（水土保持与荒漠化防治专业论文）鄂尔多斯地区采煤塌陷对风沙土壤性质的影响.pdf

摘要 鄂尔多斯地区是我国重要的煤炭生产基地神东矿区所在地，该地区煤炭资 源的开采对生态环境造成了极大的影响，而土壤又是生态环境中重要的组成部分， 采后土壤性质的变化更是土地复垦的基础性研究工作。本文以神东矿区采煤塌陷后 风沙土壤理化性质为研究对象，通过野外调查、实地实验观测和室内分析测试，对 不同坡位、不同土层、不同塌陷年限和不同塌陷程度风沙土壤理化性质变化进行了 较为系统的研究，并且运用主成分分析方法对采煤塌陷对风沙土壤性质影响进行了 综合评价。主要研究结论如下： ( 1 ) 在水平方向上，塌陷区土壤容重、田间持水量、凋萎系数、有效水最大含 量、硬度和含水率均有不同程度的下降，而孔隙度、饱和导水率则有不同程度地变 大，且塌陷程度越大，土壤容重、含水率和硬度越低，而孔隙度、饱和导水率则越 高，同一裂缝两侧相对比较，土壤硬度塌陷侧 出露 侧；在垂直层次上表现出随深度的增加，孔隙度、饱和导水率有增加的趋势，而容 重、田间持水量、凋萎系数、有效水最大含量、硬度和含水率有减小的态势。 ( 2 ) 在降雨量较小或土壤获得水分较少的情况下，对照区入渗深度大于塌陷 区：当降雨量较大或获得水分较多时，对照区入渗深度小于塌陷区，且塌陷程度与 水分入渗深度有较强的正相关关系；在水分补给充分的条件下，不同塌陷程度均表 现为裂缝塌陷侧下渗深度大于出露侧，且随塌陷程度的增大，水分入渗深度变深。 ( 3 ) 对照区与塌陷区的养分含量差异不显著，但在空间分布上有所差异。塌陷 后土壤中n 、p 、k 和有机质含量在水平方向上均表现出塌陷区 对照区、坡中 丘间 低地、裂缝处 未裂处和2 a l a 的变化特点；在垂向上大致体现出土壤表层和心土 层n 、p 、k 有向底土层转移和聚集的趋势。而塌陷区平均p h 值 2 a ；塌陷区p h 值在表层高于对照区，在表层 以下至1 m 处均低于对照区，氢离子有向深层流失的趋势。 ： ( 4 ) 评价结果表明：土壤物理性质随塌陷年限的延长，塌陷对其影响程度逐渐 减小，且影响程度由下层向上层转移，开始塌陷时下层所受影响最大，逐渐转变为 较为稳定时的下层影响变小而上层影响变大的发展规律。与物理性质相比，采煤塌 陷对土壤化学性质的影响有其滞后性，且在塌陷没有稳定前，土壤养分的流失会随 时间而加剧。 关键词：鄂尔多斯；采煤塌陷；风沙土壤：理化性质；综合评价 i n f l u e n c eo fc o a lm i n i n gs u b s i d e n c eo n p r o p e r t i e s o fs a n d ys o i li ne r d o s a b s tr a c t s h e n d o n gd i g g i n g ，a sa l li m p o r t a n tc o a lp r o d u c t i v eb a s ef o ro u rc o u n t r yi ne r d o s ，i t s e n v i r o n m e n ti sd e s t r o y e dg r e a t l yb yc o a lr e s o u r c em i n i n g e s p e c i a l l yt os o i l ，a sav i t a l p a r to fe n v i r o n m e n t ，i st r a n s f o r m e di np r o p e r t i e s a sab a s i cr e s e a r c hw o r kf o rl a n d r e c l a m a t i o n ，i nt h i sp a p e rt h r o u g hf i e l di n v e s t i g a t i o n ，o b s e r v a t i o no nt h es p o ta n dl a b a n a l y s i s ，t h ev a r i a t i o no ft h es a n d ys o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sw a sr e s e a r c h e d b yt h en u m b e r si ns u b s i d e n c ea r e a , i n c l u d i n go fd i f f e r e n ts o i ll a y e r , s l o p el o c a t i o n ， s u b s i d e n c et i m ea n dd e g r e e i na d d i t i o nt o ，t h ei n f l u e n c ed e g r e ew a sc o m