面向生态的矿区地下水位阈限研究

分布在干旱半干旱地区的植被,由于降水不足以维持其长期生存,需要地下水提供部分或全部水源,因而对地下水有一定的依赖性。煤层开采破坏含水层后地下水位会大幅降落,这在一定程度上会给依赖地下水植被造成水分胁迫,进而控制生态系统演化过程。针对榆神矿区煤层开采引起地下水位变化的基本特征,提出了生态安全约束下矿区地下水位控制阈值的确定方法。研究表明,植物根系与地下水毛细上升带保持接触时,植物就可以吸收利用地下水,因此本文将最大毛细上升高度与根系长度之和作为植被利用地下水的最大临界埋深。在毛管流理论指导下,以颗粒排列方式与孔隙直径大小的关系建立了最大毛细上升高度计算公式,并给出了通过颗粒级配曲线确定最大毛细上升高度的方法。据此计算的毛乌素风积沙最大毛细上升高度的取值区间为0.7～2.0 m,进一步确定了榆神矿区生态安全约束下的矿区水位控制下限为4.0 m。在此基础上,以2016年地下水流场基准,以水位埋深4.0 m为界将榆神矿区划分为生态约束区和无约束区。水位埋深小于4.0 m的区域植被对地下水依赖程度高,属于生态约束区,煤层开采造成地下水位下降极易使植被遭受水分胁迫,因而是矿区生态环境保护的重点。研究成果阐明了榆神矿区生态环境及地下水位对煤层开发的限制条件,为进一步推进保水采煤技术的发展奠定了理论基础。     

基于植被地下水关系的保水采煤研究

为研究我国西部生态脆弱矿区植被与地下水关系及其对煤层开采的约束,采用路线穿越法剖析了典型区植被随潜水埋深变化的演替规律,利用遥感获取煤层开大规模采前(2000年)植被指数,并与同期地下水位埋深建立了统计关系。结果表明:研究区天然状态下植被随地下水位埋深的增加呈现明显的分带特征,潜水埋深0~4.0 m时植被对地下水依赖性较强;综合考虑水文地质条件和植被与地下水关系,榆神矿区可划分为植被约束区、地下水约束区和无约束区3个区;矿区开采15 a后,2014年矿区地下水位明显下降和植被盖度普遍升高现象并存,这与煤炭资源高强度开采区集中在无约束区有关。生态脆弱矿区井田规划和煤层开采必须重视植被和地下水约束研究,因地制宜地制定保水采煤技术预案。     

榆神矿区煤炭开采的地下水动态演化规律

榆神矿区浅表层水资源短缺,生态脆弱,在划分主采煤层上覆含、隔水层组合类型的基础上,采用Visual Modflow软件构建煤层开采的地下水流数值模型,研究地下水流场演化规律,统计区内地下水位观测网(56个水文观测孔)近3年的有效观测数据,掌握首采煤层开采地下水位动态变化。结果表明:2020年第四系萨拉乌苏组潜水流场与2005年统测地下水流场形态基本一致,地下水位降深值在西南部达10 m;近3年的地下水位未发生明显变化,仅YS22钻孔处受村民井取水引起水位下降。研究成果对榆神矿区地下水资源保护与利用具有重要的指导意义。     

榆神矿区煤炭开采的地下水动态演化规律

榆神矿区浅表层水资源短缺,生态脆弱,在划分主采煤层上覆含、隔水层组合类型的基础上,采用Visual Modflow软件构建煤层开采的地下水流数值模型,研究地下水流场演化规律,统计区内地下水位观测网(56个水文观测孔)近3年的有效观测数据,掌握首采煤层开采地下水位动态变化。结果表明:2020年第四系萨拉乌苏组潜水流场与2005年统测地下水流场形态基本一致,地下水位降深值在西南部达10 m;近3年的地下水位未发生明显变化,仅YS22钻孔处受村民井取水引起水位下降。研究成果对榆神矿区地下水资源保护与利用具有重要的指导意义。     

