生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区研究

研究发现，沙漠区植被对地下水水位埋深具有很强的依赖性，揭示了陕北榆神府矿区内合理生态地下水位埋深为1．5～5．0m，煤层开采的导水裂隙导致地下水位下降，表生生态退化，控制地下水水位是生态脆弱矿区科学开采的核心。室内模拟实验和开采实践表明，当煤层上覆隔水岩组厚度≥33～35倍采高时，煤层开采不会导致地下水位下降；煤层上覆隔水岩组厚度≤18倍采高时，煤层开采会破坏隔水层，导致水位下降；18～35倍采高时，可采取“限制采高”等措施实现保水开采。剖析了煤层、含水层的空间关系，划分了保水开采条件分区，提出了区域采煤方法规划方案，指出以控制地下水水位为目标，以采动隔水层稳定性分区为基础，以采煤方法规划为手段的开采方法是生态脆弱矿区煤炭资源科学开采的有效途径。

生态脆弱矿区土层中导水裂缝带发育高度研究

为指导生态脆弱区"保水采煤",掌握土层中导水裂缝带发育高度,采用微电阻率扫描成像技术、物理模拟、数值模拟、钻孔冲洗液消耗量观测等手段综合研究,结果表明:物理模拟、数值模拟辨别出的裂采比为28.1~29.1,微电阻率扫描成像探测出裂采比28.3~28.5,微电阻率扫描成像识别与其他手段所得结果吻合。微电阻率扫描成像技术可推广应用于其他矿区土层中导水裂缝带发育高度的探测。

生态脆弱矿区采煤对泉的影响

陕北榆神府矿区地处毛乌素沙漠和黄土丘陵两大结构系统接壤地带,是典型的生态脆弱带。矿区沙漠区多有泉水出露,泉的分布对陕北煤炭基地供水,维持矿区生态环境及揭示矿区水文地质条件变化,有着至关重要的作用。通过分析采煤后典型泉域地下径流量的变化特征,将矿区煤炭开采对泉的影响分为四级:强烈影响、较强影响、中等影响和轻微影响,并从采煤后上覆岩层移动变形规律、地下水流场变化和地下水位变化三个方面探讨了煤炭开采对泉的影响机理,提出了在保护生态水位条件下科学采煤思路。

生态脆弱矿区土地复垦方案实施监测评价研究——以平朔矿区为例

随着采矿业的迅速发展,矿区原有的生态系统遭到破坏,使得矿区生态环境的脆弱性凸现。而土地复垦作为土地整理的一个重要部分,成为我国矿区土地资源利用管理,矿区资源、生态可持续发展的重要手段。在土地复垦的研究当中,复垦方案实施监测评价有其重要意义。以生态脆弱矿区为研究区域,建立了适合评价矿区土地复垦方案实施监测的五级评价等级,并划分了土地质量监测、生态监测、经济监测、社会监测和资金监测5个准则层21个指标体系。采用模糊综合评价法对平朔矿区土地复垦实施监测进行实例研究,发现平朔矿区土地复垦实施总体水平较好,通过复垦实施可以改善矿区的生态、经济与社会效益,但土地质量状况一般。因此,在今后的复垦实施中要加大对土地质量的监测,采用多种手段改良目前的土地质量状况,确保复垦修复良性发展,增强复垦效益。

