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。     

风沙区采煤扰动下土壤养分含量的演变特征

为揭示超大工作面开采过程中采煤沉陷对土壤养分影响的演变特征,并为矿区生态自修复研究提供理论参考。选择大柳塔矿某综采工作面,分别对开采前、开采过程中、开采结束及地表稳定后这一煤炭开采全周期的对照区及沉陷区进行取样,对比分析土壤养分含量。结果表明:土壤pH值随开采进度呈增大趋势,地表稳定后逐渐降低;有机质、速效磷及全氮随开采程度呈先降后增的趋势;速效钾一直呈增大的趋势,与有机质、全氮及速效磷变化趋势不一致。地表稳定后土壤养分含量与对照区基本趋于一致,表明沉陷区土壤养分具有一定的自修复特征。     

草原生态脆弱区采煤沉陷区地表损毁特征研究

在干旱半干旱草原生态脆弱区,煤炭开采主要引起地表沉陷、裂缝和隆起等破坏形式,文中研究了东部草原生态脆弱区不同破坏形式,结合地表移动观测数据,给出了沉陷区、裂缝区及隆起区的发育范围,并对不同深度的土壤养分指标进行检测,结果表明:不同破坏形式下,土壤的化学特性空间差异性显著,与对照区相比较,裂缝区、隆起区上层土壤(0～20 cm)有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量均有不同程度下降,尤其有机质与全氮含量下降显著(P<0.05),在草原区植被生长根系主要分布在0～20 cm处,因此,导致了地表土壤退化、生产力降低.     

风积沙区超大工作面开采生态环境破坏过程与恢复对策

风积沙区超大工作面开采具有所处生态环境脆弱、开采强度大等显著特点,由此引起的生态环境损伤不同于传统开采方法或高强度开采在东部矿山引起的生态环境损伤特征。将风积沙区超大工作面开采生态环境破坏过程划分为岩层破断、地表沉降、地表动植物生境变化与土地利用变化以及矿区生态系统随时间推移演替等4个过程;分析了风沙区超大工作面开采后地裂缝、土壤水、地下水位、植被覆盖与生物多样性等关键生态环境要素的变化规律;提出风积沙区生态环境恢复的对策应是保护与修复并举、自我恢复和人工修复并重,具体需要结合生态环境要素的受损伤程度及生态修复目标确定生态恢复对策。     

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。     

西部风沙区采煤塌陷地裂缝影响下的土壤水分运移规律及调控方法

浅埋煤层开采经常诱发一系列的生态环境问题,为研究浅埋煤层开采区地面塌陷影响下的土壤水分运移规律并提出相应的调控方法,以西部风沙区浅埋煤矿为研究对象,将采煤塌陷对包气带结构的影响分为3个阶段:开采前,包气带较薄,土壤颗粒相对均一;开采中,水位明显下降,包气带厚度急剧增加,裂缝发育且土壤颗粒均一性变差;开采后,风沙区大多数地裂缝自然弥合,但土壤中的黏性颗粒减少,砂性颗粒增多,出现明显的粗化现象。以此为物理背景,构建了不同裂缝宽度二维土壤水分运移模型,结果显示:无裂缝时湿润锋平行向下运移,同一深度的土壤含水率基本相同,裂缝存在时湿润锋沿着裂缝快速运移,优势渗流现象明显;土壤含水率随裂缝宽度的增加呈减小趋势,含水率影响范围随裂缝宽度增加呈增大趋势;当包气带厚度大于极限蒸发深度(300 cm)时,入渗补给量和包气带厚度基本无关,仅会延长土壤水分通过包气带运移到潜水面的时间,对地下水的潜在补给量影响较小。现场调查了塌陷区和非塌陷区沙蒿的生长状况:受塌陷区土壤水分匮缺(吸水水源不足,含水率小于0.1 cm³/cm³)和塌陷诱发的植被根系密度降低(吸水通道降...     

采煤沉陷对植被土壤容重和水分入渗规律的影响

为研究采煤沉陷对土壤水资源的影响,针对神东补连塔矿区3种主要植物(沙柳、沙蒿、杨树)群落类型,通过野外调查、实地试验和室内测试,研究了采前、采中、采后及稳定期土壤容重的变化规律及稳定期不同植被类型水分入渗特征.结果表明,随着开采的进行,不同土层之间土壤容重的差异减小,土壤容重分层现象减弱；不同植被覆盖条件下土壤容重在不同时期表现出一定的差异性,开采期间,3种不同植被类型表层土壤容重均减小；在采煤沉陷稳定期,沙柳、沙蒿0～100 cm土层平均土壤容重增大,而杨树则减小.开采后不同植被覆盖条件下稳定入渗率从大到小表现为杨树、沙蒿、沙柳,且与土壤容重有一定相关性.     

