矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统及实验研究

煤岩界面识别技术是煤矿智能化开采的关键技术之一。基于高频雷达波探测技术可实现煤岩界面的随采高精度探测,但仍存在矿井超大采高(≥6 m)片帮垮落带来设备的安全风险及采高突变(采高≤2 m)时空间限制设备通过的问题。在前期工作基础上提出了一种矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统并进行了煤岩界面探测实验研究,主要内容包括:①阐述矿井节点式雷达观测系统原理,根据矿井工作面实际环境设计煤岩界面识别观测系统方案及雷达传感单元安装方式;②研究并提出节点式采集控制系统和信息交互传输设计方案,实现数据动态采集控制及存储;③针对节点式采集方式及煤岩界面雷达反射回波特征,研究提出了节点探测数据增强处理方法、煤岩界面识别算法,可有效的实现煤岩界面智能识别与追踪、煤层厚度及空间坐标解算。为验证该方法的可行性,采用多个中心频率为1.5 GHz的探地雷达传感单元进行物理模型验证实验,并对节点式数据采集和连续数据采集结果进行了对比分析,实验结果表明:节点式采集方法与连续采集方法均可有效识别出煤岩界面,与连续采集方法相比,本文提出的节点式探测方法可实现数据的快速动态重复性采集,单次采集时长控制在10 s以内,煤层厚度探测结果平均误差为1.07 cm,最大误差为1.47 cm,平均误差百分比为7.64%。本方法为矿井智能化开采中煤岩界面的动态高精度探测提供技术支撑。

西部干旱半干旱煤矿区生态环境损伤特征及修复机制

我国煤炭开发重点已战略西移,实现煤炭资源绿色开采与生态协调发展,成为保障国家能源安全的重要举措之一。西部煤层大多数埋藏浅、上覆基岩薄、煤层厚,有利于一次采全高大规模井工开采或露天开采。但该地区气候干旱少雨、生态条件脆弱,大规模高强度对矿区及周边生态环境造成的损伤大。由于对开采过程中生态损伤演变机制及采后修复机理尚不清楚,没有成熟的修复理论和方法作指导,成为制约该地区煤炭高质量发展的重大难题。针对上述难题开展系统研究,认为精准勘测煤炭开采全周期工作面地质-水文地质条件和矿区生态演化特征,有助于阐明开采诱致上覆土岩破损机理、水资源散失富集与循环调运规律、生态损伤演变机理和承载力,并揭示采后矿区土岩层、水资源循环、生态自适应机理。采用植物-微生物组合修复方法,初步构建井工和露天矿山人工与自然协同的水-土-生立体耦合修复理论,提出了生态修复机制的新思考,在浅埋深矿区开采形成的裂缝发育犹如农田松土一般,成为生态修复新的契机,促进水-土-生再分配,并利用微生物修复技术,可促进矿区生态环境的正向协同发展,实现西部煤矿脆弱生态区开发“金山银山”,再造“绿水青山”的思维转变。

西部煤矿区微生物修复促进植物水分高效利用策略

西部煤矿区生态环境脆弱,叠加高强度开采致使水土流失、土壤退化、根系受损,植物水分利用效率低,生态恢复困难,提高水分利用效率成为西部矿区生态修复或重建的关键。土壤水是限制干旱半干旱煤矿区生态修复的关键因素,它连接大气水、地表水、地下水与植被生长,是水分循环与养分运输的重要载体。土壤水分的高效与合理利用关系到生态修复的成败,因此探究植物根系水分利用策略对于西部煤矿区生态修复具有重要作用。分析了国内外植物水分利用的主要研究方法,比较了不同方法之间的优缺点及相应研究进展。在干旱半干旱煤矿区受损生态环境中,采用植物-微生物联合的微生物修复技术,能提高植物水分利用效率,改善植物水分利用策略。同时,接种微生物降低了植物从浅层土壤吸收水分的比例,有效地增加植物从深层土壤中吸收和利用水分,提升了植物水分利用效率,使接菌植物在干旱半干旱煤矿区表现出更高的生态适应性。分析了目前西部煤矿区植物水分利用的研究进展和存在的问题,探讨了煤矿区微生物修复对水分利用策略的改善,提出了西部干旱煤矿区生态修复中不同植物组合对水分利用策略的影响及其研究重点,为实现矿区绿色可持续、高质量发展奠定了扎实的基础,具有重要的生态应用价值。

