煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室2025年开放基金指南
煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室（以下简称“实验室”）于2015年9月30日获批，2023年4月通过科技部改革重组，依托国家能源集团所属的神东煤炭和低碳院建设，致力于煤炭开采矿井水保护、矿井水处理、矿区生态修复和矿井水生态利用方面的理论研究、技术研发和工程示范，研制了具有自主知识产权的“1+8”试验平台（1个综合智能试验平台：煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验台；8个专项试验平台）。面向未来，实验室将聚焦煤炭开采地下水资源保护、处理和生态利用的基础理论和关键技术持续开展攻关，形成我国西部生态脆弱区水资源保护处理和利用技术体系，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，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（4项）
1.煤矿地下水库垮落冲击能量的传导与耗散机制研究
研究内容：煤矿地下水库在运行过程中存在采空区顶板断裂、垮落和岩体冲击等动力灾害风险。应急泄水是调控库容、减小瞬时应力峰值、缓解冲击危险的关键手段，但其对垮落能量的耗散机制尚不明确。本研究旨在揭示垮落岩体产生的冲击能量向坝体结构的传导路径，以及泄水过程中流体-岩体相互作用对冲击能量的耗散规律，为地下水库安全运行与灾害防控提供理论支撑。
技术路线或研究方法：基于刚体动力学与流体力学，建立垮落体冲击能量计算方程；利用煤矿地下水库抗冲击稳定性试验台，设计相似模拟试验，模拟顶板垮落与泄水过程，通过高速摄像与传感器监测能量耗散率；采用数值分析方法模拟岩块运动与水流相互作用，参数化分析泄水对能量耗散的贡献度；提出泄水耗能作为冲击灾害防控的新途径，开发垮落-泄水耦合仿真方法，形成泄水参数-耗能效率的定量关系，为应急泄水方案提供理论支撑。
2.煤矿地下水库储水边界量化表征与储水空间计算
研究内容：研究煤矿地下水库有效储水层位及其影响因素，分析冒落带和裂隙带岩层垮落和断裂引起的覆岩位移场突变特征，构建有效储水空间边界的量化表征模型，提出基于覆岩变形场的有效储水层位确定方法；研究采空区储水空间分布特征，探究储水空间与岩层运动进程的关系，分析采空区应力恢复作用下储水层位与储水空间的变化规律；分析覆岩应力和化学溶蚀作用下采空区冒落岩块空隙与孔隙空间变化规律，确定储水空间分区特征及其影响因素；分析储水边界与储水空间的协同演化特征，基于全覆岩运动进程与储水边界准确识别，提出储水空间体积计算方法。
技术路线或研究方法：以采空区覆岩运移位移场或应力场突变特征作为关键因子，建立有效储水边界的数学模型和表达式；创新相似模拟实验方法，以散体和块体耦合作为相似材料，结合数字散斑系统和图像二值化处理方法，清晰识别储水边界，验证储水边界模型，研究得到不同应力状态储水边界的变化曲线；以物理实验为主要手段，研究应力和溶蚀作用下岩块内部储水空间变化，以核磁扫描识别溶蚀空间变化情况。
3.煤矿地下水库安全隐患风险识别与风险数据库构建
研究内容：煤矿地下水库安全风险智能体依赖高质量、多维度数据实现灾害自主感知与决策。然而，真实矿井数据存在样本稀缺、覆盖不全等问题，亟需通过物理-数值联合仿真构建高保真、多场景的训练数据集。本研究拟提出“虚实共生”数据生成方法，基于物理仿真与数值仿真方法，构建多模态安全隐患风险数据协同生成技术，为煤矿地下水库安全预警模型开展深度学习训练提供数据支撑。
