摘要："双碳"战略背景下,探索煤炭零碳开发路径对保障能源安全与绿色低碳转型具有重要意义.本研究以能源系统协同优化、瓦斯资源化抽采、CO2封存与生态碳汇为核心,构建了"减碳-替代-封存-循环"四位一体的技术体系.基于多学科理论融合与晋陕蒙矿区实证,系统解析了该技术体系的实施路径、协同机制与适配边界,明确了煤炭零碳开发从理论验证向规模化推广的潜在路径.研究表明:能源系统协同优化通过多能互补与智能调度,显著提升可再生能源消纳能力与系统弹性;瓦斯抽采结合碳市场机制,实现从灾害治理向"资源回收-碳减排"双目标转型;CO2封存采用采空区功能性充填与化学矿化协同方案,为井下空间资源化利用开辟新途径;生态碳汇通过地貌重塑与耐逆植被配置,形成采动区碳汇功能提升的可行方案.该体系为煤炭开发近零排放提供了系统解决路径,未来需重点突破复杂地质封存安全评估、技术经济性优化与标准体系构建等关键瓶颈,为煤炭行业融入新型能源体系提供系统性参考.

摘要：切顶留巷开采与留煤柱开采造成的顶板结构断裂特征存在显著差异,为了探究切顶留巷开采模式下覆岩结构的力学响应机制,本研究以陕西某矿试验工作面为研究对象,通过物理相似模拟试验,研究了不同区域覆岩裂隙的动态发育过程.结果表明:非切顶侧煤柱应力整体呈线性上升趋势,切顶侧煤柱应力在回采前期缓慢增加,回采后期增长速率加快;切顶工艺虽阻断顶板短悬臂力传递,覆岩载荷仍可通过煤体-预裂面复合结构向深部传递.非切顶侧顶板岩层通过自承形成砌体梁结构后,低层位垂直位移与应变趋于稳定,水平位移经历了"快增—缓增—快增"的时序性变化规律.回采结束时,切顶侧最大应变比非切顶侧小28.4％,高层位切顶侧与非切顶侧垂直位移与应变受关键层影响较大,水平位移并未受关键层影响;切顶侧裂隙比非切顶侧少12.1％,且裂隙角度主要分布在0°～65°区间.现场微震监测结果进一步验证了切顶侧"碎胀矸石压实+残余顶板微破裂"的破断模式.研究结果明确了切顶留巷条件下的顶板结构演化特征及裂隙演化规律.

摘要：废弃矿井开发作为我国能源转型与"双碳"战略目标实施的重要领域,在推动资源高效利用、生态修复与区域经济可持续发展中发挥着不可替代的作用.本文从顶层设计视角明确了废弃矿井开发的内涵,立足我国基本国情和区域差异,从资源化、能源化和功能化利用路径层面系统阐述了废弃矿井全生命周期开发利用战略构想与实施策略,以"分类施策、协同推进"为主导方针,坚持差异化开发与分步推进相结合,提出试点引领、分步推广的核心路径,构建区域协同、市场监管及技术创新、政策扶持的全方位保障机制.系统阐述了废弃矿井协同开发利用面临的科学与技术难题,从"空-天-地-藏"动态探测识别到全生命周期资源利用统筹优化,从地下空间稳定性控制到碳运移规律研究与三向控碳产业开发,从区域能源转型到混合微电网构建,重点突破废弃矿井从资源探测到多功能开发的全链条关键技术.研究可为废弃矿井从社会负担向战略资源转型提供科学依据,为实现"双碳"目标和区域经济高质量发展提供理论指导和实践路径.