p r e h e n s i v e l y a p p r a i s e du s i n gp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i nt h el e v e ld i r e c t i o n ，s o m ep r o p e r t i e sv a l u eo ft h es o i ld e c r e a s e dd u et oc o a l m i n i n gs u b s i d e n c e ，i n c l u d i n go fb u l kd e n s i t y , f i e l dw a t e r - h o l d i n gc a p a c i t y , w i l t i n g c o e f f i c i e n ta n da v a i l a b l ew a t e rc a p a c i t y , r i g i d i t ya n dc o n t a i n i n gw a t e r , b u ts o i le x t e n to f p o r o s i t ya n ds a t u r a t i o nc o n d u c t i o nh a di n c r e s e da f t e rs u b s i d i n g t h es u b s i d e n c ee x t e n t b e c a m el a r g e r , s o i lb u l kd e n s i t y , r i g i d i t ya n dc o n t a i n i n gw a t e rw e r el o w e ra n ds o i le x t e n t o fp o r o s i t ya n ds a t u r a t i o nc o n d u c t i o nw e r eh i g h e r i nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ，t h ed e p t hi s d e e p e r s o i le x t e n to fp o r o s i t ya n ds a t u r a t i o nc o n d u c t i o nb e c a m el a r g e r , b u to t h e r p h e s i e a li n d e x e sw e r ed e c r e a s e d c o m p a r a t i v e l yt h et w os i d e so ft h es a m ef i s s u r e ，t h e r i g i d i t yo ft h eh i g h e rs i d ei sl a r g e rt h a nt h a to ft h el o w e rs i d e ，b u tc o n t a i n i n gw a t e ri so n t h ec o n t r a r y ( 2 ) c o m p a r a t i v e l y , i nt h es u b s i d e n c ea r e at h ef i l t e r i n gd e p t h ，w a sd e c r e a s e dw h e n s o i lg a i n e dl e s s e rw a t e r o nt h ec o n t r a r y , t h e r ew e r e g r e a tp e r t i n e n c eb e t w e e nt h e f i l t e r i n gd e p t ha n dt h es u b s i d e n c ed e g r e eo nt h ec o n d i t i o no fs o i lm o i s t u r es u p p l i e d a d e q u a t e l y t h ef i l t e r i n gd e p t ha f t e rs u b s i d e n c ew a si n c r e a s e da n dt h el o w e rs i d ei sl a r g e r t h a nt h a to ft h eh i g h e rs i d ew h e ns o i lc a ng e tal o to fw a t e r ( 3 ) t h e r ew e r en od i s t i n c td i s c r e p a n c yf o rt h es o i ln u t r i e n