论文部分内容阅读
[摘要]水资源对区域生态环境有一定影响，尤其是在半干旱地区，水资源是当地生态环境影响的关键。本文针对西部半干旱地区地下采矿活动会对区域生态环境造成一定影响，致使地面沉降，地裂缝发育，同时地表土层富水性会发生一定动态变化的情况，采用高密度电法的技术手段，选择神东矿区典型工作面进行随开采时序的多次探测研究工作。对所获取的探测数据进行精细处理，获得各测线勘探地电剖面，并根据各测线在测区中分布空间关系对测区多测线数据进行可视化成像，形成拟三维数据体。对比分析采动影响地表土层富水性的变化情况，得出煤炭开采会对地表砂土层的富水性造成一定影响，采后约两个月后，地表砂土层的富水性基本恢复到采前的状态的结论。
[关键词]高密度电法 视电阻率 富水性 采动影响
[中图分类号] P624 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-303-2
1引言
随着我国东部矿区煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭资源开发的重心逐步向西部转移，根据我国能源中长期发展战略规划预测，到“十二五”末煤炭需求可能突破40亿t/a，其中西部6省年产能预计达到30亿t/a，达到75%[1-2]。
由此可见，西部煤炭开采将在我国未来能源发展中处于不可或缺的重要地位。
但是由于深居内陆，我国西部地区水资源占有量仅占全国的8.3%，大多属干旱半干旱地区[3]，生态环境脆弱，在采深浅、单层采高大、开采强度高、同一地区煤层复采次数多的现代开采条件下，随着煤炭资源的开发采掘，煤层上覆基岩与地表松散层遭受不同状况的破坏，致使地表沉降，地裂缝发育，基岩与地表土层中的含水发生运移或局部漏失，一定程度上影响了矿区生态环境[4]。
尤其是自上世纪80年代我国西部煤田大规模开发以来，煤炭开发与水资源供给、生态环境保护的矛盾日益突出[5]。
在国内，钱者东（2011）[6]系统地分析了干早半干旱地区煤矿开采的生态影响，建立了相应的生态影响评价指标体系，为今后干旱半干旱地区的环境影响评价工作提供了有益的参考。
雷少刚（2014）[7]分析了我国西部干旱区煤炭地下开采对植被、土壤水、地下水、土壤等关键环境要素影响的研究进展与不足，建议从井下到井上，从工作面、矿井、矿区、流域多尺度综合实现地空一体化同步监测，建立不同开采条件、不同评价尺度下，矿区开采环境损伤的评价与预测模型。
师本强（2012）[8]针对如何合理有效地开发煤炭资源，保护水资源，促进生态环境的改善，论述了保水开采的影响因素，认为影响保水开采的主要因素有矿区覆岩的工程地质特征（包括岩性、地层组合关系、基岩风化带特征）、地质构造、开采方法、煤柱的稳定性等，提出了陕北浅埋煤层矿区保水开采的区域划分体系。
顾大钊（2012）[9]针晋陕蒙宁甘地区煤炭现代开采与水资源短缺和生态脆弱的矛盾，以神东矿区现代煤炭开采为工程依托，创新研究方法，揭示了该地区现代开采水资源的运移规律和地表生态“自修复”规律，首次开发了煤矿分布式地下水库技术和应用“自修复”规律的地表生态主动性减损及修复技术，建立了示范工程，为煤炭开采水资源和地表生态保护探索了一条新的技术途径。
本文在前人的基础上，利用高密度电法的技术手段，在西部生态脆弱的半干旱地区，选择典型工作面，随地下煤炭开采开展多次地表土层富水性的高密度电法探测，最后通过对比煤炭开采前后电法探测数据的变化情况，研究半干旱地区地表砂土富水性受采动的影响。
2施工概况
本次研究工作选择神东矿区补连塔矿12406工作面为研究区，神东煤矿区位于晋陕蒙接壤区鄂尔多斯高原与黄土高原的交错地带，是毛乌素沙地与黄土丘陵区的复合过渡地区，地貌主要包括风沙丘陵和黄土丘陵两大地貌类型。地表为流动沙及半固定沙所覆盖，最厚可达20～50m。
平均海拔1200m左右，矿区属典型的半干旱、半沙漠的高原大陆性气候，干燥少雨，地表水系不发育，主要有乌兰木伦河（窟野河）贯穿全区，植被稀少。
矿区地层由老至新有三叠系上统永坪组（T3Y）；侏罗系下统富县组（J1F）；侏罗系中下统延安组（J1-2Y）；侏罗系中统直罗组（J2Z）；第四系（Q），地层总体为向西倾斜的单斜层，倾角1°左右，坡降一般为5～17%，矿区断层稀少，构造简单，岩层裂隙不发育。
补连塔矿12406工作面采高4.5m，工作面长300m，推进量3600m，开采1-2煤，煤层埋深190m-220m，基岩厚180m-200m，松散层厚10m-25m，地表土层厚1m-3m。
地表上补连沟横穿该工作面，落差30m-50m，由西向东展布，大气降水多沿沟谷以地表水的形式排泄。
