An integrated ecosystem monitoring technology for coal mining subsidence areas and its application in the Shendong mining area
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摘要:背景
干旱半干旱采煤沉陷区生态环境监测是区域性生态环境保护与治理的重要前提，对推动绿色矿山建设具有重要意义。
方法立足政府对矿山生态环境的监管要求，分析了神东采煤沉陷区生态环境监测的难点，详细论述了“煤−岩−水−土−气−植−碳”一体化监测技术体系，制定了神东生态环境一体化监测要素、主要方法、技术路线，分析了“天−空−塔−地−室”一体化观测的时空协同关系，设计并实现了神东生态环境监测平台，在神东采煤沉陷区进行了生态环境一体化监测实践。
结果和结论研究表明：(1)提出的“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，统筹考虑了各监管部门的要求和不同观测平台的优势，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的问题，满足了多个监管部门对指标覆盖性和监测效率的要求。(2)研发的神东生态环境监测平台集成了多源数据高效组织管理模型、智能决策模型等，解决了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，助力了采煤沉陷区生态修复工程与植物日常管护。(3) 提出的采煤沉陷区生态环境一体化监测技术在神东矿区绿色矿山建设中应用，在植物类型与种植密度优化决策、植被长势与土壤墒情研判、修复工程的植株数量与存活率智能监测验收等方面取得了良好的应用效果，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。
Abstract:BackgroundThe ecosystem monitoring of arid and semi-arid coal mining subsidence areas acts as a significant prerequisite for regional ecosystem conservation and management, holding critical significance for accelerating green mine construction.
MethodsBased on the Chinese government's regulatory requirements for mine ecosystems, this study analyzed the difficulties in ecosystem monitoring in the coal mining subsidence area of the Shendong mining area (also referred to as the Shendong coal mining subsidence area). By detailing the integrated coal-rock-water-soil-air-vegetation-carbon monitoring technology system, this study determined the factors, principal methods, and technology roadmap for the integrated ecosystem monitoring in the Shendong coal mining subsidence area. Accordingly, this study delved into the spatiotemporal synergistic relationships of the space-air-tower-ground-laboratory multi-platform observations and then developed the Shendong ecosystem monitoring platform, which was applied to the integrated ecosystem monitoring in the Shendong coal mining subsidence area.
Results and ConclusionsThe results indicate that the integrated ecosystem monitoring technology system, combined with the space-air-tower-ground-laboratory multi-platform observations, comprehensively accounts for the requirements of various regulatory authorities and the advantages of different observation platforms, achieves the synergistic analysis of multiple ecological factors and the coordination of various regulatory authorities, and fulfills the requirements of multiple regulatory authorities for indicator coverage and monitoring efficiency. The Shendong ecosystem monitoring platform, integrating models including the efficient organization and management model of multi-source data and the intelligent decision-making model, enables the management and spatiotemporal collaborative processing of multi-source heterogeneous big data, as well as the intelligent decision-making for ecological restoration based on the big data from multi-source monitoring, facilitating the ecological restoration engineering and routine plant care in the Shendong coal mining subsidence area. The integrated ecosystem monitoring technology has been applied in the green mine construction of the Shendong mining area, achieving encouraging outcomes in the decision-making for the optimization of plant types and planting density, the assessment of vegetation growth and soil moisture content, and the intelligent monitoring and acceptance check of plant quantities and survival rates in the restoration engineering. This study provides a typical case for ecosystem monitoring and management in arid and semi-arid coal mining subsidence areas.
