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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

西北煤水协同开采技术—“保水采煤”

来源:煤田地质与勘探

记者近日从中国矿业大学了解到,该校矿业工程学院范立民教授提出的“保水采煤”的科学理念和实现途径,经过持续研究和工程应用,初步建立了保水采煤科学技术体系,制定了比较完善的保水采煤标准规范体系,为西部地区大型煤炭基地环境保护和高质量发展提供了标准规范,形成了独具特色的研究领域。

西北地区是我国煤炭主产地,是国家能源安全的重要供给区。为了解决西部煤炭高强度、大规模开发与地下水、生态环境保护的突出矛盾,范立民1992年就提出了“保水采煤”的科学理念和实现途径,经过30余年在西部煤炭产区的实践,取得了骄人的业绩和战果,有效保护了西部采煤矿区的地下水系统和生态环境,促进了煤炭行业绿色矿区建设。

何谓保水采煤?范立民团队所著的《保水采煤的理论与实践》《保水采煤知多少》等专著已有详细表述。范立民告诉记者,通俗地说,就是在西北缺水地区的煤炭开采过程中,保护好地下的含水层结构,使含水层不受采煤扰动而发生开裂、错断现象,从而保护地下水系统及其功能。从专业角度讲,就是在干旱、半干旱地区煤层开采过程中,通过控制岩层移动,维持具有供水意义和生态价值含水层(岩组)结构稳定或水位变化在合理范围内,寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采技术。

近五年来,范立民团队构建了保水采煤标准体系,提出了制定包括国家标准、行业标准和团体标准、地方标准在内的完整的保水采煤领域标准规范;科学界定各类标准的范围和主要技术内容,既要相互衔接,又不互相冲突,形成比较完善的、合理的标准族群,以满足不同地区、不同地质条件开采区地下水、地表水资源保护需要;积极推动企业标准制定,调动企业积极性和主动性,促进标准体系的细化和落地实施。

2019年11月,范立民团队制订并发布的陕西省地方标准《保水采煤技术规范》(DB61/T1295-2019),对陕西各矿区推广保水采煤技术提供了标准依据,各煤矿企业在地下水、生态环境保护领域最早获益。标准发布后,内蒙古、山西、宁夏、新疆等省(自治区)和自然资源、生态环境、水利、能源等部门呼吁,尽快制定适用于全国的保水采煤标准。

记者了解到,2022年以来,范立民团队主持起草了《煤炭开采地质环境监测规范》(DB61/T1569-2022)、《保水采煤技术规范》(T/GRM 054-2022)、《保水采煤术语》(T/GRM 078-2023)、《煤矿导水裂隙带探测技术规范》(T/GRM 056-2023)和《煤矿采区含水层监测规范》(T/GRM 078-2023)等地方、团体标准,并发布实施,填补了我国在该领域的空白。团队主持起草的国家标准《煤矿区含水层结构保护技术规范》也已完成征求意见。

范立民告诉记者,上述标准中,最重要的是《保水采煤术语》和《保水采煤技术规范》两个标准。前者界定了与保水采煤相关的术语126条,其中引用或修订引用现行标准67条,新定义59条。后者界定了系列保水采煤技术,包括保水采煤地质条件分区方法、限高保水采煤技术、连采连充保水采煤技术、固体充填和膏体充填保水采煤技术、阶梯式充填保水采煤技术、采前或采后隔水层再造保水技术、底板注浆加固保水采煤技术和保水采煤效果监测技术等,可满足各类煤层赋存条件下采煤保水的迫切需要。

行业视野

采矿

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  • 作者(Author): 王双明, 魏江波, 宋世杰, 王生全, 孙涛

    摘要:煤炭开采活动导致的煤层顶板覆岩地质条件变化及采动裂隙发育是损害地下关键含水层的直接原因,也是造成矿区生态环境退化的根源。煤层顶板覆岩结构中发育的厚砂岩作为一种典型的地质条件,其对覆岩采动裂隙的发育规律具有重要的影响。为此,在分析研究区主采煤层赋存地质条件及其分布规律的基础上,选择陕北煤炭开采区曹家滩煤矿主采2-2煤层顶板覆岩为地质原型,采用FLAC3D数值模拟平台模拟分析了厚砂岩不同厚度和位置对覆岩采动裂隙发育形态和发育高度的影响,并以此提出了相应的“采煤保水”建议。结果表明:研究区2-2煤层顶板覆岩中厚砂岩平均厚度25 m,距2-2煤层平均间距76 m;厚砂岩距煤层30 m时,覆岩采动裂隙表现为“矩形—L形—马鞍形”的动态变化特征,距煤层70 m时表现为“L形—倒梯形—马鞍形”变化特征,距煤层大于95 m时全程表现为“马鞍形”特征;覆岩采动裂隙最大发育高度随厚砂岩层位的升高而先减小后增大;厚砂岩厚度H≥30 m、距煤层间距L>95 m,或H≥60 m、L>60 m时,可有效阻挡采动裂隙向上发育贯穿厚砂岩;在充分考虑厚砂岩对覆岩采动裂隙发育规律的影响,选择合适的空间位置和开采阶段进行合理的覆岩减损和保水防治,实现“边采边治、边采边护”的绿色开采模式。该研究成果可为黄河流域中游陕北煤矿区煤炭开采与生态环境保护协调发展提供理论指导。
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    煤田地质与勘探
    2022年第12期
    206
    220
  • 作者(Author): 范立民, 孙强, 马立强, 李涛, 陈海富, 蒋泽泉

