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西北干旱露天煤矿排土场土壤重构与水盐运移机制 被引量：8
1
作者 张凯 李晓楠 +3 位作者 暴凯凯 姜凯升 王潇芫 谭栩荧 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期1556-1569,共14页
矿山排土场生态修复是煤矿露天开采面临的重大环境问题,是制约建设绿色露天煤矿的重要因素。土壤重构是排土场生态修复的重要步骤,以新疆为代表的西北煤炭基地,水资源短缺,盐碱化突出,土壤水盐运移是决定土壤重构是否成功的关键指标。... 矿山排土场生态修复是煤矿露天开采面临的重大环境问题,是制约建设绿色露天煤矿的重要因素。土壤重构是排土场生态修复的重要步骤,以新疆为代表的西北煤炭基地,水资源短缺,盐碱化突出,土壤水盐运移是决定土壤重构是否成功的关键指标。目前研究集中在表层土壤重构改善土壤养分促进植物生长,针对保水控盐的功能化土壤重构的研究甚少,对不同土壤重构方式下的水盐运移机制尚不明晰。研究立足新疆煤炭资源禀赋特征,从煤炭循环经济的角度出发,采用能源化工副产物煤气化渣(CGS)作为重构材料,通过毛细水上升-蒸发试验,分析CGS重构后水盐垂向运移和水分供给能力,通过Van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线,分析CGS重构后土壤持水能力,研究CGS作为含水层重构材料的可行性。采用煤矿开采伴生岩石矿物红泥岩作为重构材料,通过土柱入渗蒸发试验,分析红泥岩重构后不同土壤深度的水盐变化情况,研究泥岩作为隔水层重构材料的可行性。结果表明,CGS重构改善土壤质地,优化孔隙结构,促进了土壤水盐运移,毛细作用增强,促进了下层水分向上供给,同时也增加了盐分表聚,重构改变土水特征曲线参数,增加了饱和含水量θ_(s),降低了参数a和n,改善了土壤持水性能。CGS添加量越高,细渣质量分数越大,效果越明显。CGS作为重构含水层材料具有可行性。红泥岩黏粒和次生矿物含量高,孔隙结构丰富,物理吸附性良好,重构后0~24 cm深度下土壤含水率高于对照组,蒸发后的盐分在20~24 cm达最高值,红泥岩有效阻隔了盐分上移。红泥岩作为重构隔水层材料具有可行性。研究以期探索出一条适合西部煤炭基地排土场土壤重构模式。 展开更多
关键词 土壤重构 水盐运移 煤气化渣 红泥岩 毛细水上升
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考虑抗滑煤柱的倾斜基底内排土场稳定性研究 被引量：1
2
作者 马力 靳新宇 +3 位作者 张奇峰 姜凯升 李蒙博 虎岩 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第10期181-188,共8页
煤层赋存角度倾斜导致相应区域内排土场基底倾斜,造成内排土场稳定性降低易发生滑动。为了探究抗滑煤柱在露天矿倾斜基底排土场中的应用效果和作用机理,以某露天矿倾斜基底排土场为研究对象,对倾斜基底未留设抗滑煤柱和在坡脚处留设抗... 煤层赋存角度倾斜导致相应区域内排土场基底倾斜,造成内排土场稳定性降低易发生滑动。为了探究抗滑煤柱在露天矿倾斜基底排土场中的应用效果和作用机理,以某露天矿倾斜基底排土场为研究对象,对倾斜基底未留设抗滑煤柱和在坡脚处留设抗滑煤柱情况下的排土台阶分别作理论分析,基于极限平衡法分别推导出了2种情况下的边坡稳定性计算公式。以基底地层倾角及排土场排弃高度为变量进行研究,得到基底地层倾角α或排弃高度H与边坡稳定系数Fs均呈负相关反比例函数关系,基底地层倾角对边坡稳定性影响较大,排土场排弃高度对边坡稳定性影响较小。采用FLAC~(3D)软件结合强度折减法对排土场留设煤柱前后状态下进行数值模拟分析验证,与理论分析结果基本一致,得出在当前地质条件下留设宽10 m抗滑煤柱可提升稳定性5%,从理论上揭示了留设抗滑煤柱对排土场边坡稳定性的影响。最后对抗滑煤柱留设参数进行研究,以煤柱留设高度h及煤柱留设坡面角β为研究对象,得到抗滑煤柱的留设高度与稳定系数呈正比例二次函数关系,抗滑煤柱坡面角对稳定系数影响成反比且影响较小,为后续在排土场边坡设置抗滑煤柱的研究及通过留设抗滑煤柱提高边坡稳定性的措施提供参考。 展开更多
关键词 露天煤矿 倾斜基底 抗滑煤柱 内排土场 稳定性分析
