煤矿塌陷区废碴充填复垦土壤理化性质研究

煤矿区充填复垦重构土壤在很大程度上改变了原生表层土体的构型,为了进一步了解粉煤灰、煤矸石充填复垦对土壤理化性质的影响,通过选取粉煤灰、煤矸石复垦土壤样品与对照土壤样品进行了实验研究,结果表明复垦土壤的理化性质较差。复垦土壤pH值呈碱性,土壤有机质含量降低,土壤全氮、速效磷、速效钾含量减少,土壤湿水分较为充足,风干水分分明显减少。     

高潜水位矿区不同土地利用方式下复垦土壤颗粒与分形特征

以徐州市柳新镇高潜水位采煤塌陷区林地、稻麦轮作、棉豆轮作复垦地为研究对象,并与相同利用方式的未塌陷地（林地、稻麦轮作、棉豆轮作）进行对比,分析了不同土地利用方式下复垦土壤的团聚体稳定性、颗粒分布、分形维数以及土壤容重、紧实度、孔隙度的变化特征,探讨了不同土地利用方式对复垦土壤的影响。结果表明：①在0~20 cm土层深度,与相同利用方式的未塌陷地相比,塌陷区复垦土壤耕作层的土壤黏粒、粗黏粒含量明显降低;与未利用的塌陷地相比,塌陷区复垦土壤的黏粒、粗黏粒含量均有所升高,其中以稻麦轮作地表层土壤的黏粒、粗黏粒含量最高;②不同土地利用方式对复垦土壤的团聚体结构性状均具有不同程度的改善作用,即直径大于0.25 mm 的湿团聚体数量、湿团聚体平均质量直径增大,团聚体破坏率下降,稳定性增强,其中,稻麦轮作方式对复垦土壤团聚体结构的改善效果较好;③复垦土壤颗粒分布、分形维数、直径大于0.25 mm 的湿团聚体数量、湿团聚体平均质量直径、团聚体破坏率及土壤容重、紧实度、孔隙度之间存在密切联系,土壤分形维数对土壤团聚体结构及其稳定性具有良好的指示作用。上述分析结果对于进一步制定高潜水位采煤塌陷区复垦土壤质量恢复措施有一定的参考价值。     

陕北黄土高原煤矿区土壤理化性质及质量评价

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。     

粉煤灰充填复垦土壤理化性状研究

为了进一步搞清粉煤灰充填复垦构成的复垦土壤的理化性质，指导今后的复垦工作，通过选取不同时间、不同地点复垦土地的样点，采用室内外测化验手段，对其进行了细致的研究。结果认为：复垦土壤入渗率小于农业土壤，土壤容重和土壤含水量大于农业土壤；复垦土壤PH值大于8，碱性过强，土壤有机质含量低，全氮含量低，速效磷含量低，全钾含量和速效钾含量充足。     

基于显微CT研究不同复垦年限土壤孔隙的微结构特征

不同复垦年限下土壤孔隙微结构特征及其与复垦年限的关系尚未明确。为了探明矿区不同复垦年限土壤孔隙的微结构特征,选取河南省辉县市赵固煤矿复垦3 a(FK3)和10 a(FK10)土壤处理,并以原状地貌(CK)为对照。利用显微CT技术扫描200 mm田间原状土柱,结合Image J软件及其插件对土壤孔隙结构进行三维重建及分析。结果表明,复垦土壤孔隙结构稳定具有空间和时间的层次性和顺序性。随着复垦年限的增加,土壤孔隙度、孔隙数量、成圆率、分形维数和欧拉值总体呈逐渐增加趋势。从土壤剖面来看,0~30 mm土壤孔隙结构尚处于紊乱状态,孔隙数量表现为FK3＞CK＞FK10,而40~80 mm土层趋于稳定,孔隙数量呈现为CK>FK3>FK10。土壤剖面孔隙度与孔隙数量变化趋势基本一致。与FK3相比,CK和FK10的分形维数分别显著(P<0.05)增加了16.1%和12.3%,但FK10与CK间无显著差异(P<0.05)。相关分析表明,分形维数能综合表征土壤孔隙数量和形态特征,可作为沉陷区复垦土壤结构恢复状况的定量评价指标。本研究表明,复垦年限对沉陷区土壤结构修复具有较大影响,土壤结构达到稳定状态需经过10 a左右的时间。     

