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。     

“保水采煤的理论与实践”专题

随着我国煤炭工业战略西移,西北干旱半干旱富煤、缺水矿区采煤导致的含水层结构变异及诱发的生态环境问题,越来越多的受到关注。针对这一问题,1992年我国地质科技工作者提出了保水采煤问题,1995年首次使用“保水采煤”一词。20多年来,地质、采矿、生态环境等领域的科技工作者,围绕保水采煤问题进行了多角度探索和研究,初步建立了保水采煤技术体系,工程实践获得重要进展。本期第2~27篇论文基于国家973计划、国家自然科学基金等项目支持,展示了保水采煤的科学进展和思考,阐述了煤-水双资源型矿井的开采理念和技术,厘定了保水采煤的概念和科学内涵,阐述了保水采煤基础理论进展,研究了西北沙漠矿区植被发育与地下水的关系、采动植被损伤机理与控制技术。针对保水采煤的关键技术如浅埋煤层岩层控制、导水裂缝带发育高度控制及探测监测技术、采动岩层与地下水变化的高精度测量技术、基于含水层结构保护的隔水层再造技术、充填保水采煤技术及应用、保水采煤区水资源漏失量计算等进行了多角度探索与论述,研究区域涉及我国西北、华北煤矿区。本期“保水采煤的理论与实践”专题是我国期刊首次集中展示保水采煤领域的科技创新成果与进展,希望有益于完善保水采煤技术体系、促进矿区生态文明建设。     

呼吉尔特矿区植被类型与地下水位关系研究

呼吉尔特矿区地处毛乌素沙地,为研究煤炭资源开发后引起浅层地下水变化进而对植被类型的影响,通过地下水埋深与植被种群分布的空间分析,结合现场调查获得了地下水埋深与植被种群分布规律,研究发现区内的典型草原植被已被沙生植被、草甸植被、盐生植被等隐域性植被取代,丘间湿地植被对浅层地下水水位敏感度较高,可作为重要指标纳入煤炭矿区生态环境的监测体系。     

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。     

保水采煤面临的科学问题

保水采煤理念是基于榆神府矿区开发初期采煤引起的潜水位下降、植被退化而提出的。经过多年理论研究和工程实践,已初步建立了保水采煤技术体系,有效指导了生态脆弱矿区煤炭资源开采和生态环境保护。在国家关于生态文明建设标准日益提高的格局下,我国西部干旱半干旱地区煤水资源共生区生态环境保护面临历史考验。首先综述了保水采煤技术取得的成果,认为地质条件探查、岩层移动、保水采煤方法等方面的研究基本解决了单煤层开采中存在的突出问题,而生态脆弱矿区水与生态约束和生态修复与重构方面的研究滞后。其次探讨了保水采煤领域中5个紧密相关的科学问题,包括矿区依赖地下水的植被对煤层开采的约束程度的识别、量化及监测,大采高和重复采动条件下导水裂隙带高度探测与预测方法,有效隔水层厚度的量化与评价,大采高和重复采动条件下采动岩层(覆岩)控制及矿山生态环境影响机制、矿山生态损害监测与评价、矿山土地复垦与生态重建技术、生态修复策略及效果评价等。在新形势下,矿区生态环境保护的责任和任务重大,有待于投入更多研究来支撑我国西部矿山保水采煤理论与技术的突破,促进绿色矿区建设。     

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。     

浅谈采煤区地下水污染源及脆弱性影响因素

采煤区地下水由于在特殊的环境中产生了具有采煤区特点的污染源,对矿区的生态环境造成了严重破坏.这些废水如果不加处理任意排放,不仅浪费宝贵的水资源,而且严重污染环境,影响人民生活和农林渔牧业的生产和发展.通过对采煤区地下水的污染源及影响采煤区地下水脆弱性的因素进行了总结,并对采煤区地下水污染的监控及分析提出了一些建议.     

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...     

采煤地裂缝对水土资源的影响研究

通过对采煤地裂缝深度和覆岩导水裂隙带高度计算,两裂缝没有贯通。但不同类型的地下水在地表均有露头,地裂缝、裂隙成为良好通道,煤矸石淋滤液污染物通过河水、地表水污染了地下水,地裂缝影响了土壤水的运移,造成植被破坏、水土流失。文章主要研究了采煤裂缝影响下土壤含水量的变化对农作物的影响,为矿区水土资源保护、土地复垦提供了一定的依据。     

采煤沉陷区土地高效利用模式探讨

采煤沉陷区土地受沉陷威胁及污染损毁,难以得到高效利用.为有效提高采煤沉陷区土地资源利用效率、控制矿区生态环境持续恶化发展,根据稳定性差异及禀赋条件,为采煤沉陷区选取适宜的治理修复模式.在采煤沉陷区生态环境及地质灾害问题分析研究的基础上,根据其稳定性差异,以交通地理位置为主导,以矿区内部及周边土地利用现状、植被覆盖情况为...     

