Research progress and development direction of key technologies for efficient coalbed methane development in China
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摘要: “十三五”期间，围绕“突破煤层气单井产量低”这一制约我国煤层气高效开发的重大难题，借助国家科技重大专项和其他技术攻关研究，煤层气勘探开发理论认识和工程技术都取得明显进展，表现在4个方面：(1) 勘探理念从寻找富集甜点区向高产甜点区转变,开发部署由平铺式到精细化调整转变。(2) 围绕高效增产技术方面，在实现由二维地震向三维地震、由直井(丛式井)向水平井实践拓展的同时，创新形成以储层改造为主的系列压裂技术，包括碎软煤间接压裂、方解石填充深部(层)煤层气水平井少段多簇体积酸化压裂、特低渗深部(层)煤层气水平井超大规模极限压裂等技术，初步解决了构造煤煤层气效益开发难题，突破了2 000 m以深部(层)压裂改造技术瓶颈，推动了煤层气开发从中浅层向深部(层)的延伸；(3) 围绕排采技术方面，创新形成定量化排采多目标优化设计、煤层气井无杆举升、负压排采等关键技术，推动煤层气排采控制由定性向半定量、定量转变，解决了丛式井组集成化排采和水平井下倾排采难题，有效提高了单井产量和煤层气采收率；(4) 围绕稳产增产储备技术方面，创新提出包括大直径水平井应力释放采气、煤层气可控温注氮驱替增产等技术，为实现煤层气二次开发提供了技术储备。针对我国煤层气产业处于“爬坡期”和“战略机遇期”的阶段特点，围绕“碳达峰碳中和”目标背景，在系统梳理目前亟需解决的技术难题基础上，提出我国煤层气产业“两步走”发展战略：到2025年实现理论与技术新突破，达到国家“十四五”规划年产100×108 m3目标，坚定产业发展信心；到2030年形成针对我国不同地质条件的适用性技术，达到年产300×108 m3目标，成为天然气总产量的重要组成部分。相应对策是：从技术和管理2个维度，按照资源、技术、人才、政策和投资等五大要素，遵循“技术突破为核心、五位一体、协同创新”原则，研究制定并落实配套保障措施，并从高效开发和提高单井产量两方面，提出关系煤层气产业未来发展9方面的理论研究及技术攻关方向，以满足实现煤层气产业高质量发展的目标。Abstract: During the 13th Five Year Plan period, the major problem of the low output of a single well of coalbed methane (CBM) has restricted the efficient development of CBM in China. Through Major National Science and Technology Projects and other technical researches, significant progress has been made in the theoretical understanding and engineering technology of CBM exploration and development. It is manifested in four aspects as follows. Firstly, the exploration concept has changed from looking for rich dessert areas to high-yield dessert areas, and the extensive development deployment has become finer. Secondly, in terms of efficient stimulation technology, with the expansion from two-dimensional seimic to three-dimensional seimic and from vertical wells (cluster wells) to horizontal wells, a new series of fracturing stimulation technologies for coal reservoirs transformation are developed, including indirect fracturing of crushed soft coal, multi-cluster acid fracturing of few sections of horizontal wells applied to calcite filled deep coal seams, and ultra-large-scale limit fracturing of horizontal wells in ultra-low permeability deep coal seams. These technologies have preliminarily solved the problem of economic benefit development of structural coal CBM, broken through the bottleneck of fracturing technology in coal seams with a depth of more than 2 000 m, and promoted the extension of CBM development from medium-shallow layers to deep layers. Thirdly, in terms of drainage and production technology, key technologies such as quantitative drainage and production multi-objective optimization design, CBM well rodless lifting and negative pressure drainage technology have been developed, promoting the transformation of CBM drainage and production control from qualitative to semi-quantitative and quantitative, solving the drainage and production problems of integrated cluster well groups and downward inclined horizontal wells, and effectively improving the production of single wells and the recovery rate of CBM. At last, in terms of stable production and stimulation technology, the innovative technologies are proposed, including stress release gas production of large-diameter horizontal wells and controllable temperature nitrogen injection displacement and stimulation of CBM, which provides technical reserves for the secondary development of CBM. In view of the stage characteristics of China’s CBM industry in the “climbing period” and “strategic opportunity period”, and the goal of the “carbon peak and neutrality”, based on the technical problems that need to be solved, this paper puts forward the “two-step” development strategy of China’s CBM industry. (1) By 2025, breakthroughs will be made in theory and technology, reaching the national target of 10 billion cubic meters per year in the 14th Five Year Plan, and strengthening confidence in industrial development. (2) By 2030, applicable technologies for different geological conditions in China will be formed, reaching the target of annual output of 30 billion cubic meters, and becoming an important part of natural gas production. The corresponding countermeasures are as follows. From the perspective of technology and management, according to the five elements of resources, technology, talents, policy and investment, and in line with the principle of “technological breakthrough as the core, five in one and collaborative innovation”, supporting safeguard measures are studied, formulated and implemented. Moreover, from the two aspects of efficient development and increasing the output of single well, theoretical research and technical research directions in nine aspects related to the future development of CBM industry are put forward, so as to achieve the goal of realizing the high-quality development of national CBM industry.
