淮南潘谢采煤沉陷区水生态环境评价与功能区划

受采矿活动制约,采煤沉陷积水区以众多的小型塌陷湖泊类水体景观为主,由于矿区水文生态环境条件和水体利用方式等方面的差异,不同类型塌陷湖泊水体污染程度和营养状态差异较大,单个塌陷湖水体环境容量较小,对人为活动响应较快。通过对潘谢采煤沉陷区五个矿区水域的监测分析评价,并结合各分矿区土地利用情况、自然环境条件和社会经济发展状况,以生态环境质量调查和评价结果为主要依据,构建研究区的水生态功能分区指标体系,形成水生态功能分区研究成果。通过研究,可以为沉陷区水资源分类利用、污染控制和生态修复提供基础资料、理论支撑和实践指导。

高潜水位采煤沉陷区资源化、能源化、功能化利用构想与实践

高潜水位矿区井工开采往往造成地表大面积沉陷积水,矿区生态环境发生变化,沉陷区国土资源由以土地资源为主转变为水资源为主、水土资源共存的局面。目前,采煤沉陷区水资源开发利用不充分,可再生能源开发、多能互补利用和废弃矿井抽水蓄能等方面具有得天独厚的条件和巨大发展潜力,采煤沉陷区国土空间功能也需结合现有条件重新定位与建构。在此背景下,提出高潜水位采煤沉陷区资源化、能源化和功能化利用构想。系统阐述了“三化”面临的科学问题,如采煤沉陷水域水资源量和水生态环境演变规律、地表残余变形规律;“三化”涉及的关键技术与模式,包括监测与评价技术,如“天-空-地-水-井”一体化协同监测技术体系、采煤沉陷区水生态环境调查评价方法、采煤沉陷区建设场地地基稳定性评价方法,以及治理利用技术及模式,如采煤沉陷区水生态环境修复技术模式、采煤沉陷区水资源保持与高效利用技术模式、水资源区域协调开发与高效利用技术模式、风光互补模式、制氢-合成氨-掺氨燃烧发电模式、废弃矿井抽水蓄能模式、农业用地功能构建(复垦地土壤重构)技术、建设用地功能构建(采空区注浆地基加固)技术、生态用地功能构建(地表水系重构与生态湿地建设)技术;并从产业融合、资金筹集、科技创新、区域统筹等方面提出了具体的政策建议。

外源有机酸对复垦土壤中重金属Cr的活化效果研究

为了探究低分子有机酸(柠檬酸和苹果酸)对Cr污染土壤中Cr形态分布的影响,以淮南市潘一矿煤矸石山周边的复垦土壤为研究对象,通过模拟不同浓度Cr污染土壤,分析柠檬酸(CA)和苹果酸(MA)对土壤中Cr赋存形态的影响机制。结果表明:(1)随着外源Cr浓度的增加,土壤中Cr的活性有效提高。(2)柠檬酸和苹果酸的加入均可增加土壤中可交换态Cr的占比,即Cr的有效性得到提高,且随着柠檬酸和苹果酸浓度的升高,对土壤中Cr活化效果持续上升,柠檬酸的活化效果优于苹果酸。(3)随着老化时间的延长,有机酸对Cr的活化效果会减弱,弱结合态Cr将逐渐向强结合态Cr转化。因此,土壤重金属Cr污染修复中,可以考虑选用活化效果较好的柠檬酸作为修复辅助剂,来提升土壤Cr修复效率。研究结果可为矿区复垦土壤重金属Cr污染修复提供指导。