野外数据采集时采用E60D型分布式电法工作站，工作中采用对地质体垂向分布反映灵敏度较高的温纳（Wenner）装置[10]。
实际探测时，从距工作面切眼200m开始向回采方向布置D1、D2、D3和D4四条测线，测线长2000m，各测线间距120m，分别在该工作面采前、采中（两次）与采后开展高密度电法探测工作，随着开采工作的进行，前后共进行四次高密度电法探测。
3成果分析
先后进行了四次野外探测工作，每次探测工作共有四条侧线，对于采集到的数据，使用最小二乘多项式进行平滑处理，消除采集过程中随机干扰与误差的影响，对预处理过的数据，采用Surfer软件绘制每一次探测工作中四条测线的视电阻率等值线剖面图，获得各测线勘探地电剖面，再根据各测线在测区中分布空间关系，利用三维数据分析软件对测区多测线数据进行可视化成像，形成拟三维数据体，可视化显示的三维数据体可以进行任意方向的切片和分析，在解释过程中，对目标层位（地表土层）进行切片，对比四次探测地表土层的数据体切片，分析该地区受采动影响地表土层富水性的变化情况。 抽取在补连塔矿12406工作面开始回采前进行的第一次探测的各测线数据进行组合，插值后利用可视化软件行成三维数据体，并对地表（深度约1m）进行切片，构成地表层视电阻率平面可视化图，分析可见采前研究区地表视电阻率波动明显，在测区900～1400m段，视电阻率较高，砂土较为干燥，其他区域视电阻率变低，但有高低波动，表现为表层砂土潮湿或较湿润含水。
抽取第二次探测的各测线数据进行组合，插值后利用可视化软件行成三维数据体，并对地表层进行切片。
探测时，采煤工作面位于测区1100～1200m段，采动对测区表层砂土的视电阻率分布有所影响，采动部位附近电阻率有所增高，特别是采动前方的补连沟区域（1600m附近）电阻率增高，说明采动对地表水影响明显，地表水渗透流失。
煤层开采对地表土层的含水性分布客观上有一定的影响，表现为地表土层在采动带附近（约100～200m）电阻率有趋同现象，即高阻变低，低阻变高，地表原始水域则表现出水流失，含水性下降明显。
抽取第三次探测的各测线数据进行组合，插值后利用可视化软件行成三维数据体，并对地表层进行切片。
探测时，采煤工作面位于测区2000m附近，采动对测区表层砂土的视电阻率分布存在影响，补连沟部位（1600m附近）电阻率较采前有增高现象，说明采动影响带不同程度失水。
煤层开采对地表土层的含水性分布在一定程度上表现出一定范围内的影响，采动带附近电阻率有变高趋势，地表水则表现出局部流失现象。
抽取第二次探测的各测线数据进行组合，插值后利用可视化软件行成三维数据体，并对地表层进行切片，出采动后地表电性和采前相近，但在地表明水区域（补连沟）电阻率升高。
综合四次探测数据对比分析可知：神东矿区补连塔矿12406工作面采动影响区的地表砂土，采开前，可划分为砂土湿润区、砂土潮湿区和砂土干燥区，砂土干燥区分布于测区1000～1400m范围内，由西北向东南斜穿测区，砂土湿润区域发育在测区西北部及补连沟。
煤层开采对地表土层的含水性分布有一定影响，采动使采动带附近砂土变形并发育裂隙，从而使原始干燥板结的砂土有所松动，电阻率有所降低，原始潮湿的砂土局部因发育裂隙而电阻率升高，当工作面采动至测区1100～1200m处（采中1），采动带附近由原始的高阻状态（一条土路穿过，路南砂土地无植被）变为局部高阻区，电阻率下降，而采动带前方补连沟的地表水域（低阻），电阻率增高；当采至2000m处时，采动带附近电阻率也表现为波动升高现象。
说明原始的潮湿的砂土局部因为发育裂隙而导致电阻率升高，砂土层含水性在采后基本上恢复采前状态，地表水则表现为因采动影响有部分下渗作用（部分季节性蒸发），地表水受采动影响不能恢复。
4结论与展望
通过试验分析，可归纳出如下结论：煤炭开采对地表砂土层的富水性分布有一定影响，煤层未开采时，地表砂土层可分为湿润、潮湿、干燥等区域。煤层经过开采后，采动区附近地表砂土变形并发育裂隙，从而使原始干燥板结的砂土有所松动，原始富水性较好的砂土层中的水分沿着裂隙下渗或向周围运移，地表明水也沿着裂隙不断下渗；煤层开采后经过一定时间的沉降，采动破坏地层中的导水裂隙逐渐闭合，地表砂土层的富水性基本恢复到采前的状态。
煤矿开采对上覆岩体造成的影响是一个复杂的系统，本文着重考虑了干旱半干旱地区煤矿开采对当地地表土层含水性的影响，没有考虑煤矿开采对煤层顶板、地下含水层的影响，这些方面今后仍需进行进一步的研究。
参考文献
[1]钱鸣高.煤炭的科学开采.煤炭学报，2010.35（4）：529-535.