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煤炭是我国的主体能源，是国家能源安全的“兜底保障”[1]。我国煤炭赋存地质条件复杂，煤层埋藏较深，煤炭资源开发大多采用地下开采方式[2]。随着国家煤炭资源开采重心西移，山西、陕西、内蒙古、新疆等干旱半干旱地区成为煤炭资源开采的主阵地[3]。然而，这些地区生态环境本底较为脆弱，高强度的煤炭开采活动产生了大量采煤沉陷区，加剧了土壤侵蚀、植被退化等一系列生态环境问题，制约了当地生态环境的高质量发展[4-6]。科学高效地获取生态环境监测数据，是矿区生态环境保护与治理的重要保障[7]。在此背景下，开展干旱半干旱采煤沉陷区生态环境体系化监测具有重要的现实意义与应用价值。
过去几十年，国内外学者开展了矿区水体、土壤、大气、植被等多种生态环境要素监测与分析一系列研究。现有研究中关于矿区生态环境要素监测的思路主要有两类：一是选择某种单一的技术方法获取监测数据，包括人工实地调查[8]、样本室内化验分析[9]、地面站点监测[10]、卫星遥感[11]、无人机遥感[12]等。二是融合多个平台的协同监测技术，包括“空−地−人”的矿区空气污染监测技术[13]、“空−天−地−人”的矿山地质环境立体协同监测技术[14]、“天−空−地”的矿区生态修复工程监测技术[15]等。
然而，上述研究中基于单一的技术方法获取的监测指标有限，无法满足多部门对监测指标的覆盖性、时空分辨率等方面的要求[16]。融合多个平台的协同监测技术实现了不同观测平台的优势互补，在一定程度上弥补了单一技术方法的不足，是当前技术发展的主要趋势方向，但是现有研究构建的协同监测技术体系仍然存在如下问题：一是未完全集成主要的观测平台，尤其对于塔基观测和室内分析涉及较少；二是在指标覆盖性、监测数据管理与决策支持等方面与煤矿区一线实际业务结合少。因此，尽管矿区生态环境监测已经取得了大量的研究成果，但神东采煤沉陷区生态环境监测业务仍然面临多部门要求的监测要素指标复杂、监测效率低、数据组织管理难度大、数据无法支撑精准决策应用等现实问题。针对上述问题，笔者在详细剖析和总结神东采煤沉陷区生态环境相关监管文件要求和监测难点的基础上，提出了神东采煤沉陷区生态环境一体化监测技术体系，分别阐述了一体化监测的要素指标内容与对应监测方法、一体化监测的技术路线与观测时空协同关系、一体化监测的平台实现与决策应用，以期为干旱半干旱采煤沉陷区生态环境一体化监测提供典型案例与重要参考。
1 研究区概况
神东矿区位于黄河流域上中游晋陕蒙交界处，属于黄土高原丘陵沟壑区与毛乌素沙地的过渡地带，地势西北高、东南低，地形复杂多变[17](图1)。气候属于温带半干旱大陆性气候，冬季寒冷漫长，夏季炎热短暂，春秋气温变化剧烈。年平均气温约为6.6 ℃，年降水量约为360 mm，地下水资源匮乏[18]。土壤类型丰富，包括风沙土、栗钙土、黑垆土等，其中风沙土占据一半以上的土地面积，地表风蚀和水蚀现象多发，是全国水土流失重点监督区与治理区[19]。植被主要为干草原、落叶阔叶灌丛等，自然植被覆盖率较低、生长季短、抗旱能力较强。
神东矿区拥有丰富的煤炭资源，共涵盖13个生产煤矿(共14个矿井，大柳塔煤矿为一矿两井)。神东矿区已建设成千万吨矿井群，是全国首个2亿 t商品煤生产基地[20-21]，但长期大规模开采活动对生态环境保护与治理提出了重大挑战。
2 神东采煤沉陷区生态环境监测相关政策要求
2.1 相关政策分析与总结