基于分段Knothe时间函数的开采沉陷预计模型优化及应用

淮南矿区煤层埋深达800~1200 m,开采影响传播时间长,在使用原始分段Knothe时间函数模型预计该地区地表沉陷动态过程时,存在的不足为:预计的地表沉陷无启动阶段,下沉速度达到最大时对应的地表沉陷值并不等于最大下沉值的1/2,时间因素影响系数(c)以及地面点最大下沉速度对应的时刻(τ)无法实现自适应取值。通过理论研究以及资料分析,应用地表沉陷启动时间t_(0)以及修正模型对Knothe时间函数模型进行优化,并结合淮南矿区地质特征以及概率积分模型相关理论构建了c、τ求解模型,提出了适合淮南厚冲积层矿区的分段Knothe时间函数优化模型。以淮南某矿1613(3)工作面为例,采用所提优化Knothe时间函数模型、原始分段Knothe时间函数模型、分段Knothe时间函数模型分别进行了地表沉陷预测。结果表明:以地表点的实测值作为参考,所提出的优化模型在预计地表形变时,预计标准差为295.8 mm,总体精度较原始分段Knothe时间函数提高了49%,较分段Knothe时间函数提高了53%,证明了所提优化模型的优异性。

采煤沉陷水域底泥及周边土壤性质差异分析及其环境意义

为查明沉陷水域底泥及周边土壤对沉陷水域特征污染指标的潜在影响，确定采煤沉陷水域的主导污染源，以淮北临涣采煤沉陷水域为研究对象，对沉陷水域底泥及周边土壤进行了样点布设与样品采集，测试了不同层位底泥及土壤的氮、磷、有机质等指标。由9n,4试结果可以得出：采煤沉陷水域底泥中的pH，Eh、有机质等指标均低于土壤，其中有机质减少了80％～95％，氮、总磷、有效磷、总碳含量高于周边土壤，分别平均增加了约20％，5．35％，8．37％，93．24％，说明采煤沉陷水域在积水的25a间，原有肥沃的表层土壤中的有机质逐渐分解，采煤沉陷不仅导致了耕地面积的减少，而且导致了土壤中有机质的损失；水体与底泥间总碳、氮、磷等物质的交换趋势为水体向底泥中富集，同时间接地说明了在没有集中污染源排放的情况下，采煤沉陷水域暂时没有内源释放污染物的风险，控制外源输入是保护沉陷区水环境的主要措施。

采煤沉陷复垦区重金属分布特征及生态风险评价

以淮南新庄孜矿煤矸石充填复垦区为研究对象,通过现场调查取样、室内测试分析等手段,对煤矸石充填复垦区不同土地利用类型、不同充填深度土壤中Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、Mn和Hg 7种重金属的分布特征进行研究,同时采用生态风险指数法,对研究区土壤重金属潜在生态风险危害进行评价。结果表明:表层土壤中Cu、Zn、Cd、Mn和Hg 5种重金属平均值均超过当地的土壤背景值,存在不同程度的污染,且Cd污染最严重。从垂直方向来看,除Hg外土壤重金属无明显分布规律,Hg的含量随土壤深度的增加而升高。复垦区土壤重金属潜在生态风险危害严重,不同重金属潜在生态风险危害程度不同,Cd和Hg的潜在生态风险危害最大。

不同类型煤矸石中环境敏感性微量元素淋滤特性

以淮南新庄孜煤矿新鲜矸石、风化矸石、沉陷复垦区充填矸石和煤泥样品为研究对象,对样品进行分批浸出实验。采用石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)测定Cd,Cr,Pb和Mn 4种环境敏感性微量元素在3种p H的浸泡介质、3种粒径和6个时间段的浸出浓度,对比分析其阶段浸出率、总浸出率和最大浸泡析出量,探讨各元素的淋滤析出特征,参考地下水环境质量标准对不同元素环境效应进行评价。研究结果表明:微量元素的浸出效果随着粒径、p H降低呈增强趋势,元素的浸出总量随时间的延长呈递增趋势,煤泥中各微量元素的总浸出率高于其他类型样品;在样品类型、粒径及浸泡介质等条件一定时,4种元素的浸出效果及对环境的危害性由大到小顺序为:Cd,Pb,Cr,Mn。

煤矿工业广场生活污水再生利用试验研究

为解决煤矿工业广场生活污水再生利用的问题,采用同步生物氧化池(SBOT)工艺进行中试研究。结果表明,在HRT为3.4h的条件下,SBOT工艺进水COD和NH4+-N、SS的质量浓度平均分别为62.5mg/L和10.6、49.6mg/L,出水COD和NH4+-N、SS的质量浓度平均分别为13.1 mg/L和0.18、0.98 mg/L,相应的平均去除率分别为79.1%和98.3%、98.0%。该工艺流程简短,不需要二沉池和滤池,具有启动速度快、运行稳定、抗冲击负荷能力强等特点。