摘要：四川盆地下寒武统筇竹寺组页岩层系的油气发现,开辟了页岩气规模增储新阵地.为明确川南井研地区筇竹寺组页岩现今地应力场特征及其对压裂缝的影响,综合多源数据对井研地区筇竹寺组页岩井剖面地应力方向和大小进行了精细解释;并通过建立精细地质结构模型和非均质岩石力学模型,基于单井解释结果约束,进行三维现今地应力场分布预测模拟,明确了研究区现今地应力场分布特征及其影响因素;之后进行了水平井压裂模拟,分析了现今地应力对压裂缝扩展的影响.研究结果表明:地应力大小和水平两向应力差整体受控于埋深,纵向上受岩性影响,1,5,9号黑色页岩层应力局部增加,平面上表现出工区地应力西北、东南高,中间低的特点.断层附近地应力和水平两向应力差减小,NE向断层对地应力大小的影响较NW向断层大,且断层规模越大影响越大,而构造变形影响较弱.目的层7号层最大、最小水平主应力和垂向主应力主要为75～95,60～80和65～85 MPa,水平两向应力差主要为11～16 MPa.研究区最大水平主应力方向主要集中在N75°～90°E之间,威远背斜西南倾末端区受构造变形影响,最大水平主应力稍向逆时针方向偏转,铁山背斜区和中部夹持区受断层影响,最大水平主应力方向顺时针偏转约5°～10°,NE向断层对地应力方向影响较NW向断层大.最小水平主应力增加,裂缝缝长、缝宽、缝高和改造体积均减小;水平两向应力差增加,裂缝缝长增加,缝宽、缝高和改造体积均减小.井轨迹与最大水平主应力方向夹角较大、最小水平主应力和水平两向应力差较小时,压裂效果较好.研究成果可为页岩储层地应力研究和页岩气的高效勘探开发提供科学依据.

摘要：水力压裂过程涉及能量输入、释放和耗散,探究压裂过程中能量演化机理及其改造效应,可为深部煤储层压裂工艺优化提供理论依据和技术支撑.以鄂尔多斯盆地东缘延川南区块2#煤层为研究对象,在优化真三轴水力压裂物理模拟方法基础上,结合数值模拟及数学建模,分析了深部煤层水力压裂应力分布及裂隙起裂-扩展特征,揭示了输入能量演化机理及其对压裂效果的控制作用.结果表明:钻孔内部填充NaCl粉末、抗拉拔植筋胶加固、试样外侧橡胶垫片缓冲的真三轴水力压裂物理模拟优化方法降低了试样应力加载破碎概率及端部效应,满足深部煤岩水力压裂物理模拟的需要.随排量增大,造缝效果呈现出由小规模、低缝宽复杂缝网向大规模、中缝宽复杂缝网,再向超大规模、高缝宽简单裂缝的转变,排量9 mL/min可形成规模和裂隙复杂度均较高的裂隙体系,破裂压力点是裂隙带扩展由缓至快的转折点.综合考虑地应力和水压力影响,构建了水力压裂应力分布模型,发现环向应力由压应力转化为拉应力是压裂裂隙起裂的驱动力,对于深部正断型应力状态,裂隙不仅形成于垂向应力和最大水平主应力所在的平面,而且优先从平行于垂向应力方向的井筒附近起裂.水力压裂物理模拟裂隙起裂的能量来自于水压增大阶段(阶段Ⅱ)积累的输入能,其由压强能和动能组成,压强能是能量主体.排量与输入能、耗散能呈二次函数关系,与能量输入速率呈对数函数关系,增大排量能够提高能量输入速率,但能量输入效率降低.裂隙率与能量输入速率之间呈高斯分布,当阶段Ⅱ能量输入速率介于0.70～1.15 J/s时,物理模拟压裂改造效果最好.

摘要：探究厚硬关键层影响下半煤岩保护层不同采高采动卸压效应,对半煤岩保护层确定合理采高,以控制排矸量、保障卸压效果及实现高效生产等具有重要意义.以金岭煤业172105半煤岩下保护层开采为例,通过物理相似模拟和FLAC3D数值模拟,探明了半煤岩下保护层不同采高下关键层运移规律及对被保护层的卸压效应.结果表明:采高为0.8 m时,层间关键层未发生破断,上覆岩层整体平稳弯曲下沉,被保护层卸压不充分;采高大于1.15 m时,层间关键层发生破断,裂隙带发育至二1煤顶板砂岩关键层底部,被保护层卸压显著.发现采高和厚硬灰岩关键层是金岭煤业半煤岩下保护层卸压效应的关键控制因素,构建了考虑采高和关键层影响的被保护层应力及膨胀变形量预测模型,明确了被保护层卸压程度与关键层和采高之间的定量关系.发现层间灰岩关键层厚度为8.0 m,采高为1.15 m时膨胀变形量可达到3.0‰;采高提高至1.9 m时,灰岩关键层发生破断,被保护层应力降低了41.6％～70.2％,被保护层最大膨胀变形量增大至23.3‰,取得了显著的卸压效果.研究结果指导了金岭煤业172105半煤岩保护层合理采高的确定和被保护层的高效卸压.

