“煤炭地质勘查与生态修复关键技术”专题

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“煤炭地质勘查与生态修复关键技术”专题

来源：煤炭科学技术

专题来自于《煤炭科学技术》2023年12期，共18篇研究成果。

行业视野: 地质
类别; 91个
关键词; 107位
专家; 18篇
论文; 3606IP
点击量; 9561次
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北方大型露天矿区土壤有机碳库扰动与恢复研究

作者(Author)：雷少刚, 王维忠, 李园园, 杨星晨, 周叶丽, 段雅婷, 赵小同, 程伟

摘要：大规模露天煤矿开采严重扰动了矿区地形地貌和土壤碳循环过程。露天矿区土壤有机碳恢复提升符合“双碳”目标，对土壤肥力改善和生态系统自维持具有重要意义。为揭示露天采矿引起的土壤有机碳库的损失扰动特征，掌握矿区土壤有机碳恢复的影响因素及其提升策略，以我国最大的露天煤矿群准格尔矿区为研究区域，通过哨兵二号遥感影像提取了采损区域，采用了149个土壤采样和统计插值、影响因素回归分析等方法。研究结果表明，半干旱地区露天矿排土场矿山土与自然土壤的理化性质、生物活性等都具有明显差异，缺少自然表土覆盖的新复垦排土场矿山土有机碳含量极低，平均为0.19%；由于自然表土剥离不规范，无序混排等，据测算该区域表层土壤有机碳损失累计超过62万t；回归分析表明影响矿山土有机碳的恢复的因素依次是全氮（0.559）、复垦年限（0.225）和植被NDVI（0.172）；调查表明复合植被恢复模式的土壤有机碳含量显著高于单一植被恢复模式，其中沙棘、苜蓿、草木樨构成的草灌群落土壤有机碳含量接近自然土壤。在单一植被恢复模式下，土壤有机碳含量恢复表现为：以沙柳等为主的灌木>以油松等为主的乔木>以火炬树等为主的小乔木>以紫花苜蓿等为主的草本植物。排土场复垦区平台和边坡土壤有机碳含量随时间变化不断增加，复垦年限5年后矿山土有机碳快速提升。排土场矿山土有机碳的持续提升是排土场生态修复成功的关键；控蚀保肥、添料增碳、植被汇碳、保护性耕作等措施是露天矿区排土场矿山土有机碳提升的主要技术途径。

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煤炭科学技术

2023年第12期

298

8739
陕北不同地貌类型区采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响

作者(Author)：宋世杰, 王艺, 彭芮思, 张玉玲, 唐利君, 程霞

摘要：深刻认识采煤沉陷的衍生生态损害效应已经成为当前修复西部煤矿区生态环境采动损害的关键基础科学问题和研究热点。掌握不同地貌类型单元采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响规律有利于西部采煤沉陷区的生态环境保护与修复。以陕北煤矿区榆树湾井田（风沙地貌）、柠条塔井田北翼（黄土地貌）的典型沉陷坡面土壤为研究对象，分别采集不同坡面部位（垂直深度为0～60 cm）的土壤样品，分别采用绝对定量PCR方法和酶标仪法测定土壤细菌、放线菌、真菌的数量和蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶的活性，细致分析土壤微生物数量和酶活性在沉陷坡面上的空间变化特征，综合土壤主要理化特性，揭示不同地貌类型下采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响规律。结果表明：①风沙地貌类型单元和黄土地貌类型单元的采煤沉陷都会导致沉陷坡面土壤微生物数量和酶活性显著降低，土壤微生物数量的降幅分别达到8.27%～42.39%和11.53%～45.95%，土壤酶活性的降幅分别达到6.52%～39.83%和9.09%～42.42%；随坡面部位由坡顶到坡中再到坡脚的转换，该效应对于土壤3种微生物和4种酶呈现出不同的变化特征；②黄土地貌类型单元的采煤沉陷对“坡中部位的0～10 cm土层+各类土壤微生物数量和酶活性”的降低效应最为显著，风沙地貌单元的采煤沉陷对“坡中部位的0～10 cm土层+土壤放线菌数量及蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性”“坡中部位的10～20 cm土层+土壤细菌、真菌数量”“坡中部位的20～40 cm土层+土壤过氧化氢酶活性”的降低效应最为显著，其可作为陕北采煤沉陷区坡面土壤微生物修复的靶向区域；③无论在风沙地貌类型单元还是黄土地貌类型单元，土壤真菌数量和脲酶活性对采煤沉陷最为敏感，其降幅分别达到23.28%～45.95%和22.78%～42.42%，二者可作为分析陕北矿区采煤沉陷损害土壤微生物特性的标志物；④无论在风沙沉陷坡面和黄土沉陷坡面，土壤中速效磷、有机质含量与土壤微生物和酶活性的相关系数最高，分别超过0.8和0.7，可作为采煤沉陷影响土壤微生物特性的关键指示性因素。