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充填技术是绿色开采的重要组成部分，充填材料强度是充填技术的核心，研发成本低廉、性能可靠、低碳环保的充填材料[1]，是发展充填技术的关键。煤矸石(CG)作为煤矿开采和洗涤过程中的主要固体废弃物，占煤炭总量的15%~20%[2-3]。堆积的煤矸石废渣不仅会占用大量土地资源，而且还有可能会引起地表沉降、土壤污染等灾害[4-5]。就地取材，原地利用，开发煤系固废基绿色充填材料，不仅可解决煤矿开采带来的环境问题，同时还能最大程度提高“三下”压煤采出率。因此，将煤矸石转化为清洁型充填材料，符合我国绿色低碳循环经济发展战略需求。
煤矸石中含有大量的金属和非金属资源，如Al、Si、Fe、C、O等[6-7]，已有多项研究提出煤矸石的处理方法和利用途径。传统处理方法是利用煤矸石余能发电[8]，但这种方法将煤矸石煅烧后仍会产生大量残渣，容易造成二次污染。近年来，研究人员对潜在活性较低的煤矸石作为建筑、充填材料开展广泛研究，如煤矸石用作水泥基材料添加剂，对煤矸石进行预处理可以激发其火山灰活性[9]，从而提高水泥基材料的强度。用作混凝土骨料，不仅可以满足混凝土的力学强度，也能满足混凝土的耐久性要求[10]。Wang Hao等[11]将煤矸石和粉煤灰混合制成浆料，直接用于采空区充填，减少了煤矸石对环境的危害。部分学者[12-13]采用煤矸石和矿粉等制作一种路基回填材料，复合材料的流变特性、抗压强度、凝结时间等均满足路基回填材料的技术要求。尽管此类煤矸石得到了一定的应用，但其潜在活性低、级配需定向调整对复合材料的强度均有很大影响。另外，由于附加值较低，依赖于运输距离，作为建材、路基填料等应用前景具有一定的局限性。
另一类与煤层伴生的硬质高岭土煤矸石，含碳量低，黏土矿物含量高[14]，潜在活性高，经800℃煅烧脱羟基后可制备煤系偏高岭土。由于偏高岭土的主要成分是二氧化硅和氧化铝，已经成为碱激发材料的重要组成部分，具有较高的技术优势和经济优势[15]。偏高岭土作为矿物添加剂或水泥掺合料已经得到广泛研究[16]，替代部分水泥不仅可以减少CO2排放，而且可以改善水泥强度[17]。D. L. Pillay等[18]采用偏高岭土制作地聚物混凝土，发现在海洋工程中可以有效抵抗氯离子的侵蚀。此外，偏高岭土地聚物具有良好的抗渗性，也可作为危险废物的封装，有效减少放射性元素的浸出[19]。V. S. Le等[20]也发现碱激发偏高岭土具有较强的抗火性，可以作为耐火性涂料等。煤系偏高岭土的碱激发胶凝特性为其作为充填材料资源化利用提供了可能，但其反应需水量大、流动性差，限制了其作为矿山充填材料的应用。
煤矸石的潜在活性较低，难以提供充填材料所需的胶凝强度，而潜在活性高的煤系偏高岭土(MK)，存在需水量大、流动性差的应用缺陷。基于此，笔者将两类煤矸石进行资源化协同利用，探讨复配制备煤系固废基绿色充填材料的可行性。综合评估两类固废掺比和碱激发剂对该充填材料强度和流动性的影响规律，采用XRD、FTIR、TG和SEM-EDS等表征手段，揭示煤系固废基充填材料反应机理，结合强度、流动性和环境指标，优化了材料配比。本研究可为充填技术发展和绿色矿山建设提供更为广阔的空间。
1 材料与方法
1.1 实验材料
煤矸石取自山西运城某煤矿堆土场，煤系偏高岭土由该矿煤系高岭土煤矸石煅烧制得。采用机械活化的方式对煤矸石进行预处理，基于以往研究工艺，将煤矸石球磨至所需粒径[21]，粒径分布曲线如图1所示。由图1可知，偏高岭土不均匀系数Cu=4.35<5，曲率系数Cc=0.90<1；煤矸石不均匀系数Cu=24.89>5，曲率系数Cc=0.60<1，表明煤矸石和偏高岭土的级配均不良。XRD矿物组成如图2所示，原材料的主要矿物是以石英为主，伴随有白云母、高岭石和锐钛矿。2种原材料的化学成分见表1，主要成分为二氧化硅和氧化铝。碱激发材料选用Na2SiO3和NaOH固体颗粒，按照0.7的水胶比称取去离子水，将碱颗粒充分溶解冷却后待用。
表 1 原材料的化学组成Table 1. Chemical composition of raw materials原材料 各组成质量分数/% SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O SO3 Loss 偏高
岭土54.29 41.52 0.63 0.35 0.31 0.04 1.09 煤矸石 47.35 21.85 3.22 4.86 0.71 5.69 3.09 1.2 实验方法
较单独使用NaOH类的激发剂，Na2SiO3与NaOH的混合激发效果较好[22]，常规的碱激发材料往往需要高浓度碱溶液[23]。为节约成本，本文固定总碱外掺量质量分数为10%，Na2SiO3与NaOH质量之比分别为1∶2、1∶1、2∶1、3∶1，编号为A、B、C、D，共4种碱激发剂用于激发偏高岭土与煤矸石组成的充填材料。按照标准NB/T 51070—2017《煤矿膏体充填材料试验方法》[24]开展流动性实验和抗压强度实验。将煤矸石与偏高岭土按照不同的比例混合，配比设计见表2，采用行星式搅拌机搅拌，搅拌3 min后加入配好的碱溶液，再搅拌3~5 min后将拌好的浆体注入50 mm×50 mm的圆柱形模具中，在振动台上振动3 min排除浆体中的气体，成型后试样如图3所示。试样拆模后用自封袋密封，在20℃、95%湿度条件下进行标准养护，养护至所需龄期后开展抗压强度测试，强度结果为3个平行样的平均值。
