北方防沙帶大型露天煤礦區生態保護與修復技術

李全生 ，李 淋 ，方 杰 ，周 偉 ，雷少剛 ，包玉英 ，崔 明

（1.國家能源投資集團有限責任公司, 北京 100011；2.中國礦業大學(北京), 北京 100083；3.煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室, 北京102209；4.中國礦業大學, 江蘇 徐州 221116；5.內蒙古大學, 內蒙古 呼和浩特 010021；6.中國林業科學研究院生態保護與修復研究所, 北京 100091）

0 引 言

2022 年北方防沙帶露天煤礦產量近9 億t，其中內蒙古占比59.6%，新疆占35.8%。北方防沙帶露天煤區開發在保障我國能源供應的同時，也引起了地下水位下降、土地壓占挖損、植被退化、景觀破損等生態問題[1-2]。因此，研究北方防沙帶大型露天礦區生態保護與修復技術具有重要意義。露天開采是澳大利亞、美國、德國和加拿大等采礦大國的主要開采方式[3]。國外露天礦綠色開采起源于19 世紀美國、德國在礦坑周邊局部環境的保護；19 世紀中期西方國家開始兼顧環境保護與資源高效安全開采；21 世紀以來，西方國家將露天開采與污染治理、礦區綠化等環境保護概念融合，在粉塵治理及生態修復等方面開展了綜合研究。我國從20 世紀80 年代開始重視礦區生態修復[4]。經過長期研究與實踐，相繼在生態修復規劃[5-6]、水資源影響[7-8]、地貌重塑[9]、復墾區環境評價[10-11]、礦業生命周期與可持續發展等方面取得一系列成果。李全生等[12-15]建立了煤炭生態型露天開采理論，創建了東部草原區大型露天煤礦減損開采與生態修復技術體系；李樹志等[16]提出了東部草原區露天礦排土場仿自然地貌土地整形方法，宋子嶺等[17]研究了露天開采對土、水、氣產生的不利影響；才慶祥等[18-20]建立了露天煤礦生產與生態重建一體化系統模型；趙玉國等[21]構建了蒙東典型大型露天礦生態儲存指標體系，揭示了露天礦生態儲存效應,朱曉昱等[22]分析了呼倫貝爾草原區1992—2015 年不同草地類型分布時空變化。大型露天煤礦開采在北方防沙帶引起的生態環境問題具有特殊性，脆弱生態系統采動損傷后恢復難度更大，現有研究成果難以解決北方防沙帶大型露天礦區高強度開采與脆弱生態保護之間的矛盾。因此亟需研究北方防沙帶大型露天礦區開采與生態保護基礎理論和成套關鍵技術。

1 露天煤礦區特征與存在的生態問題

1.1 露天煤礦區環境特征

北方防沙帶是我國防治沙化和荒漠化的關鍵地帶，是“三北”工程的核心區，區內土壤貧瘠、風速大、干旱缺水、植被稀少、生態恢復力低[23-25]。2022 年，北方防沙帶露天煤炭產量（圖1）占全國露天產量80%以上，大型露天煤礦采剝量巨大，單礦每年可達上億立方米；采損面積大，單礦可超過20 km2；地形地貌改變劇烈，邊坡和粉塵控制難度大，生態影響程度高，大型露天煤礦開發與脆弱生態保護矛盾突出。

圖1 我國主要大型露天煤礦分布Fig.1 Distribution of major large-scale open pit coal mines in China

1.2 露天煤礦區開采存在問題

目前，我國缺乏針對北方防沙帶露天礦區尺度的全生命周期生態化開采設計、減損開采、系統修復理論與技術研究，主要表現在以下5 個方面。

1）露天開采巖土-生態損傷機理和生態減損機制不清，全生命周期生態化設計缺乏[26-28]。大型露天礦區開發引起的巖層破損、土地挖損壓占和地下水位下降等影響生態的關鍵要素及權重不明，北方防沙帶大型露天礦區巖土損傷傳導并影響脆弱生態系統、減損開采機制不清、全周期生態化設計和減損開采技術缺乏。

2）大型露天礦區伴生礦物資源與水資源生態綜合利用率低[29]。一方面，大型露天礦區的風化煤、煤矸石、伴生礦物和粉煤灰多以“固廢”排放并影響礦區生態，其低成本資源化和生態化利用已成為制約北方防沙帶大型露天礦區高質量發展的重要問題。另一方面，礦區形成的礦坑積水、地表徑流等水資源生態蓄積利用程度低，導致生態澆灌成本高。