比德-三塘盆地煤储层不同尺度孔隙分形特征研究

为利用煤储层孔隙结构的分形维数来定量描述其复杂程度,基于压汞试验,对黔西比德-三塘盆地主采煤层10个煤样进行了分形特征研究,并阐明了分形维数与煤储层物性之间的关系。结果表明:煤储层的分形可分为煤基质颗粒间大孔隙分形、煤基质颗粒中过渡孔隙分形和煤基质颗粒中微、小孔隙分形;大孔和过渡孔分形维数较高,小孔和微孔分形维数较低,3种孔隙结构的复杂程度依次为过渡孔大孔小孔和微孔。不同尺度的孔隙分形维数与孔隙体积分数呈负相关关系;大孔和过渡孔的分形维数均随着煤的变质程度、镜质组含量、灰分的变化呈现高-低-高的变化规律,与惰质组含量呈现低-高-低的变化规律,与水分、退汞效率成正相关关系,与平均孔径、孔隙度成负相关关系;小孔和微孔的分形维数与煤的变质程度、镜质组含量呈现低-高-低的变化规律,与惰质组和灰分含量呈现高-低-高的变化规律,与水分和退汞效率成负相关关系,与平均孔径和孔隙度成正相关关系。     

张集矿区复垦土壤养分变化研究及评价

煤炭开采引发土地沉陷,耕地资源严重破坏,土地复垦是恢复耕地的重要措施。开展矿区复垦土壤养分变化研究及评价,对于指导矿区土地复垦工作有着重要意义。以淮南张集矿区不同复垦年限的土壤为对象,系统研究了土壤养分的变化。结果表明：随着复垦时间的增加,土壤的有机质、全氮、速效磷和速效钾呈现增加趋势;复垦土壤在垂直层次上表现出随深度的增加,土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾有下降的趋势;以正常耕地土壤养分水平作为评价标准时,复垦土壤养分恢复指数呈现增加趋势。     

张集矿区复垦土壤养分变化研究及评价

煤炭开采引发土地沉陷,耕地资源严重破坏,土地复垦是恢复耕地的重要措施。开展矿区复垦土壤养分变化研究及评价,对于指导矿区土地复垦工作有着重要意义。以淮南张集矿区不同复垦年限的土壤为对象,系统研究了土壤养分的变化。结果表明:随着复垦时间的增加,土壤的有机质、全氮、速效磷和速效钾呈现增加趋势;复垦土壤在垂直层次上表现出随深度的增加,土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾有下降的趋势;以正常耕地土壤养分水平作为评价标准时,复垦土壤养分恢复指数呈现增加趋势。     

煤矿微生物复垦区灌木林下土壤养分的空间异质性

微生物复垦技术近年来已成为矿区土地复垦新的研究方向,微生物复垦多年后,新的人工生态系统已建立,其灌木林下土壤养分的空间异质性研究成为关注的重点。选择神东大柳塔采煤沉陷地微生物复垦地为研究区,利用经典统计学、地统计学和协同克里金插值方法,研究采煤沉陷地微生物复垦区灌木林下土壤全氮、有机质和速效磷的空间异质性及其影响因素。结果表明:研究区土壤全氮、有机质和速效磷的含量均值分别为0.50 g/kg,11.93 g/kg,2.24 mg/kg,均呈现出中等强度变异,存在空间自相关性。选择能表征丛枝菌根真菌特性的关键因子土壤菌丝密度,发现土壤菌丝密度与土壤全氮、有机质和速效磷含量呈极显著正相关性。以土壤菌丝密度为协变量的土壤全氮、有机质和速效磷的最优模型分别为高斯模型、球状模型和高斯模型,决定系数分别为0.709,0.757和0.467,均高于单一变量的土壤全氮、有机质和速效磷的决定系数。以菌丝密度为辅助变量的土壤全氮、有机质和速效磷均呈现强空间自相关性,有机质的变程较长,空间连续性较好;土壤全氮空间分布呈块状分布,对空间依赖性较强;土壤速效磷呈不规则斑块状,破碎化程度高。以菌丝密度为辅助变量进行协同克里格插值能够显著提高土壤全氮、有机质和速效磷含量的预测精度。     