煤炭开采对相邻区域生态潜水流场扰动特征

陕北煤炭能源基地高强度开采易影响生态潜水的自然径流条件,针对自然保护区周边煤炭资源开采对地下水流场的扰动问题,以榆神矿区某井田为例,通过构建研究区煤-水空间结构水文地质模型,系统分析研究区生态潜水的赋存特征及其规律;采用物理模拟、数值模拟、现场实测等手段,综合分析煤层覆岩岩性组合结构、煤层与关键层间距、煤层厚度、煤层埋深、工作面长度等因素,利用相关分析方法提出了适合于研究区导水裂隙带高度计算的裂采比公式;根据水文地质条件和煤层采动方式,采用地下水数值分析方法,模拟了煤炭开采后萨拉乌苏组生态潜水流场变化,分析了煤层采动后生态潜水受扰动的特征。研究结果表明:区内萨拉乌苏组生态潜水含水层全区发育,其赋存受基岩面形态控制,生态潜水水位受地形、含水层厚度、地下水分水岭和地表水等影响;下伏关键隔水层(保德组红土)受沉积影响在研究区东南局部缺失,形成"天窗"导水通道;区内覆岩结构以硬-软-硬、硬-硬-软2种组合类型为主,覆岩结构类型对导水裂隙带发育高度及形态有重要作用;统计分析多个导水裂隙带发育高度结果,提出榆神矿区导水裂隙带最大裂采比为28.1倍,该数值对榆神矿区保水采煤及水害防治具有重要指导意义;通过计算发现,煤层开采后,在研究区东南部保德组红土缺失区将造成生态潜水漏失与水位下降,最大降深可达10 m。为保护生态潜水资源,建议开采研究区东南部"天窗"部位的煤层时,必须采取相应的保水采煤技术。     

榆神矿区地下水和干旱指数对植被耗水的联合影响

为研究干旱矿区地下水位下降和气侯变化对典型植被耗水的联合,选择榆神矿区优势植被沙柳为研究对象,以干旱指数表征气候变化,在野外调查、室内测试及原位试验的基础上,采用有限元算法分析不同地下水位埋深和干旱指数组合条件下的植被耗水特征。研究结果表明:植被生长受干旱指数和地下水位埋深的双重影响,当地下水埋深为1.0～2.0 m处,植被耗水主要受地下水控制;地下位水埋深为2.0～2.5 m时,植被耗水受地下水和干旱指数的双重影响;地下水位埋深大于2.5 m时,植被耗水主要受干旱指数影响;单指数模型可以很好的拟合地下水埋深和植被实际蒸腾量(T_a)与潜在蒸腾量(T_p)比值(T_a/T_p)的关系曲线,其相关系数高达0.99,利用单指数模型和T_a/T_p的比值可以反求出枯水年、平水年和丰水年条件下的植被生态临界地下水位,不同水文年的植被生态临界水位有差异性,认为当地下水位埋深大于1.24 m(平均),植被生长受到水分胁迫,当地下水位埋深大于2.06 m(平均),植被出现退化现象;同时,采煤引起地下水位下降对植被生态的影响是有限的,只有当采前地下水位埋深为1.0～2.5 m时,地下水位下降才会引发植被生态退化;当采前地下水位埋深大于2.5 m时,采煤引起地下水位下降基本对沙柳的生长不产生影响,此时植被生态退化主要受气候变化影响。目前,榆神矿区采前地下水位埋深普遍大于2.5 m,影响矿区生态环境的主要控制因素是气候变化(降水量),考虑到近年来榆神矿区降水量有增大趋势,因此出现"虽然地下水位明显下降,但是生态环境局部转好"的现象。     

生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区研究

研究发现,沙漠区植被对地下水水位埋深具有很强的依赖性,揭示了陕北榆神府矿区内合理生态地下水位埋深为1.5~5.0 m,煤层开采的导水裂隙导致地下水位下降,表生生态退化,控制地下水水位是生态脆弱矿区科学开采的核心。室内模拟实验和开采实践表明,当煤层上覆隔水岩组厚度≥33~35倍采高时,煤层开采不会导致地下水位下降;煤层上覆隔水岩组厚度≤18倍采高时,煤层开采会破坏隔水层,导致水位下降;18~35倍采高时,可采取"限制采高"等措施实现保水开采。剖析了煤层、含水层的空间关系,划分了保水开采条件分区,提出了区域采煤方法规划方案,指出以控制地下水水位为目标,以采动隔水层稳定性分区为基础,以采煤方法规划为手段的开采方法是生态脆弱矿区煤炭资源科学开采的有效途径。     

中深埋厚煤层开采地下水位动态变化规律及形成机制

煤炭开采对风化基岩含水层和潜水含水层的影响是榆神矿区"保水采煤"研究的重点。为揭示榆神矿区风沙滩地区中深埋厚煤层开采条件下地下水动态变化规律和机理,以榆神矿区中部某矿首采工作面(01工作面)为研究区,采用钻探、地下水位观测、野外实地探查和综合分析等方法,研究了采动地下水动态变化规律及其与覆岩损害和地表下沉之间的耦合关系。结果表明:(1)风化基岩含水层水位随回采表现出"先下降后回升"并恢复至初始水位的动态变化过程,中间可分为"快速下降"、"回升恢复"和"稳定波动"3个阶段,平均持续时间为102 d。在水位快速下降阶段,水位最大降深、平均下降速率均呈正态分布,且与距工作面中心距离呈指数函数关系;水位回升恢复阶段,持续时间和平均回升速率与距工作面中心距离呈负相关关系;(2)当潜水含水层分布局限、侧向补给缺乏时,潜水含水层水位出现"先下降后回升"和"持续下降"至稳定2种动态变化规律,且均未恢复至初始水位;(3)面内风化基岩含水层水位动态变化过程与风化基岩层的剧烈下沉密切相关,风化基岩层下沉速度的增大和减小过程分别对应水位的下降和回升过程,水位下降则与其下沉、临时性裂隙和离层发育有关,水位回升则...     

