一、研究背景

煤炭消费与环境挑战

水资源破坏：采动裂隙导致含水层疏干，年破坏水资源22亿m³，利用率仅25%。

土地资源占用：采煤沉陷区面积约200万公顷，年新增7万公顷；煤矸石堆存量70亿吨，占地1.5万公顷。

大气污染：瓦斯、二氧化硫排放及矸石山自燃释放有害气体。

2023年中国煤炭消费占能源总量55.3%，长期保持主体能源地位。

煤炭开采主要环境影响：

绿色开采技术发展

钱鸣高院士2003年提出绿色开采理念，涵盖保水采煤、矸石减排、减沉开采等方向。

关键技术体系：条带开采、充填开采、覆岩离层注浆等，实现矿区水资源保护与生态修复。

当前挑战

采煤沉陷区复垦治理率不足35%，煤矸石利用率73.6%，粉煤灰（西部利用率不足20%）需高效利用。

二、顶板含水层控水开采技术

核心问题

过量疏放含水层导致地下水位下降、生态破坏，需平衡水害防控与水资源保护。

关键技术

瞬变电磁精细探测：消除关断效应干扰，提升顶板含水层富水性探测精度。

导水裂缝带预测：基于覆岩分区支撑理论，建立裂采比分布规律（厚煤层高强度开采下，坚硬覆岩裂采比是软弱覆岩的2.29倍）。

覆岩预裂控制：压裂弱化关键岩层，抑制裂隙发育（孟村煤矿预裂后裂采比降低12%）。

精准疏放技术：结合排水能力设计疏放方案，减少钻孔工程量95%。

微震-矿压-水文监测平台：动态预警含水层扰动，保障开采安全。

应用案例

蒙陕深部矿区：采用“先疏后采+边采边疏”控水方案，工作面涌水量减少58%，钻孔放水量减少98%。

三、柱式采空区灾害防控与治理利用技术

问题与挑战

传统柱式开采遗留大量残煤（仅榆林市残煤13.1亿吨），煤柱失稳引发突发垮塌事故（如府谷县府榆煤矿12万m²塌陷）。

关键技术

中低危险区：垂向/横向局充注浆（注浆量减少30%-37.5%）。

浅埋采空区：骨料充填+旋喷固结。

充水采空区：低压外扩注浆挤水。

地面物探：小回线瞬变电磁锁定采空区范围。

孔内扫描：三维激光+声呐构建采空区三维模型，工程量减少25%。

危险性评估：基于采深采厚比、煤柱宽高比等5因素，建立AHP和熵权模糊评估模型。

应用案例

朱盖塔煤矿：完成70个注浆孔，注浆量4.03万m³，治理后建设办公楼和食堂。

四、煤矿区“天、空、地、孔”协同监测技术

技术框架

天空：InSAR卫星遥感监测大范围地表变形。

空中：无人机航测获取高分辨率影像。

地面：全站仪、水准测量实时追踪变形。

钻孔：一孔多用传感器监测覆岩应力、位移及水位。

创新技术

GNSS+时空Kalman滤波：将InSAR监测精度提升至毫米级。

覆岩多层位移监测：最大监测深度400m，量程超10m。

应用效果

在42km²沉陷区布设600个监测点，实现覆岩运动与地表变形全空间监测。

五、粉煤灰固碳及井下资源化利用新技术

技术原理

利用高碱粉煤灰（pH=13）、烟气CO₂与矿井水反应，制备防灭火材料，实现固碳、降碱、矿井水循环利用。

关键技术

两级耦合反应装置：一级固碳（63-65g CO₂/kg灰），二级抑制返碱。

旋桨式/涡流式矿化装置：强化传质效率，系统规模达120m³/h。

循环系统：矿井水重复利用率100%，CO₂利用率超85%。

应用案例

三道沟煤矿：年利用粉煤灰50万吨，固碳3万吨，管道输送距离16km，助力煤电企业“三废”零排放。