采矿塌陷条件下包气带土壤水分布与动态变化特征研究.pdf

分类号U D C密级y9 3 2 0 5 6中国地质科学院硕士学位论文塞堑塑隆釜鲑工鱼氢堂攘丞盆查生动查銮丝犍延研塞堕!墼吐丛!i!鲢!14 i 丝i b 鲢i 业鲤i4 1 n 蜓!g b!垦曼!i!址坠旦垒曼!b 壁壁旦垦!垫i 坠i 翌g 璺Q 坠鱼i i Q 旦赵红拖指导教师姓名张筮匪砑宜员副导师姓名荆垦蚕班究虽专业名称丝厦工程论文答辩日期答辫委员会主席2 0 0 6 年6 月1 0 目学位授予日期评阅人摘要神府东胜矿区地处西北干旱半干旱地区，气候干燥，降水量少，蒸发强烈，水资源极度缺乏。随着煤矿能源的持续丌采，造成地表大面积塌陷，地下水位大幅下降，水资源严重短缺，地质与生态环境问题越来越突出。因此在该区研究采矿塌陷条件下包气带土壤水分布及动态变化特征具有重要意义。开展本项研究不仅对维护治理矿区的生态环境、实现塌陷区土地的复垦等有重要的实际意义，而且对于丰富条件影响下的包气带土壤水研究也有着重要的理论意义。为此本论文以神东矿区为研究区，并确定两个重点试验区一大柳塔试验区和补连塔试验区，分别作为塌陷稳定区和塌陷非稳定区，主要开展以下几个方面的研究工作：(1)采矿塌陷区包气带土壤理化性质特征分析；(2)采矿条件下不同塌陷类型包气带土壤水垂向分布特征对比分析：(3)采矿塌陷条件下包气带土壤水季节性动态变化特征；(4)采矿塌陷条件下包气带土壤水空间变异分析；(5)采矿塌陷对生态环境的影响效应研究。研究结果表明：l、采矿塌陷区与非塌陷区相比土壤理化性质较差，表现为土壤粒度较粗，容重较大等。2、采矿塌陷作用使土壤持水能力明显降低。这在对塌陷区土壤含水量及储水量的分析中都得到证实。3、塌陷区各深度层土壤水季节性动态变化趋势与非塌陷区非常相似。说明采矿塌陷对试验区内表层土壤水季节性动态变化影响甚微。4、采矿塌陷对土壤水垂向变异性有很大影响，表现为土壤含水量的变异系数在各个深度层均大于非塌陷区。对试验区土壤含水量平面变异性分析的结果表明土壤含水量低值区均位于塌陷区内的塌陷坑部位，证明地表塌陷坑、塌陷洞等对土壤含水量影响较大。5、采矿塌陷作用对矿区土壤环境、水环境、环境污染及地表植被等产生严重影响，从而造成矿区生态环境恶化，影响区域的可持续发展。关键词：神府东胜矿区，土壤理化性质，土壤含水量，时空变异，生态环境c o n t e n ti nt h et e s t i n g 舒o u n d 4、C o a lm i n i n gs u b s i d e n c eh a dal a r g ei n f l u e n c eo nt h ev e r t i c a lV a r i a b i l i t yo f s o i lw a t e rc o n t e n t T h a ti st h ec o e f f i c i e mo fv a r i a t i o nt e n d e dt ob eh i 曲e ra ta l ld e p t h si nt h es u b s i d e n c ea r e at h a nt h en a t i v ea r e a T h es t u d yr e s u l t so fh o r i z o n t a lV a r i a b i l i t yo fs o i lw a t e rc o n t e n ti nt h et e s t i n gg r o u n ds h o w e dt h a tt h el o wV a l u eo fs o i lw a t e rc