3）露天礦生態修復“重植被、輕土壤”，低成本礦山土活化與熟化技術缺乏[30]。露天礦排土場生態修復過程存在“重植被、輕土壤”等問題，土壤提質增容技術缺乏，導致土壤質量不高、生態系統穩定性差，排土場土壤-植被生態系統退化嚴重。

4）大型露天礦區損毀生態系統修復和維持成本高[31]。大型露天礦區損毀生態系統地貌-土壤-植被聯合修復程度低，普遍存在與周邊自然景觀融合度差、邊坡抗侵蝕能力低、坡體穩定性差、水土流失嚴重、植被難以定植和重建生態系統難以自維持等問題。

5）大型露天礦區生態退化機理不清，生態監管薄弱[32-33]。大型露天礦區受損生態系統的退化機理以及多尺度擴散過程不清，生態監測技術與監測數據基礎薄弱，缺乏中高分辨率、長時序、高頻次協同觀測，難以動態掌握礦山生態退化狀況，主動及時的生態保護修復集成監管模式亟待建立。

2 露天煤礦區生態保護型開采科學問題與技術路線

2.1 露天煤礦區生態保護型開采科學問題

1）大型露天礦區巖土損傷生態退化傳導機理。針對北方防沙帶大型露天礦“揭蓋式”開采引起的礦區“漏水、漏肥、起沙、揚塵”等典型問題，揭示開采巖土損傷－生態退化傳導過程；分析露天煤礦開采生態退化的根源及主控因素，揭示露天開采多場作用下巖土損傷傳導與多尺度下生態退化響應，為礦區生態損傷控制提供理論基礎如圖2 所示（圖2 中，例：T1-1 為T1 時間節點生態系統所處的一種狀態；A 為當前生態系統整體優于原始生態系統；B 為當前生態系統整體劣于原始生態系統）。

2）大型露天礦區生態減損開采機制。針對北方防沙帶大型露天礦生態影響范圍大，生態損傷受開采方法、開采工藝與參數、地質條件與生態本底等要素影響顯著等問題，揭示煤炭開采與生態保護時空影響機理和生態減損開采機制；建立以損傷因子調控為核心的減損開采動力學模型，提出露天礦全生命周期減損開采調控策略與方法，實現大型露天礦區生態系統減損開采與管控。

3）大型露天礦區重建生態系統自維持機制。針對北方防沙帶大型露天礦水蝕風蝕嚴重、土壤抗侵蝕能力差、生物多樣性低，重建生態系統自維持能力低等問題，揭示排土場重建生態系統自維持機制和抗侵蝕機理，建立以地貌-植被-土壤-微生物要素特征及耦合關系為核心的系統自維持評價模型，掌握露天礦排土場近自然抗侵蝕地貌重塑和生物聯合修復技術原理和方法，實現系統自維持。

2.2 露天煤礦區生態保護型開采技術路線

以北方防沙帶面積和露天煤炭產量占比均最大的內蒙古的大型露天煤礦區為研究區，秉承“減損開采－立體保水－造土活土－系統修復－集成監管”的總體研究思路，揭示3 大科學問題，研發5 類關鍵技術，建設2 個集成示范區。研究技術路線如圖3所示。

圖3 研究技術路線Fig.3 Technical line of research

3 露天煤礦區生態保護型開采理論基礎

3.1 生態損傷傳導機理與減損開采理論基礎

1）北方防沙帶露天開采巖土損傷傳導機理。研究露天礦“揭蓋式”開采應力場、裂隙場、滲流場和溫度場作用下巖土損傷規律，揭示露天開采過程中“土地挖損壓占-應力重布-巖體損傷-裂隙擴展-邊坡位移”的巖土損傷傳導機理（圖4）。

圖4 露天開采巖土損傷傳導機理Fig.4 Geotechnical damage conduction mechanism in open pit mining

借鑒靜水壓力模型分析不平衡地應力的發展規律：

式中：σ3為不平衡應力，即排土場堆載體對基底軟巖擠壓產生的側向應力，kPa；K0為側壓系數；γ為上覆巖體的容重，kN/m3；H為巖體深度，m。

2）北方防沙帶露天開采生境損傷傳導機理。針對北方防沙帶露天開采引發漏水、漏肥、起沙、揚塵的特點，研究開采巖土損傷引起近地表層、地下水水位等生境損傷規律，揭示露天開采生境損傷傳導機理。