表 2 原材料配比设计Table 2. Mix proportion design of raw materials编号 各成分质量分数/% 碱类型 煤矸石 偏高岭土 碱外掺量 Na2SiO3∶NaOH A1 30 70 10 1∶2 A2 40 60 10 1∶2 A3 50 50 10 1∶2 A4 60 40 10 1∶2 A5 70 30 10 1∶2 A6 80 20 10 1∶2 B1 30 70 10 1∶1 B2 40 60 10 1∶1 B3 50 50 10 1∶1 B4 60 40 10 1∶1 B5 70 30 10 1∶1 B6 80 20 10 1∶1 C1 30 70 10 2∶1 C2 40 60 10 2∶1 C3 50 50 10 2∶1 C4 60 40 10 2∶1 C5 70 30 10 2∶1 C6 80 20 10 2∶1 D1 30 70 10 3∶1 D2 40 60 10 3∶1 D3 50 50 10 3∶1 D4 60 40 10 3∶1 D5 70 30 10 3∶1 D6 80 20 10 3∶1 ![]()
图 3 抗压强度实验样品制备Figure 3. Preparation of samples used for compressive strength experiment微观试验时，将抗压强度测试后的试样破碎后用无水乙醇终止水化反应，干燥后取块状样品进行SEM-EDS试验，将样品粘到导电胶上，并使用Oxford Quorum SC7620溅射镀膜仪喷金，随后使用TESCAN MIRA LMS型号的扫描电子显微镜对样品进行测试。另取样品研磨成粉末分别进行XRD、FTIR和热重测试，使用日本Rigaku SmartLab SE型X射线衍射分析仪对样品进行XRD测试，扫描衍射角范围为5°~70°；使用Thermo Scientific Nicolet iS20傅立叶红外光谱仪测试样品的FTIR频谱，测试波数400~4 000 cm−1；使用NETZSCH STA 449F3热重分析仪测试不同温度下样品的质量损失。
2 结果与分析
2.1 抗压强度实验
图4为不同龄期下试样的抗压强度，可以看出，随着偏高岭土掺量的增加，抗压强度逐渐增大。以3 d龄期的A组为例，从A6到A5，强度增长了35%；而从A2到A1，强度增长了42%；说明当偏高岭土掺量在50%以内时，增长幅度较慢，当掺量在50%以上时，抗压强度的增长幅度较大。对于不同碱激发剂，B3强度比A3、C3、D3分别高56%、69%、115%，说明随着Na2SiO3掺量的增加，抗压强度呈现先增加后减小的趋势，其中当Na2SiO3∶NaOH=1∶1时，抗压强度最大。此外，随着养护龄期的增长，胶凝材料的抗压强度也呈现不同程度的增长，其中3~7 d强度增长缓慢，14~28 d强度相对增长较快。偏高岭土的主要化学成分是SiO2和Al2O3，在碱性环境下，偏高岭土中的硅、铝化合物会溶解产生硅酸根离子和铝酸根离子，碱溶液中的Na+充当阳离子与其进行键合，在重组和缩聚作用下产生大量的硅铝酸盐凝胶，将煤矸石颗粒黏结在一起，从而形成致密结构。对于偏高岭土与煤矸石混合的体系中，骨架的形成很大程度上依赖于偏高岭土产生的凝胶，而碱激发剂直接影响其溶解效果，合适的碱溶液能够使单体颗粒产生更多的反应键，从而增强混合物中分子间的键合强度[25]。煤矸石中虽然也有很多的SiO2和Al2O3，但由于活性较差，并且粒径相对较大，若要激发煤矸石的活性可能需要更高浓度的碱溶液，额外的经济成本不利于推广应用。
2.2 流动性
图5给出了试样的流动度结果，从图中可以看出，随着偏高岭土掺量的增加，试样的流动性逐渐减弱；相反偏高岭土的掺量减少，即煤矸石的掺量增加，可以有效改善膏体的流动性。一方面可以延缓胶凝产物的水化速率，另一方面煤矸石级配不良，磨细的球形颗粒有利于充填材料流动扩展，因此，80%掺量的煤矸石膏体流动性最好。当煤矸石掺量大于40%时，均优于前人研究结果[26]。此外，对于不同配比的碱激发剂，随着碱激发剂中Na2SiO3占比的增大，试样的流动性增强，表明Na2SiO3可以改善膏体的流动度，结果与前人研究一致[27]。
2.3 微观机理
2.3.1 XRD分析
图6给出了3 d和28 d龄期试样的XRD图谱。以A1、A3、A6为例探究不同偏高岭土掺量的水化产物；以A3、B3、D3为例，探究不同碱激发剂对水化产物的影响。可以看出，水化产物主要由N―A―S―H、SiO2、沸石组成。随着偏高岭土掺量的增加，N―A―S―H的衍射峰逐渐增强，并且产生沸石类晶相，这与Liu Yi等[28]的发现一致，硅铝酸盐在碱的活化作用下会通过固态转化，转换为沸石晶相。由于煤矸石与偏高岭土中Ca的含量较低，所以只形成少量的C―A―S―H。对于A3、B3、D3试样，随着碱激发剂中Na2SiO3占比的增加，N―A―S―H和沸石类相的衍射峰先增强后减弱，在Na2SiO3与NaOH比例为1∶1时，激发效果最好，产生更多的硅铝酸钠凝胶，增强整体结构的密实度。从图6可以看出，28 d龄期的N―A―S―H和沸石峰更强，表明28 d龄期下产生更多的水化产物，有利于强度的发展。
2.3.2 FTIR分析
