主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术与示范专题

来源:煤炭学报

东部草原区位于我国生态安全“两屏三带”的北方防沙带,该区域聚集了锡林浩特和呼伦贝尔两大煤电基地,以露天开采为主,产能超过4亿t,是我国东北区域重要的能源供应基地。要筑牢我国北方重要生态安全屏障,必须坚持生态优先、绿色发展的理念,为此国家科技部于2016年启动了“典型脆弱生态修复与保护研究”重点专项,将东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术及示范作为重点研发项目纳入其中。

行业视野

环境保护

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  • 作者(Author): 李全生

    摘要:东部草原区位于我国生态安全“两屏三带” 的北方防沙带,该区 域聚集了锡林浩特和呼伦贝尔两大煤电基地,以露天开采为主,产能 超过4 亿t,是我国东北区域重要的能源供应基地。习近平总书记在 内蒙古自治区考察时指出,要筑牢我国北方重要生态安全屏障,坚持 生态优先、绿色发展。为搞好煤电基地生态保护指明了方向。国家 科技部于2016 年启动了“典型脆弱生态修复与保护研究”重点专项, 将东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术及示范作为重 点研发计划项目纳入其中。
  • 作者(Author): 刘光伟, 柴森霖, 白润才, 赵景昌, 李浩然, 张靖

    摘要:单斗卡车工艺具有机动灵活、爬坡能力强、便于选采、基建速度快、开采强度大等优点,在我国露天矿山被广泛应用。但近年来,因受到重型卡车设备机修、维护保养、燃油成本高昂等经济因素限制,导致单斗卡车工艺吨公里运输经济性问题一直备受关注,并以此派生出了一系列优化卡车运输经济性的相关课题,如运输系统参数优化、路径优化以及剥离物流向-流量规划等相关研究。这类优化研究普遍以经验化的人工定线方案为基础,以压缩运距、控制道路运输功为优化目标展开,忽略了开拓运输道路对于实际优化问题的影响。常规的露天矿开拓运输系统选线方法主要依赖人工经验试错来制定选线方案,主观性极强、效率低且难以优化控制线路成本,随着剥、采工程发展,易导致卡车运输系统的经济合理性受限。为有效解决这一问题,以JONG提出的城际高速公路选线方法为理论基础,综合分析了运输道路系统的基本组成、结构形态以及线形特点,引入一种分阶段的选线剖面布置形式,并结合线路的几何特性定义了线路桩点位置的代数表达及线形约束检验的计算方法;研究了道路生命周期内的成本核算方法,标定了费用成本指标,建立了基于选线道路费用成本最优化的数值计算模型;最后,为进一步提高遗传算法的收敛能力及求解效率,将生物激励神经网络(Bio-Inspired NN)引入到路径基因编码过程中,以实现对编码的启发式修正。实验结果表明:相比于矿山现有的手工定线方法,优化后的线路费用成本更低,能快速、有效地解决矿山运输系统定线问题,证明文中算法模型对于解决此类矿山选线问题可行且有效。
  • 作者(Author): 邵亚琴, 汪云甲, 李永峰, 张华, 刘竞龙

    摘要:草原区煤电基地的大规模开发必然引发剧烈的生态环境问题。针对胜利煤电基地生态系统的特点,应用系统分析方法,以土地、水体和大气为空间载体,辨识生态扰动因子,构建生态环境综合评价指标体系,以多源动态监测技术为获取基础信息的主要手段,利用遥感反演、数据融合、空间插值、统计分析等数据处理方法,从煤电基地尺度、功能区单元和最适宜格网单元等多时空尺度,综合评价和分析研究区域2000年,2005年,2010年和2015年的生态环境状况,探寻区域生态的时空变化规律。研究表明,2000—2015年,研究区域生态环境整体处于良好状态;2005—2010年,煤电基地开发规模迅速扩大,恶化趋势明显,生态环境状况显著变差、明显变差和略微变差的区域面积分别达到512.76,664.52,284.26km2市城区、城镇居民点和省道S307两侧区域,并以露天矿区及电厂区、市区和居民点为中心形成阶梯状缓冲区,印证了露天矿开采及电厂开发、城市建设对生态环境产生负面扰动的累积效应;2010—2015年,露天矿区排土场复垦、电厂控排、城市湿地公园建设及省道S307沿线绿化有效改善了局部生态环境状况,体现了生态修复与监管对生态环境恢复的重要性。根据生态环境评价结果及其时空发展规律,提出了搭建基于大数据的草原区煤电基地生态环境“监测-评价-管理”三位一体多源动态监测平台和建立生态环境修复“5W+2H+E”循环管理模式的管控对策,为煤电基地环境保护和生态修复监管提供了可靠依据。
  • 作者(Author): 田雨, 雷少刚, 卞正富, 曹志国

