The environment of coal mining areas and the economic evaluation of the land reclamation

The environment impact of the coal resources mining was analyzed. The method of economic evaluation for the coal mining was established to analyze land destruction. The opportunity cost method was used to quantitatively analyze and estimate the economic loss of the land destruction by coal mining. At the same time, the dump land reclamation of the Yuanbaoshan Open Pit was taken as an example to evaluate environmental and economical benefit with the method of economic evaluation for the coal mining areas land reclamation.

LAND RECLAMATION IS BASIC GUARANTEE OF REGIONAL SUSTAINABLE DEVELOPMENT IN COAL MINING AREAS IN CHINA

Necessity of land reclamation is discussed, setting out viewpoint of sustainable development and land connotation and its attribute and combining destroyed forms and characteristics of land in coal mining areas. It is pointed out that land reclamation of coal mining areas is basic guarantee of solving contradiction between coal mining areas and countryside,raising life of resident and ensuring regional sustainable development.

Effect of Land Reclamation on Nutrient Distribution in Reclaimed Farmlands Overlying Xuzhou Underground Coal Mines

ＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｉｎＴｏｎｇｓｈａｎＣｏｕｎｔｙ，ＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ，ｈａｖｅｒａｐｉｄｌｙａｄｖａｎｃｅｄｔｏｗａｒｄｓｉｎｔｅｎｓｉｖｅｌｏｎｇｗａｌ（ＬＷ）ｅｘｔｒ...

Engineering and Biological Measures of Reclamation for Coal Mining Subsided Land with High Phreatic Level in East China: A Case Study

In east China , a great amount of water-logged land is caused by coal mining subsidence,which results in arduous reclamation tasks. Taking Hanqiao Coal Mine in Xuzhou as an example, this paper introduces a new reclamation method suitable for suhsided land caused by coal mining with high phreatic level in east China. The new method consists of two respects: 1 ) engineering reclamation measure is a non-filled method which mainly applies dredging approach ; 2 ) biological reclamation measure is a high beneficial pattern, which mainly makes use of dikes and ponds. The new engincering and biological measures of reclamation have been used widespreadly in Xuzhou mining area. Considerable economic benefits and social and environmental effects have been obtained.

煤矿区土壤细菌群落结构及其对不同复垦模式的响应

科学揭示不同复垦模式土壤细菌群落稳定性及其潜在互作关系对于复垦土地差异化管理及可持续利用至关重要。本文以挖深垫浅、煤矸石充填和粉煤灰充填3种模式复垦土壤为研究对象,基于高通量Illumina Miseq 16S rRNA测序技术,采用方差分析、Spearman相关性等分析方法,研究不同复垦模式下的土壤细菌群落结构和多样性。通过构建分子生态网络模型,揭示不同复垦模式下土壤细菌群落的稳定性及菌群间潜在互作关系,明晰对细菌群落结构稳定性起关键作用的微生物种群。结果表明:①不同复垦模式土壤细菌群落的多样性与丰富度水平有显著差异(P<0.05),均表现为挖深垫浅>煤矸石充填>粉煤灰充填;不同复垦模式土壤细菌群落组成相似,变形菌门、酸杆菌门、放线菌门和拟杆菌门是所有模式土壤中的优势菌门,在各复垦模式土壤细菌群落中的占比之和均达70%以上。②不同复垦模式下土壤细菌群落的显著影响因子不同,部分优势细菌门与影响因子间的变化趋势不同,有机质含量是影响挖深垫浅复垦土壤细菌群落组成的主要影响因素,pH是影响煤矸石与粉煤灰充填复垦土壤细菌群落组成的主要影响因素。③挖深垫浅复垦土壤细菌网络复杂,群落联系紧密,能更好地传递物质、能量和信息;煤矸石充填复垦土壤细菌网络内部节点间的连通度低,但菌群信息交换速度慢,拥有4个关键节点,网络相对稳定;粉煤灰充填复垦的土壤细菌网络规模最小,节点连通度不高,在外界环境发生变化时反应快,网络稳定性最差。3种复垦模式土壤细菌群落间关系均以协同合作为主导,煤矸石充填复垦土壤细菌群落间的协同合作关系占比最高。本文揭示了3种不同复垦模式下土壤细菌群落结构与分子生态网络差异,研究结果可为高潜水位采煤塌陷区土地复垦模式的优选以及人为干预方式的选择提供支撑。

