煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2020年第4期

• 岩溶裂隙发育地层帷幕注浆材料性能及适用性研究

  柳昭星, 尚宏波, 石志远, 王皓, 王晓东,

  针对某矿区岩溶裂隙发育地层突水灾害帷幕注浆治理工程，开展适用于岩溶裂隙发育地层帷幕注浆材料的性能及适用性研究。通过室内试验对硅酸盐水泥单液浆、水泥粉煤灰浆液、水泥粉煤灰黏土浆液基本性能以及最佳配比进行研究，并根据该矿区地层性质及帷幕注浆扩散方式要求，从材料性能、技术可行性、注浆过程控制、治理效果及经济环保性等方面系统研究了注浆材料适用性，对注浆实际工程材料选择提供参考及指导。研究结果表明：浆液水固比是影响浆液结石体强度、黏度、结石率、凝结时间等基本性能指标的主控因素，粉煤灰及黏土掺量配比也会影响复合材料基本性能参数。根据提出的注浆材料适用性评价方法以及不同配比不同类型材料性能参数，确定了不同区段注浆材料及配比等注浆参数，对该矿区突涌水进行了有效封堵。

• 多煤层开采中间岩层对覆岩移动的影响研究

  李杨, 王建鹏, 陈一鼎, 雷明星, 杨大鹏, 杨坤鹏, 原一航,

  针对西部地区多煤层开采下组煤覆岩移动的问题，采用理论分析、数值模拟和现场验证的方法，研究了下组煤开采过程中，中间岩层厚度与岩性、中间岩层硬岩比例、上覆岩层与中间岩层厚度之比3个因素对覆岩移动的影响。通过理论分析计算了覆岩移动量，为工作面顶板裂隙发育高度理论计算提供了参考依据；利用数值模拟对覆岩移动及破断规律的模拟，验证了理论计算中采场裂隙发育高度及工作面硬岩破断距；最后通过现场实测顶板来压及破断数据验证了理论计算及数值模拟的有效性。研究结果表明：①提出了通过最大挠度与自由空间对比来计算裂隙带高度的方法。②工作面采高决定了顶板覆岩裂隙的发育高度，采高越大，其裂隙发育高度越大，且覆岩的性质对裂隙的发育也有明显影响。③下组煤开采过程中，上覆岩层与中间岩层厚度之比并不是控制覆岩移动的决定性因素，若中间岩层存在厚而硬的岩层，其覆岩移动剧烈程度将降低。④作为中间岩层，厚而硬的岩层的破断对上覆岩层移动起决定性影响。

• 宁武煤田煤中稀土元素地球化学特征研究

  刘蔚阳, 樊景森, 王金喜, 杨珍, 付志恒,

  煤中稀土元素对于指示物源、反映沉积环境等具有重要的研究意义，且煤中稀土元素具有工业利用的潜力。为判断宁武煤田煤中稀土元素富集程度，运用电感耦合等离子质谱对宁武煤田晚古生代煤中稀土元素含量进行测定，结合X射线荧光光谱、X射线衍射、Tessier五态法逐级化学提取的测定结果，对煤中稀土元素的分布模式、物质来源、赋存状态等进行了探讨。研究表明：宁武煤田煤中稀土元素总体轻度富集，呈北高南低的分布特征。各煤层中稀土元素铕（Eu）均表现为明显负异常，表明其陆源碎屑补给的物源背景；利用La/Yb-∑REE图解分析沉积物源，主要以沉积岩和花岗岩为主，物源可能来自北部的阴山古陆。整体轻重稀土分馏不明显，但总体表现为海水影响减弱，分馏程度降低。煤中稀土元素含量与灰分及Al、Si、Fe、Mn等元素呈正相关，表明陆源碎屑是稀土元素的主要来源；逐级化学提取实验结果表明，煤中稀土元素赋存状态以硅铝酸盐结合态（74%）和有机结合态（18%）为主；由于还原性条件利于稀土元素富集，太原组煤中稀土元素的富集也与黄铁矿有关。

• 沁水盆地东部武乡区块泥页岩孔隙结构特征研究

  曹磊, 郭英海,

  沁水盆地东部武乡区块煤系伴生泥页岩广泛发育，页岩气资源潜力大，加强该区泥页岩孔隙结构特征的研究对页岩含气性评价以及实现煤层气、页岩气合探共采具有重要意义。为此，以武乡区块X井二叠系山西组泥页岩为主要研究对象，通过高压压汞和低温液氮试验手段对沁水盆地东部武乡地区X井泥页岩孔隙结构进行了研究。研究结果表明：沁水盆地武乡区块泥页岩样品吸附曲线呈倒S型，属于Brunauer分类方案中的Ⅱ型曲线。其脱附回线属于IUPAC分类方案中的H2型（兼具H1型及H3型），属De Boer分类方案中的B型（兼具E型及C型）。主要发育裂缝型孔，墨水瓶型孔次之，分选性好，开放型孔较少，连通性较差；目标层属于页岩气较差的储层段，不利于储层的吸附、扩散和渗透，但经压裂改造可改善；压汞试验测得泥页岩主要大量发育孔径在5～7 nm及15 nm左右的孔隙，液氮试验测得沁水盆地武乡区块泥页岩孔隙孔径集中分布在1.18 nm左右；BET比表面积为10.022～15.454 m2/g ，平均值约为13.342 m2/g，其中微孔是泥页岩比表面积的主要贡献者；孔隙直径分布在5.56 ～6.50 nm ，平均值为5.75 nm，平均孔径在中孔范围内。总孔隙体积在0.008 12～0.012 54 cm3/g ，平均孔体积为0.01 cm3/g。综合液氮压汞的试验分析结果可知，武乡地区X井山西组泥页岩孔隙中主要发育<50 nm的孔，其中2～50 nm的孔是总孔体积的主要贡献者。