黄土区露天煤矿排土场复垦初期土壤颗粒组成空间变异分析

土壤重构的好坏直接关系到黄土区露天煤矿排土场植被的恢复状况,研究排土场复垦后的土壤特性对排土场生态的恢复有很重要的作用。本文以黄土区露天煤矿排土场复垦区为研究对象,采用传统统计学和地统计学相结合的方法,以半方差函数为基本工具,应用Arcgis地统计模块研究了0~40cm复垦初期土壤颗粒的空间变异规律,并运用普通克里格法(Ordinary Kriging)进行最优无偏线性插值,制作了不同粒径土壤颗粒含量的空间分布图。结果表明:1在复垦初期0~20cm和20~40cm不同粒径土壤颗粒组成特点比较类似,均以粉粒平均含量最高,沙粒平均含量居中,而黏粒平均含量最低,各粒径土壤具有中等偏弱的变异性;2通过半方差函数的拟合,黏粒含量的半方差函数符合球状模型,粉粒含量的半方差函数在0~20cm层次符合球状模型,在20~40cm符合指数模型,砂粒的半方差模型在0~20cm符合球状模型,在20~40cm半方差函数符合指数模型,不同粒径土壤颗粒含量在一定范围内存在空间自相关性,具有中等的空间相关性;3基于半方差模型的普通Kriging插值图能更直观地揭示了复垦区不同层次土壤颗粒的空间分布状况,从土壤颗粒组成的垂直方向和水平方向来看,在0~20cm的水平方向上,研究区中粉粒含量高值区对应着砂粒含量的低值区,二者有较好的互补性,而在垂直方向不同土壤粒径含量在空间分布并没有明显的规律。本研究可为黄土区排土场复垦土壤剖面重构和培肥改良提供一定的借鉴和参考。     

施用蘑菇料对煤矿区复垦土壤物理特性的影响

为揭示施用蘑菇料对煤矿区复垦土壤物理性状的影响,以未破坏土地为对照,布置了9个采样点,分析了施用蘑菇料对复垦土壤紧实度、容重、含水量、土壤颗粒类型（黏粒、粉粒、砂粒）等物理性状的影响。结果表明：随着时间的增加,施用蘑菇料的地块土壤紧实度、容重增加。施用蘑菇料4 a的地块4与未施蘑菇料的地块3相比,表层土壤紧实度增加71%,容重增加027 g/cm3。紧实度增加是由于灌溉、降雨所致,蘑菇料腐烂且与土壤混为一体导致土壤容重增加;施用蘑菇料改良了土壤颗粒结构和分布,土壤1~3层的黏粒、粉粒含量增加。施用蘑菇料4 a的地块4与未施蘑菇料的地块3相比表层土壤黏粒增加06%,粉粒增加1427%,从而也导致了土壤表层紧实度和容重的增加。蘑菇料与土壤混为一体,增加了水分向地下渗透的阻力,有利于土壤含蓄水分,增加了土壤含水量,施用蘑菇料的地块土壤含水量增加3%~4%。     

风化层土的粒度分形与固结性关系研究

为预测评价采动影响下风化土层的隔水性与工程地质性质变化,本研究探讨了粒度分维与固结性的关系。通过分形理论计算司家营铁矿震旦系石英砂岩风化残积土的10个样品的粒度分维值,回归分析孔隙比、孔隙度、粒度分维、细粒含量与压缩系数的相关性。计算得到司家营铁矿区石英砂岩风化残积土分维值在2.603 68～2.733 76之间。利用MATLAB中的Curve Fitting Tool得到分维值、细粒含量与压缩系数之间的二元二次回归关系式,粒度分维对土的固结性具有一定的指示意义。     

采煤沉陷对沙地土壤水分运移的影响

为研究采煤沉陷对风沙区土壤水分生态环境的影响,对毛乌素沙地南缘补连塔矿采煤沉陷后风沙土土壤水分时空变化规律及土壤密度、土壤机械组成和水分运移过程(水分入渗、土壤蒸发)进行了研究。结果表明:沉陷使得水分恢复期土壤水分条件发生变化,增加了60~80 cm深度处土壤水分的变异性,但沉陷区与对照区之间差异未达显著性水平。在采煤沉陷后1 a的相对稳定期,与对照区相比,沉陷区粗粉粒(0.01~0.05 mm)含量明显增加,而细黏粒(0.001 mm)含量减小;在初始入渗率上,表现为沉陷区较高,在稳定入渗率上,表现为对照区较高,但差异较小,而沉陷明显增加了水分的垂直入渗深度,减小了表层土壤持水能力;同时,沉陷区土壤蒸发量明显增大,不利于土壤水分的保持。经相关性分析,沉陷使得土壤水分与影响因素之间的相关性增强。     

