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课题设置情况

课题四:大型煤电基地水资源保护关键技术

来源:      发布时间: 2016-09-29      作者:

东部草原区煤炭开采模式是以大型露天矿为主(占开采规模的90%以上),由于其采区地下水流场影响规律、露天采场空间布局、地表生态破坏形式等均与我国西部大型现代化井工开采不同,所以在西部草原区应用于井工矿的实践研究成果不能完全适用东部草原区的需求;同时,诸如地下水资源保护的地质评价、含水层保护与再造、地下水储存方法、洁净处理工艺、水资源循环利用等涉及大型煤电基地水资源保护的关键技术与方法在东部草原区缺乏系统的研究和实践。因此,系统的开展适用于我国东部草原区大型煤电基地的水资源保护关键技术开发与试验,对我国东部草原区大型煤电基地开发区域的生态安全保障、生态修复与综合整治具有重要支撑作用,对保障我国北方草原区大型煤电能源开发并推进大型露天矿区可持续开发都具有重要的战略意义。

4.1 研究目标

针对我国东部草原区大型煤电基地开发水资源环境条件和煤炭开采扰动特点,以大型煤电基地的生态稳定性与区域生态安全为目标,以水资源科学保护与合理利用为主线,突出“保护水量、保障水质、循环利用”三个重点,突破地下水资源保护地质基础条件评价、地下水原位保护方法、地下水资源保护基础工程设计、地下水洁净保存、水循环利用等大型煤电基地的水资源保护利用技术难点,构建适用于东部草原区大型煤电基地开发的水资源保护模式与技术支撑体系。

4.2 主要研究内容

本课题将基于项目重大科学问题东部草原区大型煤电基地的“长期高强度开发对草原水环境的扰动影响及宏观累积效应”研究,着眼“大型煤电基地的生态稳定性与区域生态安全”中水资源保护技术重点方向,通过研究地下水资源地质保护评价、地下水含水层保护与再造、露天煤矿区分布式地下水库建设、露天矿区地下水库洁净储水与循环利用等技术与方法,形成系统提升东部草原区大型煤电基地生态(水)稳定性水平的水资源保护技术。具体研究内容如下:

(1)开采扰动下地下水资源地质保护评价方法

研究煤矿区域气象水文、地形地貌、岩层地质、采掘区和工业场地空间分布特征,分析煤矿采损区及周边水文地质和工程地质条件,揭示开采扰动下的采损区及周边地下水地下水动力场变化规律和趋势,提出面向水资源保护的水资源存储空间地质适宜性和风险性评价方法;针对水资源存储空间地质影响因素的复杂性,开展示范应用,研究其影响因素和机理,以适用性和有效性为原则,优化指标体系和评价方法,形成一套煤电基地开采扰动下地下水资源地质保护评价体系。

(2)开采扰动下的地下水系统保护与含水层再造技术

研究煤炭高强度开采下岩层破断运移与导水裂隙演化规律,揭示采动覆岩渗流场的时空演化过程及空间分布规律;研究采动覆岩导水裂隙在水-气-岩耦合作用下发生自我修复愈合的机理及其演变规律,提出采动覆岩导水裂隙自修复区域的判别及其渗透性评价方法。基于开采强度与覆岩导水裂隙演化特征之间的关系,研究减缓导水裂隙发育开度、降低导水裂隙延生高度、加快导水裂隙闭合速度的合理开采工艺与强度;基于煤炭开采对井上下水源径流的影响,设计增强区域水源富集的合理开采布局与时空接替顺序。针对长期难以修复的裂隙分布范围,从改变地下水或采空区气体的成分与含量等的角度,研究人工引导裂隙自修复的含水层再造技术。