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新疆戈壁煤矿露天开采对生态环境扰动定量分析 被引量：7
3
作者 刘英 许萍萍 +4 位作者 毕银丽 岳辉 彭苏萍 韩勇 姜凯升 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期959-974,共16页
新疆戈壁矿区生态环境脆弱,极容易受到自然和人为因素的影响,其生态环境也逐渐被广泛关注。选取新疆五彩湾露天矿区为研究对象,利用1990—2020年Landsat影像,在遥感生态指数IRSE基础上,引入煤尘指数、盐度指标、土地退化指数构建干旱煤... 新疆戈壁矿区生态环境脆弱,极容易受到自然和人为因素的影响,其生态环境也逐渐被广泛关注。选取新疆五彩湾露天矿区为研究对象,利用1990—2020年Landsat影像,在遥感生态指数IRSE基础上,引入煤尘指数、盐度指标、土地退化指数构建干旱煤矿生态指数(IACME),并运用M-K检验与Sen趋势分析法揭示研究区IACME时空演变特征与规律,评价干旱矿区的生态环境质量状况,同时利用多元回归、神经网络、随机森林和支持向量机方法分别建立五彩湾矿区气候因素与IACME的关系模型,预测得到基于气候条件下的I′_(ACME),结合残差分析与双重差模型定量评估采矿活动的影响。结果表明:(1)近30 a来研究区IACME均值为0.28,总体上IACME呈下降趋势,由1990年的0.30下降到2020年的0.22。变化幅度方面,退化区面积占比为62.63%,远高于改善区28.3%,由于采矿活动的影响,显著退化面积占比增加12.96%,主要集中在以矿井为中心向外辐射区域,显著改善面积占比下降17.28%。(2)利用多元回归、神经网络、随机森林、支持向量机4类方法分别建立气候因素与IACME的关系模型,得到基于麻雀搜索算法的随机森林(SSA-RF)精度最高,验证集R^(2)=0.82、均方根误差E_(RMS)=0.109,该模型在所使用的建模方法中可靠性更高,适用性较强;(3)通过SSA-RF预测基于气候条件的I′_(ACME),气候影响下,研究区生态环境以较差(0.2~0.4)和中等(0.4~0.6)为主。假设不存在采矿活动,研究区2006—2020年I′_(ACME)在0.26~0.59,I′_(ACME)平均值为0.40,与同年份实际的IACME空间分布相比,环境显著改善的区域明显增多,主要集中在研究区中部矿井所在区域。(4)利用残差定量分析得知研究区采矿活动对生态环境具有负向效应,平均残差δ为-0.116,通过双重差分模型得出采矿对生态环境的定量影响为-0.112,进一步表明煤炭开采对生态环境存在负面扰动,导致生态环境质量下降;2种方法计算结果相近,表明SSA-RF与双重差分模型均可用于定量分析煤炭开采的影响。(5)采矿活动导致研究区生态环境退化占比为57.52%,改善占比为34.67%;气候条件下导致生态环境退化占比为42.28%,改善占比为65.33%,采矿导致生态环境退化占比超过50%,说明采矿活动是影响生态退化的重要原因之一。综上所述,五彩湾矿区生态系统亟待恢复,必要时应辅以人工干预,来推动五彩湾戈壁矿区整体的环境保护、生态系统修复与综合治理。 展开更多
关键词 干旱煤矿生态指数 煤尘指数 麻雀搜索算法 随机森林 采矿活动
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荒漠化露天矿土壤湿度监测模型的构建——以红沙泉矿区为例 被引量：6
4
作者 岳辉 朱蓉 +3 位作者 刘英 魏嘉莉 毕银丽 姜凯升 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期300-311,共12页