西部风积沙区超大工作面开采土地损伤评价

针对我国西部风积沙区超大工作面开采具有所处生态环境脆弱、开采强度大等显著特点,以神东地区大柳塔矿区为例,构建矿区土地质量指标体系和评价标准,将矿区土地质量分为5级,通过熵技术法确定评价指标的权重,采用改进的灰度关联法对矿区工作面土地损伤程度进行研究与评价。结果表明:影响矿区土地质量的主要因子是裂缝宽度、附加坡度、下沉深度及侵蚀模数,其次是有效P,有效K,植被覆盖度,有机质等因子;大柳塔矿区工作面土地质量为第4级,土地质量较差,损伤较为严重;改善矿区土地质量,应在采前预测土地损伤状况,采中优化开采技术,控制地形地貌改变,采后进行人工修复和生态环境的自我恢复。     

基于像元二分法的大宁矿区植被覆盖度研究

为探究山区矿区内植被覆盖变化情况,以大宁矿区为例,基于1998—2017年Landsat影像,通过选取7个时期的数据代入像元二分法模型中,反演出矿区不同时期的地表植被覆盖度（Fractional Vegetation Cover,FVC）,同时利用Sen+Mann-Kendall趋势分析方法计算了矿区植被覆盖度变化趋势。通过研究大宁矿区不同时期植被覆盖度的时空变化特征及变化趋势,结合井下工作面开采活动,定量分析了研究 区19 a植被覆盖度的时序变化特征,并根据研究区情况提出了合理建议。研究表明：①1998—2017年,研究区整体植被覆盖面积增加了4.724 1 km2,变化趋势为平缓向好的发展趋势,矿区植被覆盖面积占比达到 87.52%,主要得益于相关环境保护与生态建设政策的实施以及矿区所处环境的影响;②通过分析2005—2010年间地表植被对开采活动的响应,发现工作面开采后植被覆盖面积均小于开采前,说明开采活动会导致矿区 植被减少,使矿区生态环境遭到破坏;③通过对矿区整体与矿区工作面的地表植被覆盖度反演发现,研究区植被覆盖度与矿区开采活动在时间和空间上具有一致性。     

黄土沟壑区特厚煤层开采地表裂缝发育规律研究

黄土沟壑区煤炭大规模开采诱发的地表裂缝加剧了区域生态环境的损伤.以内蒙古大饭铺煤矿６１２０２工作面为研究对象,探究工作面开采导致的地表裂缝的产生机理、发育特征和展布规律,结果表明:(１)在开切眼周围容易产生沿边缘分布的拉伸裂缝和在中心区域呈 O 形分布的沉降坑;工作面中部区域散布着随工作面走向推进的弧形裂缝以及边缘区的拉伸裂缝,停采线范围附近地表裂缝主要以 C 形分布的张开式拉伸裂缝为主;(２)工作面整体以宽度为１０~３０cm 的裂缝为主,大多数裂缝的落差在 ５~２０cm 之间;(３)工作面采动过程中顶板裂隙不断发育贯通地表产生地裂缝,随着工作面的推进,裂缝宽度增加到最大值后开始减小直至趋于闭合;(４)沿工作面倾向方向,在地表沉陷区周边形成环状裂缝分布区,边缘区域裂缝不断发育,在工作面推进位置前方裂缝呈现“发育—闭合”的趋势.研究成果对西部黄土沟壑矿区煤炭开采与区域环境保护协同发展具有重要意义.     