国家各部委(如自然资源部、生态环境部、水利部、国家发展和改革委员会等)和地方政府对矿区生态环境提出了多个监管政策要求，神东矿区所涉及的主要监管部门文件见表1。例如，在国家部委层面，自然资源部《矿山地质环境保护规定》(2019年修正)指出：要指导、监督采矿权人开展矿山地质环境监测；采矿权人应当定期向矿山所在地的县级自然资源主管部门报告矿山地质环境情况，如实提交监测资料。生态环境部《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》(环环评〔2020〕63号)指出：矿井水要安装在线自动监测系统，相关环境数据向社会公开，与相关部门联网，接受监督；建设单位应按照标准规范要求开展地下水、地表水等环境要素长期跟踪监测。水利部《推动黄河流域水土保持高质量发展的指导意见》(水保〔2021〕278号)指出：以能源、化工、矿产资源开发、基础设施建设等生产建设项目为重点，持续强化水土保持监管。国家发展和改革委员会《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(发改能源〔2020〕283号)指出：坚持生态优先，开展矿区生态环境智能在线监测。对上述文件要求进行分析发现，在国家部委层面上，自然资源部的要求主要涉及煤层、岩层、土地、生态系统等相关指标，生态环境部的要求主要涉及大气、地表水、地下水、土壤、生态系统、碳源、碳汇等相关指标，国家发展和改革委员会的要求主要涉及矿井水保护利用、煤矿信息化和智能化，水利部的要求主要涉及水土保持相关指标。地方政府的文件主要是在国家部委要求的基础上，结合本地区实际情况制定具体要求。本文对政府管理部门要求监测的指标进行归类，可以划分为“煤−岩−水−土−气−植−碳”7类(监测要素内容和指标详见下文3.1节)。
表 1 主要监管部门的文件要求Table 1. Regulatory documents issued by major regulatory authorities监管部门 监管文件 自然资源部 《矿山地质环境保护规定》(2019年修正) 《关于进一步加强绿色矿山建设的通知》(自然资规〔2024〕1号) 《土地复垦条例实施办法》(2019年修正) 《关于加强矿山地质环境恢复和综合治理的指导意见》(国土资发〔2016〕63号) 生态环境部 《工矿用地土壤环境管理办法(试行)》(生态环境部令〔2018〕3号) 《矿山环境监察指南(试行)》(环办〔2013〕14号) 《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》(环环评〔2020〕63号) 水利部 《生产建设项目水土保持方案管理办法》(水利部令〔2023〕第53号) 《推动黄河流域水土保持高质量发展的指导意见》(水保〔2021〕278号) 《水利部办公厅关于进一步加强生产建设项目水土保持监测工作的通知》(办水保〔2020〕161号) 国家发展和改革委员会 《关于加强矿井水保护和利用的指导意见》(发改环资〔2024〕226号) 《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(发改能源〔2020〕283号) 陕西省 《陕西省煤炭石油天然气开发生态环境保护条例》(2019年9月27日陕西省第十三届人民代表大会
常务委员会第十三次会议第二次修订)内蒙古自治区 《内蒙古自治区人民政府办公厅关于印发自治区矿山环境治理实施方案的通知》(内政办字〔2020〕56号) 山西省 《山西省矿山地质环境保护与治理规划(2018—2025年)》(晋自然资发〔2019〕31号) 2.2 神东采煤沉陷区生态环境监测的难点
在上述监管要求下，结合当地自然地理条件，神东采煤沉陷区生态环境监测存在如下难点。
(1)多要素一体化协同监测。神东矿区生态环境本底脆弱，自然植被覆盖少，水土流失严重，叠加高强度的地下煤炭开采活动，生态环境的植被、土壤、水体等多个关键要素发生耦合协同演变，因此，需要实现生态环境多个关键要素的一体化协同监测[22]。
(2)多部门监测要求协调。各部委和地方政府对矿区生态环境监管规定多，监测要素参数、标准规范、数据统计口径等可能存在不一致问题，因此矿区生态环境监测的不同平台、仪器设备、监测点位应实现紧密协调获取数据[23]，满足政府不同部门要求的同时，避免重复性监测，提高生态环境监测工作效率。
(3)多源异构大数据管理与时空协同处理。多要素协同监测涉及的观测平台多、要素指标多、时间跨度大，不同观测平台获取的数据存在结构差异大、时空范围与分辨率不一致的问题[24-26]，因此需要实现生态环境多源异构大数据的高效存储、动态组织管理、时空协同处理。