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煤炭科学技术

2023年第12期

132

25
基于时间序列模型的戈壁荒漠露天矿生态环境评价

作者(Author)：刘英, 胡霄, 岳辉, 毕银丽, 彭苏萍

摘要：矿区生态环境评价中常采用单景、多景遥感数据来进行评价，但这2种数据存在时间不一致性和评估不准确性的缺点。为实现矿区生态环境的准确监测，以戈壁荒漠露天矿及其周边环境为研究对象，采用CFmask算法+Tmask算法获取纯净像元反射率。经时间序列模型合成研究区年度遥感数据，采用压力-状态-响应模型对其进行长时间序列生态环境评价。结果表明：①基于时间序列模型预测的地表反射率值与对应局部区域的卫星观测地表反射率值差异较小且其真彩色影像视觉差异较小，非纯净像元位置处预测反射率与周边纯净像元地表反射率真彩色影像视觉差异较小。以2022年各波段纯净像元反射率观测值与预测值验证精度，结果显示观测值与预测值显著相关(相关系数均大于0.6)。实地考察数据与经时间序列预测数据得到的生态环境指数的相关性(R2=0.450)优于单景生态指数(R2=0.347)、多景生态指数(R2=0.386)。② 2013—2021年研究区整体生态环境较差，呈南高北低、西高东低的空间格局，且随着时间增加，南部生态环境退化较为严重。矿区内生态环境变化较矿区外生态环境变化稳定，矿区外生态环境退化较快。③生态差、生态中、生态优面积的年变化速率分别为0.005/a、0.002/a、−0.007/a。各生态等级状况随时间呈现景观破碎度减小、景观异质性减小、聚合度增加态势，生态优斑块流向生态中、生态差斑块，生态差等级逐渐成为研究区生态环境主要生态等级。矿区内各等级占比稳定，矿区外生态差占比逐年增加。在对研究区进行生态修复时应尽量避免在半阳坡方向种植作物，且在阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡方向种植作物时均应避免坡度大于17.5°。

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煤炭科学技术

2023年第12期

224

46
高原高寒矿区生态地质层修复中冻土层构建与应用

作者(Author)：梁振新, 王佟, 王伟超, 肖龙, 杨成, 李聪聪

摘要：冻土层在高寒地区的生态平衡中起着重要作用，但冻土层的修复与保护在高原高寒矿区生态环境治理中经常被忽略，鲜有研究。以木里矿区聚乎更区生态环境综合整治实践为例，通过对原始冻土层的平面分布、垂向分布、地层结构、地温变化等特征的分析，针对破坏的土壤层、地表层、冻土层、煤层顶板岩层等不同研究对象的生态地质层剖面，按照模拟季节性冻土、多年冻土差异变化特征及其生态地质功能的思路，在利用构建人造冻土层和回填层二元结构冻土生态地质层剖面模型的基础上，提出了以冻土概况调查、剖面模型建立、搭接融合、确定回填时间、设计表层保水、布设截排水沟、地貌重塑为流程的人工构建冻土层的修复技术，以实现人造冻土层在物质结构、地下含隔水层结构及水力联系、水源涵养等方面的功能基本达到原始冻土层的水平，同时提供更多对冻土保存有利的条件。采用探坑、钻孔岩心取样和孔内长期地温监测等不同方法手段在以往矿区渣山区和新回填修复采坑内对比实验，证实了原渣山压覆区域多年冻土顶界在稳定抬升，采坑内新回填区已经开始形成新的冻土层；通过对比渣山区自然恢复冻土层和采坑内人工修复冻层形成的时间和厚度，表明人造冻土层构建更有助于该区冻土快速恢复。

