煤炭能源开发与地质环境相互反馈效应调控的研究思路和方法

通过广泛的资料收集、遥感、野外地质调查、采样测试、野外实验和室内实验，调查研究了整个鄂尔多斯盆地煤炭开发与地质环境之间的相互反馈效应。在此基础上，选择大柳塔矿区和铜川矿区作为两个重点研究区域，结合地质环境、环境保护现状和国外最新地质环境保护技术，对其现有生态环境保护和建设方案进行优化。通过前期研究，发现了重点区域生态环境建设中应解决的关键问题，为煤矿区生态地质环境建设提供了可靠的技术支撑。

二、研究内容

1)“基地”煤炭开发与地质生态环境相互反馈效应的调查研究。

2)典型煤矿区现有生态环境保护与建设优化方案。

3)典型煤矿区关键技术研究。

三、技术路线

1.在“基地”煤炭开发与地质生态环境相互反馈作用的调查研究中，

通过采样和实验，进一步调查了“基地”煤炭开发造成的水-土-环境污染和生态环境破坏的现状，分析了其类型、强度和内在机理。同时，利用遥感解译手段，调查了“基地”煤炭开发引起的水土生态环境变化的地表分布特征和规律。此外，还探讨了环境保护措施对研究区能源开发的反馈作用。

(1)地面测量

内容包括地下水排水、矿山废水排放、地面沉降和地裂缝、地表植被破坏等。

(2)遥感解译

选择适当精度的遥感影像进行解译，包括煤矿开采前后地质生态环境的变化，露天煤矿和尾矿库的分布。

(3)环境保护措施对煤矿开采的反馈效果调查。

调查内容包括洁净煤生产技术应用、矿山废水处理等环境修复措施以及各类塌陷地复垦的生态、社会和经济效益。

2.针对典型煤矿区现有的生态环境保护和建设优化方案。

在典型煤矿区互馈效应调查的基础上，进一步将重点区域正在实施的生态环境保护和建设方案与国内外其他能源基地生态环境保护和治理的方法和手段进行对比，总结各种生态保护和建设方案的优缺点， 并根据重点地区煤炭开发引发的水土生态地质环境问题的特点，探讨了重点地区各种生态建设方案的优化措施，对重点地区具有利用前景的方法做了进一步深入的调查研究，制定了切实可行的优化方案。

3.典型煤矿区技术攻关。

根据前期研究，寻找重点区域生态环境建设中应解决的关键问题进行技术攻关，利用研究成果开展关键技术的应用示范。在深入分析的基础上，选择了大柳塔采煤塌陷区土壤水资源综合利用技术、铜川矿区水资源保护技术、地面塌陷与地裂缝灾害治理技术、煤矸石利用技术等开展重点研究。

四。工作方法

本文通过广泛的资料收集、遥感、野外地质调查、采样测试、野外实验和室内实验，重点研究了铜川矿区和大柳塔矿区两个典型研究区。铜川矿区是黄土地区即将关闭面临转型的老矿区，大柳塔矿区是黄土与沙漠交界地带的新矿区。分析了两个矿区在煤炭开发过程中面临的不同地质环境问题及防治措施。在此基础上，对两种不同类型矿区存在的关键技术问题进行了攻关，提出了地质环境保护的优化方案。

重点区域的遥感解译方法和工作方法如下:

(A)遥感解释方法

1.研究内容

以大柳塔矿区为例，研究了煤炭资源开发对地质环境的影响，通过多期遥感影像对比，分析了环境保护和治理技术对矿区地质生态环境的改善效果。

主要研究内容包括以下几个方面:

(1)遥感数字图像处理

对研究区的TM、ETM+和SPOT-5等遥感数字影像进行预处理和增强，使矿区的第五信息特征明显，易于识别。

(2)遥感信息提取

通过人机交互解译，提取了鄂尔多斯盆地矿区1989至2002年的土地利用与覆盖变化信息。2007年，矿区开发占用土地信息、引发的地质灾害和矿山生态环境恢复预处理信息等。