(4)面向现场应用的多源大数据融合建模与智能决策分析。采煤沉陷区生态环境监测的目的是支撑科学有效的生态环境保护与修复。因此，需要面向现场生态修复工程应用于生态环境日常管护，实现生态环境多源监测大数据的关联融合、建模分析以及智能决策，通过精准修复和科学管护提高生态修复工程的效率和效益[27]。
针对“多要素一体化协同监测”和“多部门监测要求协同”两个问题，统筹考虑各部门要求的“煤−岩−水−土−气−植−碳”7类要求，在分析各类要素监测指标获取方法的基础上，统筹搭建“天−空−塔−地−室”一体化观测平台体系。通过不同观测平台的不同时空观测能力进行优势互补，实现生态环境关键要素的一体化协同监测，解决重复监测、工作效率低的问题(见下文第3章)。针对“多源异构大数据管理与时空协同处理”和“面向现场应用的多源大数据融合建模与智能决策分析”两个问题，开展了多源数据高效组织管理模型、时空一致性纠正算法、数据格式统一、智能决策模型等研究，集成上述算法和模型，设计并实现了神东生态环境监测平台，解决多源大数据协同处理与决策应用的问题(见下文第4章)。
3 “煤−岩−水−土−气−植−碳”一体化监测技术体系
3.1 监测要素与主要方法
针对采煤沉陷区生态环境监测的政策要求与难点，神东矿区构建了生态环境一体化监测技术体系。该体系包括“煤−岩−水−土−气−植−碳”7类监测要素、17个监测类别、60个以上的监测指标。每个指标对应的观测平台、执行的相关标准规范见表2。神东矿区为满足各部门监管要求，将上述指标均集成到了神东生态环境监测平台。
表 2 神东采煤沉陷区生态环境监测的主要要素Table 2. Primary factors in the ecosystem monitoring of the Shendong coal mining subsidence area监测要素 监测类别 监测指标 观测平台类型 执行规范 煤 地下煤层 煤层厚度 地基平台 《安全高效现代化矿井技术规范》
(MT/T 1167—2019)甲烷浓度 地基平台、室内化验分析 煤质状况 地基平台、室内化验分析 岩 地表岩层 岩性 天基平台、空基平台、室内化验分析 《矿山地质环境监测技术规程》
(DZ/T 0287—2015)、《矿山环境遥感
监测技术规范》(DZ/T 0392—2022)地表形变 天基平台、空基平台、地基平台 土地压占规模 天基平台、空基平台、地基平台 排矸场复垦率 天基平台、空基平台、地基平台 地下岩层 地下形变 地基平台 岩土体含水率 地基平台、室内化验分析 地应力 地基平台 水 水资源 水位 地基平台 《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ 610—2016)、《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)、《煤炭工业污染物
排放标准》(GB 20426—2006)地下水水质 地基平台、室内化验分析 水体面积 天基平台、空基平台、地基平台 排水量 地基平台 用水量 地基平台 水环境 水温 天基平台、空基平台、
塔基平台、室内化验分析《地表水环境质量标准》
(GB 3838—2002)、
《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)、《城镇污水处理厂污染物排放标准》
(GB 18918—2002)PH值 室内化验分析 溶解氧 室内化验分析 总磷 室内化验分析 总氮 室内化验分析 类大肠菌群 室内化验分析 砷、铬、铅等98项 室内化验分析 水生态 浮游植物 室内化验分析 《水生态监测技术指南 湖泊和水库水生生物监测与评价(试行)》(HJ 1296—2023) 浮游动物 地基平台、室内化验分析 微生物 室内化验分析 土 土地利用 土地利用类型 天基平台、空基平台、地基平台 《土地利用现状分类》