西部典型生态脆弱矿区采损地表植被盖度演化规律与退化机制

生态本底脆弱的西部矿区已成为我国煤炭资源的主产区,采动影响下矿区生态环境日趋退化,其中最直观的体现就是对地表植被的影响。为揭示采矿扰动区地表植被变化状况,以枣泉煤矿为研究靶区,选取了10景连续的SentineL-1A雷达影像数据和93景SentineL-2A光学数据,基于小基线集差分干涉测量技术(SBAS-InSAR),结合一元线性回归分析和相关系数,研究了工作面开采过程中地表下沉特征,分析了工作面开采沉陷区与非沉陷区植被NDVI时序演化特征,评估了采矿扰动下矿区植被覆盖度时序演化趋势,并对采损植被退化机制进行了剖析。研究表明:2014—2021年枣泉矿区地表植被NDVI呈物候性周期变化趋势,矿区植被覆盖度总体呈改善状态;工作面开采当年地表植被开始出现退化,退化程度较低,在采后2~3 a退化最为明显,随后逐渐缓慢恢复,总体经历了轻微退化期、显著退化期以及逐渐恢复期等变化过程。土壤有机质、含水率是影响矿区植被发育的重要土壤理化性质因子,采矿扰动区地表下沉、裂缝发育引起有机质、全氮、全磷等地表土壤理化性质的改变以及采动影响下地下水位下降是造成工作面植被退化的重要原因,温度和降雨量也对矿区地表植被发育状态有重要的影响。研究成果为西部生态脆弱矿区采损植被生长状况的科学诊断、矿区植被修复时机的确定提供了理论与数据支撑。

生态脆弱矿区土地利用动态变化研究——以平朔矿区为例

基于平朔矿区1987年、1996年和2005年三期的TM影像,从土地利用数量变化模型、土地利用程度变化模型对矿区土地利用动态变化情况进行了分析。研究表明:(1)生态脆弱的平朔矿区自1987年以来耕地、林地面积呈减少趋势,而变化幅度最大的是已破坏待复垦地和已破坏复垦地,这主要是因为矿区生产建设占用了大量的耕地与林地,从而造成了许多待复垦地,同时由于受矿区土地复垦工程的影响,矿区内复垦地呈上升趋势;但是目前复垦后土地利用主要以林草地为主,所以无法拉动耕地面积的增长。(2)矿区土地利用程度综合指数显示上升态势,且土地利用程度变化率大于0,表明平朔矿区土地利用处于发展期。今后应加大对矿区的生态重建工作与土地复垦进程,保证矿区耕地平衡,促进矿区生态系统、经济系统和社会系统协调发展。

生态脆弱矿区生态承载力定量评价研究

在明确矿区生态承载力概念的基础上,从生态系统弹性力、资源环境承载力及生态系统压力三个方面建立了生态脆弱矿区生态承载力评价指标体系及其量化方法。并以榆神矿区为例,对其生态承载力现状进行了计算和分析。结果表明,2004年榆神矿区生态系统承载力分级为"不稳定、中等承载、中压",说明本区生态系统比较脆弱,容易遭受外界干扰而使生态系统破坏,同时自我恢复能力也比较低。其中:水文和植被是制约矿区生态系统主要的自然因素;矿区资源和环境具有一定的承载能力,但水资源和大气环境现实承载力较小;资源-环境压力主要来自土地资源压力和水资源压力。并结合计算结果,从矿区可持续发展战略的角度出发,提出增强矿区可持续发展能力的建议。

陕北生态脆弱矿区煤炭与地下水组合特征及保水开采

陕北侏罗纪煤田煤炭资源富集,正在建设陕北、神东2个大型煤炭基地,但矿区生态环境脆弱,区内唯一具有供水意义和重要生态价值的含水层位于煤层之上,研究揭示了区合理生态地下水位埋深为1.5～5.0 m,煤层开采的导水裂隙导致地下水位下降,表生生态退化,控制地下水位是生态脆弱矿区科学开采的核心。开采实践和室内模拟实验表明,当煤层上覆隔水岩组厚度≥33～35倍采高时,煤层开采不会导致地下水位下降;煤层上覆隔水岩组厚度≤18倍采高时,煤层开采会破坏隔水层,导致水位下降;18～35倍采高时,可采取"限制采高"等措施实现保水开采。以控制地下水位为目标,以采动隔水层稳定性分区为基础,以采煤方法规划为手段的开采方法是生态脆弱矿区煤炭资源科学开采的有效途径。