图7给出了不同偏高岭土掺量在不同减激发剂下试样的红外光谱图，光谱范围为400~4 000 cm−1。3 695、3 620 cm−1为OH的非对称伸缩振动，对于5个试样在1 654、3 440 cm−1均出现振动峰，并且峰位未发生偏移，是由于水化水羟基引起的振动峰，表明体系中存在一定的化学结合水。1 090、1 086、1 033 cm−1为碱激发作用下T―O―Si(其中T可为Si或Al)的典型非对称伸缩振动，是碱激发聚合的重要特征[29]，此处衍射峰最宽，峰值也最强。在800~1 200 cm−1波段内，偏高岭土发生聚合转化为无定型结构，Si―O―Si键发生聚解，四面体Al―O键部分取代Si―O键，由(SiO4)4−变成(AlO4)4−，频带发生偏移，且频率向低频移动得越多说明取代率越高[30]。在此波段内，A1试样相对A6频率更低，B3试样相对于A3和D3试样频率更低，说明偏高岭土掺量较高时，且碱激发剂为Na2SiO3与NaOH质量比为1∶1时，四面体配位的Al取代率更高，碱激发效果更好，因此强度更高。539 cm−1为Si―O―Al弯曲振动峰，该峰振动越剧烈，说明Si―O―Al基团含量越多，A1和B3试样产生更多的硅铝酸基团，与前文XRD结果相一致。799 、780 cm−1为Si―O―Si的典型对称伸缩振动；696 cm−1为Si―O―Si弯曲振动峰，467 cm−1为O―Si―O的弯曲振动。
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图 7 不同偏高岭土掺量在不同减激发剂下的FTIR谱Figure 7. FTIR graph of different mixing amounts of metakaolin under different alkali activators2.3.3 TG-DSC分析
胶凝体系内主要由N―A―S―H提供胶结作用，为了进一步分析水合程度，图8和图9给出了3 d和28 d龄期下试样的TG和DTG曲线。结合图8和图9可知，在0~200℃范围内出现第1个失重峰为N―A―S―H[31]，失重峰的大小可在一定程度上反映水化程度的强弱，可以看出主要火山灰活性材料偏高岭土的掺量越多，失重越大，3 d龄期时偏高岭土最多的A1组在200℃失重约为7.3%，生成的水化产物最多，样品表现出的强度也最高，水化产物的矿物相也说明了该结果。在400~600℃出现第2个失重峰，基于该胶凝材料体系，该失重峰的原因可归结为原材料中的高岭石脱羟基水[32]、水化产物氢氧化钙脱羟基水。由于原材料中含有少量的钙，导致原材料中的高岭石和水化产物中的氢氧化钙相互杂糅形成了该阶段的失重峰，且变化规律不明显。因此，该胶凝体系水合程度的多少主要依赖于0~200℃的热重分析，发展规律和强度具有一致性。
2.3.4 SEM分析
为进一步探究水化产物的微观形貌，图10给出了28 d龄期下的SEM图。观察可知，偏高岭土与煤矸石的混合物与偏高岭土基地聚物相似，呈现出松散的微观结构[33]，具有明显的片状和层状结构。由于固液反应可以看成是低水胶比的胶凝体系，所以聚合过程中会保留基本的原始特征形状。偏高岭土掺量为20%的A6试样可以明显看到煤矸石大颗粒，N―A―S―H凝胶较少且分布不均，无法充分填充到煤矸石的孔隙中，因此结构性较差。相比于偏高岭土掺量为70%的A1试样，N―A―S―H凝胶较多且分布均匀，煤矸石自身的多孔特性，有一定的吸附作用，会将凝胶吸附到颗粒表面，界面附着力较好，能与煤矸石有效结合成密实结构。对于不同的碱激发剂，相比于A3和D3试样，Na2SiO3∶NaOH为1∶1的B3试样的表面团状、絮状胶凝晶体明显均匀密实，同时从EDS结果也可以看出，N―A―S―H凝胶附着在煤矸石表面时，Na会与煤矸石微量的Ca元素发生置换，形成少量的C―A―S―H。
2.4 综合指标评价
为综合评定偏高岭土与煤矸石充填材料的适用性，首先对早期强度和流动性指标进行评估，结果如图11所示。结合图中强度和流动性的交叉点，可初步选取配比如下：Na2SiO3∶NaOH=1∶2时，偏高岭土∶煤矸石=4∶6；Na2SiO3∶NaOH=1∶1时，偏高岭土∶煤矸石=3∶7；Na2SiO3∶NaOH=2∶1时，偏高岭土∶煤矸石=5∶5；Na2SiO3∶NaOH=3∶1时，偏高岭土∶煤矸石=6∶4。山西沁水盆地煤矿煤层平均厚度一般在5 m[34]，对于山西煤矿充填体早期强度的计算方法采用下式[35]计算：
$$ {y^2} = a{x^3} $$ (1) 式中：y为胶结充填体高度，m；x为胶结充填体强度；MPa；a为经验系数。
经过计算5 m充填体高度的充填体强度要求为0.35 MPa，因此，满足强度要求的充填材料为Na2SiO3∶NaOH=1∶2时，偏高岭土∶煤矸石=4∶6；Na2SiO3∶NaOH=1∶1时，偏高岭土∶煤矸石=3∶7。同时，在这2种配比情况下，流动性均满足矿山充填管道输送标准[36]。
制备的煤系固废基绿色充填材料是一种低成本、环保型材料，原材料CO2排放量[37-40]见表3。其中煤矸石为原位取材，不考虑运输过程中的碳排放，只考虑分选时少量的CO2排放，选取文献[41]的计算方法，采用碳排放指数CI来计算充填材料的CO2排放量，如下式，结果如图12所示。对比上述配比可知，当Na2SiO3∶NaOH=1∶1，偏高岭土∶煤矸石=3∶7时，CI为0.257，碳排放最低。
表 3 原材料二氧化碳排放量Table 3. Carbon dioxide emissions of raw materials原材料 MK CG NaOH Na2SiO3 CO2排放量/(kg·m−3) 0.400 0.079 1.30 1.86 $$ {\rm{CI}} = \frac{{{e_{{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}}}}}{{{f_{\text{c}}}}} $$ (2) 式中：
$ {e_{{\text{CO}}}}_{_2} $ 为1 m3膏体材料CO2的总排放量，kg/m3；fc为28 d龄期的抗压强度，MPa。3 结 论
