晋陕蒙接壤区大型煤炭基地地下水保护利用与生态修复9787030437327
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作者顾大钊等著
出版社科学出版社
ISBN9787030437327
出版时间2014-09
四部分类子部>艺术>书画
装帧精装
开本16开
定价238元
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上书时间2024-11-25
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前言
第1 章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外相关研究与实践现状 4
1.3 大型煤炭基地地下水与地表生态保护 11
第2 章 晋陕蒙接壤区煤炭基地生态环境条件 14
2.1 晋陕蒙接壤区煤炭基地生产条件 14
2.2 神东矿区生态环境条件 25
2.3 神东矿区煤炭现代开采对地下水和地表生态的主要影响 28
2.4 矿区生态环境建设现状 29
第3 章 晋陕蒙接壤区煤矿区生态环境(植被) 演变 31
3.1 晋陕蒙接壤区所处流域植被覆盖时空演变规律 31
3.2 神东矿区植被监测及其演变规律 37
3.3 矿井开采区与非开采区植被对比分析 43
3.4 开采工作面地表生态扰动分析 51
第4 章 神东矿区地下水资源及承载力 59
4.1 神东矿区核心区“三水” 主要参数及水化学研究 59
4.2 神东矿区水资源及煤炭现代开采影响分析 68
4.3 神东矿区煤炭开发的水资源承载力研究 73
4.4 煤炭现代开采区域地下水影响模拟研究 83
第5 章 大型煤炭基地水资源优化利用与调控方法 93
5.1 矿井水及资源化方法研究 93
5.2 矿井水资源化利用途径优化分析 96
5.3 水资源优化配置多目标规划利用与调控研究 108
第6 章 煤炭现代开采对地下水和地表生态的影响 126
6.1 煤炭现代开采覆岩和地表层结构及含水性变化 126
6.2 黄土沟壑区煤炭现代开采沉陷区裂隙发育规律研究 139
6.3 风积沙区煤炭现代开采对土壤环境的影响研究 161
第7 章 煤炭现代开采对植被及植物的影响 169
7.1 研究与测定方法 169
7.2 开采对地表天然植物群落组成及盖度的影响 174
7.3 开采对植物群落结构及多样性的影响 178
7.4 开采对植物有性繁殖特性的影响 191
第8 章 煤炭现代开采沉陷损伤控制技术 207
8.1 煤炭现代开采沉陷规律模拟研究方法 207
8.2 典型生态立地和煤层赋存条件下的开采沉陷规律 221
8.3 煤炭现代开采沉陷减损工艺优化 245
第9 章 黄土沟壑区煤炭现代开采沉陷区生态修复关键技术 261
9.1 开采地裂缝差异化治理技术 261
9.2 煤炭现代开采沉陷区土壤保水与改良技术 272
9.3 煤炭现代开采沉陷区适生植物筛选与种植技术 290
9.4 开采沉陷区农田耕作技术 301
第10 章 风积沙区煤炭现代开采沉陷区植物生长促进技术 308
10.1 研究与分析方法 308
10.2 开采对土壤性质及微生物多样性的影响规律 312
10.3 接种丛枝菌根对典型植物生长及环境的影响 330
10.4 接种外生菌根剂对典型植物生长的促进作用 343
10.5 基于微生物的植物生长促进和修复方法 347
第11 章 黄土沟壑区煤炭现代开采与生态和谐共生技术示范 351
11.1 生态重建示范区概况 351
11.2 生态修复工程总体布局与设计 356
11.3 生态修复示范工程实施 373
11.4 示范区生态修复效果评价 378
第12 章 风积沙区煤炭现代开采环境引导型生态修复技术示范 386
12.1 示范区基本情况 386
12.2 生态修复工程方案设计 390
12.3 生态修复工程实施 397
12.4 生态修复效果评价 398
主要参考文献 406
内容摘要
第1 章 绪 论