土壤湿度作为表征矿区地表环境的重要指标,准确监测荒漠化露天矿的土壤湿度对矿区生态保护和可持续发展具有关键作用。以典型荒漠化露天矿区-准东红沙泉矿区及周边区域为研究对象,基于Landsat 8 OLI影像,利用基于植被信息的归一化植被指... 土壤湿度作为表征矿区地表环境的重要指标,准确监测荒漠化露天矿的土壤湿度对矿区生态保护和可持续发展具有关键作用。以典型荒漠化露天矿区-准东红沙泉矿区及周边区域为研究对象,基于Landsat 8 OLI影像,利用基于植被信息的归一化植被指数NDVI、比值植被指数RVI、条件植被指数VCI,基于热红外波段的表观热惯量ATI和条件温度指数TCI以及基于反射率特征空间的垂直干旱指数PDI、土壤湿度监测指数SMMI反演红沙泉矿区的土壤湿度,结合实测土壤湿度数据验证得知上述指数的反演结果与实测样点的土壤湿度不符,即传统的土壤湿度指数不能单独作为研究区土壤湿度的指数因子。鉴于以上指数存在的不足和研究区特殊的生态环境,提出新裸岩石砾地指数NGLI,并结合SMMI、NGLI和NDVI通过线性加权构建一种适用于荒漠化露天矿区的土壤湿度模型NMSMI,最后评估其精度和适用性。结果表明:①构建的裸岩石砾地指数NGLI能够有效提取研究区裸岩石砾地和露天采坑的土壤湿度,NGLI与实测土壤湿度呈显著负相关(R^(2)=0.245,P<0.01),验证点的均方根误差RMSE为0.009;②基于熵权法和线性加权法,利用SMMI、NDVI、NGLI三种指数构建新型修正土壤湿度监测指数NMSMI,经验证NMSMI与实测土壤湿度呈显著负相关(R^(2)=0.517,P<0.01),验证点的均方根误差RMSE为0.004,且反演结果在空间分布上与实测土壤湿度相符。通过实测数据与各传统指数及NMSMI指数的对比与验证,说明NMSMI指数适用于特殊荒漠化露天矿区的土壤湿度监测。 展开更多
关键词 荒漠化露天矿 土壤湿度反演 新型修正土壤湿度监测指数 裸岩石砾地指数 土壤湿度
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露天矿周边土壤重金属分布特征与来源分析
5
作者 姜凯升 韩勇 +1 位作者 代绅 赫云兰 《科技创新与应用》 2023年第10期95-98,共4页
在露天矿开采过程中,由于煤层中会含有一些重金属,煤炭开采、运输及产生的扬尘等作业活动有可能会对采坑周边土壤产生污染和破坏。该文以某露天煤矿区周边区域为研究对象,通过采样与检测Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd 6种重金属元素的含量,对... 在露天矿开采过程中,由于煤层中会含有一些重金属,煤炭开采、运输及产生的扬尘等作业活动有可能会对采坑周边土壤产生污染和破坏。该文以某露天煤矿区周边区域为研究对象,通过采样与检测Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd 6种重金属元素的含量,对矿区及周边牧场重金属的空间分布特征进行研究。结果表明,研究区土壤重金属Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd整体属于安全水平。Cu、Ni、Cr和Cd的分布特征相似,呈现在露天煤矿区和西部、北部含量相对较高,在东部和南部含量相对较低的特征。Zn呈现在西部和北部及东部含量相对较高,南部和东北部的含量相对较低的特征。Pb呈现在西北部和东部2个监测点的含量相对较高,其余的地方则相对较低的特征。Cu、Ni、Cr和Cd具有较高的相关性,其累积可能来源于成土母质和畜牧、采矿活动,Zn和Pb具有中等的相关性,其累积可能来源于成土母质、交通运输和石油开采活动。 展开更多
关键词 土壤 重金属 空间分布 污染评价 来源分析
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红沙泉露天煤矿土壤盐渍化遥感监测
6
作者 韩勇 于翔宇 +4 位作者 姜凯升 刘英 彭苏萍 毕银丽 岳辉 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S02期704-712,共9页
地处我国西部荒漠化地区的红沙泉露天煤矿是我国重要的煤炭生产基地之一,而盐渍化问题是影响该地区生态环境的重要因素。利用Landsat(30 m)、Sentinel-2(10 m)及无人机(0.188 m)多光谱影像计算红沙泉矿区10个盐渍化指数,与实测电导率进... 地处我国西部荒漠化地区的红沙泉露天煤矿是我国重要的煤炭生产基地之一,而盐渍化问题是影响该地区生态环境的重要因素。利用Landsat(30 m)、Sentinel-2(10 m)及无人机(0.188 m)多光谱影像计算红沙泉矿区10个盐渍化指数,与实测电导率进行相关性分析,根据相关系数选出最优指数,并利用该指数、梯度结构相似度指数(Gradient-based Structural Similarity,GSSIM)及一元线性回归法监测研究区土壤盐渍化动态变化状况。