• 基于响应曲面法煤矿粉尘浓度测量装置优化研究

  刘丹丹, 刘衡, 李德文, 王杰,

  为提高基于静电感应原理测量粉尘浓度的感应电荷量，在入口直径一定的条件下，以收缩段长度、喉道段长度、喉道段直径和扩散段长度为设计变量，以感应电荷量为响应变量，研究使感应电荷量最大值时的测量装置结构，利用流体力学软件Fluent6.3对不同结构尺寸的测量装置内部流场进行数值模拟，并基于响应曲面法、利用统计软件Design-Expert，得到了测量装置的喉道段直径和喉道段长度对感应电荷量有显著影响，并得出使感应电荷量最大值的测量装置的结构尺寸；分析了不同粒径的粉尘对改进前测量装置感应电荷量的影响：粒径小时感应电荷量小；分析了不同粒径的粉尘对改进后测量装置的影响：粒径不同，得出的最优的测量装置结构尺寸也不同；通过对比分析，不同粒径的粉尘，改进后的测量装置感应电荷量均提高15%以上，并且在粒径小时改进效果更明显。

• 夹矸煤层采煤机斜切进刀过程滚筒载荷特性研究

  赵丽娟, 罗贵恒, 刘旭南,

  为研究采煤机螺旋滚筒在斜切进刀工况下截割含夹矸煤层时的载荷问题，应用Pro/e建立煤壁落煤空间模型，并将其与滚筒导入到离散元软件EDEM中，利用从兖矿集团杨村矿17层煤岩所测得的煤样参数完成颗粒填充，形成滚筒截割的离散元仿真模型。通过前期试验，决定采用分段建立煤壁的方法以减少仿真时间。结果表明：在斜切进刀过程中，滚筒所受合力逐渐增大，且在含夹矸工况下的受力明显大于全煤工况下的受力，约为其4倍；滚筒所受牵引阻力与截割阻力逐渐增大，且牵引阻力约为截割阻力的2倍；轴向力呈先增大后减小的趋势；滚筒与煤壁开始接触时，为单齿受力，最大值可达15 000 N。验证了采用分段建立EDEM仿真模型方法的可行性与准确性，且可节约90%的仿真时间，为采煤机螺旋滚筒斜切进刀过程研究提供了参考依据。

• 受废弃油井影响的煤层瓦斯和硫化氢分布规律研究

  黄光利, 马兴华, 彦鹏,

  为解决矿区资源叠加开采区域废弃油井影响范围内采掘工作面煤层瓦斯和硫化氢综合治理问题，以双马煤矿Ⅰ0104105工作面马探30和马探31二口废弃油井为例，通过采取参数测试、气体成分分析、现场考察等手段，对废弃油井影响范围内采掘工作面的煤层瓦斯和硫化氢的涌出、分布及影响范围进行了初步研究。结果表明：双马井田含煤地层属于煤油共存地层，工作面局部区域涌出H2S气体主要受封闭不良废弃油井影响较大；废弃油井影响范围内沿工作面走向方向，越靠近油井中心，钻孔内CH4、H2S气体浓度越高，以油井为中心两侧范围内呈现逐渐降低的趋势；废弃油井影响区域内煤层可解吸瓦斯含量沿油井中心距离的分布呈现幂函数降低的趋势；采动期间工作面越靠近油井中心CH4、H2S涌出浓度越大，远离油井时呈下降趋势；马探31废弃油井影响区域CH4、H2S气体对煤层的影响半径在300 m以上。研究结果为进一步掌握废弃油井影响范围内采掘工作面瓦斯和硫化氢富集规律及治理措施设计提供了理论依据。

• 急倾斜特厚煤层分段开采卸压瓦斯抽采技术

  刘军, 周东平, 黄旭超, 王凯, 范彦阳,

  急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面采放比大、瓦斯涌出复杂，工作面下部卸压煤体瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出总量比例过高，在开采过程中易出现回采工作面回风隅角瓦斯超限问题。为有效解决急倾斜特厚煤层开采工作面回风隅角瓦斯超限问题，以神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿水平分段开采工作面5754502为例，理论分析了工作面底板及下部煤体的破坏规律，并对底板破坏深度和下部煤体破坏深度进行了理论计算，根据理论分析和计算结果对工作面下部煤体卸压瓦斯拦截抽采钻孔进行了布置及优化，最后统计、分析了工作面下部卸压拦截抽采钻孔抽采参数随着工作面推进的变化情况。研究结果表明：5754502工作面开采对煤层底板破坏深度为11.88 m，其下部煤体垂直破坏深度为7.38 m，最大破坏深度距工作面端部的水平距离为10.3 m；随着工作面的推进，下部煤体中的钻孔逐步进入卸压区，卸压抽采后比之前的抽采瓦斯体积分数、瓦斯流量均有显著提高，其卸压拦截抽采钻孔的抽采纯流量比卸压前平均提高了3.2倍，卸压增流效应显著；综合采取采空区埋管抽采技术和卸压拦截抽采技术，使5754502工作面在开采过程中的瓦斯抽采率达到59.6%，回风隅角瓦斯体积分数控制在0.8%以下，实现了瓦斯零超限，保障了工作面的安全效生产。

• 基于多指标试验的巷旁充填墙参数设计方法研究

  赵飞, 柏建彪, 柳军涛,

  为研究充填墙强度和宽度对巷道变形的影响，确定合理的巷旁充填参数，建立了充填墙承载结构模型，并基于多指标分析，运用全面试验设计，精确分析了充填墙强度、宽度两因素四水平对沿空留巷充填墙水平位移H、顶板下沉量J、煤帮水平位移K、底鼓量L影响的显著性。研究表明：设计巷旁充填参数必须考虑强度和宽度两因素作用；强度、宽度两因素四水平对指标H、L影响显著，对指标J、K影响不显著，抓住主要指标H、L，兼顾次要指标J、K，考虑强度和宽度的交互作用，确定新元矿3107工作面充填墙强度10 MPa和宽度2.0 m为最优组合。将研究成果应用于3107工作面，取得良好的围岩控制效果。