    摘要:保水采煤研究是我国西北部生态脆弱矿区水资源保护与煤炭高质量开发的理论基础和依据。针对西北部生态脆弱矿区高强度开采对含水层及生态系统的影响和损害问题,阐述了保水采煤的发展历程和科学内涵,保水采煤研究经历了萌芽期、形成期、发展期和成熟期4个阶段,目前已经形成较为完善的技术体系,主要表现在保水采煤理念被广泛接受,保水采煤技术广泛推广应用,保水采煤的效果监测体系已经建成,保水采煤的标准规范体系初步形成。研究认为保水采煤的核心目标是保护具有供水或生态意义的目标含水层结构基本稳定。通过研究分析采煤对含水层扰动评价技术、保水采煤地质条件分区技术和导水裂隙带发育高度预测技术等8项综合保水采煤技术的技术原理、适用条件及工程应用效果,构建了保水采煤的技术体系研究基本框架,为我国西部大型煤炭基地绿色开采、科学开采提供理论与技术支撑。
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    煤田地质与勘探
    2023年第01期
    103
    134
  • 作者(Author): 范立民, 孙魁, 李成, 宁奎斌, 冀瑞君

    摘要:为了科学解释榆神矿区矿井涌水量较大的涌(突)水事件,为煤矿防治水奠定基础,分析了近年来区内发生的突水事件及矿井较大涌水情况,提出矿井较大涌水形成机理、红土层水文地质性质、矿井涌水量预测的准确性等疑问,阐述了突破“井田”范围,从区域上研究地下水系统和突水水源,关注延安组、直罗组、安定组、洛河组等砂岩弱富水性含水层,从导水裂隙带中寻找突水水源,科学评价各岩(土)层的水文地质条件,采动岩层(含水层)渗透性演化以及探索矿井水害源头预防和区域治理思路等几点思考,提出应该从区域上认识水文地质条件及对煤矿涌(突)水的“贡献”,揭示矿井较大涌水形成机理,进一步加强水文地质补充勘探,准确识别含水层、隔水层及其空间赋存关系,探测大采高、大采面环境下导水裂隙带发育规律,并提出从区域上识别地下水强径流带和局部富水区的基础上,制定矿井水害防控措施的思路,为榆神矿区煤矿水害防治提供借鉴和帮助。
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    煤田地质与勘探
    2021年第01期
    1559
    722
  • 作者(Author): 李恒, 何滔, 郭宾

    摘要:水资源保护与煤炭资源开采是西北地区面临的重要问题。保水采煤是西北地区实现煤炭资源与水资源协调发展的重要技术,其中隔水层稳定性评价是保水采煤技术的首要关键问题。针对西北生态脆弱区煤层埋深浅,地形切割强烈,近地表含水层变化较为复杂,传统的隔水层评价方法与实际水文观测情况存在较大误差等问题,提出采用三维地质建模和数值模拟相结合的方法以实现浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的精准评价。首先根据勘探信息和地形等值线构建直观可靠的三维地质模型以精细刻画地形切割及浅层含水层的复杂变化,然后选择典型工作面开展数值模拟分析煤层采动覆岩破坏特征以获取三维煤层模型各煤层点导水裂隙带高度,最后利用三维地质块体模型从全三维角度计算各煤层顶板点导水裂隙带高度与含水层覆岩厚度之差作为保水开采隔水层稳定性评价依据。以内蒙古鄂尔多斯满都拉煤矿为例,通过搜集区内36个钻孔柱状图与地形地质图构建精细化的三维地质模型并计算隔水层的稳定性。与2个井下积水区观测结果对比发现,传统方法计算的隔水层不稳定区未能准确反映南侧工作面充水区,而新方法计算的隔水层不稳定区更加精细,充分反映了第四系含水层受地形切割、风化、剥蚀的影响作用。研究结果表明,基于三维地质建模的浅埋煤层隔水层稳定性评价方法相对传统评价方法更能直观、精准刻画浅埋煤层采动对含水层的影响且适应性更强,能为保水开采提供精细化的评价指标。
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    煤田地质与勘探
    2023年第11期
    59
    32
  • 作者(Author): 赵春虎, 王世东, 姬中奎, 朱开鹏, 杨建, 许峰, 蔚波