(GB/T 21010—2017)土壤质量 土壤机械组成 室内化验分析 《自然生态系统土壤长期定位监测指南》(GB/T 32740—2016)、《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016) 土壤含水量 天基平台、空基平台、地基平台 土壤温度 天基平台、空基平台、
塔基平台、地基平台土壤有机质含量 天基平台、空基平台、室内化验分析 土壤污染 土壤pH值 室内化验分析 《土地质量地球化学评价规范》
(DZ/T 0295—2016)、
《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险
管控标准(试行)》(GB 36600—2018)重金属含量 室内化验分析 总石油烃 室内化验分析 氟化物 室内化验分析 四氯化碳、氯仿、
氯甲烷等38项室内化验分析 水土流失 土壤侵蚀模数 天基平台、空基平台、地基平台 《生产建设项目水土保持监测与评价标准》(GB/T 51240—2018) 土壤流失量 地基平台 沙化土地面积 天基平台、空基平台、地基平台 气 气象条件 大气温湿度 天基平台、地基平台 《地面气象观测规范 总则》
(GB/T 35221—2017)风向风速 天基平台、地基平台 降水量 地基平台 空气质量 CO2浓度 地基平台 《环境空气质量标准》(GB 3095—2012) PM2.5浓度 地基平台 非甲烷总烃 地基平台 气 锅炉废气 SO2 地基平台 《锅炉大气污染物排放标准》
(GB 13271—2014)、《大气污染物
综合排放标准》(GB 16297—1996)NOx 地基平台 林格曼黑度 地基平台 汞及其化合物 地基平台 植 植被生长状态 叶绿素含量 天基平台、空基平台、室内化验分析 《全国生态状况调查评估技术规范—生态系统质量评估》(HJ 1172—2021)、《全国生态状况调查评估技术规范—森林生态系统野外观测》(HJ 1167—2021)、《矿山土地复垦与生态修复监测评价技术规范》(GB/T 43935—2024) 树高、胸径 地基平台 存活率 空基平台、地基平台 净初级生产力 天基平台、空基平台、
塔基平台、室内化验分析叶面积指数 天基平台、空基平台 植被覆盖度 天基平台、空基平台 生物多样性 野生动物种数 塔基平台、地基平台 《生态环境状况评价技术规范》
(HJ 192—2015)、《生物多样性(陆域生态系统)遥感调查技术指南》(HJ 1340—2023)野生植物种数 地基平台 中国特有的物种数量 塔基平台、地基平台 极危/濒危/易危物种数 塔基平台、地基平台 外来物种种类数 塔基平台、地基平台 碳 静态碳库 土壤碳储量 天基平台、空基平台、地基平台 《经济林碳计量与监测技术指南》
(T/CSF 076—2023)、《土壤 有机碳的测定 重铬酸钾氧化−分光光度法》
(HJ 615—2011)植被碳储量 天基平台、空基平台、地基平台 动态碳库 植被固碳能力 天基平台、空基平台、地基平台 《经济林碳计量与监测技术指南》
(T/CSF 076—2023)土壤固碳能力 地基平台 《土壤 有机碳的测定 重铬酸钾氧化−分光光度法》(HJ 615—2011) 温室气体排放 天基平台、空基平台、地基平台 《中国煤炭生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》(2014年) CH4逃逸排放 天基平台、空基平台、地基平台 《固定污染源废气 总烃、甲烷和非甲烷总烃的测定 气相色谱法》(HJ 38—2017) 3.2 “煤−岩−水−土−气−植−碳”一体化监测技术路线
基于上述监测内容，制定了神东采煤沉陷区生态环境一体化监测技术路线，如图2所示。首先建设了“天−空−塔−地−室” 5个层次的观测平台体系，随后构建了生态环境监测大数据高效组织管理、存储计算等关键技术，实现了“煤−岩−水−土−气−植−碳”监测数据一体化时空协同处理、融合建模与智能决策分析。
