煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2019年第12期

• 东部草原区大型煤电基地开发的生态影响与修复技术

  李全生,

  东部草原区大型煤电基地是我国东部能源保障的重要基地,且位于国家“两屏三带”的北方防沙带东部,区位能源供应和生态功能均十分重要。为实现东部草原区大型煤电基地开发与生态环境保护的协调,国家于2016年启动实施了“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研究”重点研发计划项目。针对煤电基地开发对区域生态要素(水、土、植被)的影响边界与累积效应机理认识不清,急需开发矿区生态修复技术的问题,开展重大技术攻关和工程示范。依托国家重点研发计划项目,提出了煤电基地生态环境保护的内涵,构建了基于采矿源头主动减损、涵盖采前、采中、采后和闭坑的采矿全生命周期的主动生态减损理念,以煤炭开采生态环境损伤最小化为目标,实现水、土、植被指标达到或优于采前生态本底值,从基础理论、关键技术、集成示范与区域调控模式方面,开展了系统研究,具体包括:一是基础理论研究,厘清了煤炭开采对地下水、土壤理化性质、植被覆盖度的影响边界和程度,提出了景观与区域生态评价方法。二是关键技术研发,提出了基于生态减损的采排复一体化技术,构建了地面和地下相结合的露天矿立体储水技术体系,掌握了覆岩导水裂隙的发育类型及其导水流动特性,提出了井工开采地下水原位保护方法;优化设计了露天矿排土场边坡整形技术,开展了表土替代材料研究;筛选得到适应于东部草原区的本土植被种类,提出了土壤提质增容有机生物改良技术,优化设计了区域景观分布。初步构建了东部草原区煤电基地生态修复与综合整治技术体系,并在典型矿区应用示范,将为该区域生态环境保护提供技术支撑,助推东部草原区生态文明建设。

• 我国东部草原区露天矿排土场仿自然地貌土地整形方法

  李树志, 郭孝理, 李学良, 孙忠祥, 闫建成,

  东部草原区是我国以露天开采为主的大型煤电基地，由于其生态环境脆弱，露天矿排土场边坡易失稳引发滑坡、沉陷、崩塌问题，因此开展排土场边坡整形对保护草原生态环境、减少水土流失具有重要意义。为探索更加科学、合理的露天矿排土场边坡整形方法，采用归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、边坡稳定性分析评价比较了宝日希勒露天矿外排土场台阶式、仿自然地貌的斜坡式和波浪式3种边坡整形方法的效果。结果表明:① 不同整形边坡的NDVI指数表现为波浪式(NDVI=0.551)>斜坡式(NDVI=0.475)>台阶式(NDVI=0.340),但均小于周围自然地貌(NDVI=0.657)，波浪式整形边坡植物生长状况优于斜坡式和台阶式整形边坡;② 在同一整形边坡，高台阶的植被覆盖度低于低台阶(覆盖度650 m平台>660 m平台>670 m平台)，低台阶边坡水土流失量小于高台阶;③ 边坡稳定性与坡角大致呈负相关关系，不同整形边坡的稳定性为波浪式(F=2.711)>斜坡式(F=2.513)>台阶式(F=1.073)，波浪式、斜坡式边坡都处于稳定状态，台阶式边坡滑坡状态处于基本稳定状态;④ 3种整形边坡的NDVI值与稳定系数存在正相关关系，植被覆盖度越高边坡稳定性越高。宝日希勒露天矿外排土场仿自然地貌的波浪式整形边坡水土保持性能和边坡稳定性最好。

• 水分胁迫下AM真菌与解磷细菌协同对玉米生长及土壤肥力的影响

  毕银丽, 张延旭, 江彬, 裘浪,

  针对内蒙古东部井工煤矿区气候干旱、土壤贫瘠等问题,以玉米为供试材料,采用盆栽试验方法,研究干旱胁迫(供试土壤最大持水量的40%)和正常供水(供试土壤最大持水量的70%)条件下接种解磷细菌与丛枝菌根(AM)真菌对玉米生物量、养分含量和根际土壤化学性状的影响。结果表明:在正常供水和干旱胁迫条件下,单接种AM真菌(AM)、单接种解磷细菌(CA)和联合接种AM真菌与解磷细菌(AM+CA)对玉米生物量、养分吸收量和土壤肥力均具有一定促进作用。正常供水条件下,联合接种AM真菌与解磷细菌对玉米生长促进效果最佳,与对照相比,玉米地上生物量、根系生物量和总生物量分别提高了55.5%,25.6%,49.0%,植株氮、磷、钾吸收量分别显著提高了71%,83%,50%;联合接种处理对根际土壤速效磷含量、磷酸酶活性改善效果最好,较对照分别提高92.3%,5.3%,而单接AM真菌对根际土壤pH、电导率、有机质、全氮、速效钾改良效果最优。干旱胁迫下,单接AM真菌对玉米生长促进效果最佳,与对照相比,显著提高玉米生物量51%,植株氮、磷、钾吸收量分别提高60%,111%,86%,同时对土壤pH、电导率、全氮、速效磷改良效果最佳。AM真菌与解磷细菌协同作用可有效促进植物生长与土壤改良,从而加速矿区植被恢复和生态重建过程,为微生物应用于矿区复垦提供了科学依据。

• 草原煤电基地景观生态恢复技术策略

  雷少刚, 张周爱, 陈航, 吴振华, 宫传刚, 正富,

  近些年，位于中国生态安全“两屏三带”的东部草原煤电基地出现了景观破碎化、草场退化、水土流失等生态环境问题。本文旨在探讨如何利用景观生态学、恢复生态学原理，通过修复、创建或重组等手段调整景观组分与空间格局，实现草原煤电基地生态恢复从土壤重构、植被重建等传统单一生态环境要素修复，向生态系统结构及其生态功能恢复方向拓展，以维持区域生态系统的稳定性。以生态系统之间的结构、功能与过程恢复为核心的景观生态恢复则是煤电基地生态安全格局构建的关键途径。对当前矿区景观生态学的研究不足进行了分析;以我国东部草原煤电基地内的胜利矿区和宝日希勒矿区为例，通过现场调查、多源遥感监测与数值模拟等手段，分析了草原煤电基地由于大规模地形地貌以及土地利用变化导致的主要景观生态问题;提出了草原煤电基地景观生态恢复的关键技术策略，以及在矿区景观生态恢复技术实施过程中的设计与应用案例，为其他类似露天矿区的景观生态恢复提供新的技术方法参考。提出的主要技术策略包括:在宏观尺度上识别与构建草原煤电基地生态源地、生态网络等关键景观组分，结合地貌重塑与生态廊道构建露天矿区景观生态格局的立体优化策略;针对内外排土场景观斑块等重要部位，分别通过大型异构排土场的水土物质流途径识别，构建外排土场水土资源调控系统的策略，以缓解外排土场水土流失与地质稳定性问题;并构建内排土场全生命周期近自然地貌重塑策略，以提升大规模内排土场与周边自然草原景观基质及地表水文系统的融合度。