生态脆弱矿区高强度植被恢复对地下水补给的影响

为研究生态脆弱矿区高强度植被恢复对地下水补给的影响机制,结合野外裸土区和植被覆盖区两个原位试验点的观测数据,以两种模式下的降水—土壤水—地下水转化过程为研究对象,在遥感解译和野外原位观测试验的基础上,采用数值模拟分析不同叶面积指数条件下的植被耗水特征和降水入渗系数。研究结果表明:矿区尺度的植被指数和植被净初级生产力都呈持续增加现象,表现为低覆盖区连续减小,中、高覆盖区持续增大;裸土区20 cm处土壤总水势最大,表现为土壤水自20 cm处向上、下两侧运移,较易接受大气降水的补给。植被覆盖区土壤总水势远低于裸土区的土壤水势,在根系密集区出现水势低点,表现为上部、下部和侧向的土壤水向植被根系处运移,不易接受大气降水的补给;裸土区地下水位表现出缓慢上升的趋势,以低强度的入渗补给为主;植被覆盖区地下水位表现出明显的持续下降趋势,以高强度的蒸发排泄为主。受植被蒸腾耗水影响,地下水面处水分垂向交换量由-0.035 cm/d(入渗)增加至0.480 cm/d(排泄),使得水分运移方向和水分垂向交换量都发生明显改变;随着叶面积指数的增加,植被耗水量呈增加趋势,土壤中向下运移的水流通量逐步减小,导致地下水接受降水的补给量减小,表现出随着叶面积指数的增加,降水入渗系数逐步减小。数值模拟结果表明,裸土条件下风积沙的入渗系数为0.54,随着叶面积指数由0增大至3.5,入渗系数减小至0.198,减小幅度高达63.3%,对榆神矿区的地下水补给产生重要的影响。在榆神矿区植被恢复的工程实践中,应优先考虑植被类型和植被覆盖度两个基本要素,选择耗水量较小的植被类型和适宜的植被覆盖度,避免出现由于区域生态耗水量过大引发的降水入渗补给量大幅减小的现象发生,以实现生态脆弱矿区植被恢复与地下水资源保护的协调发展。

西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展

"保水采煤"是应鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田独特的矿床地质条件而提出,经过多年研究和探索,在基础研究、工程实践等领域取得了大量成果。总结了不同阶段保水采煤研究的最新进展和存在的科学问题。基础研究阶段,查明了煤层与含(隔)水层空间关系、煤层覆岩结构类型,划分了保水采煤地质条件分区,编绘了基于地下水位保护的采煤方法规划图,提出了开采区域评价方法和采煤方法等实现"保水采煤"的途径。在工程实践阶段,以生态水位保护为原则,开展了基于含水层结构保护的充填开采、窄条带开采、限高(分层)开采、短壁机械化开采法、快速推进法等"因地制宜"的保水采煤工程实践,开展了基于岩溶承压含水层结构保护的底板注浆加固保水采煤工程实践;以水资源保护、利用为原则,开展了基于地下水转移储存、采空区储水的保水采煤工程实践。

我国西部生态脆弱矿区煤-水共采问题分析

煤炭在我国能源结构中占有主导地位,是我国能源战略安全的重要组成部分。我国煤炭能源时空赋存特征及国内外政治经济环境决定了当前以西部生态脆弱矿区煤炭资源开发为主的格局,该区域已成为我国煤炭能源供给的重要战略基地。根据已有的研究成果可知,大规模高强度开发已超过该区域部分矿区的生态环境承载能力,极有可能造成生态环境的不可逆破坏。我国能源的赋存特征又决定了必须科学有序开发该区域煤炭资源,兼顾考虑国家能源战略安全与生态环境长期稳定与恢复是当前亟待解决的关键科学问题。其中,保水开采与采空区储水(地下水库)技术的推广应用在一定程度上缓解了煤炭开采与生态环境保护的矛盾。但是,从长远来看,该矛盾将伴随着煤炭开采全生命周期及其后煤炭开采时期。分析认为,应建立国家西部生态脆弱矿区煤炭资源开发与环境保护协调中心,由国家发改委能源局主导协调多部门参与,以煤炭开采与生态环境保护为主线,制定考虑生态环境承载能力的煤炭开采中长期规划,建立开采前充分论证评价,开采中与开采后连续监测的全周期煤炭开采技术体系;同时,应加大该区域煤炭开发的科技投入,采矿、生态环境保护与监测、人工智能等多学科交叉融合解决煤炭开采与生态环境保护矛盾。