基于D-InSAR技术的矿区地表沉陷监测研究

矿山开采可能诱发各种地质灾害,威胁矿区的社会稳定和居民的生命财产安全,快速准确监测矿区沉陷可有效预防地质灾害。本文以山西省大同煤矿为研究对象,获取2022年10月至2023年3月共13景Sentinel-1影像,基于合成孔径雷达差分干涉测量技术(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,D-In SAR)进行地表沉陷监测研究,获取大同煤矿地表累计沉陷量,使用已有研究成果对比验证了本实验结果的可靠性。结果表明,大同煤矿沉陷分布较广,主要分布在大同市南郊区西部以及南郊区、怀仁市、左云县和山阴县四县市交界处,监测期间最大、平均沉陷量分别为381.43 mm、13.88 mm,总沉陷面积约为207.91 km2,根据7个重点沉陷区的时空变化特征及演化规律发现沉陷呈现持续扩张趋势,推断地表沉陷仍会持续较长时间。研究证明了In SAR技术在矿山开采沉陷监测的可靠性,为矿产资源管理工作提供新的技术方法,研究结果可为矿山开采沉陷治理和地质灾害防控提供参考依据。

基于时间函数的高寒矿区地表动态下沉规律研究

高寒地区因为其冻土的特殊性质导致其经历开采后随着季节变化易导致上覆岩层破坏,因此,为准确预测高寒地区矿区上覆岩层的动态沉降的发展趋势,选取高寒矿区地表富水区作为研究对象,基于Weibull时间函数与分段函数的思路,结合矿区地表干涉合成孔径雷达(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)监测数据建立高寒矿区地表动态沉降模型,讨论该函数模型的适用性。结果表明:高寒矿区冻胀地表沉降的3个阶段沉降量与时间的关系曲线与Weibull时间函数模型对应曲线相符。对Weibull时间函数的双参数取值进行探讨并优化,最终确定当初始、加速阶段的沉降运动参数λ取值2.5,沉降时间参数η取值0.068,稳定阶段λ取值2.3,η取值0.048时误差处于限差范围内,能较为准确地模拟预测地表的动态沉降过程。研究成果可为高寒矿区的防灾减灾及治理工程提供参考。

采煤塌陷区全域土地综合整治对策研究 ——以彬州市义门镇为例

全域土地综合整治对保障粮食安全、改善生态环境、促进乡村振兴具有重要意义。在新的发展时期,该项工作开展已成为土地整治的重要抓手。采煤塌陷区具有移民搬迁、产业发展、生态修复的需求,该区域的保护与发展更应与土地综合整治相结合。本文基于社会调研和社会经济数据分析方法,对彬州市义门镇面临的困境进行分析,探究采煤塌陷区周边乡村土地综合整治实施路径,提出“民生为重、产业强基、生态为本”的全域土地综合整治实施建议,以期为采煤塌陷区土地综合整治方案编制与实施提供参考。

