榆神府矿区采煤地表裂缝发育规律及特征

榆神府矿区是陕北一个重要的原煤产地,煤炭开发利用规模大、强度高,但区内生态环境脆弱,采煤诱发的矿山地质环境问题尤为显著.为全面掌握榆神府矿区采煤地表裂缝“静”、“动”态发育规律、揭示其形成机理,以榆神府矿区的安山煤矿、柠条塔煤矿和小保当一号井的典型工作面为对象开展研究.研究结果表明:(1)地表裂缝分为台阶型、挤压隆起型、滑动型和拉张型4种类型以及“塌陷槽”、“平行并列”2种组合方式;(2)榆神府矿区地表裂缝平面展布规律具有相对统一性,而地表裂缝表现特征具有差异性,且与采深采厚比呈负相关关系;(3)极浅埋煤层开采、浅埋煤层开采以及中深埋煤层开采地表裂缝分别具有滞后回采位置1.0 m、超前回采位置8.5 m和滞后回采位置30.14 m的动态展布规律,且地表裂缝滞后距与采深采厚比之间存在多项式的函数关系;(4)边界裂缝和面内正向坡裂缝具有“只开不合”的活动特征,面内逆向坡裂缝具有“先开后合”的活动特征,面内平坦区裂缝则具有“先开后合再开”和“先开后合”两种裂缝活动特征,平均活动时间3.7~7.0 d;裂缝“先开后合再开”的活动受覆岩运移控制,“只开不合”和“先开后合”的裂缝活动受地表移动变形控制,而斜坡裂缝活动机理则与坡体滑移密切相关.研究成果可为榆神府矿区地表裂缝治理和生态修复提供指导.

黄河中游榆神府矿区采动含水层失水模式及保护技术

“煤-水”矛盾已成为制约榆神府矿区煤炭安全高效绿色开采的主要因素。为缓解区内煤炭开采与水资源保护之间矛盾,切实保护水资源和生态环境,以榆神府矿区内典型煤矿为例,研究揭示了煤水赋存特点,构建了采动含水层失水模式,初步探讨了水资源保护整体思路和技术。研究成果表明:榆神府矿区内存在地表水和地下水2大类水资源。地表水以海子、地表径流以及泉的形式赋存,地下水则有萨拉乌苏组潜水、烧变岩水和风化基岩水3种重要类型。按照含水层与导水裂隙带的位置关系,将其分为低位含水层和高位含水层2类。低位含水层失水模式为导通漏失型,高位含水层存在非导通垂向渗失和渗流溢出蒸发散失型2种失水模式,前者发生于高位承压含水层中,后者则主要是高位潜水含水层的失水模式。低位含水层可通过导水裂隙带发育高度控制技术、采后顶板注浆加固技术实现水资源保护,高位含水层可通过人工隔水层再造、离层注浆以及协调开采技术实现水资源保护。对于无法实施原位保护流入采空区的水则可通过地下水库存储、净化循环利用和深部回灌等矿井水综合利用技术处理间接实现水资源保护。

植被对矿区地下水位变化响应研究

依据地下水浅埋区植被蒸腾对地下水位变化十分敏感的特征,构建沙柳根系吸水条件下的水流方程,分析生态脆弱矿区植生长对地下水位下降幅度的阈限。通过原位监测获取气象要素、土壤水、地下水与沙柳蒸腾量的动态变化规律,建立地下水变化与植被蒸散发关系数值仿真模型并对模型进行求解,模拟沙柳蒸腾对煤炭开采区地下水位变化的响应。研究发现:沙柳的日蒸腾量有受气象要素控制的特点,并在正午12时前后出现2次极值,水位越浅变化越显著。地下水对沙柳蒸腾的贡献值随着地下水位埋深的增加而减少,当地下水位埋深15 cm时,贡献率为100%;地下水埋深215 cm时,贡献率为0。在地下水浅埋区,地下水是沙柳蒸腾的主要水源,潜水埋深超过215 cm后地下水不再对沙柳生长提供水源,这也是沙柳对煤层开采地下水位下降的阈限。