• 北电胜利煤矿排土场土壤AM真菌与土壤理化性状相关性研究

  莫莉, 陈金, 王宝杰, 张晓东, 马晓丹, 戴雁峰, 包玉英,

  煤炭露天的开采破坏了地表植被，改变了土壤结构和土壤微生物(AM真菌)组成。为了研究采煤扰动条件下AM真菌与环境因子之间的相互作用关系，以北电胜利煤电基地为对象，比较研究了排土场与原生草原的植物群落多样性、地上生物量、AM真菌多样性及土壤环境因子的动态变化规律。结果显示，原生草原的植被多样性显著高于各排土场样地，且人工维护的南排土场样地的显著高于自然演替的北排土场样地。从研究区各样地土壤样本中共分离鉴定出AM真菌6科9属24种，优势的种类主要有Glomus reticulatum，Septoglomus deserticola和Acaulospora sp1，多数的AM真菌在各样地表现出较低的丰度，并具有特异的样地偏好性。植物多样性、AM真菌多样性和植物生物量3者之间呈显著正相关，与环境因子有效磷AP，铵态氮AN，总氮TN，总碳TC，碱性磷酸酶ALP呈显著正相关，与pH，速效钾AK，过氧化氢酶CAT呈显著负相关。AM真菌的丰度与土壤环境因子紧密相关，只有Glomus aggregatum与这些环境因子呈现较弱的相关性。本文结果为露天煤矿及其排土场AM真菌群落多样性及其影响影响因子的研究、以及矿区植被重建和生态修复提供数据基础。

• 草原型露天煤矿区土壤重金属污染评价及空间分布特征

  李晶, 杨超元, 殷守强, 杨震, 刘乾龙, 崔绿园,

  草原型露天煤矿区土壤重金属含量的空间分布特征和污染状况，关系到矿山开采与生态环境修复政策的制定，同时也是研究煤炭开发影响范围的参考指标之一。本文通过分析矿区采场周边土壤重金属含量，评价矿区土壤重金属污染程度，分析土壤重金属的空间异质性，作为从重金属污染视角研究煤炭开采影响的“类型”与“边界”，以及确定生态修复措施的参考依据之一。以宝日希勒一号露天矿采场为中心，从采场边缘向外4 km范围内沿西、西北、北、东北、东、南6个方向设置辐射状的调查样线，共布设了58个土壤采样点。距采场边界0~2 km采样间隔为200 m，2~4 km采样间隔为400 m。在土壤样品采集与处理的基础上，应用内梅罗指数法、地质累积指数法和潜在生态危害指数法，对宝日希勒露天矿区周边土壤重金属污染水平及潜在生态危害进行评价。采用单因素方差分析法分析采场外4 km范围内土壤重金属含量在不同方向上随采场距离的变化特征，判断采煤活动是否对采场外土壤重金属含量造成影响及影响边界。通过对土壤重金属含量进行相关分析，探索不同土壤重金属元素是否具有相同的来源。研究结果表明:① 与土壤环境质量(GB 15618—1995)Ⅰ级标准相比，宝日希勒矿区土壤重金属中Pb，Zn和Cr均未超标，Cu超标率为28%，但未超过国家Ⅱ级标准，对农牧业生产、人体健康和环境基本没有影响。② 以内蒙古土壤背景值为标准，Pb，Cu部分无污染，部分中度污染，Zn和Cr没有污染。综合污染程度指数处于“警戒线”水平。潜在生态危害指数<150，处于轻微生态风险等级。③ 在附近有道路分布的西、西北方向及S201省道附近的采样点上，Pb含量相对较高。④ Zn与Cu在东方向，Pb与Cu在北方向具有较强的相关性，各元素之间在其他方向均未表现出较强的相关性。Pb，Cr，Zn和Cu含量与采场距离关系不密切，没有呈现距离衰减特征。⑤ 参照2018年颁布实施的《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)，各项土壤重金属含量远低于规定的风险筛选值，土壤污染风险低，可以忽略。宝日希勒矿区采场外4 km范围内土壤重金属含量总体上处于无污染状态。各方向Pb，Cr，Zn和Cu含量均未表现出距离衰减特征，个别土壤采样点重金属含量相对高，附近分布有道路、居民点、电厂等，与煤矿直接开采关系不明显。

• 东部草原区露天煤矿开采对地下水系统影响与帷幕保护分析

  赵春虎, 王强民, 王皓, 杨建, 刘基, 张雁,

  我国东部呼伦贝尔草原地区是以露天开采为主的重要煤电基地，但是针对草原区露天煤矿开采对地下水系统影响及其水资源保护等问题研究较为不足。以呼伦贝尔草原宝日希勒露天矿区为研究对象，根据矿区煤炭资源开发与疏排水特征，将矿区露天矿开采历史划分为初期、剧增期与稳定期3个阶段。应用地下水系统数值仿真技术，系统分析了露天矿区疏排水对地下水系统的影响规律。结果显示:第1阶段(初期)，由于宝日希勒露天煤矿首采区疏排水影响(疏排水强度2.3×104 m3/d)，矿区范围内平均水位降深小于5 m;第2阶段(剧增期)，宝日希勒露天矿西侧的东明露天矿相继开发，由于东明露天井田富水性好的松散含水层(渗透系数大于35 m/d)接受莫日格勒河地表水体补给充分，导致矿区疏排水强度增加至19.47×104 m3/d，矿区范围内平均水位降深大于10 m;第3阶段(稳定期)，宝日希勒露天矿首采区闭坑后2采区相继开采，矿区疏排水量趋于稳定(14.93×104 m3/d)，莫日格勒河地表水体渗漏补给松散层地下水强度约为11.02×104 m3/d，约占东明露天矿疏排水量的80%，平均水位降深大于15 m。最后，根据矿区水文地质条件、帷幕减渗条件下地下水流场以及露天矿剥离开采条件下含水层涌水特征，构建了受强富水强补给露天矿在帷幕墙减渗条件下地下水系统仿真模型，评价了帷幕墙构建对疏排水的影响程度，模拟得出帷幕墙长度为4 km的条件下，疏排水量减少至6.65×104 m3/d，降幅约为51.81%，总结提出帷幕墙阻水减渗方案是矿区针对强富水、强补给含水层地下水保护性开采与露天矿减少疏排水量的有效手段。