3）露天煤礦減損開采機制。研究開采方法、開采工藝與參數等要素對生態因子損傷的影響規律，建立以損傷因子調控為核心的減損開采系統動力學模型，提出露天礦全生命周期減損開采調控策略與方法。

3.2 水資源立體保護與生態利用理論基礎

1）露天礦區大氣降水-地表水-地下水轉化關系。露天礦區水文地質單元邊界及地下水賦存規律，厘定礦區典型水文地質參數，查明降水、地表水、地下水水文地球化學特征，揭示露天礦區大氣降水-地表水-地下水轉化關系。大氣降水、地表水和地下水之間存在下列關系：

式中：P為降落到地表的水；Y為地表徑流；Z為地表蒸發量；I1為地下水。

2）露天礦開采地下水流場演變規律?；诼短扉_采“應力場-裂隙場-滲流場”三場演化、地下水滲流理論及多尺度仿真分析方法，構建區域三維地下水流數值仿真模型，研究露天開采地下水流場補、徑、排演變特征，研究植被耗水、根系與包氣帶地下水位的關系，厘定最佳適宜地下水位埋深，揭示地下水位下降對表生生態影響規律，評估露天礦開采地下水影響范圍及其生態效應。

3）露天礦開采地下水影響范圍控制方法。研究開采工藝規模與參數、截水、回灌等對地下水影響范圍的控制機理，提出基于水資源保護的露天礦地下水影響范圍控制方法。

根據地下水穩定流分析的“大井法”[34]，含水層地下水向露天采坑的側向排泄量Q：

式中：Q為地下水向露天采坑的側向排泄量，m3/d；K為滲透系數，m3/d；M為含水層厚度，m；h為水頭高度，m；S為由于礦坑排水產生的水位降深值，m；R0為引用影響半徑，m；r0為假想“大井”的半徑（即為揭露區域的引用半徑），m。

3.3 伴生礦物資源人工造土與排土場活土層精細重構理論基礎

1）排土場土壤重構機理?；谒诌\移和養分循環模型，闡明北方防沙帶自然發育典型植物群落土壤層序結構、植物根系分布及功能微生物特征規律，揭示排土場土壤重構機理。

2）排土場土壤質量評價體系。研究北方防沙帶露天礦區排土場土壤的主要物理、化學及生物特征，揭示指標間的相關關系，提出排土場活土層質量的關鍵評價指標和評價方法。

3）伴生礦物資源關鍵功能組分賦存規律與活化機理。研究伴生礦物資源的物質組成、結構特征及其功能，解析伴生礦物資源關鍵功能組分微觀尺度賦存狀態及分配規律，闡明伴生礦物資源功能組分活化機理。

3.4 地貌-土壤-植被系統修復與自維持理論基礎

1）排土場重建生態系統自維持機制。研究植物與土壤微生物種內種間相互作用關系和演替規律，解析植被-土壤-微生物系統養分獲取、分配及運輸過程，揭示重建生態系統植被-土壤-微生物耦合規律和協同關系。

2）排土場地形地貌水蝕調控機制?；谂磐翀龈叻直媛蕯底指叱棠Ｐ?，構建地形因子指標體系；構建排土場降雨徑流模型，研究地形地貌-產流匯流-土壤水蝕的耦合傳導過程和規律，揭示排土場地形地貌水蝕調控機制。

3）排土場微地形風蝕調控機制。利用高分辨率遙感影像，分析排土場微地形要素類型及其空間分異規律；基于排土場土壤風蝕風沙流結構特征，研究微地形-地表風場-土壤風蝕耦合傳導過程和規律，揭示排土場微地形風蝕調控機制。

3.5 生態退化機理與保護修復集成監管理論基礎

1）露天礦區星-空-地聯合生態觀測網絡構建。聯合無人機遙感、礦卡車載實時感知平臺，構建與“礦大南湖號”礦業衛星相匹配的星-空-地協同的露天開采與生態觀測網絡；研究多源觀測數據的輻射一致化和時空匹配方法，實現剝采排復全過程星-空-地協同監測。

