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...     

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...     

高潜水位矿区不同土地利用方式下复垦土壤颗粒与分形特征

以徐州市柳新镇高潜水位采煤塌陷区林地、稻麦轮作、棉豆轮作复垦地为研究对象,并与相同利用方式的未塌陷地（林地、稻麦轮作、棉豆轮作）进行对比,分析了不同土地利用方式下复垦土壤的团聚体稳定性、颗粒分布、分形维数以及土壤容重、紧实度、孔隙度的变化特征,探讨了不同土地利用方式对复垦土壤的影响。结果表明：①在0~20 cm土层深度,与相同利用方式的未塌陷地相比,塌陷区复垦土壤耕作层的土壤黏粒、粗黏粒含量明显降低;与未利用的塌陷地相比,塌陷区复垦土壤的黏粒、粗黏粒含量均有所升高,其中以稻麦轮作地表层土壤的黏粒、粗黏粒含量最高;②不同土地利用方式对复垦土壤的团聚体结构性状均具有不同程度的改善作用,即直径大于0.25 mm 的湿团聚体数量、湿团聚体平均质量直径增大,团聚体破坏率下降,稳定性增强,其中,稻麦轮作方式对复垦土壤团聚体结构的改善效果较好;③复垦土壤颗粒分布、分形维数、直径大于0.25 mm 的湿团聚体数量、湿团聚体平均质量直径、团聚体破坏率及土壤容重、紧实度、孔隙度之间存在密切联系,土壤分形维数对土壤团聚体结构及其稳定性具有良好的指示作用。上述分析结果对于进一步制定高潜水位采煤塌陷区复垦土壤质量恢复措施有一定的参考价值。     

陕北采煤沉陷区不同沉陷年限黄土坡面土壤可蚀性的变化规律

土壤可蚀性不仅可以定量刻画土壤自身抗侵蚀能力,还能反映人类活动产生的水土流失效应,研究煤炭采动损害对土壤可蚀性的影响有利于煤矿区生态环境保护.以陕北煤矿区沉陷年限分别为1～5、6～10 a的典型沉陷坡面土壤(垂直深度20 cm以浅)为研究对象,分别用MS2000激光粒度仪和总有机碳分析仪测定了土壤机械组成和有机质含量,...     

生态脆弱矿区地表裂缝动态变化对土壤含水量的影响

针对我国西部生态脆弱煤矿区煤炭开采对土地生态环境的损害问题,以陕北生态脆弱矿区某矿为研究区,采用土壤水分速测仪(TDR)现场实测、统计分析相结合的方法,基于已有研究成果,研究分析采空区上方表层土壤含水量的变化与地表采煤沉陷动态地裂缝动态发育规律的关系。结果表明:采空区上方表层土壤含水量的变化与地表动态地裂缝的动态发育规律基本一致,当地表裂缝开始出现并开裂时,裂缝周围表层土壤含水量逐渐减少;当裂缝初次闭合时,表层土壤含水量也随之有小幅度回升;当裂缝再次开裂时,表层含水量也随之下降;随着工作面推进,后方裂缝闭合,表层土壤含水量也随之上升,且动态裂缝对表层土壤含水量有一定的影响范围,影响距离70 cm左右,距离地裂缝距离越近,表层含水量变化越明显,当距离超过70 cm时,表层土壤含水量基本不再变化。采动地裂缝对周围土壤含水量具有一定影响周期,且影响周期与动态地裂缝发育周期基本一致,土壤水分的变化与采动地裂缝的发育过程紧密相关,发现采动地裂缝的开裂与闭合对土壤微结构造成影响,进而影响土壤水分的蒸发与渗透,当采动地裂缝闭合后,土壤含水量将逐步恢复至采前水平。该研究具有开采工作面小尺度精细研究的特征,有助于生态脆弱矿区煤炭开采对土地生态的影响机制研究。     