• 节地减损开采模式下边坡结构及应力发展规律

  尚涛, 韩流, 舒继森, 陈树召,

  为了实现节地减损开采技术在露天矿的安全应用，对开采过程中的边坡结构、岩体应力状态和稳定性进行分析，揭示开采程序和参数与边坡应力分布和稳定性的耦合规律。采用剖面法阐述了适用于扩建和新建露天矿的2种节地减损开采技术方案;分析了边坡内部的应力类型，建立了降段或靠帮开采造成的不平衡应力分异模型及其诱发的边坡牵引式渐进破坏模型。以蒙东地区露天矿采场端帮的形成和发展过程为依据建立了三维模型，并设定模拟条件如下:采场深度从0降段至300 m，每次降段50 m;端帮角度从37°线性提高至45°，每次提高2°;内排土场从0回填至300 m，每次回填50 m。分析得到开挖降段和靠帮开采过程中自重应力和水平应力变化规律以及开挖降段和内排回填过程中的端帮边坡稳定系数变化规律。根据矿山的设备生产能力和采剥工程量，计算出开挖降段、靠帮开采所需的工程时间，通过回归分析得到自重和水平应力随时间的变化规律，以及时效稳定性的变化规律。研究结果表明:开挖降段过程中，自重和水平应力分别下降了1.6和5.6 MPa，端帮边坡稳定系数从2.23下降到0.83;靠帮开采过程中，自重和水平应力分别提高了0.5和9.4 MPa;内排回填过程中，端帮稳定系数从0.83提高到1.87。自重应力和水平应力均呈现以采场中心线为轴的对称结构，在采场范围内，自重应力呈拱形结构，水平应力呈“楔形”结构;随着开挖降段深度或端帮边坡角度的增大，自重应力拱顶曲率和水平应力楔形曲率均不断减小。自重和水平应力的峰值随开挖深度的增大呈二次函数下降，随开挖时间的增加均呈线性规律下降，随端帮边坡角度的增大呈二次函数规律增大。端帮稳定系数随开挖降段深度的增加呈负指数降低，随时间的增长呈二次函数规律下降;端帮的稳定系数随内排回填高度、时间均呈现指数的增长规律。

• 煤矿分布式地下水库渗流场分析及优化调度

  刘晓丽, 曹志国, 陈苏社, 高岩堂,

  煤炭规模化开采势必产生扰动裂隙场，进而破坏地下水系统，并产生大量矿井水，导致矿井突涌水风险。为了保障煤矿生产安全，并将矿井水储存在井下供生产和生活使用，提出了煤矿地下水库理论框架和技术体系。煤矿地下水库建设的关键难题是库容(或储水量)的评估与控制，即将矿井水储存在采空区后，如何保障不断增加的矿井水不会危及到后续煤炭开采活动。基于此，提出了在煤矿区建设多个地下水库，通过管道将多个地下水库相互连接起来形成相互连通的分布式地下水库，并可在多个水库间进行水量联合调度的技术思路。其优势是可以通过水库间的水量调度保证每个水库中的矿井水在安全库容范围，特别是可以使威胁现有采区的地下水库储水量得到有效控制，防止水害发生。以某煤矿分布式地下水库建设为例，根据矿井开采区的地质资料，计算不同高程区域的储水能力，确定分布式地下水库的库容-水位曲线;在此基础上，建立分布式地下水库的地下水数值模拟模型，预测矿区的涌水量;并针对矿区的涌水量，结合地表水资源，按照水量供求关系，进行矿区水资源的优化调度，使得矿区涌水得到合理和高效利用。

• 采动岩体裂隙自修复的水-CO2-岩相互作用试验研究

  鞠金峰, 李全生, 许家林, 杨磊,

  采动破坏岩体易与采空区水、气发生一系列物理化学作用，促使裂隙发生导水能力降低的自修复现象;研究揭示导水裂隙的自修复机理对于科学评价地下水生态恢复能力、合理制定裂隙限流的保水采煤对策等具有重要的指导意义。基于砂质泥岩裂隙岩样在酸性和碱性水溶液条件下的水-CO2-岩相互作用实验，揭示了裂隙在黏土矿物遇水膨胀以及次生矿物或沉淀物充填作用下的自修复机理和规律。结果表明:无论酸性或碱性水溶液条件，裂隙均具备自修复能力，但酸性水溶液条件下的自修复效果更好。裂隙自修复过程中存在渗透率“先快后慢”的分区特征;首先出现以裂隙面黏土矿物遇水膨胀作用为主引起的渗透率快速下降现象，其下降速度在碱性水条件下更快;其次随着时间的累积，裂隙面岩石矿物溶解、溶蚀形成的离子与水溶液中的阴阳离子、游离CO2发生离子交换化学反应，引起高岭石等衍生矿物或Fe(OH)3等沉淀物的生成，这些新的物质在裂隙面逐渐吸附堆积，不断降低裂隙的导水能力。由于实验砂质泥岩中铝硅酸盐矿物含量偏低，无法充分消耗加大通入量的CO2，导致多余的CO2会以碳酸的形式对裂隙面矿物形成溶蚀作用，从而引起裂隙开度及其水渗流能力的提高，表现出对裂隙岩石自修复进程的阻滞作用。

• 神府矿区井下综采设备检修过程中矿井水水质变化特征

  杨建, 曹志国, 王强民, 王甜甜, 张溪彧,

  鄂尔多斯盆地神府矿区生态环境脆弱、水资源短缺，矿井水是重要的非常规水资源，但是井下采掘过程中产生的各种污染组分，又大大限制了矿井水的回用。工作面是污染组分产生的主要来源，特别是综采设备检修期间。为查清工作面综采设备检修过程中污染组分释放规律，开展了该阶段矿井水水质变化的现场实验研究，结果表明:研究区煤层顶板基岩含水层长期水岩相互作用形成的高矿化度地下水，导致采空区积水中TDS质量浓度具有基岩含水层水特征(TDS=1348.0 mg/L)。综采设备检修和正式回采过程中设备用水TDS质量浓度较低，使综采工作面矿井水中TDS质量浓度略有降低(1 296.0~1 316.0 mg/L)，其中SO2-4质量浓度降低了28.0~48.0 mg/L。设备检修过程中的人类活动，向矿井水中排放NH4+和大肠杆菌等，硝化作用使采空区和检修前矿井水中NO-3质量浓度较高(1.12~1.97 mg/L)。综采设备检修会导致矿井水中耗氧量、TOC含量,UV254等有机物指标质量浓度显著增加，利用三维荧光指纹发现，采空区和设备检修前的矿井水中主要存在人类活动废水和煤溶出有机质，设备检修期间矿井水中主要存在多环芳烃和石油类污染物，且荧光强度非常高;正式回采期间矿井水中则存在人类活动排出有机物、设备用油、煤溶出有机物等。综采工作面(尤其是设备检修阶段)矿井水中油类污染物质量浓度相对较高。因此，有必要做好综采工作面有机污染的控制，以降低矿井水中污染物质量浓度和矿井水处理成本，扩大矿井水回用途径。

