“黄河流域及西部煤矿区生态环境修复”专题

来源：煤田地质与勘探

专题来自于《煤田地质与勘探》2022年第12期，共10篇研究成果。

【编者按】黄河流域分布了我国9个煤炭生产基地，煤炭开采造成大量生态环境问题，尤其在西部黄土沟壑和风积沙地区，原生生态环境脆弱，而煤矿生产活动对地下和地表的多层次扰动加剧了流域内煤矿区生态环境的恶化，亟需从多方面开展相关研究工作，提升生态质量，促进煤矿区资源开发与生态环境的协同发展。我刊特邀请西安科技大学长江学者特聘教授毕银丽担任客座主编，面向我国西部和黄河流域煤矿区生态环境评价、遥感监测、修复技术方法等基础理论与工程实践，优选 10 篇高质量论文组建本专题，以期为黄河流域煤矿区生态系统协同治理构建不同模式，形成整体和系统的矿区环境治理与生态修复技术体系，为其推广应用提供理论依据和技术参考。

行业视野: 环境保护
类别; 54个
关键词; 43位
专家; 10篇
论文; 2295IP
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黄河流域陕北煤炭开采区厚砂岩对覆岩采动裂隙发育的影响及采煤保水建议

作者(Author)：王双明, 魏江波, 宋世杰, 王生全, 孙涛

摘要：煤炭开采活动导致的煤层顶板覆岩地质条件变化及采动裂隙发育是损害地下关键含水层的直接原因，也是造成矿区生态环境退化的根源。煤层顶板覆岩结构中发育的厚砂岩作为一种典型的地质条件，其对覆岩采动裂隙的发育规律具有重要的影响。为此，在分析研究区主采煤层赋存地质条件及其分布规律的基础上，选择陕北煤炭开采区曹家滩煤矿主采2-2煤层顶板覆岩为地质原型，采用FLAC3D数值模拟平台模拟分析了厚砂岩不同厚度和位置对覆岩采动裂隙发育形态和发育高度的影响，并以此提出了相应的“采煤保水”建议。结果表明：研究区2-2煤层顶板覆岩中厚砂岩平均厚度25 m，距2-2煤层平均间距76 m；厚砂岩距煤层30 m时，覆岩采动裂隙表现为“矩形—L形—马鞍形”的动态变化特征，距煤层70 m时表现为“L形—倒梯形—马鞍形”变化特征，距煤层大于95 m时全程表现为“马鞍形”特征；覆岩采动裂隙最大发育高度随厚砂岩层位的升高而先减小后增大；厚砂岩厚度H≥30 m、距煤层间距L>95 m，或H≥60 m、L>60 m时，可有效阻挡采动裂隙向上发育贯穿厚砂岩；在充分考虑厚砂岩对覆岩采动裂隙发育规律的影响，选择合适的空间位置和开采阶段进行合理的覆岩减损和保水防治，实现“边采边治、边采边护”的绿色开采模式。该研究成果可为黄河流域中游陕北煤矿区煤炭开采与生态环境保护协调发展提供理论指导。

