煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第5期

• “黄河流域矿区生态保护与可持续发展”专题特邀主编致读者

  彭苏萍, 毕银丽,

  黄河流域是我国重要经济地带，也是我国重要的生态屏障。2019年9月18日，习近平总书记在郑州主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会并发表重要讲话。2020年8月31日，中共中央政治局召开会议审议了《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》。会议提出，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。黄河流域生态保护不仅针对黄河本身治理，也包括黄河流经所滋养和直接影响的地理生态学区域保护。以近20 a来该流域高速发展的煤炭工业为例，我国14个大型煤炭生产基地有9个分布在黄河流域，黄河流域煤炭不仅储量大而且煤种齐全，煤质好，赋存条件好，是我国煤炭开发规模最大的地区，煤炭年产量约占全国总产量的70%。最近，我国煤炭地质工作者对鄂尔多斯盆地富油煤进行了初步评价和研究，发现煤的焦油产率最高超过17%，仅陕西省富油煤总量就达1 500亿t以上。预测全盆地富油煤总量大于3 000亿t，煤中潜在的油资源量约300亿t，气资源量约45万亿m3，这一地区将会成为我国重要的煤基油气资源富集区，对立足国内增加油气供给具有十分重要的意义。可以预见，在未来的10 a内，黄河流域煤炭的产能还有进一步加大的趋势!中共中央政治局会议把水资源作为黄河生态保护最大的刚性约束是十分正确的。黄河流域煤炭开采引起地表沉陷、地面塌陷和裂缝，对地下水资源和生态环境产生严重的影响。煤层开采形成的导水裂缝贯通地表，煤炭规模开采导致矿区地下水位大范围和大幅度疏降，天然泉眼在逐步消失，地表水系逐年干涸，导致大面积的乔、灌、草等荒漠植被衰败减少，加速了荒漠化进程，形成了水资源与生态环境之间的恶性循环。黄河流域煤炭基地的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，其生态环境保护与修复要坚持“绿水青山就是金山银山”的理念，更要有“开发金山银山再造绿水青山”的决心。西部大开发以来，煤炭开采重心已经从东部转移到西部，尤其是在黄河流域。针对黄河流域不同煤矿区开发过程对水、土资源受损的影响程度与范围，揭示其对生态系统结构功能的影响。利用生态自修复规律与人工修复方法有机结合，实现主动治理，使煤矿区生态环境修复成为黄河流域生态治理的典范并推广至其他行业，实现黄河流域煤矿区生态环境修复的可持续发展。针对黄河流域矿区生态保护与可持续发展的关键技术问题,《煤炭学报》于2021年第5期策划出版“黄河流域矿区生态保护与可持续发展”专题,共收到来稿125篇,最终录用刊登25篇。论文涉及黄河流域矿区地质环境监测技术与方法、开采沉陷与环境治理技术、水资源保护与利用、生态修复技术与方法、山水林田湖草综合治理、水土保持与改良技术、生态格局规划与修复模式、矿区生态演变规律的探测信息技术与方法、矿区生态水文特征等研究方向。希望该专题的出版,能给从事矿山生态修复的广大科技工作者以借鉴与启迪。在专题刊出之际,衷心感谢各位专家学者的大力支持,特别感谢各位评审专家认真细致的审阅并提出中肯意见,以及《煤炭学报》编辑部为本专题的策划、评审和出版所付出的辛勤工作。