植被对矿区地下水位变化响应研究

依据地下水浅埋区植被蒸腾对地下水位变化十分敏感的特征,构建沙柳根系吸水条件下的水流方程,分析生态脆弱矿区植生长对地下水位下降幅度的阈限。通过原位监测获取气象要素、土壤水、地下水与沙柳蒸腾量的动态变化规律,建立地下水变化与植被蒸散发关系数值仿真模型并对模型进行求解,模拟沙柳蒸腾对煤炭开采区地下水位变化的响应。研究发现:沙柳的日蒸腾量有受气象要素控制的特点,并在正午12时前后出现2次极值,水位越浅变化越显著。地下水对沙柳蒸腾的贡献值随着地下水位埋深的增加而减少,当地下水位埋深15 cm时,贡献率为100%;地下水埋深215 cm时,贡献率为0。在地下水浅埋区,地下水是沙柳蒸腾的主要水源,潜水埋深超过215 cm后地下水不再对沙柳生长提供水源,这也是沙柳对煤层开采地下水位下降的阈限。     

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。     

榆神矿区综采条件下保水采煤效果分析

为了评价综采工作面保水采煤效果,通过对榆神矿区金鸡滩煤矿采煤工作面开采后导水裂缝带发育高度与隔水岩组厚度的比较分析、采空区潜水水位埋深探测等方法,系统分析采煤对萨拉乌苏组潜水的影响。研究认为,金鸡滩煤矿采煤工作面导水裂缝带发育最大高度为109.72 m,潜水水位最大下降幅度1.32 m,保持在合理的生态水位埋深范围,实现了保水开采。     

内陆干旱半干旱盆地地下水生态环境指标研究

探讨了内陆干旱半干旱盆地地下水生态环境指标。内陆干旱地区主要生态环境问题是人工绿洲土壤次生盐渍化和天然绿洲植被衰败。不同区域地下水生态环境指标不完全相同，人工绿洲主要是土壤含盐量和地下水位临界埋深等指标，天然绿洲则主要是土壤含水量、土壤含盐量、潜水矿化度和地下水生态水位等指标。上述指标中最重要的地下水生态环境指标是地下水位埋深，其它指标如土壤含盐量、土壤含水量等指标可通过调节地下水位埋深来进行控制。人工绿洲临界埋深随气候和下垫面条件的变化而变化，年内不同时段指标阈值不同，天然绿洲的生态水位是适宜大多数植被生长的共同潜水埋深，为2.0-4.5m。表2，参9。     

准东矿区邻近奇台绿洲地下水位变化趋势分析

根据准东矿区邻近奇台绿洲1983~2013年地下水位观测资料,对其变化趋势进行了分析,运用Surfer软件分析了奇台绿洲地下水埋深、地下水位和地下水流等分布特征,结果表明:近31年以来,研究区地下水位总体呈下降趋势,年均下降速率为0.51m/a,其中,西部区域下降速率为0.65m/a,东部区域下降速率为0.37m/a;在西部区域形成了多处地下水位降落漏斗,且漏斗面积不断增加;东南区域地下水位高于西北区域,地下水总体呈由南向北流动;地下水位分布和地形分布特征基本一致,局部地形起伏处,地下水流大小和方向变化亦有相应变化;由南向北地下水埋深逐渐变浅;农业灌溉用水量不断增加是造成绿洲地下水位下降的主要原因。     

唐山沿海地区地面沉降科学计算与预测

通过分析唐山沿海地区水文地质与工程地质条件,对唐山沿海地区地面沉降形成机理有了新的认识。建立区内地下水降落漏斗发展趋势数学模型,并且进行模型识别;引入贮水系数概念,结合地下水降落漏斗中心水位埋深值,建立区内地下水位变化趋势数学模型;将区内年地面沉降率和地下水位埋深数学模型有机结合,建立唐山沿海地区地面沉降数值计算模型,计算结果符合区内地面沉降变形实际。 海     

陕北榆神矿区瓦斯特征及其控制因素

瓦斯是影响煤层开采的重要因素,而影响煤层瓦斯特征的因素有多种。对榆神矿区的瓦斯含量特征及影响因素分别进行测试和分析,结果表明,榆神矿区瓦斯含量低,远远低于1 m3/t,其主要成分N2、CH4及CO2较少,具有低瓦斯矿区的特征。同时,针对影响榆神矿区瓦斯含量的相关因素进行分析,表明其控制因素主要为煤变质作用和煤层埋藏深度,低煤变质阶段及浅煤层埋深大大限制了矿区内煤的生气及吸附能力。     

