【摘要】：我國煤炭資源開采重心已快速轉移到西部生態(tài)地質環(huán)境脆弱的礦區(qū)。西部礦區(qū)在豐富的煤炭資源與短缺的水資源和脆弱的生態(tài)地質環(huán)境之間的矛盾日益凸顯,已成為區(qū)域能源開發(fā)、經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)地質環(huán)境保護的“瓶頸”。因此,以陜北煤炭基地榆神府礦區(qū)為例,圍繞“環(huán)境工程地質模式演變機理”這一科學問題,采用理論分析、現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬及野外調研等多種方法,按照生態(tài)-水-煤系空間賦存地質結構特征→覆巖-土結構導水裂隙帶發(fā)育高度→環(huán)境工程地質模式區(qū)劃→環(huán)境工程地質模式應用→不同保水采煤等級的水資源保護方法的思路展開研究。主要成果如下:(1)提出、區(qū)劃了4種天然生態(tài)地質環(huán)境類型(潛水沙漠灘地綠洲型、地表水溝谷河流綠洲型、地表徑流(黃土)溝壑型和區(qū)域性(深埋)地下水富集型),并分別確定了生態(tài)地質環(huán)境類型與歸一化植被指數(shù)的關系;探查確定了13個水文地質結構類型;以水資源和生態(tài)環(huán)境保護為目的,結合生態(tài)地質環(huán)境類型、水文地質結構類型,從而建立了陜北榆神府礦區(qū)生態(tài)-水-煤系地質結構模型。(2)從開采強度、覆巖主關鍵層位置、覆巖硬巖比例系數(shù)及覆巖巖體結構特征闡述了西部礦區(qū)導水裂隙帶發(fā)育高度異常增大的原因;將西部侏羅系煤層覆巖巖體結構特征分為層狀結構和整體狀結構兩種結構類型,進而,基于薄板理論通過對比各巖層的極限撓度與下部自由空間高度,解析了導水裂隙帶發(fā)育至基巖中的理論高度預計公式;基于普氏理論和巖體極限平衡理論,解析了導水裂隙帶發(fā)育至土層中的理論高度預計公式。由于土層段泥漿護壁等原因,導致沖洗液消耗量、鉆孔水位或鉆孔電視圖像在土層段無法被準確觀測,進而無法判斷裂隙發(fā)育的真實導水性,因此,微電阻率掃描成像測井技術應用于導水裂隙帶發(fā)育至土層中高度實測,并驗證了理論預計公式的合理性。(3)在導水裂隙帶發(fā)育高度貫穿基巖進入土層的前提下,工作面覆巖中土層厚度與基巖厚度的比值(土基比)小于0.5時,導水裂隙帶發(fā)育高度受到抑制作用;當土基比大于0.5時,導水裂隙帶發(fā)育高度受到促進作用。與導水裂隙帶發(fā)育高度實測值對比分析,定義了導水裂隙帶發(fā)育高度抑制(促進)系數(shù),并擬合了抑制(促進)系數(shù)與土基比的關系,得出:抑制系數(shù)與土基比成對數(shù)關系,促進系數(shù)與土基比成冪函數(shù)。(4)根據(jù)采煤活動對潛水和生態(tài)地質環(huán)境的影響程度,提出、定義了4種類型的環(huán)境工程地質模式:環(huán)境友好型、環(huán)境漸變恢復型、環(huán)境漸變惡化型和環(huán)境災變型。建立了四種環(huán)境工程地質模式類型的分區(qū)方法:根據(jù)覆巖-土導水裂隙帶高度計算殘余隔水層厚度→根據(jù)淺表層水漏失量,補給量及水位變化的關系,分別確定環(huán)境友好型與環(huán)境漸變恢復型、環(huán)境漸變恢復型與環(huán)境漸變惡化型、環(huán)境漸變惡化型與環(huán)境災變型之間殘余黃土、紅土或者基巖厚度的臨界值,即確定環(huán)境工程地質模式閾值→在分析環(huán)境工程地質模式閾值和殘余隔水層厚度組合線性變化規(guī)律的基礎上,制定區(qū)劃標準圖(判別方程)→區(qū)劃榆神府礦區(qū)環(huán)境工程地質模式。(5)從地表植被生態(tài)環(huán)境、薩拉烏蘇組潛水水位和環(huán)境工程地質模式分區(qū)標準方程三個角度證實了環(huán)境工程地質模式分區(qū)結果的可靠性。其一,通過野外調研12個工作面的采前、采后地表植被生態(tài)環(huán)境的變化證實了環(huán)境工程地質模式區(qū)劃的準確性。其二,采用地下水位監(jiān)測系統(tǒng)對金雞灘煤礦108工作面薩拉烏蘇組潛水水位變化進行監(jiān)測,結合地表沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù),辨析環(huán)境工程地質模式的類型,并與108工作面的野外調研結果相互驗證,監(jiān)測結果表明:薩拉烏蘇組潛水水位在工作面開采過程中表現(xiàn)出下降→穩(wěn)定→上升三個階段;工作面開采前后潛水位變化范圍為0.4~2.5m,仍然在陜北生態(tài)安全水位范圍內(nèi),可知,薩拉烏蘇組砂層潛水沒有漏失,工作面所對應的環(huán)境工程地質模式為環(huán)境友好型。其三,在分布式光纖技術監(jiān)測金雞灘煤礦108工作面導水裂隙帶高度的基礎上,基于環(huán)境工程地質模式分區(qū)標準方程判別環(huán)境工程地質模式類型,結果表明:金雞灘煤礦108工作面的環(huán)境工程地質模式是環(huán)境友好型。(6)建立了環(huán)境工程地質模式應用方法,即提出礦區(qū)(井)保水采煤等級概念及其劃分方法:在分析地表水系和薩拉烏蘇組砂層潛水水資源單位面積貯存量的基礎上,首先,計算了研究區(qū)淺表層水資源單位面積總貯存量,并將其劃分為三個等級:水資源貧乏區(qū)、水資源中等區(qū)和水資源豐富區(qū);然后,結合四種環(huán)境工程地質模式,區(qū)劃了研究區(qū)規(guī)劃礦井的保水采煤等級,深化了保水采煤思想內(nèi)涵、便于工程實踐應用。(7)提出了不同礦區(qū)(井)保水采煤類型的水資源保護方法,并在一級保水采煤礦井區(qū)域以充填開采為例,基于理論分析和數(shù)值模擬方法,建立了充填開采中充實率與導水裂隙帶發(fā)育高度及四種環(huán)境工程地質模式類型的演變關系。該論文有圖69幅,表23個,參考文獻259篇。
【圖文】：