• 西部干旱半干旱露天煤矿生态重构技术难点及发展方向

  毕银丽, 彭苏萍, 杜善周,

  露天煤矿开采对生态环境最严重和直接的影响是对水资源破坏与土地资源的挖损占压，对生态系统的种群破坏。西部干旱半干旱露天矿区生态重构的关键是水资源保护与利用、排土场土层结构重构、表土改良和植被优化组合。西部干旱半干旱露天矿区生态重构核心是研发露天矿区岩层结构与含水量探测技术，监测地下水存在的范围与边界。以水资源量为约束，构建排土场近地表合理的土层结构，实现重构土层保水与涵水动态协调供给。提出干旱半干旱露天矿排土场近地表高效低成本的表土生态层-涵水层-隔水层的三层土层重构结构模型，研发物探检测成套技术与装备，监测矿坑水来源、排土场土层结构与含水率，保证生态工程水资源有效利用。结合土地的生态承载力，对排土场重构生态进行功能分区与景观设计。开发新型微生物菌剂培养配方，揭示微生物改良土壤及抗逆境机理，形成较好的有机生物立体生态重构模式，可产生较好的经济、生态和社会效益，促进矿区绿色可持续发展。通过对西部干旱半干旱露天矿区及其周边环境动态观测，在生态条件差的地区，人工干预能有效地打破原始生态禁锢，刺激生态正向发展，获得西部干旱半干旱露天矿区自然与人工生态协调发育规律。解豁了科技界担心大规模的煤炭开发使西部干旱半干旱地区的生态环境进一步恶化，造成“雪上加霜”效应的难题。同时针对西部干旱半干旱区露天矿排土场重构土壤的结构差、肥力低、植物种类单一，重构生态难的现状，采用微生物-植物联合修复技术，研发多型号生物修复菌剂和基质，有效地促进了植物根系发育，增强了植物抗土壤压实、养分贫瘠、干旱缺水及易盐碱化等逆境的生理生化反应，人工干预重构后的生态环境比原生态效应提高10倍以上。实践了西部露天煤矿区既要金山银山，再造绿水青山的生态理念。

• 富油煤的油气资源属性与绿色低碳开发

  王双明, 师庆民, 王生全, 申艳军, 孙强, 蔡玥,

  黄河中上游是国家大型煤炭基地集中分布区，也是我国富油煤的主要生产区。受我国“缺油、少气、相对富煤”资源禀赋特点的制约，煤炭安全绿色开采，清洁低碳利用已成为保障国家能源安全的重大需求。实现黄河流域富油煤开发与生态环境保护协调发展，对缓解我国油气供应紧张、保障能源战略安全具有重要的科学价值和现实意义。富油煤是集煤油气属性为一体的煤炭资源，其油气潜力、特殊性、关键地质问题亟需研究，绿色低碳化开发技术亟待探索。① 富油煤主要赋存于中低阶煤类中，主要特点是富含较多富氢结构;在隔绝空气加热时，可生成油、气和半焦。半焦主要成分为固定碳，与无烟煤相近;气体的主要成分是CH4，H2，CO等，可以作为燃料气和原料气;油为煤焦油，类似于重质石油，可通过前处理、加氢精制和加氢催化裂化工艺等达到清洁燃料油标准;② 富氢结构是富油煤具有油气资源属性的物质基础，研究富氢结构的岩石学、沉积学特征及变化规律，分析富氢结构物质来源、沉积转化、变质演化、聚集规律及地质驱动机制，是构建富油煤预测模式与评价理论的基础;③ 梯级利用和原位热解是富油煤绿色低炭开发的重要途径。富油煤地面热解-气化一体化、热解-化工-发电一体化技术可以实现清洁高效利用，井下原位热解有望破解清洁低炭利用的难题。其中，矿井式原位热解技术通过井巷工程布置方式，利用井下巷道开展煤层分割、保温封闭，通过煤层原位加热实现井下热解生产油气;钻孔式原位热解技术通过注热孔加热和油气抽采孔回收油气，也可借助人工辅助造缝，实现加热回收油气。将富油煤作为煤基油气资源管理和开发，是新时代煤炭工业高质量发展的重要取向。

