煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室（以下简称重点实验室）于2015年9月30日获批，依托国家能源集团神东煤炭集团和低碳院建设，致力于煤炭开采矿井水保护、矿井水处理和利用、矿区生态修复方面的基础理论研究、关键技术研发和示范工程推广应用，研制了具有自主知识产权的“1+7”试验平台（一个综合试验平台：煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验平台；7个专项试验平台：多煤层开采煤矿地下水库模拟试验平台、煤矿地下水库坝体结构试验平台、地下水库抗冲击试验平台、西部深部井工矿井筒施工模拟试验平台、煤矿地下水库矿井水自净化试验平台、水处理工艺集成试验平台、煤炭开采地表生态损伤减损与修复试验平台）。重点实验室将围绕煤炭开采地下水资源保护利用与矿区生态修复的基础理论和关键技术开展持续研发，形成我国西部生态脆弱区水资源保护利用与矿区生态修复技术体系，占领该领域的技术制高点，建成世界一流的煤炭开采领域水资源保护与利用实验室，为推进煤炭绿色开采提供科技支撑。

根据国家科技部关于国家重点实验室“开放、流动、联合、竞争”的设立原则，重点实验室设立开放基金，鼓励国内高等院校、科研机构研究人员尤其是中青年学者，与重点实验室相关研究团队紧密合作，利用实验室大型仪器设备和数据共享平台，开展相关基础研究工作。

一、开放基金课题研究方向（一）矿井水保护方向1. 煤矿地下水库透明相似材料研制及其应用研究

研究内容：研发一种适用于三维相似模拟实验的透明相似材料，综合分析透明相似材料的力学特性及裂纹扩展特性。利用研制的透明相似材料对传统相似模拟材料的有效替代，实现三维相似模拟实验过程中裂纹扩展和地下水流动路径的透明化观测分析，通过煤矿地下水库相似模拟实验获取岩层垮落规律及地下水流动规律，为煤矿地下水保护及水岩运移分析提供支撑。

技术路线或研究方法：针对煤矿地下水库采空区岩层垮落规律及地下水流动路径难以精确预测问题，研发一种适用于三维相似模拟实验的透明岩体相似材料。借助室内力学加载实验、相似模拟试验、数字散斑技术和声发射探测定位技术等技术手段，对透明岩体的力学特性、破裂特征以及实验应用进行研究。

知识产权指标考核方面：申请专利2项（一种煤矿地下水库相似模拟实验透明材料制备方法、一种煤矿地下水库透明材料相似模拟实验裂隙监测方法）；发表2篇论文（煤矿地下水库相似模拟实验透明材料研制与应用、煤矿地下水库透明相似模拟试验时空演化规律研究或煤矿地下水库透明相似材料裂纹扩展机制及其力学特性研究）。

2. 急倾斜煤层回采巷道储水防渗技术研究

研究内容：煤矿地下水库建设技术日益完善，但以急倾斜煤层回采巷道作为地下水库建设及防渗的相关技术仍有待探索。选取典型煤矿，研究急倾斜煤层回采巷道储水后的顶底板及坝体长短期防渗性能，形成急倾斜煤层回采巷道储水防渗加固措施。

技术路线或研究方法：采用室内试验、模拟试验等方式，研究典型急倾斜煤矿煤岩体顶底板渗透性能；进一步采用相似模拟及数值模拟方法，探索急倾斜煤层回采巷道储水后局部运移及扩散规律，制定相应的防渗措施；结合数值模拟等方式，对急倾斜煤层回采巷道储水后的长期安全性开展研究，并探索突涌水、顶板冲击垮落、地震等极端工况下地下水库的安全性，提出相关应急预案。

考核指标：申请专利1项（一种急倾斜煤层地下水库储水防渗评价方法等）；发表3篇论文（急倾斜煤层地下水源运移及扩散规律研究；急倾斜煤层地下水库稳定性监测及防渗技术研究等）。

3. 神东矿区布尔台煤矿多煤层开采地下水库水量预测模型

研究内容：以神东矿区布尔台煤矿为研究对象，开展多煤层重复采动条件下地下水库水源运移规律及水量变化特征研究，揭示煤矿地下水库水量补给机理，提出地下水库补给水源水量预测方法及预测模型，并进行有效性验证。

技术路线或研究方法：选取神东矿区布尔台煤矿，充分考虑地下水库与采动工作面的采掘地质条件，采用相似模拟试验及数值模拟方法研究多煤层重复采动条件下地下水库水源运移规律及补给水量变化特征；通过理论分析，推导“含水层+重复采动+地下水库”的非稳定流数学模型，开展地下水库补给水源预测研究，提出神东矿区布尔台煤矿地下水库补给水源水量预测方法及预测模型；并基于现场监测数据，对理论预测模型进行验证。

