陕北煤矿区采动地裂缝对土壤抗蚀性的影响规律研究

采动地裂缝作为黄河流域中游陕北煤矿区最突出且典型的采动损害问题,引发的水土流失效应已经不容忽视。为了研究采动地裂缝发育对周边土壤抗蚀性的影响,以陕北煤矿区内宽度分别为0~10,10~20,20~30 cm的采动地裂缝为研究对象,采集周边水平距离80 cm以内,垂直深度40 cm以浅的土壤,测定了土壤水稳性团聚体、微团聚体、无机黏粒、有机黏粒、物理性质类等14个国内外学者普遍关注的用于量化表征土壤抗蚀性的指标,采用层次分析法、敏感性分析和因子分析相结合的方法甄选出陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要量化指标,构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型。结果表明:①综合层次分析法、敏感性分析和因子分析,甄选确定>0.25 mm水稳性团聚体含量、平均重量直径、<0.001 mm细黏粒含量、土壤团聚度、土壤有机质含量5个指标作为量化表征陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要指标;②采动地裂缝会降低周围土壤的5个土壤抗蚀性重要指标,其中>0.25 mm水稳性团聚体含量变化最为明显;③根据土壤抗蚀性重要指标,基于因子分析原理构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型;④采动地裂缝会降低周围土壤的抗侵蚀综合能力,且该效应随着裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强,当距采动地裂缝的水平距离超过170 cm时,采动地裂缝对周围土壤抗侵蚀综合能力的负效应基本消失,其可作为陕北采动地裂缝发育区土壤侵蚀防控的关键区域。研究结果可为黄河中游陕北矿区水土流失的精准防控提供科学依据。

陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术

陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总结区域水文地质结构特征,界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布,论述典型水灾的形成机理及特征,并提出了相应的防控技术。研究表明:(1)陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区,陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害,局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。(2)陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成,导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水,部分区域充水强度较大,在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾,在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害,导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾,当含水层下部隔水层厚度较大时,可能形成离层溃水灾害,当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时,会引发极为严重的底板突水灾害,该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。(3)各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等,底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。

晋陕蒙采煤区水土流失现状调查与分析研究

以晋陕蒙采煤区为研究对象,采用文献资料收集、野外调查与室内分析相结合的方法,重点对松散堆积物、排土(矸)场、塌陷区域等人为水土流失进行典型调查研究,查明在建、在产的煤矿和采石场的分布、数量及规模,阐明引起水土流失的原因,为晋陕蒙能源区水土流失治理和生态环境建设提供依据。

陕西煤矿冲击地压发生规律与分类防治

随着煤炭资源开采区域不断向西部以及深部转移,西部地区冲击地压矿井数量呈井喷式增长。陕西省作为煤炭大省,煤炭开发供应规模稳居全国前列,但冲击地压灾害尤为突出,为了有效遏制本地区煤矿冲击地压频繁发生势头,并为类似条件矿区冲击地压防治提供借鉴,通过分析陕西煤矿10年来的24座矿井、85起冲击地压案例,基本厘清了冲击地压发生规律,并开展了基于主控因素的分类防治研究。研究结果表明:陕西省煤矿冲击地压具有灾害矿井集中、灾害程度严重、多灾害叠加影响显著、防治难度大等特点;冲击地压监测技术、防治技术与地方法规建设历程几乎同步,达到了起步晚,起点高,示范效应强的结果;基于冲击地压主控因素,将陕西省冲击地压划分为3大类,分别为:坚硬顶板主导型、地质构造主导型和宽煤柱主导型,并针对主控因素提出弱化坚硬顶板、转移煤柱高集中应力、释放构造应力的防治方法。通过10年来的工程实践,不断优化矿井开采设计,探索煤层厚硬顶板千米顺层钻孔区域压裂新技术,加大防冲卸压技术的落实,冲击地压显现逐年减少,成果显著。

采煤塌陷区全域土地综合整治对策研究 ——以彬州市义门镇为例

全域土地综合整治对保障粮食安全、改善生态环境、促进乡村振兴具有重要意义。在新的发展时期,该项工作开展已成为土地整治的重要抓手。采煤塌陷区具有移民搬迁、产业发展、生态修复的需求,该区域的保护与发展更应与土地综合整治相结合。本文基于社会调研和社会经济数据分析方法,对彬州市义门镇面临的困境进行分析,探究采煤塌陷区周边乡村土地综合整治实施路径,提出“民生为重、产业强基、生态为本”的全域土地综合整治实施建议,以期为采煤塌陷区土地综合整治方案编制与实施提供参考。

