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作 者

刘晓丽1,曹志国2,4,陈苏社2,3,高岩堂1

作者单位

1. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室；2. 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室；3. 国家能源集团神东煤炭集团有限公司；4. 国家能源投资集团有限责任公司

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研究背景

西北干旱-半干旱地区,特别是晋陕蒙宁甘地区,富集了全国65%的煤炭资源,却仅占有全国3.9%的水资源量。水资源匮乏,已经并将持续成为能源“金三角”地区可持续开发道路上遇到的主要限制因子。

与此同时,西北富煤地区的煤炭开采实践表明,地下赋存着丰富的地下水。采矿过程扰动下,地下水系统遭到破坏,形成大量矿井水。传统上这些矿井水作为煤矿水害外排到地表,造成水资源浪费。矿井水资源的浪费与该地区水资源短缺形成了一对矛盾。

此外,水利部于2013年提出了“大型煤电基地开发规划水资源论证的意见”,明确提出“煤电基地燃煤电厂建设与煤矿开采等项目用水应统筹安排、综合利用”,使得矿井水外排成为煤矿的负担,大大限制了煤炭资源开采。煤矿地下水库建设的理念和实施使得以上问题得到高效解决。煤炭开采后形成了具有很大空隙的采空区,同时,通过地下煤柱坝体和人工混凝土坝体将矿井水安全的储存在采空区,形成煤矿地下水库。

为了保证采矿安全,防止采空区持续涌水导致煤矿地下水库失稳,提出了建设多个地下水库,并通过相应通道连接,使不同储水的采空区可以形成相互之间贯通的地下储水空间。根据煤炭开采生产的安排计划,可以将矿井涌水分时分地存储在这些地下采空区的空间内,通过地面与矿井中建设的各种辅助工程措施来实现矿井涌水的过滤净化、抽提使用与回灌贮存,形成有效的地下矿井涌水的暂存空间,也将其称之为“煤矿分布式地下水库”。

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摘 要

煤炭规模化开采势必产生扰动裂隙场,进而破坏地下水系统,并产生大量矿井水,导致矿井突涌水风险。为了保障煤矿生产安全,并将矿井水储存在井下供生产和生活使用,提出了煤矿地下水库理论框架和技术体系。

煤矿地下水库建设的关键难题是库容(或储水量) 的评估与控制,即将矿井水储存在采空区后,如何保障不断增加的矿井水不会危及到后续煤炭开采活动。

基于此,提出了在煤矿区建设多个地下水库,通过管道将多个地下水库相互连接起来形成相互连通的分布式地下水库,并可在多个水库间进行水量联合调度的技术思路。

其优势是可以通过水库间的水量调度保证每个水库中的矿井水在安全库容范围,特别是可以使威胁现有采区的地下水库储水量得到有效控制,防止水害发生。

以某煤矿分布式地下水库建设为例,根据矿井开采区的地质资料,计算不同高程区域的储水能力,确定分布式地下水库的库容-水位曲线;在此基础上,建立分布式地下水库的地下水数值模拟模型,预测矿区的涌水量;并针对矿区的涌水量,结合地表水资源,按照水量供求关系,进行矿区水资源的优化调度,使得矿区涌水得到合理和高效利用。

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文中图片

某矿区沉积-构造剖面

矿区地下水库分布

分布式地下水库5~10m的库容-水位关系曲线

渗流模拟补排水边界

矿区三维模型

模拟矿区补给量、排泄量以及各水库日均涌水量年际变化曲线

GM模型与GMS模型的结果值对比

联合调试的各水库月末水位

作者简介

刘晓丽，男，1978年11月25日生，山东泰安人，清华大学水利系副教授，博士生导师，水沙科学与水利水电工程国家重点实验室研究员，河川枢纽与建设管理研究所书记、副所长。国际期刊《Tunnelling andUnderground Space Technology》、《EnvironmentalGeotechnics》及国内核心期刊《工程地质学报》等编委，获国家科技进步奖和省部级科技奖励4项，发表学术论文120余篇。获“谷德振青年科技奖”，“中国岩石力学与工程学会青年科技奖（银奖）”等。2015年国家自然基金委优青项目获得者。

研究方向

水岩耦合关联过程模拟及过程控制

主要成果

致力于地下工程孔隙-裂隙-溶洞多重介质结构与关联多尺度渗流理论研究，取得多项创新性成果，形成了水岩耦合关联过程模拟及过程控制的成套技术体系，为地下工程围岩变形-渗流提供了综合控制技术；在煤矿地下水库建设技术方面，获得多项专利，针对井工与露天煤矿水资源保护问题，提出了具有广泛适用性的地下水库构建与水资源调控技术，为煤矿水资源的安全高效利用提供了技术支撑。

来源：

刘晓丽,曹志国,陈苏社,等.煤矿分布式地下水库渗流场分析及优化调度[J].煤炭学报,2019,44(12):3693-3699.

LIU Xiaoli,CAO Zhiguo,CHEN Sushe,et al. Seepage field analysis and optimal schedule of distributed underground reservoir in mining area[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(12):3693-3699.

责任编辑：常明然编辑整理：郭晓炜

审 核：常琛

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