• 采动覆岩导水裂隙主通道分布模型及其水流动特性

  曹志国, 鞠金峰, 许家林,

  含水层受采动破坏后其赋存水体并非均匀地由覆岩各区域漏失至采空区，其在导水裂隙带范围内应存在水体流动的主要通道;研究揭示导水裂隙主通道的分布规律及其水流动特性对于科学指导井下涌水量预计、顶板水害防治、保水采煤等具有重要意义。基于导水裂隙类型划分及其渗流/管流力学分析，就采动漏失水体的流动主通道分布模型进行了研究。结果表明:开采边界外侧岩体受超前支承压力作用易产生峰后压剪裂隙，裂隙导水属非达西渗流流态;而由岩层破断回转运动产生的拉剪裂隙，由于裂隙导水雷诺数相对偏大，其导水流态一般属于管流范畴，且受岩层破断位置相对开采区域的不同，又可将其划分为采区边界附近的上端张拉裂隙和下端张拉裂隙、以及中部压实区的贴合裂隙这3种。据此利用Forcheimer公式和伯努利方程对比揭示了上述2类4种裂隙导水流动特性的差异。研究得出开采边界附近的上端张拉裂隙在进流口开度、导水流量、出口流速等特征参数上均领先于其他裂隙;且由于其出口水压较小，其水流还会受到两侧邻近的压剪裂隙和下端张拉裂隙出口水流的水平径流补给。因而，含水层采动漏失水体多由上端张拉裂隙导流而来。由此基于岩层控制的关键层理论，构建形成了以关键层在开采边界处的破断尺寸参数为依据的导水裂隙带主通道分布模型。

• 采动裂隙扩展规律及渗透特性分形研究

  梁涛, 刘晓丽, 王思敬,

  采用水岩相似材料模拟试验研究了不同荷载、岩层性质及开采速度等因素影响下煤层开采后覆岩垮落及裂隙演化特征。基于分形理论，得到了采动裂隙随开采进程在采煤工作面不同分区内的分形演化规律，并根据采动裂隙分布推导了裂隙岩体分形渗流公式，得到了渗透系数随开采进程及裂隙扩展的关联性演化规律及其相应的理论公式。在此基础上，利用大型相似材料物理模型试验，通过对采动影响下上覆岩层垮落后的裂隙网络物理模型进行钻孔电视成像，得到采动裂隙分布，并应用推导的渗透系数关联演化理论公式计算出含裂隙网络的模型试验介质的渗透系数，同时，利用钻孔注水试验验证了渗透系数理论模型的正确性。研究表明，采动裂隙在水平方向分布类似“W”形;而在垂直方向，总体上分形维数随高度增加而减小，减小幅度为4.32%~11.40%。然而在裂隙带与弯曲带交接部位，由于离层裂隙的存在，使分形维数较垮落带增大约3.47%。采动裂隙渗透系数与采动裂隙分布相关，在水平向上大体呈“V”形分布，总体上中间分区渗透系数相对较低，两端分区渗透系数相对较高。随着竖向分区增高，渗透系数逐渐减小，在裂隙带和弯曲带交接部位离层裂隙发育，使该区域渗透系数显著增大。本文推导的采动裂隙渗透系数关联演化理论公式，是定量研究采动影响下上覆岩层的渗透特性变化有益尝试。

• 顶板导水裂隙高度随采厚的台阶式发育特征

  王晓振, 许家林, 韩红凯, 鞠金峰, 李全生, 邢延团, 曹志国,

  传统导水裂隙发育高度预计方法对顶板岩性进行均化，忽略了具体条件关键层结构差异所造成的影响，认为导水裂隙的发育高度随采厚是呈线性增大的，有时会导致较大的判别误差。针对该问题，采用理论分析、现场探测等方法，研究了关键层结构影响下顶板导水裂隙发育高度随采厚的变化特征。结果表明，导水裂隙的发育高度同时受到采厚和覆岩关键层结构的影响。在覆岩关键层结构的控制作用下，导水裂隙的发育高度随采厚呈现台阶式突变而非连续的近线性变化。关键层厚度及其所控制的岩层厚度越大，导水裂隙高度随采厚变化时的台阶落差越大，突变越明显。一定关键层结构条件下，如果采高变化范围没有超出导水裂隙高度产生台阶的范围，则采高变化并不导致导水裂隙高度的变化，也就是说此时降低采高并不能减少导水裂隙高度，增加采高也并不会增大导水裂隙高度。研究结果得到了亭南煤矿导水裂隙高度实际探测结果的验证，在二盘区206工作面开采条件下，采厚7.5和9.0 m时对应的导水裂隙高度分别为140.2和148.3 m，均发育至宜君组底界，采厚在一定范围增加并未引起导水裂隙高度的明显变化，该工作面在保证导水裂隙高度不明显增大的前提下，最大采厚理论上可以达到14 m。基于研究成果形成了考虑关键层结构的洛河组砂岩含水层下合理采厚确定方法，指导了亭南煤矿二盘区综放工作面洛河组砂岩水防治实践。根据亭南煤矿207工作面附近钻孔柱状的关键层结构，以导水裂隙高度不直接沟通洛河组为限，提出207工作面在设计采厚7.5 m基础上，可以将顶煤全部放出的方案。工作面实际总采厚平均达9.0 m，多放顶煤1.5 m，顺利多回收煤炭资源约71万t，有效提高了采出率。