• 近距离跨采巷道预加固技术研究

  许帮贵, 王凯,

  近距离跨采巷道在受到原岩应力和超前动压的共同作用下，维护变得十分困难。针对近距离跨采巷道围岩控制难题，以桃园煤矿Ⅱ4采区运输上山为研究背景，通过理论分析上覆1042工作面回采时跨采巷道的采动支承压力分布规律，提出了针对性的巷道预加固技术。研究结果表明：随着上覆工作面的推进，在工作面前方底板形成应力增高区，在采空区下方形成应力降低区。由上覆工作面回采引起的垂直应力峰值随着埋深的增加逐渐远离工作面，且应力集中系数随着埋深的增加逐渐减小。沿工作面推进方向的水平应力集中程度远小于垂直应力的集中程度，且受上覆工作面回采引起的水平应力对跨采巷道围岩稳定性的影响较小。当上覆工作面推进至距离跨采巷道50 m时，跨采巷道开始受到超前动压影响；当上覆工作面推进至距离跨采巷道15 m时，垂直应力峰值位于跨采巷道的正上方，此时跨采巷道受超前动压影响最大。采用注浆锚索加底板注浆对巷道底板和围岩深部进行预加固支护，通过预加固能够有效地控制跨采巷道的围岩变形，实现了煤矿的安全高效生产。

• 特厚煤层综放工作面回采巷道支护技术研究

  张宏伟, 刘长江, 李云鹏, 刘昆轮, 赵象卓, 荣海,

  为解决神新公司宽沟煤矿巷道支护问题，综合利用理论分析、数值模拟和现场实测方法，对巷道锚杆支护方案进行优化。工作面开采过程中，运输巷受到超前垂直应力升高影响的范围约为55 m，回风巷受到超前垂直应力升高影响的范围约为70 m，邻近工作面回采造成运输巷应力升高明显，回风巷围岩应力较低；针对2条巷道的应力状态及塑性区分布，分别设计了支护方案；优化支护方案较原支护方案，回风巷与运输巷顶板下沉量减小了20%和27%，工作面帮位移减小了44%和37%，煤柱侧位移减小了3%和15%。优化方案提高了巷道支护效果，且支护材料总成本降低10.1%，为神新能源公司宽沟煤矿的安全高效生产提供技术支撑和安全保障。

• 粒径对煤矸石污染物溶解释放规律影响研究

  狄军贞, 鲍斯航, 杨逾, 孟凡康, 王显军, 郭旭颖, 李振南, 林鑫, 董艳荣,

  为研究粒径对不同地区煤矸石污染组分溶解释放规律的影响，以山西省和辽宁省3个煤矿区的4种煤矸石为试验材料，通过静态浸泡试验，分析了不同粒径、不同浸出时间条件下4种煤矸石浸出液的pH，氧化还原电位(ORP)，电导率，总硬度，Fe2+、Mn2+、SO2-4浓度等指标变化。结合X-射线衍射和扫描电子显微镜检测，阐明不同地区煤矸石污染组分溶解释放的机制。结果表明：在粒径为0.18～0.25 mm时，4种煤矸石释放的污染物量均达到较大值。阜新海州地区自燃煤矸石和海州地区原煤矸石的浸出液pH呈碱性，阜新高德地区自燃煤矸石和山西某矿原煤矸石的浸出液pH呈酸性。阜新高德地区自燃煤矸石浸出液的总硬度和SO2-4质量浓度分别为589、529 mg/L，山西某矿原煤矸石浸出液的Fe2+质量浓度为10.79 mg/L，阜新海州地区自燃煤矸石浸出液的Mn2+质量浓度为1.97 mg/L。煤矸石的表面存在孔隙、附着细小颗粒，且包含的沸石、黄铁矿、绿泥石、高岭石和磁铁矿等矿物容易溶解，向水中释放污染物。煤矸石粒径越小污染物越容易溶解释放；浸出0～3 d内污染物容易溶解释放，后期释放量趋于平稳。建议矿区施工时保持煤矸石的粒径大于0.18～0.25 mm，以减少煤矸石在堆积和填充复垦过程中向土壤和地下水释放污染离子。

• 锡林浩特矿区土壤水分特征曲线和有效含水量预测

  王鑫, 肖武, 刘慧芳, 赵艳玲, 田帅帅, 邹玉珠,

  露天矿开采导致大面积的地貌改变和植被破坏，进行土地复垦是重建原有生态系统的有效手段。为改善锡林浩特矿区生态脆弱、且矿区表土稀缺的现状，利用上覆岩层进行表土替代材料的开发，上覆岩层土壤的持水能力是选择表土替代材料的重要指标，对于指导排土场复垦具有重要意义。基于此选取了AP（Arya and Paris模型）、MV（Mohammadi and Vanclooster模型）和MVVG（MV model with the van Genuchten模型）3种模型对锡林浩特矿区上覆岩层（L1—L5，共5层）土壤水分特征曲线与土壤有效含水量的预测精度。结果显示：MVVG对于土壤水分特征曲线（R2=0.940）与有效含水量（R2=0.7409）的预测精度均较好，AP对于土壤水分特征曲线的预测结果最好（R2=0.950），且对于剖面有效含水量的预测趋势与实测值一致，但是有效水含量的预测值与实测值R2较低（R2=0.491），MV预测结果最差。AP模型对壤质沙土、砂之壤土和粉砂壤土的水分特征曲线预测效果好于MV和MVVG，但是各模型对沙土的预测预测效果均较差。除L5层，其余4层随着土壤层次深度的增加，其田间持水量、凋萎系数和有效水含量均呈减少趋势。L2—L4的有效水含量均低于L1（18%），且L4（8%）<L3（11%）<L2（15%）。研究结果显示AP和MVVG模型可以准确地预测研究区土壤水分特征曲线和水分常数，适合用于锡林浩特矿区上覆岩层土壤持水能力的预测。同时结果表明，L5层的有效含水量最大（20%），且土层较厚，具有在土地复垦过程中作为表土替代材料的潜力，而L2—L4可以考虑作为中和L5质地过黏的材料，使其土质更加接近腐殖层土壤（L1）。