• 黄河流域煤炭资源开发战略研判与生态修复策略思考

  卞正富, 于昊辰, 雷少刚, 尹登玉, 朱国庆, 牟守国, 杨德军,

  黄河流域煤炭资源富集与生态环境脆弱并存，亟待破解煤炭资源开发与生态环境保护的矛盾，构建黄河流域高质量发展新格局。为此，构建了黄河流域资源环境承载力指标体系，揭示了黄河流域资源环境承载力指数的时空规律；重新审视了煤炭资源开发强度测算方法，量化了黄河流域42个煤矿区的煤炭资源开发强度；利用耦合协调度模型测度了矿区尺度煤炭资源开发强度与区域尺度资源环境承载力的匹配程度。结果发现，下游以高级协调为主，显著高于中上游。但中上游变化趋势有差异：中游从初级协调(0.63)降至勉强协调(0.55)；上游以初级协调为主，耦合协调度从0.60提升至0.62。随着能源战略重心西移，晋陕蒙宁四省区的煤炭开发强度不断增大，特别是榆横、榆神、吴堡、离柳等矿区煤炭资源开发强度已然与资源环境承载力不匹配；青海木里矿区从勉强协调(0.53)降至中度失调(0.25)，降幅超50%；甘肃整体改善幅度较大，各矿区均有不同程度提升。基于此，研判黄河流域煤炭资源保护性开发利用战略：①要从“水资源-煤炭资源-社会经济-生态”的全局性视角探析黄河流域“煤水双保”；②与资源环境承载力不相匹配的煤炭开发方式亟需改进或退出；③煤炭资源开发应与更大尺度的国土空间规划相协同；④加强闭矿后矿业废弃地与废弃矿井的资源化利用。鉴于黄河流域地域跨度大、矿区分布广，历史遗留问题较多、潜在生态风险较高，点上问题亟待解决、线上问题不容忽视、面上问题更需重视。建议将黄河流域煤矿区划分为青甘保育区、蒙宁陕风沙区、晋陕黄土区、豫鲁平原区4类区域，未来煤炭资源开发与生态修复应实施分区管控、分类治理、分级修复、分步推进，坚持生态保护与修复并举、自我恢复与人工修复并重，以期为黄河流域生态保护与煤炭高质量发展提供科技支撑。

• 黄河下游平原煤矿区采煤塌陷地治理的若干基本问题研究

  胡振琪, 袁冬竹,

  黄河下游流经河南和山东两省,该区域为冲积平原地貌,既是我国的粮食主产区,也是重要的煤炭基地。平原煤矿区煤炭开采最主要的生态环境问题是采煤塌陷并严重积水,造成耕地面积减少、生态环境恶化。以黄河下游平原煤矿区采煤塌陷地为研究对象,针对治理范围、积水机理和稳沉性分析这三大采煤塌陷地治理的基础性问题进行探讨,并研究其治理措施。研究表明:①采煤塌陷地治理范围是一个隐伏信息,比较难以精准确定。传统以下沉10 mm的沉陷边界作为治理范围往往过大,应以塌陷对建筑物和耕地的损毁边界作为采煤塌陷地治理范围,对建筑物的损害边界以临界变形值:倾斜i=3 mm/m,水平变形ε=2 mm/m,曲率K=0.2 mm/m2来确定,耕地损毁边界以对耕地生产力开始产生影响的临界下沉值、临界倾斜值、临界水平变形值的最小值来圈定,并提出耕地损毁临界变形值计算方法和治理范围圈定方法。②采煤塌陷地积水是平原矿区生态损毁的主要特征和优选治理技术的关键,它主要与地表下沉量、潜水位、气候、土壤结构和质地等因素有关,通过厘清塌陷后的地表与潜水位的关系,阐述了塌陷积水的机理及动态过程,并以是否积水作为土地损毁程度评价的重要标准。③塌陷稳定性是治理措施和时机选择的关键,提出了基于治理阶段性和考虑未来(周边与多煤层)开采影响的塌陷稳定性分析方法。④针对黄河下游平原煤矿区耕地损毁严重的问题,改变传统的“末端治理理念”和“零和博弈思维”,提出了“采煤与耕地保护协同发展战略”和“边采边复战略”,可有效保护和恢复耕地,实现煤炭开采与生态保护的协同发展。

