基于黄铁矿氧化的煤矸石充填复垦土壤CO2运移机理

The reconstruction soil profiles filled with coal gangue are of great significance in terms of the management of coal mining subsidence area and solid waste comprehensive utilization as point of view. However, the effect on plant growth and biological activity of the reclaimed soil can not be ignored due to the mutation of the soil matrix porosity structure and mineral composition. Based on the material conversion and energy transfer of pyrite (FeS2) oxidation process in coal gangue, this project will explore heat movement and carbon dioxide (CO2) release of the gangue layers in reclaimed soil, the respiratory changes of plants, animals, and microorganisms in soils and CO2 release characteristics under the conditions of FeS2 continuous oxidation and heat release. Meanwhile, the mathematical models will be established to simulate and predict the coupled motion characteristics of heat and CO2 in whole reconstruction soil profiles, as well as CO2 release flux. The project will make a greater contribution to research some important scientific issues, such as the improvement of the soil gas motion equation, the equation establishment and solution of coupled soil gas with thermal movement based on complex matrix conditions. Moreover, the scientific guidance of engineering technology will be provided to study plant growth conditions in reclaimed soil and control soil greenhouse gas emissions.

煤矸石充填重构塌陷区土壤剖面，无论从采煤塌陷区治理，还是煤矿固体废弃物综合利用角度来看，均具有重要意义。但由于土壤基质结构孔性和矿物组成的突变，给植物生长和土壤生物活动带来的影响不可忽视。项目以煤矸石中FeS2氧化过程的物质转化和能量传递研究为基础，探讨复垦土壤煤矸石层热流和CO2运动规律，FeS2持续氧化释热条件下上覆土壤植物、动物和微生物的呼吸变化及CO2的释放特征，并建立数学模型模拟与预测整个重构土壤剖面热流和CO2耦合运动特征，以及CO2的释放通量。项目研究在土壤气体运动方程的完善和基于复杂基质条件的气热耦合运动方程建立与求解等重要科学问题方面将作出较大贡献。同时对于复垦土壤植物生长条件的研究和调控，温室气体排放和控制等工程技术领域问题提供科学的指导。

煤矸石充填重构塌陷区土壤剖面，无论从采煤塌陷区治理，还是煤矿固体废弃物综合利用角度来看，均具有重要意义。但由于土壤基质结构孔性和矿物组成的突变，给植物生长和土壤生物活动带来的影响不可忽视。项目以煤矸石中FeS2 氧化过程的物质转化和能量传递研究为基础，探讨复垦土壤煤矸石层热流和CO2运动规律，模拟FeS2 持续氧化释热条件下上覆土壤温度梯度、CO2浓度梯度及地表CO2 通量变化特征，并初步建立数学模型模拟与预测整个重构土壤剖面热流和CO2 耦合运动特征，以及CO2 的释放通量。经过四年多的努力，课题组一方面通过调查取样分析和现场试验小区动态监测，系统认识了煤矸石风化物的矿物组分、元素化学组成和相关理化性质及其对土地复垦的意义，发现了煤矸石充填复垦土壤地表CO2通量变化规律和有机碳及其活性组分空间分布特征。在此基础上，推断用煤矸石作为垫底基质重构采煤沉陷区域关键带的最优表土厚度。另一方面通过煤矸石低温氧化试验和水气热运动模拟试验，分析了基于FeS2氧化的复垦土壤剖面温度梯度变化和CO2浓度梯度及通量，揭示了底部持续供热条件下复垦土壤CO2浓度梯度及通量特征，以及复垦土壤剖面CO2运移机理。项目研究在土壤气体运动方程参数的完善和基于复杂基质条件下的气热耦合运动概念方程建立等重要科学问题方面已作出贡献。同时，研究成果在复垦土壤植物生长条件的研究和调控等技术领域已有了工程应用。 通过项目研究，课题组已出版专著1部，获得国家发明专利和实用新型专利各1项，在国内外重要学术期刊和国际学术会议上发表论文17篇，其中EI收录6篇；培养博士生2人、硕士生9人；研究成果部分应用于企业工程实践项目，取得了一定社会、经济和生态效益，获中国煤炭工业科学技术三等奖1项；基于本项目研究内容的延伸，课题组成员相继获得了3项国家自然科学基金面上项目资助。