“黄河流域矿区生态保护与可持续发展”专题

黄河流域生态保护和高质量发展是事关中华民族伟大复兴的千秋大计，要综合治理、系统治理、源头治理。黄河流域矿区生态环境修复是整个大黄河流域生态修复的重要组成部分。黄河流域成为我国煤炭开发规模最大的地区，我国14个大型煤炭生产基地有9个分布在黄河流域，煤炭年产量约占全国总产量的70%左右。黄河流域面积约80万平方公里，其中含煤区域面积超过35.7万平方公里。

煤炭开发对地表环境和生态、地表水和地下水资源产生严重影响，成为黄河流域生态环境最严重的人为干扰因素。黄河流域生态修复不仅仅是黄河水沙协调，更是黄河流经所滋养和直接影响的地理生态学区域的保护与修复。十八大后生态文明建设、美丽中国建设的战略思想为绿色矿山建设带来了新的机遇与挑战，保护黄河，就是保护母亲河。

为了配合国家和行业对绿色矿山的重大战略需求，交流共享矿业领域对流域矿区土地复垦与生态修复方面取得的最新科技成果，推动我国能源与环境可持续发展。《煤炭学报》编辑部特邀中国矿业大学(北京)彭苏萍院士、毕银丽教授共同担任客座主编，策划本专题。

行业视野: 环境保护
类别; 122个
关键词; 146位
专家; 28篇
论文; 34210IP
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黄河中游大型煤炭基地地质环境监测思路和方法

作者(Author)：范立民, 吴群英, 彭捷, 迟宝锁, 孙魁, 王宏科, 郭佐宁, 宁奎斌, 刘水, 李成, 赵小峰, 田水豹, 李博, 陈建平, 高帅, 仵拨云, 姬怡微, 郑苗苗, 杜江丽

摘要：黄河流域分布着我国9个大型煤炭基地，原煤产量占全国的70%，而且还在快速增长，这一地区地质环境脆弱，尤其是黄河中游区，高强度、大规模煤炭开采的地质环境效应显著，做好地质环境监测，是保障黄河流域煤炭基地可持续发展的基础。在研究黄河中游采煤对地质环境影响分析的基础上，概括了黄河中游煤炭基地地质环境特征，包括煤层赋存的地质环境特、地下水环境特征、地表水环境和生态环境特征4个方面，总结了黄河中游采煤对地质环境的扰动及体现指标，包括地下水位持续下降、泉水断流和干涸、河流流量锐减、水库干涸、黄土沟壑和沙漠区地表损害严重等5个方面。甄别了黄河流域大型煤炭基地地质环境中的敏感要素，包括水文水资源、生态环境、地质灾害、岩层变形监测和其他要素监测，对煤炭开采地质环境扰动强度进行分级，划分出煤炭开采强烈扰动区、一般扰动区和无扰动区，针对不同的煤炭开采扰动程度，对应划分出精准监测、核心监测和一般监测3个监测级别，同时分别制定了不同的监测方法，提出了地质环境监测网的建设思路，设计了监测系统平台，为矿山地质环境监测网建设提供了基础。目前已经建成了地下水监测系统、地质灾害监测系统，部分煤矿建成了地表水、地面形态监测系统，生态环境监测系统正在建设中。

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2021年第05期

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采后10 a垮裂岩体自修复特征的钻孔探测研究——以神东矿区万利一矿为例

作者(Author)：李全生, 鞠金峰, 曹志国, 许家林, 赵富强, 王晓振

摘要：采动垮裂岩体在煤层采后多年的长期演变过程中，常易发生导水能力逐步降低的自修复现象，研究其产生机制与规律对于实现矿区采损环境的生态再恢复意义重大。为了揭示神东矿区万利一矿煤层开采约10 a后垮裂岩体的自修复特征，采用钻孔原位探测方法对单一煤层采动和多煤层重复采动这2类典型条件下的覆岩垮裂特征及其自修复规律进行了观测研究。结果表明，历经8~12 a时间的演变，上覆垮裂岩体的自修复现象显著，表现为钻进冲洗液漏失量小、孔内水位下降缓的低渗透现象。采煤时覆岩的初始垮裂程度直接影响采后多年探测揭露的岩体自修复效果;从横向上看，开采边界附近为采动裂隙的显著发育区，因而其垮裂岩体自修复效果要低于盘区中部压实区的垮裂岩体;从纵向上看，垮落带中下部及导水裂隙带中上部自修复效果最好，而垮落带上部及其与导水裂隙带交界的过渡区由于普遍赋存有厚硬砂岩，因而其岩层垮落块度大、自修复效果相对偏低。煤层埋深越大，较大的支承压力更易促使超前煤岩体的压缩、以及边界附近显著发育裂隙的开度减小，这有助于促进裂隙的自修复;因而浅部矿区垮裂岩体实现自修复所需的年限更长。相比单一煤层开采，多煤层重复采动产生的二次活化作用会改变上煤层覆岩已有垮裂状态，还可能破坏在其中已发生的自修复进程;上下煤层采煤间隔时间越长，覆岩整体的自修复进程越慢、效果越差。