济宁北部矿区引黄河泥沙充填复垦优化分析

济宁北部矿区属于高潜水位矿区,传统的土地复垦方法耕地恢复率较低,同时该矿区地属平原,复垦时不能提供充足的充填土料。针对传统复垦方法的不足,考虑到济宁北部矿区毗邻黄河,引水取沙十分方便,提出引黄河泥沙充填复垦的新方法。首先根据煤矿产量估计不同时段沉陷面积和容积,进而测算不同时段复垦需沙量和引水量。再根据引黄河泥沙充填复垦工艺确定优化原则,包括管道布设优化原则、复垦顺序优化原则、提高管道输沙效率和输沙能力原则。根据优化原则,选择合适的管网铺设形式降低复垦成本;根据煤矿开采情况,选择沉陷稳定区域优先开采,避免重复复垦;选择合适的采沙输沙设备及其配套设备、管道管径、管材、不淤流速、最佳输水含沙量,以有效提高管道输沙能力、泥沙输送效率。优化成果可为实际引黄河泥沙充填复垦工程提供依据。     

豫东煤矿积水区水生植物复垦的可行性研究

以河南省永城市的矿区复垦农田为研究对象，分析4种不同复垦农作物（莲藕、芡实、水稻和玉米）对当地土壤质量与水质的影响，分析不同土地利用方式下的土壤养分指标，评估其土壤综合肥力指数，从环境角度比较旱生作物和水生作物两种不同复垦方式的环境生态效益，对当地采煤沉陷地复垦方式提出合理建议。结果表明，永城采煤塌陷各区域的水质均达到水田作物的灌溉水水质标准，土壤的氮素供应能力可能是限制水稻、莲藕以及芡实生长的环境因子。速效钾对水稻以及玉米的生长有限制作用。种植莲藕等水生植物促进当地复垦土地的保水保肥，固定土壤有效磷。永城市高潜水位矿区复垦土壤总体肥力水平中等偏上，其中选择水生作物进行复垦效果较为优良。     

黄河泥沙间隔条带式充填采煤沉陷地复垦技术及实践

为研究黄河泥沙充填采煤沉陷地复垦新技术,选取山东省德州市邱集煤矿采煤沉陷地为研究对象,提出了间隔条带式充填采煤沉陷地复垦技术工艺流程并进行实践,通过研究复垦农田地貌景观、土壤剖面、复垦土壤理化性质以及复垦农田生产力,揭示复垦新技术工艺的优越性。结果表明:黄河泥沙间隔条带式一次性充填采煤沉陷地复垦技术可行,土地复垦率为100%,耕地面积恢复率可达95.12%;技术实现表土和心土的分别剥离与回填,构造出与原有农田相似的上部60 cm土层结构,具有较好保水性和持水性,但在覆土过程中存在机械压实情况,具有较高的密度和较低的孔隙度;复垦农田覆盖土壤p H值较高,覆土层属于中度盐土,其基本不缺全磷、全钾(中高水平),轻度缺少速效钾状态(中级水平),缺少速效氮、有效磷、有机质(低级水平)和严重缺少全氮(极低水平),因此在复垦农田耕种过程中注意施加氮肥和有机肥;实地测产发现,复垦农田玉米产量(11 961.07 kg/hm2)与对照农田产量(13 032.80 kg/hm2)无显著差异(P0.05),说明复垦当年即可达到原有农田产量。通过山东省邱集煤矿采煤沉陷地黄河泥沙充填复垦的实践,验证了黄河泥沙间隔条带式充填采煤沉陷地复垦技术的可行性,并可为该技术在其他地区的推广提供借鉴。     

黄河泥沙作为采煤沉陷地充填复垦材料的可行性分析

目前已有的高潜水位平原地区的采煤沉陷地充填复垦技术存在充填物料数量不足和潜在污染性的问题。为分析黄河泥沙用作采煤沉陷地充填复垦材料的可行性,在济宁市梁山县陈垓引黄闸上游的黄河浅滩处及附近正常耕种的农田内采集了9个土壤剖面样和3个泥沙表层样,运用ICP-AES等手段对其土壤质地、pH值、电导率、有机质、营养物质和8种重金属(As,Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn,Hg)等理化指标进行了定量分析。结果表明:①黄河泥沙质地类型属于砂土,保水保肥性能差。②黄河泥沙的pH呈弱碱性,电导率值很小,能满足大多数作物的生长要求。③黄河泥沙的有机质、全氮、碱解氮、全钾、速效钾、全磷和有效磷含量处于中下、低或很低水平,用作充填复垦材料需要采取适当措施加以改良。④黄河泥沙中的Cd和Hg未检出,Cr,Cu,Zn,Pb,Ni和As含量均未超过《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)二级和三级标准值,不会造成污染。黄河泥沙用作采煤沉陷地的充填复垦材料是可行的,但需改善其保水保肥性能和肥力水平。