淮南大通煤矿废弃地土壤重金属空间分布及变异特征

通过对淮南大通煤矿废弃地土壤重金属元素含量采样分析，利用GIS技术分析其空间分布与变异特征，结果显示：从平均值来看，大通煤矿废弃地5种重金属超出背景值2．000～36．300倍，以Cd污染最为严重，其次是Hg、cr、Pb，cu，相对较小。化工厂及周围区域重金属严重污染，煤矸石堆及周围区域为重污染。Hg和Cd来源于化工厂废水和煤矸石，且均在底层土富集；Cr主要来源是化工厂废水，在表层土含量高；Pb和Cu来源于煤矸石和化工厂废水，分别在底层土和表层土富集。煤矸石释放的重金属在土壤底层富集，化工厂废水使表层土含量较高。多数重金属元素之间正相关关系显著，具有同源性；Hg和Cd与营养物质呈显著正相关关系，Cr和Pb与营养物质呈显著负相关关系。重金属污染存在受自然因素影响存在显著的较大结构性变异，空间变异均是微小尺度，空间变异特征与复杂的地物和人为干扰有关。

淮南潘集矿区土壤重金属污染及生态风险评价

以淮南潘集矿区为研究区域,分别采集该区域煤矸石充填复垦地和未沉陷农田土壤样品,分析Pb、Cd、Cr、Zn、Cu、As、Hg 7种重金属元素含量,并在此基础上对土地受重金属污染程度和由此产生的潜在生态风险进行了评价。结果表明:煤矸石充填复垦地与未沉陷农田的土壤重金属含量没有显著差异,复垦后不同土地利用方式下各重金属指标也不存在显著差异;7种重金属含量间无显著正相关关系,推测无明显同源性;研究区域内普遍存在Zn、Cr复合污染现象,单因子污染指数Zn>Cr>Cd>As>Cu>Pb>Hg,综合污染程度介于重度污染和中度污染之间;潘集矿区复垦土地和未沉陷农田土壤中全部7种重金属元素的潜在生态危害系数均小于40,属于轻微生态危害。

高潜水位矿区生态系统演变趋势研究:以淮南潘谢矿区为例

为了有效地应对高潜水位矿区煤炭资源开采后带来的生态环境问题,以淮南潘谢矿区为研究区域,应用遥感技术分析了耕地、水体分布以及景观格局,分析了生态系统结构的变化,得出了矿区生态系统结构总体变化规律以及不同生态系统相互转化规律。应用开采沉陷预测技术,基于矿区生态系统结构的变化规律,预测了生态系统演化趋势,得出的结论为:耕地面积逐年减少,矿区煤炭资源完全开采结束时,矿区的生态景观将由水域占绝对主导优势,矿区由陆地生态系统向水陆复合生态系统演变,土地利用模式将优化。

基于环境一号卫星影像的淮南潘集采煤塌陷积水区富营养化评价

通过研究淮南潘集杨庄采煤塌陷积水区水体水质指标与环境一号卫星影像4个波段反射率值之间的关系,针对叶绿素、透明度、总磷、总氮、高锰酸钾指数5项主要水质参数建立了遥感监测模型。采用综合营养状态指数法,评价了该地区水体整体水质富营养化程度。评价结果表明,该塌陷积水区水体为轻度—中度富营养化,与实测水样分析监测的结果基本吻合,证明了水质遥感模型反演技术在当地水质监测中的适用性和可靠性,为实现该地区水质动态监测与预警提供了技术支持。