采煤沉陷对土壤团聚体及其有机碳的影响

为了更好地了解采煤沉陷坡地土壤结构及其有机碳库的变化特征,以典型的焦煤集团九里山矿采煤沉陷坡地为研究对象,分析了采煤沉陷坡地不同坡位土壤团聚体的组成及其有机碳的空间分布特征。结果表明：采煤沉陷坡地大团聚体含量自坡顶至坡底不断下降,微团聚体含量不断增加,土壤结构和稳定性自坡顶至坡下越来越差,在坡底则有所好转。采煤沉陷坡地不同坡位＜0.25 mm 土壤团聚体有机碳含量最高,各粒级土壤团聚体有机碳含量自坡顶至坡下不断减少,在坡底则有所增加。采煤沉陷坡地土壤有机碳含量自坡顶至坡下不断减少而在坡底显著增加。采煤沉陷减少了不同坡位＞5 mm土壤团聚体有机碳储量,增加了不同坡位＜0.25 mm土壤团聚体有机碳储量,但对0.25~2 mm、2~5 mm土壤团聚体有机碳储量的影响没有明显规律性。采煤沉陷坡地坡顶、坡上、坡中、坡下土壤有机碳储量显著低于正常农田,分别比未塌陷地土壤有机碳储量减少了8.19 t/hm2、8.21 t/hm2、9.11 t/hm2、11.34 t/hm2,煤炭开采引起的采煤沉陷对土壤有机碳库造成了不同程度的损失,并在一定程度上加剧了温室效应。     

采煤沉陷对土壤团聚体及其有机碳的影响

为了更好地了解采煤沉陷坡地土壤结构及其有机碳库的变化特征,以典型的焦煤集团九里山矿采煤沉陷坡地为研究对象,分析了采煤沉陷坡地不同坡位土壤团聚体的组成及其有机碳的空间分布特征。结果表明：采煤沉陷坡地大团聚体含量自坡顶至坡底不断下降,微团聚体含量不断增加,土壤结构和稳定性自坡顶至坡下越来越差,在坡底则有所好转。采煤沉陷坡地不同坡位＜0.25 mm 土壤团聚体有机碳含量最高,各粒级土壤团聚体有机碳含量自坡顶至坡下不断减少,在坡底则有所增加。采煤沉陷坡地土壤有机碳含量自坡顶至坡下不断减少而在坡底显著增加。采煤沉陷减少了不同坡位＞5 mm土壤团聚体有机碳储量,增加了不同坡位＜0.25 mm土壤团聚体有机碳储量,但对0.25~2 mm、2~5 mm土壤团聚体有机碳储量的影响没有明显规律性。采煤沉陷坡地坡顶、坡上、坡中、坡下土壤有机碳储量显著低于正常农田,分别比未塌陷地土壤有机碳储量减少了8.19 t/hm2、8.21 t/hm2、9.11 t/hm2、11.34 t/hm2,煤炭开采引起的采煤沉陷对土壤有机碳库造成了不同程度的损失,并在一定程度上加剧了温室效应。     

火烧蚀变岩和火烧高变质煤试样抗剪强度指标测定实验研究

煤岩抗剪强度指标是进行岩土体稳定性分析的基础,而以往对于火烧蚀变岩和火烧高变质煤岩抗剪强度方面的资料并不全面。以新疆别斯库都克露天煤矿火烧区为例,对火烧区及采场岩土体进行取样,进行火烧蚀变岩和火烧高变质煤的抗剪强度实验研究,获得不同煤岩剪切应力曲线和抗剪强度关系曲线,为新疆别斯库都克露天煤矿火烧区边坡的稳定分析提供科学依据。     

神南矿区采煤沉陷裂缝对土壤表层含水量的影响

为探究西部风沙区采煤沉陷裂缝对土壤表层含水量(0～20 cm)的影响,以神南柠条塔煤矿某工作面为研究区,使用时域反射仪(TDR)对动态裂缝以及不同宽度的地裂缝进行了土壤的水分含量监测,结果表明：(1)在动态裂缝整个发育周期内,裂缝周边表层含水量呈现处一个先快速下降后缓慢上升的趋势,且相对出塌陷侧的含水量损失量小于相对出露侧;且裂缝相对塌陷侧含水量及含水量恢复速度稍大于相对露出侧;在裂缝相对出露侧的土壤含水量受影响范围在85 cm内,影响周期为13 d;在裂缝相对塌陷侧的土壤含水量受影响范围在55 cm内,影响周期为12 d;在土壤自修复的作用下,土壤的含水量都可以得到基本的恢复;(2)对超充分采动区内不同裂缝宽度条件下(2、5、9、13、17、24、32、35、38 mm)的土壤含水量进行对比分析,发现在宽2、5 mm的裂缝对土壤含水量无显著影响,9 mm及以上的裂缝中,当裂缝宽度相同时,距离裂缝位置越远,土壤含水量越高;在距离裂缝相等时,裂缝宽度越大,土壤含水量越低。     

