煤粮复合区多次采动条件下砌体结构损坏演化规律

淮南矿区地处华东地区煤粮复合区,采掘活动造成地表变形,对地表建筑物造成损害,因此,探究多次采动条件下地表构筑物的损坏规律至关重要。以淮南矿区某地表建筑物为原型,采用了理论分析、数值模拟的研究方法,对地表建筑物的采动损害机理进行了研究,得到了如下结论:地表下沉、水平移动、曲率变形、水平变形对地表建筑的产生不同影响特征,多次采动影响下会产生“弱化变形型”、“强化变形型”、“复合型”等3种扰动类型。模拟了多次采动条件下地表砌体结构在不同曲率变形条件下的破坏及裂缝扩展情况,裂缝宽度、条数随着曲率变形增大而增加。随着曲率变形增加,砌体结构间节理逐步破坏,整个结构体系从连续变形特征逐步演化为非连续变形,整体强度逐步弱化且砌体结构变化不可逆。

典型煤粮复合区采煤沉陷积水区域时空演变特征与驱动力

采煤沉陷积水是高潜水位煤粮复合区的主要生态破坏特征,开展沉陷积水区域时空演变特征与驱动机制研究对于煤粮复合区水土资源优化配置与土地复垦具有重要意义。为揭示煤粮复合区采煤沉陷积水区域的时空演变特征与驱动机制,以典型煤粮复合区永城矿区为研究区,利用源自Landsat图像的1990—2020年中国30 m分辨率土地覆盖数据,使用ArcGIS软件中的按掩膜提取和按属性提取等功能提取不同年份水体分布信息,对比分析不同年份永城矿区水体面积变化及空间分布信息,从而揭示永城矿区长时序采煤沉陷积水区域面积时空演变特征。基于煤炭开采沉陷过程,探讨开采沉陷与地下水位及地表积水的耦合关系,结合煤炭开采、降水量、地下水位等因素分析采煤沉陷积水区域时空演变的驱动机制。研究结果表明,1990—2020年永城矿区水体面积增加8.2332km^(2),其中,1990—2000年变化幅度较小,2000年后煤炭井工开采沉陷累积效应显现,2000—2005年和2010—2015年年均增长率较高,分别为12.8213%和10.1412%;积水区域扩张部分主要分布在永城矿区中部、西南部、东南部和东部;煤炭井工开采是水体面积增加的主要驱动力,决定了采煤沉陷区水域的空间分布范围和扩展方向;地下水位和降雨量则在一定程度上影响了采煤沉陷区水域分布范围;地质结构及生态修复工程促进了采煤沉陷区积水区域增加。通过研究典型采煤沉陷积水区域长时序演变特征及驱动机制,为高潜水位煤粮复合区土地资源可持续利用与生态修复提供科学依据。

中国典型市域煤粮复合区耕地损毁及其影响

为了揭示煤粮复合区耕地损毁状况及其影响,引起各方对这一特殊区域的重视,以济宁市为例,基于开采沉陷学理论,采用实地调查法、万吨塌陷率预测等方法进行了系统分析和计算。结果表明:至2020年,采煤累计塌陷耕地数量约为25 934 hm2,矸石压占及矿区建设占用耕地约1 096 hm2,塌陷区土壤质量、耕地生产能力下降,土地利用方式、粮食生产、社会稳定都将受到极大影响。研究结果将为同类区域土地利用总体规划中耕地保护指标分配、规划方案制定以及政府相关决策提供参考。