• 人工林树种对矿区复垦土壤肥力质量影响及评价研究

  郑永红, 张治国, 陈永春, 安士凯, 武琳, 余婷, 邓永强, 张磊, 任韩煜,

  为探究人工林对复垦土壤肥力水平的影响，以淮南矿区潘一矿复垦区杨树林、女贞林和桧树林3种典型人工林分为研究对象，通过实地采样和室内试验，测定林地不同深度土壤的容重、pH值、有机质、总氮、速效氮、总钾、速效钾、总磷、速效磷等9项指标，利用灰色关联度方法定量分析3种林地土壤肥力状况，并进行了综合评价排序。结果表明：①单因素方差分析表明，3种林地土壤的pH值、总氮、总磷、总钾等4项肥力指标在不同树种间差异不显著(P>0.05)，土壤容重、有机质、速效氮、速效磷、速效钾等5项肥力指标在不同树种间差异显著P<0.05）。②对照全国第2次土壤普查养分分级标准和2009年该复垦区土壤肥力指标监测结果，容重、有机质、速效磷、总钾、速效钾等5项肥力指标肥力水平显著提高。pH 值、总氮、速效氮和总磷4项指标肥力水平与2009年复垦区土壤水平较一致。总磷和速效氮可以作为复垦区土壤肥力提升的限制因子。③3种林地土壤加权灰色关联度综合评价值大小排列顺序为：杨树纯林＞桧树纯林＞女贞纯林，其中杨树林地土壤属于Ⅰ级（优）水平，桧树林地和女贞林地属于Ⅱ级（良），表明杨树林土壤最肥沃。因此，杨树具有改良土壤肥力、改善环境和保持水土等重要功能和作用，可以作为复垦区造林树种的优势树种，为煤矿沉陷区复垦土壤进行可持续利用及生态修复提供科学的理论依据。

• 生态脆弱矿区地表裂缝动态变化对土壤含水量的影响

  吴群英, 冯泽伟, 胡振琪, 陈超, 浮耀坤, 杨福芹, 高磊磊,

  针对我国西部生态脆弱煤矿区煤炭开采对土地生态环境的损害问题，以陕北生态脆弱矿区某矿为研究区，采用土壤水分速测仪（TDR）现场实测、统计分析相结合的方法，基于已有研究成果，研究分析采空区上方表层土壤含水量的变化与地表采煤沉陷动态地裂缝动态发育规律的关系。结果表明：采空区上方表层土壤含水量的变化与地表动态地裂缝的动态发育规律基本一致，当地表裂缝开始出现并开裂时，裂缝周围表层土壤含水量逐渐减少；当裂缝初次闭合时，表层土壤含水量也随之有小幅度回升；当裂缝再次开裂时，表层含水量也随之下降；随着工作面推进，后方裂缝闭合，表层土壤含水量也随之上升，且动态裂缝对表层土壤含水量有一定的影响范围，影响距离70 cm左右，距离地裂缝距离越近，表层含水量变化越明显，当距离超过70 cm时，表层土壤含水量基本不再变化。采动地裂缝对周围土壤含水量具有一定影响周期，且影响周期与动态地裂缝发育周期基本一致，土壤水分的变化与采动地裂缝的发育过程紧密相关，发现采动地裂缝的开裂与闭合对土壤微结构造成影响，进而影响土壤水分的蒸发与渗透，当采动地裂缝闭合后，土壤含水量将逐步恢复至采前水平。该研究具有开采工作面小尺度精细研究的特征，有助于生态脆弱矿区煤炭开采对土地生态的影响机制研究。

• 接种菌根对采煤沉陷区苜蓿生长及土壤改良影响研究

  张延旭, 毕银丽, 王瑾,

  采煤沉陷造成地表土壤质量下降，影响矿区植物生长和根际环境，丛枝菌根真菌作为一类有益的共生真菌对植物生长有促进作用。为评价采煤沉陷区人工接种菌根的生态效应及作用时效，以神东矿区活鸡兔矿沉陷区内接种菌根真菌的紫花苜蓿为研究对象，采用田间试验和室内分析方法，测定接种丛枝菌根真菌处理和未接菌处理植物株高、叶片绿色度（SPAD值）、生物量、菌根侵染率、菌丝密度、根际土壤性状及其相互关系，研究了较长时间内接种丛枝菌根真菌对紫花苜蓿生长及根际土壤性状的影响。结果表明：复垦4年后，与未接菌处理相比，接种菌根处理显著提高了植物株高、SPAD值、生物量，分别提高了18.2%、8.3%、10.4%。紫花苜蓿可以与丛枝菌根真菌形成良好共生关系，接种菌根真菌4年后接菌处理植物菌根侵染率和菌丝密度显著高于未接菌处理，菌根侵染率和菌丝密度较未接菌处理分别提高了35%、34.1%。接种菌根改善了根际土壤性状，有效提高了土壤含水量，较对照分别提高7.5%，同时土壤碱解氮、速效磷、有机质、磷酸酶活性较对照分别显著提高了21.4%、20.7%、22.5%、36.9%。相关性分析表明，菌根侵染率与株高、生物量、磷酸酶、速效磷含量呈显著正相关，菌丝密度与SPAD值、有机质呈显著正相关，与株高、生物量呈极显著正相关。复垦4年后，接种菌根真菌可显著促进紫花苜蓿生长，提高了植株生物量，同时有效改善了根际土壤质量，具有较好的生态效应。