ti nb e t w e e nc o n t r o la r e a a n dt h es u b s i d e n c ea r e a ，b u tt h es p a c ed i s t r i b u t i n gh a dd i f f e r e n c e t h en u t r i e n t sw h i c h i n c l u d e dth es o i lo r g a n i cm a t t e rc o n t e n t ，n i t r o g e n ，p h o s p h o r u s ，a n dk aliu mw e r e r e d u c e di nt h es u b s i d e n c ea r e a ，o fw h i c ht h em i d d l es l o p ew a sl o w e rt h a nt h ei n t e r v a l e o fw h i c ht h ef i s s u r ew a sl e s st h a nn of i s s u r e ，a n do fw h i c h1aw a sh i g h e rt h a n2 a t h e r e w e r eat r e n dw h i c ht h es u r f a c en 、p 、kw e r et r a n s f e r r e dt o w a r du n d e r l a yi nd i f f e r e n t l a y e r s t h ea v e r a g ep hv a l u ew a sd e c r e a s e dd u et os u b s i d e n c e ，t h ef i s s u r ew a sl o w e rt h a n n of i s s u r e ，t h em i d d l es l o p ew a sh i g h e rt h a nt h ei n t e r v a l e ，a n d2 aw a sl o w e rt h a nla t h e s u r f a c ep hv a l u ei ns u b s i d e n c ea r e aw a sh i g h e rt h a nt h a to fc o n t r o la r e a , b u tu n d e r l a y e r w a sl o w e rt h a nt h a to fc o n t r o la r e a t l i ss h o w e dh y d r o g e nh y d r o n i u m e sh a db e e n t r a n s f e r r e df r o ms u r f a c et ou n d e r l a y e r ( 4 ) u s i n gt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sm e t h o dt oc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t et h e i n f l u e n c ed e g r e eo ft h es u b s i d e n c e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n f l u e n c eo fs o i lp h y s i c a l p r o p e r t yw o u l db ew e a k e nw i t ht h el a p s eo fs u b s i d e n c et i m e a t t h es a m et i m e ，t h e i n f l u e n c ew o u l db et r a n s f e r r e df r o mu n d e r l a y e rt os u r f a c e i nt h ef i r s ti n s t a n c et h e u n d e r l a y e rs o i lw a si n f u e n c e dw o r s et h a nt h es o i ls u p e r s t r a t t t mw a sb yt h es u b s i d e n c e t h es u b s i d e n c eh a db e e ne v o l u t e dg r a d u a l l yf r o mu n d e r g r o u n dt os u r f a c es i n c ec o a lw a s m i n e d