基于四象限模型煤粮复合区景观生态质量时空变化及影响因素

在煤粮复合区,煤炭开采通过影响区域的景观格局,不断地冲击着原有农业景观生态系统的功能和过程,对该区域的景观生态质量及其影响因素进行分析对于矿区生态治理具有重要的理论意义和实践价值。该研究以河南省辉县市赵固煤矿为例,以行政村为评价单元,采用四象限模型对研究区景观生态质量进行了综合评价。结果表明:1)受煤炭开采活动和土地生态整治的影响,2008—2016年,研究区耕地面积总体上呈现先减少后增加的变化趋势,耕地主要向建设用地和水域转移。建设用地呈现先增加后减少的变化趋势,建设用地主要向水域和耕地转移。2)研究区的景观稳定性指数呈现先减少后增加的变化趋势,而景观干扰性指数呈现先增加后减少的变化特征。3)研究区景观生态质量在时间尺度上呈现“良好—较差—较好”的变化特征。2008年,矿井建设及开采初期研究区景观生态质量整体上较好。随着开采活动增强,到2011年研究区景观干扰程度增加和稳定程度降低,造成区域景观生态质量下降。2014年后大规模土地复垦使研究区土地利用率增加,大面积沉陷水域改善了区域景观结构,景观系统稳定性增加。4)在空间尺度上,受开采活动和土地生态整治的影响,矿区采点附近村庄景观生态质量呈现先变差后好转的变化趋势,远离矿区开采点的村庄有略微变差的趋势。总体上,与2011年相比,2016年质量为优的村庄数量和面积增加,质量为差的村庄数量和面积减少,但与2008年相比,2016年质量为优的村庄数量和面积仍是减少,质量为差的区域的村庄数量和面积仍是增加,表明研究区景观生态质量虽有所改善,但仍未恢复到受扰动前的景观生态质量水平。

小尺度煤粮复合区耕地演变预测

基于县域小尺度,以山东省的A县和B县为研究对象,利用基于概率积分法的MSPS软件对2县煤粮复合区内因采煤塌陷造成的耕地演变趋势进行了预测分析。结果表明:A县和B县的煤粮复合区面积分别为31 658 hm2和19 792 hm2,占2县含煤面积的71.03%和80.32%,占2县耕地面积的27.70%和20.21%。随着煤炭的不断开采,2县复合区的耕地面积将不断减少。据预测,到闭矿时,2县共损毁耕地38 934 hm2,占煤粮复合区面积的75.67%,将会造成约37万农民无地可种。

煤粮复合区耕地演变预测信息系统的构建

为了满足管理部门对煤矿区耕地管理的需要,设计了该系统。论述了煤粮复合区的研究背景和意义,分析了现有的采煤沉陷预测系统的不足,对煤粮复合区耕地演变预测系统的总体结构、功能、数据库、接口、安全保障体系等进行了阐述。该系统功能强大,能够实现煤粮复合区耕地变化的预测和管理,为管理部门制订管理决策提供科学依据。

煤粮复合地区生态系统服务价值变化研究--以邹城市为例

根据Costanza等人对全球生态系统服务价值的测算结果,分析了1996—2003年邹城市土地利用和生态系统服务价值变化。结果表明,邹城市的耕地、园地和林地土地面积在减少,建设用地和水域用地面积在增加。由于水域单位面积生态系统服务价值较高,7年间邹城市区域生态系统服务价值处于增加状态。邹城市生态系统服务价值从1996年的95.9704×106美元增加到2003年的104.5830×106美元,7年间增加8.6126×106美元,变化率达到8.97%。

基于“三生”视角的煤粮复合区土地利用功能评价

[目的]以河南省新乡市赵固二矿煤粮复合区为典型案例区,对该区土地利用多功能性进行研究,为其区域功能发展提供支撑。[方法]基于研究时序统计年鉴等基础数据,从"三生"功能(生产功能、生活功能、生态功能)角度择选出符合不同子功能的15个指标因子,构建出适用于煤粮复合区的评价指标体系。运用全排列多边形综合图示法对研究区2009—2015年间土地利用功能演变进行量化评价。[结果](1)全排列多边形综合图示法评价结果直观、准确、涉及面广且主观随意性低,适用于区域土地利用功能评价;(2)单项指标显示,2009—2015年间,各子功能的指标偏向侧重度均有所改变,但其主导障碍因子稳定不变;(3)7a间,研究区均以生产功能作为区域主导功能,受区域煤炭开采影响土地集约利用综合指数以2012年为分界点总体先增加后减少,变化速率为快—缓—快。[结论]煤炭开采活动对煤粮复合区土地功能利用有重要影响,区域土地"三生"功能变化及区域土地集约利用程度与区域煤炭事业的发展变化联系紧密。