• 基于改进 OTSU算法的采煤沉陷耕地作物绝产边界识别

  赵艳玲, 房铄东, 笪宏志, 肖武,

  采煤沉陷耕地作物生长状况是确定土地损毁程度进而影响土地复垦难度和复垦方案选择的关键，也是矿山企业赔付的依据。近年来，随着计算机图像处理技术的逐渐成熟，使得图像处理与识别技术得到了广泛应用，采用图像识别方法确定采煤沉陷耕地作物绝产边界，可降低野外实测工作量、减小人为因素的影响。基于不同生长状况作物在高度上的差异会表现为数字表面模型上的高程差异这一原理，将作物高度差异作为绝产边界的表征指标。利用无人机遥感获取高分辨率影像，经Pix4Dmapper软件自动化处理后得到数字表面模型（DSM）；利用作物高程作为图像分割阈值，对最大类间方差（OTSU）阈值分割算法进行改进，包括高程数据离散化和改变灰度运算为高程运算2个方面，结合Canny算子进行边缘检测，提出了一种采煤沉陷耕地作物绝产边界识别方法，并以山东省济宁市某采煤沉陷区为研究区做方法验证。结果表明：改进的最大类间方差阈值分割算法可以对图像的高程进行运算，并能迭代出最优的高程分割阈值；利用高程分割阈值对数字表面模型（DSM）进行分割，经边缘检测后可识别出采煤沉陷耕地作物绝产边界；通过对研究区正射影像图（DOM）取样验证，该方法识别的采煤沉陷耕地作物绝产边界较精确，验证了方法的有效性。

• 基于GNSS-R技术的矿区复垦地土壤湿度反演方法研究

  徐良骥, 刘悦, 谌芳, 张坤,

  全球导航卫星系统反射测量（GNSS-R）技术通常以单卫星单频反射信号为数据源进行土壤湿度反演，但其反演精度有限且易忽略不同卫星双频反射信号之间的差异性与互补性。为进一步提高矿区复垦地土壤湿度的反演精度，以安徽省淮南市潘集矿区东辰生态园为研究区，通过HD-V8接收机与土壤湿度监测系统（HZR80型）采集GPS卫星信号和土壤湿度等数据，利用GNSS-R土壤湿度反演方法处理得到GPS PRN1和PRN22卫星的L1、L2波段反射信号的干涉特征参量（振幅、频率、相位），并将其与土壤湿度实测值进行相关性分析，根据相关性分析结果选择相关性较强的干涉特征参量作为最优反演参数；采用自适应加权算法确定最优加权因子对最优反演参数进行数据融合；再利用PRN1和PRN22卫星L1、L2波段的最优反演参数、最优反演参数的算数平均值及其融合值分别与土壤湿度实测值建立基于单频法、均值法与融合法的土壤湿度反演模型，并验证模型的可靠性。结果表明，干涉特征参量中振幅与土壤湿度实测值的相关性较强，其相关系数的绝对值介于0.556 8～0.748 ,表明选择振幅作为最优反演参数比较合理；相比于单频法与均值法，融合法的土壤湿度反演模型更可靠，其决定系数R2为0.763 8，模型验证R2为0.936 9，均方根误差为1.907 8%，平均绝对误差为1.380 6%，最大相对误差为18.482 8%，表明基于双频数据融合的GNSS-R矿区复垦地土壤湿度反演方法可提高反演精度。

• 黄土高原矿区边坡生态恢复治理研究—PVC板材格构锚杆梁植被种植保障技术

  毛正君, 王双明, 安宁,

  为了保护黄土高原矿区生态环境，解决传统工程措施景观效果差且随时间推移结构易失效的问题，采用植被进行坡面保护和侵蚀控制的边坡生态恢复治理，可以实现长期有效地固土护坡以及美化环境的功能。针对当前黄土高原矿区边坡生态恢复植被种植保障结构构筑物自重大，且后期存在强度损伤缺陷的问题，基于PVC板材具有耐酸、耐碱、耐盐、原材料丰富、质量小、对环境友好无危害、更好的耐久性，以及运输成本、施工工期、后期养护综合优势大的特点，提出了基于PVC板材格构锚杆梁的边坡生态恢复治理植被种植保障技术，阐述了其结构设计和施工方法，并整理了黄土高原矿区各植被分带区典型植被，提出了采用灌草型植被群落类型进行坡面生态恢复，辅以乔木进行多级平台生态恢复。结果表明：基于PVC板材格构锚杆梁的边坡生态恢复治理植被种植保障技术改善了传统施工工艺，结构简单，施工方法步骤简便，在保证结构完整性的基础上，自重较小，景观效果好，植被恢复率高，不仅起到坡面防护效果，还能提高边坡稳定性，应用前景广阔。研究成果对于进一步揭示基于PVC板材格构锚杆梁的植被护坡机理，以及黄土高原矿区边坡生态恢复治理研究，实现黄土高原矿区区域经济可持续发展具有重要意义。

• 基于LIDAR的矿区恢复植被高度提取方法研究

  陈秋计, 杭梦如, 李继业, 王鑫,

  矿区土地复垦与生态恢复是建设绿色矿山的重要内容，如何快速监测和评价生态重建效果是迫切需要解决的问题。先进的机载激光雷达测量系统（LIDAR），能够快速准确地获得矿区的植被参数信息，对现代矿山保护、环境治理和监测具有重要的意义。以某露天矿为研究对象，利用无人机雷达测量技术，获取矿区植被点云数据，然后分别采用克里金插值法、不规则三角网插值法和反距离权重插值法建立植被冠层高度模型，提取相应的树高，并将估算值与实测的样本点进行对比分析，进而探究不同插值方法对于该矿区恢复植被高度信息提取的适用性。结果发现：利用反距离权重插值法建立的冠层高度模型所提取的植被高度信息精度最高，2块样地的决定系数R2分别为0.763和0.617，均方根误差分别是0.113 m和0.130 m。其次是不规则三角网插值法，2块样地的决定系数R2分别为0.744和0.599，均方根误差分别是0.121 m和0.135 m。克里金插值法的精度较低，2块样地的决定系数R2分别是0.736和0.534，均方根误差分别是0.120 m和0.153 m。研究也发现由于2块样地地形高度不同，相对飞行高度存在差异，距离无人机的相对高度越低，采集的数据质量就越好，提取的精度就越高。研究表明无人机雷达测量技术能够获取高精度的植被点云数据，通过建模提取植被参数，指导生态环境管理，在矿区土地复垦与生态修复领域具有广泛的应用前景。