新疆戈壁煤矿露天开采对生态环境扰动定量分析

新疆戈壁矿区生态环境脆弱,极容易受到自然和人为因素的影响,其生态环境也逐渐被广泛关注。选取新疆五彩湾露天矿区为研究对象,利用1990—2020年Landsat影像,在遥感生态指数IRSE基础上,引入煤尘指数、盐度指标、土地退化指数构建干旱煤矿生态指数(IACME),并运用M-K检验与Sen趋势分析法揭示研究区IACME时空演变特征与规律,评价干旱矿区的生态环境质量状况,同时利用多元回归、神经网络、随机森林和支持向量机方法分别建立五彩湾矿区气候因素与IACME的关系模型,预测得到基于气候条件下的I′_(ACME),结合残差分析与双重差模型定量评估采矿活动的影响。结果表明:(1)近30 a来研究区IACME均值为0.28,总体上IACME呈下降趋势,由1990年的0.30下降到2020年的0.22。变化幅度方面,退化区面积占比为62.63%,远高于改善区28.3%,由于采矿活动的影响,显著退化面积占比增加12.96%,主要集中在以矿井为中心向外辐射区域,显著改善面积占比下降17.28%。(2)利用多元回归、神经网络、随机森林、支持向量机4类方法分别建立气候因素与IACME的关系模型,得到基于麻雀搜索算法的随机森林(SSA-RF)精度最高,验证集R^(2)=0.82、均方根误差E_(RMS)=0.109,该模型在所使用的建模方法中可靠性更高,适用性较强;(3)通过SSA-RF预测基于气候条件的I′_(ACME),气候影响下,研究区生态环境以较差(0.2~0.4)和中等(0.4~0.6)为主。假设不存在采矿活动,研究区2006—2020年I′_(ACME)在0.26~0.59,I′_(ACME)平均值为0.40,与同年份实际的IACME空间分布相比,环境显著改善的区域明显增多,主要集中在研究区中部矿井所在区域。(4)利用残差定量分析得知研究区采矿活动对生态环境具有负向效应,平均残差δ为-0.116,通过双重差分模型得出采矿对生态环境的定量影响为-0.112,进一步表明煤炭开采对生态环境存在负面扰动,导致生态环境质量下降;2种方法计算结果相近,表明SSA-RF与双重差分模型均可用于定量分析煤炭开采的影响。(5)采矿活动导致研究区生态环境退化占比为57.52%,改善占比为34.67%;气候条件下导致生态环境退化占比为42.28%,改善占比为65.33%,采矿导致生态环境退化占比超过50%,说明采矿活动是影响生态退化的重要原因之一。综上所述,五彩湾矿区生态系统亟待恢复,必要时应辅以人工干预,来推动五彩湾戈壁矿区整体的环境保护、生态系统修复与综合治理。