a. 以煤矸石制备绿色充填材料，随着偏高岭土掺量的增加，充填材料的强度增大，流动性减弱。煤矸石可以改善充填材料的流动性，煤矸石掺量越多，流动性越强，但是不利于强度的发展。当Na2SiO3和NaOH的比例为1∶1，强度最高，且Na2SiO3的掺量越多，流动性越好。
b. 在碱性环境下，偏高岭土的Al―O基团取代部分Si―O基团，形成N―A―S―H凝胶和沸石类产物，并且随着偏高岭土掺量的增加，可以加速沸石和硅铝酸盐凝胶的生成，在碱激发剂Na2SiO3和NaOH的比例为1∶1下，水化产物最多。
c. 在偏高岭土与煤矸石的混合体系中，水化产物N―A―S―H附着在煤矸石表面，煤矸石中少量的Ca可以取代部分Na，形成C―A―S―H。偏高岭土的水化产物可以充分填充煤矸石颗粒的孔隙，致密化结构，从而改善体系的强度，其中70%偏高岭土掺量的形貌最为密实。
d. 结合强度、流动性与环境性指标对充填材料性能进行综合评价，推荐碱激发剂中Na2SiO3与NaOH的最优配比为1∶1，偏高岭土与煤矸石的最优配比为3∶7，此时强度和流动性均可以满足充填要求，并且碳排放指标低至0.257。
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图 2 “煤−岩−水−土−气−植−碳”一体化监测技术路线
Fig. 2 Roadmap of integrated coal-rock-water-soil-air-vegetation-carbon monitoring technology
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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
Fig. 3 Spatiotemporal observation ranges and resolution based on various platform technologies
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图 4 神东生态环境监测平台主要系统功能
Fig. 4 Primary systems and functions of the Shendong ecosystem monitoring platform
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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
Fig. 6 Recommended vegetation type combinations and planting density for an area in the Halagou Coal Mine
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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
Fig. 7 Vegetation variation trends and soil moisture content in the Shigetai and Bulianta coal mines
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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
Fig. 8 Identification results of surviving pinus sylvestris var. mongolica plants in the ecological planting engineering of the Shangwan Coal Mine
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图 9 哈拉沟煤矿“国家水土保持生态文明工程示范点”
Fig. 9 Exemplary site of national soil and water conservation ecological civilization engineering in the Halagou Coal Mine.
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) 
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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)
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[1] 刘峰,郭林峰,赵路正. 双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径[J]. 煤炭学报,2022,47(1):1−15. LIU Feng,GUO Linfeng,ZHAO Luzheng. Research on coal safety range and green low-carbon technology path under the dual-carbon background[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(1):1−15.