o n l e n tl i e si nt h ec 0 1 l a p s ec r a t e ro fs u b s i d e n c ea r e a I tp r o V e dt h a tt h ec o l l a p s ec r a t e ra n dc o l l 印s ec a v ei nt h cs u 墒c eg r o l m da 腩c tt h es o i lw a t c rc o n t e n tr e m a r k a b l y，5、C o a lm i n i n gs u b s i d e n c eh a v es e r i o u si m p a c to na l lo f t h es o i lc o n d i t i o n，w a t e rc o n d i t i o n，e n v ir o l m e n t a Ic o n t 锄i m t i o na n dp l a I l t sl i v i n go fg r o u n d S ot h a ti tm a k e st h ee n t i r o I 蚰e n to fc o a lm i n i n ga r e ad e t e r i o r a t e da 1 1 da 行c c t st h el o c a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tc r i t i c a l l y K e yw o r d s：s h e n m-D o n g s h e n gm i n i n ga r e a；s o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp m p e r t i e s；s o i lw a t e rc o n t e n t；s p a t i“V a r i a b i l i t y；e n t i r o m n e m采矿塌陷条件下包气带土壤水分布与动态变化特征研究1 1 选题依据1 1 1 课题来源第一章绪论本次研究的选题来源是国家自然科学基金面上项目“采矿塌陷条件下包气带水分运移机理研究”(负责人：张发旺)。该项目以神府东胜煤田大柳塔矿区双沟农场为重点研究区，建立实验场开展野外实验研究。拟开展以下四方面研究：1)采矿塌陷区包气带土壤含水量、土壤水势分布的空间变异规律的观测实验研究；2)采矿塌陷区与非塌陷区包气带土壤水分运移特征的对照研究：3)采矿塌陷区包气带水分运移机理研究：4)采矿塌陷包气带深层渗漏量的定量分析研究。笔者作为项目组成员之一，参加了资料的收集、野外踏勘等基础工作，深刻地认识到深入研究采矿塌陷条件下的水分运移机制，对定量分析降水和灌溉入渗，土壤水和地下水的相互转化关系，以及研究塌陷区地下水资源的形成过程，地下水资源评价与合理开发利用，采矿塌陷区污染预测、预报防治等有重要意义，对该区实现复垦和生态环境建设有重要指导作用。因此以此项目为依托，确立了“采矿塌陷条件下包气带土壤水分布与动态变化特征研究”作为硕士论文的题目。1 1 2 研究目的和意义矿产资源是国民经济、社会发展和人民生活的重要物质基础，也是衡量一个国家实力的标准之一。矿产资源的开发推动了近代工业的迅猛发展，我国目前9 5 的一次能源，8 0 的原材料，要靠开发矿产资源提供。但另一方面，矿产资源是有限的，绝大多数开采后不能再生。