过剩进入关闭行列，为有效应对矿山闭坑后因矿井水大量排出和废弃产生资源浪费、环境污染、资源化利用效率低等一系列问题，本文系统分析了我国关闭矿井时空发展性质和特征。阐述了我国矿井水污染特征、污染模式及晋陕蒙宁甘区、华东区、东北区、华南区、新青区“五大区”矿井水分布性质，针对废弃矿井水引发的地质灾害、造成地表水和地下水污染、土壤重金属积聚和影响植被生长等负面效应，在矿井闭坑前、废弃采空区和串层污染等方面提出了具有针对性的预控治理措施。结合我国废弃矿井水的实际水文地球化学特征，提出了一套关于洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含毒害物矿井水的处理方法及工艺体系。根据煤矿矿井水资源化利用现状，提出了建立地下污水处理中心和抽水蓄能发电站因地制宜的资源化利用途径，同时结合当地经济发展、水资源紧缺状况和生态文明建设等因素，制定了处理后废弃矿井水供井下生产和井上生活、农业、工业和生态等方面资源化综合利用体系。最后，展望了废弃矿井水资源化利用的绿色开发战略和未来发展方向，将积极推动废弃矿井水资源化综合利用，有效缓解我国部分地区水资源紧张的局面，实现煤炭行业的绿色健康发展和矿区生态文明建设，满足经济效益、社会效益和环境效益多方共赢。

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采动地表沉陷全过程预计方法与存在问题分析

作者(Author)：崔希民, 车宇航, Malinowska A, 赵玉玲, 李培现, 胡青峰, 康新亮, 白志辉

摘要：精确、可靠的开采沉陷预计结果既是井下工作面优化设计、采动损害程度评价的重要依据，也是土地复垦、生态重建设计和老采空区地表再利用稳定性评价的基础。随着实践认识的提高，开采沉陷的研究热点也逐渐从传统的移动稳定的终态预计转向采动地表移动变形的动态预计；当连续6个月累计下沉不超过30mm时，则认为传统的采动地表移动已经停止，但随着冒落破碎岩石的压实压密导致的缓慢残余下沉仍将持续，且残余下沉的预计也逐渐引起了研究者的重视。基于采动地表移动规律，将采动地表沉陷移动全过程划分为两个阶段，第一个阶段是包括初始期、活跃期和衰退期的地表动态移动变形期，第二个阶段为衰退期结束后的残余下沉期。针对第一个阶段，分析了现有预计方法的优缺点，提出了基于时间函数与概率积分法结合的开采沉陷动态过程预计方法和时空基准，明确指出了只考虑时间而不考虑开采过程进行动态预计、对比验证的错误，强调了终态预计只是动态预计的一个特例，且该动态预计只适用于滞后下沉而不适用于残余下沉的预计。针对第二个阶段，顾及冒落破碎岩石压实压密引起的残余下沉量小，基于衰退期下沉与残余下沉的连续性、残余下沉线性衰减性，给出了给定地质采矿条件下地表残余下沉持续时间和年度残余下沉系数表达式，可以定量计算残余下沉期内任一年度的残余下沉、累计残余下沉和未来潜在残余下沉，实现了采动地表沉陷的全过程预计。针对采动地表沉陷全过程预计方法研究现状，分析提出了动态过程预计存在的计算单元划分、不规则工作面、临近工作面相互影响等问题，以及残余下沉预计存在的诸如冒落破碎岩石压实压密系数、煤柱损伤与垮塌影响、预计的计算范围、预计结果的可靠性与不确定度等问题，为后续进一步研究提供了方向参考。