(3)制作遥感影像专题图。

1989和2002年大柳塔矿区土地利用/覆盖动态监测图；矿区生态环境遥感监测图；大柳塔矿区地质环境遥感影像解译等图件制作。

2.技术路线

(1)土地利用/覆盖动态监测

1)收集研究区1989的TM数据和2002年的ETM+数据；

2)同时进行波段选择、数据校正等常规预处理，使相关数据统一在同一个地理坐标上；

3)根据初步处理后的遥感影像进行野外调查，建立基础解译标志；

4)人机交互解译土地利用/覆盖动态变化，并分析解译精度；

5)对解释结果进行面积统计和分析。

(2)环境调查和监测的技术路线

1)收集资料，了解矿山地质、地貌和环境特征，矿山开采的现状和历史，矿山尾矿和废矿石的排放和堆积情况；

2)对SOPT五号数据进行图像增强、波段选择和正射纠正；

3)根据初步处理后的遥感影像进行野外调查，建立基础解译标志；

4)人机交互解译SPOT-5数据，意味着矿产开发占用的土地和地质环境的破坏。

(2)大柳塔矿区采用的主要方法

通过对大柳塔矿区煤炭开发引起的地质环境现状、现有地质环境保护措施以及现有保护措施对煤炭开发的促进作用的综合调查，发现该矿区煤炭开发引起的主要地质环境问题是地面塌陷。地面沉降对该矿区的土壤资源和水资源造成了严重的破坏。特别是矿区地面沉降引起的包气带结构变化及其对土壤水分运输器制造的严重影响，是矿区生态环境恶化的主要原因。因此，为了深入了解采煤沉陷区包气带土壤水分的运动，探讨采煤沉陷区土壤水资源保护与综合利用的技术方案，本项目采用野外实验与室内实验相结合的方法，在研究区选择典型位置建立野外水分运动试验场；针对包气带水分运移的难点，开展室内物理模拟实验作为野外实验的补充，重点研究采煤沉陷条件下包气带水分运移机理及其生态环境效应，进而提出采煤沉陷区土壤水资源保护与综合利用技术方案。具体工作方法如下:

1.现场水分迁移测试方法

(1)测试目的

为了分析和认识采煤沉陷区和非沉陷区包气带水分迁移机理及其生态环境效应，获得可靠的实验观测数据。

(2)试验场地

田间水分迁移试验场(以下简称试验场)选在陕西省神木县大柳塔镇前六塔村原双沟农场，试验场平面布置见图1-2。

图1-2大柳塔野外试验场平面布置图

(3)观察点

试验场地包含两个观测点，即非沉陷区水分迁移观测点和沉陷区包气带水分迁移观测点。

(4)装置

每个测试点安装1套4m深中子探测器管和1套负压计系统，每套负压计系统配备30个负压测头(根据实际情况调整)。整个试验场需要一个中子仪和两套WM-1负压仪系统。

(5)监测方法

用中子仪监测土壤含水量。在试验场地沉陷区和非沉陷区的试验点安装中子水分仪观测管，在40个试验点测量田间试验点的土壤含水量。第一个测点距地表10cm，200cm以上测点间距为10cm。200 ~ 400cm深度，测点间距20cm，400cm为最深测点。封冻期间，每个测点每10d观测1次。冻融期开始后，观测改为每3天1次。雨后第一、三天观测1次，之后改为每3天正常观测1次。

土壤水势采用WM-1负压计系统监测。负压计测量系统采用斜插埋入式安装。测点位置与含水量测点位置一致，即第一个测点距地表10cm，200cm以上测点间距为10cm；深度200 ~ 400cm，测点间距20cm，400cm为最深测点。总共有30个测量点。负压计的观测时间和次数与中子计的观测同步。

