《煤炭学报》专题报道丨“关闭/废弃矿井资源开发利用研究”

随着我国能源供给侧结构性改革的深入以及能源产业淘汰落后产能工作的持续推进，加之华东、东北地区部分能源资源逐步枯竭，部分矿井已到达其生命周期，也有部分矿井不符合安全生产要求，或开采成本过高而亏损严重，正面临关闭或废弃，导致废弃矿井数量逐步增加。直接关闭或废弃此类矿井不仅会造成资源的巨大浪费和国有资产流失，还有可能诱发后续的安全、环境等问题。据调查，目前我国已关闭/废弃矿井中赋存煤炭资源量高达420亿t、非常规天然气近5000亿m3、地下空间资源约为72亿m3，并且还具有丰富的矿井水资源、地热资源、旅游资源等，这使得关闭或废弃矿井资源的综合开发利用成为我国面临的新课题、新难题。为便于大家了解“关闭/废弃矿井资源开发利用研究”领域的最新科技成果，小编按照见刊时间，整理了该领域近几年在《煤炭学报》已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 煤炭学报
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我国闭坑煤矿矿井水水质演化研究进展与展望

作者(Author)：张海涛, 许光泉, 陈晓晴, 李旭, 翟晓荣, 李洋, 李子璇

摘要：随着我国煤矿矿井关闭数量的逐渐增加，闭坑矿井水水质恶化和污染问题日益突出，准确掌握闭坑矿井水水质演化规律及机制，是目前闭坑矿山可持续绿色发展的重大科学难题，也是地下水污染有效防控和水资源合理开发利用的重要前提。在回顾关闭矿井发展历史的基础上，首先阐述了我国关闭矿井的分布情况，之后分别对闭坑矿井水水质特征、水质演化规律及水质演化的多场作用等方面展开综述，最后对我国闭坑矿井水水质研究中存在的关键问题和应用方向进行了展望。研究结果表明：① 截至2023年底，我国关闭矿井的数量已经上升到13 000多个，主要分布在山西、河南、河北、山东、江苏和安徽北部等地区；② 我国部分闭坑矿井水的pH、矿化度、硫酸盐、氟化物和铁锰重金属等水质指标含量超过Ⅲ类水标准，其中酸性矿井水(pH<6.5)主要分布在云贵、鲁西、山西等地区，高矿化度矿井水(TDS>1 000 mg/L)主要分布在鲁西、山西、河南、两淮、蒙东、宁东、新疆等地区，硫酸盐矿井水(硫酸盐质量浓度>250 mg/L)主要分布在云贵、鲁西、山西、蒙东、宁东、神东、新疆哈密等地区，氟化物矿井水(F质量浓度>1.0 mg/L)主要分布在两淮、山西、神东等地区，铁锰重金属矿井水(Fe质量浓度>0.3 mg/L、Mn质量浓度>0.1 mg/L)主要分布在云贵、鲁西、山西、蒙东等地区。③ 在闭坑矿井被完全淹没之前，其水质在空间上会出现明显的分层现象，即浅部的优质水层、中部的过渡水层和深部的劣质水层，这主要与矿井采掘空间分布、地温梯度和盐度等因素有关。④ 煤矿关闭后，矿井水水质的演变过程大致可分为3个阶段，第Ⅰ阶段为矿井水中典型污染物(硫酸盐和铁离子)质量浓度快速上升达并到峰值阶段，第Ⅱ阶段为污染物浓度快速下降阶段，第Ⅲ阶段为矿井水水质与邻近含水层地下水水质背景值相同并保持相对稳定阶段。⑤ 系统总结了我国闭坑矿井水动力场、水化学场、微生物场和温度场的研究进展，指出了闭坑矿井多相(水−岩−气−生)多场(水化学场−水动力场−微生物场−温度场)耦合作用机制的研究还不充分。⑥ 提出了我国闭坑矿井水水质演化问题的研究仍然面临着水质演化规律和水质演化机制不清楚等关键科学问题。