• 考虑有效应力影响的煤矿地下水库储水系数计算模型

  方杰, 宋洪庆, 徐建建, 杨连枝, 李正一,

  综合考虑煤矿地下水库储水系数的潜在影响因素，对弹性模量、上覆岩层体应力、泊松比、上覆岩层密度等进行理论分析，结合弹性力学、渗流力学的相关原理与知识，以及矿井水流动涉及的流固耦合渗流机理，建立了考虑有效应力影响的煤矿地下水库储水系数数学模型，并确定了模型解析解。以宽沟煤矿地下水库为例，计算该地下水库的储水系数并进行影响因素分析。结果表明:采高对储水系数的影响最大，上覆岩层体应力次之，弹性模量最小;储水系数随上覆岩层体应力、垮落带高度的增大而减小，随弹性模量、泊松比、采高的增大而增大。弹性模量每增加1.1 GPa，储水系数增大0.4%~3.0%;上覆岩层体应力每增加20 MPa，储水系数减小19%~39%;泊松比每增加0.1，储水系数增大10%~14%;垮落带高度每增加2 m，储水系数减小8%~11%;采高每增加1 m，储水系数增大20%~60%。根据该模型计算所得储水系数的分布范围为10%~35%，这与矿区抽排水工程试验值范围一致，验证了模型的准确性。

• 煤矿地下水库水-岩相互作用机理实验研究

  张凯, 高举, 蒋斌斌, 韩佳明, 陈梦圆,

  为了揭示煤矿地下水库水体中离子的变化规律，阐明其自净化机理，并为其建设与发展提供理论依据。通过对神东大柳塔煤矿地下水库原位进出水水样水质分析、水化学类型分析和其中主要离子来源解析，设计4组煤矿地下水库泥岩和细砂岩分别与去离子水和矿井水的水-岩相互作用模拟实验，采用图示法、离子比值法等手段揭示煤矿地下水库水体中主要离子的变化规律及其来源。结果表明:大柳塔煤矿地下水库发生的主要水-岩相互作用为阳离子交换反应，黄铁矿氧化，方解石、白云石以及硅酸盐矿物的溶解。阳离子交换反应使得Na+浓度增大而Ca2+浓度减少、水化学类型由进水的SO4·Cl-Ca型向出水的SO4·Cl-Ca型转变以及造成Na+浓度相对Cl-浓度过量而(Ca2++Mg2+)浓度相对于(HCO-3+SO42-)浓度亏缺的主要原因;且随着水-岩相互作用的进行，泥岩和细砂岩的钠吸附比均逐渐增大，阳离子交换反应逐渐减弱。煤矿地下水库水体中SO42-部分来源于黄铁矿氧化，其中泥岩的方解石含量相对于白云石含量较多，主要是黄铁矿氧化与方解石发生中和反应;而细砂岩中白云石含量较多，主要是黄铁矿氧化与白云石发生中和反应。矿井水中Na+主要来自钠长石和正长石等硅酸盐矿物的溶解，泥岩组和细砂岩组Ca2+和Mg2+的主要来源分别是方解石和白云石的溶解。

• 基于改进UNet孪生网络的遥感影像矿区变化检测

  向阳, 赵银娣, 董霁红,

  矿产资源的开采在促进区域经济发展的同时，也造成了地表破坏，对生态环境造成了影响。利用遥感技术及时获取矿区土地利用覆盖和生态环境的变化信息，可以辅助矿区生态保护和生态恢复。针对传统变化检测方法中需要提取大量人工设计的图像特征，提出一种改进UNet孪生网络结构。用卷积层代替UNet结构中的池化层，加入中心环绕、双通道图像输入的孪生结构和特征金字塔模块，对遥感影像进行端到端的矿区变化检测。首先，对经过数据预处理的前后两时期遥感影像利用中心环绕的方法进行裁剪，获取图像的多尺度信息，将裁剪后的中心区域和环绕区域的影像分别输入到网络的孪生结构编码端，通过权值共享的孪生结构提取前后两时期影像的差异信息;然后，将同一特征层上的特征进行相减，获取前后两时期影像在不同卷积层上的差值影像并进行特征融合，把融合后的图像送入特征金字塔模块获取图像多尺度上下文信息。最后，将编码端和解码端对应层跳跃连接，进行端到端的预测，得到前后两时期矿区遥感影像的变化二值图像。实验结果表明:改进的变化检测网络方法与传统方法相比可以自动的提取图像的低层特征和高层语义特征，避免了人工提取图像特征的繁琐。此外，在检测结果上，改进的变化检测方法与对比方法相比，总体精度和Kappa系数有明显提高，同时也降低了检测的误检率和漏检率。

• 基于纹理转移的露天矿区遥感图像超分辨率重建

  杨宏业, 赵银娣, 董霁红,

  遥感图像是露天矿区生产的主要信息源之一，其空间分辨率影响着矿区各场景边界的区分、细小地物的判读和控制点的定位等，对矿区的生产管理与监测起着重要作用，针对现实中受成本、技术等制约，获取不了满足要求的高空间分辨率图像的问题，提出了利用超分辨率重建技术提高露天矿区遥感图像的空间分辨率;针对露天矿区各场景纹理特征明显的特点，采用深度纹理转移的方法进行超分辨率重建。通过一个端到端的深度学习模型，输入低分辨率的图像和对应的参考图像，把其分成若干个图像块，利用特征提取网络提取图像块的特征，并比较低分辨率特征图像块和参考特征图像块纹理相似性，自适应地从参考图像中转移纹理，在各种尺度的特征层中把多个交换的纹理特征图融合到生成网络中，构建纹理细节丰富的重建图像。同时对特征提取部分进行了改进，用网络深度更深，运算量更小的ResNet34网络代替VGG19网络，更进一步提高了特征提取的效果。研究利用自制的露天矿区图像数据集进行实验，并与先进的图像超分辨率重建方法比较。研究结果表明:在参考图像对结果的影响方面，改进的方法重建效果会随参考图像与待重建图像相似度的增加而提高;与其他方法对比表明改进的方法在峰值信噪比、结构相似性等方面的值都优于未改进的方法、EDSR和SRGAN等方法，视觉感知方面也优于其他方法。