煤田绕射地震勘探现状与进展

我国煤炭绿色智能开采亟待解决透明地质条件精细构建问题,包括煤岩层构造、含水体、采空区与地应力等地质因素,该类隐蔽致灾体易诱发采空区突水或瓦斯突出等事故,是制约煤矿智能化开采与安全生产的主要障碍。三维地震勘探是目前探测断层和陷落柱等地质体的主要技术,但该技术基于反射理论框架,在小落差断层与小尺度陷落柱探测上仍存在挑战,发展针对隐蔽致灾体的煤田精细勘探理论与方法是安全与智能开采的基础问题。基于绕射的地震勘探框架在理论上能够突破传统地震勘探分辨率瓶颈,该前沿技术已在勘探行业权威期刊不断报道,国内外工业界和科研院校也投入了大量研究工作,但尚未形成方法体系与工业化软件。围绕煤田灾害源防治与智能开采关键地质问题,阐述了一套基于绕射理论框架的地震勘探系统,通过不同类型绕射波传播规律研究了弱信号捕获模式,利用反射波与绕射波多域差异特征提取了携带高分辨率响应的绕射波信息,基于散射点模型提出绕射波精细速度建模方法,在多学科交叉基础上发展了绕射波多属性融合解释与阻抗反演技术,进而形成一套适用于我国未来透明矿山绿色开采的基础学科与前沿技术。

岩石孔隙度测量实验装置设计与测试分析

为提高岩石孔隙度测试结果的精度、优化实验教学效果,该文改进了基于波义耳定律双室法的孔隙度测试仪,并提出提高测试精度的具体措施。选取山西省赵庄矿煤岩、河北省万年矿页岩和煤岩、河南省永城砂岩和煤岩进行测试分析,结果表明装置气密性、温度变化和样品烘干时间是影响孔隙度测试精度的关键因素:孔隙连通性差、孔隙度小的岩石对装置气密性要求更高,需要增加测试时长;实验时环境温度的浮动会对测试值产生影响,需要进行温度校正;煤岩的烘干时间为48 h左右,砂岩、页岩和油页岩的质量达到基本稳定所需要的烘干时间较短。

固体氧化物电池技术及其在新型电力系统中的应用前景

双碳目标下,我国将氢能纳入终端能源体系,与电力协同互补,未来将成为终端能源消费主体。燃料电池高效可靠发电与可再生能源规模化电解制氢技术,是目前迫切需要突破的核心技术环节。固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)具有全固态陶瓷结构、燃料适应性强、发电效率高、模块化运行,在大型电站、分布式发电、小型家用热电联产等固定式电力领域具有很好的应用前景,在目前以煤电为主的发电结构以及未来可再生能源高占比的新型电力系统中都可以保障电力系统的稳定性和可靠性。固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell,SOEC)电解制氢技术效率高,能耗低,不需要贵金属,还能够转化利用CO_(2),实现碳循环,是未来重要的电解制氢发展方向,在电力过剩的时候可以实现储能应用同时耦合能源化工。发展基于固体氧化物电池(SOFC+SOEC)的能源高效转化与存储技术,可以为建设新型电力系统奠定技术基础,同时有利于优化能源结构、带动产业转型升级,推动能源低碳绿色革命。