• 中深埋厚煤层开采地下水位动态变化规律及形成机制

  侯恩科, 谢晓深, 王双明, 龙天文, 石增武, 杨征, 黄永安, 谢永利, 陈真, 白坤, 马越, 郭亮亮, 王岗,

  煤炭开采对风化基岩含水层和潜水含水层的影响是榆神矿区“保水采煤”研究的重点。为揭示榆神矿区风沙滩地区中深埋厚煤层开采条件下地下水动态变化规律和机理，以榆神矿区中部某矿首采工作面(01工作面)为研究区，采用钻探、地下水位观测、野外实地探查和综合分析等方法，研究了采动地下水动态变化规律及其与覆岩损害和地表下沉之间的耦合关系。结果表明:① 风化基岩含水层水位随回采表现出“先下降后回升”并恢复至初始水位的动态变化过程，中间可分为“快速下降”、“回升恢复”和“稳定波动”3个阶段，平均持续时长为102 d。在水位快速下降阶段，水位最大降深、平均下降速率均呈正态分布，且与距工作面中心距离呈指数函数关系;水位回升恢复阶段，持续时长和平均回升速率与距工作面中心距离呈负相关关系;② 当潜水含水层分布局限、侧向补给缺乏时，潜水含水层水位出现“先下降后回升”和“持续下降”至稳定2种动态变化规律，且均未恢复至初始水位;③ 面内风化基岩含水层水位动态变化过程与风化基岩层的剧烈下沉密切相关，风化基岩层下沉速度的增大和减小过程分别对应水位的下降和回升过程，水位下降则与其下沉、临时性裂隙和离层发育有关，水位回升则是下沉减缓、临时性裂隙和离层的闭合以及含水层侧向补给因素有关;面外风化基岩含水层水位的动态变化则与其侧向补给有关;④ 面内潜水位的动态变化过程与地表下沉密切相关，其水位下降与地表活跃阶段早期剧烈下沉具有同时性和一致性，地表下沉造成的潜水水头差和潜水的渗流出露是造成水位下降的主要原因;水位回升则是地表进入活跃阶段后期和衰退阶段，高位潜水侧向补给和大气降水补给造成的;面外潜水位持续下降则是潜水侧向渗流和补给不足造成的;⑤ 中深埋煤层开采条件下，导水裂隙带一般不会导通至风化基岩层，风化基岩含水层水和潜水含水层水不会因采动导水裂隙而漏失，风化基岩水位可恢复，潜水含水层水位会因采动地表移动发生变化。