结果表明:①实测土壤EC与UAV、Landsat和Sentinel-2计算出的S3指数的相关系数分别为0.703、0.665和0.723(P<0.01),其稳定性优于其他9个指数,最适于监测研究区土壤盐渍化。②从S3指数的时空分布以及转移来看,未采矿前(1988—2006年)非盐渍化区域零散分布在研究区东部和北部,重度盐渍化区域主要分布在研究区南部,2种类型相对稳定,转移量较少,而轻度盐渍化土壤转移量最大(约92.37 km^(2)),在2006年尤为明显。开采初期(2006—2010年),露天矿坑内的非盐渍化区域增加,且轻度、中度和重度盐渍土主要转移为非、轻度、中度盐渍化土壤。随开采加剧(2010—2020年),重度盐渍化区域在矿区排土场增加较为明显,非盐渍化区域随矿坑的开采与阶梯处土壤长期堆积,在矿坑内部呈现先增加后减少的趋势。整体上,盐渍化土壤向非盐渍化土壤的转移量(6.51 km^(2))小于非盐渍化土壤向盐渍化土壤的转移量(约24.70 km^(2)),土壤盐渍化呈加重状态。③GSSIM监测结果表明,1988—2006年(采矿前)突变区主要分布在研究区中、北部,且零散分布在中变区周围,而低变区大面积分布在研究区中;2006—2010年(采矿初期),突变区向北转移,且低、中和突变区的S3指数均以减少为主。矿坑开采加重的2010—2020年(采矿加剧)研究区突变区大幅度增加(增加7.10%),且集中分布在矿坑周围,表明矿坑内盐度发生了明显变化。1988—2020年,低、中和突变区分别占25.02%、38.52%和36.47%,且突变区集中在矿坑和电厂周围。分析地物与GSSIM影像可知,地表被水泥和煤矿覆盖的区域会导致盐渍化减轻,而排土场和未开采的风沙堆积地区可能会造成盐渍化加重。对比Slope影像可知,GSSIM突变区中变区在矿坑周围与Slope影像中显著不显著变化位置相对应,说明GSSIM可以定量分析盐渍化的时空变化规律。 展开更多
关键词 土壤盐渍化 最优监测指数 多源遥感 荒漠化矿区 GSSIM
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干旱区露天煤矿外排土场重构包气带上层滞水毛细作用机制
7
作者 马力 薛飞 +6 位作者 毕银丽 彭苏萍 韩勇 姜凯升 刘遵义 许晨 虎岩 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S01期233-240,共8页
旱区露天矿外排土场土壤结构松散,且含大量块石,土壤孔隙大、渗透性强、保水性差,无法对植物根部进行有效的水分补给。为了提高植物对水分的吸收利用效率,提出重构外排土场土壤包气带,利用土壤毛细作用为植物根部进行水分补给。土壤压... 旱区露天矿外排土场土壤结构松散,且含大量块石,土壤孔隙大、渗透性强、保水性差,无法对植物根部进行有效的水分补给。为了提高植物对水分的吸收利用效率,提出重构外排土场土壤包气带,利用土壤毛细作用为植物根部进行水分补给。土壤压实度是影响土壤毛细作用的重要影响因素,为了研究土壤压实度对毛细作用影响规律,以外排土场土壤作为样本,测定最大干密度及最佳含水率,采用竖向毛细管试验,制定3组不同压实度试验方案,分别为90%、93%与96%,采用物理试验对不同压实度下土壤毛细水上升高度及速度进行监测,获得不同压实度下毛细水上升速率及速度变化趋势,依据非饱和土壤动力学,结合毛细试验原理,建立土壤毛细水上升模型,并结合多物理瞬态模拟原理,采用Comsol软件建立同物理模拟相同方案数值模型对物理模拟的毛细水上升高度及速度进行验证。结合3组不同压实度方案,进行了室内植物下部给水种植试验,探究了毛细水作用下利于植物生长的最优土壤压实度。研究结果表明:不同压实度下,土壤毛细水上升速率存在显著差异,压实度与毛细水上升速率成负相关;数值模拟与实测值具有较好的一致性,相同时间内,毛细水上升高度与压实度成反比关系;土壤压实度为93%时,植物长势及存活率均为最优。 展开更多
关键词 包气带 隔水层 土壤压实度 毛细试验 多物理场耦合
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