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图 2 “煤−岩−水−土−气−植−碳”一体化监测技术路线Figure 2. Roadmap of integrated coal-rock-water-soil-air-vegetation-carbon monitoring technology3.3 “天−空−塔−地−室”一体化观测与时空协同关系
“天−空−塔−地−室”不同的观测平台具有不同的观测能力，具体表现为：能够监测不同的要素指标以及实现不同的时空观测范围和时空分辨率。本文总结了“天−空−塔−地−室”不同平台能够观测的要素指标，即各个平台能够获取哪些要素的哪些指标，对应关系见表2。例如，天基平台和空基平台搭载合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)均能获取土壤含水量(不同平台的时空观测范围和时空分辨率有差异，下文介绍)。塔基热红外监测可以获取局部区域的地表土壤温度。地基土壤站点观测可以获取点位的土壤含水量、土壤温度。实验室化验分析可以获取土壤机械组成、有机质含量、pH值等。其他要素指标与平台的对应关系可以详见表2，在此不再赘述。多个观测平台的组合实现了“煤−岩−水−土−气−植−碳”多要素指标的全面覆盖监测。“天−空−塔−地−室”不同观测平台的时空观测范围和时空分辨率各有侧重，如图3所示。通过建设“天−空−塔−地−室”5个层次的观测平台体系，能够实现生态环境监测时空范围与分辨率的优势互补，形成大范围、长时序、高频次、中高空间分辨率的采煤沉陷区生态环境监测大数据获取能力。
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图 3 不同平台技术的时空观测范围和时空分辨率Figure 3. Spatiotemporal observation ranges and resolution based on various platform technologies4 平台实现与一体化监测成果应用
4.1 神东生态环境监测平台系统功能
在生态环境监测大数据的基础上，设计并实现了神东生态环境监测平台。平台主要系统功能如图4所示，主界面如图5所示。该平台协调了政府多个监管部门对神东采煤沉陷区生态环境监测的要求，针对神东生态环境一体化监测面临的观测平台多、要素指标复杂、时间跨度长，不同平台获取的监测数据存在结构差异大、时空不同步、分辨率不一致的问题，设计并实现了矿区生态环境大数据地理格网剖分与时空编码模型、高效时空复合索引模型、多尺度聚合与时空查询模型等，对多源一体化监测数据进行时空一致性纠正、数据格式统一等协同处理。其中，来源于“天−空−塔−地−室”等不同观测平台的多源监测数据主要有：卫星遥感图像数据、无人机遥感图像数据、三维点云数据、塔基观测图像和视频数据、地面调查记录数据、站点在线监测数据、室内化验分析数据等。该系统制定了一套面向神东矿区13个生产煤矿的生态环境多源大数据一体化管理规范与数据接口标准。基于数据结构将上述数据划分为4个类型，即栅格数据(如原始卫星遥感图像数据、各类生态参数反演产品等)、矢量数据(如采样点位数据、土地利用类型数据、水土流失防治责任范围数据等)、文本数据(如气象站、水质监测站等各类站点在线监测记录的数据)、其他数据(如无人机三维地形建模数据、视频监控数据等)。针对不同的数据类型，分别开展时空一致性纠正、数据格式统一等时空协同处理。其中，时空一致性纠正主要是解决时空数据在采集和生产时所出现的时间属性、空间尺度、空间基准等不一致的问题。例如针对多源遥感数据由于成像时间不一致而导致生态参数存在系统性偏差，基于图像灰度分布概率设计并提出了一致性纠正方法[28]。矢量数据由于不同时间下采集而导致几何冲突，需要通过拓扑、语义等分析选择准确的空间对象，从而统一空间基准。针对数据格式统一的问题，分别设计了不同数据类型的文件系统保存形式(包括存储格式、命名规范、目录结构、自定义的元数据格式)、数据库系统保存形式(包括数据表名、数据表字段、元数据表名、元数据表字段、关联字段)以及各类数据表。例如，栅格数据存储格式统一转换为TIFF格式，命名规范为“煤矿ID_数据类型_日期_传感器_空间分辨率”，目录结构为“/煤矿/年份/月份/传感器”等。