• 黄河中游大型煤炭基地地质环境监测思路和方法

  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,

  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。

• 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

  李全生, 鞠金峰, 曹志国, 许家林, 赵富强, 王晓振,

  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。

• 基于GEE云平台的黄河流域植被覆盖度时空变化特征

  李晶, 闫星光, 闫萧萧, 郭伟, 王科雯, 乔建,

  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。

• 木里煤田聚乎更矿区生态环境修复监测技术与方法

  李聪聪, 王佟, 王辉, 胡智峰, 江晓光, 梁振新, 王伟超, 杜斌,

  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。

• 暴雨作用下排土场平台-边坡系统土壤侵蚀过程模拟研究

  吕刚, 李叶鑫, 宁宝宽, 魏忠平, 王道涵,

  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。

• 生物炭+速生植物对工业场地周边土壤镉污染原位修复

  陈浮, 朱燕峰, 马静, 刘俊娜, 于昊辰, 张绍良,

  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。

• 煤矿地下水库底板渗流模拟试验系统研制及验证

  文志杰, 姜鹏飞, 景所林, 曹志国,

  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。

• 采煤胁迫下干旱区植被生长周期红边指数动态变化

  李晓婷, 杨丽帆, 邹友峰, 马超,

  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。

• 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

  党晓宏, 刘阳, 蒙仲举, 高永, 魏亚娟, 翟波, 刘禹辛,

  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。

• 黄河中游榆神府矿区煤-岩-水环特征及智能一体化技术

  苗霖田, 夏玉成, 段中会, 孙学阳, 杜荣军,

  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。

• 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

  王强民, 董书宁, 王皓, 杨建, 王晓东, 赵春虎, 张溪彧,

  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。

• 黄河流域典型矿区生态空间网络优化——以鄂榆地区为例

  裴燕如, 孙炎浩, 于强, 马骏, 王慧媛, 岳德鹏,

  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。

• 陕北黄土高原煤矿区土壤理化性质及质量评价

  刘钊, 韩磊, 王丹月, 刘志宏, 陈芮, 李日升, 夏龙飞, 常珊珊,

  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。

• 采动覆岩导水裂隙发育光纤感测与表征模型试验研究

  杜文刚, 柴敬, 张丁丁, 雷武林,

  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。

• 煤层采动覆岩富水性变化规律瞬变电磁法动态监测

  胡雄武, 徐虎, 彭苏萍, 张平松, 付茂如,

  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。

• 基于恢复力的半干旱矿区生态系统退化风险空间评估

  吴秦豫, 张绍良, 杨永均, 侯湖平,

  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。

• 神东矿区生态系统服务功能评价

  刘英, 魏嘉莉, 毕银丽, 岳辉, 何雪,

  神东矿区是中国重要的煤炭生产基地，煤炭开采对其脆弱的生态环境造成了强烈扰动，亟需利用科学手段揭示神东矿区生态系统服务功能的演变规律，完善矿区兼顾绿色开采与可持续发展的管理体系。为量化神东矿区生态系统服务功能的变化，并且基于InVEST模型集成水源供给、土壤保持、碳储存3项生态系统服务构建综合生态系统服务(Comprehensive Ecosystem Service,CES)评价模型，并且基于矿区尺度和矿井尺度综合测度神东矿区1990—2018年CES变化特征与规律。研究结果表明:在矿区尺度上，① 神东矿区SCE在时间上由0.448 6(1990年)下降到0.382 5(2000年)，然后持续增加至0.471 6(2015年)又下降到0.453 2(2018年)，整体以每年0.009的速度呈增加趋势;在空间上以西北部最弱，且由西北向东南部逐渐增强;② 神东矿区CES空间变化特征明显，低变区变化对CES变化的贡献力高于中变区和突变区，且CES的空间变化与植被覆盖和用地类型密切相关;③ 神东矿区CES空间聚类明显，呈现“西北部最弱、河流沿岸最强、东南部不显著”的格局;④ 神东矿区CES变化的驱动因子影响程度依次为土地利用类型、坡度、高程、降雨及植被覆盖度，双因子协同作用高于单因子，且土地利用与其他因子的协同作用最强。矿井尺度上，① 神东矿区CES以中强度开采区最高(SCE=0.502 8)，极高强度开采区最低(SCE=0.430 8);② 补连塔矿井采区的CES受生态治理措施的正面影响，大柳塔、活鸡兔矿井采区的CES在2010年以后受到采矿的负面影响，石圪台、乌兰木伦、哈拉沟及榆家梁矿井采区的CES自采矿以来持续遭受负面影响;③ 大柳塔复垦实验区的CES往变强的方向发展。该模型的综合评估结果能够定量反映神东矿区CES的变化规律，建议神东矿区实施生态管理以西北部为重点区，以提高植被覆盖为导向优化土地利用格局，并利用矿区微生物复垦等科学方法改善矿区生态等。另外，应致力于多项生态系统服务多尺度优化集成模型的开发利用，以期为区域生态系统服务可持续管理提供更精准可靠的决策支持。

• 陕北侏罗系沉积控水规律与沉积控水模式

  冯洁, 侯恩科, 王苏健, 丁湘, 段会军,

  陕北侏罗系含水层富水性不均一，实际矿井涌水量与勘探阶段预测值差异较大，为了提高矿井涌水量预测准确性，科学高效指导矿井防治水，采用沉积微相划分、地学信息定性统计与灰色关联定量分析、微观孔隙结构实验室测试等方法分别研究了陕北侏罗系沉积微相、岩性及其组合、微观孔隙结构与富水性的关系，揭示沉积控水机理，总结沉积控水规律，划分沉积控水模式。结果表明：侏罗系砂岩含水层中粗砂岩、中砂岩等粗碎屑岩厚度越大，富水性越强，泥岩与砂质泥岩等细碎屑岩厚度越大，富水性越弱；砂岩地层风化程度相同时，微观孔隙结构分类级别（包括大孔粗喉型（Ⅰ类）、中孔-中-细喉型（Ⅱ类）、小孔细喉型（Ⅲ类）、小-微孔-微细喉型（Ⅳ类））越低，粒度越粗，含水层富水性越强，风化程度不同时，同时代地层风化程度越强，砂岩微观孔隙结构分类级别越低，粒度越粗，含水层富水性越强；侏罗系直罗组含水层主要为河流沉积体系，曲流河、辫状河沉积相，河道、河漫滩沉积微相，相同沉积相条件下河道较河漫滩沉积微相富水性强，河道岩性以砾岩、粗砂岩、中砂岩为主，延安组上部地层以三角洲沉积体系为主，三角洲平原沉积相，分流河道与分流间湾沉积微相，分流河道较分流间湾沉积微相富水性强，分流河道岩性以中砂岩为主，偶见粉砂岩；研究区沉积控水模式划分为辫状沉积强富水性型、曲流河沉积中等富水性型、三角洲平原分流河道沉积弱富水性型、三角洲平原分流间湾沉积极弱富水性型等四种类型。研究成果可为含水层富水性预测与矿井水害防治提供科学依据。