    摘要:我国蒙陕接壤深部矿区主采煤层赋存地质与水文地质特征较之浅部矿区差异较大。文章通过系统分析呼吉尔特、台格庙、新街等蒙陕深部矿区主采煤层地质、水文地质特征以及采动导水裂隙等相关研究成果,总结出巨厚白垩系孔隙−裂隙含水层作为矿区保水目标层,在侏罗系安定组砂质泥岩弱隔水关键层间隔保护下,在煤层开采驱动下易形成典型的间接涌(失)水模式。并以研究区案例矿井为分析对象,数值模拟深部煤层开采过程中地下水流场变化规律。结果显示,煤层回采扰动下地下水流场以采掘空间为中心形成降落漏斗,并随着回采进尺的增加,降落漏斗影响范围与工作面总涌水量均增加,上部白垩系含水层越流失水量增加幅度小于总涌水量增加幅度,模拟结果与案例实测结果基本一致。最后,针对深部煤炭资源开采与研究区水源地保护“煤−水矛盾”问题,以保护白垩系含水层地下水水位为目标,提出以白垩系为回灌层、安定组顶部为终孔层位、注水井尽量远离煤矿区为基本原则的白垩系含水层地下水水位钻孔注水帷幕保护思路。并模拟分析案例矿井在正常开采与注水帷幕墙体建设条件下白垩系含水层地下水流场的变化规律,结果显示“钻孔注水帷幕”在低渗透性含水层水位保护具有较好的可行性,对于深部矿区煤层开采顶板水资源保护具有借鉴意义。
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    煤田地质与勘探
    2023年第05期
    169
    61
  • 作者(Author): 李颖, 杨卓, 吴桐

    摘要:为抑制疏干排水造成的地下水水资源量衰减,并控制露天煤矿煤炭开采对地下水资源的影响范围,采用了水帷幕保水采煤技术。以某露天煤矿为背景,建立沙槽回灌平台进行物理实验,再通过数值方法对回灌区进行模拟计算,分析疏干–回灌水帷幕的形成和变化规律。物理实验方法观察到回灌水帷幕形成定水头边界,阻止漏斗扩展的过程,获得不同回灌水帷幕水头高度对注水量的影响和注水量与排泄量平衡的最佳水头。数值模拟获得物理模拟类似的结果,回灌水帷幕位置可以有效限定疏干降落漏斗范围,回灌水帷幕定水头高度与疏干区水位和疏干时间正相关;最大回灌量受帷幕定水头高度影响显著;回灌水帷幕距离采坑越远对阻隔帷幕外水源补给的作用越大。物理模拟和数值模拟表明,改变回灌水帷幕的位置或水头高度都可以使得矿坑的排水量与帷幕的注水量相等,这就可以最大限度减少疏干水的外排水量。研究表明,疏干–回灌水帷幕可望成为我国露天煤矿区保水采煤的实用模式。
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    煤田地质与勘探
    2021年第06期
    134
    206
  • 作者(Author): 娄高中, 谭毅

    摘要:导水裂隙带高度是西部矿区保水采煤的理论依据和关键参数。近年来,BP神经网络广泛应用于导水裂隙带高度预测,但BP神经网络存在收敛速度慢、易陷入局部极小等问题。为提高导水裂隙带高度预测的准确性,利用粒子群优化算法(PSO)对BP神经网络的权值和阈值进行优化,建立基于PSO-BP神经网络的导水裂隙带高度预测模型。选择开采厚度、开采深度、工作面倾斜长度、煤层倾角、覆岩结构特征为导水裂隙带高度主要影响因素,选取22例导水裂隙带高度实测数据对PSO-BP神经网络进行训练,将训练后的PSO-BP神经网络对2 例测试样本的预测结果与实际值进行对比,并与BP神经网络预测模型及经验公式预测结果进行对比。结果表明:PSO-BP神经网络预测模型的平均相对误差为1.55%;BP神经网络预测模型的平均相对误差为4.8%,经验公式的最小相对误差为9.4%,PSO-BP神经网络预测精度明显优于BP神经网络和经验公式,且绝对误差和相对误差变化较稳定,可以有效预测导水裂隙带高度。
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    煤田地质与勘探
    2021年第04期
    279
    88
  • 作者(Author): 赵春虎, 王皓, 靳德武

    摘要:陕北榆神矿区煤层开采面临顶板水害防治与水资源协同保护技术需求,根据材料力学、断裂力学相关理论,以及不同覆岩类型的采动裂隙带统计成果,提出基于预裂–注浆改性(P-G)的煤层顶板失水控制技术思路,其基本原理为通过压裂工艺将连续性好的基岩层压裂成非连续性岩层,削弱采动导水裂隙在坚硬岩层中向上扩展的“尖端效应”,抑制导水裂隙发育高度。再采用黏土类软弱注浆材料将岩层改性为相对软弱的岩层,起到抑制导水裂隙带向上发育与降低上覆岩层导水能力的双重作用,从而实现煤层顶板含水层失水控制。本文以陕北能源基地榆神矿区为对象,提出以采煤工作面地质与水文地质条件分析,采煤工作面顶板含水层涌(失)水模式识别,P-G模式、层位与时间确定,顶板岩层水平孔水力压裂与注浆改性为主要思路,对榆神矿区采煤工作面顶板含水层失水控制方法进行了探讨,为我国陕北能源基地榆神矿区顶板水害防治和水资源协同保护技术实践提供一定的借鉴。
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    煤田地质与勘探
    2021年第02期
    717
    135

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