无人机遥感支持下的煤矸石山自燃监测与预警

复垦后煤矸石山的复燃问题是矿区土地复垦与生态环境保护中的巨大挑战。超前和及时的自燃监测和预警对治理至关重要,同时也一直是研究和治理中的难题。研究基于无人机遥感技术,提出了一种在复垦后利用植被紫花苜蓿评估煤矸石山自燃风险的方法,并对该方法在自燃监测和预警中的可行性进行评估。以中国山西省某复垦后自燃煤矸石山为例,利用无人机搭载可见光、热红外相机获取了某复垦后煤矸石山的无人机影像,并基于无人机影像提取的图像特征估算了紫花苜蓿地上生物量、株高和植被水分信息;在此基础上提出了自燃风险评估方法,在已发生自燃的研究区A1开展预警可行性探究;同时,利用上述方法对一未知(潜在)自燃研究区A2的自燃风险进行评估。研究结果表明:(1)无人机是煤矸石山植被监测的有效工具,基于无人机遥感图像特征能够实现紫花苜蓿长势参数的精准估算。基于随机森林的紫花苜蓿生物量和植被水分估算模型在验证集上的决定系数R^(2)分别为0.92和0.78,均方根误差RMSE分别90.58 g/cm^(2)和4.29%;基于作物高度模型的株高预测结果的R2为0.92,RMSE为7.58 cm。(2)3种紫花苜蓿长势参数均表现出了对自燃的解释能力,在空间分布上与25 cm深度土壤温度T_(s,25)均表现出一定的负相关性(R^(2)=-0.43~-0.51),且地上生物量的解释能力最优(R^(2)=-0.51)。(3)基于紫花苜蓿生物量能够在一定程度上掌握地下自燃过程的影响范围、强度和变化方向,从而可能对煤矸石山的潜在自燃风险实现监测和预警。研究旨在为矿区复垦后煤矸石山的复燃防治工作提供新思路和方法支撑。

平原煤粮主产复合区煤矿开采和耕地保护协同发展研究现状及对策

耕地是粮食安全的基础,煤炭是能源安全的保障。我国煤炭和耕地资源分布重合的煤粮复合区面积约占耕地总面积的42.7%,煤炭开采与耕地保护之间的矛盾十分突出。如何实现煤矿开采与耕地保护协同发展是我国煤粮复合区亟待解决的瓶颈难题。从平原煤粮复合区采动耕地损毁机理、采动耕地破坏程度评价、开采沉陷控制技术等3个方面分析了煤矿开采和耕地保护协同发展的研究现状与存在问题。在此基础上结合耕地保护面积大、变形耐忍度高等特点,提出了一种面向煤矿开采和耕地保护协同发展的源头控制与修复治理有机结合的绿色开采区域性岩层及地表变形控制技术途径,建立了相应的地表变形预测及控制设计方法,并指出了平原煤粮复合区煤矿开采和耕地保护协同发展的重点研究方向:平原煤粮复合区耕地采损驱动机制、采煤沉陷耕地防护阈值体系、面向耕地保护的煤矿绿色开采区域沉陷协调控制理论与方法,以期推动煤粮主产复合区煤矿绿色开采与耕地保护协同发展。

采煤沉陷区土地建筑利用研究进展与展望

地下煤炭资源经过长期高强度开采在地面形成了大面积采煤沉陷区,导致了严重的经济、社会、生态、环境问题。采煤沉陷区的综合治理既是国家重大战略需求,也是矿业城市转型和高质量发展的必由之路,随着城镇化进程加快,沉陷区建筑利用需求日益增加,尤其是矿业城市近郊采煤沉陷区的大型建筑利用,对于采动地层状态与长期演化机理认识、采动地层治理技术研发和科学合理利用模式建立提出了更高要求。科研人员对采煤沉陷区土地建筑利用相关领域开展了理论技术研究,世界各国也开展了采煤沉陷区土地建筑利用工程实践。首先阐述了采煤沉陷区土地建筑利用理论技术体系,然后汇总了与沉陷区土地建筑利用密切相关的采动地层损伤及长期演化规律、建(构)筑物与采动地层相互作用、采动地层治理与抗变形建筑技术和采煤沉陷区土地建筑利用模式4个方面研究进展,并进行了现状分析;笔者介绍了具有代表性的德国鲁尔区、安徽两淮、山东济南和河北唐山的采煤沉陷区土地建筑利用工程实践,说明采煤沉陷区土地建筑利用对矿业城市高质量、可持续发展的必要性和可行性。从采煤沉陷区土地建筑利用基础理论、采煤沉陷区注浆治理与抗变形建筑技术和采煤沉陷区大型建筑利用模式3个方面进行了采煤沉陷区土地建筑利用研究发展方向展望。系统阐述了采煤沉陷区土地建筑利用的理论、技术和工程实践研究现状,为采煤沉陷区土地建筑利用研究提供了方向。