t h es o i ls u p e r s t r a t u ma f f e c t e dr e a c h e dm o s ta f t e rap e r i o do ft i m e c o m p a r e dw i t h s o i lp h y s i c a lp r o p e r t y , t h ec h a n g e so fs o i lc h m i c a lp r o p e r t yw e r el a g g e d ，a n ds o i ln u t r i e n t l o s sw o u l db el a r g e rw i t ht h et i m eb e f o r et h es u b s i d e n c ew a ss t e a d v k e yw o r d s ：e r d o s ；c o a lm i n i n gs u b s i d e n c e ；s a n d ys o i l ；p h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e s ；c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n d 【r e c t e db y ：p r o f g a oy o n g a p p li c a n tf o rd o c t o rd e g r e e ：z h o ur uipin g ( w a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o na n dd e s e r t i f i c a t i o n c o n t r 0 1 ) ( c o l l e g eo fe c o l o g ya n de n v i r o n m e n t i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r eu n i v e r s i t y h o h h o t0 1 0 0 1 8 c h i n a ) 插图和附表清单 图l 采煤致灾过程3 图2 地下开采引起的地表塌陷区裂隙3 图3 地下开采、地下水抽取与环境之间的关系5 图4 采煤沉陷导致土壤环境的变异2 0 图5 研究技术路线2 1 图6 研究区位置示意图2 2 图7 补连塔矿区水文地质柱状图2 4 图8 研究区近三年( 2 0 0 2 2 0 0 5 年) 间月平均降水量变化曲线2 3 图9“条带状”地表塌陷特征2 6 图1 0“台阶状”塌陷原地貌( 2 0 0 5 年8 月)2 7 图1 1一年后“台阶状”地表塌陷变化( 2 0 0 6 年8 月)2 7 图1 2 煤层采空区塌陷垂直“三带”示意图2 9 图1 3 不同深度、不同年限土壤容重的平均变化曲线4 0 图1 4 不同坡位土壤容重平均变化曲线4 2 图1 5 不同塌陷程度下风沙土壤容重变化曲线4 3 图1 6 不同层次不同塌陷年限土壤孔隙度变化曲线4 4 图1 7 不同坡位不同塌陷年限土壤孔隙度变化曲线4 4 图1 8 不同塌陷程度下风沙土壤孔隙度变化曲线4 5 图1 9 不同塌陷年限下风沙土壤田间持水量、有效水最大含量和萎蔫系数变化曲线4 6 图2 0 不同塌陷年限下风沙土壤田间持水量垂直变化曲线4 7 图2 l不同塌陷年限下风沙土壤萎蔫系数垂直变化曲线4 8 图2 2 不同层次土壤饱和导水率的变化曲线5 l 图2 3土壤饱和导水率随塌陷程度变化曲线5 1 图2 4 不同月份土壤含水率的变化曲线5 3 图2 5不同坡位上对照区与塌陷区冬季土壤质量含水率变化曲线5 4 图2 6 不同坡位上对照区与塌陷区春季土壤含水率变化曲线5 5 图2 7 对照区与塌陷区春季坡顶土壤含水率随时间变化曲线5 6 图2 8 对照区与塌陷区春季坡中土壤含水率随时间变化曲线5 6 图2 9 对照区与塌陷区春季坡底土壤含水率随时间变化曲线5 7 图3 0 对照区与塌陷区春季丘间低地土壤含水率随时间变化曲线5 7 图3 1不同坡位对照区与塌陷区夏季无降雨时土壤含水率变化曲线5 8 图3 2不同坡位对照区与塌陷区夏季降雨后土壤含水率变化曲线5 9 l 六 乱 钆 豇 吼 l & 吼 m n 屹 娼 m 圬 m 堰 均 加 孔 毖 船 纵 弱 弱 卯 勰 约 乱 驼 3 3 图3 3 3 4 图3 4 3 5 图3 5 3 6 图3 6 3 7 图3 7 3 8 图3 8 3 9 图3 9 4 0 图4 0 4 1 图4 l 4 2 图4 2 4 3 图4 3 4 4 图4 4 4 5 图4 5 4 6 图4 6 4 7 图4 7 4 8 图4 8 4 9 图4 9 5 0 图5 0 5 1 图5 l 5 2 图5 2 5 3 