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煤田地质与勘探

2022年第12期

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露天煤矿排土场土层重构及接菌对植物根系提水作用试验研究

作者(Author)：毕银丽, 高学江, 柯增鸣, 肖礼

摘要：露天煤矿排土场土层重构对于生态重建具有重要意义，为研究接种深色有隔内生真菌(dark septate endophytes, DSE)对不同重构土层模式下玉米根系水分的利用效应，采用土柱模拟培养试验，设置4种类型土层处理，每种土层类型下设置接菌及对照处理，共8组处理。结果表明：掺黄土20%处理下玉米根长密度最大，分别为掺黄土0%、10%和40%的3.2、2.4、2.8倍，水分胁迫后根系具有向下生长、吸取深层水分的能力；基于δ18O值的MixSIAR模型水源分析，掺黄土0%处理下玉米主要利用0～25 cm处的水分，水分利用效率达到80%；掺黄土10%处理下玉米主要利用15～35 cm处的水分，水分利用效率达到64%；而掺黄土20%处理下玉米对0～25 cm处的水分利用效率仅为36%，对25～45 cm处水分利用率达到64%，说明掺黄土20%处理下玉米主要利用土壤深层水分。接种DSE提高了植物吸收更深层水的能力，掺黄土20%处理下水分利用深度向下增加了5 cm，掺黄土20%基质中接菌处理在干旱胁迫后植物根系提水量达到最大，生长期总提水量较不接菌处理提升了45%；在不接菌条件下掺黄土20%植物根系提水量是掺黄土0%的1.45倍，而在接菌条件下掺黄土20%植物根系提水量可达到掺黄土0%的1.72倍。综上认为，接种DSE及土层重构均对提升植物提水能力具有显著作用。此外，本研究结果对露天矿区排土场土层重构过程中土壤改良及植物的水分利用效率提供实验参考依据。

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煤田地质与勘探

2022年第12期

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紫花苜蓿根系-黄土复合体剪切特性与库仑修正模型

作者(Author)：段钊, 袁林, 毕银丽, 王凯, 吴延斌, 张庆

摘要：植物根系可以显著提升土体的强度。为探究紫花苜蓿根系对黄土抗剪性能的增强作用，选取生长周期为60 d的紫花苜蓿根系-黄土复合体为研究对象，通过剪切试验和根系拉伸试验获取紫花苜蓿根系-黄土复合体抗剪强度和根系抗拉强度参数，采用电子放大镜观察紫花苜蓿根系结构与特征，利用经验公式建立根-土复合体库仑修正模型，并对比分析库仑修正模型、WWM模型及修正WWM模型的优缺点，对黄土地区植物根系增强土体强度进行评价。结果表明：紫花苜蓿根系对土体抗剪性能的增强效应显著；紫花苜蓿根系发达，根径在0.2～6.7 mm，随着根径的增大，单根极限抗拉力呈指数式增大，抗拉强度呈指数式降低；不同RAR(Root Area Ratio，即根系横截面积之和与土体横截面积的比值)下的根-土复合体抗剪强度相比素土样提升显著，RAR与黏聚力和内摩擦角之间具有显著的相关关系，其中RAR与黏聚力之间呈线性正相关关系，与内摩擦角之间呈高斯函数关系；根-土复合体库仑修正模型对黄土区草本植物根-土复合体的抗剪强度增量预测具有较好的合理性、有效性及适用性，修正WWM模型次之，WWM预测精度相对较差；而在木本植物根-土复合体的抗剪强度增量预测方面，根-土复合体库仑修正模型和修正WWM模型的预测精度要远高于WWM模型。研究结果对黄土地区植被护坡工程具有指导意义。

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煤田地质与勘探

2022年第12期

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采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源影响试验研究

作者(Author)：尚京萱, 陈实, 刘骞文, 郭旭锋, 郭俊廷, 李敏

摘要：采煤塌陷引起的地裂缝不仅造成地质灾害，还会影响矿区植被的生长发育，破坏矿区生态系统。为深入探讨采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源的定量影响，在神东矿区活鸡兔井田22312工作面选取了受采煤塌陷裂缝影响程度不同的3个试验区进行同位素标记水模拟降水试验。3个试验区根据沙蒿与裂缝的距离不同划分，其采煤塌陷情况分别为未开采区(试验样地内沙蒿距离裂缝大于50 m)、受采煤塌陷影响但无明显裂缝区(简称无明显裂缝区，试验样地内沙蒿距离裂缝大于5 m)以及裂缝区(试验样地内分布有宽度15 cm左右的裂缝通过，且距离沙蒿0～20 cm)。本次试验选择6株沙蒿作为研究对象，划分6个土壤剖面，采用液态水同位素分析仪LGR和Isoprime 100同位素比值质谱仪IRMS分别计算不同土层土壤水和植物样本木质部水的δ18O和δ~2H同位素含量，并利用R脚本的MixSIAR贝叶斯混合模型量化降水后不同土层对沙蒿吸水的贡献，探讨土壤水分补给机制和植物水分来源。结果表明：(1)裂缝区的优先流比例为18.2%;(2)在未开采区，沙蒿吸收的59.7%的水分来自10～20 cm的土层；(3)在无裂缝区，沙蒿主要从40～60 cm土层(46.6%)和0～10 cm土层(39.4%)吸水；(4)在裂缝区，沙蒿吸收的85.9%的水分主要来自40～60 cm的土层。研究结果对揭示采煤塌陷裂缝区土壤水补给机制以及沙蒿吸水模式具有重要意义。