考核指标：申请专利1项（包括：煤矿地下水库补给水源水量预测方法、预测模型等）；发表3篇论文（包括：多煤层重复采动条件下地下水库水源运移规律及补给水量变化特征研究、煤矿地下水库补给水源水量预测方法及预测模型研究等）。

4. 煤矿储水采空区探测及空间形态数字化可行性研究

研究内容：调研国内外煤矿采空区探测技术及三维建模方法，并分析可用于煤矿储水采空区探测及空间形态数字化的可行性，提出一种煤矿储水采空区空间形态数字化的综合技术方法，并开展相似模拟试验验证。

技术路线或研究方法：采用文献调研及技术研讨交流等方法，系统调研国内外煤矿采空区探测技术及三维建模方法，包括但不限于地球物理勘探、工程钻探、三维激光扫描、光纤监测、采空区三维建模等，分析研究各种技术方法的可行性；通过开展理论分析，提出一种适用于煤矿储水采空区空间形态数字化的技术方法；并采用相似模拟试验等对提出的煤矿采空区空间形态数字化技术方法进行验证。

考核指标：申请专利1项（包括：煤矿储水采空区探测技术及三维建模方法等）；发表3篇论文（包括：煤矿储水采空区空间形态数字化方法理论研究、相似模拟试验研究等）。

5. 深部煤矿地下水库动静载下人工坝体型式与破坏特征研究

研究内容：以西部深部矿区煤矿地下水库坝体构筑为研究对象，分析深部冲击与采动应力条件下煤矿地下水库人工坝体型式（平板型、T型、H型、拱型中选择一种）、配筋方式、嵌入围岩深度、与煤柱连接形式及受力分布特征，研究冲击载荷、采动应力及与水压共同作用下人工坝体不同型式破坏特征，提出深部煤矿地下水库人工坝体选型方法和危险点监测方案，确定深部煤矿地下水库最优人工坝体型式。

技术路线或研究方法：采用采动岩体力学理论，分析煤矿地下水库人工坝体经历的冲击载荷和采动应力路径，研究水库储水条件下自由水体演变为承压水体的可能性，凝炼人工坝体边界条件，得到深部冲击载荷、采动应力、水压共同作用下不同型式的人工坝体配筋方式、与煤柱连接形式、嵌入围岩深度及破坏特征，提出深部煤矿地下水库人工坝体最优型式和危险点监测方案。

知识产权指标考核方面：申请专利1项（煤矿地下水库人工坝体选型方法、煤矿地下水库人工坝体相似材料选配方法），发表论文3篇（深部冲击载荷下人工坝体破坏特征研究、深部地下水库人工坝体选型研究）。

6. 煤矿地下水库选址指标量化方法研究

研究内容：针对煤矿地下水库选址的各项原则，包括煤层底板地势、导水构造和不良地质条件、煤层底板岩层渗透性、矿井水补给情况等，结合矿井采掘工作历史进度与计划，确定煤矿地下水库选址关键指标，并提出选址指标的量化方法，对各工作面建立煤矿地下水库选址适宜性函数，并以典型矿井为例，确定煤矿地下水库的预选址。

技术路线或研究方法：综合采用理论分析、模型试验及数值模拟方法，以采动影响下底板渗透性、煤柱渗透性、煤柱稳定性及储水调度管理等为主要约束条件，分析不同因素对煤矿地下水库建设和运行安全的影响程度，确定煤矿地下水库选址关键指标，并提出选址指标的量化方法，对各工作面建立煤矿地下水库选址适宜性函数，基于此实现煤矿地下水库选址量化评价。

知识产权指标考核方面：申请专利1项（煤矿地下水库选址指标量化方法或煤矿地下水库选址适宜度评价模型），发表论文3篇（煤矿地下水库选址指标敏感度分析、煤矿地下水库选址适宜性函数研究）。

（二）矿井水处理和利用方向

1. 采空区过滤矿井水行为和流场分布特性研究

研究背景：矿井水经煤矿地下水库储存过滤后，水体中的悬浮物、有机物及部分金属离子浓度得到了一定程度的降低，煤矿地下水库岩体对矿井水具有显著的净化作用。通过小试和中试试验，掌握了煤矿地下水库对矿井水的净化规律，获得了净化距离、时间和悬浮物去除的量化关系式，但对采空区中矿井水流场特性和悬浮物过滤沉降特性缺乏系统的定量研究，微观机理尚不明确，开展此方面研究对强化采空区净化矿井水的基础研究具有重要意义，对采空区岩体去除悬浮物具有指导意义。

研究内容：针对神东矿区典型煤矿地下水库采空区对矿井水中主要污染物的净化作用，以悬浮物净化为主要研究对象，开展采空区中矿井水流场分布特征和悬浮物去除行为研究，研究分析矿井水在采空区中的流场分布特征，通过高清影像等试验方法和数值模拟等手段研究分析采空区过滤矿井水过程中悬浮物的沉降迁移机制。