我国目前还处于矿产资源消耗量增长最快的时期，工业增长加上人口增长，对矿产资源构成强大的需求压力，在矿产资源大规模开发利用的同时，大大改变了矿区生态系统的物质循环和能量循环，产生了严重的生态破坏和环境污染，成为影响区域经济持续、稳定、协调发展的重要因素。采矿塌陷即是造成这种环境与生态破坏的重要原因之一。采矿一方面打破地应力的平衡状态，改变了矿区环境地质及水文地质条件，引起地表大面积塌陷，并出现如地裂缝、塌陷坑、塌陷洞、塌陷阶地等塌陷地貌，使潜水沿裂隙迅速向深层渗漏，造成地下水位大幅下降，地下水对地表土壤水的补给减少，影响地表采矿塌陷条件下包气带土壤水分布与动态变化特征研究植被生存；另一方面，采矿还破坏了包气带土壤原有结构，造成整个包气带垂向裂隙十分发育，强化了包气带垂向排水疏干机制，引起包气带土壤水分运移状态的改变，从而对地表降雨入渗与蒸发、地下水的补给、地表植被水分和养分的吸收等都产生重要影响。另外，采矿废水、废渣也使土壤和地下水受到污染，导致土壤盐碱化或沙化，使土地成为荒废地，严重破坏地表生态环境。神府东胜矿区位于晋陕蒙接壤地区，地处乌兰木伦河和窟野河两侧，总面积3 4 8 1 k m 2，煤炭地质储量3 5 4 G t，探明储量占全国煤炭保有储量的四分之一。神府煤田是我国目前发现的最大聚煤盆地，居世界八大煤田的第三位，属于低狄、低硫、低磷、中高发热量的优质动力煤。因煤炭埋藏浅、煤层厚、地质构造简单、开采条件好，适合大规模露天开采和机械化开采，建设和生产成本低，经济效益好，而成为我国重要的优质动力煤基地。随着国家能源中心的战略西移，该煤田将占有举足轻重的位置。然而该区地处西北干旱半干旱地区，气候条件干燥，降水量小，蒸发强烈，水资源天然不足。随着煤矿能源的持续开采，造成地表大面积塌陷，地下水位大幅下降，水资源严重短缺，地质与生态环境问题越来越突出，已受到新闻媒体和相关专家的普遍关注。因此，在神东矿区这种严重缺水、生态环境受到人类活动极大破坏的特殊区域，对包气带土壤水的分布与动态变化特征的研究显得尤为重要。它不仅对有效地规划和利用矿区的水资源，为地下水资源的可持续性利用和发展提供有力的证据，而且对维护治理矿区的生态环境问题，实现塌陷区土地的复垦等都有很重要的实际意义。由于地理和经济等社会因素，对于采矿塌陷这种特殊条件下的包气带土壤水分布与动态变化特征的研究程度还不是很高，因此本项研究对于丰富条件影响下的包气带土壤水研究也有着重要的理论意义。包气带土壤水分布与动态变化特征研究是与当前一系列学科如土壤学、水文地质学、农R 水利学及土壤水动力学等相关的一个重要课题。浅层地下水开发利用对工农业生产具有重要作用，很多水文地质参数的确定与包气带水形态与能态状况直接相关，而且研究包气带土壤水分布与动态变化特征(尤其是采矿塌陷区)对合理开发水资源、保持水土平衡、防止土地沙漠化、盐碱化和植被退化、评价地下水资源量等都有重要的意义为此本论文以神东矿区为研究区，通过对采矿塌陷区及非塌陷区进行实地考察、取样、分析实测数据来探讨采矿塌陷条件下包气带土壤理化性质及土壤水动态变化特征，并就其对地表植被生长及生态环境的影响做出适当评价，以期为矿采矿塌陷条件下包气带土壤水分布与动态变化特征研究区土地复垦以及生态环境建设等提供一定的科学依据。1 2 研究历史与现状1 9 9 2 年在国际矿山水大会上由法国鹿特丹矿业学校M i c h e ls c H M I T T、M e d a r dT H I R Y 教授首先提出了采矿塌陷区包气带土壤水的科学问题，法国矿业学校的M e d a r dT H I R Y、M i c h e ls c l M I T T、英国皇家工学院矿业学院的D o l e、德国柏林工业大学的A B e r m t z k y 及美国加州农业科学院的w L L i n d s a y、俄罗斯K o p w a k、A k h m o b 等对本国矿区或周围包气带土壤水分、养分及污染等问题进行了分析研究。