基于熵权-VIKOR法的重构土壤配比筛选研究

土地复垦对于矿区植被恢复至关重要,重构土壤能够有效解决表土资源稀缺问题。针对某矿区排土场存在的土壤贫瘠及大量矸石难以实现资源化利用的难题,通过将煤矸石生态骨料与表层土按照不同的比例进行混合,制备5种重构土壤,测定其pH及有机质、全氮、有效磷、速效钾含量,分析煤矸石生态骨料占比对各指标的影响,并基于熵权-VIKOR评价法筛选出最优配比。研究结果表明：随着煤矸石生态骨料占比的提高,不同配比的重构土壤pH逐渐降低并接近于中性;煤矸石生态骨料占比对有机质、全氮、速效钾含量的影响显著,对有效磷含量的影响不显著,且随着煤矸石生态骨料占比的提高,不同配比的重构土壤有机质、全氮、速效钾含量均呈下降趋势,有效磷含量呈先上升后下降的趋势;30%煤矸石生态骨料+70%表层土为最优配比。研究成果可为解决矿区排土场土壤贫瘠、表层土稀缺、土地复垦难开展等问题提供新思路。     

风沙区井工煤炭开采对土地生态的影响及修复

能源“金三角”地区已成为我国能源开发的主战场,该区域大都位于风沙区,煤炭开采对该区域生态影响直接关系到矿业和区域的可持续发展.本文基于多年的监测并结合前人研究成果,系统探讨了该区域煤炭开采对土地生态的影响和修复方法.研究表明:土地生态的监测方法是揭示煤炭开采对土地生态影响的关键,以井下开采信息为先导的多源信息采集与处理以及定位、动态和长期的监测方法更具有说服力;煤炭开采对风沙区土地生态具有一定影响,主要表现在地表形变、裂缝、土壤水分、土壤理化特性和植物生长的影响,这些影响除沉陷盆地边缘裂缝外,都能在较短时间内由于自修复和自然修复而逐渐消除;该区域的生态修复应采用分区修复模式,即均匀沉陷区的自然封闭修复和非均匀沉陷区的植物修复为主、工程修复为辅的人工诱导修复模式;同时要尽可能采用超大工作面和边沉陷边充填裂缝的边开采边修复模式,从源头减轻土地生态损伤和及时修复.     

工作面开采沉陷对农田土壤和植被碳库扰动预评价

为了明确煤田工作面开采沉陷对农田土壤和植被碳库的扰动影响,分别选取了开采沉陷坡面样区和未受开采沉陷影响对照区,在对沉陷样区坡度进行预测的基础上,运用DNDC模型模拟了实验区2013—2015年的农田土壤有机碳储量和植被NPP,并对模拟结果进行分析,同时,对DNDC模型在本研究区的适宜性进行了验证。研究结果显示:(1)在煤田工作面开采沉陷影响下,农田土壤和植被碳库有显著的失碳效应,且随煤田工作面开采工作的持续,其碳损失量越大。(2)在开采沉陷区,坡度的升高是农田土壤和植被碳库储量发生明显变化的主要原因。(3)通过精度评价发现DNDC模型可准确模拟煤田开采沉陷区农田生态系统碳循环过程,基于DNDC模型的煤田开采沉陷下农田土壤和植被碳库扰动预评价精度整体上较好。     

浅埋近距离下煤层工作面过倾向煤柱矿压规律

浅埋近距离煤层上层采空区遗留煤柱对下部煤层开采的来压有显著影响,揭示这种异常矿压的机理,对安全开采具有重要意义.在统计分析神东矿区6个过煤柱开采工作面的矿压特征基础上,通过对哈拉沟煤矿12101工作面过倾向煤柱开采的物理模拟,研究了浅埋近距离下煤层过煤柱开采的矿压规律.结果表明,当下方工作面距离上方煤柱水平距离为10 ...     

基于模糊数学综合评价法的弓长岭铁矿区土壤环境质量研究

采用模糊数学综合评价法,对辽阳弓长岭铁矿区土壤环境质量进行综合评价。以采场和尾矿库为中心,将矿区分为7个典型区域,分别采样。以土壤重金属Cd、Cu、Cr、Pb和Zn含量与土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷和速效磷含量为主要评价对象。结果表明,弓长岭铁矿区土壤重金属污染严重,以Cd为主要污染因子,其次为Cu和Cr,而Pb、Zn为无污染或轻度污染。同时,虽然矿区内土壤养分丰富,但是受开采活动及重金属污染影响,导致碱解氮、全磷和速效磷等能被植物快速有效利用的养分含量较低,不适于植物种植。建议矿区着重监控Cd污染,并及时进行生态修复,在生态修复之前应人工施加肥料,调节土壤养分结构。研究为弓长岭铁矿区土壤生态环境的改善和治理提供科学参考。     