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基于GEE云平台的黄河流域植被覆盖度时空变化特征

作者(Author)：李晶, 闫星光, 闫萧萧, 郭伟, 王科雯, 乔建

摘要：植被覆盖度是土地生态的重要指示因子，黄河流域横跨中国地形三大阶梯，是国家重要的生态屏障，同时也是重要的经济地带和“能源流域”。为揭示长时序黄河流域及其煤炭富集地区土地生态变化状况，基于Google Earth Engine(GEE)平台，对1987—2020年黄河流域共40 525景Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像进行批量去云、融合和NDVI云计算等处理，获取34 a的植被覆盖度数据。综合利用最大值合成法、像元二分模型、一元线性回归趋势性分析和F检验等方法对黄河流域及流域内煤炭国家规划矿区植被覆盖度的时空变化特征进行定量分析;在此基础上逐一识别地形因子和气候因子对黄河流域及其规划矿区植被覆盖度的影响。结果表明:① 34 a间黄河流域的平均植被覆盖度由1987年的0.457 4上升至2020年的0.581 7，同期流域内煤炭国家规划矿区则由0.355 6增至0.536 1，2者呈现一致的波动上升的趋势;② 时序趋势变化类型构成中，黄河流域植被覆盖度改善的面积(33.19%)远大于植被覆盖度退化的面积(3.55%)。规划矿区内植被覆盖度改善面积占比高于黄河流域，但其植被覆盖度仍明显低于黄河流域平均水平;③ 黄河流域多年平均植被覆盖度空间差异明显，除宁夏平原、河套平原等地外，主要呈现南高北低、由东南向西北递减的趋势;④ 黄河流域及规划矿区地形因子对植被覆盖度的影响表现为高程>坡度>坡向，气候因子的影响表现为气温>降水量。降水量和气温对于规划矿区的植被覆盖度的影响均小于对整个黄河流域的影响。土地利用类型变化促进了黄河流域植被覆盖变化趋势类型的多向性;⑤ 44个煤炭规划矿区中，彬长矿区和乡宁矿区植被覆盖度改善相对更为显著，石炭井矿区和包头矿区退化面积占比相对高。研究结论:应用长时序、多源数据能够客观揭示黄河流域及规划矿区植被覆盖度时序和空间变化异同特征，为科学认识与评价整个流域及规划矿区生态状况、制定生态保护修复政策等提供数据支撑，今后针对植被覆盖度时空差异的形成机理仍需进一步深入分析。

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木里煤田聚乎更矿区生态环境修复监测技术与方法

作者(Author)：李聪聪, 王佟, 王辉, 胡智峰, 江晓光, 梁振新, 王伟超, 杜斌

摘要：木里煤田聚乎更矿区处于黄河一级支流大通河源头湿地生态区，是黄河流域生态环境保护的重点地区。因煤炭开采导致地貌景观破坏、土地损毁、水系湿地破坏、不稳定边坡和残煤高温异常一系列生态环境问题，对矿区生态系统造成扰动和破坏，导致矿区生态服务功能和生态环境质量下降。为了全面分析矿区生态环境问题，明确生态环境修复治理方向，保障矿区生态环境恢复治理工程高效开展，有效提升矿区生态环境质量。基于对生态环境问题现状的分析，将矿山环境恢复治理划分为4个阶段，即治理前的勘查设计阶段、治理中的地形地貌整治阶段和覆土复绿阶段、治理完成后的后期管护阶段，针对不同阶段的监测目标，利用卫星遥感、低空无人机遥感和信息化相结合的技术，充分发挥InSAR、热红外和三维遥感的技术特点，结合常规的地质调查、物探、钻探等手段，因地制宜，探索研究了卫星遥感技术在植被覆盖度、冻土反演和形变监测方面的应用，无人机遥感技术在基础地形测量、生态环境问题调查、生态治理效果可视化评价、工程监管和方量计算等方面的应用，经与实际调查结果对比分析具有较好的一致性。研究构建了聚乎更矿区生态环境修复治理监测模式，高效支撑了聚乎更矿区生态环境恢复治理工作，在黄河上游高原高寒生态脆弱地区矿山环境治理工作部署和工程监测中取得了良好的运用效果。

