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。

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。

陕北煤矿区地表水环境评价与水矿捆绑模式研究

为解决陕北煤矿区的经济发展与水环境关系问题,更好地保护矿区生态和环境。通过对陕北主要煤矿区地表水环境的实际监测和对历年水文数据分析,依据国家《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》和内梅罗水质指数法进行了地表水环境安全评价。结果表明:(1)陕北煤矿区的窟野河、窟野河人工湖、秃尾河、榆溪河、中营盘水库和红碱淖的水均为Ⅴ类水质;(2)陕北煤矿区地表水量呈减少趋势,尤其是煤炭工业发展以来地表水量减少速度加快。针对陕北煤矿区的水环境问题,提出了能解决经济发展与水环境关系的"水矿捆绑"发展模式,介绍了其具体实施流程,并对该模式的优势及不足之处进行了评价。

黄土沉陷坡面土壤机械组成的空间变化特征及对土壤侵蚀的影响

以黄河中游煤矿区陕北张家峁井田黄土沉陷坡面土壤为研究对象,通过室外采样、室内数理分析的方法,测定了土壤砂粒、粉粒、黏粒的含量,分析了土壤机械组成的空间变化特征及对土壤侵蚀的影响。结果表明:黄土沉陷坡面土壤砂粒及黏粒含量在不同坡面部位及不同土层垂直深度上均存在明显差异,且因土层垂直深度和坡面部位不同而表现出不同的空间变化特征与规律;粉粒含量在不同土层垂直深度及不同部位上的差异均不显著。其中,坡中10~60 cm、0~20 cm土层土壤应分别作为砂粒及粉粒、黏粒的重点改良修复部位。

黄河流域陕北煤矿区采动地裂缝对土壤可蚀性的影响

黄河流域中游既是我国煤炭资源富集区,也是国家级水土流失防治的重点区,掌握煤炭采动损害产生的水土流失效应有利于实现煤矿区生态环境保护与高质量发展。以陕北柠条塔煤矿北翼开采损害区内采动地裂缝为研究对象,分别采集宽度为0~20,20~40,40~60 cm地裂缝周围(水平距离80 cm以内、垂直深度20 cm以浅)土壤,利用MS2000激光粒度仪和总有机碳分析仪分别测定土壤机械组成和有机质质量分数,基于EPIC模型计算土壤可蚀性K值,剖析土壤机械组成和有机质质量分数的空间变化特征,解译小空间尺度下采动地裂缝的水土流失效应。结果表明:①采动地裂缝会降低周围土壤的黏粒质量分数,平均降幅为17.06%~32.66%,当裂缝宽度<20 cm时,该作用主要表现为水平负效应,且随着水平距离的增加而减弱,当裂缝宽度>20 cm时,该作用主要表现为垂直负效应,且随着垂直深度的增加而增强;②采动地裂缝会降低周围土壤的有机质质量分数,平均降幅为32.16%~54.01%,且随着裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强;③采动地裂缝会增大周围土壤的可蚀性,分化土层间的抗侵蚀能力,且裂缝宽度越大、水平距离越小,该作用越明显,土壤可蚀性的增大主要集中在水平距离83 cm以内,可作为陕北煤炭开采损害区水土流失精准防控的靶向区域;④采动地裂缝周围土壤可蚀性K值与土壤黏粒、有机质质量分数在小空间尺度上存在高度的一致性,相关系数分别为-0.569,-0.757,均达到极显著负相关水平(P<0.01),这与采动地裂缝显著改变土壤孔性,损伤植物根系性状和微生物活性密切相关。越靠近采动地裂缝,土壤潜在侵蚀能力越高,抗侵蚀能力越差,应着重考虑人工措施,反之应着重考虑自然措施,从而为黄河流域中游煤矿区水土流失精准防控和生态环境保护提供科学依据。

陕北矿区地下水资源地面瞬变电磁法探查实践

黄河流域中上游煤炭资源的大规模开发已造成生态环境的持续恶化,掌握煤炭开采对地下水环境的影响规律有助于实现煤炭资源开发与生态环境保护协调发展,采用瞬变电磁方法探测地下水的赋存特征是其中的一项重点研究内容。以陕北煤矿区直罗组和延安组2个目标含水地层的地下水资源为研究对象,基于钻孔地质剖面和视电阻率测井曲线,构建了研究区主采煤层上覆地层的正常和异常地电模型。通过地面瞬变电磁一维正演模拟,获得了不同地电模型条件下的感应电压和全程视电阻率曲线,分析了各模型对应的瞬变电磁场响应数据之间的差异性,其结果表明目标含水层在不同富水条件下具有不同的瞬变电磁场响应特征,0.0001~0.0100 s是瞬变电磁场对不同目标含水层进行分辨的有效观测时间,从理论上确定了利用瞬变电磁法进行目标含水层富水性探测的可行性。现场探测试验进一步给出了适用于研究区的瞬变电磁观测参数,获得了目标含水层的电性参数分布特征,基于统计学原理确定直罗组和延安组含水层的电性异常判别阈值分别为34Ω·m和48Ω·m。以此为依据,揭示了直罗组和延安组地层的地下水赋存特征,总体上判定前者裂隙相对发育,具有较强富水性,后者岩层相对完整,具有弱富水性。最后,针对煤炭开采对地下水环境的影响规律研究,指出了后续瞬变电磁探测工作重点以及相关影响因素。