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煤炭科学技术

2023年第12期

183

233
宁东煤田枯竭油层回注存储高矿化度矿井水技术思路

作者(Author)：马莲净, 王颂, 杜松, 赵宝峰, 张阳, 卢才武

摘要：宁东煤田地处我国西北干旱−半干旱区，是我国批准建设的14个亿吨级大型煤炭基地之一，目前存在高矿化度矿井水量大、处理技术成熟但成本高、综合利用率低等问题。为实现宁东煤田高矿化度矿井水的低成本资源化回注存储和水文生态环境保护，结合宁东煤田13座煤矿矿井水矿化度高的典型特征，因地制宜地提出在煤油资源重叠区，利用枯竭油层回注存储高矿化度矿井水这种宝贵的非常规水资源的技术思路，即利用枯竭油层孔−裂隙双重结构中储水空间、油田关停初期地层压力亏空和废弃油井/注水井低成本处置高矿化度矿井水经资源化利用后的余量水；系统阐述枯竭油层选择、回注工艺、储水潜力、预处理水质要求和环境的可行性；凝练出基础理论、法律法规政策和实时监测监管的研究展望。结果表明，提出的枯竭油层回注存储技术具有可行性，可实现宁东煤田高矿化度矿井水的低成本资源化处置，“如何精细刻画注水渗流过程”是回注处置技术瓶颈问题，科学实质是高矿化度矿井水−砂岩耦合化学作用下孔裂隙介尺度的枯竭油层注水渗流演化机理。同时，相关法律法规政策和实时监测监管方面亟需完善，以保障枯竭油层回注存储技术的顺利实施。研究旨在为高矿化度矿井水资源化回注存储提供新思路，为煤油气资源开发中二次水资源保护提供参考。

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煤炭科学技术

2023年第12期

283

39
生态脆弱区采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度解析研究

作者(Author)：刘士亮, 张文慧, 王傲, 郑雨生, 毛德强

摘要：生态脆弱区生态水位变异程度对区域生态地质环境保护至关重要。煤层采动下生态水位势必发生变异，当前研究集中于采动潜水渗漏下生态水位下降，极少考虑潜水不渗漏/采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。为此，采用地下水动力学、地下水位实测、数理统计、综合分析等方法，提出以“判别煤层采动下潜水渗漏状态→实测采煤工作面生态水位变化→建立生态水位恢复程度井流解析模型→预测不同生态水位恢复时间→对比不同生态水位恢复时间解析值与实测值”为思路的解析方法，研究生态脆弱区采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。结果表明：①基于“关键层位置+薄板理论+土拱效应+下行裂隙”建立了采动覆岩–土结构下导水裂隙发育高度计算方法，克服了现有经验公式未考虑土层效应导致的预测精度不足，结合残余隔水层厚度与潜水渗漏状态，实现了采动潜水渗漏状态判别；②采煤沉陷扰动下实测生态水位呈现“先迅速下降–缓慢回升–趋于稳定”的变化规律，但采后生态水位不能完全恢复至采前状态；③建立了采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度井流解析模型，预计生态水位3个不同恢复程度的恢复时间解析值，对比于实测值，两者时间误差均小于10%；④从地表地形地貌、大气降雨补给、潜水含水层补径排、矿区井下疏放水等角度探讨了采后生态水位未完全恢复至采前状态原因。