技术路线或研究方法：以神东矿区典型煤矿地下水库实际水样为对象，开展矿井水动态循环净化模拟试验，探索悬浮物浓度和悬浮物粒度对悬浮物沉降速度的影响规律，定量分析沉降时间和沉降距离对悬浮去去除的影响程度；采用CFD 软件 k-ε 湍流模型模拟水流流态，获得地下水库复杂岩体通道结构特征与流场特性；采用高清影像等观测手段对试验过程中悬浮物的去除过程进行反馈，能够清晰的反映矿井水中悬浮物在采空区内的沉降迁移过程。

知识产权指标考核方面：申请发明专利2项（一种煤矿地下水库过滤矿井水行为反馈方法，一种煤矿地下水库内矿井水流场特征模型构建方法），发表论文3篇（采空区过滤矿井水行为特征及污染物净化规律研究，煤矿地下水库内矿井水流场分布特性研究，复杂岩体堆积通道结构特征对矿井水污染物影响机理研究）。

2. 膜电容去离子适度脱盐除硬过程调控原理与方法

研究背景：矿井水适度脱盐除硬后可回用于矿区消防、降尘，或达标排放，目前仍缺乏针对性的处理技术。与反渗透膜法相比，膜电容去离子技术（MCDI）具有运行压力低、可耦合新能源、水回收率高、结垢风险低、出水水质可调可控等优点，在矿井水适度脱盐除硬方面具有应用潜力，需要开展相关技术研究与成本分析。

研究内容：以国家能源集团典型煤矿矿井水为研究对象，设计构建膜电容去离子系统，包括电极材料、膜材料、反应器结构等，开展电极材料比选或改性，降低电极成本；研究MCDI技术针对典型煤矿矿井水的选择性除硬与适度脱盐过程，掌握调控原理与方法，分析除硬率、脱盐率、水回收率、能耗等关键指标，结合小型组件长时间运行实验验证技术可行性，设计处理工艺并进行技术经济分析。

技术路线或研究方法：选取国家能源集团典型煤矿矿井水，分析掌握水质特点，设计构建膜电容去离子系统，通过电极材料比选或改性，提出低成本电极材料与膜材料方案；开展选择性除硬与适度脱盐实验研究，考察矿井水水质、电极材料、膜材料、反应器结构、和操作条件对盐离子、钙、镁等去除效果的影响；调节电压、电流、水通量等关键参数，调控除硬率，水回收率、截留率等关键指标；在优化的系统及条件下，进一步开展长时间运行实验验证，考察膜污染、清洗方法与周期、去除能力、系统稳定性、能耗等；设计矿井水适度脱盐除硬工艺，开展技术经济分析及同类型产品对比研究。

考核指标：申请发明专利1项（膜电容去离子适度脱盐除硬工艺与系统），发表论文3篇（低成本MCDI电极材料与性能，MCDI技术对矿井水选择性除硬与适度脱盐调控原理，西部典型煤矿矿井水MCDI技术处理效果）。

3. 矿井水膜浓缩过程中非常规污染物剖析与防治策略

研究背景：目前矿井水回用及零排项目中反渗透技术已广泛使用，反渗透膜的污染一直是困扰生产运行的一个难题，常规无机污染物可以通过化学清洗等手段恢复膜元件性能，但有机污染物以及有机与无机、有机与微生物等复合型污染造成的污堵从机理和防治策略上缺乏深入与研究，虽然有些污染物可以通过非常规的化学药剂清洗去除，但会给反渗透膜元件造成不可修复的损伤，降低反渗透膜元件的性能及使用寿命，增加水处理成本；废弃反渗透膜增多也会增加企业的处置成本。

研究内容：针对高矿化矿井水零排放工艺中反渗透浓缩膜污染问题，研究分析矿井水中常见溶解性有机物（如絮凝剂、乳化液、石油类物质等）及其在膜浓缩过程中在反渗透膜上的沉积行为，研究系统中微生物生长随有机物含量、盐含量的变化规律，分析有机与无机、有机与微生物等复合型污染形成机制，研究提出预处理环节有机物控制阈值，提出2种及以上复合型污染清洗方法。

技术路线：结合现有矿井水零排放项目，利用膜片试验开展有机物对膜通量衰减影响的实验研究，分析微生物在反渗透膜表面的吸附作用以及微生物后期分泌物对反渗透膜的污染预测；通过模拟试验确定矿井水中有机物和无机物含量对微生物吸附产生的影响，并建立预测模型；通过原子力显微镜观察PAM、硅、硫酸钙等在反渗透膜表面的形成过程，并分析有机物及无机物对上述特定污染因子污堵膜元件的影响，建立水中有机物及无机物与特定污染物的混合污染模型；针对不同污染物在膜表面的形成机理，提出反渗透运行过程的可采取的防控措施及手段，以及后续反渗透清洗技术方法。

