陕北黄土覆盖区煤层上覆岩系层状结构对开采区土壤损伤效应研究
王双明1
宋世杰1
魏江波1
刘浪2
牛瑞琳1
李源红1
谈庆钰1
田雨1
1.西安科技大学地质与环境学院,陕西西安 710054;西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院,陕西西安 710054;陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室,陕西西安 7100542.西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院,陕西西安 710054;陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室,陕西西安 710054;西安科技大学能源学院,陕西西安 710054
摘要：煤炭开采区生态保护是黄河流域高质量发展亟需破解的重大难题.科学认识煤层上覆岩层对煤炭开采采动损害向地表传递的响应规律是实现煤矿区生态环境全生命周期保护的重大需求.以陕北黄土覆盖区煤炭开采区为研究对象,综合运用野外地质调查、采样测试、数值模拟、室内实验和理论计算方法,针对覆岩层数、层厚、岩性、厚硬岩层与煤层的空间位置等层状结构对地下采煤的"响应-传递"特点,研究了相同采矿条件下煤层覆岩层状结构对采动覆岩应力场的影响规律,揭示了不同煤层覆岩层状结构下土壤物理、化学、微生物、侵蚀四大特性的损伤特征及煤炭开采区土壤物理、化学、微生物特性变化对侵蚀特性的作用机制.结果表明:①相同或相近的采矿条件下,采煤沉陷区地表生态损害结果的迥异主要取决于煤层上覆岩(土)层对地下采煤活动的应力应变响应、由下向上的传递及土壤损害特点.在覆岩层状结构与采动应力传递的耦合下,煤层覆岩自下而上形成了垂向强力链塑性变形区(VCP)、水平强力链弹塑性变形区(HCEP)、水平强力链弹性变形区(HCE)的采动损害特征.其中,煤层覆岩下部的互层结构及特征对塑性变形区界面高度具有重要影响.煤层上覆岩(土)层和地表土层(壤)均是地下采煤活动及其损害作用的响应载体.岩层层数、层厚、岩性、厚硬岩层与煤层的空间位置及地表变形等是影响土壤损害类型及特点的重要地质因素.②厚砂岩在覆岩中的位置是地下"VCP-HCEP"界面、"HCEP-HCE"界面发育高度和地表形变程度的第一主控因素,决定了"两界面"的发育位置和地表变形的程度,高位厚砂岩对"两界面"发育和地表形变具有较明显的抑制作用;砂层系数作为第二主控因素,在既定厚砂岩位置且砂层系数小于73％条件下与"两界面"发育和地表形变均呈正相关关系;③基于两大主控因素划分了 4个覆岩层状结构基本类型,从"地下覆岩层状结构基本类型+地表形态变化程度+地表采动损害形式+土壤质量特性指标"耦合的角度,发现"低位厚砂岩+砂层系数大于73％"类型对地表土壤损害效应最为显著,其中沉陷坡面土壤物理、化学、微生物特性指标的损伤均集中在坡顶、坡中部位,降幅介于11.81％～42.01％(p＜0.05);采动地裂缝是沉陷坡面土壤损伤的主要原因;④"低位厚砂岩+砂层系数大于73％"类型对坡面土壤可蚀性K值的放大效应最为明显,平均增幅为26.38％(p＜0.05),其中坡顶部位土壤可蚀性K值平均增幅最大,为37.98％(p＜0.05);沉陷坡面同一部位裂缝区土壤可蚀性K值平均增幅较非裂缝区高出92.28％(p＜0.05);黄土沉陷坡面可蚀性K值与土壤孔隙度呈极显著正相关关系(p＜0.01),与土壤含水率、黏粒质量分数、有机质质量分数、速效养分质量分数、土壤微生物数量及酶活性呈极显著负相关关系(p＜0.01).因此,"低位厚砂岩+砂层系数大于73％"的覆岩层状结构类型区是陕北黄土沟壑煤炭开采区生态损害的关键区域,应采取充填减沉、土壤改良等人工措施进行保护与修复,对于"低位厚砂岩+砂层系数小于73％"和"高位厚砂岩+砂层系数大于73％"的覆岩层状结构类型区可采取人工辅助的生态修复方式,对于"高位厚砂岩+砂层系数小于73％"的覆岩层状结构类型区则可采取自然恢复方式进行生态修复.
关键词：覆岩层状结构响应传递土壤损伤效应陕北矿区
分类号：TD88(矿山开采)
资助基金：国家自然科学基金(41402308)深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室开放课题资助项目(HNKY2024YB402)咸阳市重点研发计划资助项目(L2024-ZDYF-ZDYF-SF-0069)
论文发表日期：2025-01-27
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：20( 23-42 )
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