• 宝日希勒矿区土壤耐重金属铁、锰、铜、铬细菌的筛选与鉴定

  张晓东, 李雅舒, 陈金, 莫莉, 包玉英,

  内蒙古露天矿的大规模开采严重影响了内蒙古草原的生态多样性和生态稳定性。由于矿山开采，金属冶炼，存在于土壤中的重金属被剥离到地表，随着大气、水流进入到土壤及水环境中，矿区及附近的重金属污染非常严重，已经严重危害到附近人类饮食和生活健康，我国面临重金属污染治理的巨大的挑战和难题，为筛选出露天煤矿区高效耐重金属菌株，为草地生态修复提供微生物修复的理论基础和菌种资源，以宝日希勒露天矿区为研究对象，选取矿区内外共5个样地，利用不同类型的重金属胁迫培养基筛选出耐铜离子、铁离子、铬离子、锰离子的细菌进行梯度培育，筛选出每种重金属耐受力最强的菌株。研究结果表明，在不同重金属浓度梯度的胁迫下，菌株XFe-1最高耐铁浓度为500 mg/L，菌株XCu-1最高耐铜浓度为500 mg/L，菌株XCr-1最高耐铬浓度为200 mg/L，菌株XMn-1最高耐锰浓度为50 g/L。随后对4种菌株进行重金属胁迫生长曲线实验，每种菌株均对重金属不同浓度有不同程度的响应。通过16s rDNA基因序列分析比对，对4种优良耐重金属细菌进行分子鉴定，XFe-1为蜡状芽孢杆菌(Bacillus toyonensis)，XCu-1为蜡样芽胞杆菌(Bacillus cereus)，XCr-1属于短杆菌属(Brevibacterium sp.)，XMn-1与Genbank基因库序列比对与芽孢杆菌属最高相似度仅为85.37%，为未知种。并对优良耐重金属菌株进行保藏。

• 接种AM真菌对东部草原矿区不同配比黑黏土的玉米光谱反演

  龚云丽, 毕银丽, 胡晶晶, 宋子恒, 张健,

  为改善东部草原露天矿区黑黏土黏性强、透气性差、土壤养分有效性低的现况，设2个水平接种AM真菌处理:接种丛枝菌根(M)和不接种菌根的对照组(CK)。同时将黏土设置了 4 种不同配比处理:沙土(S)、黏土(N)，沙土与黏土按质量1∶1配比(S∶N=1∶1)、沙土与黏土按质量3∶1配比(S∶N=3∶1)。利用高光谱遥感技术监测在不同基质下接种丛枝菌根真菌对植物生长发育的影响，对比不同处理下典型光谱特征参数的差异，并筛选与叶绿素含量相关性高的特征参数，以此为自变量利用逐步回归和BP神经网络的建模方法反演叶绿素含量，为微生物复垦效应监测奠定理论基础。结果表明:接种AM真菌后玉米叶绿素含量较对照升高，通过对比“三边”参数可以看出接菌组的生长状况较对照组旺盛，即接种丛枝菌根可以促进植物生长;配比沙土后的黑黏土比纯黑黏土中玉米叶片叶绿素含量更高，生长状况更好，接菌条件下以1∶1的比例掺入沙土时对玉米叶绿素含量的提高效果最明显。选择相关性较好的10个光谱特征参数，采用逐步回归和BP神经网络的方法对对照和接菌分别进行叶绿素含量的模型建立，BP神经网络法显示出更好的估测能力，其对照组的模型决定系数和模型检验决定系数分别为0.860和0.896，接菌组的模型决定系数和模型检验决定系数分别为0.857和0.890，可以较好估测玉米叶片叶绿素含量。

• 东部草原露天矿黏土对磷的养分动力学特性研究

  宋子恒, 毕银丽, 张健, 龚云丽, 张华,

  东部草原露天矿区土地瘠薄、草场退化严重，生态修复成为必然。矿区草原表土缺乏，露天矿开采产生的生黏土资源化利用成为矿区生态修复的一种可行方法。磷是植物必需营养元素且在土壤中难移动，磷在不同黏土组成中的养分动力学特性对于合理利用黏土具有重要的现实意义。对黏土、表土、沙土、黏土沙土1∶1混合(NS1∶1)、黏土沙土1∶2混合(NS1∶2)、黏土沙土1∶3(NS1∶3)混合等6种土壤基质对磷的吸附解吸进行对比分析，发现均符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型，黏土中磷元素的最大吸附量(Γmax)、最大缓冲量(MBC)、磷零点吸附平衡液浓度(EPC0)、磷吸持指数(PSI)、磷元素饱和度(DPS)等，均表现出黏土和黏土∶沙土1∶1混合固定磷元素能力强于表土，其中黏土的Γmax是表土的2.61倍，黏土∶沙土1∶1是表土的2.21倍。在解吸的过程中，沙土的解吸率高达91%，而解吸量只有91.3 mg/kg;而黏土∶沙土1∶1混合的解吸率是40.4%，解吸量为395.92 mg/kg，是表土和黏土解吸的1.51倍和1.29倍。黏土和沙土1∶1混合在吸附磷和解吸磷两方面都表现出了最优效果。

• 接种不同丛枝菌根真菌对黄花苜蓿生长影响

  张延旭, 毕银丽, 郭楠, 宋子恒, 李向磊, 苗春光,

  呼伦贝尔草原区露天煤矿开采会造成大面积土壤和植被的损毁，恢复难度较大。丛枝菌根真菌可以与80%以上的高等植物形成菌根共生体，能促进植被的生长，加速矿区植被恢复。以黄花苜蓿为供试植物，通过温室盆栽模拟实验，研究了在土壤灭菌条件下接种3种丛枝菌根真菌即摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae，简称F.m)、幼套球囊霉(Glomus etunicatum，简称G.e)、地表球囊霉(Glomus versiforme，简称G.v)对黄花苜蓿幼苗根系菌根侵染率、根外菌丝密度、植株生长及其生理、营养状况的影响。结果表明:3种接菌处理均可与黄花苜蓿形成良好的共生关系，不同菌种与宿主植物的亲和程度存在差异。与对照处理相比，3种接菌处理均显著提高了植物株高(9.9%~23.5%)和叶色值(17.6%~21.0%)。接种F.m显著增加了植株地上和根系生物量、叶片可溶性蛋白、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度及根系P含量。接种G.e显著提高了地上生物量、叶片可溶性蛋白、蒸腾速率、植株地上和根系P含量。相关分析结果表明，菌根侵染率与植物生物量、叶片可溶性蛋白、气孔导度、地上部分N质量分数呈显著相关，与根外菌丝密度、株高、蒸腾速率、根系P质量分数呈极显著相关，菌根侵染率、根外菌丝密度与植物生长、生理及营养状况之间存在协同效应。3种接菌处理对黄花苜蓿幼苗生长均有不同程度的促进作用，其中以摩西管柄囊霉的效果最好，幼套球囊霉次之，地表球囊霉效果最差。