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图 4 神东生态环境监测平台主要系统功能Figure 4. Primary systems and functions of the Shendong ecosystem monitoring platform![]()
图 5 神东生态环境监测平台主界面Figure 5. Main interface of the Shendong ecosystem monitoring platform在数据一体化管理规范的基础上，该系统将离散格网作为时空监测大数据的组织框架，基于格网编码方法，融合矢量空间数据，设计“尺度分层−空间分区−时间分片”的多层级组织结构实现大规模时空数据的高效组织[29]。根据数据体量、数据结构的差异，采用文件系统和数据库混合式存储方法，将监测大数据统一存储管理，即原始遥感图像等大文件数据存储于分布式文件系统HDFS中，栅格瓦片、矢量数据、属性数据、元数据等存储于数据库HBase和PostgreSQL[27]。在空间网格索引基础上考虑时间维度信息，利用三维Z-order空间填充曲线设计顾及尺度特征的时空复合索引结构，加速生态环境监测大数据的检索、查询分析与聚合计算[27]。系统最终建立了覆盖约2 000 km2空间范围和30 a时间跨度、30 m-10 m-1 m三级空间分辨率和季−月−天三级时间分辨率的神东矿区生态环境一体化监测大数据库，实现了神东生态环境多源异构大数据的高效组织管理、在线计算与动态更新、有效聚合与可视化查询分析等。此外，平台集成了多源大数据融合建模与智能决策分析相关的模块，例如植被、土壤、水体等参数反演建模模块主要融合卫星、无人机、地面测量、室内化验分析等数据建立参数反演模型，实现上述生态要素参数的遥感计算。生态演变趋势推演预测模块主要融合多源大数据建立生态演变趋势推演预测模型，实现生态综合变化趋势的推演预测；植株种植适宜性评价与优选模块、植株自动识别与数量核算模块等主要实现了生态种植工程建设与验收过程中的智能决策。
4.2 神东生态环境一体化监测成果应用成效
上述技术体系和生态环境监测平台在神东煤炭集团13个生产煤矿开展了应用，在满足政府多部门监管要求的基础上，有效支撑了采煤沉陷区生态修复工程建设与生态植物日常管护。
神东生态环境一体化监测大数据为生态修复工程建设和日常管护分别提供了本底数据、近实时的过程数据、竣工验收数据等客观依据，助力采煤沉陷区生态修复效率提升与质量保障，例如：(1)生态植物种植工程前，通过本底监测大数据摸底土壤种植的适用性，优选植被类型组合与种植密度。例如，基于一体化监测大数据分析，对哈拉沟煤矿某地提出植被类型组合优选和种植密度规划建议(图6a、图6b)。(2)日常管护工程中，通过遥感监测数据核定灌草植物平茬作业工程量；通过多源监测数据及时发现植被长势退化、土壤墒情等。以石圪台煤矿和补连塔煤矿为例，植被变化趋势和土壤墒情如图7a、图7b所示。(3)生态修复工程后，通过无人机影像识别存活植株、测算生态种植工程的植株存活率等。以上湾煤矿为例，通过无人机影像和改进的YOLO v8模型实现了生态种植工程实施后樟子松存活植株识别(图8)。基于识别的存活植株数和施工种植数量可以计算存活率。综上，神东生态环境一体化监测技术有效支撑了生态修复工程的植物类型与种植密度优选(种植前)、植被长势与土壤墒情研判(种植中)、植株数量与存活率监测验收(种植后)等不同阶段的智能决策，取得了良好的应用效果。神东矿区逐步建成哈拉沟生态示范基地(图9)、大柳塔生态示范基地、上湾生态示范基地等，先后获评省级水土保持科技示范园、国家水土保持科技示范园、国家水土保持生态文明工程示范点、国家级绿色矿山、煤炭行业科普教育基地、全国煤炭行业红色教育基地、水土保持科普教育基地以及全国首个采煤沉陷区“山水林田湖草沙”生态示范基地等荣誉，取得了显著的社会效益。
