煤炭开发对矿区资源环境的影响模型及应用研究

根据我国煤炭开发对资源环境破坏及国内外研究现状，以现代空间信息技术为主要数据采集、分析手段，以定量分析、评价、构模为特点，以大同等典型矿区资源环境受煤炭开采影响的动态演化分析为主线，运用多学科理论与方法，技术经济结合、实测数据分析与模拟试验结合、学科交叉综合，对煤炭开发对矿区主要资源环境因子交互作用及其耦合关系的理论、方法进行了系统研究，建立起了一系列定量分析、评估、预测模型。取得的成果包括：以地球生物化学循环为基础，分析了煤矿区各圈层间的碳流动机制和类型，讨论了煤炭开采对植被、土壤中有机碳的扰动效应，提出了煤炭开采对矿区植被、土壤扰动的计量理论；通过时空自适应反射率融合模型融合生成高时空分辨率遥感影像，拟合得到了2001-2010年16天间隔的230景植被NDVI值，提取了各影响因子对植被NDVI影响量，改进了CASA模型中FPAR的计算方法，拟合精度提高了9.699%；探讨了基于累积效应的煤矿区植被NDVI、NPP、生物量损失机制，进而测度了煤矿区植被NPP损失量；揭示了采煤沉陷对坡面汇流及土壤侵蚀的作用机理，计量了开采沉陷对土壤侵蚀因子的影响，得出了开采沉陷对流域坡长的双向影响、对流域土壤侵蚀的影响范围扩散到沉陷区以外等结论，测度了沉陷区土壤碳含量的变化量；综合以上两方面，构建了植被-土壤系统的碳汇变化模型，计量了受扰动环境因子价值量计量和生态补偿额度；利用遥感、无人机、三维激光扫描、热红外成像、Insar、GIS等对地观测与数据处理技术，综合研究了沉陷、滑坡、煤火等矿区地表环境监测与分析技术，并得到实际应用，产生了较好效果；利用Enter-PLSR分析方法建立了土壤有效氮估算模型，在保证结果精度的情况下，解决了PLSR计算效率较低的缺点；建立了基于 SD-CA-GIS的环境效应时空分析模型；从矿区主要资源环境因子数量质量（实物量）到经济（价值量及经济损失）指标构建了煤炭开发的资源环境效应评价模型，提出了基于系统演化模拟的矿区资源开发模式优化方法。在项目支持下，获得了多个煤矿企业资助课题，出版专著1部，发表论文19 篇，其中，SCI收录5篇，EI 收录4篇，中文核心刊物12篇；获得国家发明专利1项，软件著作权2项；培养博士毕业生3名，硕士毕业生11名；相关成果获国家科技进步二等奖2次，省部级科技进步一等奖3次、二等奖4次，产生了较大影响，取得了预期效果。 2100433B

针对我国煤炭开发对资源环境破坏及国内外研究现状，以现代空间信息技术为主要数据采集、分析手段，以定量分析、评价、构模为特点，以典型矿区资源环境受煤炭开采影响的动态演化分析为主线，运用多学科理论与方法，技术经济结合、实测数据分析与模拟试验结合、学科交叉综合，寻求揭示煤炭开发对矿区主要资源环境因子交互作用及其耦合关系的理论、方法，从主要资源环境因子数量质量到物质损害最终统一到经济指标，研究煤炭开发对矿区资源环境影响的表征理论、方法，建立起定量分析、评估、预测模型，探讨数据获取处理、模型可靠性、预测准确度等相关问题，以此为基础，研究诸如矿区资源环境容量或承载力评估、资源环境价值与煤炭开发损益计量、绿色收益及完全成本测算、煤矿开发合理布局及科学产能确定、系统分析与优化等问题。本项目是激励绿色与科学采矿、进行循环经济规划、促进资源合理利用、实现矿区可持续发展的基础与关键，具有重要的理论与实用价值。

采矿工程专业 采矿学重点专业名词

定义：矿区开发是指矿区根据储量、赋存条件、煤炭市场需求量和投资环境等情况，确定矿区规模、划分井田，规划井田开采方式，规划矿井或露天矿建顺序，确定矿区附属企业的类别、数目和生产规模，建设过程等，总称为矿区开发。2100433B

煤炭开采对生态的影响主要有两个方面:①是煤矿生产排污对生态环境的影响，主要表现为废气、废水、废渣排放对生态的影响，即污染生态影响;②是煤炭开采引起的地表沉陷对生态环境的直接破坏，即非污染生态影响。地表沉陷是地下采动破坏发育到地表的一种表现形式。在沉陷过程中，地表高度、坡度、水平位置发生变化。因此，对位于沉陷影响范围内的地下水、土地、植被、建(构)筑物等都将受到不同程度的影响。

(1)开采沉陷对土地资源的影响

采煤沉陷使地表变形，形成地表移动盆地，产生地裂缝和塌陷坑，破坏了原有的地表形态。地表坡度的变化，使原有的径流发生改变，坡度大径流量大，引起的水土流失和土壤侵蚀也越严重。地表裂缝的产生，地表水与地下水向深部渗漏，使潜水位下降，导致土壤湿度减小，土地变得更加干燥。同时，土壤中的营养元素也会随着裂隙、地表径流流入采空区或洼地，造成许多地