这些研究主要是针对采矿塌陷区地下水污染问题而开展的，因此主要研究采矿废水对土壤和地下水的污染。1 9 9 6 年，澳大利亚昆士兰大学的B r i a nR s t a n m o r e，Y i n g h eH e，E d w a r dT W h i t e，B r u c eF i r t h 等人对昆士兰州两个露天煤矿的高等级粗粒炼焦煤进行了孔隙度和持水性能的研究。1 9 9 8 年，希腊亚里斯多德大学农业学院的V a s s s i l i sZ A n t o n o p o u l o s 等人对英格兰东北部A c k l i n g t o n 的露天煤矿复垦区土壤与邻近的非扰动土壤进行水分运动、物质运移及氮转化的对照研究。1 9 9 9 年，法国鹿特丹矿业学校K A T h o m a s、M i c h e ls c H M I T T、M e d a r dT H I R Y 教授在希维基尼亚南部山顶地表煤矿塌陷区对包气带土壤水分状况进行了研究，对塌陷产生的四个不同时期(2、7、l l 和2 3 年)的矿区土壤(m i n e s o i l)进行了水分采样和对比研究。美国科罗拉多州s a v c i 环境技术院的D A s w a n s o n 等对具有明显分级的矿区土壤包气带水分特征预测进行了研究。L a w r e n c eR w a l k e r，E l i z a b e t hA P o w e l l(2 0 0 1)对加利福尼亚南部莫哈韦沙漠金矿地表的土壤水持力进行了试验分析研究。德国勃兰登堡技术大学的u w eB u c z k o 等(2 0 0 5)对二维非均质的褐煤矿土壤进行了水力参数空间分布的估算研究，为模拟二维水流及溶质运移过程奠定了基础。可以说，目前越来越多的人开始注意到采矿塌陷区包气带土壤水研究的重要性，但比较成熟的成果还较少，需要开展长期的实验研究。我国有关专家对矿区塌陷前后包气带土壤水研究的重要性早已有所认识，也开展了相应的调查工作。胡振琪、刘海滨等(1 9 9 0 一1 9 9 6)开展了采煤土地复垦管理模式和综合治理工作，提出了利用包气带土壤水分变化开展土地复垦的观点；孙沼先、李树志等(1 9 9 1)提出了塌陷区综合治理的技术途径，其中提出需要重视水分变化对土壤影响的研究的观点。但是在1 9 9 4 年以前只是有学者以不同的形式提出需要进行塌陷区土壤水研究的观点，并未见到J 丌展实验研究的论文或报道。1 9 9 4 1 9 9 6 年中国地质科学院水文地质与环境地质研究所承担的科技采矿塌陷条件下包气带土壤水分布与动态变化特征研究部“八五”国家攻关项目“采矿条件下地下水环境效应及水资源保护利用研究”课题(负责人：周骏业，张发旺)中，对采矿塌陷区包气带土壤水分运移进行了实验研究，阐明了塌陷对包气带土壤水分运移的影响。但由于从水分运移监测设备的安装到结束只有8 个月时间，之后由于项目到期没有继续开展下去。尽管研究没有达到预期定性研究的精度，更没有对塌陷前后包气带土壤水分运移进行定量评价，但对塌陷区和非塌陷区水分运移的实验研究尚属首次，对进行该矿区生态环境建设与保护都起到非常重要的作用。随后，越来越多的学者开始进行这方面的研究工作。