图5 3 5 4 图5 4 5 5 图5 5 5 6 图5 6 5 7 图5 7 5 8 图5 8 5 9 图5 9 6 0 图6 0 6 1 图6 l 6 2 图6 2 6 3 图6 3 6 4 图6 4 6 5 图6 5 6 6 图6 6 6 7 图6 7 冬季土壤含水率垂直变化曲线j 6 0 春季土壤含水率垂直变化曲线6 0 夏季降雨后第l 天土壤含水率垂直变化曲线6 l 夏季降雨后第1 5 天土壤含水率垂直变化曲线6 2 不同错落程度下土壤含水率随时间变化曲线6 4 不同错落程度下土壤含水率垂直变化曲线6 4 轻度塌陷裂缝两侧土壤含水率随深度变化曲线6 6 中度塌陷裂缝两侧土壤含水率随深度变化曲线6 6 重度塌陷裂缝两侧土壤含水率随深度变化曲线6 6 不同土层土壤紧实度变化曲线6 8 轻度塌陷裂缝两侧土壤紧实度随深度变化曲线6 9 中度塌陷裂缝两侧土壤紧实度随深度变化曲线7 0 重度塌陷裂缝两侧土壤紧实度随深度变化曲线7 0 不同塌陷地累积入渗深度随时间变化曲线一7 2 不同土层p h 值变化曲线7 7 不同坡位p h 值的变化7 8 不同土层全n 变化曲线7 8 不同坡位全n 的变化7 9 不同土层速n 变化曲线8 0 不同坡位速n 的变化8 1 对照区与塌陷区速n 含量全n 含量分层比值变化曲线8 2 不同土层全p 变化曲线8 3 不同坡位全p 的变化8 3 不同土层速p 变化曲线j 8 4 不同坡位速p 的变化8 5 对照区与塌陷区速p 含量全磷分层比值变化曲线8 6 不同土层全k 变化曲线8 7 不同坡位全k 的变化8 7 不同土层速k 变化曲线8 8 不同坡位速k 的变化8 9 对照区与塌陷区速k 含量全k 分层比值变化曲线9 0 不同土层有机质变化曲线9 l 不同坡位有机质的变化9 l 不同层次物理指标综合评价值变化曲线1 0 4 不同层次化学指标综合评价值变化曲线1 0 4 6 8 表1 不同覆岩条件下的破坏形式9 6 9 表2“条状”塌陷后塌陷裂缝落差( h ) 和宽度( w ) 的变化2 7 7 0 表3“台阶状”微地貌塌陷裂缝落差( h ) 和宽度( w ) 的变化“。2 8 7 1 表4 不同塌陷程度划分3 0 7 2 表5 厚风积沙区不同时空土壤容重与孔隙度3 9 7 3 表69 0 c m 处土壤容重方差分析4 0 7 4 表7 对照区与塌陷区容重差异多重方差比较4 1 7 5 表8 不同塌陷程度下土壤容重方差分析4 2 7 6 表9 不同塌陷程度下土壤孔隙度方差分析4 5 7 7 表1 0 样地o a 、1 a 、2 a 和3 a 田间持水量的方差分析4 7 7 8 表1 l 饱和导水率参数4 9 7 9 表1 2 土壤饱和导水率随塌陷年限的变化( c m l s ) 4 9 8 0 表1 3 土壤饱和导水率方差分析5 0 8 1 表1 4 土壤饱和导水率多重方差比较5 0 8 2 表1 5 不同坡位上对照区与塌陷区冬季土壤质量含水率( ) 5 4 8 3 表1 6 不同坡位上对照区与塌陷区春季土壤含水率( ) 5 5 8 4 表1 7 不同塌陷程度下土壤含水率( ) 6 3 8 5 表1 8 不同错落高度下土壤含水率随时间的变化( ) 6 4 8 6 表1 9 不同塌陷程度裂缝两侧土壤含水率( ) 6 5 8 7 表2 0 对照区与塌陷区不同土层平均土壤硬度( k g c r a 2 ) 6 7 8 8 表2 l 不同塌陷程度下土紧实度( k g c m 2 ) 6 8 8 9 表2 2 不同塌陷程度裂缝两侧土壤紧实度( k g c m 2 ) 6 9 9 0 表2 3 水分入渗深度随降雨量的变化7 1 9 1 表2 4 不同塌陷程度下水分入渗深度( c m ) 7 2 9 2 表2 5 不同塌陷程度裂缝两侧水分入渗深度( c m ) 7 3 9 3 表2 6 样地养分实测数据7 6 9 4 表2 7 采煤塌陷对风沙土壤影响评价的物理指标原始实测数据9 7 9 5 表2 8 采煤塌陷对风沙土壤影响评价的化学指标原始实测数据9 8 9 6 表2 9 物理指标分析数据9 9 9 7 表3 0 化学指标分析数据1 0 0 9 8 表3 1 主成分中各理化因子的特征值、贡献率和累计贡献率1 0 1 9 9 表3 2 不同塌陷年限主分量因子载荷1 0 2 1 0 0 表3 3 采煤塌陷对土壤理化性质影响综合评价值1 0 3 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢婀 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 申请学位论文与资料著有不实之处，本人承担一切相关责任 论文律者签名：2 互生墨垒日期： 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，印：研 究生：彘攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业离校后，发表论文或使周论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学。