陕北黄土沟壑区采煤沉陷对黄土坡面形态的影响及土壤侵蚀效应

如何破解煤炭开采与水土保持之间的矛盾是实现黄河中游生态环境保护与高质量发展的关键科学问题。以陕北黄土沟壑采煤沉陷区为研究对象,针对主采煤层典型地质赋存特征,以地下采厚(9、7、5 m)、地表黄土自然坡面坡形(直线坡、凹形坡、凸形坡、复合坡)及坡度(5°、15°、25°、35°、45°)为变量,共构建了60个数值模型,基于FLAC3D数值模拟软件,研究了黄土自然坡面形态及采厚耦合作用下坡面形态演变过程与规律,基于中国水土流失方程(CSLE模型)和经验模型,计算与分析了沉陷坡面土壤侵蚀效应。研究结果表明:(1)采煤沉陷会导致地表黄土坡面的坡度增大,且采厚越大,坡度增幅越大,大采厚对采煤沉陷导致地表黄土坡面坡度的增大会产生明显的放大效应。凹形坡普遍对沉陷坡面坡度的影响显著,特别是在“采厚5 m、自然坡度>5°”“采厚7 m、任意自然坡度”“采厚9 m、自然坡度≤35°”条件下。无论在何种采厚及自然坡形情况下,≤5°的自然坡度对沉陷坡面坡度增幅的影响均最大。(2)采煤沉陷会导致“年侵蚀降雨”尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M_(1)增大,且采厚越大,M1增幅越大;当采厚从5 m增大到9 m时,M_(1)增幅增大了1倍左右;4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M1的增幅影响最大;≤15°自然坡度对沉陷坡面的M1增幅影响较大,在“采厚9 m,凹形坡”条件下超过了20%。(3)采煤沉陷会导致“典型场次侵蚀降雨”尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M_(2)增大,且采厚越大,M_(2)增幅越大;当采厚从5 m增大到9 m时,M2增幅增大了1倍左右;4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M2的增幅影响最大;≤15°自然坡度对沉陷坡面的M2增幅影响较大,在“采厚9 m,凹形坡”条件下超过了17%。该结果可为陕北矿区乃至黄河流域中游的水土流失精准防控与高质量发展提供科学依据。

陕北不同地貌类型区采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响

深刻认识采煤沉陷的衍生生态损害效应已经成为当前修复西部煤矿区生态环境采动损害的关键基础科学问题和研究热点。掌握不同地貌类型单元采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响规律有利于西部采煤沉陷区的生态环境保护与修复。以陕北煤矿区榆树湾井田(风沙地貌)、柠条塔井田北翼(黄土地貌)的典型沉陷坡面土壤为研究对象,分别采集不同坡面部位(垂直深度为0~60 cm)的土壤样品,分别采用绝对定量PCR方法和酶标仪法测定土壤细菌、放线菌、真菌的数量和蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶的活性,细致分析土壤微生物数量和酶活性在沉陷坡面上的空间变化特征,综合土壤主要理化特性,揭示不同地貌类型下采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响规律。结果表明:(1)风沙地貌类型单元和黄土地貌类型单元的采煤沉陷都会导致沉陷坡面土壤微生物数量和酶活性显著降低,土壤微生物数量的降幅分别达到8.27%~42.39%和11.53%~45.95%,土壤酶活性的降幅分别达到6.52%~39.83%和9.09%~42.42%;随坡面部位由坡顶到坡中再到坡脚的转换,该效应对于土壤3种微生物和4种酶呈现出不同的变化特征;(2)黄土地貌类型单元的采煤沉陷对“坡中部位的0~10 cm土层+各类土壤微生物数量和酶活性”的降低效应最为显著,风沙地貌单元的采煤沉陷对“坡中部位的0~10 cm土层+土壤放线菌数量及蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性”“坡中部位的10~20 cm土层+土壤细菌、真菌数量”“坡中部位的20~40 cm土层+土壤过氧化氢酶活性”的降低效应最为显著,其可作为陕北采煤沉陷区坡面土壤微生物修复的靶向区域;(3)无论在风沙地貌类型单元还是黄土地貌类型单元,土壤真菌数量和脲酶活性对采煤沉陷最为敏感,其降幅分别达到23.28%~45.95%和22.78%~42.42%,二者可作为分析陕北矿区采煤沉陷损害土壤微生物特性的标志物;(4)无论在风沙沉陷坡面和黄土沉陷坡面,土壤中速效磷、有机质含量与土壤微生物和酶活性的相关系数最高,分别超过0.8和0.7,可作为采煤沉陷影响土壤微生物特性的关键指示性因素。