考核指标：申请发明专利1项（一种反渗透系统使用的杀菌剂或特定污染物的清洗方法等），发表论文3篇（矿井水膜浓缩系统中的有机物膜污染分析，矿井水膜浓缩系统中微生物污染研究，矿井水膜浓缩系统复合型污染成因机制及清洗方法）。

4. 矿井水示踪溯源及特征元素迁移转化地球化学过程研究

研究背景：随着国家生态文明战略的实施，对于矿井水管控日趋严格。尤其是近年来，西部新建煤矿均要求实现零排，即使少数允许外排的矿井，也要求达到地表三类水质标准，涉及管控指标有25项。总之，对于矿井水污染物的认识除了传统的悬浮物、COD等之外，对TDS、氯离子、氟离子、硫酸盐以及其他特征离子必须予以高度关注，系统了解矿井水的形成机制，掌握其水质特征，追溯其污染成因是实现矿井水资源化的首要任务。本项目指南聚焦于同位素示踪源污染物解析研究，旨在识别典型矿区特征离子与污染物的基础上，开展污染源来源与形成机制研究，建立基于同位素示踪的污染源解析模型方法，为实验室神东智能监测大项目与新疆维吾尔族自治区重点研发项目中关于特征离子迁移转化规律与污染源识别等研究内容提供基础。

研究内容：针对典型煤矿天然地下水补径排单元采煤驱动下矿井水来源及其污染物形成复杂问题，以国家能源集团典型煤矿区为研究对象，识别矿井水中特征污染物与主要离子，分析矿井水水化学类型，遴选特定污染源的同位素示踪剂，开展多同位素联合示踪研究，构建同位素质量混合模型实现污染源定量解析，厘清复杂矿山环境矿井水污染的主要来源，阐明矿井水中特征元素形成与迁移转化机制，结合反应性溶质运移模拟等方法建立矿井水同位示踪技术污染源解析的方法及模型。

技术路线或研究方法：选取国家能源集团典型矿区为研究对象，分析煤岩样品元素组成及微观形貌，识别矿井水中特征污染物及主要离子，分析矿井水及周边地表水等水样离子特征及水化学类型。基于水体氢、氧同位素，硫酸盐硫、氧同位素，重金属同位素等分别构建单一同位素示踪和多同位素联合示踪技术体系，重点解析矿井水中特征离子（如氟离子、硫酸盐、硝酸盐及重金属等）主要来源，并根据污染物同位素特征值对污染来源进行定性识别，并构建SIAR定量源解析模型实现污染源定量解析。通过室内模拟实验和反应性溶质运移模拟过程等手段，开展污染源解析数值模拟研究，探究复杂地理环境中特征元素迁移转化的地球化学过程，模拟地下水污染物溶质运移规律，揭示复杂地质条件下矿井水污染成因机制。

知识产权指标考核方面：申请发明专利2项（一种矿井水污染源识别的方法、一种用于评价矿井水来源的示踪方法及应用等），发表论文2篇（矿区中特征因子来源解析或典型矿区矿井水形成机制与演化规律研究等）。

5. 矿井水高效除硬控制技术研究

研究背景：目前部分矿井水处理现场来水硬度波动大，对运维人员专业化要求较高，若运维人员对该水质变动处理不及时，将引起软化过程效果不稳定，最终导致水处理系统全过程出现不可控风险，比如反渗透膜污堵严重等。基于此本项目指南聚焦软化过程自动化研究，开展关键因素对矿井水除硬过程的影响因素研究，初步掌握矿井水水质波动下药剂投加的优化方法，为实现药剂量的智能投加及精准实时调节提供理论基础。

研究内容：针对矿井水预处理过程中软化除硬受水量和水质波动影响问题，以神东1-2个典型煤矿高矿化度矿井水除硬过程为研究对象，研究除硬药剂加药量与水质关键指标（浊度、硬度、碱度等）和进水水量情况之间的内在关系，确定不同药剂种类下除硬效率和药剂投加量、反应时间、主要水质指标等定量关系，研究建立矿井水水质波动条件下加药控制策略，为实现矿井水处理过程中硬度的智能调节提供理论基础。

技术路线或研究方法：针对煤矿高矿化度矿井水典型预处理工艺，开展除硬加药控制系统调研，对现行处理过程中所需药剂种类、药剂量、及在线监测方法进行梳理和总结，提出可靠的检测仪表及监测方法。针对关键工艺环节及加药节点，开展实验室小试实验，以探究除硬药剂种类、投加量与关键水质指标（硬度、碱度、矿化度和阻垢剂等）之间的耦合关系，以除硬效果为目标函数，建立药剂种类、添加量、矿井水进水关键指标为变量的定量关系式，为实现药剂量的智能投加及精准实时调节提供理论基础。

知识产权指标考核方面：申请发明专利2项（一种除硬智能加药控制系统，一种智能加药装置），发表论文2篇（高矿化度矿井水关键指标对除硬机理研究，不同药剂对高矿化度矿井水除硬过程影响研究）。