聂振龙、张光辉、李金河等(1 9 9 8 年)以神木大柳塔矿区为研究区分析了采矿塌陷作用对地表生态环境的影响对本次研究的开展有一定借鉴作用和意义；纪万斌(1 9 9 6 2 0 0 1 年)开展了地面塌陷尤其是采矿塌陷对土地的破坏及控制机理和技术的研究，并提出塌陷会对包气带土壤水分产生不利影响；李惠娣、杨琦等(2 0 0 2 年)对大柳塔矿区初塌区实验场的实验数据从水分特征曲线和渗透系数的角度讨论了不同包气带土壤水的特征规律，并利用包气带土壤水的特征规律讨论了采矿塌陷引起的土壤结构变化对当地环境造成的不利影响，这与本次研究具有一定的联系；赵明鹏、张震斌等(2 0 0 3 年)开展了阜新矿区地面塌陷灾害对土地生产力影响的定性研究，认为土壤中许多元素随着裂隙、地表径流流入采空区或洼地造成许多地方土壤中养分的短缺，最短缺的部位是塌陷拐点，因为此部位裂隙发育良好，极易漏水漏肥，塌陷中心情况不尽相同；并建议土地复垦要进一步开展深入研究，在复垦时要分区、分情况而采取不同的复垦办法进行治理；林素兰、袁立新(2 0 0 5 年)等在进行采矿业对环境影响效应的研究时，发现煤矿弃物堆的岩土含水量明显低于对照土壤含水量，在干旱时期，含水量甚至低于植物萎蔫含水量。这些充分说明我国学者也越来越重视采矿塌陷区包气带土壤水的研究问题。1 3 研究方案1 3 1 研究内容本次研究选择神府东胜矿区为研究区，并确定两个重点试验区一大柳塔试验区和补连塔试验区，分别作为塌陷稳定区和塌陷非稳定区开展以下几个方面的研究工作：(1)采矿塌陷区包气带土壤理化性质特征分析；(2)采矿条件下不同塌陷类型包气带土壤水垂向分布特征对比分析；4采矿塌陷条件下包气带土壤水分布与动；蠡变化特征研究(3)采矿塌陷条件下包气带土壤水季节性动态变化特征：(4)采矿塌陷条件下包气带土壤水空间变异分析；(5)采矿塌陷对生态环境的影响效应研究。1 3 2 研究方法与技术路线拟采用的研究方法与技术路线如下：(图l 一1)采矿塌陷条件下包气带土壤水分布与动态变化特征研究lE工i_野外观测试验上iI“M，j 自玎仃l上j L 一上立一i塌土不季塌带采陷鬻翟肇|区穗左土壤理化性质厂-_。_ _ _ _。_ _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _-_-。_-。一上采矿塌陷对生态环境的影响效应研究J r(，一，葛论与建夏、图l 一1 整体技术路线图(1)分析借鉴国内外己有的相关研究成果，借鉴采矿塌陷区包气带土壤水动态的监测技术和理论研究方法。(2)研究中拟采用野外观测试验与室内分析研究相结合，定性分析和定量分析相结合的研究方法。(3)野外观测试验。在野外调查及以往工作的基础上，选择塌陷稳定区、塌陷非稳定区和非塌陷区的代表性地段；建立塌陷稳定区与非塌陷区两个二七壤剖采矿塌陷条件下包气带土壤水分布与动态变化特征研究面，分层取样测定剖面各层土壤颗粒组成、土壤容重及易溶盐等理化性质；确定土壤含水量动态测试的试验区位置，测点数量、测点间距、点位，每一测试点的测试深度范围；确定野外取原状土样的取样点位、点数、取样数等；土壤含水量的动态监测采用时域反射仪(T D R)。(4)室内分析采用定性与定量相结合的分析方法，借鉴前人分析研究的成果，利用野外实际观测数据，得出采矿塌陷条件下包气带土壤水分布与动态变化特征规律，分析采矿塌陷对当地生态环境产生的影响，提出合理化建议。6第二章神府东胜矿区概况第二章神府东胜矿区概况2 1神府东胜矿区概述2 1 1 自然地理状况神府东胜矿区位于陕西省榆林市神木县北部、府谷县西部、内蒙古自治区伊克昭盟伊金霍洛旗和鄂尔多斯市的南部，地处乌兰木伦河(窟野河)的两侧，为世界七大煤田之一。其地理坐标为东经1 0 9。5 l 1 1 0。4 67、北纬3 8。5 2 3 9。4 l。