红沙泉露天煤矿土壤盐渍化遥感监测

地处我国西部荒漠化地区的红沙泉露天煤矿是我国重要的煤炭生产基地之一,而盐渍化问题是影响该地区生态环境的重要因素。利用Landsat(30 m)、Sentinel-2(10 m)及无人机(0.188 m)多光谱影像计算红沙泉矿区10个盐渍化指数,与实测电导率进行相关性分析,根据相关系数选出最优指数,并利用该指数、梯度结构相似度指数(Gradient-based Structural Similarity,GSSIM)及一元线性回归法监测研究区土壤盐渍化动态变化状况。结果表明:①实测土壤EC与UAV、Landsat和Sentinel-2计算出的S3指数的相关系数分别为0.703、0.665和0.723(P<0.01),其稳定性优于其他9个指数,最适于监测研究区土壤盐渍化。②从S3指数的时空分布以及转移来看,未采矿前(1988—2006年)非盐渍化区域零散分布在研究区东部和北部,重度盐渍化区域主要分布在研究区南部,2种类型相对稳定,转移量较少,而轻度盐渍化土壤转移量最大(约92.37 km^(2)),在2006年尤为明显。开采初期(2006—2010年),露天矿坑内的非盐渍化区域增加,且轻度、中度和重度盐渍土主要转移为非、轻度、中度盐渍化土壤。随开采加剧(2010—2020年),重度盐渍化区域在矿区排土场增加较为明显,非盐渍化区域随矿坑的开采与阶梯处土壤长期堆积,在矿坑内部呈现先增加后减少的趋势。整体上,盐渍化土壤向非盐渍化土壤的转移量(6.51 km^(2))小于非盐渍化土壤向盐渍化土壤的转移量(约24.70 km^(2)),土壤盐渍化呈加重状态。③GSSIM监测结果表明,1988—2006年(采矿前)突变区主要分布在研究区中、北部,且零散分布在中变区周围,而低变区大面积分布在研究区中;2006—2010年(采矿初期),突变区向北转移,且低、中和突变区的S3指数均以减少为主。矿坑开采加重的2010—2020年(采矿加剧)研究区突变区大幅度增加(增加7.10%),且集中分布在矿坑周围,表明矿坑内盐度发生了明显变化。1988—2020年,低、中和突变区分别占25.02%、38.52%和36.47%,且突变区集中在矿坑和电厂周围。分析地物与GSSIM影像可知,地表被水泥和煤矿覆盖的区域会导致盐渍化减轻,而排土场和未开采的风沙堆积地区可能会造成盐渍化加重。对比Slope影像可知,GSSIM突变区中变区在矿坑周围与Slope影像中显著不显著变化位置相对应,说明GSSIM可以定量分析盐渍化的时空变化规律。

外排土场宏观尺度的区域微气象因子影响特征

为了研究露天煤矿外排土场对周围微气象因子的影响关系,进而为矿区生态修复提供基础,以矿区周围气流运动及水分分布为影响因子,进一步探索外排土场尺度及形态的生态效应。以红沙泉露天煤矿为例,运用Fluent流体模拟软件,采用大涡模拟和组分传输模型,分别建立不同高度与角度的外排土场模型进行模拟。通过红沙泉露天煤矿所处地区气象站点,得到该地区2020年逐月温度与露点数据,从而得出该地区逐月凝结高度。分析不同条件下得到的气流速度云图,水分质量分数云图,获得不同外排土场尺寸对周围气流运动及水分分布的影响规律,并与该地区凝结高度进行对比。数值模拟结果表明:随着外排土场高度增加,气流爬坡速度缓慢增加,爬升最大高度也随之增长,迎风坡以及外排土场顶部的水分质量分数均增大,背风坡形成越来越明显的卡门涡街现象,涡流数量增加且影响范围变大,涡流区域内气流速度、水分质量分数均增加并达到最大值,外排土场角度增大对气流最大爬升高度影响较大,对周围微气象因子影响不大。在极限高度360 m条件下,当外排土场角度达到26°临界值时,会使气流最大爬升高度达到该地区夏季凝结高度;或在外排土场极限角度22°条件下,当外排土场高度达到380 m临界值时,会使气流最大爬升高度达到该地区夏季凝结高度,从而对矿区周围降水产生促进作用。

干旱区露天煤矿外排土场重构包气带上层滞水毛细作用机制

旱区露天矿外排土场土壤结构松散,且含大量块石,土壤孔隙大、渗透性强、保水性差,无法对植物根部进行有效的水分补给。为了提高植物对水分的吸收利用效率,提出重构外排土场土壤包气带,利用土壤毛细作用为植物根部进行水分补给。土壤压实度是影响土壤毛细作用的重要影响因素,为了研究土壤压实度对毛细作用影响规律,以外排土场土壤作为样本,测定最大干密度及最佳含水率,采用竖向毛细管试验,制定3组不同压实度试验方案,分别为90%、93%与96%,采用物理试验对不同压实度下土壤毛细水上升高度及速度进行监测,获得不同压实度下毛细水上升速率及速度变化趋势,依据非饱和土壤动力学,结合毛细试验原理,建立土壤毛细水上升模型,并结合多物理瞬态模拟原理,采用Comsol软件建立同物理模拟相同方案数值模型对物理模拟的毛细水上升高度及速度进行验证。结合3组不同压实度方案,进行了室内植物下部给水种植试验,探究了毛细水作用下利于植物生长的最优土壤压实度。研究结果表明:不同压实度下,土壤毛细水上升速率存在显著差异,压实度与毛细水上升速率成负相关;数值模拟与实测值具有较好的一致性,相同时间内,毛细水上升高度与压实度成反比关系;土壤压实度为93%时,植物长势及存活率均为最优。

