井下采煤的地表水土流失及植被效应研究——以彬长矿区为例

摘要

水土流失是国际上公认的头号生态环境问题，同时也被我国列为地质灾害的主要类型。黄土高原是我国水土流失最为严重的区域之一，陕西、山西、甘肃的近半数煤矿分布在此区域，水土流失作为煤矿区主要的环境地质问题，严重制约着本区煤矿的可持续的发展。本文以地处黄土高原沟壑区陕西省咸阳市北部、国家规划的13个煤炭基地—黄陇基地的主力矿区------彬长矿区为研究区，通过该矿区9个主要生产煤矿的地质、采矿、水土流失、土壤、植物调研以及土壤、植物样品的采集分析，运用灰色关联分析法，以彬长矿区地表坡面形态和井下采煤特征为基础，对数值模型的框架进行设计，包括地表坡面形态设计和开采煤层覆岩结构设计。以采厚、采深、地表坡度及相应坡长为变化因素，构建了2个系列共45个数值模型。以FLAC3D为实验平台，对每一个数值模型井下开采进行模拟，并通过编程提取下沉、水平移动数据，筛选出开采煤层厚度（采厚）和采煤深度（采深），作为影响地表水土流失的井下关键因子。
　　研究了采厚、采深对地表坡面形态和地表坡面土壤侵蚀的影响规律。并结合代表性样点植物群落特征调查，研究了采煤活动对弃渣场和沉陷区植被的影响作用；得到如下主要结论：
　　（1）地表坡度随着采厚的增加而呈现增大的变化趋势，自然坡度越大，该变化趋势越明显。地表坡度随采厚增加而增大的变化趋势因自然坡度不同而异。地表坡面坡长会随着采厚增加而呈现减小的变化趋势，且整体上表现为自然坡度越小，该变化趋势越明显。地表坡长随采厚增加平均减小率因自然坡度不同而不同。
　　（2）地表坡度的增幅随着采深增加而呈现减小的趋势，且自然坡度越大，该变化趋势越明显。地表坡度增幅随采深增加而减小的变化趋势因自然坡度不同而异。地表坡面坡长减幅会随着采深增加而呈现减小的变化趋势，且整体上表现为自然坡度越小，该变化趋势越明显。地表坡长随采深增加平均减小率因自然坡度不同而不同。
　　（3）采厚增加导致地表坡度增大、坡长减小，从而导致侵蚀模数随之增大，土壤侵蚀增强。
　　（4）采深增加导致地表坡度增幅和坡长减幅变小，从而导致坡面的侵蚀模数增幅随之减小
　　（5）依坡度及深厚比，将彬长矿区采煤后形成的连续破坏形态的下沉盆地划分为缓倾斜—连续破坏型、倾斜—连续破坏型、陡—连续破坏型、急陡—连续破坏型4种类型，并给出了每种下沉盆地判定的条件。
　　（6）采煤沉陷区与非沉陷土壤养分、水分在坡度小于15°时变化不显著，大于15°时沉陷区土壤养分水分减小，且大于2m以下土壤有干化现象。在坡度小于15°时，沉陷对群落中物种种类构成与物种多样性影响较小，但在坡度大于15°时乔木比例与群落生物量减小。
　　基于研究结果，提出了控制采厚、采取分层开采、人工干预改善开采沉陷区土壤理化性质，依据群落演替规律指导植被恢复，提高群落正向演替速度的控制开采沉陷区水土流失的井下及植物措施。

目录

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1 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状与进展

1.3研究内容与方法

2 研究区自然地形地貌及水土流失特征

2.1黄土高原沟壑区自然地理概况

2.2彬长矿区煤炭赋存特征与开采概况

2.3彬长矿区水土流失特征

2.4本章小结

3井下采煤对地表地形的影响与模拟

3.1 水土流失影响因子

3.2彬长矿区地表坡面形态及井下采煤特征

3.3井下关键因子甄选

3.4井下关键因子影响地表坡面形态的数值模拟实验

3.5井下关键因子对地表坡面形态的影响规律分析

3.6井下关键因子对下沉盆地形态的影响

3.7本章小结

4 井下采煤对坡面土壤侵蚀影响

4.1彬长矿区土壤侵蚀的基本特征

4.2采厚对土壤侵蚀的影响规律分析

4.3采深对地表侵蚀的影响规律分析

4.4煤矿沉陷区针对性的水土保持措施

4.5本章小结

5 采煤对地表植被的影响

5.1 采煤水土流失重点区

5.2 采煤对地表土壤理化性质的影响

5.3 采煤对植物群落结构的影响

5.4影响植物群落结构因子

5.5煤矿区植被恢复过程中针对性的水土保持措施

5.6 本章小结

6 结论

6.1主要结论

6.2创新点

6.3问题与展望

致谢

参考文献

附录

Ⅰ 攻读博士学位期间发表的学术论文

Ⅱ 攻读博士学位期间获得的专利和奖励

Ⅲ 攻读博士学位期间主持或参与的科研项目