“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; 32969IP
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采煤胁迫下干旱区植被生长周期红边指数动态变化

作者(Author)：李晓婷, 杨丽帆, 邹友峰, 马超

摘要：红边指数对植被叶绿素浓度、叶表面冠层、叶聚丛和冠层结构敏感。研究采矿胁迫下红边指数的响应规律，可为沉陷区植被损伤诊断、植被自然恢复和人工修复效果评估提供生态学指标。以黄河流域鄂尔多斯市泊江海子矿113101首采工作面为例，结合Sentinel-1A 数据D InSAR技术获得的形变场，同步选取2016年10月—2017年10月间11期带有红边波段的Sentinel-2A多时相遥感数据，利用归一化植被指数(NDVI)和5种典型红边植被指数(NDVIre，NDre，MCARI，TCI，MSRre)，同步分析沉陷区植被指数的时空变化规律。结果表明:① 一个生命周期的植被指数呈GAUSS单峰变化，研究区4月进入返青期，8月达到峰值，10月进入衰退期。② 沉陷区6种植被指数线性回归斜率都小于对照区，沉陷区植被的增长速度慢于非沉陷区。③ 受沉陷扰动的影响，沉陷区植被指数的增量都小于非沉陷区，6种植被指数平均降幅达18.8%~32.8%。④ 二元Logistic回归显示，除MCARI，TCI以外的4种植被指数在植被生长期的4，5，6，8月份与采矿活动相关或显著相关(显著性水平P为0.001~0.100)。在生长季，采矿活动对工作面上方的植被指数有显著影响。基于红边波段组合的植被指数能敏感反映采矿胁迫下植被生长状况的细微变化，可以作为黄河流域黄土—风积沙矿区植被损伤诊断及生态环境评价的优势指标。

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煤炭学报

2021年第05期

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黄河中游榆神府矿区煤-岩-水环特征及智能一体化技术

作者(Author)：苗霖田, 夏玉成, 段中会, 孙学阳, 杜荣军

摘要：黄河中游榆神府矿区承担着能源保障和生态保护的双重战略重任，为了探索实现二者并举的途径，基于520余个钻孔地层数据，将采煤与矿区生态环境看作一个整体，采用基岩煤层厚度比与裂采比对比的方法，研究了榆神府矿区煤-岩-水-环的空间组合特征及采煤对生态损伤机理；依据煤-岩-水耦合作用对生态扰动方式，划分出厚基岩保水盐渍型、中厚基岩控水沉降型、薄基岩失水塌陷型、薄基岩无水裂塌型、烧变岩失水裂塌型、烧变岩无水裂塌型六种类型；针对矿区内日益增加的高强度开采与矿区生态本底脆弱并存的局面，根据采煤对生态的扰动机理和减损开采目标，指出如何应用信息技术实现生态扰动最小化和煤炭资源开采效益最大化协调发展是当前亟待解决的技术问题；提出研发采煤-覆岩-地下水-生态环境智能一体化系统的目标架构、技术思路和面临的技术难题。结果显示：中东部是生态对采煤扰动的敏感区；采煤对生态损伤的方式有地表下沉，潜水位下降与相对上升引起的植被退化、土地盐渍化；浅埋煤层开采引起地表裂缝塌陷破坏土壤结构和包气带水并损伤植被根系；黄土梁峁地貌区地表移动变形诱发滑坡切断植物根系。指出有必要根据不同破坏方式建立不同的评价指标体系及预测模型，并构建大数据驱动的透明动态地质模型，实时展示开采损害的动态智能监测与预报预警，为采煤过程中对生态潜水和生态环境实施有效保护提供地质保障。

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煤炭学报

2021年第05期

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西部风沙区采煤塌陷地裂缝影响下的土壤水分运移规律及调控方法