基于遥感影像数据的关闭矿井功能性分区规划

为探究关闭矿井功能性分区规划方法,以新谢矿区为研究对象,基于多期卫星遥感影像获取研究区土地利用现状,采取热点空间聚类方法及PLUS预测模型预测2025年研究区热点区域及土地利用空间分布。发现新谢矿区水体扩张变化显著,热点区域为水体类型,耕地为不变化区域,冷点区域以林地和草地类型零星斑块状分布。基于预测结果、土地利用现状调查结果与矿山地质环境问题分布特点,将新谢矿区划分为5个功能性分区大区,分别为Ⅰ区水体和林地功能提升区、Ⅱ区塌陷水域和农业用地功能提升区、Ⅲ区水体和耕地及湿地景观用地功能提升区、Ⅳ区水体和农业用地功能提升区、Ⅴ区水体和农业用地功能提升区;并针对各功能性分区提出治理提升方案和用地建议。

淮南矿区某拟建电厂采煤塌陷区建设地基稳定性评价

针对采煤塌陷区建设地基稳定性评价方法中缺乏地表稳定后的残余变形实测数据的问题,提出了利用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术获取残余变形数据的方案。以淮南矿区某拟建电厂选址为例,分析了地基稳定性评价的必要性,通过区域稳沉与地裂缝现状特性分析、覆岩导水裂隙带高度计算、附加荷载影响分析、InSAR残余变形实测数据分析及地表极限残余变形分析,获得了地基稳定性综合评价相关参数。利用终采时间、地表移动变形特征、顶板岩性及松散层厚度、地表移动变形值等确定场地稳定性等级;根据采空区剩余变形量与荷载临界影响深度定量评价获取工程建设对采空区稳定性影响程度。结果表明,拟建电厂厂址的稳定性等级为稳定,该场地工程建设的适宜性评价等级为适宜,为后续拟建电厂的施工提供了理论依据和技术支持。

煤矿矿井水井下深度处理与回用技术

煤矿矿井水井下处理成本高、效率低,处理方法单一,矿井水处理装置井下环境适应性差、处理后水质不达标。为构建淮南矿区煤矿矿井水处理利用技术体系,实现对矿井水的有效处理和利用,针对煤矿井下乳化液配制的高品质用水需求,研究了不同孔径过滤介质对矿井水中颗粒物的去除能力。得出采用滤材为50μm+20μm+10μm的组合过滤方案,在进水浊度为130 NTU以下时,出水浊度能小于3 NTU,满足深度处理进水需要。试验得出反渗透和纳滤相结合的方案能实现对矿井水盐分的高效去除,Cl^(-)、Na^(+)、HCO^(-)_(3)等一价离子去除率超过90%;SO^(2-)_(4)、Ca^(2+)、Mg^(2+)等二价离子去除率超过99%;研发了矿井水井下处理后回用为综采工作面乳化液配制用水工艺;开发了MK-RHY-BP型乳化液配制用水处理设备。实现了将矿井水在井下深度处理后直接回用于乳化液配制用水,拓宽了矿井水处理和利用途径,提高了矿井水利用率。

超滤深度处理煤矿工业广场生活污水试验研究

为解决煤矿工业广场生活污水再生利用的问题,采用超滤技术对二级生化出水进行深度处理试验研究。结果表明:超滤对浊度、CODcr及NH4+-N的平均去除率分别为94.1%、24.8%和32.7%,对粪大肠菌群数的去除率大于99.99%。在操作压力小于0.16MPa的情况下,膜通量随操作压力的提高而线性增大;当操作压力大于0.2 MPa后,膜通量受操作压力的影响较小,继续提高操作压力会加剧膜的污染,周期反冲洗能够有效抑制膜通量的下降。超滤在过滤15min后反冲洗1min的条件下运行16h,膜通量仅下降7.3%。

李一矿采煤沉陷区典型地块碳储特征与碳汇潜力研究

在对李一矿采煤沉陷区典型地块植被、土壤进行采样测试分析的基础上,分析了李一矿生态系统高大杨树区、矮小杨树区、正常农田和场地平整区4个典型地块的碳储量特征。采用植被异速生长模型和类比法分别对植被和土壤的碳汇潜力进行了评估。发现李一矿生态系统中4个典型地块的总碳储量为23 650.44 t;李一矿生态系统中,林地比耕地具有更高的碳储存量;目前的土地利用情况下,李一矿生态系统仍具有一定的碳增汇潜力。研究结果可为淮南矿区生态修复提供基础性参考依据。