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关闭/废弃矿井地热能开发利用研究现状与进展

作者(Author)：浦海, 许军策, 卞正富, Holger Schüttrumpf

摘要：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。低焓地热资源(小于85 ℃)是一种零碳清洁能源，可加快居民热能需求的脱碳进程。然而，低焓地热资源的开采面临着投资成本大、易诱发地质环境灾害等问题，限制了其大规模的开发与利用。而关闭/废弃煤炭矿井，由于具有丰富的水、热及空间资源，可创新性地开发低焓地热资源并延长矿区的经济寿命，降低对环境与经济的负面影响。为了实现这一举措，有必要对废弃矿井开采地热能相关的技术、经济、环境和政策等因素进行全面的梳理。因此，进行了广泛的文献综述，从废弃矿井地热能开采原理的角度，概述了其系统、热源、需求及政策等方面的研究成果，特别是对矿井水体积、连通性和温度特征及其影响因素进行了详细的分析。在此基础上，讨论了以解析模型、数值计算及现场实验方法评估废弃矿井地热能利用可行性的研究进展。此外，为了直观地说明废弃矿井地热能的利用潜力，考虑围岩动态补热机制，以徐州矿区关闭张集矿为分析案例，估算了其可利用的地热资源。结果表明：张集矿静态储能约为278 000 MWh，围岩动态补热量（0.5年）约为4 731.4 MWh，系统供能的碳排放系数仅为0.05 kg/kWh，与化石能源相比碳排放量减少约13 000 t。尽管考虑了动态补热，废弃矿井地热能补给速率仍相对较慢，因此未来的研究应着眼于多能互补方式开发废弃矿井地热资源，结合风能或太阳能将废弃矿井作为产-储热能的关键结构，以提高系统的稳定性。这项工作可为关闭/废弃矿井地热能方面的研究与利用提供有意义的参考。

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高温对煤炭地下气化围岩损伤的影响

作者(Author)：王喆, 梁杰, 侯腾飞, 魏永超

摘要：煤炭地下气化是煤炭无害化开采技术创新战略方向之一，该技术可以回收老矿井废弃煤炭资源，对传统采煤技术难以开采的煤炭资源进行原位清洁转化。气化过程中燃空区形成带来的结构应力和高温造成的热应力共同作用对岩石造成损伤。以大城勘查区深部煤层为气化对象，得出典型围岩热物性及力学参数随温度变化规律。基于连续损伤力学理论，在平滑Rankine损伤模型的基础上提出高温岩石损伤变量模型，使用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对深部煤层地下气化过程围岩温度、主应力、损伤变量进行模拟研究。结果表明，五种典型岩石的比热容随温度升高整体呈上升趋势，导热系数随温度升高整体呈下降趋势，抗压强度和弹性模量随温度变化规律差别较大。围岩受温度影响范围随气化时间呈指数变化，气化10天时，温度影响范围仅为3.27米；气化50天时，温度影响范围达到5.73米；气化100天时，温度影响范围为8.21米；气化400天时，温度影响范围达到18.20米。结合地下气化过程中普遍采用的控制注气点后退气化法，岩石处于高温区的时间在40天左右，温度场对围岩的影响范围约为4.7米。燃空区上方及两端均出现损伤区，且相互连接形呈“凹”字型，燃空区长度90米时，损伤区高度为72.2米；燃空区长度170米时，损伤区高度为114.1米；燃空区长度250米时，损伤区高度为148.8米，；燃空区长度330米时，损伤区高度为162.6米；随燃空区长度增加，损伤区高度与燃空区长度之比降低。高温会对直接顶造成显著影响，但随着燃空区长度的增长，温度对直接顶损伤变量的影响逐渐降低，因此在气化初期高温会明显降低直接顶的损伤程度，使其更加难以发生垮落。

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建筑载荷作用下采空区覆岩结构稳定性判据及应用

作者(Author)：郭文兵, 杨伟强, 马志宝, 温蓬, 刘玄, 白二虎

摘要：采煤沉陷区的合理利用是解决城镇化建设和土地资源短缺之间矛盾的重要途径之一，沉陷区范围内采动覆岩结构的突然失稳将导致煤矿沉陷区新建建筑物破坏。采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法对新建建筑物载荷作用下采动覆岩结构稳定性进行了探讨与研究。采用理论分析方法对采动覆岩结构特征和地表载荷引起的岩体中附加应力分布特征进行了分析，建立了“载荷作用下采动覆岩结构力学模型”；对该模型进行了力学条件分析，并结合“砌体梁”结构失稳条件，得到地表载荷作用下采动覆岩随载荷增大是否产生滑落失稳的判据；当铰接岩块的回转角度和块度符合i < 0.5sinθ1或i > sinθ1时，采动覆岩结构随着地表载荷的增大，失稳的可能性逐渐增大；铰接岩块的回转角度和块度符合i > 0.5sinθ1或i > sinθ1时，采动覆岩随载荷增大不会发生回转失稳。在理论分析的基础之上，将建立的力学模型应用于某矿长壁老采空区地表工程建设实际，建筑施工前期采用数值模拟和理论分析相结合的方法，对拟建建筑载荷作用下采动覆岩结构的稳定性进行了分析评价，确定了拟建工程的安全性；并在建筑物完工以后，采用PSInSAR技术对新建建筑区域地表沉降特征进了监测，结果显示建筑物自建成一年来地表未发生突然沉降，表明采动覆岩结构未发生失稳，验证了“载荷作用下采动覆岩结构力学模型”及其稳定性判据的合理性。