作者(Author)：王强民, 董书宁, 王皓, 杨建, 王晓东, 赵春虎, 张溪彧

摘要：浅埋煤层开采经常诱发一系列的生态环境问题，为研究浅埋煤层开采区地面塌陷影响下的土壤水分运移规律并提出相应的调控方法，以西部风沙区浅埋煤矿为研究对象，将采煤塌陷对包气带结构的影响分为3个阶段:开采前，包气带较薄，土壤颗粒相对均一;开采中，水位明显下降，包气带厚度急剧增加，裂缝发育且土壤颗粒均一性变差;开采后，风沙区大多数地裂缝自然弥合，但土壤中的黏性颗粒减少，砂性颗粒增多，出现明显的粗化现象。以此为物理背景，构建了不同裂缝宽度二维土壤水分运移模型，结果显示:无裂缝时湿润锋平行向下运移，同一深度的土壤含水率基本相同，裂缝存在时湿润锋沿着裂缝快速运移，优势渗流现象明显;土壤含水率随裂缝宽度的增加呈减小趋势，含水率影响范围随裂缝宽度增加呈增大趋势;当包气带厚度大于极限蒸发深度(300 cm)时，入渗补给量和包气带厚度基本无关，仅会延长土壤水分通过包气带运移到潜水面的时间，对地下水的潜在补给量影响较小。现场调查了塌陷区和非塌陷区沙蒿的生长状况:受塌陷区土壤水分匮缺(吸水水源不足，含水率小于0.1 cm3/cm3)和塌陷诱发的植被根系密度降低(吸水通道降低，根系总干质量减小21.7%)2种因素影响，塌陷区沙蒿平均地上生物量相对非塌陷区减小22.2%。提出了地面塌陷影响下的土壤水分运移调控方法:煤层开采中，通过调整工作面宽度和开采厚度，减小地面塌陷的发育程度，从而减小塌陷区土壤含水率的损失量;开采后，开展塌陷区土壤重构时，考虑不同植被的耗水特征，在植被根系土壤层下衬垫10～30 cm的黄土，可明显提升植被根系层的土壤含水率，加速矿区植被恢复进程。

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2021年第05期

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黄河流域典型矿区生态空间网络优化——以鄂榆地区为例

作者(Author)：裴燕如, 孙炎浩, 于强, 马骏, 王慧媛, 岳德鹏

摘要：黄河流域是我国重要的生态屏障，同时分布着我国多数大型煤炭生产基地，是我国重要的能源基地。如何保障黄河流域煤矿开采与生态环境的协同发展，建设黄河流域生态文明，是当前研究的重要课题。选取黄河流域典型矿区—鄂榆矿区为研究区，基于复杂系统与景观生态理论，结合景观生态风险评价与复杂网络分析两种方法，从宏观角度探究矿区生态修复策略。首先对研究区进行潜在复杂生态网络的提取与景观格局生态风险评价；然后识别研究区潜在复杂生态网络中处于中高生态风险区且其度中心性较低的生态节点，进而基于复杂网络增边优化理论，结合研究区当地的矿区与景观分布情况，进行模拟增边优化，最后通过对比分析模拟增边优化前后研究区潜在复杂生态网络的鲁棒性，验证模拟增边优化的效果。得出结果：中高生态风险区域主要分布在南部、北部的耕地区域与东北部的矿区；提取得到潜在复杂生态网络生态源地共77个，生态节点109个，生态廊道193条；识别增边优化节点共10个，最终成功为其中7个节点进行模拟增边共6条，另有3个节点模拟增边失败；模拟增边优化后，网络的连接鲁棒性较优化前有显著提升，网络的节点恢复鲁棒性与边恢复鲁棒性略有提升。从结果来看，模拟增边优化能够有效加强研究区生态质量，为矿区生态修复区域提供宏观上的参考与借鉴。

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煤炭学报

2021年第05期

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陕北黄土高原煤矿区土壤理化性质及质量评价

作者(Author)：刘钊, 韩磊, 王丹月, 刘志宏, 陈芮, 李日升, 夏龙飞, 常珊珊

摘要：陕北黄土高原生态环境脆弱，煤炭资源开发所引起的土壤退化不容忽视。选取陕北黄土高原神府矿区某煤矿的开采、治理以及自然3个区域进行实地调查采样，对比分析土壤理化性质，并运用基于熵权法的TOPSIS技术对土壤质量进行评价。结果表明:土壤中颗粒质量分数排序为砂粒＞粉粒＞黏粒，粉粒质量分数在开采区最大，随距离增加而减少，砂粒与粉粒呈相反的分布规律，黏粒变化不大且质量分数较少;土壤含水量随距离增加呈整体上升趋势，在开采区边缘附近变化较大;土壤整体呈碱性，pH在开采区最低，随距离变化波动较大;电导率在开采区最高，随距离增加呈下降趋势;土壤中的有机质、全氮和有效磷质量分数随距离增加在波动中呈上升趋势，均在自然区达到了最大值;速效钾的质量分数在开采区最高，随距离增加逐渐减少。开采区的土壤质量较差，治理区的土壤质量有所改善，但与自然区相比还需要进一步提升。煤矿在开采过程中，对土壤扰动较大，虽然通过土壤基质提高、植被种植的方式可以改善土壤的理化性质，但土壤经过扰动后再恢复到之前的状态需要比较长的周期进行治理。矿区的生态治理要结合当地自然条件，与区域环境特征相适应，依据“因地制宜、分类施策”的原则，统筹谋划，采取环境可持续的方式进行治理，实现生态环境保护与煤炭资源高质量发展。