2）露天礦區米級生態地質參數定量遙感反演。建立高分多譜礦業衛星、無人機、礦卡多平臺、主被動協同的米級高分辨率礦區關鍵生態地質參數遙感反演與融合方法；構建礦區粉塵、植物群落土壤侵蝕、邊坡位移等時序遙感監測方法與數據。

歸一化植被指數，即近紅外通道與可見光通道反射率之差與之和的商。計算公式為

式中：INDV為植被指數； ρNIR為近紅外通道地表反射率； ρR為紅光通道地表反射率。

3）植被覆蓋度指數，是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比。目前主要運用植被指數近似估算植被覆蓋度，采用基于歸一化植被指數的改進的像元二分模型。

式中：W為植被覆蓋度；INDV,soil為無植被像元INDV值；INDV,veg為純植被像元的INDV值。

4）露天礦剝采排復擾動空間與過程時序監測。提出聯合多時相、多尺度的光學與微波遙感數據提取剝采排復擾動空間與時序過程監測方法，建立剝采排復與生態數據的時空匹配方法，實現露天開采與生態退化修復全過程的時序監測。

4 露天煤礦區生態保護型開采技術體系

4.1 生態損傷傳導機理與減損開采關鍵技術

針對我國北方防沙帶大型露天礦“揭蓋式”開采生態損傷傳導機理不清和開采損傷時空控制難的問題（圖5）。

圖5 露天礦生態損傷Fig.5 Ecological damage in open pit mines

1）露天礦采排空間實時調配技術。提出挖損、壓占、修復不同階段露天礦土地分類方法，研究基于礦業專用衛星遙感數據的巖土類型識別、采場形態參數自動提取和土石方量計算方法，構建露天開采全生命周期土地占用評價標準與方法。

2）露天礦采排復一體化時空節地技術。研究露天礦單位資源開采量土地占用面積和持續時間變化規律，建立采排時空控制、邊坡角度、土地占用的關系模型，研發開采工藝系統空間優化和邊坡穩定性分區的內排調控節地技術。

3）露天礦松散層精細化采儲的保土技術。提出基于生態修復目標的礦區開采松散層分類方法，研究不同類型土壤采儲用時間與物理特性變化規律，研發近地表層高效選采和低損傷儲運技術，研制北方防沙帶近地表層高效精準選采裝置。

4）露天煤礦精準靠幫開采與邊坡穩定協調技術?；趯崟r監測預警分析，揭示露天開采邊坡變形時空響應與失穩機制，研發邊坡空間形態動態優化設計方法和控制技術，形成露天礦精準靠幫-快速回填開采技術。

5）露天煤礦粉塵沙塵運移規律及其控制技術。研究高強度開采、快速推進下粉塵沙塵運移規律，揭示局地小氣候效應下粉塵沙塵運移阻滯機制，建立高精度露天煤礦采場空氣質量預報模型，提出粉塵沙塵控制的采排模式，研發粉塵沙塵運移通道控制與生態阻滯的控制技術，創建阻滯帶配置模式。

6）露天礦全生命周期生態化設計。建立露天開采生態保護型煤炭產能評價模型，構建涵蓋水土氣植生態保護、資源開發、區域發展等評價指標的全生命周期綜合效益評價方法研發基于海量數據集的全生命周期數字孿生技術，構建露天礦減損開采優化決策模型，提出露天礦生態化設計方法。

4.2 水資源立體保護與生態利用關鍵技術

針對北方防沙帶大型露天礦地下水資源流失嚴重、礦坑水保護與利用率低、重建植被灌溉成本高等問題。

1）露天礦大氣水快速凝結與零碳集水裝置。精細化提取排土場地型地貌參數，研究露天礦排土場大氣水含量時空分布；揭示露天礦排土場大氣水凝結（露水）形成機制，研究微地貌形態和表層土壤結構參數對大氣水凝結速率影響規律；研發集吸附、解吸、冷凝、收集功能于一體的大氣水快速凝結技術與零碳集水裝置。

2）露天礦分布式大氣降水蓄用調配技術。揭示降水后排土場土壤水文響應過程，構建排土場降水-地表徑流模型；研究排土場近自然緩滲層控水-滯留層顆粒級配蓄水-表土層用水的降水立體蓄用技術（圖6）；研發排土場分布式蓄水技術，形成截水-集水-蓄水-用水一體化的大氣降水分布式蓄用調配體系，實現控制邊坡侵蝕與保障植被生態用水。