• 高潜水位煤矿区地表沉陷信息提取方法研究

  李新举, 周晶晶,

  准确、快速、高效地获取采煤沉陷信息对矿区土地复垦具有重要意义，尤其是针对极易形成大面积的地表沉陷积水区以及非积水区的高潜水位煤矿区，土地复垦工作更为严峻。以高潜水位矿区——鲍店煤矿为研究对象，结合并改进水体和非水体提取方法，获取整个矿区的地表沉陷信息。在改进归一化水体指数（MNDWI）的基础上，针对采煤沉陷水体边缘易于和水体信息混淆的特点，提出了增强型改进归一化水体指数（E-MNDWI）。利用Landsat 8数据通过E-MNDWI提取沉陷积水区域；利用哨兵1号A星数据（Sentinel-1A），通过小基线集技术(SBAS-InSAR)提取出沉陷非积水区域；最后进行克里金插值获取矿区下沉量为10mm的等值线。结果表明：利用E-MNDWI提取沉陷水体精度较高，Kappa系数为85.07%。店矿区西部基本达到稳沉状态，东部地表沉陷较为明显，南部地表略有抬升。监测期内矿区最大地表平均下沉速率为41.69 mm/a，最大下沉量为85.16 mm。截至2017年矿区因采煤造成的沉陷区域面积共10.1 km,其中沉陷积水区为4.6 km,非积水区域为5.5 km2。选取若干基准点验证沉陷非积水区的提取结果，得到决定系数R2为0.92。利用多源多时相数据，结合多种方法获取矿区沉陷信息，可为煤矿城市生态修复和土地整治复垦提供理论依据，并为今后快速高效监测采煤沉陷区地表形变提供新思路。

• 煤矸石山植物物种多样性与土壤化学因子的关系—以灵武矿区生态修复初期为例

  许丽, 丰菲, 刘莹, 杨宇平, 郑雯丹,

  为了得到灵武矿区枣泉煤矸石山生态修复初期优化的植被配置模式，以及影响植物物种多样性的土壤化学因子。通过野外调查结合重要值、α多样性指数和群落相似性系数，对枣泉煤矸石山平台人工重建的乔木林、乔灌木混交林和灌木林3种植被配置类型的植物种类组成、群落结构及α多样性指数的变化，以及各指数与土壤化学因子间的相关关系进行研究，并以矸石山周边自然地貌上的植被为对照。结果表明：①枣泉煤矸石山3种植被配置类型的样地共有植物8科22属24种，菊科植物7种，占总物种数的29.17%；藜科植物6种，占总物种数的25%；豆科和禾本科植物均为4种，各占16.67%。②3种植被配置类型林下多年生草本植物种数占草本层总数的比例大小顺序为：乔木林地（50.00%）＞灌木林地（46.67%）＞乔灌混交林（38.46%），自然地貌的多年生草本植物占其草本层的比例为68.75%。③3种植被配置类型中灌木林地草本层植物种Shannon-Wiener多样性指数和Simpson多样性指数、Patrick丰富度指数和Pielou均匀度指数数值均为最高。④土壤碱解氮与各指数间相关性最高，说明土壤碱解氮含量对植物物种多样性的影响作用较大。⑤3种植被配置类型中乔木林地草本植物种类组成在科、属及种的层次上与自然地貌草本植物组成相似性最高，其林下草本植物盖度、密度、生物量、土壤含水量、土壤有机质和全氮含量均高于乔灌木混交林和灌木林。枣泉煤矸石山生态修复初期3种植被配置类型中乔木林地配置模式较为适宜，且影响植物物种多样性的土壤化学因子主要为土壤碱解氮。

• 露天煤炭开采对矿坑周围土壤生物活性的影响

  包玉英, 马晓丹, 赵旭鹏, 莫莉, 张晓东, 屈翰霆,

  研究东部草原区大型煤田持续开采活动对采坑周边土壤微环境的影响，探索采矿时空序列梯度对生态的扰动机制，为进一步解决矿区生态环境问题提供基础数据。以宝日希勒露天煤矿北侧矿外自然草地区为研究对象，以距采坑的距离为干扰的强度梯度、开采推进的时间为干扰的时间梯度，设置距采坑最远的样点C3为对照，通过测定不同土层中的土壤微生物数量、酶活性和土壤理化，探索露天采煤扰动条件下，草原生态系统中土壤生物活性的时空异质性。结果表明：①随着扰动强度的提高，土壤中细菌、真菌和放线菌的数量，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性，以及土壤含水量、全氮含量均减少或降低；相反土壤铵态氮和速效磷的含量提高。②随着干扰时间的延长，开采扰动对放线菌、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、土壤含水量、铵态氮、速效磷和全氮的影响增强，而对细菌和真菌数量的影响降低。③在露天煤矿开采的时间梯度与距离梯度交互影响下，土壤微生物及土壤酶活性均有一定响应，并且随着干扰时间梯度的减小，土壤生物活性的响应程度下降，而土壤因子的响应变化不同，只有个别因子与土壤生物活性具有相关性。