煤粮复合区基本农田保护研究

煤炭开采使我国煤粮复合区内的基本农田破坏严重,通过建立计算模型可以分析其减少的去向和增加的来源。探讨煤粮复合区内基本农田的特征,把区内基本农田的演变过程分为基本农田规划态、基本农田破坏态、基本农田战备态和基本农田恢复态,分析了各个状态基本农田的特点并提出相应建议。

凤台县煤粮复合区耕地演变预测及影响

以安徽省凤台县为研究对象,利用Arc GIS将耕地资源分布图、煤炭资源分布图及矿井建设图进行叠加,分析凤台县煤粮复合区特征。基于概率积分法基本原理,利用MSPS沉陷软件对凤台县内因采煤沉陷引起的耕地演变趋势进行了预测分析,进而预测耕地损毁导致的粮食减产量,并估算其造成的农业经济损失。结果表明:凤台县煤粮复合区面积占耕地面积的78.39%,占含煤区面积的77.25%,县域内井田面积占煤粮复合区面积的50.66%。随着煤炭资源的不断开采,全县煤粮复合区内的耕地面积将不断减少,耕地受损程度将不断加重,严重影响了当地的粮食产量、农业经济发展和社会稳定。据预测,到闭矿时损毁耕地面积占全县总耕地面积的43.68%,采煤损毁耕地导致粮食减产量达13.48万吨,农业经济损失达3.04亿元,将造成大量农民无地可种,从而引发社会矛盾。对此提出了相应的对策与建议。

煤粮复合区土壤重金属含量特征及其污染评价

采集煤粮复合区27个表层土壤样品,测试其中8种重金属含量。结果表明:研究区土壤中Cu,Hg,Cd,Pb和Zn受到人为活动的干扰相对较强,81.5%的土壤处于安全状态,3.7%的土壤处于污染的警戒级别,14.8%的土壤污染程度处于轻度污染,Cd污染贡献率最高;Hg的均值处于中等潜在生态风险水平。土壤中重金属Cr,Pb,Cd和Zn含量较高的地方集中在中部偏东,Cu和Hg含量较高的地方集中在东部偏北,As和Ni在西部地区和西南地区含量较高,潜在生态风险主要集中在东北部、北部和西部区域。

东部煤粮复合区采煤沉陷地边采边复时机

东部高潜水位煤粮复合区采煤沉陷导致连片耕地积水,加剧了区内煤炭保供和粮食生产之间的矛盾。为了协调耕地保护与地下采煤的关系,采用边采边复技术,可以实现地面复垦技术与井下采煤技术的耦合,在高潜水位矿区可显著提高复垦率。复垦时机的选择是边采边复的关键,直接决定复垦工程的成败。梳理了影响边采边复时机选择的自然因素和人为因素,提出了2种边采边复时机类型:(1)采动地表临界积水下的理论复垦时机;(2)采动地表浅积水(积水深度0~3 m)下的实际复垦时机。以单一煤层开采为例,研究了采动地表积水与地下开采的时空关系,提出了采动地表临界积水启动距及积水边界角,揭示了工作面推进速度与理论复垦时机的时空关系。提出以采动地表临界积水下沉值为约束的井下减沉的耕地源头保护措施,构建了采区尺度下的跳采全采工作面临界宽度模型和浅积水下的实际复垦时机模型。案例研究表明:以顾桥煤矿北一采区临界积水下沉值1.00 m为约束,所优化的跳采全采工作面宽度可将复垦时机延迟到全采阶段,即推迟复垦时间和延长耕地使用寿命12.5 a。模拟了龙固煤矿不同采动积水深度下的复垦耕地面积变化,构建了复垦时机与复垦率之间的定量模型,以此预测了不同复垦率指标下的最佳复垦时机区间及浅积水条件下的最佳复垦率,认为相对积水深度为0.6时,为该采矿地质条件下的最佳复垦时机,当复垦耕地率差值控制在5%时,最佳复垦时机为地表积水相对深度0.7067。最后,讨论了边采边复的投入产出效益,认为边采边复技术可显著提高土地复垦效益,从源头上将采煤引起的社会和生态负效益内部化,该技术具有技术可行、经济合理和生态友好的优势。研究结果可为高潜水位煤矿区边采边复时机优选和井上下采复耦合提供理论支撑和案例参考。