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煤田地质与勘探

2022年第12期

205

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重建植被视角下露天煤矿区土地复垦演替过程及管控模式研究

作者(Author)：周伟, 官炎俊

摘要：重建植被在能量交换与生态循环中发挥着重要作用，其动态变化可表征煤矿区生态系统受扰动和修复的广泛细节。从植被的不同扰动状态(未扰动状态、采煤扰动状态、复垦恢复状态和修复后状态)出发，分析了煤矿区重建植被演替的6种情景：高效恢复至成熟型、低效恢复至成熟型、高效恢复而后退化型、高效恢复发展型、低效恢复发展型与无效恢复型。通过模拟重建植被发展的阶段性特征，将煤矿区土地复垦全生命周期划分为：未复垦期、土地复垦发展期(复垦初期、快速发展期和稳定发展期)和成熟期。再对不同恢复阶段的重建植被分别设置判断标准，提出煤矿区土地复垦关键保护区域的识别思路，据此确立煤矿区土地复垦管控的4种修正模式：生态保育、生态管护、生态修复、生态重建。并以黄土高原山西平朔大型露天煤矿区为研究区开展应用分析，在学习掌握重建植被发展规律基础上，通过判断土地复垦模式与矿区生态系统演变机理的适应性水平，具体落实平朔露天煤矿复垦排土场集群区生态保育、生态管护、生态修复和生态重建等4大修正模式的具体管控措施。本研究归纳了露天煤矿区重建植被动态发展的演替规律，并据此提出加强土地复垦管控的修正模式，可为国家绿色矿山建设提供方法论基础。

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煤田地质与勘探

2022年第12期

248

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煤系固废基绿色充填材料制备及其性能研究

作者(Author)：董猛, 李江山, 陈新, 金佳旭, 鲁龙钊

摘要：充填技术是绿色开采的重要组成部分，研发成本低廉、性能可靠、低碳环保的充填材料，是发展充填技术的关键。采用煤矸石(CG)和煤系偏高岭土(MK)为原材料制备煤系固废基绿色充填材料，探讨配合比和碱激发剂对充填材料强度以及流动度的影响，并结合X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外吸收光谱仪(FTIR)、热重分析(TG)和扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)等表征手段，揭示充填强度发展机理。综合强度、流动性和环境指标，优化充填材料配比。研究结果表明：绿色充填材料体系中，煤系偏高岭土通过碱激发水化反应起到胶凝作用，体系强度随偏高岭土的增加呈线性增长，磨细的煤矸石充当惰性填料，协同Na2SiO3改善流动性。该充填材料主要水化产物为N―A―S―H和沸石，Si―O―Si发生聚解，随即四面体Al―O键部分取代Si―O键，由(SiO4)4-变成(AlO4)4-，进一步聚合形成Si―O―Al基团。当碱激发剂中Na2SiO3与NaOH比例为1∶1时，聚合程度最高。水化产物填充了煤矸石颗粒间孔隙，使基质致密，提高充填材料强度。综合指标评价推荐偏高岭土与煤矸石的配比为3∶7，此时不仅满足强度和流动性的要求，而且碳排放指数仅有0.257。本研究为开发成本低廉、性能可靠、低碳环保的充填材料提供新的思路，具有较好的实用性和经济性。