技术路线或研究方法：基于煤矿地下水库坝体结构试验台、抗冲击稳定性试验台等开展相似模拟试验，复现采动裂隙贯通、垮落冲击动力灾害等灾变过程，采集力学场与渗流场演化规律；基于数值模拟软件开发煤矿地下水库三场耦合模型，参数化生成风险场景库，涵盖不同储水高度、垮落冲击动力灾害强度等工况；基于煤矿地下水库运行安全条件构建风险规则库，指导仿真参数边界设定；物理试验验证数值模型可靠性，二者协同构建高保真风险数据库；采用时空配准技术将物理试验的传感器数据与数值模拟结果统一至同一坐标系，解决尺度差异问题；构建煤矿地下水库风险模拟数据集1套（含104组以上时序-空间样本）。
4.深部采煤对复杂厚含/隔水层水力联系影响及涌水量预测研究
研究内容：选取塔然高勒复杂厚含/隔水层为研究对象，通过理论计算和物理实验，建立岩石在整个应力应变过程中渗透系数演化的数学模型。模拟采煤过程中岩石力学性质变化和地下水运移过程，分析覆岩塑性应变和渗透系数的时空演化特征，表征地下水位和水量变化，刻画采动条件下铀元素的迁移路径。
技术路线或研究方法：采用物理试验和数值模拟方法，研究上覆岩层“三带”演化规律和渗透系数的分区和时变模式，突破采煤引起的岩石损伤、渗透性动态变化和地下水运移等方面的局限性。通过耦合力学场和渗流场，建立应力应变与渗透系数的关系函数，通过动态分区与等效计算将渗透系数动态变化纳入地下水流模型中，并将地下水位波动信息反馈到力学模型中，实现应力场与渗流场耦合作用下渗透系数动态变化的涌水量预测，通过质点追踪技术刻画铀的迁移路径。
（二）矿井水处理方向（5项）
1.煤矿地下水库中水岩耦合作用观测及界面反应过程研究
研究内容：研究不同水力条件下悬浮物在采空区孔隙网络、裂隙通道、空隙区中的动态运移轨迹，分析煤岩裂隙空间变化对微细悬浮物运移轨迹的影响；开展水岩作用微观表征实验，监测其界面反应过程，揭示水岩反应中矿物离子的迁移转化规律。为揭示煤矿地下水库中矿井水净化机理提供技术支撑。
技术路线或研究方法：通过3D打印技术实现孔隙网络与裂隙通道的模块化设计，支持结构参数动态调控。集成高速显微摄像系统与PIV（粒子图像测速）示踪技术，实时追踪微细悬浮物迁移轨迹流场速度矢量分布。嵌入微区CT扫描模块，动态重构渗流过程中孔隙网络与裂隙通道的形貌演化。通过模拟岩（煤）表面流体运移环境。集成显微成像、拉曼光谱和电感耦合等离子体（ICP）在线监测模块，实现矿物溶解-沉淀过程的可视化追踪、界面化学反应的分子光谱表征以及关键离子浓度的实时定量分析，明确水-岩（煤）界面反应中离子的迁移、转化特征。
2.矿井水中氟化物与其他特征污染物协同去除机理研究
研究内容：以神东矿区典型矿井为研究对象，研究水中氟、硼、砷及重金属离子（如铅、锰等）的赋存规律及迁移转化特征。开发低成本、多活性位点的高效吸附材料，掌握其制备过程最佳工艺参数，探究其对氟、硼、砷及重金属离子的协同吸附机制，实现矿井水中特征污染元素与重金属的协同去除。
技术路线或研究方法：以矿物吸附材料、树脂改性或其他合成类材料为核心，开发不少于2种吸附剂/药剂材料等功能材料，用于高矿化度矿井水中氟、硼等特征污染物及重金属离子的高效低成本去除研究。探究功能材料的微观结构以及表面官能团等理化性质参数；考察pH、离子初始浓度、接触时间及共存离子对污染物去除效率的影响，建立不同污染物质的吸附模型，并结合MINTEQ模拟以及DFT理论计算等方法，揭示氟、硼等特征污染物及重金属离子协同去除机理；评估材料的循环应用稳定性、最佳运行参数及运行成本，研究所制备功能材料的实际应用潜力。
3.煤矿地下水库中CO2与高盐矿井水碳酸化协同封存界面反应过程研究
研究内容：结合矿井水水质特点，开展不同浓度共存离子作用下CO2矿化路径与分子动力学规律，阐明产物调控机理。研究煤矿地下水库中人工CO2注入的工艺方法，研究催化材料、反应参数调控对CO2碳酸化反应能效的强化作用及矿化诱导机制。研发不同矿化度矿井水中CO2碳酸化催化材料与关键装置。
技术路线或研究方法：构建多相界面传质-反应耦合体系，开展不同矿井水离子浓度下的矿化实验，结合分子动力学模拟，揭示共存离子对矿化路径、产物（调控）及动力学的影响机制。研究人工注入参数；实验测试催化材料及过程强化作用及矿化诱导机制。研发适应不同矿化度矿井水的催化材料；设计CO₂-矿井水协同矿化关键装置/反应器。模拟实际煤矿地下水库环境，验证矿化机制、材料效能及工艺可行性。