我国关键矿产及其材料产业供应链高质量发展战略研究

关键矿产和材料是事关国民经济、国防建设、居民生活的基础原料,其供应链的稳定性意义重大。本文将矿产资源与材料产业进行关联,从资源勘查、采选、冶炼,材料加工、制造,产品回收等全产业链条的角度着手,分析了我国关键矿产及其材料产业的战略需求与发展现状;凝练了以产业链不畅通,资源端关键矿产供给不足,冶炼端耗能高、规模过大,材料端支撑保障能力不足、创新能力不强、产业基础薄弱,循环利用端发展滞后等问题。按照“找得着”(勘查)、“采得出”(采矿)、“用得上”(基础原材料制备)的基本思路,论证提出了2035年“三步走”目标,并从采选、冶炼、基础原材料方面剖析了技术发展重点。系统提升国内矿产资源供给保障能力、全面提升新材料技术竞争力、畅通资源‒冶炼‒材料‒循环利用产业链,以此为重点举措来推动我国关键矿产及其材料产业供应链的高质量发展。

构建煤炭资源强国的战略路径与对策研究

煤炭是我国的优势矿产资源,在能源结构中具有基础性地位。作为全球煤炭资源开发利用大国,新形势下我国建设煤炭资源强国的重要性日益凸显。本文在界定煤炭资源强国概念与内涵的基础上,辨识了煤炭资源强国的主体要素特征,并从绿色煤炭资源、工程技术、人才教育、企业经济、"一带一路"等要素层面,全面评价了我国实现煤炭资源强国的差距,进而明确了构建煤炭资源强国的战略目标与路径,最终提出了相应的政策建议。研究发现,我国已经具备建设煤炭资源强国的基础,但在煤炭资源勘探开发与转化利用相关的技术、产业、市场等方面仍存在诸多问题。实现煤炭资源强国,亟待强化绿色煤炭资源基础、工程科技创新能力、企业发展与市场环境建设以及人才与制度保障,系统提升煤炭工业的全球竞争力。

煤层瓦斯突出危险区综合预测方法

常规的瓦斯突出预测技术,主要从单一角度出发,无法达到多因素影响下的瓦斯突出危险区域预测精度。以某研究区为例,利用基于遗传算法的支持向量机(SVM)网络,预测了瓦斯含量;将孔隙度作为构造煤的判别因子,并通过概率神经网络(PNN)反演方法,得到了构造煤分布情况;介绍了基于自然伽马曲线的拟密度反演方法,获得了煤层顶板岩性情况。综合瓦斯含量、构造煤分布及煤层顶板岩性3个方面特征,建立了一套瓦斯突出危险区域综合预测方法,为判断瓦斯突出危险区提供了理论基础。经过与实际突出位置做验证,预测结果吻合,说明了综合预测方法在此研究区具有较高的准确性。