圖6 降水立體蓄用Fig.6 Three-dimensional storage of precipitation

3）露天礦坑水地表-坑底安全聯合儲存技術。研發涵蓋選址、防滲、邊坡穩定的排土場地表礦坑水儲存技術；研發基于礦坑水排泄位置和水量預測、清污分流的采場坑底儲存技術。

4）露天礦坑水深部安全儲存技術。研究煤層頂板損傷含/隔水層重構技術，開發隔水層材料及含水層構造的施工工藝，實現重構含/隔水層與原始含/隔水層聯通；研究深部含水層的回灌可行性與安全性，研發礦坑水深部回灌儲存技術。

5）大氣降水-地表水-礦坑水聯合調配技術（圖7）。預測區域需水變化規律，研發大氣降水、地表水、地下水、礦坑水多水源聯合調配模型，提出適應露天礦生態環境保護與修復需求的水資源調配模式與方案。

圖7 水資源聯合調配蓄用Fig.7 Joint allocation of water resources for storage

4.3 伴生礦物資源人工造土與排土場活土層精細重構關鍵技術

針對北方防沙帶大型露天礦區伴生礦物與固廢生態利用率低，排土場土壤質量差、生態系統穩定性低等問題。

1）伴生礦物提質除雜、活化改性技術。研究伴生礦物各關鍵功能組分提質除雜、活化改性的控制變量，確定最佳工藝參數，獲得人工造土所需功能活性組分。

2）伴生礦物資源人工造土技術。研究活化改性組分的復配規律，解析各組分成土過程中的物質演變特征，研究人造土壤的土壤學指標，研發伴生礦物人工造土技術。

3）煤基保水緩釋多孔硅材料合成技術。研究提取劑濃度、反應時間、反應溫度等條件對合成多孔硅材料保水緩釋性能的影響，研制煤基固廢制備高活性多孔硅材料。

4）基于煤基固廢和農林廢棄物合成保水增肥土壤改良劑技術（圖8）。研究煤基多孔硅保水劑、生物菌種、污泥等原料配比、溫度、濕度等條件對土壤改良劑保水性能、氮磷鉀及有機質等肥效指標的影響，研制具備保水緩釋、無機/有機組合肥效的多固廢新型土壤改良劑制備技術。

圖8 保水增肥土壤改良Fig.8 Water retention and fertilization soil improvement

5）基于低溫微生物發酵技術的活土層生態功能精細重構（圖9）。揭示北方防沙帶排土場活土層生態功能重構機制，建立活土層生態功能評價指標體系；篩選馴化高效低溫發酵菌，形成具備不同生態服務功能的活土層基質材料；優化活土層重構工藝。

圖9 微生物發酵技術Fig.9 Microbial fermentation technology

6）排土場礦山土活土層快速熟化技術（圖10）。研究土壤團聚結構、養分周轉和微生物群落多樣性的演化規律，揭示外源生物介導下礦山土活土層熟化機理；基于微波活化脫碳-熱解技術，研制固廢基多孔吸附材料，優化施配比例，研制復合生物熟化菌肥。

圖10 活土層重構和熟化Fig.10 Reconstruction and maturation of living soil layer

4.4 露天礦區地貌-土壤-植被系統修復與自維持關鍵技術

針對北方防沙帶生態脆弱、大型露天礦排土場水蝕風蝕嚴重、土壤抗侵蝕能力差、群落生物多樣性低、重建生態系統自維持能力低等問題。

1）排土場抗侵蝕近自然地貌重塑與微地形改造技術（圖11）。研發與露天礦區采排復工藝匹配的排土場抗侵蝕近自然地形地貌重塑技術，優化地形、實現減流緩流及侵蝕調控；針對排土場土壤水蝕風蝕，研發抗侵蝕微地形改造技術，提出阻沙保土微地形單元及空間組織模式，提高土壤抗侵蝕能力。

圖11 微地形改造Fig.11 Microtopographic modifications

2）露天礦區抗逆植物篩選與配置模式構建。篩選和培養適合防沙帶露天礦不同地形、地貌和土壤狀況的抗逆植物類群（藻、蘚、草、灌、喬），構建適宜不同立地條件的抗逆植物優化配置模式。

3）露天礦區抗侵蝕生物材料研制。研制基于藻類和蘚類的抗侵蝕生物結皮材料；研制基于畜禽糞便和秸稈等生物質材料、具有土壤改良功能的抗侵蝕復合生物材料；開發新型抗逆環保生物毯。