生态脆弱矿区地表裂缝动态变化对土壤含水量的影响

针对我国西部生态脆弱煤矿区煤炭开采对土地生态环境的损害问题,以陕北生态脆弱矿区某矿为研究区,采用土壤水分速测仪(TDR)现场实测、统计分析相结合的方法,基于已有研究成果,研究分析采空区上方表层土壤含水量的变化与地表采煤沉陷动态地裂缝动态发育规律的关系。结果表明:采空区上方表层土壤含水量的变化与地表动态地裂缝的动态发育规律基本一致,当地表裂缝开始出现并开裂时,裂缝周围表层土壤含水量逐渐减少;当裂缝初次闭合时,表层土壤含水量也随之有小幅度回升;当裂缝再次开裂时,表层含水量也随之下降;随着工作面推进,后方裂缝闭合,表层土壤含水量也随之上升,且动态裂缝对表层土壤含水量有一定的影响范围,影响距离70 cm左右,距离地裂缝距离越近,表层含水量变化越明显,当距离超过70 cm时,表层土壤含水量基本不再变化。采动地裂缝对周围土壤含水量具有一定影响周期,且影响周期与动态地裂缝发育周期基本一致,土壤水分的变化与采动地裂缝的发育过程紧密相关,发现采动地裂缝的开裂与闭合对土壤微结构造成影响,进而影响土壤水分的蒸发与渗透,当采动地裂缝闭合后,土壤含水量将逐步恢复至采前水平。该研究具有开采工作面小尺度精细研究的特征,有助于生态脆弱矿区煤炭开采对土地生态的影响机制研究。

生态脆弱矿区烧变岩研究现状及展望

烧变岩是由煤层自燃烘烤围岩而导致其变质形成的一类特殊岩石。笔者从水文地质问题、工程地质问题、物理力学特性以及固体废物可持续利用等角度出发,基于烧变岩自身特性,回顾了生态脆弱矿区烧变岩面临的水文地质问题和工程地质问题,并结合“资源利用、变害为宝”的观点,总结了烧变岩作为改性建筑材料和矿区充填材料的新用途,最后提出了烧变岩作为地质旅游景观进一步开发的潜力。笔者结合不同烧变岩固体废物颗粒掺量改性粉土的剪切性能可以看出混合土试样的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角ψ均随烧变岩固体废物颗粒掺量增加总体表现出增大的趋势,由此说明烧变岩固体废物颗粒能够明显提高粉土的抗剪强度。通过对生态脆弱矿区烧变岩研究现状的分析及展望,可以进一步增进对烧变岩工程效应的认识,并实现烧变岩资源的可持续利用。

生态脆弱矿区大型煤炭基地建设的新思路

陕北沙漠区煤炭资源富集，生态环境脆弱，区内唯一具有供水意义和重要生态价值的含水层位于煤层之上，沙漠区表生生态对萨拉乌苏组地下水位埋深具有较强的敏感性，合理生态地下水位埋深为1．5-5．0m，控制地下水位是生态脆弱矿区科学开采的核心。以控制地下水位为目标，以地质基础研究为基础，分区分类进行开发，是生态脆弱矿区煤炭资源科学开采新思路。

人类活动对西部生态脆弱矿区生态系统服务的影响——以鄂尔多斯市为例

人类活动对区域生态系统的结构和功能产生扰动,进而影响生态系统服务,定量评估人类活动对生态系统服务的影响是生态产品价值实现、自然资源资产核算的基础。以鄂尔多斯市为例,以神东矿区东胜区、准格尔矿区、城市发展区为研究区,其生态系统受到人类活动和自然因素共同影响,以几乎未受人类活动影响的国家级自然保护区为对照区,选取防风固沙、土壤保持、固碳3个主要生态系统服务类型,利用RULSE等模型和影子工程法等评估方法,构建生态系统服务遥感评估模型,采用对比分析方法探究露天采矿、井工采矿和城市发展的人类活动对生态系统服务的影响程度。结果表明:城市建设对防风固沙服务和固碳服务的负面影响程度最大,露天采矿对土壤保持服务的负面影响程度最大。在剔除自然因素影响后,人类活动对西部生态脆弱矿区生态系统服务的影响程度从大到小依次为:城市发展>露天采矿>井工采矿。

