A Synergetic Study on Large-Scale Coal Mining and Eco-Environment Protection in Shendong Coal Mining Area

Based on the sharp contradiction between the economic benefits and adverse ecological impact of coal development in China's west,this paper establishes an evaluation model for the synergetic eco-environmental development in Shendong Coal Mining Area through using synergism of five laws and the fuzzy comprehensive evaluation method. The analysis on synergy between large-scale coal mining and the eco-environment protection in Shendong is also conducted,arriving at the conclusion that synergetics of Shendong 's eco-environment protection is"good". And thus,the result sheds light on the fact that while working to quench China's energy demand on its path towards a modernized large coal mine complex,Shendong,as part of Shenhua Group's mining operation,has applied innovative management concepts and models to improve eco-environment for harmony and win-win results between resource exploration and environmental protection.

Prevention and Control Mode of Desertification in China＇s State Energy Group Shendong Mining Area with Annual Coal Output of 200 Million Tons

According to the strategic goal of sustainable development,construction and management for the construction of Shendong mining area with ecological safety,the ecological restoration principle of ＂ control protects development and development promotes control＂ for desertification prevention and control was adopted,and engineering measures,plant greening measures,and enclosure management and protection measures were taken to prevent and control desertification in the mining area based on careful detailed investigation and accurate planning and design in the early period. After 32 years,the desertification ecological landscape environment of the mining area has undergone a qualitative change,and the vegetation coverage has increased from 3%-8% to above 60% after the development. The former desertification land has become a modern green energy base that has produced 200 million tons of coal every year. The construction and management mode of an ecologically safe and modernized green coal mining area built by Shendong in the desertification region of northwestern China shows that taking appropriate comprehensive ecological restoration construction technology and management measures that integrate engineering,plants and enclosure management and protection is an effective technical and management paradigm for the construction of a modernized green large-scale coal mining area in China＇s arid and semi-arid regions.

Investigating spatial and temporal variations of soil moisture content in an arid mining area using an improved thermal inertia model

Mining operations can usually lead to environmental deteriorations. Underground mining activities could cause an extensive decrease in groundwater level and thus a dramatic variation in soil moisture content（SMC）. In this study, the spatial and temporal variations of SMC from 2001 to 2015 at two spatial scales（i.e., the Shendong coal mining area and the Daliuta Coal Mine） were analyzed using an improved thermal inertia model with a long-term series of Landsat TM/OLI（TM=Thematic Mapper and OLI=Operational Land Imager） data. Our results show that at large spatial scale（the Shendong coal mining area）, underground mining activities had insignificant negative impacts on SMC and that at small spatial scale（the Daliuta Coal Mine）, underground mining activities had significant negative impacts on SMC. Trend analysis of SMC demonstrated that areas with decreasing trend of SMC were mainly distributed in the mined area, indicating that underground mining is a primary cause for the drying trend in the mining region in this arid environment.