摘要：细粒夹层结构是尾矿坝常见的沉积结构,其特有的水力学性质会影响土体中水分的运动,进而降低尾矿坝长期服役性能.为探究尾矿坝在夹层结构影响下的毛细水迁移机制,采用自主研发的尾矿毛细水上升实时监测试验系统,基于细粒夹层的层位和厚度设置了 3组模型对比试验,得到细粒夹层结构影响下尾矿毛细水运移高度和含水率随时间的变化规律,并依据试验结果分析含夹层尾矿中毛细水在不同阶段的运动状态,进而发现毛细屏障效应对毛细水迁移的阻滞机理,揭示了不同夹层层位和厚度下的水分运移机制及其对尾矿毛细屏障效应的影响机理.结果表明:层状尾矿中毛细水上升高度随时间变化呈前期快速上升、中期缓慢上升和后期平稳的特点,含高位夹层的柱体毛细水上升高度大于中位和低位夹层;同一层位的夹层,厚度越大,水分穿越夹层的时间越长,夹层含水率越高,且夹层含水率比其上、下层尾矿高;夹层影响其上、下部尾矿毛细水的运移,当毛细水上升至夹层的下部界面时,因细粒夹层具有较强的基质吸力,水分会以较快速度进入到夹层;当毛细水抵达夹层的上界面时,受毛细屏障效应的影响,形成不连续毛细带,毛细水在夹层中不断累积最终穿透夹层进入上部尾矿.研究工作可为层状尾矿毛细水迁移机制研究和细粒尾矿坝稳定性分析提供参考.

摘要：锚固剂搅拌过程是树脂锚杆良好锚固力形成的关键阶段.锚固偏心作为锚杆常见的锚固缺陷,偏心程度可能对锚固剂的搅拌状态及锚杆的受力特征产生影响.因此,本文利用理论分析、数值模拟及实验室试验方法,探究了锚固偏心条件下锚固剂的搅拌状态,分析了锚杆反扭矩在不同锚固偏心度下的响应特征.结果表明:偏心锚固会影响锚固剂搅拌状态,导致树脂锚固剂封袋破碎程度降低,树脂锚固剂分布不均,锚固剂固化结构致密性及完整性下降,进而影响搅拌过程锚杆的反扭矩响应特征,固化结构稳定性更差,会削弱锚固系统的承载能力.搅拌过程锚杆反扭矩-时间曲线呈现出先显著上升后趋于平稳的趋势,分段特征明显.在锚固剂穿透阶段,锚杆反扭矩变化率的均方根值、波峰因子、方差均随着偏心度的增加而增加.在锚杆抵达孔底后的锚固剂搅拌阶段,锚杆反扭矩均值随着锚杆偏心度的增加而增加.以锚固剂搅拌过程中锚杆反扭矩变化率特征值及反扭矩均值作为识别锚杆偏心度的指标,提出了基于锚杆反扭矩的锚固偏心度识别设想.研究结论可为实现锚杆锚固质量无损、快速识别提供理论参考.