6. 电吸附高效去除矿井水中铀等放射性元素技术研究

研究内容：以含铀等放射性矿井水为研究对象，分析矿井水中放射性元素的含量、离子赋存形态与演变趋势，建立矿井水典型放射性元素含量预测模型；结合煤矿现有矿井水处理设施，研究现有处理工艺对矿井水中典型放射性元素及共存污染物的处理过程，考察不用工艺段的处理效果，发现实际工艺中存在的问题；考察不同混凝剂、操作条件以及不同共存物质对混凝去除典型放射性元素的影响规律；研究不同典型放射性元素浓度和矿化度等共存污染物对反渗透膜分离性能的影响机理。设计合成高孔隙率的煤基多孔碳，通过调节孔道结构，构筑高性能电极材料，建立高效分离矿井水中铀的电吸附技术，揭示不同碳源对电吸附性能的影响规律，阐释电吸附去除铀的微观作用机制，形成一套完整的高效分离矿井水中典型放射性元素的电吸附技术。

技术路线或研究方法：对塔然高勒煤矿矿井水进行监测，分析矿井水中铀的含量及赋存形态，建立水质数据库。对煤矿现有“混凝沉淀+过滤+超滤+反渗透”工艺的各工艺段处理效果进行研究分析，针对关键工艺环节开展实验室小试，以探究混凝剂种类、投加量、 pH等不同操作条件对铀和共存污染物的去除规律。调研含铀废水的低成本大规模处理技术，开发低成本高效铀吸附分离材料，设计合成系列孔道结构发达的煤基多孔碳，并以其为原料制备高性能电极材料，考察多孔碳材料的电化学性能和对铀的电吸附性能，分析比较不同碳材料与铀的相互作用机制，研究吸附剂投加量、吸附时间、铀初始浓度、 pH、温度、矿化度和共存污染物（硫酸根、碳酸根、氯离子、氟离子、矿化度）条件下对铀吸附的影响。采用动力学模型、等温吸附模型对数据进行分析，研究吸附热力学过程，阐释电吸附机理。搭建小试实验装置，开发含铀矿井水中铀去除电吸附技术和工艺。

考核指标：申请发明专利2项（元素掺杂多孔碳复合膜电极制备；聚合物/石墨烯复合膜电极制备），发表2篇论文（SCI或EI收录论文，至少一篇中文期刊：高性能元素掺杂多孔碳复合膜电极及其电吸附脱除水溶液中铀的研究；气凝胶/金属氧化物复合材料吸附脱除水中铀的研究等）

（三）矿区生态修复方向1.神东沟壑地形开采扰动下水土流失机理与评价研究

研究内容：针对神东矿区煤炭规模化开采扰动、沟壑地形、集中降雨耦合作用下的水土流失科学评价和防治问题，研究沟壑区典型土壤条件下，不同坡度、坡长、开采影响程度（倾斜、水平变形）、工作面与坡体夹角、降雨强度与雨量、地表植被特征等耦合作用下的水土流失规律；揭示沟壑采动影响区水土流失机理；构建神东典型沟壑地形开采扰动区水土流失程度评价模型；提出沟壑采煤区水土流失防治技术途径与措施。

技术路线或研究方法：以神东典型土壤及沟壑地形下煤炭采动影响区为研究对象，基于水土流失的物理模型与时空统计分析方法，结合历史观测、现场调查、卫星遥感数据和现场无人机实测，监测不同开采与地表因素（地形、植被盖度等）下水土流失状况，利用探索性时空分析方法，研究矿区水土流失的时空格局与演化规律；采用模拟实验和因果统计分析方法，揭示不同降雨与植被盖度条件下的沟壑地形开采扰动区水土流失机理，量化开采扰动对水土流失的贡献度；根据“压力-状态-响应”框架，建立水土流失程度评价模型；基于水土流失影响因素的系统分析，提出神东矿区典型沟壑地形采动影响下的水土流失防治途径。

考核指标：申请发明专利1项（一种煤炭开采扰动下水土流失监测与评价方法），发表论文3篇（干旱半干旱煤矿区水土流失时空演化规律、沟壑地形采动影响区水土流失机制、基于压力-状态-响应模型的矿区水土保持评价）

2. 神东矿区矿井水灌溉生态累积效应与评价方法研究

研究内容：针对我国西部矿区矿井水利用效率低、地表生态需水量大的水资源配置现状，根据神东矿区生态环境特点和采煤沉陷区生态修复需求，分析区域矿井水水质特征和典型土壤理化性质；设计多点位包气带水分迁移远程监测网，探究矿井水灌溉后包气带水分迁移转化规律；分析矿井水生态灌溉对典型植被的影响特征，揭示矿井水灌溉生态累积效应；提出基于开采沉陷、矿井水水质、土壤等要素的矿井水灌溉生态累积效应评价方法，并对典型区域开展评价。