神府榆矿区采煤排水对地下水资源量的影响

为研究神府榆矿区采煤排水对地下水资源量的影响,以研究区矿井排水情况为基础,利用1980—2014年研究区内地下水位观测资料,计算了大气降雨入渗补给量,并分析其与煤炭产量之间的关系。结果表明,2000年之前,大气降水入渗补给量比较稳定,2000年之后入渗补给量开始逐年下降。主要原因是煤矿开采的大量排水,引起区域地下水位下降,局部地区超过降雨对地下水补给的最佳埋深,从而增加了降雨入渗过程中蒸发等无效损耗量,减少了有效入渗补给量,最终导致地下水资源量的减少。     

高潜水位矿区新建公路标高计算及潜水位控制

为了保证高潜水位矿区新建公路的路基路面不受地下水侵蚀,必须确保新建公路的路基路面标高大于潜水位。根据开采沉陷基本规律,通过对潜水位埋深和新建公路承载力之间关系的研究,提出了确定高潜水位矿区新建公路标高的一般性方法和潜水位控制措施。     

保水采煤方法及其适用性分区 ——以榆神矿区为例

为解决我国西北地区脆弱的生态环境与高强度煤炭开采之间的矛盾,以陕北榆神矿区典型水资源保护性采煤条件为例,研究西北浅埋煤层保水开采技术及其适用性分区。针对榆神矿区地质条件,确定出浅埋煤层采动覆岩导水裂隙带发育高度与保护层有效厚度,得到保水采煤的临界采高,即最大理论允许采高分布状况。系统分析限高开采、(局部)充填开采、窄条带开采等保水采煤条件下的岩层控制理论,及其保水机理与适用条件。在此基础上,进行榆神矿区保水采煤技术的适用性分区。     

榆神矿区浅埋煤层减水开采中预疏放标准确定方法

榆神矿区地处干旱半干旱地区,生态环境十分脆弱。疏放水是榆神矿区顶板水害防治的主要手段,但过度疏放不仅增加矿井排水负担,而且不利于保护浅层地下水资源。因此,在确保防治水安全的前提下,计算预疏放残余水头、确定预疏放阶段和回采阶段第四系松散含水层漏失量,从而实现总漏失量最小是煤炭减水开采中的重点研究问题之一。以榆神矿区锦界煤矿为例,在分析井田含、隔水层赋存特征的基础上,建立了煤层开采的2种充水模式,并对顶板含水层进行了富水性分区;以矿井涌水量实测数据为基础,分析了涌水量变化规律及其构成比例;采用Drain边界刻画多工作面连续回采内边界,建立了锦界煤矿采掘扰动条件下地下水流数值模型,研究了两种充水模式下预疏放残余水头在不同工况下的第四系松散含水层总漏失量变化规律,确定了工作面预疏放结束标准。结果表明:锦界煤矿煤层顶板为典型的沙(层)-土(层)-基(岩)型结构,主要充水水源为风化基岩水,主要充水模式为土层未缺失风化基岩充水型及土层缺失风化基岩和松散层混合充水型。采用GIS多元信息融合技术划分的井田富水性分区结果显示,相对强富水区位于井田二盘区局部地段、三盘区和四盘区大部分地段,与现场实际基本一致。矿井疏放水量与工作面回采残余涌水量曲线变化趋势基本一致,各占矿井涌水量的50%左右。通过数值模型计算得出两种充水模式下工作面预疏放结束标准为将充水含水层疏放至煤层底板以上15~20 m,保留一定的残余水头可进行回采,无需继续疏放。此时,第四系松散含水层水资源总漏失量最小,可起到减水采煤的作用。研究成果为榆神矿区浅埋煤层提供了“减水开采”的新思路。     

煤炭矿区地下水变化对生态环境的影响研究

以毛乌素沙地梅林庙煤矿为研究区,采用Landsat8和地下水观测资料为研究数据,通过地表温度、地下水埋深、归一化差分植被指数(NDVI)的计算,建立空间数据集,开展地下水埋深与NDVI和地表温度相关性分析。研究发现地下水埋深在小于1m时,NDVI与地下水埋深为弱正相关,与地表温度呈负相关。地下水埋深在1~2m时,NDVI与地下水位为弱的负相关,与地表温度为负相关,当地下水埋深2~5m时,NDVI与地下水位不相关,而与地表温度继续为负相关。由此判断地下水埋深在1~2m是毛乌素沙地植被的最佳生态水位,也是生态环境影响的重要水位指标,当水位变化超过这个范围,生态环境将发生明显变化。