论保水采煤问题

采煤会造成地下水严重渗漏,同时对生态环境影响巨大,保水采煤在陕北地区是非常必要的。本文系统地论述了陕北侏罗纪煤田保水采煤的由来、基本思路、途径及地下水的勘查、开发利用、水源保护区设置等问题,评述了陕北侏罗纪煤田榆神府矿区保水采煤区划,从科学发展观角度,提出了一些保水采煤建议。

榆神府矿区水体湿地演化驱动力分析

为分析榆神府矿区生产对区内水体及湿地的影响,应用3期Spot遥感对比数据,研究了榆神府矿区1990年、2001年、2011年3个时期的水体、湿地分布及其面积动态变化规律,得出:水体面积在研究期内呈现持续下降趋势,1990—2001年及2001—2011年的减少率分别为17.73%和22.39%;湿地面积先增大后减小,即1990—2001年湿地面积增加了65.91%,2001—2011年,湿地面积减少了50.92%;水体面积在外力驱动下衰减的过程中演替为湿地及其他类型用地,使湿地面积在20 a间基本保持不变;气候变化、煤炭资源开采、生态环境建设和水源地兴建等是水体湿地面积变化的主要驱动因子。通过模糊层次分析法确定了各驱动因子对地表水体湿地面积变化的作用大小(权重)和序关系,分别为煤炭开采0.375,气候因素0.292,水源开采0.208和生态需水0.125;为保护区内水体湿地,推行保水采煤、减少地下水抽采及减少高耗水植被是行之有效的措施。

陕北榆神府矿区保水采煤方法研究

论文研究了陕北榆神府矿区与保水采煤有关的地质因素,结合采空区上覆岩层的移动规律,提出了矿区保水采煤的采煤方法划分体系。对矿区进行了保水采煤的采煤方法区划,对不同区划提出相应的保水开采方法,为矿区保水采煤的宏观决策提供了参考和依据。

陕西省榆林市榆神府矿区土地荒漠化及其景观格局动态变化

为探讨陕西省榆林市榆神府矿区土地荒漠化发展变化动态,采用1989、2002、2011年3期TM遥感数据,对本区荒漠化进行分类,以此为基础分析荒漠化景观格局的变化。结果表明:1通过构建矿区归一化植被指数(NDVI)和地表反射率(Albedo)空间特征下的荒漠化遥感监测模型,可以将矿区荒漠化程度分为5种类型;2矿区土地荒漠化面积不断减少,1989-2002年间减少了39.7%,2002-2011年间减少了27.7%,荒漠化程度呈逆转趋势;3矿区荒漠化景观斑块在研究期趋于规则化,非荒漠化土地始终是主导景观类型,其优势度不断提升,非荒漠化斑块与其它级别荒漠化斑块类型的连接性不断降低。

榆神府矿区烧变岩及地下水资源特征

榆神府矿区具供水意义的含水层为萨拉乌苏组和烧变岩,均位于煤系地层上部及浅部,在分析烧变岩水文地质条件基础上,主张在烧变岩带建立供水水源地,是解决近期矿区供水既经济可行又可靠的技术途径。

黄土沟壑区采煤塌陷地人工与自然植被恢复下土壤性质演变特征

植被恢复是扰动地生态修复的基础,土壤质量的改善是植被恢复效益的重要评价指标之一,揭示干扰地自然和人工植被恢复方式对土壤性状的影响差异,对于指导干扰后植被建设具有重要意义。目前西部半干旱生态脆弱区采煤塌陷地人工与自然植被恢复后土壤性状动态演变规律对比研究仍不够充分,因此以我国煤炭化工基地榆神府矿区黄土塌陷地为研究区,在阐明人工和自然2种植被恢复模式1~15 a土壤理化生性状动态变化规律的基础上,结合植物群落演替特征,探讨黄土塌陷地植被恢复与土壤质量之间的演变关系。结果表明:①随着恢复年限增加,人工和自然植被恢复模式土壤水分、有机质、有效养分含量、酶活性和菌类数量均表现出增加趋势,但人工恢复样地土壤理化生性状改善程度优于自然恢复样地;②从土壤性状的恢复速度上看,自然植被恢复10 a后,土壤水分和生物学特性基本可以达到塌陷前水平,但土壤有机质和有效养分含量仍然低于未塌陷地水平,而人工植被恢复6 a后,土壤各理化生监测指标均可以达到甚至高于未塌陷前水平;③土壤容重、水分、有效养分和菌类均与植物群落多样性和植被覆盖度具有较高相关性,土壤含水量和有机质是影响植被恢复样地土壤质量的主要因子。综合研究表明半干旱采煤塌陷区人工植被恢复对土壤性质的改善在程度和速度上都优于自然恢复植被,但人工恢复初期应尽量减小对原有自然植被和土壤系统的干扰;适当的人工抚育措施可促进植被发育,进而加速了植被对土壤质量的改善,使塌陷地植被建设会取得更好的生态效益。