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煤炭学报

2024年第09期

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13
某废弃煤矿区土壤重金属污染风险评价

作者(Author)：张永康, 曹耀华, 冯乃琦, 刘岩, 张耀, 王庆, 刘佳

摘要：煤矿在开采过程中产生大量煤矸石、洗煤水等废弃物，其中的重金属污染物经沉降、径流、淋滤等作用迁移、扩散至周边水土环境中，对生态环境构成威胁。为研究某废弃煤矿区土壤重金属污染状况，评价重金属污染生态风险，检测了该矿区煤矸石、水、土壤样品中Cu、Pb、Zn、As、Cr、Ni、Hg、Cd元素质量分数，利用单因子指数法和潜在生态危害指数法分别分析了土壤重金属污染状况和潜在生态风险；重点分析了矿区洗煤厂下游土壤重金属污染特征，并采用改进BCR连续提取法分析了洗煤厂下游土壤样品重金属元素(Cu、Zn、Cd)形态，借鉴风险评价编码法评价了重金属元素的生物有效性和环境风险。结果表明：① 以平均值计，废弃煤矿区煤矸石中重金属质量分数较低，仅Cr元素质量分数稍高于土壤中的质量分数，且煤矸石中重金属元素质量分数均未超过相应的农用地土壤风险筛选值，对矿区土壤重金属污染影响小。② 废弃煤矿区土壤重金属超标元素为Cu、Zn、Cd、Ni、As，Cu、Zn、Ni和As元素污染较轻微，Cd元素污染较严重；Cu、Zn、Ni元素污染区主要集中在矸石山西部和东南部地块，在空间分布上有一定重合；As元素污染分布在矸石山东北部地块，Cd元素污染在矿区广泛分布，以中度–重度污染为主。③ Cd、Hg元素存在潜在生态危害风险，Cd元素潜在生态危害风险程度高，重金属元素综合潜在生态危害风险等级较高，主要为中等−强风险。④ 洗煤厂下游区域沿水流方向土壤重金属元素总体呈递减趋势，Cd元素污染较严重，Cu、Zn、Ni、As元素污染集中在洗煤厂下游200 m内，剖面样品中垂向方向上重金属元素质量分数呈递减趋势，在垂向上没有累积。⑤ 矿区地下水水质较好，矿井排水重金属元素质量分数及pH满足Ⅲ类地表水水质标准限值，矿井水外排对周边土壤重金属污染影响小。⑥ Cu和Zn元素酸可提取态占比低，生物有效性低，Cd元素酸可提取态占比高，呈高度风险–极高风险，生物有效性强，环境风险高。基于矿区重金属污染现状，建议进一步加强土壤重金属污染防治工作，加强源头治理、农产品食品安全监测和Cd元素污染调查研究工作。

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煤炭学报

2024年第07期

311

4
关闭/废弃矿井抽水蓄能开发利用现状与进展

作者(Author)：文志杰, 姜鹏飞, 宋振骐, 李利平, 蒋宇静, 梁桐凯

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。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题，新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展，但生态保护与地形等因素制约了传统抽水蓄能电站发展。关闭/废弃矿井，由于具有丰富的地下空间及水资源，可创新性地开发抽水蓄能并延长矿区的经济寿命，降低对环境与经济的负面影响。为助力建立适合我国国情的废弃矿井抽水蓄能利用模式和管理体系，通过文献分析法综述了国内外废弃矿井抽水蓄能技术研究与应用进展。详细阐述了关闭/废弃矿井抽水蓄能技术原理、分类及其优缺点；总结了关闭/废弃矿井抽水蓄能电站利用模式，并在前人研究基础上对选址要素进行了修订；梳理了关闭/废弃矿井改建抽水蓄能电站的水−气两相流动特性、水泵水轮机工况特性、地下空间围岩稳定性及地下蓄水空间体积测算等的研究现状，明确了水泵−水轮机关键技术、地下空间稳定性控制关键技术等亟待解决的技术难题。此外，对关闭/废弃矿井抽水蓄能相关的生态与环境保护、市场需求与经济效益、政策与法规等研究成果进行了广泛的文献综述。发展关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能技术可为我国井下空间资源利用提供思路，为保障国家能源安全与经济社会高质量发展提供新途径。

