陕北侏罗系煤田开采环境工程地质模式研究

发布时间：2020-04-22 12:01

【摘要】：我国煤炭资源开采重心已快速转移到西部生态地质环境脆弱的矿区。西部矿区在丰富的煤炭资源与短缺的水资源和脆弱的生态地质环境之间的矛盾日益凸显,已成为区域能源开发、经济社会发展和生态地质环境保护的“瓶颈”。因此,以陕北煤炭基地榆神府矿区为例,围绕“环境工程地质模式演变机理”这一科学问题,采用理论分析、现场实测、数值模拟及野外调研等多种方法,按照生态-水-煤系空间赋存地质结构特征→覆岩-土结构导水裂隙带发育高度→环境工程地质模式区划→环境工程地质模式应用→不同保水采煤等级的水资源保护方法的思路展开研究。主要成果如下:(1)提出、区划了4种天然生态地质环境类型(潜水沙漠滩地绿洲型、地表水沟谷河流绿洲型、地表径流(黄土)沟壑型和区域性(深埋)地下水富集型),并分别确定了生态地质环境类型与归一化植被指数的关系;探查确定了13个水文地质结构类型;以水资源和生态环境保护为目的,结合生态地质环境类型、水文地质结构类型,从而建立了陕北榆神府矿区生态-水-煤系地质结构模型。(2)从开采强度、覆岩主关键层位置、覆岩硬岩比例系数及覆岩岩体结构特征阐述了西部矿区导水裂隙带发育高度异常增大的原因;将西部侏罗系煤层覆岩岩体结构特征分为层状结构和整体状结构两种结构类型,进而,基于薄板理论通过对比各岩层的极限挠度与下部自由空间高度,解析了导水裂隙带发育至基岩中的理论高度预计公式;基于普氏理论和岩体极限平衡理论,解析了导水裂隙带发育至土层中的理论高度预计公式。由于土层段泥浆护壁等原因,导致冲洗液消耗量、钻孔水位或钻孔电视图像在土层段无法被准确观测,进而无法判断裂隙发育的真实导水性,因此,微电阻率扫描成像测井技术应用于导水裂隙带发育至土层中高度实测,并验证了理论预计公式的合理性。(3)在导水裂隙带发育高度贯穿基岩进入土层的前提下,工作面覆岩中土层厚度与基岩厚度的比值(土基比)小于0.5时,导水裂隙带发育高度受到抑制作用;当土基比大于0.5时,导水裂隙带发育高度受到促进作用。与导水裂隙带发育高度实测值对比分析,定义了导水裂隙带发育高度抑制(促进)系数,并拟合了抑制(促进)系数与土基比的关系,得出:抑制系数与土基比成对数关系,促进系数与土基比成幂函数。(4)根据采煤活动对潜水和生态地质环境的影响程度,提出、定义了4种类型的环境工程地质模式:环境友好型、环境渐变恢复型、环境渐变恶化型和环境灾变型。建立了四种环境工程地质模式类型的分区方法:根据覆岩-土导水裂隙带高度计算残余隔水层厚度→根据浅表层水漏失量,补给量及水位变化的关系,分别确定环境友好型与环境渐变恢复型、环境渐变恢复型与环境渐变恶化型、环境渐变恶化型与环境灾变型之间残余黄土、红土或者基岩厚度的临界值,即确定环境工程地质模式阈值→在分析环境工程地质模式阈值和残余隔水层厚度组合线性变化规律的基础上,制定区划标准图(判别方程)→区划榆神府矿区环境工程地质模式。(5)从地表植被生态环境、萨拉乌苏组潜水水位和环境工程地质模式分区标准方程三个角度证实了环境工程地质模式分区结果的可靠性。其一,通过野外调研12个工作面的采前、采后地表植被生态环境的变化证实了环境工程地质模式区划的准确性。其二,采用地下水位监测系统对金鸡滩煤矿108工作面萨拉乌苏组潜水水位变化进行监测,结合地表沉陷监测数据,辨析环境工程地质模式的类型,并与108工作面的野外调研结果相互验证,监测结果表明:萨拉乌苏组潜水水位在工作面开采过程中表现出下降→稳定→上升三个阶段;工作面开采前后潜水位变化范围为0.4~2.5m,仍然在陕北生态安全水位范围内,可知,萨拉乌苏组砂层潜水没有漏失,工作面所对应的环境工程地质模式为环境友好型。其三,在分布式光纤技术监测金鸡滩煤矿108工作面导水裂隙带高度的基础上,基于环境工程地质模式分区标准方程判别环境工程地质模式类型,结果表明:金鸡滩煤矿108工作面的环境工程地质模式是环境友好型。(6)建立了环境工程地质模式应用方法,即提出矿区(井)保水采煤等级概念及其划分方法:在分析地表水系和萨拉乌苏组砂层潜水水资源单位面积贮存量的基础上,首先,计算了研究区浅表层水资源单位面积总贮存量,并将其划分为三个等级:水资源贫乏区、水资源中等区和水资源丰富区;然后,结合四种环境工程地质模式,区划了研究区规划矿井的保水采煤等级,深化了保水采煤思想内涵、便于工程实践应用。(7)提出了不同矿区(井)保水采煤类型的水资源保护方法,并在一级保水采煤矿井区域以充填开采为例,基于理论分析和数值模拟方法,建立了充填开采中充实率与导水裂隙带发育高度及四种环境工程地质模式类型的演变关系。该论文有图69幅,表23个,参考文献259篇。
【图文】：