煤炭现代开采地下水资源保护利用和地表生态修复是我国煤炭科学开发面临的重大难题， 该问题在我国西部生态脆弱区域尤为突出。大型煤炭基地是我国煤炭开发的主战场，晋陕蒙接壤区是我国大型煤炭基地的集中区， 生态脆弱是该区域煤炭科学开发的主要制约因素。如何立足晋陕蒙接壤区大型煤炭基地的煤炭赋存和生态条件， 将煤炭安全高效开采与地下水保护利用及地表生态保护相结合， 突破传统的技术思路， 开展黄土沟壑区和风积沙区生态立地条件下的地下水保护利用和地表生态修复关键技术研究与示范， 对推进我国大型煤炭基地的科学开发具有重要意义。
1.1 研究背景及意义
晋陕蒙接壤区是我国西部生态脆弱区大型煤炭基地的集中区， 地下水保护利用和地表生态修复是大型煤炭基地可持续开发的基本要求。典型生态立地条件下地下水保护利用和地表生态修复技术研发与工程示范， 将为西部生态脆弱区大型煤炭基地科学开发提供技术支撑。
1.1.1 研究背景
晋陕蒙接壤区是我国现代化煤矿的集聚区， 煤炭现代开采与生态脆弱的矛盾是制约该区域煤炭科学开发的关键问题。
1.煤炭科学开发是我国经济社会协调发展的必然要求
煤炭是我国的主体能源， 在国民经济发展中一直具有重要的战略地位。根据我国?能源发展战略行动计划(2014—2020)?， 2020 年煤炭在我国一次能源中仍将占62%。
煤炭开采的生态负效应对地下水和地表生态造成影响是煤炭开发面临的突出问题。我国每采1t 煤平均产生约2t 矿井水， 目前年产生矿井水约80 亿t， 矿井水利用率仅为25%左右， 使得每年损失的矿井水量达60 亿t (谢克昌， 2014、 谢和平?王金华， 2014)。同时， 煤炭开采对地表生态的影响亟待解决。据统计， 我国因采煤导致土地破坏和退化的面积超过300 万hm2， 土地复垦率不足30%。
国家十分重视大型能源基地建设的生态环境保护问题， 相继颁布了一系列的规划和政策， 包括: ?国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意见???国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)???煤炭行业十二五规划???矿山生态环境保护与污染防治技术政策? 等。
2.大型煤炭基地地下水和地表生态保护是煤炭科学开发的重要基础
大型能源基地是我国煤炭开发的主战场， ?中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要? 提出: 从“十二五” 开始， 我国将逐步形成山西?鄂尔多斯盆地?西南和蒙东?新疆五大国家综合能源基地， 建设安全高效煤矿， 推进煤炭资源整合和煤矿企业兼并重组， 发展大型煤炭企业集团。?规划? 还明确要加快陕北?黄陇?神东?蒙东?宁东等大型煤炭基地建设， 稳步推进晋北?晋东?云贵大型煤炭基地建设， 启动新疆煤炭基地建设。
晋陕蒙宁甘地区是我国大型煤炭基地的聚集地， 该地区2013 年煤炭产量占全国的71%， 表明西部已成为我国煤炭的主产区。但该地区水资源短缺和地表生态脆弱的客观条件已严重制约煤炭的可持续开发。
3.晋陕蒙接壤区煤炭现代开采地下水保护利用和地表生态修复问题尤为突出
晋陕蒙接壤区域是典型的生态脆弱区， 该区域煤炭资源储量大?煤层埋藏较浅?地质条件和水文条件相对简单， 开发条件好。作为我国煤炭资源开发的重点区域， 已建成我国生产规模大?安全高效矿井集中?机械化水平高的煤炭生产集中区域。其中， 神东矿区已成为拥有14 个千万吨矿井的世界唯一的2 亿吨级矿区。由于晋陕蒙接壤区地处干旱半干旱地区和沙漠边缘， 地貌破碎?植被稀疏?水资源匮乏， 煤炭资源大规模开采产生的地表生态退化和地下水系统破坏， 加剧了地下水资源短缺和地表生态脆弱。
4.晋陕蒙接壤区亟待建立煤炭现代开采的地下水保护利用和地表生态修复新模式
晋陕蒙接壤区是山西省?陕西省和内蒙古自治区接壤地带， 位于鄂尔多斯高原东南部及陕北黄土高原北缘和毛乌素沙漠的东南边缘。黄土高原区内沟壑纵横， 形成梁峁?沟壑和土塬三种地貌， 侵蚀活跃， 水土流失严重。毛乌素沙漠的东南边缘区内散布着大小不等的沙滩地， 不少为继续流动沙及半固定沙所覆盖， 一般沙层厚为几米到十几米， 有的地方厚达几十米。而在黄土高原区—毛乌素沙漠过渡区， 地形相对平缓开阔， 区内土地贫瘠，水土流失严重， 土地沙化尚未完全控制， 黄土沟壑与风积沙两种生态立地特征显著。
