采煤沉陷松散层变形研究现状与分析

开采沉陷是煤炭资源井工开采所面临的主要环境地质问题,其中松散层变形是东部高潜水位矿区生态修复和西部生态脆弱区保护所关注的重点,获得沉陷变形参数对推动开采减损、生态环境保护与修复有着重要的指导意义。借助CiteSpace文献计量软件,基于中国知网(China National Knowledge Infrastructure,CNKI)数据库进行可视化分析,通过对该研究方向近30年主要研究力量、研究热点和现状趋势量化统计与分析,详细地阐述了该方向的研究现状,简要概述了沉陷成因、理论分析、室内试验、数值模拟及原位实测等方面开展的研究内容。从多学科交叉促进理论研究发展、多方法联合建立高精度动态监测、发展与创新测试装备和技术等方面对其未来趋势进行了展望,提出“空-天-地-孔”一体化监测平台的建设与运营,以期通过多维度、网格化立体数据的获取,进一步掌握松散层内部变形特征与传递机理,为实施“源头控制”和“过程治理”理念和评价废弃矿井CO_(2)封存地质条件提供基础数据与科学支撑。

采煤沉陷区动态预复垦理论分析及工程实践

在我国东部高潜水位矿区,由于单一厚煤层和多煤层的长时间无序开采,形成了大面积的非稳沉区及积水区,致使耕地面积急剧减少,若不及时治理则会导致治理成本增加、复垦效率降低等一系列问题。本着从“末端治理”向“源头控制”、“过程管理”与“防治结合”的理念,在现有研究成果的基础上,对动态预复垦从原理、优势、关键技术等多个方面进行综合分析,并结合工程实例对动态预复垦的整体技术体系与实施方法进行深入剖析。结果表明:动态预复垦能够将采矿与复垦有效结合,通过合理分区、科学确定标高、表土有效剥覆等手段,可有效保护和利用浅部耕作土层的土地资源,缩短土地恢复治理时间,效益显著。

矿井涌水量预测及其对沙漠植被的影响

矿井涌水对井下安全生产存在潜在威胁,同时可能引发因矿区地下水位下降造成的地表植被难以逆转的演替退化。针对涌水量数值模型构建时边界条件概化不准确和水文地质参数选用不可靠等关键问题,以准确预测矿井涌水量保障煤层安全开采为目标,并为研究区沙漠植被的保护提供理论和数据支撑,选择以天然边界作为研究区周界,在充分收集与分析钻探、物探、抽水试验、地下水长观和矿井采空区范围及其涌水量等资料的基础上反复修正模型,构建了较为逼真的地下水三维非稳定流数值模型。此外依据矿井采空区拓展进程及其涌水量和地下水监测数据等进行模型模拟识别,论证了该模型的合理性和可靠性。利用所建立的数值模型预测了煤层开采条件下的矿井涌水量和潜水位降深场,进而基于潜水位埋深与沙漠植被关系分析了潜水位下降对沙漠植被的影响。结果表明:根据矿区先期煤层开采预测矿井涌水量为3.08×10^(4)m^(3)/d,引起矿区内潜水位下降2.08~2.35 m,将导致矿区内代表性植被沙柳和小叶杨的长势变差、甚至部分枯萎,呈现由中生植被类型向旱生植被方向的演替趋势。研究结果为研究区提供了较准确的涌水量预测值,可以为制定科学有效的矿区沙漠植被保护措施以及为类似地下水流数值模型的构建提供可靠的思路。