• 解钾细菌C6X对伊利石和钾长石钾吸附动力学的影响

  尚海丽, 毕银丽, 张延旭, 裘浪,

  为了开发蒙东露天矿排土场复垦技术，合理利用解钾细菌提高蒙东草原黏土层土壤肥力水平，开发其作为替代熟土的巨大潜力，综合采用无菌实验室静置培养预处理样品法和平衡吸附法，研究解钾细菌对蒙东草原黏土层中2种常见矿物钾长石和伊利石钾的吸附动力学过程的影响。试验结果表明:① 伊利石比钾长石钾的吸附平衡时间更短、钾的累积吸附量更大;解钾细菌显著提高伊利石钾的累积吸附量，而对钾长石无显著作用;② 伊利石钾的吸附动力学过程对指数方程拟合效果最佳，钾长石拟合效果最佳的动力学模型是一级动力学方程;解钾细菌对2种矿物的钾吸附固定过程的动力学模型无显著影响;③ 解钾细菌显著提高了伊利石钾的吸附固定速度，延长吸附平衡时间;解钾细菌对钾长石不同时段吸附速率的提高效果不稳定，对钾长石钾的吸附平衡时间无显著影响;解钾细菌作用提高了伊利石吸附速度随时间的降低速率，伊利石吸附速度随时间的降低速率比钾长石更快;④ 解钾细菌显著提高伊利石在快速阶段和中速阶段的钾吸附量，且吸附时间比接灭活菌处理延长总时长的10%。解钾细菌对钾长石的3个阶段的吸附时间无显著影响。因此，解钾细菌显著影响土壤黏土矿物钾的吸附动力学过程，这为合理利用解钾细菌改善蒙东地区土壤黏土钾肥利用率、促进黏土层作为替代熟土提供借鉴。

• 基于自然边坡模型的草原煤矿排土场坡形重塑

  李恒, 雷少刚, 黄云鑫, 程伟, 邓彪, 张周爱,

  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。

• 露天矿区的生态网络格局评价研究——以胜利露天矿区为例

  张周爱, 杜芳, 黄赳, 邢龙飞, 雷少刚, 曹志国,

  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。

• 基于UVA与植被指数的排土场DEM模型构建关键技术

  宫传刚, 雷少刚, 卞正富, 卞和方, 黄赳, 张周爱, 郭海桥, 张浩,

  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。

• 水分和冻融循环对酷寒矿区煤矸石风化崩解速率影响的定量研究

  程伟, 郭海桥, 尚志, 牟守国, 卞正富, 雷少刚,

  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。

• 基于SBAS和混沌理论的内排土场沉降监测及预测

  田雨, 雷少刚, 卞正富, 曹志国,

  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。

• 草原区煤电基地开发生态环境时空响应及综合评价

  邵亚琴, 汪云甲, 李永峰, 张华, 刘竞龙,

  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。

• 煤矿巷道扩孔锚固体抗剪特性研究

  李文彬, 刘志伟, 张玉柱, 韩承强, 郭敬远,

  煤矿巷道锚杆支护过程中，锚杆剪切破坏现象时有发生，严重影响着巷道支护的稳定性，特别是巷道周边岩层节理发育区域，其锚杆剪切破断最为频繁。针对煤矿巷道锚杆剪切破断的问题，通过现场调研锚杆破坏情况、查阅相关资料的方式，确定了造成煤矿锚杆剪切破断的主要原因。根据理论分析，提出了在剪切节理面处进行扩孔锚固的方式来增大剪切节理面处锚固体截面直径，降低剪切节理面处锚固体所承受的最大剪应力，提高锚固系统的整体刚度，进而增大锚固系统的整体抗剪切性能。采用数值模拟的方法，对普通锚固、正楔形扩孔锚固和圆柱形扩孔锚固3种锚固类型进行受力分析，以锚杆剪切位移、锚杆剪切变形影响范围及锚杆受力为指标，确定了剪切节理面的最佳锚固方式为正楔形扩孔锚固;在正楔形扩孔锚固的基础上，通过改变不同的扩孔位置，分析锚杆的剪切位移和剪切载荷，确定了扩孔位置在50 mm处最佳。设计加工相应的锚杆剪切试验装置，并从剪切载荷和剪切塑性铰的轴向间距两个方面进一步验证了正楔形扩孔锚固可有效改善剪切节理面处锚固体的受力状态，降低锚杆所承受的剪切载荷，增大剪切塑性铰的轴向间距，减小锚杆的剪切变形，增强锚杆对围岩错动剪切的适应性，进而提升锚固系统的整体抗剪性能。

• 煤岩组合体的能量演化规律与破坏机制研究

  杨磊, 高富强, 王晓卿, 李建忠,

  为研究煤岩组合结构受压过程中的能量演化规律与破坏机制，对煤、岩石及3组煤岩组合体进行了单轴一次加载与循环加卸载试验，分析了煤岩组合体输入能密度、弹性能密度、耗散能密度以及弹性模量与单轴抗压强度等力学参数的演化规律，得到了不同试样的储能特性，基于煤岩组合体的力学响应、能量演化与变形破坏特征，建立并探讨了煤岩组合体破坏的能量驱动机制。结果表明:煤岩组合体峰前阶段的输入能密度、弹性能密度及耗散能密度随轴向应力的增加呈明显的非线性增长特征，峰前阶段的能量密度-应力曲线可分为压密段、弹性变形段和非稳定破裂发展阶段，整个过程储存在试样内部的弹性能较高，耗散能较少，试样达到屈服后，耗散能所占比例开始增加。煤岩组合体的单轴抗压强度与弹性模量介于纯煤和岩石试件中间，更接近于纯煤试件，随着岩石强度的增大，组合体力学性能稍有增强，但幅度有限，煤体是控制组合体强度等力学特性的主要因素。煤岩组合体破坏的能量驱动机制可概括为:煤岩组合体受压过程中，煤、岩开始不断储存弹性应变能，煤体储能速度快，内部弹性能达到其储能极限时，煤体率先发生破坏，破碎程度高，主要呈X状共轭斜面剪切破坏，破坏瞬间释放的能量传递至岩石，达到岩石的储能极限时，煤体中裂纹扩展贯通至岩石内部，在弹性能的驱动下岩石发生张拉破坏。