淮南市城区地表灰尘重金属分布特征及生态风险评价

城市地表灰尘中重金属会对人体健康和生态环境产生危害,为研究城市中不同功能区地表灰尘重金属的含量和潜在生态危害水平,以典型煤炭资源型城市淮南市的地表灰尘为研究对象,采集工业区、商业区、交通区、文教区、居住区和公园绿地等6种功能用地共40个点位的地表灰尘。采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和DMA-80直接测汞仪测定Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的含量,分析其在不同功能区地表灰尘中的分布特征、相关性及可能的来源;并应用潜在生态危害指数法对重金属在不同功能区的潜在生态危害进行评价。结果表明:1)淮南市地表灰尘中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Co、V、Hg的平均质量分数分别是202.59、74.63、62.74、110.69、0.57、35.82、12.18、50.95和0.105 mg·kg-1,其中Zn、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、Hg的平均含量分别是淮南市土壤背景值的3.47、3.17、2.04、1.21、9.50、1.12、2.56倍,是中国土壤背景值的2.73、2.87、2.78、1.81、5.88、1.33、1.62倍。2)9种重金属中,Zn和V的含量在不同功能区分布相对均匀,其他重金属在不同功能区含量均表现出较明显的空间异质性。3)不同功能区中,Zn、Pb、Cu、Ni、Co、V、Hg的平均含量在工业区最高,Cr和Cd的平均含量在交通区最高。4)不同重金属的相关性表明,Zn、Pb、Cu、Cd、Ni等5种元素有同一来源,Co和V有同一来源。5)单项潜在生态危害系数大小为Cd>Hg>>Pb>Cu>Ni>Co>Zn>Cr>V。不同功能区9种重金属复合生态危害均处于强生态危害水平(300≤RI<600),其中工业区和交通区潜在生态危害水平最高。

淮南采煤沉陷水体中氮磷的分布特征及环境意义

煤炭资源的大规模开采,导致高潜水位采煤沉陷区积水面积迅速扩展.以淮南市7个矿区典型的采煤沉陷水体为研究对象,测试分析了水体中氮、磷等水质指标并进行了水质评价.结果表明:1研究区沉陷水塘的总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)与总磷(TP)的平均值分别是3.04,0.61,0.61和0.16mg/L,水体的氮磷负荷较为严重;2沉陷区水体中TN分布为新庄孜矿(5.58mg/L)>潘一矿(4.07mg/L)>顾桥矿(2.77mg/L)>潘三矿(1.79mg/L)>朱集和潘北矿(1.47mg/L)>潘二矿(1.17mg/L),TP分布为潘三矿(0.29mg/L)>新庄孜和朱集矿(0.20mg/L)>顾桥矿(0.17mg/L)>潘北矿(0.14 mg/L)>潘一矿(0.11 mg/L)>潘二矿(0.05 mg/L),TN分布与沉陷时间具有良好相关性,而TP分布没有明显规律;3沉陷区的TN和TP相关性不显著,TN和NH4+-N具有良好的正相关,温度、溶解氧、pH与氮磷指标具有一定的相关性,综合水质标识法评价结果显示,研究区水体中的氮磷水平基本处于Ⅲ类或者超过Ⅲ类水,水体中最主要的超标和污染因子是TN,其次是NH4+-N.

色连二矿多煤层开采对导水裂隙带高度影响的数值模拟探讨

导水裂隙带高度确定对煤矿水害防治及煤炭高效开采具有深远意义。为研究多煤层开采导水裂隙带发育规律,以色连二矿5号煤层为研究对象,采用理论分析和UDEC软件数值模拟的方法,研究色连二矿的3,4,5号煤层依次开挖对覆岩层导水裂隙带发育高度的影响情况。结果表明,运用数值模拟的手段预测的3、4和5煤层导水裂缝带高度分别为38 m、50 m和70 m,其中开采4-1上煤对3-1煤导高有一定影响,开采5-1上煤促进4-1上煤导高进一步增大,且影响程度较大,对3-1煤导高具有较小的促进作用。该成果为色连二矿5煤层安全高效开采提供了理论技术支持。