[2] 汤伏全,杨倩. 西部黄土高原矿区采煤沉陷多源遥感监测技术进展与展望[J]. 煤炭科学技术,2023,51(12):9−26. DOI: 10.12438/cst.2023-1113 TANG Fuquan,YANG Qian. Progress and prospects of multi-source remote sensing monitoring technology for coal mining subsidence in mining areas of the western Loess Plateau[J]. Coal Science and Technology,2023,51(12):9−26. DOI: 10.12438/cst.2023-1113
[3] 高春雨. 煤炭生产开发布局西移对环境的影响及建议[J]. 能源环境保护,2018,32(5):7−11. DOI: 10.3969/j.issn.1006-8759.2018.05.002 GAO Chunyu. Environmental impacts and suggestions for west movement of coal production and development layout[J]. Energy Environmental Protection,2018,32(5):7−11. DOI: 10.3969/j.issn.1006-8759.2018.05.002
[4] 宋世杰,张家杰,杨帅,等. 黄河上中游采煤沉陷区水土流失效应的探索与思考[J]. 绿色矿山,2024(2):169−182. SONG Shijie,ZHANG Jiajie,YANG Shuai,et al. Exploration and thinking on soil erosion effect of coal mining subsidence area in the upper and middle reaches of the Yellow River[J]. Journal of Green Mine,2024(2):169−182.
[5] 张成业,李飞跃,李军,等. 基于DeepLabv3+与GF-2高分辨率影像的露天煤矿区土地利用分类[J]. 煤田地质与勘探,2022,50(6):94−103. DOI: 10.12363/issn.1001-1986.22.01.0029 ZHANG Chengye,LI Feiyue,LI Jun,et al. Recognition of land use on open-pit coal mining area based on DeepLabv3+ and GF-2 high-resolution images[J]. Coal Geology & Exploration,2022,50(6):94−103. DOI: 10.12363/issn.1001-1986.22.01.0029
[6] 李凤明,丁鑫品,孙家恺. 我国采煤沉陷区生态环境现状与治理技术发展趋势[J]. 煤矿安全,2021,52(11):232−239. LI Fengming,DING Xinpin,SUN Jiakai. Ecological environment status and development trend of governance technology of coal mining subsidence area in China[J]. Safety in Coal Mines,2021,52(11):232−239.
[7] 张成业,李军,雷少刚,等. 矿区生态环境定量遥感监测研究进展与展望[J]. 金属矿山,2022(3):1−27. ZHANG Chengye,LI Jun,LEI Shaogang,et al. Progress and prospect of the quantitative remote sensing for monitoring the eco-environment in mining area[J]. Metal Mine,2022(3):1−27.
[8] ELLMANN A,KÜTIMETS K,VARBLA S,et al. Advancements in underground mine surveys by using SLAM-enabled handheld laser scanners[J]. Survey Review,2022,54(385):363−374. DOI: 10.1080/00396265.2021.1944545
[9] GASTAUER M,CALDEIRA C F,RAMOS S J,et al. Active rehabilitation of Amazonian sand mines converges soils,plant communities and environmental status to their predisturbance levels[J]. Land Degradation & Development,2020,31(5):607−618.
[10] LI Jun,QIN Tingting,ZHANG Chengye,et al. A new method for quantitative analysis of driving factors for vegetation coverage change in mining areas:GWDF-ANN[J]. Remote Sensing,2022,14(7):1579.
[11] 董佰山,杨耘,崔琴芳. 基于高分二号的矿区土地利用精细分类与分析[J]. 甘肃科学学报,2019,31(1):81−85. DONG Baishan,YANG Yun,CUI Qinfang. Detailed classification and analysis based on separator No.2 land use in mining area[J]. Journal of Gansu Sciences,2019,31(1):81−85.
[12] 王美琪,杨建英,孙永康,等. 废弃矿山植被覆盖度无人机遥感快速提取技术[J]. 中国水土保持科学,2020,18(2):130−139. WANG Meiqi,YANG Jianying,SUN Yongkang,et al. Remote sensing rapid extraction technology for abandoned mine vegetation coverage via UAV[J]. Science of Soil and Water Conservation,2020,18(2):130−139.
[13] OPARIN V N,POTAPOV V P,GINIYATULLINA O L,et al. Integrated monitoring of induced air pollution in mining regions[J]. Journal of Mining Science,2017,53(5):945−953.
[14] 陈国良,时洪涛,汪云甲,等. 矿山地质环境“天—空—地—人” 协同监测与多要素智能感知[J]. 金属矿山,2023(1):9−16. CHEN Guoliang,SHI Hongtao,WANG Yunjia,et al. Integrated space-air-ground-human monitoring and multiple parameters intelligence sensing of mine geological environment[J]. Metal Mine,2023(1):9−16.
[15] 欧为友,辛玉春,孙海群,等. 木里矿区生态修复监测体系构建与实践[J]. 青海草业,2022,31(2):57−60. DOI: 10.3969/j.issn.1008-1445.2022.02.012 OU Weiyou,XIN Yuchun,SUN Haiqun,et al. Construction and practice of forest and grass monitoring system for ecological restoration in Muli mining area[J]. Qinghai Prataculture,2022,31(2):57−60. DOI: 10.3969/j.issn.1008-1445.2022.02.012
[16] BRUNO ROCHA MARTINS W,DOUGLAS ROQUE LIMA M,DE OLIVEIRA BARROS U Jr,et al. Ecological methods and indicators for recovering and monitoring ecosystems after mining:A global literature review[J]. Ecological Engineering,2020,145:105707.