4.煤矿地下水库多菌种互相作用机制及对硫酸盐还原效能的影响研究
研究内容：聚焦煤矿地下水库厌氧环境中硫酸盐还原菌(SRB)与产甲烷菌(MAs)的竞争互作效应。研究岩体表面生物膜与悬浮水体两种典型生境中，微生物群落结构的演替规律，识别对系统功能起决定性作用的关键物种；深度解析核心代谢网络与调控节点，为通过精准调控关键微生物互作，实现并维持硫酸盐高效还原的系统稳态提供理论依据。
技术路线或研究方法：构建以煤矿典型岩体为挂膜载体的实验室反应器，以模拟并区分悬浮与生物膜两种生境，系统调整关键环境因子，构建并区分以竞争、协同或抑制为主导的多种SRB与MAs互作模式，评估系统的功能稳态与动态响应特征。运用高通量测序、宏基因组学与代谢组学分析，阐明群落结构的动态变化与功能差异，重建关键微生物的基因组草图(MAGs)以揭示其代谢潜力并对代谢通路进行关联验证，揭示不同生境下SRB和MAs的互作机制，精准定位调控电子流分配的核心功能模块与调控靶点，从而阐明维持系统功能稳态的分子调控网络。
5.高矿化度低浓度含铀矿井水金属团簇COFs光催化深度净化技术研究
研究内容：本研究聚焦于C=C双键连接的高稳定金属团簇基COFs光催化剂的开发，通过限域封装光敏金属团簇（如Ti-oxo簇、Cu₃簇）增强载流子分离效率，并引入亲铀基团提升对铀酰络合物的选择性吸附。基于预富集-还原协同机制（微孔吸附浓缩+团簇靶向还原），结合动态流工艺优化，保障出水铀浓度≤0.05mg/L（去除率>90%）。通过原位表征与理论计算，在原子尺度揭示活性中心结构与光催化还原机理。
技术路线或研究方法：以低溶度含铀矿井水（＜0.3mg/L）为研究对象，按照“形态分析-材料设计-性能探索-机理揭示-工艺建立”技术路线。对高矿化度矿井水中低浓度铀元素赋存形态进行分析，并以设计合成高连接的光敏金属团簇作为构建基元，可控合成高稳定新型COFs；考察矿井水pH、温度、矿化度、竞争阴阳离子等对于光催化去除铀性能的影响；基于金属团簇COFs原子尺度上的精准结构，结合理论计算揭示反应机理；搭建小试实验装置，研发高矿化度矿井水中极低浓度铀光催化还原去除技术，处理后铀浓度≤0.05mg/L（去除率>90%）。
（三）矿井水利用方向（3项）
1.矿井水生态灌溉对表土层渗流力学参数演变规律研究
研究内容：以神东矿区为研究对象，开展不同矿井水水质、灌溉强度、土壤性质条件以及矿井水长期“灌溉-蒸发-灌溉”交替作用对扰动塌陷沉降区地表土壤层结构、水理性质、渗流力学参数影响的模拟试验研究，揭示矿井水长期生态灌溉作用对塌陷区表土层结构以及渗流力学参数演变的影响规律，提出塌陷区表土层理化性质演变的监测分析与矿井水生态灌溉最优策略。
技术路线或研究方法：针对神东矿区矿井水生态灌溉表层土渗流特征难以定量监测、土壤水理性质演化与改性机理不明确的问题，研发矿井水长期灌溉作用下土壤水理参数定量监测和表征技术，研究土壤层改性改良方法。开展室内模拟试验、数值模拟以及现场监测，对矿井水生态灌溉对表土层渗流力学参数演变规律进行研究。
2.采煤沉陷区地裂缝对土壤水文及植被生态过程的影响研究
研究内容：揭示不同形态地裂缝条件下土壤水分分布特征，解析地裂缝对土壤水分入渗、陆面蒸发和植被耗水等过程的影响；构建裂缝区植被-土壤系统水分运移模型，量化裂缝区土-气界面和土-根界面水分通量；解译裂隙流驱动下的包气带水分运移动力学过程，揭示地裂缝对植被-土壤系统内水分传输的影响机制。
技术路线或研究方法：面向我国西部典型采煤塌陷区，按照“基础研究－室内物理模拟－原位试验－数值仿真模拟”技术路线实施。调查采煤沉陷区地裂缝形态特征，率定土壤关键水力参数；建立典型水与环境原位监测试验场，开展植被-土壤系统陆面蒸发、降水入渗和植被耗水等原位试验，动态监测地裂缝区土壤水文与植被生态过程。研发裂缝区植被-土壤系统水分运移模型，进行参数识别与验证，基于模型结果和多情景模拟分析，揭示裂隙流对土壤水分运移和根系吸水过程的影响。