方土壤养分短缺，土地承载力下降。另外，当沉陷深度超过该区地表潜水位时，土地受淹而常年积水，处于沉陷边坡区域的土地，易发生盐渍化，造成土地质量退化。

(2)开采沉陷对植物的影响

地表大面积塌陷，影响植物的生长发育，甚至造成绿色植物的大幅度的减少。土地塌陷对植物的影响情况与矿区的地形、地貌、地质、区域气候、地下潜水位高低等自然要素和采矿条件有关，可按地形、地貌和潜水位高低大致划分为4个影响区类:

a.高潜水位的平原矿区。通常高潜水位平原矿区地面沉陷后，地表会出现积水。位于常年积水区的土地不能耕种，绿色植物大幅度减少;位于季节性积水的土地会减少种植茬数或造成严重减产。

b.低潜水位的平原矿区。在潜水位较低的平原矿区，由于开采沉陷使地势变低和抬高潜水位，一方面在雨季很容易出现洪涝，使土地沼泽化;另一方面，在旱季潜水蒸发变得强烈，地下水易于携带盐分上升到地表，使土地盐碱化。土地出现沼泽化和盐碱化，使作物生长明显受到抑制，在一些重盐碱土上甚至寸草不生。在草原地带，由于潜水位上升影响牧草的生长发育，积水区会变成沼泽地，使牧草绝产。

c.丘陵矿区。在丘陵地区，当地下开采使地表上凸部分下沉时，将减小地面凸凹不平的程度，有利于植物生长;当地下开采使地表下凹部分下沉时，将增大地面的凸凹不平的程度，不利于植物生长;另外，在干旱的丘陵地区，如果地下开采引起地表裂缝发育，将使地表水易于流失，土壤变得更为干燥，亦会影响植物的生长。

d.山区矿区。在山区，开采沉陷对植物的影响情况主要与区域气候和地质条件有关。一般情况下，山区开采沉陷对植物影响不大。但在某些干旱的山区，由于开采沉陷引起的地表裂缝、台阶、塌陷坑、滑坡等破坏形式，地表水流失严重，土壤微气候变得更为干燥，土地更容易被风、水等侵蚀，也严重影响植物生长，造成农作物减产。

(3)开采沉陷对水资源的影响

一方面由于开采沉陷，地表出现下沉、裂缝、塌陷坑等破坏形式，这些破坏在一定程度上改变了地面降水的径流与汇水条件，使地表水通过裂缝渗入地下，引起河流水系的流量减少，严重时地表水系甚至出现断流现象;另一方面沉陷过程中，煤系上覆岩层受到破坏，岩层裂隙增多，煤系上覆岩层的含水层在水位和流向上受到干扰，地下水沿着发育的裂隙加速向采空区或深部岩体渗漏，使水位降低，严重时导致地下水疏干，井泉干涸。由于水源的破坏，直接影响到矿区工农业生产用水和居民生活用水。

(4)开采沉陷对地表建(构)筑物的影响

沉陷对地表建(构)筑物的影响，一般有以下几种情况:

a.地表大面积、平缓、均匀的下沉和水平移动，一般对建筑物影响不大，但当下沉量很大而地下潜水位又很高时，由于沉陷后盆地积水很深，排水困难，将使建筑物长期浸泡在水中而导致破坏;

b.地表倾斜使采动影响范围内的建(构)筑物产生歪斜，会使管道、公路和铁路的坡度改变。道路坡度的变化使车辆的运行阻力增大或减小，以致交通事故增加;

c.地表曲率变化破坏建筑物基础;

d.水平变形使建筑物表面产生裂缝，使地下管道被拉断，公路路面开裂，铁路的轨距和轨缝等发生变化。

除以上影响之外，开采沉陷有可能对野生动物也产生一定影响。这是因为野生动物的生长繁殖要有适宜的环境条件，由于开采沉陷使矿区的自然景观发生剧变，影响绿色植物的生长发育，改变了动物的栖息环境，因而，使一些野生动物由于不适应环境的变化或由于缺少食物而死亡或迁移。一般说来，开采沉陷会导致矿区原有野生动物的种群和数量下降。2100433B

介绍

根据国家和地区经济发展的需要以及矿区的资源条件，经过技术经济综合研究，所制定的矿区开发总部署。它是编制本矿区生产建设计划、安排地质勘探及设计工作的依据。

编制矿区规则的原则：①应考虑矿区在技术、经济和社会三个方面的全面发展；②依靠科学技术进步，用现代技术和设备建设矿区；③提高经济效益；④对内外部条件综合平衡,统筹安排;⑤明确总目标和分期目标。

矿区规划的内容有:①对矿区资源进行综合评价,对后备资源确定出合理的标准，在此基础上提出补充勘探的要求；并对矿区资源伴生矿物，提出综合开采和综合利用的意见。②论证矿区建设对全国及全地区国民经济发展的作用，分析研究矿区建设和生产的经济效果。③提出矿区开发方式、矿井或露天矿的井田划分，生产能力、生产工艺、工业厂址、建设步骤、建设时间等的规划意见以及产品用户和加工的要求。④按照矿区最终建设规模，安排矿区内部铁路、公路交通系统、供电系统、环境保护、造地复田、给水、排水、辅助企业及附属设施、管理机构、文教科研及村镇建设等的初步方案。⑤与有关部门的协作项目，如铁路、电力、通讯、交通等建设范围和投资划分，提出初步协商意见。⑥框算矿区建设所需井下、地面工程量，设备、钢材、木材、水泥的需用量和建设投资；框算矿区职工人数和居住人口以及经济效益等。⑦如矿区已有生产矿井或露天矿时，要调查现有的建筑和设施、设备和生产状态，并提出利用和扩建的意见。