不稳定煤层底板承压水综合探查与防治技术

新安煤矿矿井水文地质类型极复杂,煤层赋存不稳定,开采受底板奥灰承压水影响较大。针对13151工作面水文地质条件,在不同时期通过利用地震勘探、瞬变电磁勘探和钻探等物理手段开展探采对比研究,形成了多指针聚焦型查异模式,有针对性地实施了疏水降压和底板注浆加固工程,并对不稳定煤层底板承压水综合防治技术进行了应用实践。     

陕北沙漠区浅埋厚煤层开采潜水位及生态响应

煤炭开采造成上覆岩层破裂、移动,破坏了矿区含（隔）水层结构,改变了地表水及地下水循环演化状态,对浅表层生态环境造成严重影响,引发一系列环境地质问题。为深入研究沙漠地区厚煤层开采给潜水位及生态环境造成的影响,以毛乌素沙漠金鸡滩矿为例,对水文地质条件进行了研究,采用数值模拟的方法,模拟了沙漠区厚煤层开采潜水位的变化,并通过采动潜水位监测数据验证了预测结果。调查分析了研究区及周边地表生态环境现状,预测采后潜水位基本满足植物生长需求,对生态环境影响不大。     

MGIS在煤炭工业可持续发展中的作用

煤炭工业可持续发展是一个复杂动态巨系统，论述了发展基于GIS技术的矿山地理信息系统(MGIS)，对煤炭工业实现从煤炭资源勘探、储量管理、开发开采、网对网调运到矿区环境与生态保护等多目标动态规划与决策方面的作用，并简要介绍了平顶山MGIS的建设情况。     

神东矿区石圪台煤矿矿井突水因素

神东矿区石圪台煤矿萨拉乌苏组分布广泛、厚度大,富水性较强,是矿井涌水的主要水源。文章论述了石圪台煤矿22302工作面涌水特点,认为矿井涌水量主要与萨拉乌苏组含水层厚度、煤层上覆基岩厚度、煤层采高等因素有关,提出了对冒落带进行注浆加固、减少矿井水产生量和保持生态水位稳定的新认识。     

大埋深煤岩层风氧化带发育机理及其对开采影响的分析

为了消除或减弱风氧化带对煤矿安全生产的影响,以山西西山煤田西曲煤矿、河东煤田晋邦德煤矿和晟聚煤矿、霍西煤田光道煤矿为例,研究了大埋深太原组煤岩层中陷落柱、煤层顶板基岩及断层附近风氧化带的地质特征,从地质构造、水循环、水化学、煤岩层结构特征等方面分析大埋深风氧化带发育机理,并调查了深部风氧化带对矿井开采的影响,提出了针对性的防治措施,为煤矿安全生产提供了指导。     

开滦林南仓矿井水处理研究

煤炭是我国当前及未来很长一段时间的工业资源,随着工业的发展对煤炭需求的不断增加,我国煤炭的开采量也逐年增加,随之而来的是对地下水资源破坏日趋严重。文章就开滦林南仓矿井水如何处理、利用做了一些有益的尝试。     

矿区资源可持续发展评价指标体系的构建

随着经济转型升级与煤炭资源的枯竭, 露天废弃矿坑的二次开发利用成为资源型城市获得增量空间资源的新选择。基于科学的资源价值评价方法, 提出了露天煤矿废弃地资源价值识别与定量评估的理想模型和技术方法路线, 并以抚顺西露天矿各类资源的评估为案例, 直观展示了西露天矿的自然资源情况。通过研究可知, 西露天矿总价值约为24.4亿元, 其中直接使用价值占99.57%。在各类价值中, 第三产业价值超过了第一、二产业的价值, 这也与目前西露天矿的生态修复及发展方向相匹配, 验证了模型的有效性。

     

昆钢大红山铁矿土地复垦植被重建

昆钢大红山铁矿开采至今,对矿区范围内生态环境造成了破坏,为保证矿山生态环境可持续发展和矿山生产可持续发展,大红山铁矿对矿山范围内土地进行了复垦。主要通过分析大红山铁矿目前对矿山范围内不同地貌类型、不同海拔的生态环境造成的破坏,将矿山不同地形对应的不同气候条件进行分类,对不同地形地貌和不同植被体系采取相应的土地复垦措施和生物配置方法来进行植被的重建。针对边坡、平台等地貌给出建设苗圃、有林地、条播乔灌草混交林、撒播灌草混交林、爬藤等方法,使占地面积为83.11 hm2的废石场土地复垦率达99.80%,以求达到最大的社会、生态、经济效益,并结合国内外矿山生态环境恢复治理的经验,给出了矿山生态环境保护、恢复的建议。     

利用非稳定流理论判断崔庄煤矿田岗断层导水性

田岗新层是滕县煤田中的一个比较大的断层,其落差为160~470m。田岗断层从崔庄煤矿的中部穿过,对崔庄煤矿煤层的开采影响较大。本文在补勘资料的基础上,运用非稳定流法判定了田岗断层的导水性,对煤矿的安全生产起到了重要的指导作用。     

兴隆庄煤矿生态系统服务价值评估

以兖州矿区兴隆庄煤矿为例,基于1990-2018年间的遥感影像数据,从供给、调节、支持和文化4个方面对兴隆庄生态系统服务价值进行测算评估,并分析其动态变化度及敏感性。评估结果表明,总生态服务价值表现为先增加后减少,1990-2010年矿区生态系统服务总价值从18841.5万元增加至29034.2万元,主要原因是采煤塌陷导致耕地向塌陷水体转变以及林地面积的增加;2010-2018年生态总价值减少了2484.8万元,主要在于耕地大规模地转变为建设用地以及区域地下水位下降造成的水域面积减小。敏感性分析显示,耕地和水体是平原矿区生态系统服务价值最敏感的因素,耕地的敏感性指数由1990年的0.79降为2018年的0.28,说明其在生态服务价值中的影响逐年降低。