(3)露天煤矿区地下水保护分布式水库建设技术

研究露天煤矿区地下水保护的分布式水库建设关键技术。提出多种“防渗-地下坝体复合结构”型式及其建设技术,用于对开采扰动地层(包括含水层)进行再造,并对地下防渗及分布式水库的空间布置进行优化。结合开采扰动后地层改造后的水文地质和工程地质条件,提出分布式水库储水机制及储水库容,研究不同工况下(静力学与动力学)地下“防渗-地下坝体复合结构”的稳定性评价方法。开展物理数值模拟研究,研究库底变形和渗漏变化情况。在此基础上,提出露天煤矿分布式地下水库整体安全性评价指标及其评价方法。

(4)露天煤矿地下水库的矿井水洁净储水技术

开展研究区水文地质、矿井水形成和排放、污染组分来源等研究,揭示矿井水分布、迁移和聚集规律,建立矿井水中风险因子识别方法。结合地下水库充填物理化性质和结构特征,研究地下水库处理处理净化矿井水中污染物机制,提出地下水库储存处理矿井水的安全风险评价方法。针对主要污染组分,考察矿井水处理单元对主要污染组分的去除效应及主要影响因素,分析研究特定污染因子的最佳处理单元与操作运行条件;针对矿井水回用的风险因子及其控制要求,提出与之相适应的矿井水处理优化工艺。

(5)面向生态的水资源多目标优化配置与调控方法

以井上下联合处理工艺储水水量和水质为基础,以大型煤电基地及周围用水需求为导向,构建研究区水资源联合调度管理模型;基于水资源供给保证率最高、外排水量最小和供水成本最低的目标,以生态环境、地下水位、水量和水质等为主要约束条件,建立适合东部草原区大型煤电基地水资源保护和可持续利用的水资源调控技术,实现基于生态环境保护和矿井水综合利用的经济和环境效益最大化。

(6) 大型煤电基地水资源保护利用技术集成研究

针对大型煤电基地水资源保护与利用,集成开采扰动下含水层保护、地下水洁净储水、地下水库建设等关键技术,提出经济和环境效益最优化的环境适宜与和协同技术。

4.3 拟解决的重大科学问题或关键技术问题

(1)基于高强度开采驱动下破裂岩体稳定性与地下水渗流场、动力场演变规律,构建煤电基地采损区地下水资源保护与再利用模式;

(2)根据露天开采采损区修复的工艺特点,研发利用矿坑复垦重构地下含水层的分布式地下水库蓄水技术;

(3)基于井工开采破裂岩体的“水-气-岩”耦合修复机理,研发人工引导裂隙自修复的地下含水层原位保护技术。

4.4 考核指标及评测手段/方法

(1)构建适用于东部草原区大型煤电基地的水资源保护理论与关键技术;

(2)编制露天煤矿分布式地下水库建设技术规范1 套;

(3)在国内外学术期刊上发表高水平学术论文10-15 篇,其中SCI 收录不少于5篇,申请国家发明专利5~6 项;

(4)培养博士研究生4~5 人,硕士研究生10~12 人。

评测手段/方法:考核指标(1)、(2)采用专家论证会的方式进行评测;考核指标(3)、(4)以专利证书、学术论文、专著、研究生学位论文数量进行评测。

4.5 参加单位任务分工

课题牵头单位:神华集团有限责任公司

课题参与单位:中国矿业大学、清华大学、中煤科工集团西安研究院有限公司、神华地质勘查有限责任公司

课题负责人:张建民,神华集团有限责任公司

课题任务分工:

子课题1:开采扰动下地下水资源地质保护评价方法,由神华地质勘查有限责任公司承担;

子课题2:开采扰动下的地下水系统保护与含水层再造技术,由中国矿业大学承担;

子课题3:露天煤矿区地下水保护分布式水库建设技术,由清华大学承担;

子课题4:露天煤矿地下水库的矿井水洁净储水技术,由中煤科工集团西安研究院有限公司承担;

子课题5:面向生态的水资源多目标优化配置与调控方法,由神华集团有限责任公司承担;

子课题6:大型煤电基地水资源保护利用技术集成研究,,由神华集团有限责任公司承担。