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煤炭学报

2024年第03期

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全清洁能源下的高品质矿区能源系统配置优化方法

作者(Author)：梁睿, 李嘉翔, 巩敦卫, 黄宏旭, 梁凯泽, 刘海龙, 李晓

摘要：面向“30·60”双碳目标，矿区能源利用方式的绿色、经济、高效转型成为我国能源革命的迫切需求。西部矿区拥有丰富的可再生能源资源禀赋，但仍面临着可再生能源就地消纳困难，电力设备投资成本高、利用率低以及外送输电通道有限的困难。为提升矿区用能清洁化程度，提升矿区能源供给的稳定性与可靠性，增强矿区对外部电网的支撑能力，提出全清洁能源下的高品质矿区能源系统(High-quality Coal Mine Energy System, HCMES)及其配置优化方法。首先，考虑西部矿山综合能源系统的负荷特点与伴生能源利用，结合可再生能源发电与废弃矿井抽水蓄能，构建全清洁能源下的HCMES架构。其次，考虑到矿区生产全流程负荷的需求响应能力，考虑系统的能量平衡约束，提出全清洁能源下的高品质矿区能源系统优化配置模型。最后，以系统年平均综合成本最小化为目标，将原问题转化为混合整数线性规划模型，求解生成高品质矿区能源系统优化配置方案。以我国西部某年产煤量1200万t的矿区实际数据为实例，验证所提模型与方法的有效性，并分析可再生能源出力与生产负荷需求不确定性对系统优化配置结果的影响。算例仿真设置了4种矿区能源系统配置方式：不配置储能、配置抽水蓄能、配置电化学储能、配置抽水蓄能(不外购电能)。结果表明，所提出的HCMES相较于其他配置方式可减少电气一次设备投资11.11%，相较于方式3可降低年平均综合成本7.91%，且最多可减少矿区生产用能总二氧化碳排放量91.17%。

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煤炭学报

2024年第03期

153

8
关闭/废弃煤矿甲烷排放研究现状及减排对策

作者(Author)：梁运培, 李左媛, 朱拴成, 陈强, 王鑫, 秦朝中

摘要：全球正向低碳能源结构转型,加之煤矿资源枯竭、瓦斯灾害等问题,关闭/废弃煤矿数量快速增加。煤矿关闭退出后,采空区残存甲烷持续向地面逸散,成为温室气体重要排放源。针对关闭/废弃煤矿甲烷残存量、排放速率、减排措施等系列问题,通过大量文献调研、梳理,明确了国内外关闭/废弃煤矿数量及高瓦斯矿井分布,归纳总结了采空区残存甲烷来源及残存量的估算方法,并借鉴天然气成藏研究领域中甲烷地质渗漏理论与研究方法,分析了残存甲烷排放机制及监测手段,最后提出了残存甲烷减排对策及面临挑战。研究发现:我国山西、贵州、重庆、湖南、江西等地区存在大量关闭/废弃煤矿,且残余煤主要是具有强甲烷吸附力的无烟煤,导致矿井残存甲烷量大,成为重要甲烷排放源;关闭/废弃煤矿甲烷从残余煤中解吸释放至采空区,然后经由井口、采动裂隙等通道排放至大气;通过卫星遥感、通量室法、地球化学探针法、微气象技术等手段,可实现对煤矿甲烷排放的有效监测。基于甲烷排放预测模型预测,到2050 年关闭/废弃煤矿排放甲烷在煤炭开采释放甲烷总量中占比可能超过20%,解决关闭/废弃矿井甲烷排放问题刻不容缓。为此,提出了抽采利用、原位爆燃发电、微生物降解甲烷、注水淹没、甲烷排放通道封堵等减排对策,综合考虑减排成本、甲烷排放持续时间、地下水污染等限制性因素,认为采用矿化修复方法封堵覆岩采动微裂隙,可低成本实现关闭/废弃煤矿甲烷减排目标。

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煤炭学报

2023年第04期

327

244
废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网关键技术及瓶颈问题

作者(Author)：王浩, 李斌, 王雨婷, 李绍令, 张国澎, 杨大山, 白利军, 王聪

摘要：从废弃矿井残留能源与空间资源协同利用出发,在废弃矿井绿色低碳多能互补体系框架下,统筹考虑废弃矿井采空区煤层气开采活动用电需求与采煤沉陷区可再生能源发电潜力,以及低浓度瓦斯发电和储能作为补充,提出探索构建集成风−光−气−储的废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统。相较于普通直流微电网,低系统惯量、弱电网连接、分布式发电随机波动和周期变工况负荷大扰动等多重不利因素叠加使得废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统稳定运行面临更加严峻的挑战。为此,有必要围绕废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统这一废弃矿井残留能源与空间资源协同利用潜在场景涉及的关键技术及背后的瓶颈问题展开系统梳理与探讨。首先,阐述了废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统的拓扑结构与组成单元,并从能量流动模型出发探讨了在寻求系统容量优化配置过程中需要考虑的约束条件。接着,提炼出煤层气抽采机电动机周期变工况负荷分析、低浓度瓦斯发电机气−电转换环节耦合、电压稳定控制及协调运行等破解废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统可靠稳定及协调运行难题涉及的关键技术,总结和回顾了已有研究进展,分析了目前工作存在的难点和问题,同时探讨了可能的解决方法及后续工作建议。进一步指出亟待攻克低浓度瓦斯发电机气−电耦合长时间尺度与风光储短时间尺度联合建模,以及低惯量、弱连接、大扰动等多重不利因素作用导致的电压振荡机理等关键技术背后的核心瓶颈问题。最后,从已有工作基础、研究进展及经济效益评估等方面展望了构建废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统的可行性及应用前景。