风沙区超大工作面开采土地损伤的演变与自修复特征

为揭示超大工作面开采过程中土地损伤的演变规律,以神东矿区的部分典型工作面为研究对象,建立了土地生态环境观测方法,发现地表移动变形、地裂缝以及土壤物理性质等关键要素具有一定的修复能力:① 与传统开采方式对比,超大工作面快速开采条件下,地表的移动变形和下沉总量没有变化,地表的下沉速度明显增大,地表受采动影响的时间缩短50%左右,相对均匀沉陷区的面积一次性达到78%,有效地促进了采后地形向采前状态的自修复;② 地裂缝存在明显的“分区”特性,动态地裂缝扩展程度较弱并快速闭合,发育周期与采矿地质条件有函数关系;边缘地裂缝以“O”型圈分布于开采边界,裂缝角呈近似垂直角,分布范围明显减小,也表现出较强的自修复能力;③ 土壤物理性质的变化与地表移动变形以及地裂缝的分区特征基本吻合,均匀沉陷区的土壤物理性质在采动1 a后趋于采前水平,而非均匀沉陷区由于边缘地裂缝的存在,暂无自然修复现象,需要辅助人工治理。     

黄土沟壑区特厚煤层开采地裂缝发育规律研究

黄土沟壑区特厚煤层开采易产生地裂缝,加剧生态环境破坏,危及矿区安全。本文以山西省某矿区104工作面为研究背景,结合现场调查、数值模拟和理论分析等方法,研究了采动地裂缝静态分布特征、动态演化规律及其形成机理。研究表明:地裂缝分为拉伸型、台阶型2种类型与分叉、平行2种组合方式。宽度0～5 cm的裂缝数量占52%,宽度5～10 cm的裂缝数量占28%,宽度10～15 cm的裂缝数量占14%,宽度大于15 cm的裂缝数量占6%,黄土沟壑区采动地裂缝发育程度更强;根据地裂缝分布位置,可以分为动态面内裂缝(工作面内且与开切眼基本平行)及永久边界裂缝(开切眼、停采线及平巷附近)2种类型。动态面内裂缝具有“山峰”活动规律,裂缝宽度呈现“先开后合再稳定”的变化特征,永久边界裂缝宽度呈现“只开不和”的变化特征,裂缝初始宽度与最大宽度满足线性正相关关系;地裂缝的形成是由下至上的动态发育过程,即“采煤—覆岩移动—地表变形—产生地裂缝”。通过构建“井下开采—覆岩移动—地裂缝产生”三维一体模型和地裂缝动态发育模型,定性分析了地裂缝的活动机理。研究成果对黄土沟壑区生态环境修复及采动损害防护具有重要参考价值。     

堰塞湖下特厚煤层综放开采安全性及采动影响研究

针对彬长矿区火石咀煤矿七采区地表堰塞湖下特厚煤层综放安全开采问题,采用现场实测、工程类比等方法研究分析了特厚煤层综放导水裂缝带发育高度,验算了水体下采煤防水煤岩柱尺寸,并类比开采案例分析了堰塞湖下采煤安全性。采用概率积分法计算了堰塞湖地表沉陷变形,预测了湿陷性黄土开采地表裂缝极限发育深度和采动扰动坡体稳定性。研究结果表明:彬长矿区特厚煤层综放导水裂缝带发育异常剧烈,裂采比达到20倍;堰塞湖下煤层顶板基岩厚度远大于所需安全防水煤岩柱尺寸,采取合理的技术措施可以实现地表水下安全开采;地表沉陷不会使堰塞湖淹没面积大幅增加。目前堰塞体稳定性良好,短期不会出现湖水漫坝情况。预测地裂缝最大发育深度达12.8 m,受地形影响堰塞体及湖底地裂缝发育受到抑制,不会导致堰塞湖水体渗漏。采动影响会扰动地表特别是东侧塬体的稳定性,地表沉陷和地裂缝会对临空坡体的崩落滑坡产生促进作用。     