    摘要:为研究露天矿内排土场工后沉降规律,定义内排土场下沉系数为地表最终沉降量与初始覆土高度的比值,并以内蒙古锡林浩特市胜利一号露天矿内排土场为研究区,利用41期高时间分辨率sentinel-1 A数据采用小基线集(SBAS)技术进行内排土场沉降监测,在此基础上引入混沌理论中的相空间重构理论结合二阶Volterra自适应滤波对沉降时间序列进行单步预测。结果表明:① 内排土场沉降剖面呈现明显的半漏斗状,总体上累积沉降量与到矿坑的距离成反比,通过沉降时间序列分析可得Ⅰ,Ⅱ区域处于沉降活跃期,存在滑坡、泥石流风险,是后期沉降监测的重点区域,Ⅲ~Ⅶ区域步入稳定过渡期,Ⅷ区域已基本稳定,初步判断该区已基本满足了土地复垦及建设简单构筑物的基本要求。② 经曲线拟合,得观测周期内,内排土场下沉系数约为0.639 cm/m。③ 经最大Lyapunov指数验证,通过SBAS技术得到的4组沉降量时间序列均具有混沌特征。④ 运用混沌理论中的相空间重构理论结合二阶Volterra自适应滤波对沉降量进行单步预测,预测结果显示其可在短期内较好地反应真实值变化趋势,前10步预测结果的平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MAPE)和均方根误差(RMSE)均在6%以下,但随预测步数的增加,预测精度逐渐下降,这表明二阶Volterra自适应滤波仅可用于SBAS获取的一维沉降观测数据的短期预测,将其应用于长期预测的结果不可靠。
  • 作者(Author): 程伟, 郭海桥, 尚志, 牟守国, 卞正富, 雷少刚

    摘要:酷寒矿区表土瘠薄,陆地覆被破坏后可利用表土稀缺是制约煤矿区土地复垦的重要因素之一,难以获得足够的可用表土不仅直接影响到煤矿土地复垦效果,同时也限制煤矿区可持续发展的进程。因此在缺土区拓展可利用表土来源不仅是煤炭土地复垦中亟待解决的生产问题,也是一个重要的科学问题。煤矸石是矿产资源开发利用的副产物,也是潜在的表土来源之一。针对特殊环境下的土地复垦需要,以酷寒矿区未风化煤矸石为研究对象,从水分变化、冻融循环单独作用和水分-冻融循环叠加作用于煤矸石的角度进行试验设计,分析了3类14种处理下煤矸石风化崩解的差异性。结果表明:水分-冻融循环处理下煤矸石风化崩解速率明显大于水分和冻融循环单独处理,风化崩解速率差异较大。运用聚类分析把煤矸石14 种处理下的崩解速率分为2类,2类间的崩解速率差异显著,引起风化崩解速率差异显著的因素主要是较大的温差变化引起水分和盐分结晶膨胀。其中饱和含水-冻融循环组风化崩解速率大于非饱和水分组,大温差组大于小温差或恒温组。指出了温差变化中冰晶作用的存在引起了煤矸石的快速崩解主导因素。本研究揭示了水分作用对煤矸石风化崩解的影响大于温度用冻融循环有利于煤矸石风化崩解。
  • 作者(Author): 宫传刚, 雷少刚, 卞正富, 卞和方, 黄赳, 张周爱, 郭海桥, 张浩