• 基于RS和GIS矿区生态指标提取与安全评价—以焦作矿区为例

  张合兵, 张克, 刘培, 于志远, 赵嘉伟,

  为了快速、高效地对煤矿区生态安全状况进行评价，借助遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、空间景观格局分析等技术，在压力-状态-响应（PSR）模型的基础上拓展构建压力-状态-响应-格局（PSRP）模型，对焦作矿区33年（1993—2026年）的生态安全状况进行评价与动态变化模拟分析。以遥感卫星影像数据为主要数据源，选取矿区1993年、2004年、2018年遥感数据及社会、经济统计数据，提取用于生态安全评价的建筑用地指数、归一化植被指数、生态弹性度、绿度指数、生物丰富度、湿度指数、破碎度指数、城市扩展强度、干度指数、人口密度、多样性指数、分维度12个关键技术指标，利用层次分析法（AHP）确定指标在生态安全评价的目标层、准则层、指标层3个层次体系，并进一步计算12个指标的权重，从而对生态安全进行评价，最后利用CA-Markov模型模拟获取2026年结果数据，对焦作矿区生态安全状况趋势评价分析和动态变化监测进行研究。结果表明：①利用遥感技术能有效提取用于生态安全评价的绝大多数指标，并且有较好的提取精度，基础指标土地利用/覆盖分类提取结果精度为92%以上；②CA-Markov模型可以进行土地利用/覆盖变化趋势模拟与预测，在该试验选择的3期数据集中预测精度达到83%；③20多年来焦作市裸地和建筑景观变化幅度最大，水体、植被景观变化相对较小，不同的地物覆盖类型均受到人类生产生活的影响；④1993—2018年间，焦作市生态安全状态总体情况先是大幅下降，然后达到平缓稳定状态，其中1993—2004年间生态状态呈现下降趋势，2004—2018年间焦作市的生态状况总体上没有显著的变化；⑤针对典型矿区，1993年，整个矿区还是处于稳定和安全的状态，到2004年，由于矿产资源大量的开采，部分地区由1993年的稳定状态转为临界状态，2018年以来，由于矿区的陆续关闭，矿区的生态安全状况相比于2004年没有太大的变化，模型预测表明到2026年焦作市及其矿区生态指数将呈现出轻微下降趋势，典型矿区与焦作区域表现出一致的生态安全等级分布状况和变化趋势。研究结果可为维护矿区及其周边生态环境的原生平衡、引导矿区资源的合理开采与利用提供技术支持。

• 山西黄土丘陵采煤沉陷区生态环境破坏与修复研究

  胡海峰, 廉旭刚, 蔡音飞, 张凯,

  山西省煤炭开采大都处于黄土沟壑和丘陵山区，其采煤沉陷及地表破坏具有和平地不同的破坏特点，产生的多种形式和不同大小的地表裂缝、槽形塌陷及采动滑坡，使地形地貌及景观产生较大的破坏，水土流失加重等。因此，研究适宜山西地貌和气候特征，以及山西采煤沉陷损伤规律的土地复垦与生态重建技术，构建山西省黄土丘陵采煤沉陷地复垦技术模式显得尤为重要。分析了黄土丘陵采煤沉陷区的地表破坏的类型、形成机理及影响因素，结合黄土丘陵地貌分析研究了开采对地表水资源分布及沉陷区土地及植被的影响和破坏。地下采煤形成的覆岩及地表裂缝为水资源运移和流失提供了通道，采排矿井水对土地造成了污染，采动土地破坏及地表水土流失的加剧，是造成地面生态植被破坏的主要原因。对于采动生态环境破坏，采煤岩土体损害是根本，水资源和植被的破坏为开采损害的延续性影响，而单一类型的损害修复方法无法达到良好的修复状态，因此提出了以地形修复、水资源保护、植被重建等相结合的黄土丘陵沉陷区生态修复技术。通过山西某矿区黄土丘陵地表的土地复垦实践，证明了黄土丘陵沉陷区结合地形条件和生态环境的土地复垦技术的有效性及适宜性，研究成果对山西黄土丘陵矿区的地下开采与生态环境的恢复具有重要的指导意义。

• 高潜水位平原矿区采煤塌陷地复垦方向划定及规划分区

  李树志, 李学良, 门雷雷, 赵晗博, 郭孝理,

  高潜水位平原矿区采煤沉陷范围广、深度大，积水严重，土地利用条件相对复杂。为科学指导该区域采煤塌陷地综合治理的设计与施工，以济宁市为例，通过收集济宁市辖区内各矿地质采矿资料、现有观测成果以及土地利用现状资料，在充分掌握采煤塌陷地损毁现状的基础上，利用概率积分预计软件对济宁市截至2020年的采煤沉陷情况进行了分区块科学预测，并确定了土地损毁程度与工程治理边界的界定标准。基于济宁市采煤塌陷地损毁特征，在科学确定土地单元利用方向的基础上，提出了适合济宁市采煤塌陷地的综合治理模式。结果表明：随着煤炭资源的开采，地表沉陷深度与塌陷范围逐步扩大，不同区域土地损毁特征显著不同；确定了影响济宁市采煤塌陷土地利用的主要影响因素有地面坡度、塌陷类型、地下水埋深、复垦难易程度、沉陷稳定性5项自然因子指标和城镇区位、交通条件、水源条件、政策导向、已治理区现状5项社会经济因子指标，从农业综合治理、生态综合治理、城市功能建设3个角度获得了土地利用评价成果；将济宁市采煤塌陷地分为东部矿区生态景观治理区、中部矿区城市功能开发治理区、西北部矿区农业综合治理区、南部矿区环湖特色产业治理区4个治理区，优化了治理区的治理利用方向与区域土地利用结构，实现了节约集约用地，促进了区域可持续发展。

• 煤矿区复垦土壤的生物改良研究进展

  毕银丽, 郭晨, 王坤,

  煤炭开采造成大量的沉陷区及废弃地，亟待进行土地复垦，而土壤改良是土地复垦的关键和基础。我国煤炭开采大多集中于西部干旱半干旱区域，经过采煤扰动后土地极度退化，自然恢复困难，通过人工手段恢复是目前土地复垦主要的研究方向。人工恢复的关键点是对土壤的改良，提高土壤肥力，改善土壤结构，丰富微生物功能群，进而提高人工恢复的效率。综述了生物改良内涵，分析了矿区土壤改良的影响因素，植被恢复和微生物修复对土壤改良的影响，介绍了现代监测方法高光谱遥感对复垦土壤和植被的监测应用情况。总结了目前自然演替及人工演替下土壤的变化情况、影响因素、作用机制，植被、微生物在随复垦时间延长而对土壤改良的贡献，微生物复垦新技术在土地复垦中的应用以及高光谱遥感在土壤和植被的快速无损监测中的应用方法。归纳出植被恢复、微生物群落功能增强与土壤改良是相互促进的，人工复垦能加快植被恢复速率，增加土壤结构优化及养分积累，促进微生物及土壤酶活性。以丛枝菌根真菌为代表的菌根真菌对复垦区植物的生长生理特征有显著的促进作用。微生物技术的应用是高效、低成本人工生态修复的有效手段，高光谱监测已经在土壤质量和植被长势等方面取得广泛应用，对于矿区生态环境的可持续发展具有深远的现实意义。