技术路线或研究方法：根据神东矿区生态环境特点和采煤沉陷区生态修复需求，选取试验区和对照区；通过现场踏勘、取样和测试分析，获取矿井水水质特征和典型土壤理化性质；结合室内试验、原位试验和数值仿真等方法，揭示矿井水生态灌溉包气带水分迁移转化机理；分析矿井水生态灌溉对典型植被的影响特征，形成基于水质、土壤等要素的矿井水灌溉生态累积效应评价方法。

考核指标：申请发明专利1项（一种矿井水灌溉生态累积效应评价方法），发表论文3篇（矿井水生态灌溉包气带水分迁移转化机理研究；矿井水生态灌溉对典型植被的影响特征；矿井水灌溉生态累积效应评价）。

3. 沉陷区土壤孔隙结构特征对水分运移影响机理研究

研究内容：针对沉陷区土壤孔隙结构变化及其影响下土壤水运移规律尚不明确的问题，研究提出沉陷区土壤孔隙三维结构量化表征方法；探究不同采煤扰动程度区域土壤孔隙结构特征，明确采煤沉陷对土壤孔隙结构的影响规律；研究沉陷区土壤水运移特性，揭示沉陷区土壤孔隙结构特征对水分运移的影响机理。

技术路线或研究方法：以神东采煤沉陷区为研究对象，基于CT等无损三维成像技术和三维图像重构方法，提出土壤孔隙三维结构可视化表征方法；通过提取孔隙数量、孔隙体积、孔隙表面积、孔隙形状、孔隙连通度等量化参数，对比分析不同采煤扰动程度区域土壤孔隙结构特征，研究采煤沉陷对土壤孔隙结构影响规律；通过数值模拟或渗透实验等方法，进一步研究沉陷区土壤水运移特性，解析土壤孔隙结构与水分运移的响应关系，揭示采煤沉陷区土壤孔隙结构特征对水分运移的影响机理。

考核指标：申请发明专利1项（一种矿区土壤孔隙三维结构表征方法），发表论文3篇（采煤沉陷区土壤孔隙结构三维重建与定量化研究，采煤沉陷对土壤孔隙结构的影响研究、采煤沉陷区土壤孔隙结构与水分运移响应关系研究）。

4. 基于煤基固废的沉陷区土壤重构与保水控盐技术研究

研究内容：针对西部采煤沉陷区蒸发量大、土壤易盐碱化、保水保肥性能差等问题，研究沉陷区土壤水盐垂向运移机理，识别沉陷区土壤盐碱沉积、水养运移等关键层结构特性与生态功能；以煤矸石、粉煤灰、炉渣等煤基固废为主要原料，利用其表面多孔、吸附性能强等结构特性，辅以当地黄土和关键激发药剂，制备具有保水控盐功能的关键土层材料；开发沉陷修复区保水控盐关键土层重构技术，实现矿山生态修复与固废综合利用的协同增效。

技术路线或研究方法：通过现场调查、取样与分析测试，测定土壤与煤矸石、粉煤灰等煤基固废基本理化性质与结构特性；结合室内试验、数值模拟和理论分析，研究土壤水盐运移规律和关键土层信息识别；针对土壤障碍层，以煤矸石、粉煤灰为主要原料，通过复配不同比例材料，研发具有长效保水控盐作用的关键材料；分析不同重构模式下土壤团聚体数量、土壤粒径分布特征、土壤含水率、土壤盐分含量等指标变化规律，构造形成具有保水、隔盐、控盐功能的土壤关键层。

考核指标：申请发明专利1项（一种基于煤基固废的沉陷区土壤重构方法），发表论文3篇（西部采煤沉陷区土壤水盐运移机理探究，煤基固废作为保水控盐层的土壤重构技术研究，煤基固废充填重构土壤水盐变化特征研究）。

5. 基岩-松散层耦合影响下地表变形机理研究

研究内容：针对基岩-松散层耦合条件下的地表变形机理不清的问题，开展基岩和松散层破断运移研究；解析基岩与松散层破断相互作用关系，建立覆岩整体破断运移函数；揭示基岩-松散层耦合条件下的地表变形（含地裂缝）机理，建立煤层开采地表沉陷分区预测方法与分区治理模式。

技术路线或研究方法：以神东矿区厚松散层沉陷区为研究对象，基于典型煤矿开采条件，采用相似模拟、数值模拟等方法开展基岩、松散层破断运移研究；结合理论分析与岩移实测数据，建立覆岩整体破断运移函数；通过不同基岩和松散层条件的地表变形对比研究，揭示覆岩运移对地表变形（含地裂缝）的影响机理。

考核指标：申请发明专利1项（一种煤炭开采后地表沉陷分区预测方法），发表论文3篇（煤层采后上覆基岩和松散层破断相互作用关系研究；煤层采后覆岩整体破断运移规律研究；煤炭开采覆岩运移对地表裂缝的影响机理研究）。