矿区南北长约3 8 9 0 k 珂，东西宽约3 5 5 5 k m，面积约3 4 8 l k m 2，地质储量3 5 4 G t(交通位置图2 一1)。图2 一l 神府东胜交通位置圈7第二章神府东胜矿区概况2 1 2 地形地貌特征神府东胜矿区地处鄂尔多斯高原东南部，陕北黄土高原北缘和毛乌素沙漠东南边缘；总的地形为西北高，东南低，海拔一般为1 0 0 0 1 3 0 0 m，平均海拔1 2 0 0 m左右；矿区北部东胜梁呈东西向展布，形成南北向河流的分水岭，标高为1 4 0 0 1 5 0 0 m。乌兰木伦河自西北向东南纵贯整个矿区，在矿区南部与悖牛川汇合成窟野河。矿区属盖沙黄土丘陵地貌，地表为流动沙及半固定沙所覆盖，沙层最厚可达5 0 m。中部及西北部地貌类型属于波状高平原台地，地形平缓开阔，以风沙地貌为主；东部及东南部为黄土丘陵沟壑区，形成梁峁、沟壑和黄土原三种地貌，区内沟谷纵横，地形破碎，植被稀疏，地面坡度大，坡面水蚀、沟蚀发育(图2 2、2 3)。区内土壤风沙土为主，占矿区土壤的9 5 以上，结构疏松，抗蚀性差，极易遭受风蚀。出露的主要地层包括基岩、沙黄土、风成沙。基岩地层约占本区总面积的1 8 4 5，主要为一些砂页岩互层，结构疏松，节理发育，是河流粗泥沙的主要来源。黄土是本区最主要的地面物质，分布面积约占有6 3 6 3 以上。风成沙的大面积分布是本区区别于典型黄土丘陵区的主要特点之一。风成沙在本区主要表现为流动沙和半固定沙，由于多为就地搬运起沙，粒级较粗。矿区生态环境脆弱，再加上该地区在历史上属于边关地区，战乱频繁，战争导致植被严重破坏以及耕垦面积不断增加，因此植被生长发育差，覆盖度低，是矿区植被的主要特征。据统计，乌兰木伦河两岸覆盖度 O 1 的裸沙裸岩分布面积占3 5 6，覆盖度为O 1 0 3 的半流动半固定沙地等占2 3 2 2，覆盖度为O 3 0 5 的区域占2 0 4 6，农田覆盖占1 2 8 9。据在植被覆盖良好的活鸡兔矿区束鸡沟流域的测定，其植被覆盖度 O 5 的面积占流域面积的8 5，其中 0 3 的面积占流域面积的3 7。由于覆盖度低，防护作用差，土壤侵蚀强烈，特别是风沙活动强烈，是矿区土地沙化的重要原因。本区典型地带性植被以芒草群系为代表，但由于自然条件的变化和人类活动的影响，草原植被退化，沙地植被占绝对优势。乔灌植被覆被率在矿区中心区域大柳塔镇只有2 1 8，其中乔木仅为7 4 5；束鸡沟流域乔木林(杨树林)覆盖度一般为0 1 左右，灌木林的覆盖度一般小于0 3。乔木林主要是人工杨树林，一般呈“小老树”，树冠小，枯落物极少。草被以沙蒿、沙柳、柠条为二E，主要是天然沙蒿，覆盖度多在O 3 O 5，最高可达0 7。当沙蒿覆盖度达O 3 以上时，第二章神府东胜矿区概况地表有苔藓层生成。图2 2 黄土丘陵沟壑地貌圈2 3 半固定沙丘地貌2 1 3 气象水文矿区属典型的中温带半干旱大陆性气候，其基本特征是冬季严寒干旱，无霜期短，平均为1 7 9 天，冰冻期长；夏季炎热多暴雨；春季干旱多风，风沙频繁；秋季凉爽；全年温差悬殊，冷热多变，年均气温为6 2 8 5，年极端气温一2 8 1 3 8 9；秋未、冬春盛行西北风，夏季多为东南风，年平均风速2 2 m s；9第二章种府东胜矿区概况雨季集中在7 9 月份，7 9 月的降雨量占全年的6 5 7 0，年降雨量为1 9 4 7 j 3 1 6 m m，分布趋势为由东南向西北逐渐减少，且大部地区年降水量在4 0 0 m m 以下。神木县历史上最大年降雨量8 1 9 1 m m，而最少的年降水仅有1 0 8 6 m m(1 9 6 5)(表2 1)；蒸发强烈，年蒸发量为2 2 9 7 4 2 8 3 8 7 啪。