1990—2019年榆神府矿区不同地貌植被覆盖度变化及驱动力探究

植被覆盖度是反映矿区生态环境动态变化的重要指标。为了探究榆神府矿区黄土丘陵和覆沙地两种不同地貌类型植被覆盖度的时空演化规律,基于1990—2019年Landsat数据,采用像元二分法、偏相关分析和残差分析法,研究榆神府矿区黄土丘陵和覆沙地植被覆盖度的时空分布特征、变化趋势及其驱动力。结果表明:1)在时间分布上,1990—2019年榆神府矿区平均植被覆盖度由33%上升至45%,植被改善面积约为退化面积的3倍,且2005年后植被覆盖度提升幅度增加,但1990—1995年黄土丘陵区和2000—2005年覆沙地区植被覆盖度呈现下降趋势;2)在空间分布上,榆神府矿区黄土丘陵区和覆沙地区植被覆盖度主要分布等级分别为30%~60%和15%~45%,1990—2019年黄土丘陵区植被覆盖度平均增速约为覆沙地区植被覆盖度的2倍;3)气候变化和人类活动对榆神府矿区1990—2019年植被覆盖度变化的相对贡献率分别为45.48%和54.52%,在1990—2000年、2000—2019年引起黄土丘陵区和覆沙地区植被覆盖度变化的主要驱动力分别为人为因素和气候因素。

浅埋煤层高强度开采突水危险性分区评价

通过对凉水井煤矿水文地质条件分析,确定煤层开采后的突水水源主要包括第四系松散孔隙潜水和风化基岩裂隙水。采用同位素方法厘定凉水井煤矿矿井水中松散层潜水和风化基岩裂隙水所占的比例大概为4∶1,松散层潜水是凉水井煤矿突水最主要的水源。通过RFPA软件模拟预测凉水井煤矿4-2煤层开采后导水裂隙带高度为84m。根据煤层赋存特征和开采条件,筛选出凉水井煤矿突水危险性评价因子;通过GIS空间分析功能对凉水井煤矿开采突水危险性进行分区评价。结果认为,麻家塔河和西沟河源头是本区突水危险性大的地区,当工作面经过这些地段时需防范突水灾害。

浅埋煤层高强度开采区地裂缝发育特征——以陕西榆神府矿区为例

通过遥感解译结合实地调查,对榆神府矿区采煤损害进行了分析研究,结果表明:自1993年以来,榆神府矿区塌陷区面积共94.47 km2,地面沉陷区95处,地裂缝1 802条(组);地裂缝在地表的展布具有明显的分带性,黄土沟壑区高强度开采区,地裂缝密集,地表破坏严重;风积沙地区,高强度采煤地裂缝密集,部分地裂缝自然弥合,地表表象不明显;开采强度对本区地裂缝的发育起决定性作用。本区地裂缝主要分布在石圪台—大柳塔、大昌汗—老高川、榆家梁、锦界、柠条塔煤矿北翼以及大砭窑、麻黄梁一带,均为煤炭高强度开采区。

榆神府矿区地面塌陷特征及环境问题

在遥感解译的基础上,实地调查了神木县煤矿开采区地面塌陷现状,阐述了地面塌陷分布、发育特征及发育规模.共发现大面积地面塌陷30 处.地面塌陷规模以中型为主,稳定性以较差为主,险情等级以小型为主,均为高强度采煤造成.单个塌陷区最大面积27.67 km2,煤炭开采强度与塌陷发育程度关系密切.论述了石圪台村、榆神路煤矿、蛇疙瘩村、榆家梁煤矿、后柳塔村、沙沟茆村等典型村镇地面塌陷特征.地面塌陷导致的地质环境问题日益突出,截至2015 年4 月30 日,已经导致了48 次1.5-3.3 级的塌陷地震,诱发区域性地下水水位下降、井泉干涸与河流断流、水域面积萎缩,并进而产生一系列生态环境问题.