• 陕北煤矿区采动地裂缝对土壤微生物和酶活性的影响

  宋世杰, 张玉玲, 王双明, 杜麟, 刘萌楠,

  采动地裂缝作为黄河流域中游煤矿区重要的采动损害类型，影响土壤特性的规律和机理成为当前的研究热点。为了探究采动地裂缝对土壤微生物特性的影响，本试验以陕北煤矿区宽度为20~40 cm的采动地裂缝为研究对象，采集裂缝周围(水平距离60 cm以内、垂直深度60 cm以浅)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，剖析土壤微生物和酶的空间变化特征，在此基础上结合土壤主要理化特性指标，解译采动地裂缝在小空间尺度上对土壤微生物和酶的影响规律。结果表明:① 采动地裂缝对土壤微生物和酶活性的负效应主要表现为水平差异特征，且随着水平距离的增加而明显减弱，当水平距离分别超过75，79，91，72，82，89，96 cm时，采动地裂缝对土壤细菌、放线菌、真菌、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶的负影响基本消失，土壤微生物特性的损害主要集中在水平距离1 m以内，可作为陕北煤炭开采损害区土壤微生物精准修复的靶向区域;土壤微生物特性的损害主要集中在水平距离1 m以内，可作为陕北煤炭开采损害区土壤微生物精准修复的靶向区域;② 采动地裂缝周围土壤中有机质、铵态氮、有效磷、有效钾、黏粒、含水率、pH的平均降幅依次为9.51%~28.46%，24.31%~29.31%，12.61%~19.86%，4.11%~6.51%，4.93%~6.46%，2.36%~4.26%，1.98%~3.14%，而土壤有机质、黏粒、铵态氮、有效磷等指标与土壤微生物数量、酶活性在小空间尺度上都存在高度的一致性，相关系数分别超过0.8和0.6，均达到极显著正相关水平(P<0.01)，土壤有机质质量分数也应作为陕北煤矿区采动地裂缝影响土壤微生物和酶活性的重要指示性因素。越靠近采动地裂缝，土壤微生物和养分特性的自我恢复潜力越小，修复时应着重考虑人工方式，反之应着重考虑自然方式。

• 黄土沟壑区采煤塌陷地人工与自然植被恢复下土壤性质演变特征

  杜华栋, 曹祎晨, 聂文杰, 宋世杰,

  植被恢复是扰动地生态修复的基础，土壤质量的改善是植被恢复效益的重要评价指标之一，揭示干扰地自然和人工植被恢复方式对土壤性状的影响差异，对于指导干扰后植被建设具有重要意义。目前西部半干旱生态脆弱区采煤塌陷地人工与自然植被恢复后土壤性状动态演变规律对比研究仍不够充分，因此以我国煤炭化工基地榆神府矿区黄土塌陷地为研究区，在阐明人工和自然2种植被恢复模式1~15 a土壤理化生性状动态变化规律的基础上，结合植物群落演替特征，探讨黄土塌陷地植被恢复与土壤质量之间的演变关系。结果表明:① 随着恢复年限增加，人工和自然植被恢复模式土壤水分、有机质、有效养分含量、酶活性和菌类数量均表现出增加趋势，但人工恢复样地土壤理化生性状改善程度优于自然恢复样地;② 从土壤性状的恢复速度上看，自然植被恢复10 a后，土壤水分和生物学特性基本可以达到塌陷前水平，但土壤有机质和有效养分含量仍然低于未塌陷地水平，而人工植被恢复6 a后，土壤各理化生监测指标均可以达到甚至高于未塌陷前水平;③ 土壤密度、水分、有效养分和菌类均与植物群落多样性和植被覆盖度具有较高相关性，土壤含水量和有机质是影响植被恢复样地土壤质量的主要因子。综合研究表明半干旱采煤塌陷区人工植被恢复对土壤性质的改善在程度和速度上都优于自然恢复植被，但人工恢复初期应尽量减小对原有自然植被和土壤系统的干扰;适当的人工抚育措施可促进植被发育，进而加速了植被对土壤质量的改善，使塌陷地植被建设会取得更好的生态效益。