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煤田地质与勘探

2022年第12期

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宁东矿区气化渣基膏体充填材料性能优化研究

作者(Author)：陈登红, 李超, 张治国

摘要：宁东矿区作为黄河流域的9个亿吨煤基地之一，年产出煤基固废近2×108 t且气化渣堆存量大、规模化利用困难、简单填埋处理空间有限，充填开采能解决空间堆存难题，但成本高、性能亟待优化。根据响应面法设计气化渣在固体中的掺量(A)、气化渣与水泥质量比(B)、料浆含量(C)3因素3水平共17组中心组合实验，对气化渣基膏体充填材料的坍落度、扩展度、7和14 d单轴抗压强度等性能进行了对比优化研究。实验前使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对原料的成分及微观形态进行观测分析，试块单轴压缩后通过SEM观测分析水化作用特点，揭示强度形成机制。综合强度和流动性得到最优配比及其性能特征为：A为48%,B为3,C为80%，脱硫石膏∶煤矸石∶炉底渣的质量按2∶1∶1配制，其7、14 d强度分别为1.15、2.41 MPa，坍落度为133 mm，扩展度为325.5 mm，坍落度与扩展度的比值为0.41。进一步基于响应面法分析得到7、14 d强度的单影响因素按显著性排序分别为：B>C=A、B>A>C;7、14 d强度的交互影响因素按显著性排序分别为：BC>AB>AC、AB> AC>BC；坍落度和扩展度的单影响因素按显著性排序分别为：C>B>A和C>A>B，进而为严控地表沉降、快充减少堵管、强度成本兼顾3种不同功能需求优选了对应配比方案及参数。研究成果为黄河流域的生态保护与煤炭低损伤开采提供了重要基础参数和优化方向。

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煤田地质与勘探

2022年第12期

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黄河流域九省区废弃矿井抽水蓄能利用潜力评估

作者(Author)：卞正富, 朱超斌, 周跃进, 徐雨农

摘要：针对我国关闭矿井资源利用率低、蓄电储能需求日益增长的问题，废弃矿井抽水蓄能技术是实现资源二次开发利用，提升电网调峰能力的有效手段。基于废弃矿井抽水蓄能电站工作原理与发展现状，提出在黄河流域九省区利用废弃矿井建设抽水蓄能电站的半地下式、全地下式2种模式。通过综合考虑空间、地质、水文、社会、经济与资源等影响因素，提出废弃矿井抽水蓄能电站选址评价指标体系，并进行黄河流域废弃矿井抽水蓄能电站实例分析。基于2016—2020年黄河流域九省区的废弃煤矿资料，利用废弃矿井抽水蓄能电站静态效益与动态效益计算方法，定量评估黄河流域九省区废弃煤矿抽水蓄能电站建设的开发潜力。结果表明：(1)黄河流域九省区能源资源丰富，现阶段满足电力供应需求，但火电仍是电力供应主体且水电发展进入瓶颈阶段；(2)影响废弃矿井抽水蓄能电站选址的重要因素为巷道空间体积、上下水库水位差、巷道围岩稳定性、巷道围岩渗透率与地下水循环特征；(3)由黄河流域废弃矿井抽水蓄能电站实例分析可知，其发电效率可达到75.7%，可媲美常规抽水蓄能电站；(4) 2016—2020年黄河流域九省区废弃煤矿累计有效可利用井巷空间为4.7×10~7 m~3，依据132座废弃矿井基本情况，从统计学角度估算出废弃矿井抽水蓄能电站可利用井巷空间为1.34×10~7 m~3，利用其建设抽水蓄能电站年发电量可达3.78×10~9 kW·h，可满足2021年黄河流域九省区28.4%的弃风、弃光电量的消纳需求，每年直接经济效益约达21.2亿元。综上表明，黄河流域九省区废弃矿井抽水蓄能利用具有可观的发展前景。

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煤田地质与勘探

2022年第12期

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