2.水分运移的室内物理模拟实验方法。

(1)实验目的

1)了解细砂(风成砂)、粗砂(萨拉乌苏组粗砂)、二元结构(上部细砂，下部粗砂)条件下包气带水分运移；

2)了解不同降雨条件下包气带水分迁移规律；

3)了解包气带漏水的过程和规律。

(2)试验场地

中国地质科学院水文地质与环境地质研究所物理模拟大厅。

(3)装置

土柱、水位测压管、万豪瓶水位控制装置、流量测量装置、物理模拟实验降雨装置、WM-1负压计系统。

(4)试验性土壤测试

物理模拟实验模型的试验土取自大柳塔，是双沟野外试验场的两种主要土——细砂(风积砂)和粗砂(萨拉乌苏组粗砂)。土工试验的机械组成见表1-1。试验土填充在4个高4m的土柱中，其中1#土柱全部为风积沙；2#土柱全是粗砂；3#和4#土柱为二元结构(上部为风积砂，下部为粗砂)，进行平行实验。

表1-1试验土颗粒分析表

(5)试验前工作——土工试验预处理和负压计安装。

试验土填充后，土柱自下而上饱和。完全饱和15d，然后排水，使试验土在排水过程中自然稳定。排水结束后，在土柱上安装负压计。详见表1-2。

(6)测试内容

1)单次40mm降雨入渗试验；

2)三次叠加降雨入渗试验(降雨量计划为10mm、20mm、8mm，降雨间隔分别为7天、15d)；

表1-2室内试验土柱信息列表

3)100mm的单次降雨入渗试验(各土柱降雨量信息见表1-3至表1-6)。

(7)观察法

室内实验采用WM-1负压计系统对土壤水势进行长期观测，一般每天两次，分别在上午7:00和下午6:00。在下雨期间及随后几天进行了密集观测(具体次数根据湿润锋移动速度而定)，是实验期间正常工作的WM-1负压系统的观测板。土壤含水量是通过取土来观察的。

表1-3 1 #土柱模拟降雨信息列表

表1-4 2 #土柱模拟降雨信息列表

表1-5 3 #土柱模拟降雨信息列表

表1-6 4 #土柱模拟降雨信息列表

(3)铜川矿区采用的主要方法

1)通过收集资料和调查走访，初步了解了铜川矿区存在的矿山地质环境问题。通过资料收集、实地调查和样品采集，分析了铜川矿区存在的地质环境问题，并分析了原因，特别关注煤炭开发与矿区地质环境问题的关系。针对铜川矿区存在的主要地质环境问题，重点研究了煤矸石对环境的影响、煤炭开发对水资源的影响以及地面塌陷的影响。

2)为了研究煤炭开发对水资源的影响，在铜川矿区的地下储水、排污口、污水处理厂、煤矸石渗滤液、河流中采集水样，研究煤炭开发对水资源污染的影响，同时调查收集了煤炭开采引起的地下水资源水位、水量、水质、水源的变化。

3)为了研究煤矸石对环境的影响，进行综合利用，在不同矿区采集煤矸石样品，测定其化学成分，并对矿区煤矸石的利用现状进行了调查和走访。

为了观察粉尘对土壤的影响，在矸石山下风向采集表层土壤样品。采样线沿风向布置，每个采样点到矸石山的距离分别为5m、10m、15m、20m、30m、50m、150m、300m和500m。在1000m以外采集样品作为背景值，表土取自每个土样(0 ~ 6000)。

为了研究煤矸石山对土壤的影响，在距离煤矸石山1m和5m处采集了两个土壤剖面样品。两个剖面中采样点与地面的距离分别为0cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，80cm，100cm，120cm，140cm，160cm。每个样品取200克，分析土壤中的可溶性盐，并测试重金属含量。

为了研究矸石山对植物的影响，在矸石山周边和背景区域采集植物的全茎样品，测定重金属含量。根据重金属含量在植物中的富集，一方面可以了解煤矸石对周围植被的影响；另一方面，重金属污染也可以根据植物积累一些重金属的能力进行治理和修复。

4)为了研究矿区的地面沉降和地裂缝，课题组不仅收集了铜川矿务局的地面沉降资料，还对矿区的一些地面沉降和地裂缝进行了实地调查。

5)为改善矿区环境，促进城市转型，在上述工作的基础上，对铜川矿区地面塌陷、煤矸石、水资源的治理进行优化规划，希望实现煤矸石、矿井水的利用，减少污染，保护环境，改善环境，为城市的顺利转型做好工作。