学校有权保留并向国家有关都门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印，缩印或其他手段保存论文 论文作者签名：! 互l 至垒釜 指导教师签名：叠主刍 日 期：一 内蒙古农业大学博士学位论文1 1 引言 1 1 研究背景与意义 煤炭和土地都是人类赖以生存的宝贵自然资源，煤炭被人们视为工业的粮食， 土地则视为财富之母。煤炭和土地资源的综合开发利用才会推动地区区域经济的协 调发展、社会的进步和人民生活水平的提高。然而由于煤炭和土地空间分布的同位 性以及采煤技术的限制，往往出现采煤引起土地塌陷导致工农业发展矛盾及人地矛 盾激化的现象。因为能源开发与保护环境都是经济发展过程中不可缺少的两个方 面。能源开发是经济发展的基础和前提，推动了我国及地区工业化的进程，同时也 加快了国家的经济发展和社会进步的步伐；保护环境、社会协调发展则是我们经济 发展的目的和归宿，但如何协调能源开发与环境保护的矛盾，已经成为采矿区长期 以来一直面临的重大难题。煤炭作为当今中国的主要能源，我国的产煤近些年一直 稳居世晃第一，我国的用煤量也雄踞世界之冠，巨大的需求要有巨量煤的支撑乜1 。 电厂“煤荒”，冬季“煤炭供应 成为描述我国经济现象中最火热的字眼，然而在 目前火爆的煤炭生产背后，却隐藏着一个无法回避的问题采空塌陷。采煤塌陷 是指地下煤层被采出以后，采空区周围围岩体内原有的应力状态失去平衡，出现应 力集中的现象，经过一段时间后，当集中应力的大小超过岩石的强度时，顶板岩层 就开始断裂、冒落，形成冒落带。冒落后，冒落带上部的岩层也随后断裂，再上部 的岩层将发生弯曲，随着采空区面积的不断扩大，地表开始移动，形成沉降波，致 使地表发生变形、破坏现象，形成一系列裂缝、塌落、地面沉陷等地表形态。由于 开裂或塌落使得采空区的岩体全部或部分失去了抵抗载荷能力，轻者有时会直接造 成生产设施的损坏；重者甚至发展形成灾害。长期以来，我国所形成的生产经营观 念重采轻治，导致新老矿区采空塌陷现象层出不穷，特别是老矿区尤为明显， 但真正的塌陷治理却找不到责任的主体。由于以上所表现出的采后不治或治理的滞 后性，引发一系列生态问题、环境灾害问题不断出现，给生产建设和人民生活带来 了很大危害。 ： 首先，采煤塌陷使土地的自然属性发生了很大变化。土地生态系统中的地表形 态、土壤肥力、水文、植被、小气候等自然生态要素都会随着地表的塌陷发生较大 的改变，自然因素综合体也就是土壤类型的性质也必将随着土地生态系统的变化而 变化，使原本长期以来所形成的某一传统利用方向上的土地类型改变甚至消亡。不 容置疑，我国是一个煤炭资源大国、煤炭生产大国，同时也是一个煤炭消费大国。 煤炭是我国最主要的能源，煤炭提供了7 2 的工业燃料，5 2 的化工原料和6 2 的电 力燃料，据有关部门估计煤炭约占一次能源构成的7 5 。进入2 1 世纪，随着能源需 求的不断扩大，煤炭开发力度必然会大大增加，但随之由采煤塌陷引起的环境、社 会问题也越来越多。由于我国煤炭产量9 5 以上为井工开采1 ，而且国有大中煤矿 大多采用长壁式开采方法和全部跨落顶板管理方式( 据测定这种方法引起的地表塌 2鄂尔多斯地区采煤塌陷对风沙土壤性质的影响 陷最大深度一般为煤层开采总厚度的o 7 倍，塌陷面积是煤层开采区的1 2 倍1 3 倍) h 1 ：这种开采方式破坏煤层覆岩原有的应力平衡状态( 图1 ) ，导致覆岩从下至 上发生冒落、裂隙( 缝) 和弯曲下沉，表现为采空区上方地表发生大面积沉陷，由于 破坏后，煤层覆岩应力的重新分配，造成地表沉降不均匀，从而形成许多塌陷裂缝 和不规则的塌陷断裂面( 图2 ) 。同时地下采动也会导致地表倾斜、拉伸和扭曲变形。 沉陷变形后，地表呈现起伏不平、大裂缝、高低梯坎或地面倾斜等地表形态，由于 基岩和土层受到不同程度的扰动，采动前后表土的容重会发生相应的变化，使得表 土松动，甚至地表积沙崩塌或散落。表土由于受到松动与地表积沙崩塌的影响，地 表植被根系被拉断而枯萎或死亡，进而干扰或破坏了原有的土壤植被系统，地表微 地貌形态发生极大变化，这样必然会引起土地物质的移动和流失，使得土壤结构发 生变化，再加上地表植被的不断减少，致使固定、半固定沙丘重新活化，加剧了矿 区荒漠化的发生。1 9 9 7 年全国1 2 5 8 个县市开办的4 3 万处煤矿造成塌陷土地总计3 x1 0 5 h a ，并以2 1 0 4 h a a 的速度增长拍1 ；截至2 0 0 3 年全国因采煤塌陷造成的土地 破坏总面积约4 x1 0 5 h a ，增长速度增加到2 2 1 0 4 h a a 1 ，芮素生，马兰英等人认 为到2 0 2 0 年土地塌陷面积将达1 2 亿h a 口1 。