[2]钱鸣高.煤炭产能扩张引发中西部环境隐忧.科技时报，2011-02-20 [2012-11-23].http：//www.cas.cn/xw/zjsd/201102/t20110221_3073269.shtml.
[3]叶贵均.西北五省（区）煤炭资源水资源及生态环境.煤田地质与勘探，20 00，6（1）：39-42.
[4]李全生. 神东矿区现代煤炭开采技术下地表生态自修复研究[J].煤炭工程， 2012， （12）： 3-3
[5]都平平.生态脆弱区煤炭开采地质环境效应与评价技术研究[D]. 徐州：中国矿业大学，2012.1-7
[6]钱者东. 干旱半干旱地区煤矿开采生态影响研究[D]. 南京：南京师范大学， 2011.
[7]雷少刚. 西部干旱区煤炭开采环境影响研究[J]. 生态学报， 2014， 34（11）： 2837-2843
[8]师本强. 陕北浅埋煤层矿区保水开采影响因素研究[D]. 西安：西安科技大学， 2012.
[9]顾大钊. 能源"金三角"煤炭现代开采水资源及 地表生态保护技术[J]. 中国工程科学， 2013， 15（4）：102-107
[10]马志飞. 高密度电法不同装置的勘探效果对比[J]. 物探装备， 2009， 19（1）： 2-2
[关键词]高密度电法 视电阻率 富水性 采动影响
[中图分类号] P624 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-303-2
1引言
随着我国东部矿区煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭资源开发的重心逐步向西部转移，根据我国能源中长期发展战略规划预测，到“十二五”末煤炭需求可能突破40亿t/a，其中西部6省年产能预计达到30亿t/a，达到75%[1-2]。
由此可见，西部煤炭开采将在我国未来能源发展中处于不可或缺的重要地位。
但是由于深居内陆，我国西部地区水资源占有量仅占全国的8.3%，大多属干旱半干旱地区[3]，生态环境脆弱，在采深浅、单层采高大、开采强度高、同一地区煤层复采次数多的现代开采条件下，随着煤炭资源的开发采掘，煤层上覆基岩与地表松散层遭受不同状况的破坏，致使地表沉降，地裂缝发育，基岩与地表土层中的含水发生运移或局部漏失，一定程度上影响了矿区生态环境[4]。
尤其是自上世纪80年代我国西部煤田大规模开发以来，煤炭开发与水资源供给、生态环境保护的矛盾日益突出[5]。
在国内，钱者东（2011）[6]系统地分析了干早半干旱地区煤矿开采的生态影响，建立了相应的生态影响评价指标体系，为今后干旱半干旱地区的环境影响评价工作提供了有益的参考。
雷少刚（2014）[7]分析了我国西部干旱区煤炭地下开采对植被、土壤水、地下水、土壤等关键环境要素影响的研究进展与不足，建议从井下到井上，从工作面、矿井、矿区、流域多尺度综合实现地空一体化同步监测，建立不同开采条件、不同评价尺度下，矿区开采环境损伤的评价与预测模型。
师本强（2012）[8]针对如何合理有效地开发煤炭资源，保护水资源，促进生态环境的改善，论述了保水开采的影响因素，认为影响保水开采的主要因素有矿区覆岩的工程地质特征（包括岩性、地层组合关系、基岩风化带特征）、地质构造、开采方法、煤柱的稳定性等，提出了陕北浅埋煤层矿区保水开采的区域划分体系。
顾大钊（2012）[9]针晋陕蒙宁甘地区煤炭现代开采与水资源短缺和生态脆弱的矛盾，以神东矿区现代煤炭开采为工程依托，创新研究方法，揭示了该地区现代开采水资源的运移规律和地表生态“自修复”规律，首次开发了煤矿分布式地下水库技术和应用“自修复”规律的地表生态主动性减损及修复技术，建立了示范工程，为煤炭开采水资源和地表生态保护探索了一条新的技术途径。