基于遥感生态指数的神东矿区1990—2022年煤炭开采对生态环境的影响分析

定量分析煤矿开采、土地复垦等人类活动对环境产生的影响可为矿区环境保护提供复垦依据。基于1990—2022年Landsat影像,采用遥感生态指数RSEI评估神东矿区的生态环境时空动态演变特征,并利用随机森林模型建立温度、降雨、潜在蒸散发与RSEI的关系模型,得到气候条件下RSEI的预测值R′SEI,结合残差分析与基于Landsat的干扰和恢复趋势检测(Landtrendr)算法定量评估人类活动的影响。结果表明:①矿区与矿井尺度的整体RSEI均值皆有所上升,但矿井尺度RSEI均值低于矿区尺度;2018—2022年光伏区RSEI下降速率为-0.027,略低于控制区,表明神东矿区整体生态环境得到略微改善,但人为采矿活动导致矿井尺度生态环境质量低于矿区尺度,而光伏区的建设对生态环境起到了改善作用。②神东矿区采矿前(1990—1996年)和采矿后(1996—2022年)R′SEI与实际RSEI的相关系数R^(2)为0.61。矿区生态环境在只受气候因素影响下呈变好趋势。③采矿后(1996—2022年),矿区尺度残差δ均值为0.07,δ<0的部分主要集中在矿区北部矿井集中区及其周边地区,占总面积的39.74%,每当矿区有新矿活动加入,δ<0的面积占比就会大幅增加;矿井尺度整体δ均值在1996—2000年呈下降趋势,2000—2012年呈上升趋势,2012—2022年呈下降趋势。④1990—2022年矿区尺度扰动和恢复强度均值分别为0.45、0.37,矿井尺度扰动和恢复强度均值分别为0.43、0.37,矿井尺度扰动强度低于矿区尺度但恢复强度与其相近;采矿后(1996—2022年),扰动与恢复面积占比都保持先上升后下降趋势,表明矿区扰动和恢复行为总是伴随发生且煤炭开采所产生的扰动可由生态遭到破坏后的自我修复及人类复垦行为进行抵消。矿区扰动持续时间占比最大为1 a,恢复持续时间最大为16 a,表明研究区的采矿扰动为急剧的采矿干扰事件,短暂采矿干扰影响发生之后,便有恢复事件发生,且人为对矿区采取的修复行为具有长期性和持续性。综上所述,煤矿开采行为对矿区生态环境造成较强的负面影响,但人类对矿区生态采取的各种治理措施及环境自身的修复能力可对其进行修复。该研究有助于理解煤炭开采对矿区生态环境的影响,并为神东矿区生态环境质量的恢复与提升提供科学依据。

神东矿区不同恢复模式下植物多样性特征

植被恢复对矿区生态建设和生物多样性保护意义重大,但我国北方半干旱矿区生态环境脆弱,植被恢复面临诸多挑战。本文以神东矿区为研究对象,基于2021年的野外样方调查,利用层次分析法构建了一套适用于半干旱矿区的植物多样性综合评价方法,评估了矿区12种植被恢复模式的植物多样性特征,并运用单因素方差分析法和成对样本t检验法对比分析了栽植物种和乔木栽植密度差异对植物多样性的影响,旨在揭示该区域的生物多样性现状,筛选适合的植被恢复物种与技术模式。结果表明:①神东矿区调查共记录维管束植物32科96属134种,其中禾本科(28种)、菊科(23种)和豆科(15种)植物较多,生活型上以草本植物(79.85%)为主,灌木(13.43%)和乔木(6.72%)占比较小。②从物种选择看,油松(Pinus tabuliformis)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、中国沙棘(Hippophae rhamnoides subsp.sinensis)植物多样性指数较高,适于作为矿区植被恢复物种,小叶杨(Populus simonii)植物多样性指数低,不适于作为矿区植被恢复物种。③从种植密度看,矿区低密度(60~70株/亩)种植乔木比高密度(110~140株/亩)种植乔木更有利于群落的生物多样性和植被恢复。④从群落配置看,多样性评价等级为“高”和“较高”的植被恢复模式可被推广应用。沙棘+樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)模式多样性评价等级为“较高”,在水分利用、水土保持及土壤有机质含量恢复方面都具有一定潜力,可作为优先推广的植被恢复模式,沙棘+小叶杨模式多样性评价等级为“低”,不适宜在矿区推广。研究显示,在半干旱矿区进行植被恢复时,适宜的物种选择、合理的种植密度以及科学的群落配置有助于提升生态系统多样性、稳定性、持续性,更好地发挥生态和经济效益。这些发现为神东矿区生态恢复提供了科学依据,并为我国北方半干旱煤炭矿区开展植物多样性保护和恢复治理实践提供了经验借鉴。