煤层采动覆岩富水性变化规律瞬变电磁法动态监测

黄河流域中上游煤炭资源的大规模开发已造成生态环境的持续恶化,掌握煤炭开采对地下水系统的影响规律有助于实现煤炭资源开发与生态环境保护的协调发展。以陕北柠条塔煤矿南翼为研究区,通过地质与地电条件的分析,建立了地电模型;基于时域电磁场理论,模拟分析了正常(不含水)和异常(局部含水)地电模型条件下瞬变电磁场的扩散过程和发射回线中心点电压曲线的衰减特征,结果反映10 ms内含水异常体的瞬变电磁场响应明显,且不同层位含水体的响应时间和幅值有较大差异,从理论上表明了利用瞬变电磁法探测研究区地下水的可行性。针对研究区测试条件,结合数值模拟和现场试验结果,确定选择25 Hz的发射频率有利于瞬变电磁场衰减早、中期数据的获取。通过对研究区地层的瞬变电磁场动态监测,对比分析了2^(-2)煤层开采前后地层在纵横向上的电性变化特征,表明煤层开采总体上降低了直罗组(J2z)和延安组(J2y5)岩层的富水性,且相对富水区位置从采前的中至北部变化为采后稳定期的东北部,指出富水性的变化与地层结构的改变、上覆土层隔水性能的变化以及地下水补给等密切相关,进一步反映了煤炭开采对地下水系统具有显著影响。最后,讨论认为瞬变电磁动态监测结果有一定的局限性,应进一步综合研究区其他成果从整体上揭示煤层开采对地下水系统的影响规律,从而为该矿区生态环境保护与修复提供参考。

探地雷达结合钻孔探测采煤塌陷区土壤剖面层次及含水率

为分析煤层开采对地层结构及含水率的影响,利用探地雷达对西部煤矿开采区开采前后地表浅层土壤剖面、土壤含水率分布特征进行了探测研究。通过钻孔地质编录对雷达探测地层分布进行了矫正,并利用实验室实测含水率验证了雷达探测含水率精度。结果表明:1)雷达探测钻探结果显示,煤矿开采区浅层(<10 m)土壤介质结构从上之下主要包含砂层、黏土层和风化层3类。2)探地雷达探测含水率与实测含水率随深度变化规律相似,4个钻孔两种方法探测所得含水率相关系数分别为0.875、0.88、0.94和0.84,表明探地雷达反演浅部地层含水率的可行性,黏土、含砂黏土的含水率远远大于砂层含水率。3)煤矿开采对浅部地层土壤剖面具有一定影响,但土壤剖面整体不变。煤矿开采后浅层土壤含水率下降明显,第1、3次探测L1测线砂层和黏土层含水率损失率平均为28.26%、12.85%。这表明煤层开采对砂层结构土壤含水率影响较大。第二、四次探测砂层平均含水率分别为5.31%,7.44%,含水率增大2.11%,土壤含水率增大范围在5%~56%之间,平均增大范围为27.89%示。黏土层两次探测含水率分别为11.46%、11.96%,含水率增大0.5%,含水率增大范围在-19.13%~19.59%,平均增大范围为4.79%。即黏土类结构层含水量变化较小,砂层结构含水量变化较大,说明黏土类地层受降雨影响较小,砂层结构地层含水量受降雨影响较大,表明浅部地层土壤水分主要受降雨影响。

黄河流域煤矿区生态环境修复关键技术与战略思考

针对黄河流域煤矿区所处的战略地位,剖析了该流域生态环境面临的主要问题,认为水资源短缺是该流域中上游生态环境治理的瓶颈,现有技术与方法还不能支撑黄河流域煤矿开采与生态环境的协调发展,理论与技术的创新将成为新的关注热点。分析了国内外煤矿开采的岩层结构及采动裂隙演化规律、地下水资源保护、煤炭开采对水和生态环境影响的研究现状,提出了黄河流域煤矿区生态环境修复应结合煤层赋存特点和煤层开采工艺技术,对上覆岩层产生的裂隙发育特征与展布格局,裂隙与地表水和矿井水的导通与耦合关系,裂隙对地表生态发育与退化作用,生态环境修复关键技术与方法等进行了系统描述。提出黄河流域中上游煤矿区生态环境修复关键是水的保护与利用,要采用四维综合监测方法,揭示采矿全周期的地下水、表层水运移及地表生态环境演变规律。要针对黄河流域不同煤矿区开发过程对水土资源受损的影响程度与范围,研究并形成黄河流域煤矿生态环境修复关键技术,构建黄河流域煤炭开发的生态安全评价体系及调控模式。要改变传统认为煤炭开采只是对生态环境破坏的旧观念,充分利用煤炭开采过程对上覆岩层产生裂隙这一类似“松土”的作用动力,减缓干旱半干旱地区极易形成的次生盐碱化现象,积极将人工修复技术和生态自修复作用相结合,实现从被动防治到主动治理,使煤矿区生态环境修复成为黄河流域生态治理的典范,并为其他行业应用提供借鉴。最后提出黄河流域煤矿区生态环境修复今后工作重点与发展模式,来实现生态环境修复可持续发展。