摘要：为了揭示多相多场作用下安全环保型低浓乙酸酸化增渗机制,建立了气水两相应力-化学-温度-扩散-渗流多场耦合理论模型,分析了乙酸作用煤体方解石浓度、氢离子浓度及温度值变化规律,结合核磁及超声波试验测试,研究了孔渗特性改善机制,揭示了有效气压与有效水压演化规律,并进一步探究了乙酸浓度、初始瓦斯压力、含水饱和度、Langmuir体积常数和极限吸附膨胀变形量对渗透率及瓦斯抽采特性的影响.结果表明:乙酸作用下,煤体方解石浓度、H+浓度与温度值均降低,方解石与H+浓度分别降低至550和0.07 mol/m3左右,由于方解石溶解与瓦斯解吸作用,煤体温度随抽采时间增加而减小(约为初始温度的0.942 4倍).乙酸有助于孔裂隙发育,增加煤体渗透率,抽采120 d时,渗透率最大增加到原始渗透率的18倍.煤样核磁图谱均出现微小孔、中孔峰减少,大孔峰增加,煤样W2-6％HAc、W3-12％HAc与W4-18％HAc超声衰减系数与比值均增大,W3-12％HAc增加程度最高,约达1 583％与1 388％,与乙酸处理增大煤体渗透率相互验证.瓦斯抽采120 d时,注酸煤层有效气压从0.70 MPa降低到0.23 MPa,有效水压从0.75 MPa降低到0.06 MPa.随着乙酸浓度、极限吸附膨胀变形量和含水饱和度增加,煤层渗透率显著提高.钻孔周围"低温区"范围随着Langmuir体积常数、初始瓦斯压力增加而降低,最低温度值亦降低.相关结果为阐明乙酸增渗及瓦斯抽采增效机制提供参考.

摘要：探明泥浆浸润环境下黏性土与金属的黏附规律是泥水盾构刀盘结饼和堵塞防治的关键.基于响应面试验设计方法,开展了考虑膨润土质量分数、初始稠度指数、泥浆浸润时间3个因素的黏性土-金属黏附应力测试试验,建立了黏附应力二次多项回归方程,并探讨了泥浆浸润作用下的黏附应力变化规律.研究结果表明:黏性土初始稠度指数对黏附应力的影响最为显著,且膨润土质量分数与初始稠度指数、初始稠度指数与浸润时间对黏附应力存在较为显著的交互影响;黏附应力随泥浆浸润时间增长均呈下降趋势,在短期浸润作用下,初始含水率较低的黏性地层往往更易导致刀盘及其他设备堵塞和结饼,而初始含水率较低,且膨润土含量较高的黏性地层在泥浆长期浸润作用下,峰值黏附应力降低较快;在泥浆浸润作用下黏性土-金属界面的黏附作用不仅仅取决于土样的含水率.研究成果能够为黏性地层泥水盾构刀盘堵塞风险评估与防治提供指导.

摘要：为探究含不同裂隙走向岩体在外荷载作用下的破裂特征,采用数字图像相关技术和声发射技术开展加载方向分别与裂隙夹角为25°,35°,45°和60°(迭加断裂角,β)的类岩体模型单轴压缩试验.结果表明:随β的增大,模型强度逐渐降低.当β较小时,法向应力占据主导地位,会促使Ⅰ型张拉破裂更易发生;当β较大时,Ⅱ型应力强度因子更占优势,导致Ⅱ型剪切破裂成为主导形式,模型在前2个变形阶段内损伤不断累积,达到模型强度对应时刻后,振铃计数变小.模型能量释放总量、平均累积能量、能量释放速率随β增大而增大;模型破坏速率越大,能量释放越剧烈,印证破裂是能量产生的根源.β=60°的模型峰值频率点数量最少,分布最分散;β=35°的模型数量分布多,损伤演化过程更剧烈.通过引入b值误差分析发现,β=35°和β=45°模型的b值曲线在弹性变形阶段末期的突变可作为岩体破裂前兆.研究成果可为工程建设中岩体稳定性分析提供理论支撑.