高潜水位采煤沉陷区水质评价与污染因子识别

淮南矿区潜水位高,采煤沉陷区范围广、面积大、水质监测数据缺失,水环境问题较突出,开展大尺度的沉陷区水质评价及污染因子识别,对于区域水环境治理工作意义重大。通过采集、测试研究区175个样点的水样,采用内梅罗污染指数法对沉陷区水域进行水质评价,采用综合营养状态指数法进行水体富营养化状态评价。结果表明:(1)开放型沉陷区Cu、As和Cr的水质评价等级为优良,DO、COD、NH_(3)-N、Hg、F^(-)评价等级为良好,TN、TP评价等级为较好。封闭型沉陷区,对标地表水Ⅲ类标准,Cu、Cr水质评价等级为优良,NH_(3)-N、Hg、As、DO为良好,COD、TN为较好,TP、F^(-)为较差;对标地表水Ⅴ类标准,NH_(3)-N、Hg、As、Cu、Cr的评价等级为优良,DO、COD、TP、TN为良好,F^(-)为较好。(2)研究区综合营养指数范围为40~90,平均68.61,属于中度富营养,沉陷区水体营养水平适中。175个水样中,轻度富营养占比8.57%,中度富营养占比51.43%,中营养占比2.29%,重度富营养占比37.71%。(3)对标《地表水环境质量标准》,常规指标中DO、NH_(3)-N超过Ⅴ类占比极小,而COD、TP、TN超过Ⅴ类占比较大;研究区所有水域均无重金属超标现象,测试结果极佳;无机阴离子指标F^(-)超过Ⅴ类占比较大。开放型沉陷区水域水质状况整体优于封闭型。对于开放型水域,张集、潘一沉陷区TP、F^(-)指标均较差;对于封闭型水域,潘一、潘三、顾桥、顾北、张集沉陷区TP指标较差,F^(-)污染分布呈现地域特征,淮河以北普遍较差,淮河以南普遍优良。所有水域的Cr、Cu、Hg、As、NH_(3)-N、TN、COD、DO指标均处于“优良-较好”区间内;开放型水域的F^(-)、TP指标均处于“优良-较好”区间内;封闭型水域中潘集片区F^(-)和凤台颍上片区TP均处于“较差”区间内;区域污染程度表现为凤台颍上片区>潘集片区>老矿区。(4)从保护煤矿区生态环境的角度出发,综合考虑2种污染因子识别方法的特性,最终确定淮南矿区采煤沉陷区污染因子有COD、TP、TN和F^(-)。本次水质评价工作识别了淮南采煤沉陷区污染因子,为地方政府和企业制定生态环保决策提供重要数据支撑。

江汉平原冷浸田地区地下水特征研究

冷浸田地区因土壤发生层长期遭到地下水浸渍而导致作物减产明显。为研究冷浸田的成因及其地下水特征,选取江汉平原为研究区,以遥感影像、气象和近30年的典型冷浸田地区地下水水位监测数据为基础,采用空间分析和相关性分析等方法,研究江汉平原冷浸田的分布特征及影响因素、地下水水位埋深的时空变化规律和地下水环境特征。结果表明,2021年江汉平原冷浸田主要分布在监利、汉川、洪湖、仙桃、潜江等地区,分布范围相比20世纪80年代呈减少趋势;冷浸田的分布与潜水位埋深有着十分密切的联系,水位埋深较浅的地区容易诱发冷浸田;年内主汛期潜水水位埋深较浅,更易发生冷浸田现象;近30年来,冷浸田地区地下水水位埋深整体呈增大趋势;降雨是诱发冷浸田的重要影响因素;冷浸田分布地区的地下水处于强还原环境,铁、锰和硫化物等还原性物质易大量积累。

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。

东部高潜水位采煤沉陷区破坏耕地生产力评价研究

针对矿区面临的问题,在综合分析东部高潜水矿区开采对耕地破坏特征的基础上,选取了潜水位、裂缝、坡度、农田水利设施等作为破坏耕地生产力评价指标体系,并构建了评价模型,利用兖州矿区鲍店矿采煤沉陷区对该评价模型进行了实地应用验证,评价结果与实测结果相关性显著,表明构建的耕地生产力评价模型可用于东部高潜水采煤沉陷区破坏耕地生产力的评价定级。

采煤沉陷复垦区重金属分布特征及生态风险评价

以淮南新庄孜矿煤矸石充填复垦区为研究对象,通过现场调查取样、室内测试分析等手段,对煤矸石充填复垦区不同土地利用类型、不同充填深度土壤中Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、Mn和Hg 7种重金属的分布特征进行研究,同时采用生态风险指数法,对研究区土壤重金属潜在生态风险危害进行评价。结果表明:表层土壤中Cu、Zn、Cd、Mn和Hg 5种重金属平均值均超过当地的土壤背景值,存在不同程度的污染,且Cd污染最严重。从垂直方向来看,除Hg外土壤重金属无明显分布规律,Hg的含量随土壤深度的增加而升高。复垦区土壤重金属潜在生态风险危害严重,不同重金属潜在生态风险危害程度不同,Cd和Hg的潜在生态风险危害最大。

考虑蠕变与渗流作用的软土基坑开挖模拟研究

为研究渗流与蠕变的相互耦合作用对软土基坑开挖的影响,文章以深圳地铁11号线前海湾站基坑工程为背景,基于FLAC3D中的渗流和蠕变分析模式,对不同计算条件下软土基坑的桩后水压力、桩位移、地表沉降以及坑底隆起等的变化规律展开研究。研究结果表明:(1)渗流和蠕变作用均会对基坑开挖变形产生较大影响,只有综合考虑这两者间的相互影响,才能保证基坑开挖模拟计算结果与实际相符合;(2)基坑开挖过程中,基坑两侧桩最大位移值和位置都与开挖时间呈指数衰减关系,而基坑两侧地表最大沉降除会在每次降水过程中急速增大外,其余时段则与开挖时间保持相对缓慢的线性增长关系;(3)随着潜水水位埋深的增加,基坑两侧地表最大沉降和桩体最大位移都将线性减小。

