返回重点实验室网站

项目简介

  • 项目总体情况
  • 课题设置情况

课题设置情况

课题三:大型煤电基地采排复一体化与土壤重构关键技术

来源:      发布时间: 2016-09-29      作者:

东部草原地区丰富的煤炭资源和偏远的地域条件决定了建立大型煤电基地成为地区能源发展的必然选择。针对大型露天煤电基地的开发形成了大面积的矿坑、排土场和粉煤灰堆积场,造成大量土地挖损和压占,并导致区域大面积的土壤贫瘠化、地下水污染和破坏、植被和生态系统破坏、景观破碎,同时遗留下大量的边坡安全隐患风险,运用时效边坡、地层重构、土壤重构等理论,在煤电基地生态保护方面突破生态减损开采、无害化排弃、低成本复垦等核心技术。

3.1 研究目标

课题针对大型煤电基地建设给草原区脆弱生态系统带来的影响,为满足国家对能源和生态保护的双重需求,以蒙东地区大型煤电基地建设为背景开展采排复一体化与土壤重构技术研究。项目研究成果将有助于实现蒙东草原区矿产资源开发与生态环境保护的协调统一,有力地促进区域经济发展和我国北方生态安全屏障建设,保障北方边疆和少数民族地区的稳定和谐发展。

3.2 主要研究内容

本课题将针对指南“土壤重构”关键技术研发要求和项目露天矿生态减损型采排复一体化关键技术、排土场松散土岩混合体物理力学性质重塑与地层重构关键技术两大目标开展研究,将电厂燃料供应和粉煤灰排放与露天矿生产统筹考虑,重点突破大型露天煤矿生态减损开采、基于煤电基地固体排弃物的地层重构、露天矿排弃与复垦季节性协调、排土场复垦区土壤重构、表土替代材料开发等技术。具体研究内容包括:

(1)基于露天矿时效边坡理论的生态减损开采技术

根据时效边坡理论中端帮暴露时间与边坡稳定性间的关系,设计极限边坡角度,研发靠帮开采-快速回填技术,缩小采场用地面积,缩短露天矿坑排水时间,减少露天开采对潜表层水资源及自然生态的影响。优化露天矿工作帮参数和采剥关系,实现采场快速延深和尽快内排,减少基建剥离量和外排土场用地;揭示排土场边坡角度、排土场高度、排弃土岩性质与排土场稳定性间的耦合关系,优化排土场参数,减少外排土场对土地和生态系统的破坏。

(2)基于大型煤电基地固体排弃物的地层重构技术

将露天矿剥离物和电厂粉煤灰等大型煤电基地主要固体排弃物统一纳入到地层重构范畴内。通过露天矿内排场原位试验和实验室压实固结试验,揭示内排土场松散物料在不同压力-含水率下物理力学性质随时间的变化规律和重塑岩体渗水性变异对地下水恢复的影响规律,掌握内排土场地下水渗流及有害成分运移规律,结合国家土壤和地下水质量标准,确定内排场各层位有害成分的安全上限、人工隔水层位置及参数,进而采用边坡稳定性、土壤质量及地下水质量作为约束维度优化内排土场物料排弃层序、工艺及参数;揭示外排土场对原地层的破坏与重构机理,研究基于边坡稳定的草原露天矿外排技术。研究粉煤灰的成分构成及其可能的生态危害,通过理论分析、室内实验和现场试验掌握粉煤灰及混合排放体物理力学性质重构机理,优化电厂粉煤灰无害化露天矿坑排弃的工艺及参数,揭示矿坑排灰作业与内排土场推进的耦合关系,研发以粉煤灰为主要骨料的人工隔水层构建关键技术。

(3)季节性作业条件下露天矿排弃与复垦协调技术

针对电厂常年稳定排灰和东部草原区露天矿季节性剥离之间的矛盾,和复垦停滞期可能发生的严重水土流失,协调排灰、剥离、复垦三者关系,研发环境污染与水土流失控制技术。通过现场试验测试和理论分析,确定草原露天矿特定气候和地貌条件下,水土流失模数、影响深度、复垦效果的季节性变化规律,揭示以复垦效果为导向,以水土保护为目标、以采排关系和工程进度为主要约束的草原露天矿生态复垦窗口期;揭示表土理化性质变化与堆存工艺、设备、时间等因素的关系,结合开采与排弃工艺生产能力,优化露天矿开采计划和采排参数,建立露天矿排弃-复垦工程年内时序规划,运用采矿的方法解决排弃复垦过程中气候和季节因素导致的水土流失。