摘要：华北地区深部煤层气勘探近年来取得多项突破,展现出巨大的资源潜力,但游离气差异富集机理不清制约了"甜点"预测与开发部署.本文以华北典型深部煤层气区块为研究对象,通过地质分析、试验测试与数值模拟相结合,系统阐明了"埋深-保存-储集"三元耦合机制对深部煤层游离气富集的控制作用.研究结果表明:埋深超过吸附能力临界深度是游离气形成的重要前提,良好的保存条件是游离气滞留成藏的关键,而充足的储集空间则决定了游离气富集规模,三者构成一个缺一不可的有机整体,任一条件缺失均会导致深部煤层游离气的差异富集.选取宁武盆地、沁水盆地及鄂尔多斯盆地东缘北部典型区块进行研究,发现宁武盆地宁武南区块因煤层埋深未达到吸附能力临界深度而导致游离气不富集;沁水盆地榆社—武乡区块因后期强烈构造改造造成气体大规模逸散;鄂尔多斯盆地东缘临兴—神府区块则以储集能力差异主导了游离气的差异富集.数值模拟结果进一步表明:游离气富集程度是深部煤层气井产量的关键控制因素,较高的游离气富集程度有利于实现更高产能.深部煤层气的高效勘探开发需明确"甜点"深度范围,该范围内的煤层应兼具较高含气量和游离气富集程度,以保证良好的资源构成与规模,同时还需综合考量煤层的应力-应变特性与可改造性,以确保压裂效果和经济可采性.本研究为深部煤层气勘探选区与开发优化提供了重要理论依据,对推动我国煤层气产业规模化发展具有积极意义.

摘要：明晰采空区卸压瓦斯的流动与聚集规律对保障矿井安全至关重要,本文以彬长矿区某工作面为背景,通过数值模拟探究了不同采厚对覆岩裂隙及瓦斯运移的影响,并结合现场抽采实践进行了验证.结果表明:工作面采厚与覆岩裂隙的发育程度呈正相关,随着采厚的增加,覆岩的回转空间增大,促进了裂隙的产生,表现为裂隙密度、离层量、分形维数和连通性系数的显著上升;大采厚条件下,卸压瓦斯的运移范围更广,尤其对中高层位瓦斯的运移能力影响更为显著.基于裂隙发育和瓦斯流动特征,将采动覆岩的卸压瓦斯分布划分为3个区域:低位扩散区、中位浮升区和高位平流区.通过各区域的裂隙密度、离层量、分形维数、连通性系数和瓦斯富集率的临界值,建立了裂隙场与渗流场融合的判识流程.研究结果表明:随着采厚从5 m增至15 m,瓦斯运移区域面积平均增加112.6％,其中采厚对中位浮升区和高位平流区面积的促进作用远大于低位扩散区;试验工作面定向钻孔抽采效果良好,钻场纯流量范围为0～14.43 m3/min;各层位抽采效能排序为:中层位＞低层位＞高层位,钻场卸压瓦斯抽采量占工作面绝对瓦斯涌出量随工作面推进呈阶梯式增长特征.该结果验证了前述区域划分方法的可行性与钻孔布置的合理性,可为优化瓦斯抽采参数提供理论指导.

摘要：页岩储层压裂缝网中毫米裂隙是页岩气渗流的重要通道,探究毫米裂隙内支撑剂运移沉降特征及支撑剂沉降后对裂隙的支撑性能具有重要意义.基于计算流体力学与离散元、有限差分与离散元耦合方法,提出了一种综合探究支撑剂在裂隙内运移及其沉降后对裂隙支撑作用的数值研究思路.首先,通过轮廓扫描获得劈裂页岩裂隙面几何模型,建立了毫米开度裂隙内压裂液携带支撑剂运移的流固耦合数值模型,分析了不同参量下支撑剂的运移特征并获得支撑剂沉降分布;进一步,建立了毫米开度裂隙页岩数值模型,并将获得的支撑剂沉降分布导入页岩模型裂隙内,探究了应力作用下的裂隙开度演化、支撑剂受力特征以及裂隙面损伤规律.研究结果表明:支撑剂粒径越小、压裂液流速越大、压裂液黏度越高,越有利于支撑剂运移;应用混合粒径支撑剂时,大粒径支撑剂沉降会阻碍小粒径支撑剂运移,从而形成沉降区;主要承载应力的支撑剂占比较小且主要分布于裂隙面倾斜程度较高的位置;裂隙开度压缩量与裂隙面支撑剂覆盖率无明显对应关系,但受应力大小和支撑剂尺寸影响显著;应力作用下,支撑剂周围产生应力集中造成裂隙面发生拉伸和剪切破坏,拉伸破坏是裂隙面的主要损伤形式,且破坏体积随着支撑剂粒径的增加而增加.