（四）新能源开采方向

1.CO₂地质封存物理模型试验咸水层相似材料研制

研究内容：研发一种适用于CO₂地质封存三维物理模型试验的相似材料，综合分析咸水层模拟相似材料的构造特性、力学特性及渗透特性，实现CO₂地质封存三维物理模型试验过程中CO₂构造封存、溶解封存与矿化封存等不同封存阶段的模拟，揭示超临界CO₂在压力梯度和浓度梯度的作用下在咸水层中的两相渗流机理，为CO₂地质封存注入能力预测及工艺参数优化提供支撑。

技术路线或研究方法：针对CO2地质封存三维物理模型试验中咸水层难以模拟的问题，研发一种适用于三维物理模型试验的咸水层相似材料。借助室内力学加载实验、相似模拟试验、渗透性试验和流体示踪技术等技术手段，对咸水层相似材料的力学特性、构造特征及渗透特性等进行研究，实现对现场实际咸水层的精确相似，通过三维物理模型试验实现CO2构造封存、溶解封存与矿化封存等封存过程的模拟。

考核指标：申请发明专利2项（一种适用于CO2地质封存三维物理模型试验的相似材料、一种CO2地质封存相似模拟实验CO2两相渗流过程的监测方法）；发表高水平论文2篇（CO2地质封存物理模型试验咸水层相似材料的研制与应用、咸水层相似材料的力学特性、构造特征及渗透特性研究或多孔介质超临界CO2和水两相运移的物理模型试验模拟）。

2. 干热岩相似模拟材料研制

研究内容：目前干热岩室内试验多针对小尺寸原始岩样开展，缺乏工程尺度的相似模拟试验，亟需研制干热岩相似模拟材料。传统相似模拟材料主要针对基本力学性质相似开展研究，在此基础上，本课题需进一步考虑水理性相似、热物性相似、渗透性相似等。模拟典型干热岩花岗岩材料，研发具有吸水率低、抗热崩解能力强、结构致密、化学稳定性好等特点的新型相似模拟材料，并在此基础上开展小型相似模拟试验。

技术路线或研究方法：模拟典型干热岩花岗岩材料，通过高温高压三轴力学试验机、高温高压反应釜、脉冲衰减气测渗透率仪、瞬态导热仪、比热容测试仪等装置开展物理试验，分析高温高压环境下干热岩力学性质、热物理性质、水理性质和渗流性质等，确定主要相似参数。根据不同干热岩相似模拟实验针对的主要问题，重点开展一系列不同材质、不同性质、不同配比的材料测试试验，研究填充材料、胶结材料和其他辅助材料的构成和比例，形成相应的制备工艺，满足干热岩相似模拟实验要求，形成考虑热-流-力-化多场耦合效应的相似理论。在此基础上，开展关于渗流换热及水力压裂过程的小型相似模拟试验，验证相似材料及相似理论的可靠性。

考核指标：申请发明专利2项（一种考虑多场耦合效应的干热岩相似模拟材料、一种干热岩渗流换热相似模拟试验方法或一种干热岩水力压裂相似模拟试验方法等），发表高水平论文2篇（干热岩物理模拟相似材料配比研究及应用、高温高压作用干热岩相似参数分析等）。

3. 地下水对深部煤炭地下气化模拟实验的影响研究

研究内容：地下水是影响煤炭地下气化温度场及气化过程的重要因素。一方面，地下水能够产生良好的水力封堵效果，水蒸气也可作为气化剂的组成部分。另一方面，如果地下水大量侵入气化腔会导致温度下降，产生的煤气组分较差导致气化失败。针对以上背景，聚焦地下水这一关键因素，探索地下水涌水量大小、位置、涌水方式对煤炭地下气化模拟实验过程及效果的影响，利用煤炭地下气化实验对不同涌水条件下的气化过程进行实验研究，掌握地下水对深部煤炭地下气化过程作用规律。

技术路线或研究方法：以国家能源集团典型矿区煤岩为研究对象，通过理论分析和煤炭地下气化模拟实验，实现模拟实验中涌水过程的模拟及密封性方法，形成不同地下水涌水量大小、位置、涌水方式等实验条件，进而研究地下水赋存特征、涌水量、顶底板隔水层性质、含水层距离、侧壁渗透性等因素对煤炭地下气化过程的影响，分析不同涌水量条件下温度场的变化特征和产出煤气组分变化情况，掌握地下水对深部煤炭地下气化过程作用规律。在此基础上，分析抽注水作业调控地下水渗流场来保障煤炭地下气化安全开展的可行性。

考核指标：申请发明专利1项（涉及一种煤炭地下气化涌水量预测方法等），发表高水平论文3篇（涌水量对煤炭地下气化温度场特征的影响、涌水量对煤炭地下气化采出气影响规律、抽注水作业促进煤炭地下气化开采可行性分析等）。

二、参考技术文献

1. 顾大钊. 煤矿地下水库理论框架和技术体系[J]. 煤炭学报. 2015, 40(2): 239-246.