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煤炭科学技术

2023年第12期

196

26
高寒冻土区露天矿水传输涵养系统构建模式及应用

作者(Author)：王伟超, 王佟, 王明宏, 李永红, 梁振新, 赵欣, 孙玉琦, 李有鑫

摘要：水源涵养修复与保护一直是露天矿从开采到闭坑后全生命周期治理和生态环境保护中的薄弱环节，涉及高寒冻土区复杂背景下多学科、多圈层环境下更为错综复杂的水问题，其中相互联动水文过程的分析研究更是巨大挑战。在分析自然环境及高寒冻土环境下水传输涵养的影响因素和矿山开采活动对水传输涵养影响的基础上，从不同形式和环境圈层中水的相互交织传输过程，重点分析在自然环境、露天矿生产活动破坏影响和人工修复保护3种情形下的水传输涵养机理。基于全面联系分析查找问题的思路和综合系统治理的原则，提出了水传输涵养系统的概念，并从3个基本构架提出了露天矿水传输涵养系统模式构建：①从治理区到与自然水系联通的20余种组合模式及不同类型对象基本适用条件，提出了地表水系联通搭接顶层系统构建；②按照近似原位涵养、汇水传输、过水传输、输排通道等功能单元定位，从生态截排水沟、不同截排水沟空间展布样式和输排水骨干网、汇水支网、功能单元分区提出生态截排水网络构建；③从微地貌整形、地表毛细沟网络和垂向上多元生态地质层重构理念支撑原位水源涵养系统重构的底层设计。基于以上研究，以5号井为例将其规划建造成10个功能单元分区，实现分区引导下地表水补径排汇空间分布的重新调整分配，最终形成5号井新的地表水传输涵养系统。研究旨在为高寒冻土区露天矿水的修复保护工作提供新的系统思路和方法支撑。

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煤炭科学技术

2023年第12期

245

41
鄂尔多斯典型煤矿不同功能区水化学与微生物群落特征及环境响应

作者(Author)：张莉, 徐智敏, 孙亚军, 朱璐璐, 陈歌, 高雅婷, 赵先鸣

摘要：为探究煤矿井下不同功能区的微生物群落分布及其对水文地球化学特征的响应，以鄂尔多斯某矿为研究对象，在涉及矿井水的来源、形成、汇集和排放全过程的6个功能区中采集了24份水样，进行水化学组分检测和微生物16S rRNA基因高通量测序，并采用多元统计方法进行序列数据处理。研究结果表明：矿井水的水化学类型继承了其直接充水水源，均为高矿化度的SO4Na型，而特征污染物SO4 2−在煤巷和地表水池中浓度最高。不同功能区的微生物群落组成差异明显：属水平上检出的优势菌属包括能氧化硫化物的发硫菌属和硫氧化菌属，以及可降解有机物的新鞘氨醇杆菌属和短波单胞菌属等在煤巷、采空区中分布较高；好氧的Uliginosibacterium和具有极强吸附力且能降解有机物的不动杆菌属在岩巷中丰度最高；与氮循环有关的噬氢菌属和红细菌属在水仓和地表水中分布较高。微生物群落与水化学过程响应灵敏且关系密切；井工煤矿微生物群落分布不仅与C、N、Ca、Mg等营养元素相关，还与Fe、COD和SO4 2−等氧化还原敏感物质密切相关。煤巷和采空区是地下水污染防控的关键区域；开采扰动后，煤中伴生的低价硫化物在化学氧化和硫氧化菌的催化氧化作用下生成大量SO4 2−；然而，当工作面停采半年到3年后，在物理或化学吸附、沉淀作用（前期占主导），以及硫酸盐还原菌的还原作用下（后期占主导），SO4 2−降低了15%～34%，这说明采空区具有一定的自净能力。综上所述，研究成果可为矿井水污染防控的工程应用提供以下理论支撑：一方面可通过通氮气保持工作面的厌氧条件，从源头上减少SO4 2−的生成；另一方面可以筛选、培养硫酸盐还原菌和有机物降解菌，制作成生物材料投加到井下进行原位地下水污染修复。

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煤炭科学技术

2023年第12期

161

28

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