仅2 0 0 2 年我国新增采空塌陷面积就高 达3 万h a ，直接经济损失2 0 亿元。而我国目前因采空塌陷造成的经济损失累计已 超过5 0 0 亿元。重点煤矿的平均采空塌陷面积约占矿区含煤面积的十分之一m 3 。最 新研究表明，全国累计煤矿采空塌陷面积已超过4 0 万h a 阳1 ，我国因煤炭开采引起 的地表塌陷面积平均每开采万吨煤地表塌陷土地0 2 0 h a ，高者可达0 2 6 h a ，据此 估算全国每年因采煤塌陷土地7 0 0 0 h a n 们。根据国家煤田地质总局航测遥感调查数据 显示，2 0 0 2 年神东的三大煤矿大柳塔矿、活鸡兔矿和榆家梁矿区塌陷面积分别 为1 1 7 6h a 、8 1 6h a 和4 8 0h a ，皆属中大型塌陷规模。据孔改红、何万龙等研究结 果显示，全国煤矿年塌陷面积约为3 2 0 0 0h a ，如果按3 0 的耕地计算，年塌陷的耕 地面积约为9 6 0 0h a ，这对于我们这个人均耕地不足世界人均耕地四分之一的国家 来说无疑是雪上加霜，而目前我国每年的采煤塌陷土地约占全国被破坏土地的 1 l o 1 。从我国目前来看，采煤塌陷已经造成了东部平原矿区土地大面积的集水受 淹或盐渍化，加剧了西部矿区的水土流失和沙漠化，严重破坏了矿区的水土资源， 其带来的经济损失和生态环境破坏力度已经给我国的煤炭生产敲响了警钟。 其次，传统的井工采煤方式会对水资源造成直接影响和破坏的同时也间接地影 响和改变了土壤的性质。主要表现在三个方面：一是使土壤水分的入渗方式发生了 较大变化。在风沙区，降雨形成径流很少，大多以入渗的方式进入土壤。土壤的入 渗能力与土壤的结构和降水量密切相关，井下采煤使地下采空地表塌陷，塌陷过程 中的拉伸作用，使地表垂向裂隙( 缝) 大量发育，土壤与大气的接触面积增大，土壤 原有的质地结构发生了改变，土壤的导水率增大，土壤水的蒸发面积和蒸发强度也 相应增加，土壤罔间持水力降低，整体包气带的持水能力降低，土壤的含水率减小。 内蒙古农业大学博士学位论文3 图1 采煤致灾过程 f i g lt h ep r o c e s so f e x c a v a t ec o a lr e s u l t i n gd i s a s t e r 图2 地下开采引起的地表塌陷区裂隙 f i 9 2u n d e r g r o u n dm i n i n gr e s u l t i n gi nt h ec r a n n i e so f e a r t hs u r f a c e 4 鄂尔多斯地区采煤塌陷对风沙土壤性质的影响 当裂缝较小时，降雨首先要补充上层土壤的水分亏损，然后向下入渗；当裂缝较大 时，降水入渗方式也由非塌陷区的“活塞式 入渗转变为以“捷径式 入渗为主，- 使地表水直接沿大裂缝下渗，与地下水、矿坑水发生了直接联系，改变了原有土壤 水分的循环运移路径，致使土壤干化。二是随着煤炭的采出与采空区的形成，煤层 上覆岩层中形成导水的项板冒落或裂隙带，进而不同程度地导通了含水层，在覆岩 冒落带和裂缝( 隙) 发育处潜水排泄由顶板冒落前( 或未形成裂隙带前) 的以水平径 流为主转化为沿冒落带和裂缝垂向渗漏为主，地下水位迅速下降，使地下水以淋、 涌、滴等多种形式流入矿井而形成被污染的酸性矿井涌水，排出矿井的这些水体被 释放在周围形成小型湖泊或排入废弃河道内，使其所携带的大量有毒有害物质进入 土壤，改变了土壤的化学性质，尤其土壤中重金属离子含量提高，造成了土壤污染。 三是在矿井有突水威胁的情况下，为防止矿井水害的发生，保证矿井正常生产，往 往采用对含水层进行疏放降压的方法，把与煤层直接接触的顶板充水含水层进行疏 干，导致了浅层地下水的渗漏与流失，伴随地下水位的下降和泉水涌水量的减少， 减弱了包气带表层( 上层土壤) 与地下水的水力联系，土壤干化程度进一步加剧。植 物水分的补给主要依赖地下水体形成的自下而上的水分动力差。采煤塌陷对地下水 体的破坏，使地下水渗漏，地下水体过多地渗漏损失，造成地下水位降低，地表植 物根系分布层水分减少。由于适合该生境植物的生态系统遭到破坏，从而影响了植 被的正常生长，造成植被大量枯萎死亡，地表裸露面积不断扩大，进而土壤风蚀加 剧，土壤贫瘠化和逆向演替速度加快，结果使得土地沙漠化进一步加剧。 除此之外，煤炭开采对水资源直接造成的影响还表现为水资源的污染和浪费。 据统计，全国每年矿井排水量约2 2 亿t 以上，神府煤田矿区年矿坑排水约4 5 0 5 0 0 万t ，其中中性水约占7 0 8 0 ，硬度符合饮用水要求的占4 0 5 0 n 羽。根据神东公 司环境保护监测站对神东矿区枯水期、丰水期和平水期乌兰木伦河水质检测结果 看，枯水期超标项目有p h 值、n h 。一n 、总磷、石油类。p h 值测定范围8 4 2 - - - 8 5 7 ， 巴图塔断面略有超标；n h 。