煤粮复合区耕地生态系统重分类及生态效应分析

开展煤粮复合区耕地生态系统空间格局及其演化特征研究,有利于明晰区域耕地可保有容量与煤矿区生态修复预期目标。以典型煤粮复合区——江苏省徐州市沛北煤矿区2000、2004、2008年地球观测系统(SPOT)遥感影像与土地利用现状数据为基础,将研究区内耕地生态系统重新划分为未沉陷一般耕地子系统、沉陷未积水耕地子系统、季节性积水耕地子系统和常年淹水绝产耕地子系统等4类,进而对位于我国东部平原的徐州市沛北煤矿区范围内的耕地生态系统功能状态变化及其生态效应进行分析。结果表明,煤粮复合区内耕地生态系统的生态效应变化主要源自未沉陷一般耕地、沉陷未积水耕地子系统的面积减少与季节性积水耕地、常年淹水绝产耕地子系统的面积增加,2000—2008年采煤活动对煤粮复合区耕地生态系统的生态效应产生了较大影响; 4类耕地子系统在2004—2008年期间产生的生态效应强度均远远小于2000—2004年,常年淹水绝产耕地子系统的面积变化对研究区耕地生态效应的贡献率最大。结果可为我国东部平原高潜水位煤矿区耕地生态系统演化研究提供科学依据。

煤粮复合区土地沉陷及治理模式研究——以新乡赵固矿为例

本文针对煤粮复合区的土地沉陷问题开展调查研究,分析土地沉陷对农业生产造成的影响,并对两种类型提出合理的治理模式。首先根据调查,选取典型煤矿新乡赵固矿作为研究区域,对整个研究进行合理的方案设计。其次分别从七个方面分析了土地沉陷对农业生产造成的影响。最后根据沉陷区的稳定情况将其分为稳定未稳定两种类型,并因地制宜提出治理模式。

矿-粮复合区采煤塌陷损毁耕地分级研究

根据采煤塌陷理论和采煤对矿区环境造成的影响研究,对高潜水位煤粮复合区损毁耕地成因及破坏程度进行阐述和分析,结合已有的矿区损毁耕地评价指标体系,基于评价指标建立原则,选取地表倾斜、地表下沉及潜水位埋深为高潜水位地区采煤塌陷耕地损毁程度评价指标,并对损毁程度进行了分级:轻度、中度和重度损毁。以山东省西南部某矿区为例,借助Arc GIS分析工具,建立了综合评价结果适宜性函数,对煤粮复合区采煤塌陷耕地损毁程度进行了评价,并对评价结果进行了可视化显示,结果表明:截止2005年,研究区采煤塌陷损毁耕地面积约为23 km2,其中轻、中、重度等级损毁面积分别为6.7、5.7和10.6 km2,随着煤矿开采的继续,耕地损毁面积仍在持续增加,而损毁程度也在逐渐加深。基于评价结果,提出了适合于高潜水位矿区耕地保护的一些建议。

平原煤粮主产复合区煤矿开采和耕地保护协同发展研究现状及对策

耕地是粮食安全的基础,煤炭是能源安全的保障。我国煤炭和耕地资源分布重合的煤粮复合区面积约占耕地总面积的42.7%,煤炭开采与耕地保护之间的矛盾十分突出。如何实现煤矿开采与耕地保护协同发展是我国煤粮复合区亟待解决的瓶颈难题。从平原煤粮复合区采动耕地损毁机理、采动耕地破坏程度评价、开采沉陷控制技术等3个方面分析了煤矿开采和耕地保护协同发展的研究现状与存在问题。在此基础上结合耕地保护面积大、变形耐忍度高等特点,提出了一种面向煤矿开采和耕地保护协同发展的源头控制与修复治理有机结合的绿色开采区域性岩层及地表变形控制技术途径,建立了相应的地表变形预测及控制设计方法,并指出了平原煤粮复合区煤矿开采和耕地保护协同发展的重点研究方向:平原煤粮复合区耕地采损驱动机制、采煤沉陷耕地防护阈值体系、面向耕地保护的煤矿绿色开采区域沉陷协调控制理论与方法,以期推动煤粮主产复合区煤矿绿色开采与耕地保护协同发展。