西部干旱半干旱露天煤矿生态重构技术难点及发展方向

露天煤矿开采对生态环境最严重和直接的影响是对水资源破坏与土地资源的挖损占压,以及对生态系统的物种破坏。西部干旱半干旱露天矿区生态重构的关键是水资源保护与利用、排土场土层结构重构、表土改良和植被优化组合。西部干旱半干旱露天矿区生态重构核心技术是研发露天矿区岩层结构与含水量探测技术,监测地下水存在的范围与边界。以水资源量为约束,构建排土场近地表合理的土层结构,实现重构土层保水涵水动态协调供给。提出干旱半干旱露天矿排土场近地表高效低成本的表土生态层-涵水层-隔水层的3层土层重构结构模型,研发物探检测成套技术与装备,监测矿坑水来源、排土场土层结构与含水率,保证生态工程水资源有效利用。结合土地的生态承载力,对排土场重构生态进行功能分区与景观设计。开发新型微生物菌剂培养配方,揭示微生物改良土壤及抗逆境机理,形成较好的有机生物立体生态重构模式,可产生较好的经济、生态和社会效益,促进矿区绿色可持续发展。通过对西部干旱半干旱露天矿区及其周边环境动态观测,在生态条件差的地区,人工干预能有效地打破原始生态禁锢,刺激生态正向发展,获得西部干旱半干旱露天矿区自然与人工生态协调发育规律。解豁了科技界担心大规模的煤炭开发使西部干旱半干旱地区的生态环境进一步恶化,造成“雪上加霜”效应的难题。同时针对西部干旱半干旱区露天矿排土场重构土壤的结构差、肥力低、植物种类单一,重构生态难的现状,采用微生物-植物联合修复技术,研发多型号生物修复菌剂和基质,有效地促进了植物根系发育,增强了植物抗土壤压实、养分贫瘠、干旱缺水及易盐碱化等逆境的生理生化反应,人工干预重构后的生态环境比原生态效应提高10倍以上。实践了西部露天煤矿区开发金山银山,再造绿水青山的生态理念。

红沙泉露天煤矿碳储量时空动态变化分析

明确矿区碳储量的演变规律及其对采矿活动的响应机制,是在碳达峰、碳中和“双碳”目标背景下推进矿区低碳减排和绿色高质量发展的重要手段。以土地利用/覆被为基础,利用InVEST模型评估新疆红沙泉矿区2007—2020年的碳储量变化,探究采矿扰动下土地利用变化对固碳功能的影响,构建景观指数-采煤面积-碳储量耦合协调度模型探寻3者的发展协调程度,并利用景观生态功能贡献率量化矿业景观的影响范围。结果表明:(1)2007—2020年,红沙泉矿区未利用地以1.95 km^(2)/a的速度持续缩减,工矿用地和交通运输用地分别以1.68,0.16 km^(2)/a的速度持续扩张且2者的土地利用动态度最高(分别为79.86%,46.25%),其余地类变化并不明显;(2)2007—2020年,红沙泉矿区碳储量以6550.769 t/a的速率呈持续下降的趋势,累计减少固碳8.516×10^(4)t,其减小区域主要位于矿区北部,表现为北部未利用地(碳密度为96.34 t/hm^(2))逐渐被不断扩张的工矿用地(碳密度为53.48 t/hm^(2))斑块状分割侵占;草地和未利用地向工矿用地转移是造成碳储量下降的主要原因;(3)景观尺度上,红沙泉矿区景观破碎化加重(斑块数目NP、斑块密度PD、形状指数LSI的增幅分别为194,1.185,6.856,聚合度AI的降幅为0.104),生物多样性SHDI和均匀度SHEI上升(增幅为0.445,0.236);斑块尺度上,工矿用地和交通运输用地的景观向聚集化有序性发展,而草地和未利用地向破碎化无序型发展;景观指数、采煤面积与碳储量的耦合协调度呈不断减小趋势,由2007年的0.948(优质协调)下降为2020年的0.602(初级协调);(4)距离红沙泉矿区矿业景观15 km内,距离越远,平均单位面积碳储量越高;矿区碳储量敏感区可分为3级:极敏感区(0~7 km)、敏感区(7~15 km)、不敏感区(15 km以外)。该研究能够定量反映矿区固碳功能及其与景观格局、采煤面积的耦合机制,以及矿业景观的影响范围,可为矿区实施低碳高质量发展提供思路,促进矿区精准服务于碳达峰、碳中和“双碳”目标。