陕北采煤沉陷区黄土坡面形变与土壤侵蚀效应

为研究采煤沉陷区黄土坡面变形规律及水土流失情况,以陕北黄土采煤沉陷区地质条件为基础,地表黄土坡面4种典型自然坡形(直线坡、凹形坡、凸形坡、复合坡)和5种典型自然坡度(5°,15°,25°,35°,45°)为考察变量,采用有限差分数值模拟法,构建20个数值模型,模拟分析了在既定采矿条件下,采煤沉陷对地表黄土坡面形态的影响规律,基于数值模拟结果采用美国通用土壤流失方程计算坡面土壤侵蚀模数并分析其变化规律。结果表明:任意自然坡形和坡度下,采煤沉陷均会导致黄土坡面坡度增大,增幅为12.60%~3.57%,自然坡度为15°~35°时,凹形坡坡度增幅最明显;任意自然坡形和坡度下,采煤沉陷均会导致黄土自然坡面坡长减小,降幅为3.92%~12.11%,自然坡度为5°~35°时,凹形坡坡长降幅最明显;任意自然坡形和坡度下,采煤沉陷均会导致黄土坡面土壤侵蚀模数增大,增幅为2.70%~12.64%;自然坡度小于15°和等于35°的凸形坡、介于15°~25°的凹形坡土壤侵蚀模数对采煤沉陷最敏感。研究成果可为陕北采煤沉陷区水土流失防治提供科学指导。

陕北矿区不同矿源煤矸石混凝土抗压强度试验研究

煤矸石已成为我国排放量最大的工业固体废弃物之一。为促进煤矸石在土木工程中的资源化利用,该文以陕北矿区不同矿源煤矸石为粗骨料,设计48组不同配合比的煤矸石混凝土,浇筑720块立方体试块与288块棱柱体试块,研究陕北矿区煤矸石混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度与弹性模量。试验结果表明:受不同矿源煤矸石粗骨料材性差异的影响,在C15~C45强度内,煤矸石混凝土抗压强度越低,其强度标准差反而越大。建议对于陕北矿区煤矸石混凝土,当强度等级不高于C25时,其抗压强度标准差取6.0MPa;当强度等级在C30~C45时,其抗压强度标准差取5.0MPa。综合考虑了煤矸石含碳量、煤矸石取代率及水灰比对煤矸石混凝土抗压强度的影响,建立适用于陕北矿区煤矸石混凝土抗压强度的计算公式。此外,文中还分别给出煤矸石混凝土轴心抗压强度、弹性模量与立方体抗压强度之间的换算关系。

陕北煤矿区不同形态的采动地裂缝对土壤可蚀性的影响

黄河流域中游作为国家水土流失重点预防和治理区,解决其煤炭开采与水土保持间的矛盾对于矿区生态环境保护与高质量发展具有重要意义。以陕北柠条塔井田北翼采动地裂缝发育区内“平开式”、“台阶式”、“组合式”3种典型形态的采动地裂缝及其周边土壤(水平距离100 cm以内、垂直深度20 cm以浅)为研究对象,测定了土壤机械组成和有机质含量,基于EPIC模型计算了土壤可蚀性K值,分析了不同形态采动地裂缝影响下土壤机械组成和有机质质量分数的空间变化特征,解译了不同形态采动地裂缝在小空间尺度下的水土流失效应。结果表明:①“平开式”、“台阶式”、“组合式”3种形态的采动地裂缝均会导致其周围土壤黏粒质量分数、有机质质量分数明显下降和土壤可蚀性K值明显增大,土壤黏粒质量分数的平均降幅依次为21.50%、43.93%、58.70%(p<0.05),土壤有机质质量分数的平均降幅依次为45.72%、61.79%、78.66%(p<0.05),土壤可蚀性K值的平均增幅依次为12.49%、17.82%、32.35%(p<0.05),且均以水平负效应为主;②在相同水平距离及垂直深度下,“组合式”裂缝降低周围土壤黏粒质量分数、有机质质量分数和提升土壤可蚀性K值的能力显著高于“平开式”和“台阶式”,排序均为“组合式”>“台阶式”>“平开式”;③基于指数函数分别建立了3种形态采动地裂缝影响周围土壤可蚀性K值的作用范围预测模型,发现不同形态采动地裂缝提升周围土壤可蚀性的作用范围基本在155 cm以内,再结合差异显著性对比分析,明确了“平开式”、“台阶式”、“组合式”采动地裂缝提升周围土壤可蚀性的关键作用范围依次为40、60、100 cm以内,其可作为陕北矿区采动地裂缝小空间尺度下水土流失效应的精准防控靶区。