基于因子分析的不同采煤地表沉陷年限土壤质量评价

基于对风蚀水蚀交错地带的榆神府采煤矿区地表沉陷地表层土壤理化生指标的测量,选择18项反映土壤理化性质的定量指标,采用因子分析法对不同沉陷年限下的土壤质量进行综合评价。结果表明：18项土壤指标可转化为5个主因子：土壤水分因子、磷素因子、土壤速效养分因子、全钾因子和氮素因子;不同沉陷年限5个公因子差异明显：未沉陷地土壤养分因子和磷素因子指标较好,地表沉陷5 a土壤水分因子和氮素因子指标较好,而全钾因子在沉陷10 a呈现出较高水平;综合因子分析评价得出采煤地表沉陷1-2 a土壤质量较差,随着时间推移,经过土壤的自然演替土壤质量有转好的趋势,但土壤质量最好的仍为未沉陷地,说明榆神府采煤沉陷区地表土壤经过10a自然演替土壤质量仍未恢复到未沉陷区状态。

我国西部保水采煤区受保护烧变岩含水层研究

通过对榆神府矿区烧变岩、烧变岩含水层的调查,论述了烧变岩分布,含水层储水结构及补、径、排条件。烧变岩地下水接受大气降水和萨拉乌苏组地下水的越流补给,以下降泉形式排泄。烧变岩含水层特点是分布面积和含水层厚度都较小,但富水性强,钻孔抽水试验最大单位涌水量88.67L/（s·m）,渗透系数最大可达1 631.30 m/d。煤炭开采前,区内有烧变岩泉405处,其中流量小于1 L/s的325处,总流量59.458 L/s;流量1~10 L/s的64处,总流量142.115 L/s;流量大于10 L/s的16处,总流量564.610 L/s;这些泉多分布于沟谷沿岸,部分烧变岩泉受采煤影响流量衰减或干涸。烧变岩含水层地下水的水质多为HCO3—Ca·Mg或HCO3—Ca型,矿化度最大0.299 g/L,水质良好,是榆神府矿区宝贵的生态水源。

论榆神府矿区煤炭资源的适度开发问题

从水环境承载力角度论述了榆神府矿区煤炭资源的科学开发规模,认为矿区整体上环境承载力有限,目前开发规模已经达到极限,尤其是窟野河全流域、秃尾河沿岸,在没有彻底解决水资源问题之前,不能再扩大生产规模或新建煤矿。对于现有生产矿井,应逐步淘汰。榆神矿区三、四期规划区除小保当一号煤矿外,停止新建煤矿,实行煤矿数量和产量的双控制,推广保水开采技术,确保区域煤炭工业健康发展。

榆神府矿区保水采煤受保护萨拉乌苏组含水层研究

针对我国西部榆神府矿区大规模煤炭开采与脆弱生态环境保护的矛盾,对榆神府矿区尤其是重点煤矿的保水采煤受保护含水层进行了研究。研究表明,萨拉乌苏组是该区的主要含水层,是矿区保水采煤的目标保护层,同时还是煤矿水害的主要水源。萨拉乌苏组含水层适合沙生植被生长发育,是生态潜水。萨拉乌苏组含水层接受大气降水补给,以下降泉的形式排泄。这些泉是窟野河、秃尾河、榆溪河(无定河)的主要补给来源,并是黄河中游约18%的补给来源。受高强度采煤影响,部分萨拉乌苏组的自然排泄受到干扰,如泉流量衰减甚至干涸、河流断流等,影响了区域生态环境。应采取保水采煤技术,确保开采后生态水位在15 m以内。