黄淮平原矿区土地复垦对微生物群落结构和功能的影响

黄淮平原矿区复垦土壤肥力低,与养分循环密不可分,但复垦对土壤养分循环影响的微生物学机制尚不清楚。为此,于山东省邹城市东滩矿区4个复垦区和1个对照区共采集65个表土样,利用高通量测序及PICRUSt2和FUNGuild分析工具探测复垦对土壤微生物群落结构和功能的影响及其区系演替的环境驱动机制。结果表明:(1)复垦对土壤理化性状和酶活性影响显著(P<0.05),随复垦年限增加,铵态氮(AN)逐渐上升,硝态氮(NN)、有效磷(AP)、有机碳(SOC)、β-葡萄糖苷酶(BG)及蛋白酶(PRO)活性下降,pH、亮氨酸氨肽酶(LAP)活性则先升后降。(2)复垦显著影响了土壤微生物群落结构和组成(P<0.05),丰富度和均匀度随复垦年限增加而上升,所有处理优势菌门保持不变,但相对丰度变化显著。(3)土壤pH、铵态氮及磷酸酶是群落结构变化的主导因子。(4)PICRUSt2功能预测显示细菌群落基因功能相似,与代谢相关功能最活跃。FUNGuild功能预测结果显示真菌群落包含2个单营养型和3种混合营养型及4个单一功能群和14个混合功能群。本研究丰富了对复垦土壤发育的微生物学机制认识,为黄淮平原采煤沉陷治理提供科学依据。

东部煤粮复合区采煤沉陷地边采边复时机

东部高潜水位煤粮复合区采煤沉陷导致连片耕地积水,加剧了区内煤炭保供和粮食生产之间的矛盾。为了协调耕地保护与地下采煤的关系,采用边采边复技术,可以实现地面复垦技术与井下采煤技术的耦合,在高潜水位矿区可显著提高复垦率。复垦时机的选择是边采边复的关键,直接决定复垦工程的成败。梳理了影响边采边复时机选择的自然因素和人为因素,提出了2种边采边复时机类型:(1)采动地表临界积水下的理论复垦时机;(2)采动地表浅积水(积水深度0~3 m)下的实际复垦时机。以单一煤层开采为例,研究了采动地表积水与地下开采的时空关系,提出了采动地表临界积水启动距及积水边界角,揭示了工作面推进速度与理论复垦时机的时空关系。提出以采动地表临界积水下沉值为约束的井下减沉的耕地源头保护措施,构建了采区尺度下的跳采全采工作面临界宽度模型和浅积水下的实际复垦时机模型。案例研究表明:以顾桥煤矿北一采区临界积水下沉值1.00 m为约束,所优化的跳采全采工作面宽度可将复垦时机延迟到全采阶段,即推迟复垦时间和延长耕地使用寿命12.5 a。模拟了龙固煤矿不同采动积水深度下的复垦耕地面积变化,构建了复垦时机与复垦率之间的定量模型,以此预测了不同复垦率指标下的最佳复垦时机区间及浅积水条件下的最佳复垦率,认为相对积水深度为0.6时,为该采矿地质条件下的最佳复垦时机,当复垦耕地率差值控制在5%时,最佳复垦时机为地表积水相对深度0.7067。最后,讨论了边采边复的投入产出效益,认为边采边复技术可显著提高土地复垦效益,从源头上将采煤引起的社会和生态负效益内部化,该技术具有技术可行、经济合理和生态友好的优势。研究结果可为高潜水位煤矿区边采边复时机优选和井上下采复耦合提供理论支撑和案例参考。

覆土厚度对复垦土壤团聚体稳定及有机碳贡献率的影响

为了探究覆土厚度对复垦土壤团聚体稳定及有机碳贡献率的影响,采用干筛法、湿筛法测定不同覆土厚度下土壤机械稳定性、水稳定性团聚体、团聚体有机碳分布,计算稳定性参数及有机碳贡献率,分析覆土厚度对其的影响。结果表明,在同一粒级下,随着覆土厚度的增加,团聚体有机碳含量呈先增加后减少的趋势。覆土0~20 cm的>0.25 mm水稳定性团聚体含量最大、土壤团聚体团粒指数最小,覆土为60~80 cm的土壤机械稳定性和水稳定性团聚体平均重量直径、几何平均直径、团聚体稳定率最大,团聚体破坏率最低,是研究区最适合微生物活动及土壤根系生长的覆土厚度,研究结果对煤矸石充填复垦土壤的合理利用及可持续发展具有重要意义。

