1。动机和背景

尽管全球煤炭消费的增长已大幅放缓的落在中国不断增加的需求抵消更大程度上在印度和其他亚洲新兴国家,煤炭仍是世界最大的能源到2040年近30%的份额(1]。矿业开采地下资源扮演着重要的角色,包括煤(2]。然而,大量的灾难性的矿难事故,如洪水、突水、隧道坍塌、瓦斯突出和瓦斯爆炸,已报告由于采矿活动引起的水和气体迁移,对环境构成威胁并实地工作者的健康和安全3- - - - - -5]。据不完全统计,采动事故杀死了成千上万的工人每年在世界各地,特别是在发展中国家如中国和印度。突水、瓦斯爆炸事故的主要原因是矿难事故报告(6,7]。

此外,矿业活动可能导致潜在环境问题(8- - - - - -10),如矿井水、煤矿甲烷、地面沉降和酸性矿水排水。其中,地下开采降低地下水的水位和流量变化。大部分地下水被抽到地面,只有一小部分的水是重用。删除这么多水创造了一种从周边矿区地下水漏斗,下水道。其次,煤矿释放大量的甲烷到大气中,贡献约6%的全球甲烷排放。甲烷是22倍的二氧化碳,从而有能力扰乱气候在20年的时间间隔。地面沉降发生在地球的崩溃到地下矿山和一直是一个严重的问题。在长壁开采的脸,列的煤用于支持上覆地层。从地下提取煤时,我的网站上面的土地开始下沉,潜在的破坏性建筑和整个景观。沉降也可能导致农田成为湿地、湖泊填满水。 Finally, acid or neutral mine drainage may occur when coal and other rocks mix with water during mining. The water with high percentages of toxic minerals and heavy metals leaks out of abandoned mines, thus contaminating the groundwater, soil, and plants. Therefore, it is very important to have a sound understanding of the mechanisms of these hazards, which are reflected by the rock and fluid behaviors during mining.

迁移期间通过岩石的水和天然气的开采是一个复杂的问题,可能涉及多相(固体、液体、气体)、多尺度(纳米宏),multifield-coupled(机械、热、化工、水电等)的过程。这可能还需要一个良好的知识的理解持续生物地球化学过程,如酸流域的生产。相关的相变,这可能导致岩石损伤或裂纹扩展,进一步使问题复杂化。有许多因素影响这种耦合过程,水和气体迁移背后的机制和岩石变形仍未完全清楚,因此需要进一步研究,以便可以采取适当的措施防止危害程度。此外,有效的控制技术,如地下水库,water-preserved采矿、整合煤矿和天然气开采技术,鼓励和有效的水力压裂技术,需要进一步探讨更安全、更环保的挖掘。

2。内容的特殊问题

这个特殊的问题已经收到了总计69个高质量的原始研究的文章和评论论文的进展机制,原因,和控制技术相关的清洁和污染水/气体迁移由采矿活动引起的。他们中的大多数是基于数值和理论模拟和实验;几个案例研究的现场工作也参与其中。这个特殊的问题涵盖了广泛的话题,包括地下采矿引起的岩石断裂/破坏,地下水缓解、突水预防、煤柱大坝稳定性、煤矿甲烷和增强气体复苏,页岩气储层,地面沉降,天然气水合物。