3.新街台格庙矿区巨厚含水层损伤规律及采动诱水运移机制研究
研究内容：新街矿区煤层埋藏深且厚度大，上覆含水层富水性强，传统综放开采技术对巨厚含水层结构破坏较为剧烈。为充分掌握采动覆岩变形破裂发育特征及水运移通道演化规律，结合回采面布置及水力联系条件，探索不同采动应力路径下上覆岩层损伤劣化机制，分析岩体裂隙渗透有效路径形成规律，研究水流长时渗透积聚直至导通临界条件，构建基于采动效应的三维裂隙应力-渗流网络计算模型；揭示原生/采动裂隙等构造互馈-贯通形成导水通道网络机理，探究工作面回采影响下覆岩运移破断对水运移规律的诱导效应。
技术路线或研究方法：系统调研收集新街矿区深埋富水基岩厚煤层赋存特征、水文地质条件和现场工况等，采用室内力学测试和数值模拟试验，分析不同岩体损伤程度条件下水渗流通道形成、扩展与导通的关键规律，研究损伤岩体应力场和渗流场受采动影响的扰动机制，构建基于上覆岩层采动演化特征的三维裂隙应力-渗流网络计算模型；依托实验室相似模拟试验平台，模拟分析工作面回采对覆岩导水通道网络展布特征的影响规律，揭示巨厚含水层损伤导通及水运移机理。
（四）深地能源方向（3项）
1.干热岩水平井多段压裂热应力扰动与裂缝竞争扩展机制
研究内容：以干热岩多段压裂为工程背景，形成高温高压真三轴条件下干热岩多簇裂缝起裂扩展物理模拟方法，研究热应力扰动对多段压裂裂缝扩展的控制机制；建立基于热流固耦合与损伤演化的裂缝扩展数学模型，分析多裂缝竞争扩展的应力阴影效应与动态演化规律；明确热应力扰动主导下的裂缝竞争扩展主控因素，建立多段压裂参数优化方法。
技术路线或研究方法：基于高温高压真三轴压裂装置，模拟干热岩储层温压条件，开展水平井多段压裂物理模拟实验，分析温度、水平应力差、簇间距、注入排量等关键参数对多裂缝起裂扩展动态过程和最终形态的影响；结合诱导应力场叠加原理等理论，建立考虑应力扰与损伤演化的热流固-损伤耦合数学模型，通过模拟分析热应力影响下多裂缝扩展过程中应力阴影效应，厘清裂缝间距-应力干扰-缝网形态的耦合作用关系；基于参数敏感性分析与优化算法，明确多裂缝起裂的主要机制和主控因素，提出差异化布缝、交替压裂时序等工艺优化方案。
2.基于数据驱动的岩石相似材料配比优化方法研究
研究内容：针对干热岩和CO2封存咸水层相似材料研发需求，构建岩石相似材料多源数据库，涵盖原材料配比、制备工艺及力学/渗透性能等核心参数；研发适用于小样本、多目标的智能预测算法，建立基于智能算法的相似材料性能预测模型；设计多目标协同优化算法，实现相似材料配比的动态优化；通过实验验证与可靠性评估，形成数据驱动的岩石相似材料性能预测与配比优化方法，提升相似材料设计的效率和准确性。
技术路线或研究方法：结合干热岩开发和CO₂咸水层封存场景，深度挖掘文献与整合自有实验数据，系统收集原材料信息、配比方案、制备工艺及核心性能参数，完成数据清洗、特征工程及归一化处理；开发数据驱动的智能算法训练模块，对比不同算法在岩石相似材料性能预测中的精度与泛化能力，优选最优算法模型；结合干热岩和CO₂咸水层相似材料的主要特征，搭建多目标优化框架，以材料强度、渗透率、热稳定性等为核心目标函数，建立配比优化数学模型；依据优化方案制备干热岩与CO₂咸水层相似材料并开展物性参数测试，分析模型在多岩性配比设计中的迁移潜力和可靠性。
3.非均质咸水层中CO2运移路径动态演化机制研究
研究内容：基于鄂尔多斯盆地石炭-二叠系典型非均质砂体，精细表征孔隙结构非均质性及其对CO2优势运移通道形成的控制机理；研究非均质咸水层中CO2运移方式、动力及路径特征，量化不同非均质条件下启动CO2运移的最小压力梯度与关键储层物性参数的关系；分析长期封存背景下明确非均质性主导的CO₂运移速率与分布特征，明确影响CO₂在非均质咸水层中运移的主导因素，指导致密砂岩发育区CO2注入及监测方案设计。