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废弃矿井抽水蓄能句法视角下拓扑模型构建及空间优化

作者(Author)：朱超斌, 周跃进, 卞正富, 陈宁, 夏晨阳, 白海波

摘要：废弃矿井抽水蓄能电站技术不仅是废弃矿井转型升级的重要途径，也是可再生能源规模储能的有效手段。废弃矿井巷道是抽水蓄能电站地下水库理想载体，但其复杂的空间拓扑结构制约了水体的流动性，因此需研究巷道地下空间结构优化方法，为抽水蓄能电站地下水库建设提供技术支撑。以我国淮南某矿东区为研究对象，阐述了空间句法视角下废弃矿井地下空间结构分析方法，建立小尺度多元凸空间的地下空间拓扑模型。借鉴空间句法中各形态分析变量，基于局部与整体层次特征研究巷道和硐室结构之间的内在逻辑性和拓扑关系，分析了废弃矿井地下空间在抽水蓄能电站地下水库建设中存在的问题，并对地下空间结构进行优化。研究表明：基于局部空间特征的地下空间单元可利用性与连接值、控制值、选择度、局部整合度成正比，与平均深度值成反比；基于整体空间特征的地下空间结构全局整合度、可理解度和空间智能度较低，反映在抽水蓄能电站地下水库建设中存在空间导向性差、空间利用率低和蓄能能力弱等问题。因此通过选取局部整合度与全局整合度均高于其平均值的空间单元重新构建新的地下空间拓扑模型，优化后地下空间单元数量减少73%，空间可理解度从很差（0.21744）提升到一般（0.47971），空间智能度从较高（0.798482）提升到极高（0.939746），提高了废弃矿井抽水蓄能地下空间结构的通达性与蓄能能力，为废弃矿井抽水蓄能电站建设中地下空间规划与利用提供优化策略。

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通道式煤炭地下气化过程特征场演化规律

作者(Author)：梁杰, 李玉龙, 陈世琳, 杨彦群, 赵泽, 原航, 李哲

摘要：我国废弃矿井中遗留煤炭资源量约420亿t，废弃矿井煤炭资源井工复采技术难度大，安全性差，在经济上也不合理，因此必须探索新的回收技术，煤炭地下气化技术则是一条可行的技术路线，煤炭地下气化可以依托老矿井原有的井筒和巷道建设地下气化炉，利用人工掘进的煤巷作为气化通道，形成通道式气化。煤炭地下气化发生与发展过程实质上是气化反应区特征场（温度场、浓度场、应力场）的扩展过程，通过地下气化模型试验研究了通道式气化过程特征场的分布与扩展规律，结果表明，在模型试验条件下温度场沿通道（横向）和垂直通道（纵向）平均扩展速度分别为0.089m/h和0.012m/h, 横纵平均速度比为7.42倍，在注气点附近，横向和纵向扩展速度均达到最大值，分别为0.116m/h和0.118m/h；通道式气化以壁面燃烧气化为主，当横向扩展速度大于纵向扩展速度的11.4倍以上时，反应过程将失去稳定性；气化区中部（通道）附近的气样中H2和CO含量高于煤层气样中的H2和CO含量，因此通道壁面的还原反应是H2和CO的主要来源，CH4浓度分布的总体趋势是煤层气样中CH4浓度高于中部（通道）附近气样中的CH4浓度，说明CH4来源于煤层热解；煤层和岩层交界面到20cm高顶板处产生热弥散作用，距煤层20～40cm范围内热弥散作用明显，弥散角为45°；顶板中各测点均发生应力集中现象，最大集中应力约为0.6MPa，应力集中系数为2～2.5，沿通道方向上依次发生应力集中，时间延后，与温度场推进方向一致。

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