小纪汗煤矿抗采动变形试验房变形规律研究

为了检验建筑物的抗采动安全性,小纪汗煤矿在11201工作面采动影响区修建抗变形结构试验房,并在试验房和附近地表布置建筑物变形观测点,进行变形观测。试验房经历了地表移动变形的全过程,保持完好。对观测数据进行总结、分析,研究试验房的变形规律,结果表明:按照该抗变形标准修建的建筑物至少可以抵抗最大下沉量1 500 mm、倾斜7.7 mm/m、水平拉伸变形量10.15 mm/m和水平压缩变形量-9.15 mm/m的变形,此次抗变形试验的结果可由11201工作面推广至首采盘区乃至整个井田,并在实践中不断完善,可以使该矿达到不搬迁开采的目的,并在陕北地区进行推广。     

煤矿开采损伤数值模拟量化表征与应用

地表岩土层沉陷和生态损伤是采动损伤的主要表现形式,量化表征采动损伤是分析围岩稳定性、设计开采工艺参数和巷道支护参数的前提。本文根据现阶段常用的有限元和离散元模拟方法,提出并定义了损伤度概念,作为表征开采损伤的量化指标,即单元体塑性体积占比和接触断裂长度(个数)占比;利用损伤度量化指标优化了西部矿区高强度开采参数,分析了采动水浸条件下区段煤柱的稳定性和充水断裂构造区域巷道围岩的渐进损伤特征,获得了覆岩损伤度与工作面长度和推进速度的量化关系,可以实现开采参数的合理优化;揭示了区段煤柱采动水浸的渐进损伤特征,认为现有煤柱条件下采空区作为蓄水区域存在渗水危险;量化了充水断裂构造区域巷道围岩损伤分布特征,提出了疏放断层贯通顶板含水层+原有断层裂隙注浆加固+加强支护的解决措施。与导水裂隙带高度、煤柱塑性区发育宽度等常用损伤指标进行对比,损伤度量化指标对于采动损伤表征的敏感度更高,能够实现连续性采动损伤表征。     

黄土丘陵区高压输电线塔下压煤安全开采

晋西黄土丘陵地区地形复杂,冲沟发育,黄土层地表受煤炭开采影响后地表移动变形剧烈,地表移动变形十分复杂,容易引发地裂缝、崩塌、滑坡等地质灾害。为确保地面高压输电线塔安全使用,通过对黄土丘陵区地表采动变形及损坏特征及地表高压输电线塔抗采动变形能力分析,文中提出了高压输电线塔保护性开采方案,并对高压线塔采取安全保护措施,实践表明采后未影响高压线塔的安全使用。     

黄土区露天煤矿排土场复垦初期土壤颗粒组成空间变异分析

土壤重构的好坏直接关系到黄土区露天煤矿排土场植被的恢复状况,研究排土场复垦后的土壤特性对排土场生态的恢复有很重要的作用。本文以黄土区露天煤矿排土场复垦区为研究对象,采用传统统计学和地统计学相结合的方法,以半方差函数为基本工具,应用Arcgis地统计模块研究了0~40cm复垦初期土壤颗粒的空间变异规律,并运用普通克里格法(Ordinary Kriging)进行最优无偏线性插值,制作了不同粒径土壤颗粒含量的空间分布图。结果表明:1在复垦初期0~20cm和20~40cm不同粒径土壤颗粒组成特点比较类似,均以粉粒平均含量最高,沙粒平均含量居中,而黏粒平均含量最低,各粒径土壤具有中等偏弱的变异性;2通过半方差函数的拟合,黏粒含量的半方差函数符合球状模型,粉粒含量的半方差函数在0~20cm层次符合球状模型,在20~40cm符合指数模型,砂粒的半方差模型在0~20cm符合球状模型,在20~40cm半方差函数符合指数模型,不同粒径土壤颗粒含量在一定范围内存在空间自相关性,具有中等的空间相关性;3基于半方差模型的普通Kriging插值图能更直观地揭示了复垦区不同层次土壤颗粒的空间分布状况,从土壤颗粒组成的垂直方向和水平方向来看,在0~20cm的水平方向上,研究区中粉粒含量高值区对应着砂粒含量的低值区,二者有较好的互补性,而在垂直方向不同土壤粒径含量在空间分布并没有明显的规律。本研究可为黄土区排土场复垦土壤剖面重构和培肥改良提供一定的借鉴和参考。     