黄河中游煤矿区沉陷黄土坡面土壤 养分空间变化规律研究

为了解决煤炭开采沉陷土壤养分损害及修复问题,通过室内外实验和数据分析等方法,以黄河中游煤矿区陕北张家峁井田沉陷黄土坡面土壤为研究对象,分析土壤养分空间变化特征与规律。研究结果表明,沉陷坡面土壤的有机质、铵态氮、速效钾含量在不同坡面、不同土层垂直深度存在明显差异,且呈现出不同的空间变化规律,但速效磷含量差异不明显;开采沉陷会造成土壤有机质、铵态氮、速效磷等养分全坡面性的损失,速效钾局部性损失和富集;在沉陷坡面修复过程中,坡顶和坡中土壤的养分最为贫瘠,应以人工修复为主,而坡脚土壤养分较丰富,应以自然恢复为主;坡顶20~40 cm土层、坡脚0~10 cm土层、坡中40~60 cm土层、全坡面0~10 cm土层应依次作为沉陷坡面土壤有机质、铵态氮、速效磷、速效钾修复的重点部位。

柠条塔矿区土地复垦研究

为了加强西部土地生态利用与管理,推进黄河流域煤矿区土地合理利用,对柠条塔矿区的土地损毁情况和复垦范围展开研究。从矿区自然环境角度出发,综合考虑矿区土地复垦特征和损毁形式,确定塌陷破坏土地、煤矸石和表土场压占土地以及部分取土场、道路挖损土地三种损毁形式;矿区沉陷损毁土地面积广、损毁类型多样、损毁程度严重,压占损毁土地分布集中、负荷大等特征。确定复垦责任范围总面积为8068.02hm^(2)。划分了土地评价单元,并采用指数法对矿区内沉陷地和裂缝地进行适宜性评价,结合其主要评价因子,确定沉陷地更适宜复垦为林地、草地,复垦措施为土壤重构工程、植被重建工程、监测与管护。

不同地貌条件下采煤地表裂缝发育规律

陕北煤炭大规模开采形成大量地表裂缝,直接对生态环境影响显著。以陕北典型地貌条件为研究背景,在选定典型工作面的基础上,开展不同采煤地表裂缝的野外地质调查、统计分析研究,对比不同地貌条件下采煤地表裂缝发育特征。研究结果表明,黄土沟壑区与风沙滩地区采煤地裂缝类型一致,均包括边界裂缝和平行裂缝。其中,平行裂缝风沙滩区有明显的充填弥合现象,黄土沟壑区弥合现象不显著。此外,黄土沟壑区平行裂缝展布不均匀,受黄土沟壑地貌影响显著。黄土沟壑区平均裂隙宽度为0.21m,而风沙滩区更小,平均裂隙宽度为0.10m。研究成果能够为陕北不同地貌条件采煤塌陷区治理提供关键参数。

陕北矿区煤层稳定性及环境治理技术研究

在煤矿开采过程中,常因地质因素导致开采难度较大,同时煤矿的开采又对生态环境造成了污染,因此,本文针对陕北矿区煤层稳定性及环境治理技术进行研究。本文以陕北榆林市某煤矿作为研究对象,采用定性评价方法对该区域的可采煤层进行稳定性评价;为提升评价结果的客观性,进一步使用定量评价方法对煤层稳定性进行评价,计算煤层的平均厚度、可采指数、变异系数和变概比指标结果,由此得到煤层的稳定性评价结果。通过分析评估结果可以发现,该煤矿的5号煤层和3^(-2)号煤层属于稳定性煤层,而4号煤层属于较稳定煤层,该煤矿的开采前景良好。针对研究区域存在的水污染、生态污染、固体材料污染等情况,提出污水处理、生态种植、矸石处理等方面的治理技术,合理治理该研究区域由于煤矿开采造成的环境污染。通过本文研究以期为煤层稳定性和矿区生态环境保护研究提供一定的理论支撑。

陕北矿区不同土地类型下土壤重金属污染评价

通过对陕西北部矿区4种土地类型(草地、农田、道路、矿区)中8种重金属元素(Cd、Cu、Cr、Hg、Ni、Pb、As、Zn)含量的测定,结合毗邻区土壤重金属背景值,对矿区不同土地利用类型的土壤重金属污染程度和综合潜在生态风险危害进行评价。结果表明:1)研究区土壤Hg和Cd元素累积明显,其余6种重金属虽未超过GB15618—1995《土壤环境质量标准》二级标准,但已呈现出一定的累积效应;2)4种土地利用类型下Hg和Cd元素分担率高达93%以上,单项污染指数达到重度污染水平,其余6种重金属元素分担率相对较低,单项污染指数表现为清洁水平,综合污染指数计算表明,4种土地利用类型均表现为重污染;3)综合潜在生态风险指数计算表明,草地处于重度风险等级,其余3种土地类型均为严重风险等级。