• 煤岩电动-压动三轴渗流试验装置的研制

  郭俊庆, 康天合, 张惠轩, 柴肇云, 杨永康,

  基于煤岩电渗特性与双电层原理，自行研制了煤岩电动-压动三轴渗流试验装置，并进行了煤样在不同电位梯度条件下的饱水单相渗流与气水两相渗流试验。煤岩电动-压动三轴渗流试验装置主要由加载系统、三轴渗透室、孔隙压控制系统、电化学作用系统及数据采集系统等5部分组成，其最大轴压30 MPa、最大围压10 MPa、最大孔隙压10 MPa、最大电位梯度15 V/cm，试件尺寸ϕ75 mm×150 mm，绝缘、耐酸碱腐蚀。该装置可实现三轴应力状态下煤岩流体在电势差与压力差双重动力作用时的渗流规律研究，测试煤岩电动渗透系数并阐明电化学方法的增透效果;特殊设计了一种多功能加卸载绝缘压头，可固定电极并均匀通过流体;三轴渗透室特殊设计的底座与上盖等零部件配合法兰，实现了绝缘与高强度。试验结果表明:煤中水渗流流量随着电位梯度升高呈线性增大，煤样的渗透系数为3.597×10-10cm2/(Pa·s),电动渗透系数为8.211×10-5 cm2/(V·s)，说明单位电势差(V/cm)提供的水流量约为单位压差(Pa/cm)作用的2.49×105倍;施加电场后煤中的残余水饱和度降低，两相流区间、气水相对渗透率与气体有效渗透率均增大。因此，可通过电渗作用改善煤层注水效果，以及减小煤层气储层含水饱和度并延长产气周期。

• 基于反射光谱的煤岩感知实验研究

  杨恩, 王世博, 葛世荣, 向阳,

  为研究利用反射光谱进行煤岩感知识别，收集了同一综采工作面煤层与顶板交界处外观较为相似的碳质页岩和烟煤块状试样75个，在实验室搭建了由近红外分光光谱仪、卤钨光源、光纤准直镜、Y型光纤等部件组成的煤岩反射光谱采集实验装置。根据常见顶板高度，设置光纤准直镜与试样距离为3 m，采集了试样表面近红外波段(1 000~2 500 nm)反射光谱，然后测定了试样表面光谱采集区域的灰分产率。使用一阶微分(FD)、二阶微分(SD)、连续统去除(CR)、标准正态变量变换(SNV)4种方法对13点Savitzky-Golay(SG)卷积去噪后的试样光谱反射率曲线进行了预处理，对其中50个煤岩试样的灰分产率与其预处理后光谱进行了相关性分析，得到最大相关系数为0.777，由连续统去除预处理方法获得，其所在波长点为1 698 nm，位于与煤岩主要有机成分有关的1 700 nm光谱带附近。取此50个试样最大相关系数波长点1 698 nm左右区间1 693 nm,170 3 nm共11个波长点处的连续统去除预处理光谱值，及其灰分产率、煤岩类型，建立了支持向量煤岩灰分回归(SVR)、支持向量煤岩分类(SVC)模型，2种原位煤岩感知识别模型对其余25个测试煤岩试样的预测精度分别为92%,96%，同时对单个样本识别总耗时均小于0.1 s，其中，支持向量煤岩灰分回归模型对此25个测试煤岩试样表面灰分产率的预测均方根误差(RMSE)达到了5%，决定系数达到088。

• 高瓦斯煤层综掘工作面风流-粉尘两相流动特性

  胡胜勇, 廖奇, 王和堂, 冯国瑞, 徐乐华, 黄宜生, 邵和, 高扬, 胡斐,

  为解决压入式通风条件下高瓦斯煤层综掘工作面粉尘质量浓度高的问题，以山西潞安集团漳村煤矿2601综掘工作面为研究对象，基于气固两相流理论，通过编程计算综掘工作面气载粉尘运移过程，研究了综掘工作面气固两相流动特性，结果表明:在压入式风筒出口与综掘工作面之间存在一个“负压区”，其影响范围随风筒出口风速增大而增大，而中心压力随风速增大而减小。该负压区导致沿综掘工作面回风侧煤壁运移的部分粉尘流分别在掘进机上方涡流、后方回流的携带作用下，从掘进机右侧和后部流经掘进机司机周边，往风筒出口方向运移，导致司机右侧、后部以及进风侧距综掘工作面2.5 m区域的粉尘浓度较高。当风筒出口风速低于17 m/s时，回流粉尘环绕掘进机形成平均质量浓度为300 mg/m3的粉尘带;当风速高于17 m/s时，粉尘带平均质量浓度急剧下降，回流粉尘在进风侧距综掘工作面2.5 m的区域积聚，形成平均质量浓度高于300 mg/m3的粉尘团。因此，应在高瓦斯综掘工作面掘进机的回风侧设置粉尘拦截装置，截断粉尘的扩散路径。同时，需在掘进机的后部设置覆盖工作面断面的除尘装置，对沿回风侧运移的粉尘进行二次拦截，阻挡掘进机后方粉尘回流，提高综掘工作面的能见度。

• 露天矿山开拓运输系统道路选线算法

  刘光伟, 柴森霖, 白润才, 赵景昌, 李浩然, 张靖,

  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。

• “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”专辑特邀主编致读者

  李全生,

  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。为了保障研究的顺利开展，国家能源集团联合国内外高校、科研院所和企业等20余家单位，组建了跨行业、跨学科的产学研协同创新团队，并提出了基于采矿源头生态减损的理念，将其贯穿在项目实施全过程中，围绕煤电开发对草原生态(水、土壤、植被)的影响机理及累积效应、区域生态稳定性与区域生态安全协调机制两大科学问题，研究揭示煤电基地开发对生态环境的影响机理和累积效应，研发草原区地下水资源保护与循环利用、节地减损型采排复一体化、土壤重构与土地整治、贫瘠土壤有机改良等15项源头性控制关键技术，集成示范并创建大型煤电基地生态安全协调控制模式。自项目批复以来，研发团队围绕东部草原区煤电基地开发对生态要素(水、土和植被)影响范围及边界界定、贫瘠土壤改良、排土场仿自然地表重塑、景观生态恢复策略等进行了研究工作，初步厘清了煤炭开发对地下水的影响程度，研发的采排复一体化技术、排土场边坡整形技术、土壤改良方法、景观生态重塑技术在锡林浩特和呼伦贝尔两地露天煤矿进行应用推广，指导露天矿山生态修复，实现了研究成果与现场工程实践的有力结合。本期前29篇论文，是项目研发团队4年多研究成果的集中展示，希望专题的刊出可以为东部草原区煤电基地开发生态修复提供借鉴。在此，特别感谢行业有关专家学者对项目的指导和支持，感谢项目研发团队成员的积极努力和辛勤付出。