徐州高潜水位区采煤塌陷地及其复垦土壤碳变化

在全球“碳中和”背景下,土壤碳积累与转化研究成为学术界研究的热点问题。潜水影响下的采煤塌陷地复垦恢复过程中土壤碳库变化及机制较为复杂。复垦土壤碳动力学过程研究是实现复垦土壤生态系统科学恢复的重要基础。利用年龄时间序列方法和定位监测法分别于2012年和2020年采集徐州柳新镇高潜水位煤矿区塌陷地不同复垦年限的土壤,对土壤总碳(C_(TC))、总有机碳(C_(TOC))、总无机碳质量分数(C_(TIC)),总碳库(S_(TC))、总有机碳库(S_(TOC))和总无机碳库储量(S_(TIC))进行了测算,同时分析了各类碳与相关土壤性质的关系。结果表明:(1)研究区未塌陷地土壤(CK)S_(TC)、S_(TOC)和S_(TIC)分别为268.34、81.63、186.70 t/hm^(2)。土地塌陷引起土壤碳质量分数及碳库储量下降,主要表现为S_(TIC)和C_(TC)下降,S_(TOC)变化不明显。(2)复垦土壤恢复过程中土壤碳质量分数及碳库储量变化呈正二次方程曲线特征,0~20 cm层土壤C_(TC)和C_(TIC)在复垦14~18 a达到最大,并超过CK。土壤S_(TOC)在复垦13~14 a可以超过CK。(3)新复垦土壤0~40 cm层内碳质量分数及碳库储量在上下层次间差异不显著。复垦后恢复过程中,以表层(0~10 cm)土壤碳质量分数和碳库储量增加量最大,C_(TIC)在剖面上的变化特征不明显。(4)土壤C_(TOC)和S_(TOC)及C_(TC)均与土壤孔隙度、土壤黏粒、分形维数(D)及>3.2 mm团聚体质量分数呈显著正相关,与土壤密度、紧实度、pH及2~0.50 mm团聚体质量分数呈负相关关系。塌陷地复垦土壤在恢复过程中表现出巨大的固碳潜力。高潜水位地区,土壤水分通过影响土壤通气状况、团聚体形成及颗粒变化来影响复垦土壤碳固定和转化。塌陷地复垦耕作利用通过土壤翻耕、破碎、有机肥配施及潜水位调节,改善了土壤结构及通气状况,促进了植物及土壤微生物生长,增加了土壤有机碳来源,推动了复垦土壤有机碳积累。

采煤沉陷区人工林地土壤肥力质量的空间特征

以焦作市韩王矿沉陷区林地土壤为研究对象,测定不同沉陷部位和不同深度土壤中8项肥力指标,基于隶属度函数和灰色关联度分析法,对沉陷区土壤肥力质量进行评价。结果表明:沉陷区林地土壤硝氮、全氮、速效钾、全钾和有机质含量在不同层位之间存在显著性差异(P<0.05),上层(0 cm~20 cm)硝氮、速效钾和有机质含量显著高于下层(20 cm~40 cm);土壤肥力质量在空间上呈现出明显的变化特征,坡中处最高,坡底处最低;速效磷是影响沉陷区土壤肥力质量提升的限制性因子。

鹤岗煤矿区地面沉降时空特征InSAR时间序列监测研究

随着煤矿资源的开采,鹤岗地区地面沉降现象逐渐加剧。以鹤岗煤矿区作为研究对象,收集2019年8月31日—2021年8月20日的59景Sentinel-1B SAR影像,采用SBAS时间序列InSAR技术提取煤矿开采引起的地面沉降。对鹤岗煤矿区地面沉降在空间上的演化过程进行分析,重点研究了鹤岗南部富力煤矿、兴安煤矿和峻德煤矿地表形变的时空演化特征,结果表明:鹤岗煤矿区的地面沉降呈现出不均匀、漏斗式的运动特征,提取的19个沉降漏斗全部对应鹤岗煤田开采区,最大形变位于新陆煤矿开采区,形变速率约370mm/a。在研究期内,自相对于第一景影像的沉降漏斗形成后,后续矿井开采沉降漏斗的空间形态基本保持不变。鹤岗南部富力煤矿和兴安煤矿4号形变点所在工作面的地表形变仍然处于快速下沉状态,有必要持续跟踪。

