京津冀资源枯竭型矿井采空区储水机理与净水能力

20231219

采矿业

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

京津冀地区水资源仅占全国的1%，却承载着全国8%的人口和11%的经济总量。在强人类活动的干扰下，京津冀生态环境错综复杂，水资源成为制约区域发展的关键要素。京津冀地区因资源枯竭而废弃/关闭的矿井采空区内含有丰富的地下水资源。资源枯竭型矿井关闭后，采空区矿井水不断上升，成为影响矿区周围生态环境与水资源安全的主要因素。因此，如何合理开发利用资源枯竭矿井的储滤水能力，评估矿区水环境演化特征，是解决矿区生态安全的重大科学难题，也是改善矿区水资源匮乏的有效途径。 矿井地下水库是实现煤矿水资源保护与利用的有效途径，采空区的储水机理与净水机制是矿井地下水库储滤水能力的关键。项目以京津冀地区资源枯竭型矿井地下水库建设为典型地质工程背景，监测量化采空区应力与水环境场量；表征重构受载-水浸-水渗作用下破碎煤岩体孔隙结构，建立破碎煤岩体应力-水浸-水渗耦合损伤模型，定量分析破碎煤岩体耦合损伤程度与孔隙率的相关关系；分析破碎煤岩体水岩作用下净水机制，探索影响破碎煤岩样净水能力的主控因素，揭示采空区破碎煤岩体净水能力的时间效应；提出基于地下水库的储水-净水-用水的矿井水资源利用模式。 项目主要创新成果包括：①首创了煤体孔裂隙结构与矿物成分的精确表征重构方法，揭示出多次采动、矿震等复杂应力及长期水浸耦合作用下煤柱坝体渐进弱化累积损伤机理；②发现了采空区破碎煤岩体净化矿井水的时间效应，揭示了采空区破碎煤岩体水岩作用净水机理，开发出采空区处理矿井水的多级净化技术；③开发了采空区破碎煤岩体DEM-CFD流固耦合数值模拟方法，揭示了采空区破碎煤岩体水浸弱化-水渗充蚀-加载破碎的耦合损伤机制，获得了采空区破碎煤岩体的孔隙演化模型；④构建了长期水浸影响下煤岩体饱和-非饱和损伤本构模型，开发了考虑水浸弱化的饱和-非饱和的采动水浸流固耦合模拟方法，揭示了煤柱坝体宽度与采空区蓄水水位的量化关系⑤开发了矿井地下水库稳定性运行综合监测系统，提出了提出基于地下水库的储水-净水-用水的矿井水资源利用模式。 项目团队人员围绕地下水库水岩作用机理与稳定性控制关键技术潜心研究、笃志创新，累计发表标注基金论文43篇，项目负责人为第一/通讯作者论文34篇，第一标注论文13篇；发表论文中SCI检索论文31篇（JCR1区论文21篇），EI检索论文6篇，CSCD检索论文4篇，入选ESI高被引论文4篇。授权发明专利9项，实用新型专利1项，其中项目负责人为第一发明人授权专利5项，出版专著2部。项目负责人依托项目成果获行业协会科技进步一等奖1项（排3），二等奖2项（排2、2），贵州省自然科学二等奖1项（排2），安徽省科技进步二等奖1项（排2）和河北省科技进步三等奖1项（排5）。 以本项目研究成果为主要支撑的《黄河流域煤矿地下水库水岩作用机理与稳定性控制关键技术》在国能神东煤炭集团有限责任公司应用，仅2022年节约购水费、矿井水处理达标排放费等超 11 亿元，新增利润超3.7 亿元，新增税收近2亿元，经济和社会效益显著，推广应用前景广阔。本项目的研究有助于合理开发利用我国资源枯竭矿井地下空间的储滤水能力，实现矿井水资源的保护与利用，促进资源枯竭型矿井企业转型脱困和可持续发展，推动京津冀城市与区域经济转型发展，也是解决我国部分矿区和地区水资源匮乏的有效途径。且随着我国“双碳”目标的提出，以矿井地下水库技术为核心的城市污水处理中心、抽水蓄能电站、采空区储热、CO2地下封存等技术能够进一步提升矿区生态发展水平、确保矿区与城市协同发展生态安全、助力我国双碳目标。