摘要：液氧瞬态膨胀破岩技术作为一种新型破岩方法,在安全、振动控制及环保性能方面展现出显著潜力,然而其能量释放机制、安全边界及工艺可靠性等方面仍存在部分争议.本文系统探讨了液氧瞬态膨胀过程的反应本质,明确了其"燃烧驱动+相变主导"的能量释放模式;提出了液氧相变-燃烧比的定量计算方法,揭示了液氧的汽化膨胀在能量释放中占主要部分;提出了液氧药包的静电感度测试方法,确定了试验工况的液氧药包的临界发火能量,并探明油脂污染将显著提升其静电敏感性,据此提出了等电位接地消除静电方法.基于上述机理认知,研发了基于钨丝介导的瞬态高温点火技术,实现了激发源的本质安全;发明了契合液氧相变规律的分段减振起爆技术;提出了顶部抑能-底部释能的飞石控制方法与柔性梯度封堵技术,有效抑制飞石与减少冲孔现象;此外,探索了液氧-液氮混合膨胀以调控能量释放进程.现场工程应用表明:液氧瞬态膨胀破岩技术在城市基坑与土石方开采等环境中成功实现了高效、低振动、无飞石的破岩作业,验证了其技术的可行性与工程适用性.本研究为液氧瞬态膨胀破岩技术的理论完善、安全标准化与规模化工程应用奠定了理论与方法基础.

摘要：适宜的捕收剂是微细粒级煤高效浮选的核心,传统表面活性剂的选用逻辑却局限了煤表面含氧官能团与药剂基团作用机制的探究.本研究耦合模拟与试验手段,系统剖析了复合捕收剂在煤表面的吸附行为及浮选强化机理.密度泛函理论(DFT)模拟显示,水分子、正十二烷、正十四烷、亚油酸甲酯与煤亲水特征单元的平均吸附能依次为—0.34,-0.36,-0.38,-0.46 eV,吸附稳定性呈亚油酸甲酯＞正十四烷＞正十二烷＞水分子的排序,说明烃类油难以取代亚油酸甲酯在煤亲水位点的吸附.3种药剂吸附能分别为—0.56 eV(正十二烷)、-0.79 eV(正十四烷)、-0.84 eV(亚油酸甲酯),证实亚油酸甲酯虽压缩烃类油吸附位点,但可通过吸附烃类油提升整体吸附稳定性,增强捕收效果.作用力上,煤与水分子、亚油酸甲酯的吸附由氢键主导并协同范德华力,与烃类油作用主要靠范德华力,该类作用力提升了药剂吸附能力与扩散性.分子动力学(MD)模拟验证亚油酸甲酯可增大体系内水分子间距,改善煤疏水性;浮选试验表明:正十四烷与亚油酸甲酯1∶1配比、总用量1 200 g/t时,精煤产率达89.20％,且尾煤灰分上升,分选选择性强化.综上,亚油酸甲酯可强化煤疏水改性与烃类油吸附,提升浮选效率,为煤泥浮选药剂调控提供理论支撑与实践方案.

摘要：为探究煤体吸附CO2过程膨胀应力动态演化特征,从装置气密性、限位有效性和测力计可靠性等关键技术难点着手,研发了集轴向限位系统、数据监测系统、孔隙压控制系统和温度控制系统于一体的煤体吸附膨胀应力试验装置.结果表明:研发的煤体吸附膨胀应力试验装置具有良好的气密性与轴向限位能力,能够有效控制煤体95％以上的轴向变形量,实现10 MPa以内的气体压力及吸附膨胀应力动态测试功能.基于该装置开展了 CO2作用下煤体吸附膨胀应力试验,分析了膨胀应力动态演化特征.煤体吸附CO2过程中的吸附膨胀应力随时间的动态演化曲线表现出3类曲线形式.CO2气体压力较低时,吸附气体对煤体的力学损伤作用不明显,曲线主要由充气压缩应力减小和吸附膨胀应力增大两阶段构成,表现为Ⅰ类曲线,具有显著的Lang-muir曲线特征;随着气体压力升高,煤体因吸附"蚀损"作用引发的力学损伤导致曲线出现应力减小现象,形成Ⅱ类曲线;一旦力学损伤导致的应力减小值超过吸附膨胀导致的应力增大值,吸附平衡后的吸附膨胀应力值较初始值明显减小,表现为Ⅲ类曲线.建立了考虑煤体力学损伤的吸附膨胀应力动态演化双Langmuir模型,能精确拟合吸附膨胀应力随时间的演化关系.