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暴雨作用下排土场平台-边坡系统土壤侵蚀过程模拟研究

作者(Author)：吕刚, 李叶鑫, 宁宝宽, 魏忠平, 王道涵

摘要：煤炭开采过程中会形成平台岩土紧实、边坡高陡松散的排土场，是露天煤矿土壤侵蚀最为严重的区域。排土场紧实平台的汇流作用是坡面径流侵蚀的主要动力，平台前缘出现的土体裂缝更是为地表径流涌入排土场提供优先路径，极大程度地增加排土场崩塌、滑坡、泥石流等水土流失灾害发生的可能性。研究降雨和微地形对排土场平台-边坡系统土壤侵蚀的作用机制可为露天煤矿排土场水土流失防治提供科学依据。本文以内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市大唐国际胜利东二号露天煤矿南排土场为研究对象，利用相似模拟原理和土体裂缝等效模型建立排土场平台-边坡室内模型，采用人工模拟降雨试验研究不同降雨强度（90、120、150 mm/h）和土体裂缝深度（5、10、15、20 cm）条件下排土场平台-边坡系统土壤侵蚀演变过程、产流产沙特征和侵蚀沟形态特征。结果表明：排土场平台-边坡系统土壤侵蚀演变过程分为土壤溅蚀与面蚀、裂缝充水与坍塌、细沟侵蚀、裂缝贯穿、坡肩垮塌和稳定阶段6个阶段，土壤侵蚀过程是水力侵蚀和重力侵蚀共同作用的结果。当裂缝深度为5、10、15、20 cm时，排土场径流量依次为23.41、58.70、35.24、75.95 L，侵蚀量依次为3.79、19.66、23.01、34.57 kg；随着降雨强度的增大，径流量和侵蚀量均增大；当降雨强度为90 mm/h、裂缝深度为10 cm时，排土场在侵蚀前期形成泥流，其含沙量高达1.03 kg/L。排土场平台-边坡系统径流量和侵蚀量是土体裂缝和降雨强度共同作用的结果，其交互作用与径流量和侵蚀量达到显著和极显著水平。不同降雨强度和裂缝深度条件下，各时段土壤侵蚀量依次为对照的1.94~4.56、2.07~63.19、4.98~34.54、5.84~53.98、6.31~74.64、38.78~176.25倍，呈现多峰多谷的变化规律。随着降雨强度和裂缝深度的增大，排土场侵蚀沟数量减少，侵蚀沟长度、宽度和深度增大，溯源侵蚀越严重。

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生物炭+速生植物对工业场地周边土壤镉污染原位修复

作者(Author)：陈浮, 朱燕峰, 马静, 刘俊娜, 于昊辰, 张绍良

摘要：黄河流域许多地区由于规划不科学、环保措施不足、监管不严等原因，工业场地往往与农田直接镶嵌，极易造成周边土壤重金属污染。为高效快速低成本修复工业场地周边大范围农田土壤镉污染，选择河南省新乡市凤泉区大块镇工业聚集区周边受污染农田开展大田修复实验，利用2种速生植物3连茬种植(即小白菜-黑麦菜-小白菜)联合2种生物炭(即杨树皮生物炭(PBC)和硫脲改性杨树皮生物炭(TPBC))原位修复土壤镉污染，测定连茬种植下土壤镉的浸出特性及其化学赋存形态，评估2茬小白菜食用健康风险，并揭示生物炭+速生植物联合修复土壤镉污染的潜力。结果表明:① 添加2%杨树皮生物炭(PBC)和2%硫脲改性杨树皮生物炭(TPBC)在60 d后土壤镉浸出量低于《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)规定的III级标准，添加1%TPBC在90 d后土壤镉浸出量低于III级标准。② 连茬第3季修复实验后，与CK比，施用1%和2%TPBC的土壤残渣态镉分别增加了71.73%和75.75%;弱酸溶态镉分别下降了130.86%和160.62%。添加1%和2%PBC的土壤残渣态镉分别增加了45.82%和50.07%。弱酸溶态镉分别下降了56.34%和109.27%。联合修复可使弱酸溶态镉和可还原态镉向可氧化态镉和残渣态镉转化，有效降低镉的生物可利用性。③ 联合修复可在90 d内将小白菜的食用健康风险降至人体可接受的阈值。由此认为，生物炭+速生植物联合可减少土壤镉浸出量，有效降低镉的生物可利用性，减少镉在小白菜中的转运。“生物炭+速生植物”修复技术克服了原位修复土壤镉污染低效耗时难题，为大范围高效快速低成本原位修复工业场地土壤污染提供了技术支撑。