问题,采煤活动,环境工程地质,侏罗系煤层

（a）植被死亡、荒漠化加剧（b）河沟断流图 1-2 采煤引起的生态地质环境问题Figure 1-2 Eco-geological environmental problems caused by mining activities随着西部矿区侏罗系煤层开采规模不断扩大，引起的生态地质环境灾害已开始严重影响区域经济、能源开发的可持续发展甚至社会稳定。因此，十分迫切的研究采煤活动与地质环境、生态环境的关系；研究如何避开或改造不利地质因素对工程的影响，并预测和评价采煤活动可能引起的地质环境变化及其带来的影响，并论证生态地质环境保护和采煤活动的合理性等。其中，涉及到的关键科学问题有：西北煤田生态-水-煤系空间赋存地质结构特征如何？西北侏罗系煤层开采诱发的上覆导水裂隙带发育高度异于我国东部石炭-二叠系煤层开采导高的原因及其发育规律如何？采煤活动与生态地质环境的组合或响应关系，即环境工程地质模式，如何识别和区划？环境工程地质模式如何得以应用？以及针对水资源的保护与利用，如何提出有效的工程地质技术措施，保证西部侏罗系煤层绿色安全开采？本课题的研究能够降低西部矿区水资源流失和生态地质环境劣化的风险，更

地理位置,榆神府矿区,气象气候,边界

the Study Area从地理位置、地形地貌、气象气候和植被环境四个方面介绍了研究区的自然地理概况；从研究区地层岩性、煤层赋存规律、地表水系和含（隔）水层特征，，和地质构造四个方面阐述了研究区的地质环境，为论文研究的开展奠定基础。2.1 自然地理概况（Overview of Physical Geography）对研究区的地理位置、地形地貌、气象气候和植被环境做了简要概述。2.1.1 地理位置榆神府矿区是陕北侏罗系煤田中最大的煤炭基地，位于陕西省榆林榆阳区，如图 2-1 所示。榆神府矿区的西北边界为陕西省与内蒙古自治区的交界，南部边界为榆横矿区与榆神府矿区的边界，东北部边界为新民矿区与榆神府矿区的边界。研究区包括神府矿区和榆神矿区（包括一期、二期、三期、四期规划区）（图 2-1），呈不规则的多边形，南北最长处约 106 km，东西最宽处约 97 km，总面积约 6334km2。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD167

【参考文献】