由于该区煤炭资源丰富， 开采条件简单， 特别适宜于煤炭规模化开采。近年来， 以安全?高效?高回收率为特点的煤炭现代开采大幅度提升了煤炭产量， 但也加剧了大规模高效率开采与地下水保护利用及地表生态修复的矛盾。因此， 针对西部生态脆弱区的黄土沟壑与风积沙地貌两种典型生态立地条件， 探索煤炭现代开采过程中地下水保护利用与生态修复模式， 对西部生态脆弱区煤炭科学开发具有重要意义。
1.1.2 研究意义
晋陕蒙接壤区煤炭现代开采地下水保护利用及生态修复技术研究与示范是在我国西部生态脆弱区， 将煤炭开采?地下水保护利用和生态修复相结合， 通过系统研究， 建立适应于西部生态脆弱区典型立地条件的地下水保护利用与生态修复模式， 支撑我国西部生态脆弱区大型煤炭基地的科学开发。
1.提高地下水资源保护利用水平是缓解大型煤炭基地水资源短缺矛盾的重要途径
地下水资源是煤炭现代开采中影响最直接的生态环境要素， 也是修复地表生态系统的重要资源。煤炭现代开采形成大范围的导水裂隙带， 导通第四系含水层和基岩裂隙含水层， 形成了大量矿井水。长期以来， 为保障生产安全， 矿井水通常外排地表， 由于西部生态脆弱区地表蒸发量大， 矿井水外排后很快蒸发损失， 这是西部生态脆弱区煤炭开采地下水损失的主要原因。
因此， 针对西部生态脆弱区大型煤炭基地的地下水资源特点， 研究煤炭开采三类地下水(地表土壤水?第四系孔隙水?基岩裂隙水) 的运移规律， 建立有效的煤炭现代开采地下水保护利用模式， 提高大型煤炭基地的地下水资源保护利用水平， 对缓解西部大型煤炭基地水资源短缺矛盾具有重大意义。
2.建立煤炭现代开采生态修复模式是大型煤炭基地生态系统恢复重建的关键
煤炭现代开采以安全高效高回收率为特征， 是我国未来大型煤炭基地煤炭开发的主要方式。与传统的煤炭开采方式相比， 现代开采对地表生态影响范围大， 但地表沉陷稳定时间短。因此， 采用传统的土地复垦方式难以实现现代开采条件下地表生态的快速修复。根据西部大型煤炭基地地表生态的特点， 研究不同立地条件下现代开采对采动覆岩?地下水系统?地表生态的影响规律， 建立有效的现代开采生态修复模式， 对实现大型煤炭基地可持续开发具有重要意义。
3.煤炭现代开采生态减损是煤炭科学开采的重要内容
煤炭现代开采是应用现代化管理系统， 进行规模化高强度连续生产的过程。如神东矿区普遍采用的超大工作面(顾大钊， 2013b) 开采工艺， 工作面长度达到300m 以上， 推进距离超过4000m， 推进速度达到15m/ d。
煤炭现代开采对地下水和地表生态的影响程度(或损伤程度) 与煤炭开采条件及开采工艺方法密切相关。煤炭现代开采对地下水和地表生态的影响， 可分为采前?采中?采后状态。针对大型煤炭基地的煤炭资源赋存特点， 研究不同开采工艺参数下的开采影响程度， 优化开采工艺与方法， 最大限度地减少煤炭现代开采对地下水系统和地表生态的损伤程度， 对西部大型煤炭基地可持续开发具有重大意义。
4.生态修复技术是提高西部大型煤炭基地生态修复效率的重要支撑
我国每年煤炭开采沉陷区的治理面积不足开采影响面积的30%。与东部地区相比， 西部生态脆弱区的地表生态自我维持及持续恢复能力差， 煤炭开采作用下的生态承载能力低。
根据煤炭现代开采对地表生态影响的特点， 针对西部大型煤炭基地的煤炭赋存和地表生态约束特点， 进一步研究煤炭现代开采对地表生态的影响途径和方式?生态脆弱性及生态承载力的关系?生态修复技术的作用程度和采后自然作用力等问题， 突破生态修复关键技术， 寻求自然作用与人类作用的最佳结合， 积极探索现代开采条件下低成本?高效率和高效益的地表生态保护和修复途径， 对提高地表生态修复效率具有重要意义。
1.2 国内外相关研究与实践现状
煤炭开采对地下水和地表生态影响是人们长期关注的问题， 特别是进入21 世纪， 生态环境问题对社会发展的影响日趋严重， 使得人们对煤炭资源大规模开发带来的生态环境问题更加关注， 推动了该领域的研究与实践。
1.2.1 煤炭开采地表沉陷规律与控制