(4)露天矿复垦区土壤重构关键技术

针对草原植被生长对土壤剖面构型及不同层次土壤的特性需求,通过理论分析、实验室模拟、现场试验等手段,结合复垦植被规划,研发以服务地表植被生长为目的的近地表(2m 以内)土壤剖面精细化构型;露天矿生产过程中,统筹考虑煤电基地主要固体产物,以开采剥离物、电厂粉煤灰、改良添加剂等为原材料,优选针对性的土壤层次构造材料。以露天矿采排作业为手段,研发表土无损采集技术和减少表土压实、贫化、营养元素流失等使用过程损失的表土资源减损技术,形成大于两层的土壤剥离、堆存与回填工艺与技术。

(5)蒙东草原区表土低成本替代材料开发

系统分析草原区露天矿上覆岩土层的肥力、结构、污染等特征,统筹考虑大型煤电基地主要固体产物性质,提出表土替代材料优选准则;结合东部草原区气候特点和水文、土壤、植被特征,以大型煤电基地的剥离物、残次资源、粉煤灰等大量产物的合理配比为基础,通过添加结构性改良物质,研发适合蒙东草原区环境的低成本表土替代材料。在此基础上针对表土替代材料与原生表土的差异,研发添加营养物质、PH 调节、快速

熟化等改良技术,为露天开采矿区生态修复材料生产提供支撑。

(6)草原区大型煤电基地生态减损型釆排复一体化工艺

揭示矿山巨量矿岩开挖、运移、排卸作业对矿区生态系统的影响规律,从露天矿工艺选择、设备选型、开采参数、开采程序、开拓运输系统、总平面布置等方面集成研究降低草原区露天开采生态损害的技术体系。在此基础上,将大型煤电基地主要固体产物均纳入到露天矿生产系统优化范围,以综合开采工艺优化和应用为手段,排弃与复垦协调技术为依托,地层和土壤重构为目标,构建涵盖源头减损、过程控制和末端治理的大型煤电基地生态减损型采排复一体化工艺,优化露天矿采剥、物料运输和剥离物及粉煤灰排弃作业,实现大型煤电基地采排复生产的经济、生态综合效益最佳。

3.3 拟解决的重大科学问题或关键技术

(1)大型露天煤矿生态减损开采技术

(2)排土场松散土岩混合体物理力学性质重塑技术与地层重构技术

(3)季节性作业条件下露天矿排弃与复垦协调技术

(4)表土保质技术与低成本替代材料开发

3.4 考核指标及评测手段/方法

(1)露天矿生态减损型采排复一体化技术研究报告1 套;

(2)编制规范3 套(大型露天煤矿土地复垦适应性评价规范,满足环保和复垦要求的粉煤灰无害化排弃作业规范,表土无损采集与堆存作业规范);

(3)露天矿采排复一体化生产管理软件1 套;

(4)申请国家专利10 项以上(其中发明专利3~5 项),发表高水平论文20 篇以

上,专著3 本以上,培养研究生10 人以上。

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)以申报软件著作权进行评测;考核指标(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。

3.5 参加单位任务分工

课题牵头单位:中国矿业大学

课题参加单位:中国矿业大学(北京)

课题负责人:尚涛,中国矿业大学

课题任务分工:

子课题1:基于露天矿时效边坡理论的生态减损开采技术,由中国矿业大学承担;

子课题2:基于大型煤电基地固体排弃物的地层重构技术,由中国矿业大学承担;

子课题3:季节性作业条件下露天矿排弃与复垦协调技术,由中国矿业大学承担,

中国矿业大学(北京)参与;

子课题4:露天矿复垦区土壤重构关键技术,由中国矿业大学(北京)承担,中国

矿业大学参与;

子课题5:蒙东草原区表土低成本替代材料开发,由中国矿业大学(北京)承担,

中国矿业大学参与;

子课题6:草原区大型煤电基地生态减损型釆排复一体化工艺,由中国矿业大学承担,中国矿业大学(北京)参与。