采煤沉陷坡面土壤氮磷钾养分有效性的空间变异性

探索采煤沉陷坡面上土壤氮、磷和钾养分迁移转化的作用机理,对促进矿区生态环境综合整治的科学决策有重要理论和实践价值。以焦作九里山矿典型低潜水位采煤沉陷坑内的耕地和林地为研究对象,对比分析了土壤氮、磷和钾全量及有效态养分含量在不同土地利用类型(耕地和林地)、沉陷坡位(中心、坡底、坡中、坡顶和对照)和剖面深度(0~10、10~20、20~30、30~40、40~50 cm)的空间变异性。结果表明,沉陷坡面土壤养分含量空间变异性从大到小依次为:有效磷(118%)、有效氮(69%)、全氮(41%)、速效钾(27%)、全磷(19%)、全钾(4%)。相对于耕地,林地全磷和有效磷含量显著(P<0.001)降低,速效钾含量显著(P<0.001)升高。在沉陷坡面上,耕地土壤氮和钾的有效性在坡底凹陷区最大,而磷有效性在坡顶裂缝区最大;林地土壤氮、磷和钾的有效性均在坡底凹陷区最大,在中间坡面区最小。通过对土壤养分有效性在沉陷坡面上空间变异作用机理的分析,提出了低潜水位沉陷区土壤可持续管理的具体区划模式,以实现采煤沉陷区土地复垦改造的最小经济投入目标。

三峡库区黄土坡滑坡浸润线动态变化规律研究

以三峡库区黄土坡滑坡为研究对象,结合滑坡体地下水位监测数据,分析库水涨落对滑坡地下水位的影响。建立了黄土坡滑坡渗流模拟的有限元计算模型,并确定了模型合理的水头边界条件。利用Geo-Studio软件的SEEP/W模块,对库水位涨落情况下滑坡暂态渗流场的变化进行模拟,并且分析浸润线的动态变化过程,确定了库水位涨落对滑坡前缘浸润线影响区在滑坡前缘300 m范围内,并对库水位上升和下降两种工况下滑体前缘浸润线位置进行了预测。最后,分析了库水位涨落下库岸滑坡浸润线变化对滑坡稳定性影响,为研究库水位涨落下库岸滑坡浸润线和滑坡稳定性提供了依据。

煤矿开采导水裂隙带发育对潜水水位影响研究

为定量阐述采煤导水裂隙带发育对潜水含水层的影响,在分析采煤导水裂隙带发育形成机理的基础上,依据采煤导水裂隙带发育对潜水含水层的影响进行分类研究,按照对潜水水位影响的程度分为两类模式。基于这两种分类模式,以锦界矿区为研究对象,建立考虑导水裂隙带发育的地下水数值模拟模型,利用大量实测水位反演出导水裂隙带影响下各分区垂向渗透系数值变化序列,以此反映导水裂隙带发育对潜水含水层的影响。通过构建的地下水数值模型计算表明,在分类模式二条件下,由于导水裂隙带导通潜水关键隔水层构成垂向渗漏通道,隔水层垂向渗透系数显著增大,潜水水位形成大范围地下水降落漏斗。开采前10年最大降深值28 m,降深大于20 m的影响严重区域面积约为2.56 km^2,开采后20年,潜水位最大降深达到32 m。

GF-1与TM影像对高潜水位矿区地表监测的比较分析

高潜水位矿区会因煤炭资源的开采使大量优质耕地沦为积水区,对矿区的粮食安全和生态经济安全造成严重影响,为了有效降低耕地的损失率和改善矿区的生态环境,以山东济宁东滩矿为例,采用具有高空间和时间分辨率特点的高分一号卫星(GF-1)与TM影像的地表监测结果进行比较,验证GF-1对矿区地表监测的适用性。GF-1数据具有更高的时间分辨率,可作为矿区地表监测的重要数据源,有助于矿区生态环境和景观格局的动态监测,从而更好的建设生态、绿色和安全的矿区环境。

高潜水位矿区地表拉张裂隙区土壤特征研究

为探讨高潜水位采煤拉张裂隙区土壤中元素迁移特征,选择淮北矿区朱庄矿3522工作面地表拉张裂隙区为研究对象,按地势坡度从高到低划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区,在裂隙两侧间隔50cm布设21个观测点,每个观测点自上而下每20cm取样,共计105个样品,分析含水率、pH、有机质(SOM)、有效磷(AP)和速效钾(AK)等指标。结果表明:拉张裂隙区土壤剖面含水率随深度增大;SOM在Ⅱ区台阶0~40cm地表聚集。AP在垂向剖面上分布无显著差异,在水平方向上在Ⅱ区、Ⅲ区显著积累;裂隙对0~20cm AK影响显著,土壤整体肥力属于瘦瘠到一般水平,斜坡水土流失与裂隙的隔断拦截作用,导致SOM在台阶区积累,AP在低区积累,AK在高区积累。