煤炭开采形成采动覆岩导水裂隙和地表沉陷， 改变了地下水赋存环境和地表层结构，也改变了地下水循环和地表植物生长条件。
在开采沉陷规律研究方面， 国外较早的有比利时的“垂线理论”?Gonot 的“法线理论”?Jicinsky 的“二等分线理论”?哥尔哈的“自然斜面理论”?Fayol 的“圆拱理论”?Hausse 的“分带理论” 等。进入20 世纪以后， Halbaum 提出了悬臂梁模型， 即将采空区上方岩层看作悬臂梁， 由此推导得出地表应变与曲率半径成反比，Korten 由实测数据总结出水平移动与变形的分布规律、Fckardt 视岩层移动过程为各岩层的逐层弯曲、Lehmann 认为地表沉陷类似一个褶皱过程。Schmitz?Keinhorst?Bals 等人提出和发展了开采沉陷影响分布的几何理论、 原苏联学者阿维尔申?柯洛特科夫?柯尔槟科夫以及卡查柯夫斯基等先后采用弹性力学?塑性力学及地表移动观测等方法建立了岩层移动的“三带理论”。
英国?德国?土耳其?原苏联等国家的学者， 在山区地表移动和采动坡体的稳定性研究中， 初步掌握了边坡破坏的基本规律及治理技术(Peng， 1989、 Bahuguna， 1991)， 采用数值模拟(Watson， 2004)?神经网络元(Singh et al.， 2008) 等方法研究了采动引起的山体滑坡机理及规律。如Donnlly 等通过对Pennines 滑坡与South Wales 滑坡的分析对比， 得出软弱夹层降低了边坡的稳定性， 并提出了山体滑坡具有蠕变特性(Donnelly etal.， 2002)、 Ghose (2004)?Greco (1996)?Homoud (1999) 等利用断裂力学和塑性力学理论研究了采动滑坡力学机理、 Chamine 和Bravo (2003)?Luo 和Peng (1999) 等应用计算机模拟技术研究了采动斜坡体的动态变形计算模型。此外， 英国曾进行过山区地表移动的相似材料模拟实验研究， 美国设置了山区地表移动观测站， 但少有山区地表移动理论方面的研究(Bauer， 1966、 Nova， 2006)。
我国在地表沉陷规律方面研究较早， 具有代表性的研究成果包括: 钱鸣高的“砌体梁理论” 和“关键层理论” (钱鸣高等， 1996， 2000， 2003)、 何国清的地表下沉盆地剖面的偏态表达式“威布尔分布” (何国清等， 1982)、 李增琪的基于“层梁板的弯曲理论”岩层与地表移动模式(李增琪， 1982)、 杨伦的岩层二次压缩模型(杨伦?于光明，1987)、 张玉卓的岩层移动位错模型(张玉卓等， 1987)、 宋振琪的传递岩梁假说(宋振琪， 1988)、 邓喀中的岩体开采沉陷结构效应(邓喀中， 1998)、 吴立新?王金庄的条带开采覆岩破坏的托板模型(吴立新?王金庄， 1994)、 黄庆享的浅埋煤层“砌体梁模型” 和 “台阶岩梁模型” (黄庆享， 2000)、 吴侃等的采空区上覆岩层移动破坏动态力学模型(吴侃等， 2000) 等。
我国在开采裂缝研究方面也取得了一系列的研究成果(何万龙等， 1991、 汤伏全?梁明， 1995、 余学义等， 2003、 惠东旭等， 2003、 Tang， 2009)， 特别是加强了西部矿区采动岩层破断及地裂缝灾害的研究(任伟中等， 2005、 黄森林等， 2006)。其中， 在西部生态脆弱区研究发现了地表高角度裂缝和台阶下沉等现象(孙洪星， 2008、 康建荣， 2008)。基于现场观测数据， 分析了采动裂缝发育的四个阶段及形成机制， 模拟研究了厚砂土层条件下的地表裂缝发育
精彩内容
本文在总结前人研究与实践成果基础上，以大型煤炭基地的地下水和地表生态为系统，采用多学科优选的探测技术与试验方法，开展了煤炭现代开采全过程的地下水和地表生态系统响应的多尺度分析和保护关键技术的研究与实践。成果揭示了“三类地下水”（地表土壤水、第四系潜水、基岩裂隙水）的开采影响规律和“三水”（地表水、地下水、矿井水）的相互转化关系，提出了大型煤炭基地的水资源承载力模型和矿井水资源化优化利用工艺和方法、基于水资源优化配置和利用的调控方法。
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