陕北煤炭基地矿山生态修复成效评估体系构建与实现

煤炭资源是中国陕北地区社会经济发展的重要支柱,科学谋划矿山生态修复工作是维护陕北地区生态安全与能源安全的关键途径,而矿山生态修复成效评估是其中必不可少的环节,用以展现当地生态环境治理和自然资源保护的效益。笔者立足于矿山生态修复工作流程,通过遥感监测、物联网站点监测、人工实地调查与采样手段,基于矿山生态环境多源监测数据,从生态效益、社会效益及经济效益3大类别、12项指标出发,构建适用于陕北煤炭基地矿山生态修复成效评估体系。利用遥感、大数据、云计算等信息化技术,搭建矿山生态修复监管平台,实现修复成效智能评估功能,旨在形成高效、合理的矿山生态修复成效评估体系,全面展现陕北煤炭基地矿山生态修复工作的综合效益,以期为矿山生态修复工程监管提供理论指导和技术支撑。

煤炭开采对水资源影响的定量识别——以陕北窟野河流域为例

陕北地区生态环境脆弱,大规模的煤炭开采又加速了水资源流失,但是很难定量计算其影响程度。以陕北窟野河流域为例,通过机理分析创造性地提出了将煤炭开采对区域内水资源的影响分为三部分:地下水静储量破坏、地下水动储量破坏和采空区积水,分别计算了各部分的水量;并采用邻近流域进行了流量对比分析。结果表明:窟野河流域煤炭开采造成的地下水静储量破坏值为1.38×10~8m^3,采空区形成2.72×10~8m^3的积水,2011年地下水动储量破坏达到了0.62×10~8m^3。以秃尾河流域作为参证流域,计算出窟野河1999-2013年平均还原流量为13.22 m^3·s^(-1),比实测径流量大2.28×10~8m^3。为了减少煤炭开采过程中水资源的损耗量,窟野河流域必须加大对采空区积水和矿井排水的综合利用。

陕北煤矿区采动地裂缝对土壤微生物和酶活性的影响

采动地裂缝作为黄河流域中游煤矿区重要的采动损害类型,影响土壤特性的规律和机理成为当前的研究热点。为了探究采动地裂缝对土壤微生物特性的影响,本试验以陕北煤矿区宽度为20~40 cm的采动地裂缝为研究对象,采集裂缝周围(水平距离60 cm以内、垂直深度60 cm以浅)土壤样品,分别采用绝对定量PCR方法和酶标仪法测定土壤细菌、放线菌、真菌的数量和蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶的活性,剖析土壤微生物和酶的空间变化特征,在此基础上结合土壤主要理化特性指标,解译采动地裂缝在小空间尺度上对土壤微生物和酶的影响规律。结果表明:①采动地裂缝对土壤微生物和酶活性的负效应主要表现为水平差异特征,且随着水平距离的增加而明显减弱,当水平距离分别超过75,79,91,72,82,89,96 cm时,采动地裂缝对土壤细菌、放线菌、真菌、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶的负影响基本消失,土壤微生物特性的损害主要集中在水平距离1 m以内,可作为陕北煤炭开采损害区土壤微生物精准修复的靶向区域;②采动地裂缝周围土壤中有机质、铵态氮、有效磷、有效钾、黏粒、含水率、pH的平均降幅依次为9.51%~28.46%,24.31%~29.31%,12.61%~19.86%,4.11%~6.51%,4.93%~6.46%,2.36%~4.26%,1.98%~3.14%,而土壤有机质、黏粒、铵态氮、有效磷等指标与土壤微生物数量、酶活性在小空间尺度上都存在高度的一致性,相关系数分别超过0.8和0.6,均达到极显著正相关水平(P<0.01),土壤有机质质量分数也应作为陕北煤矿区采动地裂缝影响土壤微生物和酶活性的重要指示性因素。越靠近采动地裂缝,土壤微生物和养分特性的自我恢复潜力越小,修复时应着重考虑人工方式,反之应着重考虑自然方式。

