西部高强度采煤区矿山地质灾害现状与防控技术

榆神府矿区是我国重要的原煤产地,高强度、大规模开采导致矿山地质灾害不断涌现。通过高分遥感结合地面调查研究了本区矿山地质灾害现状,结果表明:本区矿山地质灾害主要包括地面塌陷、地裂缝、矿震、地表水体缩减、地下水位下降、土地退化等。地面塌陷可划分为4个区,其中严重区与煤层开采强度相关性高;地裂缝分布空间维数在1.45~1.51,垂直工作面走向的裂缝多于顺工作面走向的裂缝;采空区塌陷引发地震46次,最大震级3.2级;水体灾害包括地表水体面积缩减和地下水位埋深下降,地下水位下降8 m以上的区域面积达33 km2;矸石压占对土地利用结构影响较大,但荒漠化程度总体上呈逆转趋势。开展矿山地质灾害防控技术研发,建立矿山地质灾害、地质环境监测体系,是矿山地质灾害防控的重点。

陕北榆神府矿区保水采煤工程地质条件研究

以煤田地质勘探资料为基础 ,结合野外工程地质测绘、原位测试和室内试验 ,分析总结了榆神府矿区与保水采煤相关的工程地质条件特点 ,进行了工程地质条件分区 ,在此基础上 ,初步讨论了不同工程地质区保水采煤的可能性 .

陕北榆神府矿区煤炭资源开发主要水工环问题及防治对策

分析了榆神府矿区煤炭资源开发所面临的主要水文、工程、环境地质问题。以水文工程地质条件研究为基础 ,给出了榆神府矿区土地沙漠化、水土流失和水环境受开采影响的预期结果。并提出了实现保水采煤的水工环技术方案和工程措施建议。

黄河中游榆神府矿区煤-岩-水-环特征及智能一体化技术

黄河中游榆神府矿区承担着能源保障和生态保护的双重战略重任,为了探索实现2者并举的途径,基于520余个钻孔地层数据,将采煤与矿区生态环境看作一个整体,采用基岩煤层厚度比与裂采比对比的方法,研究了榆神府矿区煤-岩-水-环的空间组合特征及采煤对生态损伤机理;依据煤-岩-水耦合作用对生态扰动方式,划分出厚基岩保水盐渍型、中厚基岩控水沉降型、薄基岩失水塌陷型、薄基岩无水裂塌型、烧变岩失水裂塌型、烧变岩无水裂塌型6种类型;针对矿区内日益增加的高强度开采与矿区生态本底脆弱并存的局面,根据采煤对生态的扰动机理和减损开采目标,指出如何应用信息技术实现生态扰动最小化和煤炭资源开采效益最大化协调发展是当前亟待解决的技术问题;提出研发采煤-覆岩-地下水-生态环境智能一体化系统的目标架构、技术思路和面临的技术难题。结果显示:中东部是生态对采煤扰动的敏感区;采煤对生态损伤的方式有地表下沉,潜水位下降与相对上升引起的植被退化、土地盐渍化;浅埋煤层开采引起地表裂缝塌陷破坏土壤结构和包气带水并损伤植被根系;黄土梁峁地貌区地表移动变形诱发滑坡切断植物根系。指出有必要根据不同破坏方式建立不同的评价指标体系及预测模型,并构建大数据驱动的透明动态地质模型,实时展示开采损害的动态智能监测与预报预警,为采煤过程中对生态潜水和生态环境实施有效保护提供地质保障。

榆神府覆沙矿区采煤塌陷地表层土壤理化性质演变

以榆神府覆沙矿区采煤塌陷地表层土壤为研究对象,运用野外调查取样和实验室分析检测方法,研究不同采煤塌陷年限下(1、2、5、10 a和未塌陷区)土壤理化性质演变特征,探讨采煤塌陷过程中土壤理化性质的响应及其机制。结果表明:(1)与未塌陷地相比,采煤引起地表塌陷初期(1~2 a)土壤体积质量、硬度、黏粒含量、含水量、有机质、速效氮、速效钾、有效磷、全磷和全钾含量均有显著减小,而土壤孔隙度、p H和沙粒含量增加,全氮含量变化不明显,土壤质量总体表现出一定的退化趋势;(2)塌陷区自然恢复条件下上述土壤指标在塌陷5 a后呈现出改善的趋势,其中土壤物理性质、全效养分和土壤水分指标恢复较快,在塌陷10 a后即可恢复至塌陷前水平;但土壤速效养分、p H和有机质经过10 a的土壤自修复仍未完全恢复,采煤塌陷对土壤质量的损害具有一定延续性。(3)采煤塌陷后土壤质量演变过程分析表明,自然恢复条件下塌陷区土壤大体经过3个演替阶段,即退化期(塌陷后1~2 a)→改善期(塌陷后5 a)→部分恢复期(塌陷后10 a)。

榆神府煤矿区地质生态环境综合评价

通过分析各种地理、地质背景和条件参数、各地质环境因素之间的联系 ,以及在对它们作综合评价的基础上 ,提出了榆神府矿区煤炭资源、水资源和生态环境综合评价的定量研究方法 ,其评价结果正确、可靠。

榆神府矿区覆岩协调沉降开采技术

为研究协调沉降开采中覆盖层的运动破坏规律和导水裂隙发展规律,确定榆神府覆岩协调沉降开采参数,采用相似材料模拟实验研究和煤柱稳定性理论进行分析.模拟实验表明,在覆岩协调沉降开采中,充填煤柱的逐渐失稳使采空区上覆岩层产生协调沉降运动,上覆岩土层进入裂隙带或弯曲下沉带,阻止了导水裂隙带的发展,保护了隔水层的稳定.理论分析表明,所确定的充填煤柱能够适时失稳,支撑煤柱能够保持永久稳定,到达了覆岩破坏协调沉降目的.现场开采实践证明开采参数确定合理.