安徽恒源煤矿区土壤肥力特征及重金属风险评价

为全面了解煤矿区不同功能区土壤质量和重金属含量特征,为后续煤矸石土地复垦提供决策依据,以恒源矿区为研究区域,分别采集采空塌陷区稳定区、采空塌陷沉降区、矸石堆场区和未受采动影响区四个区域的土壤样品共计30组,开展土壤肥力及重金属含量分析,研究表明:恒源矿区土壤整体呈碱性,塌陷稳沉区和塌陷非稳沉区由于地表沉降,土壤质量受到破坏,土壤中总氮、总磷、速效钾、有效磷、碱解氮等养分流失严重,土壤肥力较差,矸石山周边区土壤肥力最好,未受影响区次之;恒源矿区重金属生态危害强度由强到弱的顺序为Cd、As、Cu、Pb、Cr、Hg、Ni、Zn,重金属均低于风险筛选值,土壤重金属处于低风险状态。

陕北采煤沉陷区沙地植被生态修复试验研究

针对陕北采煤沉陷区生态环境脆弱及荒漠化严重的问题,研究以铃铛刺、梭梭及粗毛甘草为指示作物,通过野外田间小区试验和室内主成分分析相结合的方法,观测了试验植被及灌溉方式对土壤性质和植被生长的影响。结果表明:①灌溉条件相同时,种植铃铛刺(即TR-1)对沙土含水率、pH提升最大,同时降低沙土容重效果最好,相较于梭梭(即TR-2)和粗毛甘草(即TR-3),TR-1处理组含水率和pH分别提高了36.03%、26.82%和0.81%、1.29%,容重分别降低2.74%和1.39%。TR-3对沙土孔隙度提升最大,相较于TR-1、TR-2处理组孔隙度分别提高0.21%和4.01%,灌溉方式不同时,处理组相较于对照组,含水率、孔隙度和pH显著提升,容重显著降低。②相同灌水条件下,TR-2处理组株高表现最好,相较于TR-1、TR-3处理组分别提升48.47%、146.94%,TR-3处理组的盖度及存活率表现最好,与对照组相比,TR-1、TR-2和TR-3处理组株高、盖度和存活率均显著提升,说明在沙土中种植梭梭更易存活,播种后持续每周浇水2次植被生长更好。③由主成分分析方法得出,当植被相同时,灌溉处理得分均大于对照组,灌溉条件相同时,种植粗毛甘草效果最好,综合得分为2.73。

黄土丘陵采煤沉陷区生态治理研究进展

煤炭开采推动我国经济和社会的发展,同时也带来了一系列的环境问题。由于早年大规模地开采,矿区生态环境受到多种损害,土壤结构受损、水资源匮乏和植被退化等现象频繁发生,地下水结构受到采动损害的持续性影响出现不同程度的瓦解。为了解当前采煤沉陷区地裂缝的演变规律、发生机制及生态治理进展,实现矿产资源开发与环境的协调、可持续发展,本文阐述了黄土丘陵采煤沉陷区生态环境现状,并从采煤沉陷区的环境现状入手,探究采煤沉陷区土地复垦与土壤改良、水资源保护及利用以及植被修复等生态治理技术,实现采煤的同时兼顾对生态环境的保护。分析认为,采动区的生态环境破坏主要是沉陷区的土壤损伤,而地下水、植被的破坏则是采动损害的持续性影响。不同地貌单元生态修复的重点也不同,要因地制宜地综合运用各种技术,以便于在采煤沉陷区生态治理过程中更好地实施一定效果的举措,为黄土丘陵采煤沉陷区采动损害防治及治理提供理论和技术支持。