生态脆弱地区的煤炭工业区域性规划

论述了陕北侏罗纪煤田矿区总体规划和采矿权批设的缺陷,提出了进行区域性煤炭工业大规划问题,建议在保护合理生态水位埋深条件下,规划开采区域,确定采煤方法,建设绿色矿区。

生态脆弱区烧变岩研究现状及方向

烧变岩是地质历史时期煤层自燃形成的一种特殊类型的岩体。烧变岩的研究有益于对煤层形成以来所经历的构造运动、古气候和古地理的研究。同时,它也是重要的水文地质勘查对象。50年来,烧变岩的研究多集中于其勘查方法,尤其是较多的论述了其磁性特征与物探确定烧变岩体边界问题。近年来,研究了其水文地质特征。笔者论述了烧变岩的研究现状,提出了烧变岩是一种特殊类型的岩体,空隙、裂隙发育,具有形成富水区的有利条件,是陕北煤炭开发区良好的供水水源。提出了应加强烧变岩内部结构、非均质性特征和空间分布形态的研究,系统开展烧变岩水文地质勘查,评价烧变岩地下水资源,为合理开发利用烧变岩奠定基础。

生态脆弱区保水采煤研究新进展

为了系统归纳保水采技术的研究成果,促进煤理论的发展,采用查阅文献资料和综合分析的方法,对目前保水采煤(保水开采)技术现状及最新进展进行了全面总结,由此,提出了以控制生态水位为核心的科学采煤技术研究方法,保水位是保水采煤的核心,为今后保水采煤技术的研究方向提供了可参考的资料。

生态脆弱区采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度解析研究

生态脆弱区生态水位变异程度对区域生态地质环境保护至关重要。煤层采动下生态水位势必发生变异,当前研究集中于采动潜水渗漏下生态水位下降,极少考虑潜水不渗漏/采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。为此,采用地下水动力学、地下水位实测、数理统计、综合分析等方法,提出以“判别煤层采动下潜水渗漏状态→实测采煤工作面生态水位变化→建立生态水位恢复程度井流解析模型→预测不同生态水位恢复时间→对比不同生态水位恢复时间解析值与实测值”为思路的解析方法,研究生态脆弱区采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。结果表明:(1)基于“关键层位置+薄板理论+土拱效应+下行裂隙”建立了采动覆岩–土结构下导水裂隙发育高度计算方法,克服了现有经验公式未考虑土层效应导致的预测精度不足,结合残余隔水层厚度与潜水渗漏状态,实现了采动潜水渗漏状态判别;(2)采煤沉陷扰动下实测生态水位呈现“先迅速下降–缓慢回升–趋于稳定”的变化规律,但采后生态水位不能完全恢复至采前状态;(3)建立了采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度井流解析模型,预计生态水位3个不同恢复程度的恢复时间解析值,对比于实测值,两者时间误差均小于10%;(4)从地表地形地貌、大气降雨补给、潜水含水层补径排、矿区井下疏放水等角度探讨了采后生态水位未完全恢复至采前状态原因。

平朔矿区生态重建及生态产业链构建

利用平朔矿区1985-2005年土地复垦与生态重建的长期实验数据积累,采用系统回顾法、趋势外推法、空间分析技术、层次分析法、景观生态学、恢复生态学、农业生态工程等技术和方法,从平朔矿区重建生态系统现状评价入手,构建矿区生态资源数据库,并选择矿区复垦土地利用现状、复垦土地质量和重建生态系统生物多样性指标作为评价基础资料,对其复垦土地适宜性、生态环境质量、生态承载力、生态健康进行科学分析与评价,研究生态脆弱矿区重建生态系统的土地开发利用调控机理与控制对策。