• 渝东南页岩储层地应力计算方法

  陈乔, 徐烽淋, 赵彬凌, 王丹, 熊力坤, 熊德明, 梁永昌, 朱洪林, 陈吉龙,

  地应力是钻井和压裂改造的重要参数，而渝东南地区的页岩储层非均质性明显，各向同性地应力模型不适用于页岩地层，需要重新建立适合该类地层的地应力计算方法。为此，在页岩岩石力学特性的基础上，推导页岩横向各向同性的本构关系，并建立基于测井资料获取页岩横向各向同性力学参数的关系式，然后结合邻井水力压裂资料反演出该地区的构造应变系数，联合建立了页岩的横向各向同性地应力计算方法，利用该方法计算渝东南地区某页岩气井一段深度的地应力，将计算结果绘制出连续变化的地应力剖面图，最后通过该井3个深度点的声发射实验反演出对应深度的地应力值，并将其与计算结果进行对比验证。结果表明:① 页岩横向各向同性特征明显，水平弹性模量普遍大于垂直弹性模量，水平和垂直泊松比差异小，无明显规律;② 基于横向各向同性模型计算的最小水平地应力值高于各向同性模型计算的地应力值，其中基于横向各向同性模型的计算结果与岩石声发射的测量结果之间的相对误差均小于7%，平均为5.07%;③ 黄氏模型和组合弹簧模型的计算结果与岩石声发射测量结果的相对误差均大于15%。本文模型从页岩的构造特征出发，更符合地层的真实情况。

• Bowen盆地北部M煤层气田水平井生产差异特征与主控因素分析

  崔泽宏, 王建俊, 刘玲莉, 夏朝辉, 张铭, 杨勇, 段利江,

  Bowen盆地北部二叠统煤系地层煤层气资源丰富，但勘探开发程度低，为指导有利开发选区，需厘清已开发煤层气田生产特征差异与主控因素。以M煤层气田实际生产数据为基础，从静、动态资料研究入手，根据开发井高峰产气量和产气曲线形态划分4类产气模式:Ⅰ型，高峰产气量>4万m3/d，产气陡升—陡降—后期平缓递减型，该型产气模式高峰产气量高，高峰稳产期短，为3~7个月，递减阶段早期递减快，年递减速度为30%~35%，后期递减缓慢;Ⅱ型，高峰产气量介于2~4万m3/d，产气陡升—后期缓慢递减型，该型产气模式高峰产气量中等，高峰稳产期相对较长，为10~12个月，递减阶段递减相对缓慢，年递减速度为8%~10%;Ⅲ型，高峰产气量500 m，煤层渗透性500 m区域，煤层气资源量大，须开展煤层压裂改造增产技术攻关，力争突破较深层低渗煤层气资源开发。

• 柳江盆地岩浆活动对主力煤田水文地质特征的影响

  王海军,

  柳江盆地内及其周缘经历了多期次的岩浆活动，在盆地内及其周缘形成了大面积的岩浆岩体，为探究岩浆对盆地石炭二叠系主力煤田水文地质特征的影响。首先，采用地面水文地质调查结合9个水文动态观测站1个水文年的观测与统计，分析地表水、地下水的补给、径流、排泄关系;其次，采用1∶10 000水文地质填图结合生产矿井水文地质调查、机、民井抽水试验，水地球化学采样测试，分析盆地构造形态和含隔水层水文地质特征、划分盆地水文地质单元;然后，在不同构造位置和水文地质单元内部署了6个水文地质勘查钻孔,完成了13层次抽水试验，结合62个地质勘查孔的岩芯精细描述、水地球化学测试、含水层的孔隙度、渗透率、含水率等物性特征和煤层顶底板岩石力学样品采集与测试，分析岩浆岩对主力煤田含隔水层物性特征的影响;之后，通过奥陶系地下水连通试验和矿井与钻孔的联合抽水试验，分析地下水的径流及其岩浆岩对地下水流场的影响;最后，综合分析盆地内矿井的充水因素、涌水量特征及其矿井水害特征，提出矿井防治措施，指明供水水源勘查方向。研究表明地下水补给来源主要为盆地四周露头区的大气降水、其次为大石河等地表水;径流方向为自北向南，自东、西向中部径流;主要以泉眼、矿井和水源井抽水的形式排泄，不同的季节和流域内河流水与地下水补给相互转换;盆地四周的岩浆岩体是良好的隔水边界和水文地质单元划分边界，盆地内岩浆岩的侵入、喷发改变了煤层及其顶底板含、隔水层的水文地质特征，阻挡了底部奥陶系灰岩岩溶高承压含水层对矿井的威胁;东、西两翼燕山期岩浆的喷发改变了盆地的构造格局，形成了目前断陷盆地的基底构造形态;西翼的断裂构造和中部裂隙状火山通道改变了盆地地下水流场及其含水层的富水性分布特征，表现为西翼富水、东翼缺水的分布格局;西翼的推覆构造体上盘的灰岩含水层分布区和东翼深部的隐伏灰岩含水层是找水的目的层位;西翼断裂构造带、东翼岩浆未侵入区的奥陶系灰岩岩溶水和大石河地表水以及浅部大量分布的小窑积水采空区是矿井水害防治的关键。