    摘要:露天煤矿排土场具有地形复杂、堆存松散、异质性强等特点,长期存在会产生整体非均匀沉降、边坡失稳变形、蠕动等地质环境问题。因此,掌握排土场精确地形数据是保证其地质稳定性的基础,然而传统地形测量技术难以满足高精度需求;无人机低空摄影测量所获地形数据虽分辨率高,但受地表植被影响导致垂直精度不足。针对这一问题,提出基于可见光植被指数-植被高度回归模型的地形数据获取方法,即利用回归模型对无人机摄影测量获取的地表高程值进行修正以提高垂直精度。以宝日希勒露天煤矿外排土场北坡为研究对象,利用无人机摄影测量技术获取研究区初始地形和正射影像数据,再基于可见光建立植被指数-植被高度回归模型对初始高程值进行优化。实验表明:可见光植被指数与植被高度具有较好的相关关系,基于不同波段建立的植被指数对植被高度的估算精度存在较大差异,其中利用红绿蓝3个波段建立的植被指数EXG模型(R2=0.952)和RGBVI模型(R2=0.95)具有较高的拟合精度。结合可见光植被指数-植被高度修正模型可提高无人机摄影测量获取的地形数据精度,研究区检查点均方根误差由0.111 m提高到0.045 m。与传统GPS RTK地形测量技术相比,此方法在地形复杂处精度更高,在中小尺度上获取高精度地形数据具有较大优势。
  • 作者(Author): 张周爱, 杜芳, 黄赳, 邢龙飞, 雷少刚, 曹志国

    摘要:生态网络可用于描述、评价生境环境破碎条件下景观空间组织方式与物种存续的关系。生态网络连接对保护物种有重要意义。以锡林浩特市露天矿区为研究区,采用形态学空间格局分析(MSPA)提取对生态有重要意义的核心区,基于连通性指数对核心区进行评价,选取15个重要核心斑块作为生态源地。对研究区景观赋予景观阻力值,构建阻力面,采用最小累积阻力模型构建研究区的生态网络连接,基于重力模型对构建的廊道的重要程度进行分析。研究结果表明:核心区占绿地景观面积的55.82%,破碎化严重;生态源地主要集中于湿地景观;生态廊道中绿地景观占88.78%,道路和建设用地都占1.2%,矿业景观占0;生态源地之间的相互作用强度差异大,廊道的适宜性有很大差别;对研究区的生态网络构建具有指导意义。
  • 作者(Author): 李恒, 雷少刚, 黄云鑫, 程伟, 邓彪, 张周爱

    摘要:在采矿活动中,由于传统的排土场边坡模型并不能很好的融入当地周围环境,导致排土场的水土流失现象十分严重,因此需要对边坡进行地形重塑,以减少土壤损失量,提高边坡保土能力,使排土场能与周围环境相协调。近自然地形重塑以未受扰动的地形作为参照,构建出符合当地侵蚀过程所形成的地形模型,在国内外地形重塑中有诸多应用。根据近自然地形重塑理论及统计学原理,以胜利矿区为研究区,提取并分析该地区自然边坡的特征参数,并以此构建了反S型边坡模型,利用WEPP模型对比分析反S型边坡模型和原排土场边坡模型,验证了反S型边坡模型的优势。研究发现:① 提取胜利矿区的自然边坡剖面线进行分析,分析结果表明胜利矿区主要的边坡坡型为反S型边坡,在此基础上提出了凸面水平占比和凸面竖直占比两个新的边坡特征参数,并对反S型边坡的特征参数进行提取。② 分别对胜利矿区陡坡部分和缓坡部分的边坡特征参数进行相关性分析和曲线拟合,在此基础上分别构建了陡坡部分和缓坡部分的反S型边坡模型,发现陡坡部分的反S型边坡模型中凸面和凹面在竖直方向上的分割点位于黄金分割点附近。③ 以陡坡部分的反S型边坡模型对胜利矿区排土场边坡的特征参数进行设计,向WEPP模型中输入胜利矿区气候、土壤、植被覆盖等数据后,在不同坡高和不同模拟年份的条件下对构建的边坡模型与原排土场边坡模型进行水蚀分析,结果表明随着坡高和模拟年份的增加,反S型边坡模型的保土能力和长期稳定性明显优于原排土场边坡模型,可以依据反S型边坡模型对排土场边坡进行设计。

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