干旱地区煤层开采对地表土壤理化性质的影响

为研究干旱地区煤矿开采对地表土壤理化性质的影响,分别在煤矿开采前、中、后对开采区地表土壤含水率、土壤有机质含量、土壤密度及土壤机械组成进行了研究。结果表明:在煤层开采前,开采区地表土壤含水率与土壤孔隙度相关,相关系数为0.70,但相关性并不显著,地表土壤水分与其他土壤物理性质基本无关。在沉陷盆地形成过程中,开采区地表土壤水分相比开采前减小1.22%~1.93%,平均减小为1.52%;土壤孔隙度显著增大,土壤有机质含量略微降低,土壤机械组成基本没有变化。地表土壤含水率与其他土壤理化性质均有不同程度的相关性,但相关性均不显著。在沉陷盆地形成稳定后,沉降盆地中心位置地表土壤含水率逐渐恢复甚至大于未开采前,沉降盆地边缘位置地表土壤含水率一直处于减小状态,沉降稳定后土壤孔隙度相比开采前有所增大,土壤有机质含量基本不变,土壤粉粒含量显著增大,土壤黏粒含量降低,地表土壤水分含量与土壤孔隙度呈正相关关系。

露天矿区植物多样性与土壤养分空间变异性特征

为研究煤矿露天开采对自然植物与土壤因子的影响,以内蒙古胜利矿区为研究区,采用野外生态学调查方法对采矿区周边不同距离草地进行植物群落调查,采集距矿区不同距离土壤样品进行实验室分析。结果表明:①距矿区边界100 m处,草地自然植物群落以糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、寸草苔(Carex duriuscula)和小画眉草(Eragrostis minor)为主;距离煤矿400 m处植物群落以大针茅(Stipa grandis)、克氏针茅(S.krylovii)和冰草(Agropyron cristatum)为主,900 m处以大针茅、小画眉草和糙隐子草为主;距离煤矿1900 m处,以克氏针茅、糙隐子草和大针茅为主;②与对照区相比,距离矿区越近,植物多样性指数显著降低,群落相似性降低,土壤含水量、有机质(SOM)、硝态氮(NO3--N)和速效磷(AP)均显著减少;③远离矿区的位置土壤肥力要好于矿区附近,煤矿开采对一定范围内的土壤肥力产生影响,矿区周边土壤养分的空间异质性呈不同程度的变化趋势;④冗余分析(RDA)表明,植物多样性指数与土壤含水量、有机质、硝态氮、速效磷和速效钾呈正相关。矿区周边植被群落的演替对土壤养分的需求不同,群落物种的变化明显,土壤含水量、有机质在影响矿区周边植物群落特征的土壤因子中所占比重较大。矿区周边草地出现不同程度的退化趋势,可在自然恢复为主的前提下,实施适当的人工干预调控以促进矿区周边草地的恢复。