2. 顾大钊, 颜永国, 张勇等. 煤矿地下水库煤柱动力响应与稳定性分析[J]. 煤炭学报, 2016, 41(07): 1589-1597.

3. 曹志国, 李全生, 董斌琦. 神东矿区煤炭开采水资源保护利用技术与应用[J]. 煤炭工程, 2014, 46(10): 162-164, 168.

4. 曹志国, 何瑞敏, 王兴峰. 地下水受煤炭开采的影响及其储存利用技术[J]. 煤炭科学技术, 2014, 42(12): 113-116, 128.

5. 张建民, 李全生, 南清安,等. 西部生态脆弱区现代煤-水仿生共采理念与关键技术[J]. 煤炭学报, 2017, 42(1):66-72.

6. 顾大钊. 能源“金三角”煤炭现代开采水资源及地表生态保护技术[J]. 中国工程科学, 2013, 15(4): 102-107.

7. 李井峰, 熊日华. 煤炭开发利用水资源需求及应对策略研究[J]. 煤炭工程, 2016, 48(7): 115-117.

8. 胡振琪, 龙精华, 王新静. 论煤矿区生态环境的自修复, 自然修复和人工修复[J]. 煤炭学报, 2014, 39(08): 1751-1757.

9. 李全生.东部草原区煤电基地开发生态修复技术研究.生态学报,2016,36(22):7049~7053.

10. 曹志国, 王瑞国, 何瑞敏. 基于WEB-GIS的矿区生态监测与管理信息系统[J]. 煤炭工程, 2018.

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22. 许天福,袁益龙,姜振蛟,等.干热岩资源和增强型地热工程:国际经验和我国展望[J].吉林大学学报(地球科学版),2016,46(04):1139-1152.

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三、开放课题基金申请

1. 申请者原则上应根据重点实验室上述指南研究方向，以基础研究或应用基础研究为目标，申报开放基金课题，每个方向下资助1~3个项目。

2. 重点实验室开放基金将优先资助立论清晰、目标明确、研究内容具体、具有创新科学意义的研究课题。

3. 鼓励申请者同本重点实验室科研团队开展合作研究，并在申请书中须有明确的合作研究计划。

4. 优先资助申请者利用本重点实验室的先进科学仪器设备和数据共享平台，以客座研究人员身份，来实验室开展研究工作。

5. 课题必须设置明确的知识产权目标（论文、专著、专利、软件著作权等），具体要求为：每个开放基金课题要求发表学术论文3篇，论文研究内容必须严格按照开放基金课题合同（任务书）规定的要求，发表前须经重点实验室审核通过，且第一完成单位必须署煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室（State Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining），其中论文发表期刊要求：一是JCR分区的Q1、Q2分区相关学术期刊；二是国内行业一流期刊；三是重点实验室组织的国内外特刊（Special Issue）。不认可国内外学术会议论文，必须有1篇论文发表于国内行业一流期刊。申报发明专利1-2项，专利的第一申请人为神华神东煤炭集团有限责任公司或北京低碳清洁能源研究院，须通过重点实验室申报。

国内行业一流期刊包括：煤炭学报、采矿与安全工程学报、岩石力学与工程学报、岩土工程学报、岩土力学、地下空间与工程学报、地质学报、地学前缘、水利学报、水科学进展、化工学报、环境科学、中国环境科学、农业工程学报、工程科学学报、中国矿业大学学报、中南大学学报（自然科学版）、工程科学与技术、东北大学学报(自然科学版)、吉林大学学报（地球科学版）、International Journal of Coal Science & Technology。

6. 2023年度资助的开放基金课题单项申请金额为20万元左右，资助不超过20项。开放基金课题执行期为2年。

7. 资助对象应具有固定科研岗位的科研人员，博士学位，年龄不超过35周岁。

8. 2023年度开放基金课题采用网上申报提交系统进行材料提交，网址：http://wpu.chnenergy.com.cn/。

9. 开放课题申请截止日期：2023年9月15日。申请者应在截止日期之前将系统审核通过的课题申请书正式版（一式二份，所在单位签字盖章）邮寄至联系人。

各领域技术联系人及联系方式

矿井水保护方向：武洋 010-57337376，13716458623，20039425@chnenergy.com.cn

矿井水处理和利用方向：王霄 010-57337374，13020065349，20052145@chnenergy.com.cn

矿区生态修复方向：宋子恒 010-57337577，18511785855，20047004@chnenergy.com.cn

新能源技术研究方向：刘成涛010-57337372 ，13451344511，20070892@ceic.com

联系地址：北京市未来科学城国电新能源院园区304楼

煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室

2023年7月20日