生态环境脆弱区煤炭资源开发诱发的环境地质问题——以陕西省神木县大柳塔煤矿区为例

为揭示大柳塔地区大规模煤炭资源开发诱发的生态环境地质问题及其效应,进行了1∶5万矿山地质环境调查。研究结果表明,大柳塔煤矿区地面塌陷影响面积达47.12～53.36km2,范围大,但对农业生产的影响较轻;煤矿开发对水资源的影响尤为严重;20年来大柳塔地区及主要采煤塌陷区土地沙漠化呈现逐年好转的趋势;主要河流受到了硫化物、氟化物、总磷的普遍污染,河流底泥受到了重金属元素较严重的累积污染;土壤尚有较大的重金属元素环境容量,但重金属元素的累积污染不容忽视。神东公司实施生态功能圈建设、煤矸石堆场复垦、露天采场复垦、矿井水综合利用等措施,明显地改善了矿区的生态环境,探索出生态环境脆弱区煤炭资源开发生态地质环境保护的新模式。依据该区煤炭资源开发中生态环境保护的成功经验与教训,应统筹规划,制定生态环境脆弱区煤炭资源开发的环境保护规划、建立矿山公园、加强采煤塌陷区生态环境变化研究等。

陕西省神木县地质灾害发育特征及防治建议

陕西省神木县近年来经济发展迅猛,但随着境内煤炭资源的开发利用和各类基础设施建设的加快发展,崩塌、滑坡、泥石流、矿区塌陷等地质灾害也愈发严重,对人民生命财产造成了巨大危害。笔者等在遥感图像解译和野外详细调查访问的基础上,查明了区内地质灾害类型、数量、规模及其时空展布规律,分析了各类地质灾害的主要形成条件。指出各类灾害中以煤矿开采及煤田自燃引起的矿区地面塌陷分布范围最广、危害最严重,其次是崩塌、滑坡,泥石流灾害仅局部发育。描述了重要灾点特征,提出了相应的防治建议。

区域煤炭资源安全绿色高效开采技术路线图研究——以陕西省为例

通过产业现状分析、目标凝炼、技术清单构建、关键技术与研发项目遴选、研发策略分析等步骤,采用文献资料分析、实地调研、专家研讨等方法,研究编制陕西省煤炭资源安全绿色高效开采关键技术路线图。该技术路线图能够在强化相关技术领域的预见和规划、优化创新资源配置、提高创新效率并降低创新风险产生重要的促进作用,对于实现陕西省煤炭产业健康可持续发展具有重要的现实意义,同时也对类似矿区具有良好的借鉴作用。

陕北高强度采煤对生态环境影响的研究进展

高强度采煤对生态环境影响显著。从高强度采煤对生态环境的影响、生态环境评价、生态补偿和生态恢复4个方面评述了陕北地区煤炭开采对生态环境影响的研究进展,可为陕北地区煤炭资源可持续开发与生态环境协调发展提供参考。

陕北煤矿区实践教学及创新人才培养功能探讨

人才培养是提升科技创新能力的基础,而实践教学是人才培养的必由之路。陕北煤矿区是我国重要的能源接续地,经过多年发展,已经跻身世界先进能源开发基地之列,集聚着最先进的采矿技术和装备,也是资源与环境矛盾较为尖锐的地区,有着培养创新人才得天独厚的优势。本文提出了建设旱区地下水与植被关系实习基地、110工法&N00工法实习基地、保水采煤实习基地、地下水库建设与运行管理实习基地、矿山地质环境及治理实习基地、矿山地下水监测实习基地6个实践教学基地的设想,对创新人才培养和保障企业人才储备具有重要的现实意义。

陕北煤炭资源回采率现状与对策研究

煤炭矿井回采率的高低,不仅关系到资源的节约利用,还关系到矿区环境保护问题。通过调查陕北9个生产矿井的煤炭资源回采率,发现其开采煤层均为中厚煤层和厚煤层,按照规定,矿井回采率最低应为75%,9个生产矿井全部没有达到75%的国家规定标准,其中矿井回采率最高的为68.7%,最低29.3%。分析原因,除客观条件(如煤层厚度)等因素外,生产单位珍惜资源的意识淡漠,监管缺位和管理制度缺陷都在很大程度上影响了回采率的提高。

陕北煤矿区矿井水资源化及综合利用研究

阐述了陕北煤矿区矿井水开发利用中存在的问题,分析了矿井水的水质特征,探讨了矿井水资源化的处理技术、综合利用途径以及进一步提高矿井水资源综合利用的措施。陕北煤矿区矿井水的资源化和综合利用具有显著的经济、社会和环境效益,是缓解其水资源用水矛盾、建立资源节约型矿区的必然选择。