第一个主题是岩体的水力特性和相关的水和甲烷移植。d·马等人提出了一个实验性研究砂岩和泥岩颗粒重量比的影响在他们的论文题为“非达西水力特性试验研究在砂岩和泥岩颗粒混合物的水力特性。“摘要”Shear-Induced渗透性砂岩裂缝的进化,”h .张等人提出了切谷砂岩的三轴剪切试验与不同类型的表面粗糙度,提高骨折shear-slip-induced渗透率特征的理解。结果表明,permeability-displacement曲线可分为三个阶段,即:,a stable stage, a stage with permeability decreasing, and a second stable stage, which exhibit similar behavior as the shear stress-displacement curves. Roughness changes before and after the shear tests had been used to examine the mechanism (e.g., surface grinding and sealing) behind the observed permeability reduction. In the paper “Numerical Simulation of Shear Behavior and Permeability Evolution of Rock Joints with Variable Roughness and Infilling Thickness” based on a DEM numerical modeling by J. Cheng et al., it is found that the permeability of infilled rock joints increases with both the thickness ratio (ratio of infill thickness to rock height) and joint roughness coefficient (JRC) during joint shearing. In the paper titled “Experimental Study on the Permeability of Weakly Cemented Rock under Different Stress States in Triaxial Compression Tests,” G. Fan et al. conducted a series of triaxial seepage experiments on weakly cemented mudstone and coarse sandstone collected from the Jurassic area in Northwestern China. For mudstone, permeability decreases in the elastic stage and then rapidly increases to the maximum at the end of the yield stage, followed by a slight decrease at the residual stage. The permeability ranges from 10⁻¹⁷到10⁻¹⁹米²,代表防水性质稳定。泥岩的磁导率为1 - 2个数量级低于粗砂岩。扫描电子显微镜(SEM)和x射线衍射分析表明,渗流特性与岩石的微观结构和组成密切相关。摘要“多组分晶格玻尔兹曼模拟天然气运输的煤储层动态吸附”,彭z等人提出了一个双晶格玻尔兹曼分布模型来分析气固多组分气体迁移的动态吸附过程非常规储层。结果表明,吸附时变得更强,比表面积和裂缝孔隙度的增加和矩阵的大小减少。饱和吸附量的影响已显示出相反的趋势,在吸附率随饱和吸附容量和吸附量之间的区别,以及朗缪尔的影响压力和裂缝孔隙度显示了一个类似的趋势。c .张等人开发了大型气体渗流模型模拟气体排放上保护煤层开采过程中他们的论文题为“减少气体的气体渗流模型研究上保护煤层开采过程中积累的风险”。本文题为“迁移下的煤层气开采压力和空气喷射:一个案例研究在中国,”l .张等人提出了一个双孔隙度和瓦斯抽放双重渗透率模型分析矿山压力的影响从煤层中提取甲烷。数值模拟也被扩展到理解现场应用的效果。这两种方法都表明,采动裂隙增加煤的渗透性,促进压力下降在附近的煤炭矩阵,从而消除气体爆发的危险。 In the paper titled “Time Characteristics of the Influence Radius by Injecting N₂取代煤层气:一个案例研究”,l . Chen等人利用田间试验和数值模拟,总结合理的注入和排放钻孔之间的分离。在这项研究中,他们提出了一个方法来确定合理的分离通过增加影响半径,在油井分离被发现依赖注入压力。

第二个主题是有关地下水缓解机制和water-preserved采矿技术。本文题为“破坏特点和机制的强有力的王家岭煤矿突水灾害时,山西省,中国,“崔f等人报道矿井地下水侵入事故发生。侵入地下水来自上废弃的发掘。原则已经提出预防这些事故。本文题为“研究煤层底板的稳定性高于承压含水层使用结构系统可靠性的方法,”h . Lu等人提出了一个方法来研究随机岩石力学参数和负载的影响稳定的地板上承压含水层之上。在这种方法中,两种失效模式的防水地板已经被提出,蒙特卡罗法计算每个失效模式的可靠性概率。本文题为“煤炭开采的影响在中国Yushenfu矿区泉,“写的l .风扇等人基于水文调查在1994年和2015年之间,春天的机制分析了进化和生态的影响域结合地下水监测和煤炭开采强度评价。本文题为“我的洪水地区的历史Below-Drainage煤田主要由屏障泄漏(1970 - 2014),“j·j·多诺万和e·f·佩里收集了水位波动数据在一系列相邻的封闭的地下矿山目前洪水矿山和识别关键的历史事件,决定在这种情况下我池是如何进化的。他们的研究表明,进步我的洪水是影响矿业历史和设计,关闭时间,屏障泄漏条件和地质构造。