[17] 范雅慧,刘英,衡文静,等.基于遥感生态指数的神东矿区1990—2022年煤炭开采对生态环境的影响分析[J].绿色矿山,2024,2(1):41–53. FAN Yahui,LIU Ying,HENG Wenjing,et al.Impact analysis of coal mining on ecological environment in Shendong Mining area from 1990 to 2022 based on RSEI[J].Journal of Mine,2024,2(1):41–53.
[18] 邵天意,包斯琴,王楠,等. 基于TVDI的旱情时空动态变化监测:以神东矿区为例[J]. 灌溉排水学报,2023,42(6):59−66. SHAO Tianyi,BAO Siqin,WANG Nan,et al. Monitoring spatiotemporal dynamic of drought in Shendong mining area based on temperature vegetation dryness index[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(6):59−66.
[19] 马宁,李强,郭玉涛,等. 神东矿区典型植被不同恢复年限对土壤质量的影响[J]. 中国水土保持,2019(11):59−62. DOI: 10.3969/j.issn.1000-0941.2019.11.019 MA Ning,LI Qiang,GUO Yutao,et al. Influence of different years of restoration of typical vegetation to soil quality of Shendong mining area[J]. Soil and Water Conservation in China,2019(11):59−62. DOI: 10.3969/j.issn.1000-0941.2019.11.019
[20] 李向全,马剑飞,付昌昌. 神东煤炭基地1: 50000 活鸡兔幅矿区水文地质图数据集[J]. 中国地质,2018,45(增刊2):13–22.LI Xiangquan,MA Jianfei,FU Changchang. Dataset of the 1:50 000 hydrogeological map of the Huojitu mine area,Shendong coal base[J]. Geology in China,2018,45(Sup.2):13–22.
[21] 刘海平,王义. 神东矿区资源环境治理对策研究及其具体实践[J]. 中国煤炭,2023,49(增刊1):6–14. LIU Haiping,WANG Yi. Research and practices of countermeasures for resource and environment management in Shendong mining area[J]. China Coal,2023,49(Sup.1):6–14.
[22] 苗霖田,夏玉成,段中会,等. 黄河中游榆神府矿区煤−岩−水−环特征及智能一体化技术[J]. 煤炭学报,2021,46(5):1521−1531. MIAO Lintian,XIA Yucheng,DUAN Zhonghui,et al. Coupling characteristics and intelligent integration technology of coal-overlying rock-groundwater-ecological environment in Yu-Shen-Fu mining area in the middle reaches of the Yellow River[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(5):1521−1531.
[23] 王海芹,程会强,高世楫. 统筹建立生态环境监测网络体系的思考与建议[J]. 环境保护,2015,43(20):24−29. WANG Haiqin,CHENG Huiqiang,GAO Shiji. Study on establishing the ecological environmental monitoring network system[J]. Environmental Protection,2015,43(20):24−29.
[24] 李军,彭苏萍,张成业,等. 矿区生态环境定量遥感监测评价技术框架与应用[J]. 矿业科学学报,2022,7(1):9−25. LI Jun,PENG Suping,ZHANG Chengye,et al. Quantitative remote sensing-based monitoring and evaluation of the ecological environment in mining areas:Technology framework and application[J]. Journal of Mining Science and Technology,2022,7(1):9−25.
[25] 杜守航,李炜,邢江河,等. 基于FM-UNet++和高分二号卫星影像的露天矿区范围变化检测[J]. 煤田地质与勘探,2023,51(7):130−139. DOI: 10.12363/issn.1001-1986.22.12.0972 DU Shouhang,LI Wei,XING Jianghe,et al. Change detection of open-pit mines based on FM-UNet++ and GF-2 satellite images[J]. Coal Geology & Exploration,2023,51(7):130−139. DOI: 10.12363/issn.1001-1986.22.12.0972
[26] 杨飞,崔宽宽,张成业,等. 露天煤矿排土场长时序植被碳汇分级方法构建及分析[J]. 煤田地质与勘探,2024,52(5):139−150. DOI: 10.12363/issn.1001-1986.24.01.0023 YANG Fei,CUI Kuankuan,ZHANG Chengye,et al. Construction and analysis of a method for grading long-term vegetation carbon sink in waste dumps of an open-pit coal mine[J]. Coal Geology & Exploration,2024,52(5):139−150. DOI: 10.12363/issn.1001-1986.24.01.0023
[27] 刘举庆,李军,王兴娟,等. 矿山生态环境定量遥感监测与智能分析系统设计与实现[J]. 煤炭科学技术,2024,52(4):346−358. DOI: 10.12438/cst.2023-0456 LIU Juqing,LI Jun,WANG Xingjuan,et al. Design and implementation of quantitative remote sensing monitoring and intelligent analysis system for mine ecological environment[J]. Coal Science and Technology,2024,52(4):346−358. DOI: 10.12438/cst.2023-0456
[28] LI Jun,QIN Tingting,ZHANG Chengye,et al. Automated generation of consistent annual maximum NDVI on coal bases with a new algorithm[J]. Scientific Data,2024,11(1):689.