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图 6 哈拉沟煤矿某地植被类型组合优选和种植密度规划建议Figure 6. Recommended vegetation type combinations and planting density for an area in the Halagou Coal Mine![]()
图 7 石圪台煤矿和补连塔煤矿植被变化趋势和土壤墒情结果示例Figure 7. Vegetation variation trends and soil moisture content in the Shigetai and Bulianta coal mines![]()
图 8 上湾煤矿某生态种植工程樟子松存活植株识别结果示例注：识别出的每棵单株樟子松用蓝框标记Figure 8. Identification results of surviving pinus sylvestris var. mongolica plants in the ecological planting engineering of the Shangwan Coal Mine![]()
图 9 哈拉沟煤矿“国家水土保持生态文明工程示范点”Figure 9. Exemplary site of national soil and water conservation ecological civilization engineering in the Halagou Coal Mine.5 总结与展望
(1) 论述了神东采煤沉陷区生态环境一体化监测技术与应用，构建了“煤−岩−水−土−气−植−碳”要素一体化监测和“天−空−塔−地−室”多观测平台协同的技术体系，研发了神东生态环境监测平台，解决了生态环境多要素耦合协同分析、多部门监测要求协调、多源异构大数据管理与时空协同处理、基于多源监测大数据的生态修复智能决策等问题。
(2) 构建的要素一体化监测和多平台协同技术体系是对现有研究中融合多平台协同监测技术的发展，延拓了观测平台技术和可监测的指标，发展了数据协同处理和智能决策分析方法。既满足了多个监管部门对指标覆盖性和监测效率的要求，也助力了采煤沉陷区生态修复工程与植物日常管护，为干旱半干旱采煤沉陷区生态环境监测治理提供了典型案例参考。
(3) 提出的技术体系在监测数据类型、数据处理精度、决策支持应用方面仍有改进空间。今后可从以下方向开展后续研究：一是通过进一步增加和更新维护监测设施，完善一体化监测技术体系，获取更多类型的生态环境监测数据；二是优化遥感监测、站点监测数据的处理算法，提高多源监测数据的加工精度；三是进一步挖掘监测大数据的内在联系，促进监测数据成果在生态环境保护与治理工作中的进一步应用。
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图 2 裂隙多为方解石填充的深部(层)煤岩心
Fig. 2 Fractures of the deep coal core mostly filled with calcite
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图 3 酸液浸泡深部(层)煤储层岩心前后扫描电镜结果
Fig. 3 Scanning results of electron microscope scanning before and after acid immersion of the deep coal core
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图 4 多目标最优化定量化排采技术路线
Fig. 4 Technical roadmap of multi-objective optimization quantitative drainage and production
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