第三个主题涉及地下煤炭开采引起的骨折和运动和相关的控制技术。篇题为“一个总复习长壁骨折程度Near-Face地区”,问:白和美国你总结当前的成就描述采动裂隙在Near-Face地区,例如,煤壁、煤柱,眼下的屋顶和煤,和地板。言论是对当前进展的基本问题和发展采动裂缝的方法来描述,如野外观察、小规模的实验室检测,物理和数值模拟。在综合分析的基础上,讨论了各方法的优缺点和应用这些方法的理想条件推荐。本文题为“Force-Fracture上方的屋顶的特点在急倾斜煤层采空区:一个案例研究Xintie煤矿”,h .你等人已经利用small-deflection弹性薄板理论估计屋顶载荷下变形从上覆地层和支持提供的回填采空区在陡峭的煤炭开采面板中。结果表明,裂缝将首先开发的上部分额叶和后方的墙壁上悬挂的脸和中间屋顶由于紧张或剪切并最终形成一个e型模式。本文题为“计算方法基于断裂力学分析上覆岩层破坏高度的软、硬岩层”,l . Chen等人构建了骨折模型,考虑定量分类标准预测采动上覆岩层破坏高度为一个特定的地质条件的软、硬交互层。验证了数值模拟方法和现场测量。他们发现,拉伸断裂是在软地层成为主流,但数量少和较低的角度,和计算结果更精确的比传统的方法没有考虑到软地层。本文题为“现场测量和机械分析水裂缝带的高度短块回填采矿含水层下:一个案例研究在中国,“y张等人建立了一个力学模型基于弹性基础梁理论和短块充填采矿的特点预测的高度在这些特定条件下水流断裂带。 Field observations have been used to validate the proposed method, highlighting that the prediction based on conventional methods usually produces unreasonable large values. In the paper titled “Surface Subsidence Control Mechanism and Effect Evaluation of Gangue-Backfilling Mining: A Case Study in China,” H. Li and G. Guo conducted a physical modeling on solid backfilling longwall mining based on a real case study. According to the results, thermal expansion coefficients of overlying strata, the interlayer fracture, and the subsidence were smaller in backfilling mining compared with those from the traditional longwall mining, where the surface subsidence reduces by more than 85%.

第四主题关注煤炭措施失败,损害和骨折。本文题为“伤害和失败的进化机制煤柱在地下水库大坝受水浸影响,”王f . et al .,写的一个数值模型用于分析裂缝发展和渗流场在地下采空区煤柱水坝,这是一个关键部分水资源的保护和利用。结果表明,强度退化引起的水浸在煤柱稳定中起着重要作用。本文题为“裂纹萌生在气体压力下含煤的特点,“z阴等人调查了力量属性(单轴抗压和抗拉强度和断裂韧性)和含煤失效模式。发现这三个参数随着初始气体压力降低。z熊等人分析了煤的力学性能和破坏过程在单轴压缩和分级放松条件下本文题为“单轴压缩蠕变松弛和煤的分级样品通过测试进步失败的特征。”结果表明,强度和弹性模量得到的放松试射低于常规测试。松弛测试通常产生复杂的骨折,表现出明显的横向扩张,而传统的抗压测试产生tension-shear double-fractures。这篇题为“缺陷倾角对卸荷的影响反应的脆性岩石在地下深处“z陈等人写的数值研究了卸载响应完整的和pre-flawed硬岩石。结果表明,卸载失败的力量,卸荷损伤阈值和开裂特征依赖pre-flaws的倾角。pre-flawed试样的强度下降了5.5% -20%的完整的标本在相同的测试。 Fractures development and failure modes have also been compared between the intact and defected rocks.

除了上面提到的工作,可以找到一些其他有趣的报纸特刊。我们相信这个特殊问题提供有用的参考矿业工作者和研究人员和学者,他们的工作包括水、溶质和天然气迁移由采矿活动领域。

的利益冲突

编辑们宣称他们没有利益冲突有关的出版这个特殊的问题。

确认

客人编辑要感谢所有作者在这个问题上的评论者慷慨地花宝贵的时间在提供高质量的评论提交的手稿。这个项目是由中央大学的基础研究基金重点学科(2018 zdpy05)和程序开发江苏高等教育机构。

Fangtian王
文王
Bisheng吴
Qingsheng呗
Mandadige s a·佩雷拉