本文在前人的基础上，利用高密度电法的技术手段，在西部生态脆弱的半干旱地区，选择典型工作面，随地下煤炭开采开展多次地表土层富水性的高密度电法探测，最后通过对比煤炭开采前后电法探测数据的变化情况，研究半干旱地区地表砂土富水性受采动的影响。
2施工概况
本次研究工作选择神东矿区补连塔矿12406工作面为研究区，神东煤矿区位于晋陕蒙接壤区鄂尔多斯高原与黄土高原的交错地带，是毛乌素沙地与黄土丘陵区的复合过渡地区，地貌主要包括风沙丘陵和黄土丘陵两大地貌类型。地表为流动沙及半固定沙所覆盖，最厚可达20～50m。
平均海拔1200m左右，矿区属典型的半干旱、半沙漠的高原大陆性气候，干燥少雨，地表水系不发育，主要有乌兰木伦河（窟野河）贯穿全区，植被稀少。
矿区地层由老至新有三叠系上统永坪组（T3Y）；侏罗系下统富县组（J1F）；侏罗系中下统延安组（J1-2Y）；侏罗系中统直罗组（J2Z）；第四系（Q），地层总体为向西倾斜的单斜层，倾角1°左右，坡降一般为5～17%，矿区断层稀少，构造简单，岩层裂隙不发育。
补连塔矿12406工作面采高4.5m，工作面长300m，推进量3600m，开采1-2煤，煤层埋深190m-220m，基岩厚180m-200m，松散层厚10m-25m，地表土层厚1m-3m。
地表上补连沟横穿该工作面，落差30m-50m，由西向东展布，大气降水多沿沟谷以地表水的形式排泄。
野外数据采集时采用E60D型分布式电法工作站，工作中采用对地质体垂向分布反映灵敏度较高的温纳（Wenner）装置[10]。
实际探测时，从距工作面切眼200m开始向回采方向布置D1、D2、D3和D4四条测线，测线长2000m，各测线间距120m，分别在该工作面采前、采中（两次）与采后开展高密度电法探测工作，随着开采工作的进行，前后共进行四次高密度电法探测。
3成果分析
先后进行了四次野外探测工作，每次探测工作共有四条侧线，对于采集到的数据，使用最小二乘多项式进行平滑处理，消除采集过程中随机干扰与误差的影响，对预处理过的数据，采用Surfer软件绘制每一次探测工作中四条测线的视电阻率等值线剖面图，获得各测线勘探地电剖面，再根据各测线在测区中分布空间关系，利用三维数据分析软件对测区多测线数据进行可视化成像，形成拟三维数据体，可视化显示的三维数据体可以进行任意方向的切片和分析，在解释过程中，对目标层位（地表土层）进行切片，对比四次探测地表土层的数据体切片，分析该地区受采动影响地表土层富水性的变化情况。 抽取在补连塔矿12406工作面开始回采前进行的第一次探测的各测线数据进行组合，插值后利用可视化软件行成三维数据体，并对地表（深度约1m）进行切片，构成地表层视电阻率平面可视化图，分析可见采前研究区地表视电阻率波动明显，在测区900～1400m段，视电阻率较高，砂土较为干燥，其他区域视电阻率变低，但有高低波动，表现为表层砂土潮湿或较湿润含水。
抽取第二次探测的各测线数据进行组合，插值后利用可视化软件行成三维数据体，并对地表层进行切片。
探测时，采煤工作面位于测区1100～1200m段，采动对测区表层砂土的视电阻率分布有所影响，采动部位附近电阻率有所增高，特别是采动前方的补连沟区域（1600m附近）电阻率增高，说明采动对地表水影响明显，地表水渗透流失。
煤层开采对地表土层的含水性分布客观上有一定的影响，表现为地表土层在采动带附近（约100～200m）电阻率有趋同现象，即高阻变低，低阻变高，地表原始水域则表现出水流失，含水性下降明显。
抽取第三次探测的各测线数据进行组合，插值后利用可视化软件行成三维数据体，并对地表层进行切片。