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煤炭学报

2023年第04期

161

276
关闭矿井次生沉陷监测、预测与稳定性评价研究进展和展望

作者(Author)：陈炳乾, 刘辉, 李振洪, 郑美楠, 于洋, 余昊, 秦璐, 杨家乐, 杨宇

摘要：近年来由于部分矿区煤炭资源枯竭和国家去产能政策的出台,大量矿井被关闭。矿井关闭后,采动破裂岩体在应力、地下水等多种因素的作用下发生风化劣化、强度降低,将改变废弃采空区内破裂岩体的应力和承载能力,导致地表发生二次形变或多次形变,这种由非直接采动引起的覆岩及地表沉陷,称为次生沉陷,将对地表工程建设和人民生命财产安全造成巨大的潜在威胁。在回顾关闭矿井发展历史的基础上,首先阐述了关闭矿井的地理分布,之后分别对关闭矿井次生沉陷监测、预测方法和煤柱稳定性评价方法等方面展开综述,最后对关闭矿井次生沉陷灾害研究存在的问题和研究热点进行了展望。研究结果表明:1 目前我国关闭矿井数量众多,仅在 2016—2020 年间就退出 5 243 处,退出产能 87 538 万 t。 2 常规的关闭矿井沉陷监测方法虽然精度高,但存在工作量大、费用高、难以获取面域信息等缺陷,而基于 InSAR 技术的地表沉陷监测不仅可以获取高精度、大范围当下时间序列形变信息,还可以对已发生形变进行溯源监测,基于时域反射计和微震监测仪的地下岩层移动变形监测可以实时、高密度获取岩层移动形变信息。 3 对于复杂地质采矿条件,数值模拟法预测的关闭矿井地表次生沉陷可靠性较高,但其建模过程复杂、参数选取困难;对于简单地质采矿条件,解析法求解精度和效率更高。 4 柱式开采煤柱应力与采空区尺寸有关,当采空区尺寸与采深比在 3 ~ 4 时,可用从属面积理论计算煤柱应力,否则需要考虑压力拱。剥离破坏模型考虑了矿柱尺寸随时间的变化,并且其在理论上解释了矿柱宽高比对矿柱长期稳定性的影响, 同时矿柱剥离破坏模型能够较好地区分稳定和失稳煤柱。 5 关闭矿井次生沉陷灾害问题的研究仍面临沉陷规律及其机理、煤柱长期强度变化规律和煤岩体风化劣化机理不明确等关键科学问题。

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煤炭学报

2023年第02期

270

671
双碳目标下废弃矿井绿色低碳多能互补体系建设思考

作者(Author)：袁亮, 张通, 张庆贺, 江丙友, 吕鑫, 李姗姗, 付强

摘要：双碳战略目标下煤炭行业高质量发展迎来新的机遇与挑战，充分释放废弃矿井负碳增能潜力，创新风、光、水、热等新能源开发利用耦合新型物化储能协同发展模式，推进绿色循环低碳能源体系稳定发展。应对清洁能源稳定供给与煤炭工业净零发展挑战，提出废弃矿井绿色低碳多能互补体系，集成全息地质结构重构、多种能源融合、物化联合储能、碳固结利用、多网智慧调控、智能应急救援的产-储-固智慧新型负碳绿色能源供储体系，以地表地下联合空间为载体，多源数据融合数字孪生技术为支撑，风险智能判识预警与灾害应急救援为保障，实现废弃矿区多维度分级分类分区域联动清洁能源生产、储备、供给与碳捕集、封存、利用。凝练了废弃矿井绿色低碳多能互补体系发展面临的数字工程地质、多场时空耦合演化、功能地层空间维稳、风险超前精准预警和智能应急抢修救援等 5 个关键科学问题，提出了数字孪生工程原态场景、工程扰动多场耦合灾变演化、创新多能互补技术体系、CO2 工程封存与生态碳汇、分布式智能电网建设、数字风险预警系统和应急救援技术装备等7个主要研究方向，将为实现清洁能源稳续供给、碳永久封存、能-碳平衡循环发展，保障国家能源安全与经济社会高质量发展提供新途径。

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煤炭学报

2022年第06期

618

656