一n 测值范围0 0 6 2 0 6 m g l ，超标出现在大柳塔和敏盖 兔断面，超标率6 6 7 ，最高超标3 1 2 倍：总磷的测值范围0 0 7 0 - 一1 7 1 2m g l ， 超标出现在大柳塔和敏盖兔断面，超标率为5 3 2 ，最高超标是1 6 1 2 倍；石油类 测值范围0 0 2 6 - - ，0 1 8 5 m g l ，超标出现在大柳塔和敏盖兔断面，超标率为6 8 4 ， 最高超标是2 7 0 倍：一些重金属含量当前值是开采前值的1 6 - 4 倍，f e ，m n 含量 则高达数十倍。丰水期超标项目有b o d ；、n o ：- n 、n h 。- n 、p b 。b o d 。测值范围1 8 5 0 m g l 超标出现在敏盖兔断面，超标率为3 3 3 ，最高超标0 2 5 倍；n 0 ：一n 测值范 围0 0 1 7 - - - 0 4 8 2 m g i ，超标出现在大柳塔和敏盖兔断面，超标率5 0 0 ，最高超标 2 2 l 倍；n h 。- n 测值范围0 0 8 - - - 2 2 3m g l ，超标出现在大柳塔和敏盖兔断面，超 标率为6 5 5 ，最高超标是o 7 2 倍。平水期超标项目有b o d ；、n o ：- n 、n h 。- n 、石油 类。b o d 。测值范围1 6 - - 5 2m g l 超标出现在敏盖兔断面，超标率为3 5 8 ，最高 内蒙吉农业大学博士学位论文 5 超标0 3 0 倍；n o 。一n 测值范围0 0 2 8 - 0 1 6 5 m g 1 ，超标出现在敏盖兔断面，超标率 1 6 7 ，最高超标0 1 0 倍；n h 。一n 测值范围0 1 3 2 5 4m g 1 ，超标出现在大柳塔 和敏盖兔断面，超标率为6 4 3 ，最高超标是4 0 8 倍。石油类测值范围0 0 1 7 - - 0 0 6 9 m g 1 ，超标出现在大柳塔断面，超标率3 3 3 ，最高超标0 3 8 倍。可见，采煤在一 定程度上恶化了水环境，使一些水中物质如矿井水的蚀度、悬浮物、砷硫化物等项 目均超标。当然，长期以来，由于技术水平的限制和认识上的不足，矿井水只被当 。作水害来加以预防和治理，而被白白排掉并未加以综合利用和保护。目前矿井水的 利用率平均只有2 2 ，全国每年煤矿外排矿井水达2 2 亿t ，吨煤破坏地下水资源约 1 0 m 3 n3 1 。所以，煤炭开采不仅对水资源造成了很大的破坏( 地下水系统被人为强制 性改变，一些可开发的地下水源不复存在) ，而且引起矿区周围地表环境的污染和 土地的退化( 土地旱化、土壤结构破坏、土壤污染等) 。地下开采、地下水抽取与 环境之间的关系如图3 所示。 图3 地下开采、地下水抽取与环境之间的关系 f i 9 3t h er e l a t i o no fu n d e r g r o u n dw a t e rd e r i v i n g , m i n ew a t e rb e i n gr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t 6 鄂尔多斯地区采煤塌陷对风沙土壤性质的影响 最后，对于煤炭富集区来说，煤炭开采已给当地带来严重的环境问题。一般而 言，矿区在开发建设之前，由于长期的环境适应，使得原有的环境因子之间形成较 为相对协调稳定的环境系统。开发建设后，人为强烈的机械化干扰，在采区及其周 边环境发生了巨大的变化，由此引发了矿区特有的生态环境问题。如造成土地资源 的破坏、建筑物的变形、村庄被迫迁徙、煤矸石堆积、瓦斯及其他有害气体排放、 河川径流量锐减、地下水水位不断下降及其供水水源干枯、土地沙漠化、有害物质 流入地下水等问题。例如，煤田开采过程中会产生一些有毒有害物质( 特别是一些 重金属离子) ，这些物质在雨水的淋溶和冲刷作用下进入水体和土壤中，必然造成 土壤和水体污染。同时，当采煤造成的煤层消减量较大时，就会导致大范围地表形 态发生严重变形，有的甚至能够导致河流改道，严重地影响着人类的生存环境条件 和地区社会经济的可持续发展。 司双印，张运备等人认为，在一次能源消费总量中，煤炭占7 0 以上n 引。这种 能源消费构成在今后2 0 年内不会有大的改变。由于我国目前的能源资源结构表现 为富煤、少气、贫油的现实状况，而且在一次能源中煤炭是我国供应最可靠、使用 最经济的能源，这就决定了我国能源发展方向必须以煤为主。而本研究区处于毛乌 素沙地的东南部神东矿区，是国家规划的十三个大型煤炭基地之一，矿区蕴藏着丰 富的煤炭资源，总储量约2 i 0 t ，被誉为世界八大煤田之一n5 1 ，也是目前我国最 大的煤炭生产基地和重要的优质动力煤出口基地。传统的煤矿开采过程很少考虑到 生态环境的保护问题，基本上都是采取先采后治，甚至采后不治的开发策略，煤炭 开采与环境保护的不协调造成了对煤炭开发区的水资源、