探测时，采煤工作面位于测区2000m附近，采动对测区表层砂土的视电阻率分布存在影响，补连沟部位（1600m附近）电阻率较采前有增高现象，说明采动影响带不同程度失水。
煤层开采对地表土层的含水性分布在一定程度上表现出一定范围内的影响，采动带附近电阻率有变高趋势，地表水则表现出局部流失现象。
抽取第二次探测的各测线数据进行组合，插值后利用可视化软件行成三维数据体，并对地表层进行切片，出采动后地表电性和采前相近，但在地表明水区域（补连沟）电阻率升高。
综合四次探测数据对比分析可知：神东矿区补连塔矿12406工作面采动影响区的地表砂土，采开前，可划分为砂土湿润区、砂土潮湿区和砂土干燥区，砂土干燥区分布于测区1000～1400m范围内，由西北向东南斜穿测区，砂土湿润区域发育在测区西北部及补连沟。
煤层开采对地表土层的含水性分布有一定影响，采动使采动带附近砂土变形并发育裂隙，从而使原始干燥板结的砂土有所松动，电阻率有所降低，原始潮湿的砂土局部因发育裂隙而电阻率升高，当工作面采动至测区1100～1200m处（采中1），采动带附近由原始的高阻状态（一条土路穿过，路南砂土地无植被）变为局部高阻区，电阻率下降，而采动带前方补连沟的地表水域（低阻），电阻率增高；当采至2000m处时，采动带附近电阻率也表现为波动升高现象。
说明原始的潮湿的砂土局部因为发育裂隙而导致电阻率升高，砂土层含水性在采后基本上恢复采前状态，地表水则表现为因采动影响有部分下渗作用（部分季节性蒸发），地表水受采动影响不能恢复。
4结论与展望
通过试验分析，可归纳出如下结论：煤炭开采对地表砂土层的富水性分布有一定影响，煤层未开采时，地表砂土层可分为湿润、潮湿、干燥等区域。煤层经过开采后，采动区附近地表砂土变形并发育裂隙，从而使原始干燥板结的砂土有所松动，原始富水性较好的砂土层中的水分沿着裂隙下渗或向周围运移，地表明水也沿着裂隙不断下渗；煤层开采后经过一定时间的沉降，采动破坏地层中的导水裂隙逐渐闭合，地表砂土层的富水性基本恢复到采前的状态。
煤矿开采对上覆岩体造成的影响是一个复杂的系统，本文着重考虑了干旱半干旱地区煤矿开采对当地地表土层含水性的影响，没有考虑煤矿开采对煤层顶板、地下含水层的影响，这些方面今后仍需进行进一步的研究。
参考文献
[1]钱鸣高.煤炭的科学开采.煤炭学报，2010.35（4）：529-535.
[2]钱鸣高.煤炭产能扩张引发中西部环境隐忧.科技时报，2011-02-20 [2012-11-23].http：//www.cas.cn/xw/zjsd/201102/t20110221_3073269.shtml.
[3]叶贵均.西北五省（区）煤炭资源水资源及生态环境.煤田地质与勘探，20 00，6（1）：39-42.
[4]李全生. 神东矿区现代煤炭开采技术下地表生态自修复研究[J].煤炭工程， 2012， （12）： 3-3
[5]都平平.生态脆弱区煤炭开采地质环境效应与评价技术研究[D]. 徐州：中国矿业大学，2012.1-7
[6]钱者东. 干旱半干旱地区煤矿开采生态影响研究[D]. 南京：南京师范大学， 2011.
[7]雷少刚. 西部干旱区煤炭开采环境影响研究[J]. 生态学报， 2014， 34（11）： 2837-2843
[8]师本强. 陕北浅埋煤层矿区保水开采影响因素研究[D]. 西安：西安科技大学， 2012.
[9]顾大钊. 能源"金三角"煤炭现代开采水资源及 地表生态保护技术[J]. 中国工程科学， 2013， 15（4）：102-107
[10]马志飞. 高密度电法不同装置的勘探效果对比[J]. 物探装备， 2009， 19（1）： 2-2