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煤炭学报

2021年第05期

649

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采动覆岩导水裂隙发育光纤感测与表征模型试验研究

作者(Author)：杜文刚, 柴敬, 张丁丁, 雷武林

摘要：随着国家生态文明建设标准的日益提高，我国西部干旱半干旱地区赋存的浅埋煤层开采引起的生态环境问题愈发严峻。导水裂隙带发育高度探测是与保水开采密切相关的科学问题，是矿山生态损害监测与评价、生态修复策略制定的重要依据。将分布式光纤感测技术应用于相似模型试验，探究采动岩体裂隙带发育与光纤检测数据的内在响应关系。针对以往研究中对光纤与采动覆岩在不同开采阶段耦合作用关系分析不足的问题，提出传感光纤与采动岩体的耦合关系量化指标“光纤-岩体耦合系数”，通过耦合系数对采动引起的覆岩垂直分带区进行合理划分。研究表明:与光纤接触的不同受力状态岩层介质包括5种:顶部未受采动影响的稳定岩层、稳定关键层上受采动影响存在下移趋势的岩层、离层空域区、采空区矸石区及煤层底板;基于监测数据将覆岩分为4部分:已破坏区、强烈影响区、微弱影响区和未影响区。已破坏区即导水裂隙带，强烈影响区为受采动影响内部应力集中程度极高但结构完整的岩层，即弯曲下沉带。试验得出裂隙带与弯曲下沉带分界处耦合系数阈值为0.65;建立了应变曲线形态、导水裂隙带发育高度与关键层活动的内在联系，实现光纤感测表征覆岩分带特征。将光纤传感技术应用于采动引起的覆岩变形监测为导水裂隙带发育高度探测提供了新的研究思路。

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煤层采动覆岩富水性变化规律瞬变电磁法动态监测

作者(Author)：胡雄武, 徐虎, 彭苏萍, 张平松, 付茂如

摘要：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10ms范围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25Hz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它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。

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基于恢复力的半干旱矿区生态系统退化风险空间评估

作者(Author)：吴秦豫, 张绍良, 杨永均, 侯湖平

摘要：黄河流域中段位于黄土高原地区，煤炭生产基地集聚，是黄河流域高质量发展和生态保护的重点区域，生态保护和修复问题受到广泛重视。实施空间精准的生态退化控制与保护，必须考虑生态系统的恢复力。为此，开发基于恢复力的半干旱矿区生态系统退化风险空间评估方法为黄河流域煤炭基地生态系统保护提供技术支撑。以陕西省神木市煤炭基地为研究区，通过综合考虑生态系统多变量之间的相互控制关系，选取恢复力的关键影响因素。基于GIS和突变级数方法评估研究区生态系统恢复力，并建立生态退化风险分级标准，识别生态系统退化风险区域。研究结果表明:① 研究区生态系统的关键要素包括水文、地形地貌、土壤和植被群落，这些要素决定了生态系统的功能、结构与恢复力。研究区生态脆弱，大部分地区生态系统恢复力指数很低，仅沟谷地带及零星的高植被覆盖区恢复力指数较高;② 生态退化风险等级由高到低排序为:风沙草滩区>黄土丘陵区>黄河沿岸土山石区，中高风险区的面积较大;③ 黄河流域中段的煤炭基地受到气候变化与采矿活动的双重扰动，生态环境脆弱，空间异质性大，应成为黄河流域生态保护的重点区域，需要制定空间精细化的生态保护与退化控制策略。通过生态系统恢复力的空间评估，可以发现矿区生态系统退化风险和关键因素，有助于制定差异化的生态保护与退化控制策略。

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