神东矿区立体帷幕注浆精准堵漏风与高效防灭火技术

为高效治理神东矿区浅埋藏煤层开采漏风引起的煤自燃隐患,以大柳塔煤矿活鸡兔井12_上、12_下煤层工作面为研究对象,通过立体帷幕注浆的方式进行精准堵漏风与防灭火工程示范。首先利用地质剖面移动角计算注浆距离,并设计注浆平面布置,同时针对不同地质情况,设计了先导钻孔、注浆钻孔和监测钻孔;根据活鸡兔井实际情况,共施工104个钻孔,设计帷幕体长度约1020 m,高度约40 m;通过分段上行式注浆法,设计工作面切眼外侧注浆高度72 m,12_上205运输巷段注浆高度12 m,注浆宽度15 m,总注浆169569.1 m^(3)。通过立体帷幕注浆,12_下205工作面漏风较同条件下最大减少约1000 m^(3)/min,12_下207工作面漏风较同条件下最大减少近800m^(3)/min;堵漏风效果明显,有效降低12_下煤层工作面煤自燃隐患。

气候和采矿活动对荒漠化草原露天矿区植被的影响

研究露天矿采矿坑与排土场的植被破坏及复垦状况,可为矿区植被损伤诊断、植被自然恢复和人工修复评估提供生态学依据。基于Sentinel-2数据计算非红边植被指数(NDVI、EVI)和红边植被指数(RENDVI、MSR_RE、CIre、TCARI)为生态修复评价指标;采用回归分析、趋势分析和相关性分析方法,分析2018—2021年采矿活动和气候变化对5个露天矿(乌兰哈达露天矿、经纬露天矿、武家塔露天矿、狼窝渠露天矿和鸿盛源露天矿)植被长势的影响,获取矿区采矿坑、排土场和缓冲区植被的时空变化规律。结果表明:(1)鸿盛源露天矿采矿坑植被受损程度最严重(拟合斜率k=-0.2996),但其排土场人工修复效果最好(拟合斜率k=0.1364)。(2)对比5个露天煤矿5 km缓冲区,发现逐像元RENDVI变化趋势均以退化为主,退化面积均占50%以上。(3)在荒漠化草原地区,植被NDVI变化受降水的影响小于气温。露天开采会加剧荒漠化草原植被的退化,排土场的人工修复对改善区域植被生长状况成效显著。

西部高强度开采矿区覆岩破坏发育高度分析

导水裂缝带是煤层顶板水害的主要通道,准确预测计算其发育高度是保障矿山安全生产的重要任务。在实测资料的基础上,通过采用理论分析和相似模拟等方法,揭示了西部高强度开采矿区采动覆岩的破坏类型、破坏关系及导水裂缝带的发育特征。结果表明:在薄基岩厚煤层高强度开采条件下,覆岩破坏类型为严重损坏类型。在采动覆岩中只存在“两带”形式,在采空区上方不存在岩层破坏后的具有一定隔水性的弯曲带,导水裂缝带直通地表,地表严重受损。覆岩以组合关键层的形式发生运移。在采动过程中组合关键层以滑落失稳的方式在岩层两端产生切落式破断,导致上覆基岩和松散层切落破断,地表产生台阶状裂缝。地表实测台阶状裂缝沿工作面推进方向的间距与井下周期来压步距相一致。综合考虑覆岩破坏的开采厚度与基岩厚度等关键性因素,提出了高强度开采导水裂缝带发育高度预测计算公式,其可靠性得到了现场实测与相似材料模拟结果的验证,研究结果对于神东矿区煤矿安全开采具有一定的指导意义。

神东矿区干旱空间异质性及其环境驱动机制

【目的】分析神东矿区干旱空间异质性及其环境驱动机制,为该地区生态环境改善的精准施策提供参考。【方法】基于温度干旱植被指数(Temperature Vegetation Drought Index, TVDI)分析神东矿区2002—2018年植被生长季的地表干旱状况,利用地理探测器分析不同环境因子对干旱空间异质性的影响。【结果】2002—2018年,空间平均TVDI呈持续下降趋势,2018年空间平均TVDI最低,为0.561。年内干旱程度最严重时期集中在5—8月,研究区西南部干旱程度大于东北部。降水、归一化植被指数、土壤类型的地理探测器q>10%,以上因子与其他因子之间的交互作用能增强单因子对干旱空间异质性的解释性能。塌陷区年平均TVDI高于非塌陷区。【结论】TVDI可有效表征矿区干旱状况,降水、归一化植被指数、土壤类型为影响研究区干旱空间异质性的主要因子。