（a）植被死亡、荒漠化加劇 （b）河溝斷流圖 1-2 采煤引起的生態(tài)地質環(huán)境問題Figure 1-2 Eco-geological environmental problems caused by mining activities隨著西部礦區(qū)侏羅系煤層開采規(guī)模不斷擴大，引起的生態(tài)地質環(huán)境災害已開始嚴重影響區(qū)域經(jīng)濟、能源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展甚至社會穩(wěn)定。因此，十分迫切的研究采煤活動與地質環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的關系；研究如何避開或改造不利地質因素對工程的影響，并預測和評價采煤活動可能引起的地質環(huán)境變化及其帶來的影響，并論證生態(tài)地質環(huán)境保護和采煤活動的合理性等。其中，涉及到的關鍵科學問題有：西北煤田生態(tài)-水-煤系空間賦存地質結構特征如何？西北侏羅系煤層開采誘發(fā)的上覆導水裂隙帶發(fā)育高度異于我國東部石炭-二疊系煤層開采導高的原因及其發(fā)育規(guī)律如何？采煤活動與生態(tài)地質環(huán)境的組合或響應關系，即環(huán)境工程地質模式，如何識別和區(qū)劃？環(huán)境工程地質模式如何得以應用？以及針對水資源的保護與利用，如何提出有效的工程地質技術措施，保證西部侏羅系煤層綠色安全開采？本課題的研究能夠降低西部礦區(qū)水資源流失和生態(tài)地質環(huán)境劣化的風險，更

the Study Area從地理位置、地形地貌、氣象氣候和植被環(huán)境四個方面介紹了研究區(qū)的自然地理概況；從研究區(qū)地層巖性、煤層賦存規(guī)律、地表水系和含（隔）水層特征，，和地質構造四個方面闡述了研究區(qū)的地質環(huán)境，為論文研究的開展奠定基礎。2.1 自然地理概況（Overview of Physical Geography）對研究區(qū)的地理位置、地形地貌、氣象氣候和植被環(huán)境做了簡要概述。2.1.1 地理位置榆神府礦區(qū)是陜北侏羅系煤田中最大的煤炭基地，位于陜西省榆林榆陽區(qū)，如圖 2-1 所示。榆神府礦區(qū)的西北邊界為陜西省與內(nèi)蒙古自治區(qū)的交界，南部邊界為榆橫礦區(qū)與榆神府礦區(qū)的邊界，東北部邊界為新民礦區(qū)與榆神府礦區(qū)的邊界。研究區(qū)包括神府礦區(qū)和榆神礦區(qū)（包括一期、二期、三期、四期規(guī)劃區(qū)）（圖 2-1），呈不規(guī)則的多邊形，南北最長處約 106 km，東西最寬處約 97 km，總面積約 6334km2。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TD167

【參考文獻】

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本文編號：2636491