• 新疆煤炭资源开发的环境效应与保护策略研究

  卞正富, 雷少刚,

  为提供新疆煤炭资源保护性开发与开采的研究对策，促进新疆煤炭资源开发与环境相适应，总结分析了我国煤炭能源基地建设规划和新疆煤炭资源赋存特征、自然生态环境条件和现有开采方法特点。分析表明，新疆地理环境特殊，与中东部地区存在较大的差异，影响采矿后环境变化的地质条件与特征不明；煤炭开采引起覆岩活动与地质灾害规律不清；煤炭开发与环境的相容性以及可采性不确定。研究新疆煤炭资源开发开采的环境效应，需要重点考虑煤炭资源开发与自然生态环境的相容性、采矿方式影响生态要素及系统的可逆性、考虑资源环境价值的煤炭资源的可采性这3类关键问题。因此，针对新疆煤炭资源与生态环境协调开发的研究不充分及区域环境容量已对煤炭资源开发规模与布局形成倒逼机制的形势，提出了新疆煤炭资源宏观开发策略与微观开采技术相结合的策略，重点需要加强新疆煤田资源赋存特征、水文循环与水资源转换特征、生态环境脆弱特征研究，划分出煤炭资源-水资源-自然生态环境组合类型；煤炭开采引起覆岩活动与地质灾害规律、生态环境损伤机理及综合考虑资源环境价值与技术经济条件的新疆煤炭资源可采性研究的建议。这些研究成果对于优化煤炭产业布局、制定合理的煤炭开发规划、选择合适的开采方式、因地制宜划定生态红线，同时对加大矿区生态环境保护力度，研究推广矿山绿色开采技术，促进新疆煤炭产业可持续发展将具有重要的现实意义。

• 关于煤炭工业绿色发展战略的若干思考——基于生态修复视角

  胡振琪, 肖武,

  煤炭工业正面临着前所未有的环境压力。在生态文明建设、绿色发展已经成为国家战略的新形势下，作为我国主要能源的煤炭工业一定要走绿色发展的道路。从煤炭开采对环境影响的不可避免性和严峻性以及国家绿色发展战略要求的紧迫性等方面阐述了煤炭工业绿色发展的必要性和紧迫性。从主动履行生态修复义务、全生命周期生态修复、开采与环境保护协同发展、边采边复、差异化治理、清洁循环利用和创新发展等方面提出了煤炭工业绿色发展战略的几点思考。认为主动履行生态修复义务是绿色矿山建设的前提，贯穿地质勘探、矿山设计、矿山生产、闭矿4个阶段的煤炭资源开发全生命周期生态修复是实现整体保护系统修复的基础，采复一体化与差异化的治理战略是确保绿色矿山高效建设的保障，清洁利用与创新发展是绿色矿山建设与可持续发展的动力。建议将企业主动履行生态修复和实施绿色开采作为衡量矿山是否是绿色矿山的2大核心指标；全生命周期生态修复、边采边复和差异化治理作为绿色发展的核心战略；以协同发展、创新发展作为绿色发展的核心理念。在矿山设计与生产计划中增加生态修复与绿色开采内容作为当前绿色发展迫切要解决的问题。

• 我国煤矿井下坑道钻探技术装备40年发展与展望

  石智军, 姚克, 姚宁平, 李泉新, 田宏亮, 田东庄, 王清峰, 殷新胜, 刘飞,

  煤矿井下坑道钻探在保障煤矿安全高效开采、增加清洁能源供给、实现绿色发展等方面发挥着不可替代的作用。改革开放以来，我国煤矿井下坑道钻探技术与装备实现了“由无到有”向“由弱到强”的历史性跨越，依靠坑道钻探技术与装备科技创新，支撑煤矿地质保障能力持续增强。首先从矿井灾害防治、隐蔽致灾地质因素探查、煤层气资源开发和其他工程应用等方面，全面阐述了安全高效绿色开采对煤矿井下坑道钻探的需求，并结合煤矿井下坑道钻探领域专著、专利、论文、标准规范、获奖情况，系统回顾和总结了40年来我国煤矿井下坑道钻探技术与装备的发展历程和代表性成果。在坑道钻探技术与装备方面，提出和发展了煤矿井下坑道回转钻进技术、稳定组合钻具定向钻进技术和随钻测量定向钻进技术，实现了煤矿井下钻孔施工由“无控钻进”到“受控钻进”再到“精确定向钻进”的跨越；研制了坑道钻机、泥浆泵（车）、钻杆、钻头、螺杆钻具、随钻测量系统、冲洗液循环净化系统等装备，促进了煤矿井下坑道钻探装备国产化进程及其升级换代，形成了适应于我国煤层赋存地质条件和开采条件、同时具备自主知识产权的坑道钻探技术与装备体系，尤其是大功率定向钻进和自动化、智能化钻进技术与装备研发，使我国煤矿井下坑道钻探技术装备水平跃升到新的台阶，推动了煤矿地质保障技术的进步，支撑了我国煤炭科学产能的释放和煤层气高效开发。面对新一轮能源科技革命，针对新形势下煤矿安全发展新要求，以信息化、智能化为特征的精准快速坑道钻探技术与装备的发展已迫在眉睫，在此基础上，提出了煤矿井下坑道钻探技术与装备发展方向及建议。