补连塔煤矿回采巷道锚索主动式超前支护技术应用

为了实现神东矿区综采工作面的无人化、少人化,降低工人劳动强度,以补连塔煤矿22406综采工作面为背景,采用理论分析计算与现场实测相结合的研究方法对工作面主运巷采用锚索主动式超前支护方式的科学性和合理性开展了研究,同时引用两侧实体煤巷道力学模型对主运巷专用锚索超前支护设计进行验证,通过验证“排距3 m,每排2套”的超前支护形式满足工作面超前支护要求。通过主运巷道超前支护段锚杆(索)受力监测可知,工作面推进过程中,超前支承压力的影响范围约为42 m,在距工作面10~26 m范围,超前支承压力增加幅度较大,应力集中系数为1.23~1.5。通过巷道围岩表面位移监测可知,主运巷在距离回采工作面35 m左右受采动影响开始变形,回采过程中,顶板最大下沉量达到16 mm,底板最大底鼓量达到42 mm,两帮最大移近量达到45 mm。研究结果表明,采用锚索补强超前支护方式,巷道围岩得到有效控制,围岩整体稳定且变形可控,现场应用效果良好。

神东矿区矿井水灌溉适宜性空间分布特征

神东矿区位于我国西北地区,气候干旱,水资源匮乏,大量矿井水被用于矿区生态灌溉。针对矿井水灌溉适宜性,通过矿区矿井水现场采样和水化学测试,分析了水质参数的空间分布规律及水化学类型,分别应用钠离子吸附比(SAR)、可溶性钠百分比(K_(Na))、凯利比率(KR)、渗透率指数(PI)、残余碳酸钠(RSC)、镁吸附比(K_(Mg))单指标法以及USSL图解法、Wilcox图解法进行了长期生态灌溉适宜性预测评价,同时结合矿区地下水位埋深、土壤质地类型以及气候条件,讨论了指标的适用性。研究结果表明,神东矿区矿井水中主要离子质量浓度排序,阳离子为Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、K^(+),阴离子为HCO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)、Cl^(-)、NO_(3)^(-);矿井水整体上呈弱碱性,Cl^(-)、NO_(3)^(-)离子浓度在空间上变化较显著;Na^(+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)、溶解性总固体(TDS)、电导率(γ)之间、Ca^(2+)与Mg^(2+)之间存在较强的正相关性,F^(-)与Ca^(2+)、Mg^(2+)之间具有一定的负相关性;矿井水主要水化学类型为NaHCO_(3)型,化学成分主要受到离子交换作用以及蒸发作用的影响;矿井水中Na^(+)、SO_(4)^(2-)、Ca^(2+)、Mg^(2+)相对富集,且Cl^(-)、F^(-)、TDS和γ存在超标;矿区地下水和地表水渍涝共同影响下的盐分积累作用不明显,土壤板结问题不突出,PI法、USSL图解法不适宜本区灌溉水质评价;基于Wilcox图解法的评价结果,哈拉沟矿、石圪台矿及大柳塔井的矿井水适宜作为灌溉水,补连塔矿、上湾矿、布尔台矿、乌兰木伦矿及活鸡兔井的矿井水不宜长期直接用于灌溉。研究结果对于合理开发利用矿区矿井水资源具有理论与实际意义。