4）防沙帶露天礦山土功能微生物菌劑研制?；诜郎硯短斓V區功能微生物多樣性，分離篩選具有抗逆促生等功能的優良菌株，研發高密度擴繁技術及生產工藝，獲得保藏性能好、適應性強的菌劑。

5）排土場藻（蘚）生物結皮層構建技術（圖12）。運用研制的抗侵蝕生物結皮材料，結合優良促生菌和生物膠等輔助材料，提出藻（蘚）的接種方法和工藝流程，研發排土場藻（蘚）結皮層構建技術。

圖12 藻（蘚）生物結皮層構建Fig.12 Algae (moss) biocortex layer construction

6）排土場菌-藻（蘚）-草（灌、喬）聯合修復技術。研發排土場菌-藻（蘚）-草（灌、喬）優化配置模式，近自然重構排土場土壤微生物和植物群落，提升重建生態系統自維持能力（圖13）。

圖13 地貌重塑與微地形改造Fig.13 Geomorphic remodeling and microtopographic modifications

4.5 生態退化機理與保護修復集成監管關鍵技術

針對北方防沙帶露天礦區及周邊生態系統面臨隱蔽不可逆式退化風險及礦區生態退化機理不清和動態生態修復監管缺失等問題。

1）支持多種相機的潛望式土壤剖面成像裝置（圖14）。針對野外取樣室內測試方法的時效性差、連續性難等問題，研究基于鉆孔微創-地面潛望的土壤剖面原位高光譜信息和RGB 圖像成像方法，研制可支持高光譜相機、常規相機等多種相機的潛望式土壤剖面成像裝置。

圖14 土壤潛望成像Fig.14 Soil periscope imaging

2）露天礦區生態退化分區與修復方案智能決策。研究基于露天礦區生態地質多維數據集及參照生態系統的生態退化智能分區方法；建立露天礦區生態修復決策支持策略庫，構建生態退化分區修復方案智能匹配決策機制。

3）露天礦區剝采排復全過程生態監管業務架構（圖15）。研究面向礦區海量生態地質數據的分布式存儲與資源最優化調度策略；創立“星空地聯合監測—生態地質數據自更新—礦區退化診斷分區—修復方案智能決策”的礦區生態退化與動態修復監管業務架構。

圖15 大型露天礦區生態保護修復集成監管Fig.15 Integrated regulation of ecological protection and restoration in large-scale open pit mining areas

4）露天礦區生態退化與動態修復監管平臺設計?；诼短斓V區全周期生態化開采設計，構建集成監管數據流、業務流，搭建數據-業務-應用-顯示多層系統方案；采用B/S 模式設計集數據更新、分析診斷、評價預警、智能決策等功能的“互聯網+監管”一體化平臺。

5）大型露天礦區生態保護修復集成監管模式。面向準能、平莊露天礦區，開展典型露天礦區生態保護修復集成監管應用示范，及時反饋監測結果與保護修復成效，形成北方防沙帶大型露天礦區生態保護修復集成監管模式。

6）大型露天礦區生態保護修復示范工程。依托內蒙古鄂爾多斯的準能礦區和錫林郭勒的平莊露天礦區進行工程選址，統籌開展大型露天礦區減損開采、抑塵控蝕、保水增濕、地貌-土壤-植被聯合修復技術適宜性分析與集成，示范工程設計與建設管控。

5 結 論

1）分析了北方防沙帶露天煤礦區特征與存在問題，聚焦北方防沙帶大型露天礦區生態保護與修復，提出露天礦巖土損傷-生態退化傳導機理、生態減損開采機制、重建生態自維持機制三大科學問題。

2）研究生態損傷傳導機理與減損開采、水資源立體保護與生態利用、人工造土與排土場活土層精細重構、地貌-土壤-植被系統修復與自維持理、露天礦區生態退化機理，為開展大型露天煤礦區生態保護修復技術研發與應用提供理論基礎。

3）研發生態保護型減損開采、水資源保護與綜合利用、抗侵蝕地貌重塑、排土場活土層精細重構、土壤改良與提質增容、菌-藻-草聯合修復、生態系統退化監管等關鍵技術，同時開展示范工程，為北方防沙帶典型生態退化區綜合治理提供技術支撐，實現煤炭開發能源保供與生態保護相協調。