黄土沟谷下不同位置开采对地裂缝的影响研究

黄土沟壑区开采时,沟谷中心与工作面的相对位置对滑动型地裂缝有显著的影响。采用UDEC软件模拟了沟谷中心位于工作面不同位置时引起的滑动型地裂缝的裂缝距、裂缝角。研究结果表明:采动引起的滑动型裂缝距与工作面相对位置呈明显的线性关系;随着沟谷中心向工作面中心移动,左侧坡体裂缝发育越来越显著,裂缝距由负变为正且呈增大趋势;并对它们的关系式求极值得到裂缝发育位置的沟谷中心位置临界值,并针对地裂缝提出一些治理措施。     

开采沉陷对矿区土地资源的采动效应研究

基于生态场理论和GIS技术研究矿区土地资源的采动效应。首先介绍了采动土壤特性测算、采动变化规律分析及土壤采动损害评价的程序方法;然后叙述了采用RS和GIS空间分析技术对土地资源各采动生态位指标进行量化,并基于生态场理论和开采沉陷学分析土地资源的采动空间分异特征、采动累积效应及其延迟效应的过程。对山西潞安集团五阳矿井采煤沉陷区的实例分析表明,耕地土壤特性与开采沉陷明显相关,1997年至2002年间采动生态元耕地和植被覆盖率上升而建设用地覆盖率下降,研究区土壤侵蚀以轻度和中度为主且明显存在采动延迟,土地利用集约度指数终采后10 a逐步进入稳定期,各地类的流失与来源组成趋于稳定,说明土地利用方式摆脱采动影响并进入新的动态平衡状态。     

风沙区井工开采地裂缝对土壤全氮的影响

风沙区井工开采地裂缝对区域土壤造成了严重的破坏。以神东矿区某工作面为例,研究分析了该工作面开采后静态裂缝对周围土壤全氮含量的影响规律及影响机理。结果表明:风沙区沙生植被带和人工林带静态裂缝对不同距离土壤全氮含量的影响程度大致相同;距静态裂缝200 cm范围内,土壤全氮含量呈现先降低后增加继而趋于平缓的趋势,而在距离裂缝10 cm处全氮含量出现最大值;裂缝对土壤全氮含量的影响边界在100 cm左右;风沙区沙生植被带和人工林带土壤全氮含量(v)与土壤孔隙度(x)、细砂(0.05~0.25 mm)含量(y)的关系式分别为v=-0.297x+0.004y+0.272,v=-2.181x+0.015y-1.337。研究揭示了裂缝对土壤全氮含量的影响规律及影响机理,为进一步研究薄基岩浅埋深风沙区煤矿开采对矿区土壤质量的影响提供了资料。     

采煤沉陷对沙地土壤水分运移的影响

为研究采煤沉陷对风沙区土壤水分生态环境的影响,对毛乌素沙地南缘补连塔矿采煤沉陷后风沙土土壤水分时空变化规律及土壤密度、土壤机械组成和水分运移过程(水分入渗、土壤蒸发)进行了研究。结果表明:沉陷使得水分恢复期土壤水分条件发生变化,增加了60~80 cm深度处土壤水分的变异性,但沉陷区与对照区之间差异未达显著性水平。在采煤沉陷后1 a的相对稳定期,与对照区相比,沉陷区粗粉粒(0.01~0.05 mm)含量明显增加,而细黏粒(0.001 mm)含量减小;在初始入渗率上,表现为沉陷区较高,在稳定入渗率上,表现为对照区较高,但差异较小,而沉陷明显增加了水分的垂直入渗深度,减小了表层土壤持水能力;同时,沉陷区土壤蒸发量明显增大,不利于土壤水分的保持。经相关性分析,沉陷使得土壤水分与影响因素之间的相关性增强。