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。     

露天煤炭开采对矿坑周围土壤生物活性的影响

研究东部草原区大型煤田持续开采活动对采坑周边土壤微环境的影响,探索采矿时空序列梯度对生态的扰动机制,为进一步解决矿区生态环境问题提供基础数据。以宝日希勒露天煤矿北侧矿外自然草地区为研究对象,以距采坑的距离为干扰的强度梯度、开采推进的时间为干扰的时间梯度,设置距采坑最远的样点C3为对照,通过测定不同土层中的土壤微生物数量、酶活性和土壤理化,探索露天采煤扰动条件下,草原生态系统中土壤生物活性的时空异质性。结果表明:①随着扰动强度的提高,土壤中细菌、真菌和放线菌的数量,蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性,以及土壤含水量、全氮含量均减少或降低;相反土壤铵态氮和速效磷的含量提高。②随着干扰时间的延长,开采扰动对放线菌、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、土壤含水量、铵态氮、速效磷和全氮的影响增强,而对细菌和真菌数量的影响降低。③在露天煤矿开采的时间梯度与距离梯度交互影响下,土壤微生物及土壤酶活性均有一定响应,并且随着干扰时间梯度的减小,土壤生物活性的响应程度下降,而土壤因子的响应变化不同,只有个别因子与土壤生物活性具有相关性。     

山西翼城矿区采动地表植被指数时空变化分析

以山西翼城矿区2008年釆动影响范围为对象,研究地下开采对地表植被指数NDVI变化的影响。对2008年前后8个时相的Landsat TM卫星遥感数据进行几何校正、辐射定标、大气校正及波段运算,提取工作面开采影响范围的NDVI平均值;建立各个工作面NDVI值随时间变化的曲线,研究开采前后若干年时段范围内地表植被指数的变化规律。结果表明:开采前区域植被变化主要受降雨条件影响,并与区域植被类型有关;采动过程中区域植被变化主要受采动影响,并有滞后性;采动后地表形成沉陷盆地,产生裂缝、台阶,地下水系被破坏,区域植被指数降低。     

基于无人机影像的采动地表裂缝特征研究

地下采煤引起的地表裂缝是开采沉陷破坏的直观表现,对建筑物和土地造成严重损害,精准地获取采动地表裂缝发育特征对于开采沉陷研究和矿区地面保护具有实际意义。目前采集沉陷区裂缝信息的主要方式是实地人工测量或卫星遥感影像解译,在成本效率和时空分辨率方面存在明显局限性。以榆神矿区某矿综放工作面地表为试验区域,利用低空无人机摄影测量系统通过设定合理的航拍参数,获取采煤沉陷区数字正射影像,分别采用Canny算法、支持矢量机(SVM)以及最大似然法(MLM)对影像中的裂缝进行特征提取,并定义裂缝提取率来评价裂缝图像的提取效果。结果表明,Canny算法提取的非裂缝信息较多,支持矢量机算法效果次之,最大似然法在裂缝长度和宽度信息提取上效果较好,但得到的裂缝图像中仍存在大量的干枯植被信息。为此,利用随机森林(RF)算法对影像进行植被分类和腐蚀操作后,制作成掩膜文件以消除植被影响,再采用最大似然法进行地表裂缝的精提取。根据地表裂缝图像的灰度特征,将试验区采动裂缝分为开裂式台阶裂缝、闭合式台阶裂缝、凹陷式裂缝、条纹式裂缝、裂纹式裂缝、凹陷式闭合台阶裂缝,并将图像提取的地表裂缝信息与实测结果进行对比,验证了低空无人...     

基于多时相遥感数据的矿区地表植被与土壤变化监测

基于多时相的Landsat遥感数据,以陕西省榆林市大柳塔矿区为例,通过图像处理得到地面归一化植被指数(NDVI)和土壤指数两个研究要素,结合矿区采掘工作面,提取了采区和非采区样本点的时序数据,使用单一变量法对比分析其时序变化情况,并对研究区域的植被和土壤未来变化趋势作了预测。结果表明:矿井工作面采掘活动破坏了地面植被和土壤的稳定性,降低了其对环境影响的抵抗和恢复能力,矿区植被覆盖度逐年增加,但是土壤受侵蚀情况严重;在未来几年内,大柳塔矿区的植被覆盖度会持续增加,土壤较容易受到侵蚀,特别注意地面采矿活动区域和受扰动影响区域的土壤保护,改善土壤退化现状。