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煤矿地下水库底板渗流模拟试验系统研制及验证

作者(Author)：文志杰, 姜鹏飞, 景所林, 曹志国

摘要：基于国家对西部煤炭绿色开发的号召，西部矿区煤炭资源开发与生态环境及水资源保护协调发展研究显得愈发重要。煤矿地下水库技术创新性地实现了西部矿区绿色发展，但依然存在着诸多需要克服的科学难题。为了研究煤矿地下水库底板在应力-渗流耦合条件下的渗流规律与破坏特征，分析渗流演变过程中的多场信息，研制了底板渗流模拟试验系统。该试验系统主要包括伺服稳压控制系统、试验箱系统和计算机监测与数据采集系统，其中伺服稳压控制系统可以实现利用气体压力替代水压力模拟地下水库中水体压力和上覆岩层产生的矿山压力，实现了对整体压力（范围为0~0.8 MPa）数字化控制；试验箱系统为钢架结构，可实现模拟不同水位高度下的流固耦合模拟试验，最大模型尺寸为1000 mm×600 mm×500 mm（长×宽×高）。并以神东矿区某煤矿地下水库为背景，进行底板渗流相似模拟试验，获得了孔隙水压力和渗水量变化规律，验证了设备的合理性和实用性。试验结果表明：孔隙水压力和渗流量数据信息可以宏观表征岩层渗流情况；孔隙水压力变化一般需要经历初始维持阶段、增大阶段、峰值波动阶段、衰减阶段和稳定阶段，最大增幅约为0.8 kPa，稳定阶段后孔隙水压力与初始值相差约为0.1 kPa；同一层位不同位置测点和不同层位相同位置测点的孔隙水压力变化曲线趋势基本一致，影响孔隙水压力主要因素有测点位置、模拟岩层岩性、渗透率和材料非均质性等。渗流量大小受过流断面面积和渗透系数影响，最大渗流量范围为14 mL/s~15 mL/s。

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风沙采煤沉陷区地表生物结皮土壤碳排放对水热因子变化的响应

作者(Author)：党晓宏, 刘阳, 蒙仲举, 高永, 魏亚娟, 翟波, 刘禹辛

摘要：生物结皮是干旱区土壤碳排放的重要参与者，为阐明毛乌素沙地采煤沉陷区典型生物结皮土壤碳排放规律及其对土壤水热因子变化的响应，以藓类结皮、藻类结皮和地衣结皮为研究对象，通过Automated Soil CO2 Exchange Station(简称ACE)土壤碳通量自动监测系统分别测定了3类生物结皮土壤碳排放速率、土壤温湿度，并对2者关系进行探究。结果表明:① 3类生物结皮土壤碳排放速率的日变化特征曲线总体上均呈现“不对称钟形”的“单峰”曲线特征，峰值在12:00~13:00。土壤碳排放速率日均值由大到小依次为藻类结皮(0.47 μmol/(m2·s))＞藓类结皮(0.45 μmol/(m2·s))＞地衣结皮(0.44 μmol/(m2·s));② 3类生物结皮的土壤碳排放速率与表层土壤温度均呈现二次函数关系，其决定系数分别为0.59，0.46和0.64(P＜0.01);③ 生物结皮土壤碳排放速率与表层土壤含水量均呈二次函数关系，其中藓类结皮的最优拟合关系为二次函数关系，其决定系数R2达到了0.45的极显著水平(P＜0.01);④ 土壤含水量与土壤温度可以较好地解释土壤碳排放速率，拟合方程中2者对于土壤碳排放速率的解释度均在57.8%以上。

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