高潜水位矿区耕地生产力损害评价GIS系统实现

GIS技术已成为煤炭开采损害评价重要和便捷的工具。针对我国东部高潜水位矿区开采沉陷耕地损害的特征,着重从系统构建的角度,分析了系统功能的总体设计、数据库的建立和实现的技术方法。基于Arcgis的AO组件库,借助ActiveX技术、三维可视化等技术,构建了采煤沉陷区耕地生产力损害评价、二维及三维可视化和补偿计算的一体化评价系统。选取鲍店矿典型采煤沉陷区为评价对象,对本系统进行了工程应用。评价结果基本符合实况,表明了系统的科学性、有效性。

石嘴山市浅层地下水的环境背景值

根据水文地质条件将研究区划分为单一潜水区和多层结构区两个地下水环境背景值单元,以石嘴山市大武口区和惠农区1997年和2008年的浅层地下水水质分析数据为依据,主要采用迭代标准差法和计算分布函数法对两个背景值单元内的15项指标进行了背景值范围的计算.在此基础上比较分析了研究区背景值的时空分异特征,结果表明,气象、水文、人类活动等变化较大的因素会使地下水的化学组分随时间呈现出一定的变化,即地下水环境背景值的时间差异性;而地形地貌、含水层岩性、地下水径流条件的差异是影响不同地下水环境背景值单元内相同指标背景值差异的主要因素,即背景值具有空间差异性.对地下水环境背景值进行水质评价,结果表明,2008年较1997年,地下水质量变差.

库水位等速上升中均质库岸塌岸现象及浸润线试验研究

为了研究库水位等速上升过程中均质水库岸坡的塌岸现象及岸坡内浸润线的变化特点,以取自三峡库区的含黏粒粉砂为主要试验土料,设计了3个不同结构的均质岸坡模型,对每个模型进行了4种不同速率的水位上升试验。试验结果表明,库水位上升速率越大,均质水库岸坡的塌岸现象越易发生;在库水位上升过程中,库水和地下水与岸坡土体的相互作用同时存在对岸坡稳定有利和不利的因素,其中地下水浸没区的毛细力消失是引起塌岸的关键因素;试验测得浸润线与理论计算结果的比较分析表明,浸润线的理论计算方法可能过高地估计浸润线的位置。

库水位等速上升对浸润线影响的模拟试验研究

通过室内物理模拟试验,研究了均质岸坡存在水平强透水层条件下,库水位等速上升对岸坡土体内浸润线的影响。试验结果表明:浸润线随库水位的等速上升呈非线性变化;与存在水平不透水层的理论解对比,模型土体底部水平强透水层的存在,使得浸润线随库水位等速上升的变化速率明显加快。通过对试验结果的拟合,提出了在库水位等速上升的条件下浸润线的简化计算方法。

河渠水位线性变化条件下河渠-潜水非稳定流模型及其解

在河渠水位迅速变化后再缓慢变化的条件下,建立了河渠半无限潜水含水层中非稳定渗流模型.利用Boussinesq第一线性化方法及Laplace变换,并注意应用Laplace变换中的"积分性质",给出形式相对简单、由常用函数表达的解,阐述特定解及其相应的物理意义.由解所揭示的潜水位变化规律表明,含水层任一点处潜水位变动速度的时间变化曲线形态是固定的,与河渠边界水位变动速率λ无关;潜水最大变速发生的时间,随λ呈非线性位移.依据潜水位变化规律,建立利用潜水位变动速度求含水层参数的方法,并用实例演示了拐点法求参数的过程.

某尾矿坝尾矿砂中毛细系数C的确定方法研究

通过室内试验,开展了某矿山尾矿坝中毛细水上升高度计算方法的研究工作.研究结果表明,该尾矿坝尾矿砂中毛细水最大上升高度可用海森公式进行估算,其中系数C的取值问题尤为重要.平行试验结果表明,该尾矿坝坝体的C值可取为0.66 cm2.进一步地,该尾矿坝坝体尾矿砂中毛细水上升高度曲线结果显示,初期的毛细水上升高度约占总高度的50%以上,这表明,当尾矿坝内浸润线上升时,毛细水会随之迅速升高,将对尾矿砂的物理力学性质有较大影响,进而影响尾矿坝的稳定性,因此后续研究工作应重点分析毛细水的上升速率,为尾矿坝的稳定性分析工作提供参考和指导.