基于灰色关联度的开采沉陷关键影响因子分析

根据陕西榆神府矿区15个典型矿点的煤炭地质赋存条件和开采设计方案以及地表岩移观测数据,采用灰色关联分析法研究了地表最大下沉系数与其影响因素之间的关系。按照灰色关联度大于或等于0.70的原则,确定覆岩综合普氏硬度、扰动系数、深厚比、采高、覆岩岩层厚度、覆岩土层厚度为榆神府矿区开采沉陷关键影响因子,为该矿区的开采沉陷损害控制和评价提供科学依据。

基于保水采煤的煤炭开采带与泉带错位规划问题

榆神府矿区2017年原煤产量达到4.00亿t,是我国西部最重要的煤炭产区,矿区地下水资源相对贫乏,具有供水和生态双重价值的含水层为第四系萨拉乌苏组含水层和侏罗系烧变岩含水层,含水层位于煤层之上,矿区中东部、东南部煤层埋藏浅,煤炭开采对含水层扰动强烈,并造成了部分含(隔)水层结构损伤,隔水层的隔水性丧失,含水层地下水渗漏,造成地下水位下降,部分泉干涸。调查发现,目前的煤炭开采主要集中于泉密集分布的窟野河、秃尾河沿岸的北东向条带内,这一条带既是泉带,也是煤炭开采带,二者的重叠,无疑加剧了煤炭开采对泉的扰动。为了保护泉及生态环境,通过煤炭对地下水的影响机理分析,提出煤炭开采带西移东进的建议,认为西部煤炭资源埋藏深度大,煤层开采形成的导水裂隙带无法导通至第四系萨拉乌苏组含水层,东部第四系含水层富水性弱-极弱,属无水开采区。错位规划后,煤炭开采带内煤层埋藏深度适中区,普遍推广保水采煤技术;浅埋、极浅埋煤层区,推广地下水库技术,并加大水资源生态利用;对于不能推广保水采煤技术和水资源综合利用的矿井,可采取有偿异地置换的模式,根本上解决泉带破坏问题。为统筹布局泉带与煤炭经济带的错位布设,建议加大榆神矿区三、四期规划区的地下水监测密度,进一步完善区内地下水监测网。

西部生态脆弱矿区地下水对高强度采煤的响应

为研究榆神府矿区高强度煤层开采对地下水的影响,分析潜水位下降与煤层开采强度的关系,通过资料收集和实地调查两种方法,获取了矿区煤炭资源大规模开采前(1995年)地下水位和煤炭开采后(2014年)地下水位,2者叠加后求取了地下水位变化幅度,并与开采强度分区进行耦合,分析地下水位变化与开采强度的关系。研究区73.0%的区域地下水位未发生明显变化,但有7.3%区域地下水位下降幅度超过8 m,尽管比例小,但面积达758.9 km2,对区域地下水均衡产生了较大影响;高开采强度开采是矿区地下水位下降的主要驱动因素,71.5%的水位明显下降区(>8 m)是由高强煤层开采导致的。导水裂隙带和含水层特征是煤层开采过程中控制地下水位变化幅度和范围的关键所在。高强度煤层开采区必须推行保水采煤技术才能达到资源与环境和谐发展的目的。

榆神府矿区典型河流径流量变化特征分析

应用径流量历时曲线、累积距平曲线、MK曲线、降雨量-径流量双累积曲线等方法对榆神府矿区典型河流秃尾河及窟野河年径流量变化特征进行分析。结果表明:秃尾河、窟野河径流量年内分配不均,丰水期集中在每年的3-4月份和7-8月份。1961-2013年间3-4月径流量占全年的比例变化不大,7-8月径流量占全年的比例逐步减小,减小幅度为7%、18%;年径流量表现出显著的下降趋势,降雨量呈不显著下降趋势;秃尾河及窟野河径流量在1979年和1992年具有显著突变点,原因是受人类活动影响开始显著,且影响程度随时间呈上升趋势;虽然窟野河径流量受人类活动影响开始的时间晚于秃尾河,但其受人类活动影响的程度明显高于秃尾河(分别为56%和30%)。结合海流兔河(无煤炭开采)径流量变化特征及煤炭资源开发状况,间接证明了高强度煤炭资源开采是河川径流量减少的关键因素。

神府榆矿区地表水化学特征及水环境质量评价

基于研究区地质、水文地质条件,结合水样检测结果,利用piper三线图、Gibbs图及数理统计等方法,研究了神府榆矿区主要地表水的水化学阴阳离子(K+、Na+、Ca^(2+)、Mg^(2+)、HCO_3^-、SO_4^(2-)、Cl^-)的特征及重金属元素(Pb、Cd、As、Mn、Cr^(6+))、有机物(CODCr、TOC、UV254)的空间分布特征,并采用单因子评价法和梅罗指数综合评价法评价水环境质量。结果表明研究区地表水水质类型总体上表现为低矿化度的HCO_3·SO_4-Ca·Na或HCO_3-Ca·Mg型水,但是窟野河的水质类型多以SO_4·HCO_3(Cl)-Na为主,矿化度最高可达1037.5mg/L。水化学成分不但受岩石风化、蒸发结晶等自然因素的影响,而且人类活动已经逐渐成为影响该区域地表水化学特征的主要因素,其中窟野河受人类活动的影响最大。全区重金属及有机物浓度相对较低,但是窟野河中的CODCr浓度远超过相关标准。神府榆矿区地表水水质总体较差,窟野河水质相对最差,其中窟野河污染主要由F-、TDS及CODCr超标引起,秃尾河、榆溪河和无定河污染主要由NO-3引起。