[29] 李军,刘举庆,赵学胜,等. 地理格网模型支持下的轨迹数据管理与分析框架:方法与应用[J]. 武汉大学学报 (信息科学版),2021,46(5):640−649. LI Jun,LIU Juqing,ZHAO Xuesheng,et al. Trajectory data management and analysis framework based on geographical grid model:Method and application[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University,2021,46(5):640−649.
-
期刊类型引用(20)
1. 杨科，于祥，何祥，侯永强，张连富. 不同含水状态矸石胶结充填体能量演化与损伤特性研究. 岩土力学. 2025(01): 26-42 . 
百度学术
2. 王波，周俊丽，翟龙虎，张超，王家乐，宋杰. 风积沙-萘系减水剂充填材料流动性测试研究. 兵器材料科学与工程. 2025(01): 94-100 . 百度学术
3. 董书宁，于树江，董兴玲，张步勤，郭小铭，王晓东，王凯，朱世彬，武博强，刘磊. 煤基固废与高盐废水“固液协同”充填处置关键技术. 煤田地质与勘探. 2025(01): 163-173 . 本站查看
4. 于祥，杨科，何祥，侯永强，文志强，张连富. 饱和浸水过程矸石胶结充填体强度及损伤特征. 煤田地质与勘探. 2025(02): 147-159 . 本站查看
5. 程强强，汪浩东，阴琪翔，赵明翔，姚越，闫宝峰. 玻璃纤维改性煤基固废胶结充填材料性能研究. 矿业安全与环保. 2024(01): 161-167+174 . 百度学术
6. 周天璧，蒋波，罗正东. 碱激发胶凝材料在充填领域的应用及发展. 山西建筑. 2024(07): 108-111 . 百度学术
7. 黄鹏程，蔡飞飞，吴天才，赵辉，郭伟勇，梁永平，祁风华. 宁东能源化工基地燃煤电厂粉煤灰的矿物学及元素地球化学特征. 洁净煤技术. 2024(03): 145-152 . 百度学术
8. 刘浪，罗屹骁，朱梦博，苏臣，吴涛涛，王建友，杭彦龙. 建筑物下特厚煤层镁渣基全固废连采连充开采技术与实践. 煤炭科学技术. 2024(04): 83-92 . 百度学术
9. 张丽维，侯恩科，段中会，付德亮，贺丹. 基于AHP熵权TOPSIS模型的矸石充填方案评价和优选研究. 中国煤炭. 2024(05): 120-126 . 百度学术
10. 杨科，张继强，何祥，魏祯，赵新元. 多源煤基固废胶结充填体力学及变形破坏特征试验研究. 煤田地质与勘探. 2024(06): 102-114 . 本站查看
11. 郭昆明. 智能化连续长距离注浆系统的研制及现场实践. 煤矿机电. 2024(03): 1-5 . 百度学术
12. 王思云，任美嘉，周进生. 任家庄煤矿绿色充填示范工程经济社会效益评价研究. 能源科技. 2024(06): 27-30+35 . 百度学术
13. 李运红，王光炎，乔森，郭月明，刘娟，武亚磊. 全固废流态化材料充填性能研究. 人民长江. 2024(S2): 257-262 . 百度学术
14. 刘剑平，谢国帅，曹园章，陈炜旻，白晓红. 盐酸溶液环境下RM-CMK地聚合物的强度机理研究. 非金属矿. 2023(02): 9-12 . 百度学术
15. 侯典臣，郇恒恒. 工业废料氟石膏基充填材料试验研究. 煤矿现代化. 2023(04): 58-61 . 百度学术
16. 罗正东，蒋波，章本本，邓代强，李翔. 碱激发金矿粉充填材料力学性能及微观分析. 矿冶工程. 2023(04): 21-25 . 百度学术
17. 辛亚军，杨俊鹏，陈祖国，王晓鹏，任金武，吴春浩. 薄分层软顶间隔柔模承载解析与快速留巷技术. 采矿与安全工程学报. 2023(06): 1161-1176 . 百度学术
18. 周瑶，刘长友，谢志清，潘海洋. 粒径对煤矸石浆液的性能影响研究. 矿业研究与开发. 2023(12): 118-123 . 百度学术
19. 李硕森，徐青云，吴季洪. 膏体充填开采覆岩移动特征研究. 山西煤炭. 2023(04): 7-13 . 百度学术
20. 殷文文，张理群，丁丹，单士锋，陈永春，安士凯，郑刘根. 淮南潘一矿煤基固废精细化学结构及重金属生态风险评价. 煤田地质与勘探. 2023(12): 176-184 . 本站查看
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