摘要：大力发展大宗工业固废资源化利用技术和产业,是落实国家"双碳"战略与推进循环经济的关键举措.本文系统梳理了粉煤灰、钢渣、赤泥、碱渣4大典型工业固废的资源化利用技术路径与工程应用场景;重点剖析了工业固废基地质聚合物制备这一关键技术;从多元固废协同利用、多领域融合利用、资源化与碳减排一体化3个角度对大宗工业固废资源化利用技术发展方向进行了前瞻讨论.研究结果表明:大宗工业固废资源化利用技术应用前景广阔,能够应用于建筑(设)材料、农业材料、环保材料、有价组分回收、高附加值产品制备等多个领域,作为新兴产业发展潜力大.从当前大规模产业化应用场景来看,建筑(设)材料生产与绿色矿山充填已成为大宗工业固废资源化利用的优先领域."多元协同、多领域融合、减污降碳一体"是大宗工业固废资源化利用技术的总体发展趋势,方向一是基于"成分互补、活性协同"的多元固废协同,推动矿渣、钢渣、粉煤灰等不同类型固废实现集中高效利用;方向二是基于"价值梯度"的应用领域融合,突破单一领域限制,形成综合利用体系;方向三是基于"减污降碳"的目标聚焦,实现工业固废碳化利用与CO2矿化封存的联合,推动固废资源化利用与碳减排目标一体化实现.本文研究可为大宗工业固废资源化利用技术发展、产业化推广及相关政策制定提供理论支撑与实践参考,助力"双碳"目标实现与美丽中国建设.

摘要：露天煤矿经过剥离—开采—排土—复垦等系列采矿活动后,原有自然地层、地貌、景观等关键生态要素都发生了"翻天覆地"的结构性改变,成为了一种特殊的大型人工生态系统.本文从区域、矿山、排土场局地3种尺度分析露天煤矿水热条件、地形地貌、岩土地层等生态要素的空间异质性及其产生的环境效应.在区域尺度上,构建了水热协调性指数分析方法,发现我国干旱半干旱地区露天煤矿生态系统水热条件具有显著的空间差异,水热协调性直接影响矿区重建植被恢复成效,应作为露天矿产能布局的重要参考因素之一.在矿山尺度上,分析了典型露天煤矿开采前后的高程与坡度变化特征,基于哨兵Sentinel-2卫星大气水汽数据与Envi-met数值模拟,发现露天矿在夜间将形成"逆温效应",加剧了矿坑粉尘向逆温层的上移聚集;昼间产生"剥离区高-采区低-排土区高"的M型分布"湿岛效应",夜间则形成"干岛效应",这将加剧矿区地表土壤水分的亏损.在排土场局地尺度上,发现排土场重构地层台阶坡面存在典型的粒径偏析现象,粒径沿坡面方向的分布符合Rosin-Rammler分布函数;排土场重构地层整体呈现"下部结构规整、上部结构紊乱"的典型垂向分异特征;重构排土场地层在粒径偏析作用下形成垂向渗透梯度,内部渗流场以"优势通道迁移-异质界面滞留"为主的非线性运移特征,这种地层不具备地下水阻渗条件,难以恢复地下潜水.因此,系统性实施露天矿生态修复还应科学重构排土场地层,以控制恢复地层渗流条件和防控溶质运移污染风险等.本研究对于掌握矿山生态系统演变机理、优化开采设计、制定矿山生态保护修复措施等都具有重要的理论意义.