神东采煤沉陷区生态环境一体化监测技术与应用

【背景】干旱半干旱采煤沉陷区生态环境监测是区域性生态环境保护与治理的重要前提,对推动绿色矿山建设具有重要意义。【方法】立足政府对矿山生态环境的监管要求,分析了神东采煤沉陷区生态环境监测的难点,详细论述了“煤-岩-水-土-气-植-碳”一体化监测技术体系,制定了神东生态环境一体化监测要素、主要方法、技术路线,分析了“天-空-塔-地-室”一体化观测的时空协同关系,设计并实现了神东生态环境监测平台,在神东采煤沉陷区进行了生态环境一体化监测实践。【结果和结论】研究表明:(1)提出的“煤-岩-水-土-气-植-碳”要素一体化监测和“天-空-塔-地-室”多观测平台协同的技术体系,统筹考虑了各监管部门的要求和不同观测平台的优势,解决了生态环境多要素耦合协同分析、多部门监测要求协调的问题,满足了多个监管部门对指标覆盖性和监测效率的要求。(2)研发的神东生态环境监测平台集成了多源数据高效组织管理模型、智能决策模型等,解决了多源异构大数据管理与时空协同处理、基于多源监测大数据的生态修复智能决策等问题,助力了采煤沉陷区生态修复工程与植物日常管护。(3)提出的采煤沉陷区生态环境一体化监测技术在神东矿区绿色矿山建设中应用,在植物类型与种植密度优化决策、植被长势与土壤墒情研判、修复工程的植株数量与存活率智能监测验收等方面取得了良好的应用效果,为干旱半干旱采煤沉陷区生态环境监测治理提供了典型案例参考。

补连塔煤矿12511工作面覆岩导水裂隙带发育特征

采动诱发覆岩导水裂隙带发育范围探测及机理研究对于科学指导煤矿井下涌水量统计、工作面水害防治及保水开采具有重要意义。本研究以神东矿区补连塔煤矿12511工作面为地质原型,基于物理模型试验对工作面开采引起的导水裂隙带发育高度进行研究,并通过钻孔视频与冲洗液漏失量的结果进行综合评定。研究结果表明:物理模型试验测试的顶板初次来压步距50.6 m,平均周期来压步距为15 m,岩层断裂角变化范围为32°~60°,平均51°,顶板基本运动方式主要为离层、弯曲、断裂、回转、垮落;工作面从100 m位置到推进至200 m位置过程,随着顶板的破断并不断压实,覆岩裂隙密度从初次来压时的20条/m降至16条/m。冒落带发育高度35.7 m,裂隙带发育高度为118 m,依据现场钻孔视频与冲洗液流失量监测结果,认定导水裂隙带高度为93.12 m,冒落带高度为36.52 m,裂采比为16.63∶1。研究证明了基于物理相似模型试验得出的导水裂隙发育特性结果的合理性,对于推动覆岩导水裂隙带发育高度的研究具有重要意义。

基于多源遥感数据融合的神东矿区植被覆盖变化及其驱动力分析

【目的】揭示神东矿区长时序下植被覆盖变化特征及其演变机理对矿区的生态修复和可持续发展具有重要意义。【方法】利用STARFM方法融合Landsat和MODIS数据,构建2000-2022年神东矿区的长时序核归一化植被指数(k NDVI)数据,分析其变化趋势,利用偏相关分析和地理探测器模型探究矿区植被覆盖变化的驱动机制。【结果】1)基于STARFM方法融合的年kNDVI与年kNDVI影像具有较强的相关性(R^(2)=0.864),表明融合后的Landsat影像精度较高。2) 2000-2022年神东矿区植被整体呈现明显改善趋势,显著改善面积占比达到90.36%。3)土地利用类型是影响神东矿区植被覆盖度的最主要驱动因素;此外,气象因子对kNDVI的约束力先增强后减弱。【结论】研究结果可为更好构建可持续、绿色矿山提供科学依据。

布尔台矿综采工作面主运巷道矿压显现规律研究

针对神东矿区特大型矿井在较深开采深度下矿压显现规律研究不足的问题,以布尔台煤矿22209综采工作面为工程背景,研究较深埋深条件下高开采强度综采工作面主运巷道矿压显现规律,结果表明:巷道表面位移监测显示,主运巷道顶板、正帮、副帮均未发生明显变形,巷道围岩变形可控;煤壁钻孔应力监测显示,在距离煤壁45 m左右的位置开始进入超前应力影响区域,应力值增幅开始明显,在10 m左右位置应力增幅明显增大,煤壁可能会出现帮鼓、片帮,甚至存在炸帮的可能性,推测此段处于超前支承压力峰值区域,必须严格执行超前锚杆索防护;数值模拟分析,在锚杆与锚索支护方式下,主应力和剪切应力均不同程度缩小了范围,围岩的完整性得到提升,顶板塑性区块的数量下降,以拉伸破坏为主,巷道两帮塑性区范围变小,且以剪切破坏为主。