技术路线或研究方法：选取鄂尔多斯盆地石炭-二叠系典型非均质砂体岩心/样品，综合运用CT扫描、核磁共振等方法，明确孔隙尺寸分布、连通性及喉道分布特征；设计并开展多组非均质岩心CO2-咸水驱替实验，结合驱替压力、饱和度数据及渗流力学理论，考虑浮力、毛管力与黏性力的竞争作用机理，分析临界驱动力条件，建立最小压力梯度与量化非均质参数的关联图版；建立非均质储层CO2-咸水两相流动态耦合模型，模拟不同非均质程度、注入方案及长期封存时间尺度下的CO2运移过程，量化分析运移路径演化速率、羽流前缘扩展模式，明确影响CO2运移行为和演化分布特征的主导因素。
二、参考技术文献
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三、开放课题基金申请
1. 申请者原则上应根据指南研究方向，以基础研究或应用基础研究为目标，申报开放基金课题，每个指南方向下资助1~2个项目。
2. 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. 资助对象应具有固定科研岗位的青年科研人员，年龄不超过35周岁。
4. 2025年度资助的开放基金课题单项申请金额为30万元左右，资助不超过15项。开放基金课题执行期为2年。
5. 课题申报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），每个课题至少完成知识产权5项（发明专利2项、高水平论文3篇，或发明专利1项、高水平论文4篇）。具体要求为：
（1）所发表学术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，发表前须经实验室审核同意，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；三是水资源全国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。
（2）申报发明专利的第一申请人为国能神东煤炭集团有限责任公司或北京低碳清洁能源研究院，须通过水资源全国重点实验室申报。从尊重学术成果和青年教师的权益出发，发明人顺序建议青年教师（专利撰写人）为第一发明人；专利权人为：国能神东煤炭集团有限责任公司、北京低碳清洁能源研究院、国家能源集团有限责任公司、高校（开放基金承担课题青年教师所在院校）四家单位共享。
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和其他的中文SCI和EI检索期刊。
6. 申请者必须优先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。
7. 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。
8. 2025年度开放基金课题通过网上申报提交系统进行材料提交，网址：http://wpu.chnenergy.com.cn/，并发各领域技术联系人邮箱。
9. 开放课题申请截止日期：2025年10月31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：张勇 010-57337363，13811496435，yong.zhang.je@chnenergy.com.cn
矿井水处理方向：包一翔 010-57337579，18511403695，20047002@ceic.com
矿区水利用方向：赵勇强 010-57337489，13126880851，20039429@ceic.com
深地能源研究方向：时俊杰 010-57337369，13161702227，20082463@ceic.com.cn
联系地址：北京市昌平区英才北二街9号国家能源集团新能源技术研究院304楼
煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室
2025年9月19日