• 选煤水化学——水化学性质对颗粒间相互作用的影响

  张志军, 庄丽, 刘炯天,

  煤泥水的水化学性质对颗粒间相互作用有重要的影响。煤泥浮选需要煤颗粒与杂质颗粒在矿浆中充分分散，而煤泥水澄清需要颗粒有效凝聚。为解决浮选环节和澄清环节所需颗粒间分散-凝聚状态相矛盾的问题，以及所需水化学环境相矛盾的问题，以煤与高岭石颗粒为例，通过Zeta电位分布和原子力显微镜测力，从微观层面上研究了水化学性质对颗粒间作用行为的影响。金属离子对颗粒Zeta电位分布的影响研究表明，Ca2+使煤和高岭石颗粒各自的Zeta电位分布变窄，使同种颗粒间发生凝聚;Ca2+浓度由1 mmol/L增大到5 mmol/L时，煤与高岭石混合颗粒的Zeta电位分布由双峰变为单峰，煤与高岭石颗粒发生凝聚。Ca2+可以促进煤与高岭石颗粒间发生同类和异类凝聚，Na+对颗粒间凝聚行为的影响较小。用原子力显微镜直接测量颗粒间作用力，发现随着Ca2+浓度的增加，煤与高岭石颗粒间的作用斥力和作用范围逐渐减小，颗粒越来越容易发生凝聚，当Ca2+浓度增大到5 mmol/L时，煤和高岭石颗粒间出现引力;而Na+对颗粒间作用力的影响微弱。不同pH条件下颗粒间作用力的测试结果表明，随着pH值的减小，煤与高岭石之间的作用力由斥力转变为引力。通过原子力显微镜对煤颗粒间作用力的测定，发现煤颗粒间存在较强的疏水引力，同时表明，煤颗粒易发生同类凝聚，煤泥水澄清环节需重点考虑煤与黏土矿物颗粒、黏土矿物与黏土矿物颗粒的凝聚效果。

• 流化床锥形阀流量特性实验研究

  肖惠仁, 姚禹歌, 张缦, 吕俊复, 张扬, 祁传西, 陶世健, 胡昌华, 王振山,

  锥形阀作为一种性能优异的灰控阀，其调节性能对外置换热床的稳定运行十分重要。目前有关锥形阀流量特性的研究尚处于起步阶段，工业上设计和使用锥形阀大都通过经验选取，缺乏可靠理论依据。为此,设计并搭建了带锥形阀的小型流化床实验台，开展不同锥形阀开度x、流化风速u、初始床料高度h、阀体标称尺寸D对应工况实验，以探究开度、流化风速等因素对锥形阀流量特性的影响。为保证实验过程中床层高度及床压的稳定，对给料机流量与频率关系进行标定，从而可通过调节给料机流量使得其与阀流量保持动态平衡关系。在实验前通过马尔文粒度分析等，测得了实验颗粒的尺寸分布、堆积密度、真实密度等物理性质。实验结果表明,锥形阀开度x与阀流量之间基本呈线性关系，这与流通面积与开度之间呈现的近似线性关系相匹配，此外在实验中存在满开度使得流量达到饱和流量，进一步增大开度流量保持不变。对阀内颗粒流动进行了分析，认为锥形阀本质上属于孔口流动系统，进一步发现锥形阀流量由进料流量和出料流量决定，给出了饱和流量点出现的理论解释并分析各因素对进料和出料流量的影响。实验中发现流化风速u对阀流量影响较小,流化风速从2.5umf增加到5umf，流量仅增大2%左右，同时发现床压基本不随流化风速变化。初始床料高度h的增加主要影响床压，进而对锥形阀流量造成影响，随着h的增大，饱和流量Gm及对应的满开度xm也有小幅度增加，同时Gm的增加幅度大于xm。不同标称尺寸下，锥形阀的流量变化规律相似，饱和流量与阀体标称尺寸s之间大致呈现出2.1次方关系，满开度与阀体尺寸之间近似呈线性关系，结果可用于工业过程中锥形阀的设计与运行控制。