寸草塔二矿煤巷快速掘进关键技术及装备研究

为解决煤炭高效回采与工作面接替紧张问题,深入研究矿区煤巷快速掘进十分必要。针对国能神东煤炭集团有限责任公司寸草塔二矿矿区工程地质条件,从巷道掘进设备选型、巷道支护工艺及施工劳动组织等3个方面分析影响巷道快速掘进原因。基于工程类比法、巷道支护参数设计及作业工艺开展了掘进系统的装备选型,同时开展了掘进系统超前钻探、截割系统、临时防护、机载支护系统、物料运输系统、行走系统、工作面除尘系统结构与功能设计,并以寸草塔二矿31111巷道为示范巷道开展了井下工业性试验,验证了该研究的有效性和实用性,为我国西部煤巷快速掘进提供了新的解决方法。

基于矿压大数据平台的神东矿区综采工作面矿压规律分析

针对神东矿区各矿井矿压监测数据来源分散、数据量庞大、利用不充分、矿压数据分析效率低下的问题,开发了神东矿区矿压大数据云平台,实现了神东公司综采工作面矿压监测大数据的智能化分析与预警。借助矿压大数据平台,对神东矿区现有8.0 m及以上超大采高综采工作面矿压规律进行了重点分析,对整个矿区现有综采工作面矿压规律进行了汇总与整体分析,矿压大数据分析结果为神东矿区浅埋深强矿压显现综采工作面顶板管理与支架合理选型起到指导作用。

神东矿区安全高效矿井无煤柱沿空留巷开采技术研究

近年来,神东矿区积极响应行业发展趋势,致力于无煤柱开采技术的研发与推广,相继试验并成功应用了柔模混凝土墙沿空留巷技术、切顶卸压自成巷技术以及沿空预置混凝土墙掘巷技术等多种创新手段。本文介绍了神东矿区沿空留巷研究现状,阐述了神东矿区现有沿空留巷技术特点,并提出了神东矿区在沿空留巷研究与应用中存在的主要问题及措施,最后对神东矿区现有无煤柱开采技术经济效益进行了分析。

神东矿区顺槽物料运输现状与发展趋势

介绍了神东矿区综采工作面主要巷道构成、顺槽掘进工艺、掘进工作面成套设备配套以及物料运输的现状,分析了顺槽掘进工作面物料运输存在的问题,展望了煤矿井下物料运输的发展趋势。

外源钙与丛枝菌根真菌协同对玉米生长的影响与土壤改良效应

为了缓解煤炭开采对神东矿区农业生产和地表环境造成的破坏,试验模拟神东矿区干旱缺水特点,以煤炭开采塌陷区退化土壤为供试基质,玉米为供试植物,研究丛枝菌根真菌(每克干土中含63个孢子)和不同浓度的外源钙(5,10,20,40,80mmol/L)协同效应对中度干旱胁迫下苗期玉米生长的影响。结果表明,干旱胁迫下,20mmol/L外源钙与丛枝菌根真菌协同效应最优,玉米质量平均每株可达4.03g,组织含水率和叶色值分别达到91.68%和43.67,玉米植株内氮磷钾累积量显著高于其他处理;同时,玉米根际土壤球囊霉素相关蛋白增加最为明显,总球囊霉素和易提取球囊霉素分别达到4.3和1.6mg/g,根际土壤中有机质含量增加明显。丛枝菌根真菌与外源钙联合作用有利于玉米的生长,缓解了干旱胁迫对苗期玉米生长的影响,接种丛枝菌根真菌对矿区退化土壤具有显著改良效应。