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。     

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,初步讨论了不同荛叶质区保水采煤的可能性。     

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。     

榆神府矿区水体湿地演化驱动力分析

为分析榆神府矿区生产对区内水体及湿地的影响,应用3期Spot遥感对比数据,研究了榆神府矿区1990年、2001年、2011年3个时期的水体、湿地分布及其面积动态变化规律,得出：水体面积在研究期内呈现持续下降趋势,1990-2001年及2001-2011年的减少率分别为17.73%和22.39%;湿地面积先增大后减小,即1990-2001年湿地面积增加了65.91%, 2001-2011年,湿地面积减少了50.92%;水体面积在外力驱动下衰减的过程中演替为湿地及其他类型用地,使湿地面积在20 a间基本保持不变;气候变化、煤炭资源开采、生态环境建设和水源地兴建等是水体湿地面积变化的主要驱动因子。通过模糊层次分析法确定了各驱动因子对地表水体湿地面积变化的作用大小（权重）和序关系,分别为煤炭开采0.375,气候因素0.292,水源开采0.208和生态需水0.125;为保护区内水体湿地,推行保水采煤、减少地下水抽采及减少高耗水植被是行之有效的措施。     

工程地质模型在保水采煤研究中的应用

以陕北榆神府矿区保水采煤研究为目的,建立了矿区保水采煤的工程地质模型。论述了煤矿保水采煤工程地质模型的组成内容,并以保水采煤的工程地质模型为基础,运用相似模拟实验和数值模拟方法,对矿区不同工程地质条件下的保水采煤进行了研究。     

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。     

论榆神府矿区煤炭资源的适度开发问题

从水环境承载力角度论述了榆神府矿区煤炭资源的科学开发规模,认为矿区整体上环境承载力有限,目前开发规模已经达到极限,尤其是窟野河全流域、秃尾河沿岸,在没有彻底解决水资源问题之前,不能再扩大生产规模或新建煤矿。对于现有生产矿井,应逐步淘汰。榆神矿区三、四期规划区除小保当一号煤矿外,停止新建煤矿,实行煤矿数量和产量的双控制,推广保水开采技术,确保区域煤炭工业健康发展。     

榆神府矿区含水层富水特征及保水采煤途径

榆神府矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原的接壤地带,生态环境脆弱,水资源匮乏,区内各主要含水层分布与富水性不均,含水层富水性及矿井涌水对煤矿生产影响差异较大,因此矿井水资源的综合利用与含水层的有效保护对煤矿生产与地区生态建设意义重大。通过分析萨拉乌苏组、烧变岩、风化基岩层等各主要含水层的形成、分布及富水特征,结合矿井首采煤层上覆基岩厚度与矿井目前涌水量情况,将区内生产矿井及待规划区域从"水资源保护与矿井水利用"角度划分为水量贫乏型、水量较丰富型、水量丰富型及地表水体型4种类型,并根据不同类型的分布特征进行了分区。在此基础上,针对不同的水资源保护与矿井水利用类型,分别提出了采空区存储净化、工业利用、农业灌溉、湿地建设和人工湖泊等具体的水资源保护与矿井水利用途径和措施。讨论了"保水采煤"的科学内涵,认为"保水采煤"的基本措施应当包括保护浅部主要含水层和矿井水资源利用两部分,即将"保水"与"用水"相结合,拓展了"保水采煤"的科学含义;建议在矿井规划时,应综合考虑开采损害影响与环境自身修复能力,在满足能源开采经济利益的同时,保证生态环境不发生质的破坏;提出了利用经济效益"反哺"当地生态和"绿色经济"建设的一点猜想,为矿区未来的规划建设提供了一定的参考意义。     

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...     

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。     

榆神府矿区烧变岩及地下水资源特征

榆神府矿区具供水意义的含水层为萨拉乌苏组和烧变岩,均位于煤系地层上部及浅部,在分析烧变岩水文地质条件基础上,主张在烧变岩带建立供水水源地,是解决近期矿区供水既经济可行又可靠的技术途径。     

Study on the change rule of groundwater level and its impacts on vegetation at arid mining area

The shallow groundwater in Shendong mining area was broken because of large-scale underground mining activities. Selecting 32201 working-face as research area, analyzed the change rule of groundwater level and aquifer thickness under mining impact with a large number of water level observation data. Then, the impacts of groundwater level change on vegetation were analyzed by the relationship theory of arid area groundwater and vegetation. The results show that the aquifer structure and the water condition of supply flow and drainage are changed by the water proof mining. The groundwater level recovere only a little compared with the original groundwater level in two years. But the great change of groundwater level do not have notable influences on vegetation of this mining area, and further study indicates that there are certain conditions where groundwater level change impacted on vegetation. When the influence of groundwater level change was evaluated, the plant ecological water level, warning water level and spatial distribution character of original groundwater and mining-impacted groundwater-level change should be integrated.     

煤矿地下水库煤柱坝体宽度设计

地下水库储水技术已成为西部矿区实现煤炭高效开采与水资源保护并重的重要途径之一,而煤柱坝体的稳定性是地下水库设计中极其重要的部分,对地下水库稳定性起决定性作用。煤柱坝体既要保证煤炭安全开采,也要保障地下水库安全运行。地下水库煤柱坝体的稳定不仅与埋深、采动应力、地质构造等工程地质条件有关,也与水作用下的弱化作用密切相关。为研究煤矿地下水库煤柱坝体在水作用下强度弱化规律,选取西部矿区麻地梁矿5煤为研究对象,开展煤样无损浸水试验和不同含水率及反复浸水条件下单轴压缩试验。研究得到:不同含水率的煤样在0～20 h内,含水率快速增长; 20 h之后,含水率增长变缓,在20～70 h,含水率慢速增长;在70～140 h,煤样含水率增长接近稳定;煤样含水率随着浸水时间的增加而增加,但增幅逐渐减少,最终趋于稳定;随着含水率(浸水次数)的增多,煤样单轴抗压强度逐渐降低,峰值应变逐渐增大,弹性模量逐渐降低。相较于干燥煤样,初次饱水煤样、浸水3次煤样单轴抗压强度分别降低了27.1%,50.0%,弹性模量分别降低34.6%,58.5%。结合实验室试验结果,运用弹塑性力学理论探讨了煤柱坝体在不同含水率下破坏区、塑性区宽度,开展了考虑覆岩压力、水压力以及水的弱化作用下煤柱坝体宽度设计研究,并结合麻地梁矿的工程地质条件,对其地下水库坝体的宽度进行了设计。同时,进一步分析了煤柱坝体宽度的影响因素,得到含水率、埋深、煤层采厚均对煤柱坝体宽度有很大影响。