受蒙古高压的影响，干旱、风沙、暴雨成为本区环境严酷的突出特征。近3 0 年来发生6 个春早年，1 0 个夏旱年，9 个秋早年，几乎每年都有不同程度的干旱发生。干旱的同时多伴随大风，全区多年平均风沙日7 0 多天，年平均沙暴同4 1 9 天，最多达4 3 天。神木县平均沙暴日1 5 天，鄂尔多斯市1 9 天。大风和沙暴多集中于3 5 月，尤以3 4 月为甚，大风多，且强度大，平均风速2 5 3 5 m s；四月平均风速4 3 m s，最大瞬时风速为2 3 7 m s。同黄土高原其它地区相比，神府一东胜矿区所在区域暴雨次数较少，但暴雨雨量在年降雨中的比例较大，暴雨雨量占当年降雨总量的比例在9 6 3 3 4 之间。根据矿区1 0 个雨量站1 9 7 7 1 9 8 9 共1 2 年的统计，单站年均暴雨0 5 3 d，最多为2 d，以一般暴雨为主(占8 4 4)，大暴雨出现频率较低(占1 5 6)。虽然矿区暴雨次数较少，但由于暴雨雨量比例较高，而且由于矿区处于风沙与黄土过渡地带，地表物质抗蚀性差，地表覆盖度低，旦有暴雨径流形成，就会产生较严重的土壤侵蚀。总之，干旱、大风及暴雨是本区气候的主要特征，也是环境脆弱的重要成因之一。表2 1 神木县和东胜市气象站主要气象资料表气象指标神木县东胜市最高3 8 93 66年气温()最低一2 8 12 7 9平均8 45 5最多8 1 9 15 3 1 6年降水量(m m)最少1 0 8 61 9 4 7平均4 3 673 6 4 9年平均蒸发耸(m m)1 9 9 02 4 5 1 3最大冻结深度(m)1 4 61 7 l最大2 52 4风速(m s)一般23 33 3第二章神府东胜矿区概况区内地表水系不发育，主要有乌兰木伦河(窟野河)贯穿全区。乌兰木伦河属黄河一级支流，发源于内蒙古自治区鄂尔多斯市西南巴定沟，自北部石圪台流入本区，自北向南、在孙家岔附近与悖牛川汇合流入窟野河。全长1 3 8 O k m，流域面积为3 8 4 0 k m 2：区内流长为5 5 0 k m，流域面积7 5 0 k m 2。两岸沟谷分布不均，左岸较右岸发育；河谷较宽阔，大柳塔附近宽8 0 0 m 左右；较大的沟道左岸有小木河沟(石圪台沟)、柳根沟、双沟、哈啦沟、悖牛川等，右岸有活鸡兔沟。河谷漫滩及一级阶地较发育，以侏罗系为主的煤系地层在河岸断续分布。据王道恒水位站资料，乌兰木伦河泥沙含量高，多年平均含沙量为1 1 3 k g m 3，平均河道比降为2 9 6，年径流量1 2 3 4 1 0 8 m 3，多年平均径流2 4 1 0 8 m 3，年径流深6 3 舢。年径流模数6 3 1 0 4 m 铂(I I l 2。径流年际变化大，c v=O 4 7，丰枯比超过5 O；季节性分布不均匀，汛期7、8、9 三个月占全年径流的7 0 左右，春季3、4 月由于气温回升，冰雪消融，形成桃汛，其径流量占全年1 3 1 5。乌兰木伦河补给来源主要是雨水，占7 0 左右，地下水补给占3 0。河水流量季节性变化大，夏秋季多山洪，冬季流量极少。由于地处陕北暴雨区，常形成洪水、特点是洪峰呈现尖瘦型特征，洪峰历时短，河水暴涨暴落。1 9 8 9 年、1 9 9 1 年洪水都曾淹没大柳塔。2 1 4 社会经济矿区地处陕西省榆林地区与内蒙古自治区的鄂尔多斯市交界处，神府东胜煤田开发之前，该地区为典型的“老、少、边、穷”地区，偏远落后，区内多为沙丘覆盖，土地贫瘠，生态环境脆弱，水土流失严重。当地农民居住稀散，耕地少且为沙土耕地，在各沟内有河滩淤积耕地，农产品以玉米、谷子，荞麦等杂粮为主。畜牧业主要是喂养猪、羊等牲畜。地区经济基础薄弱，地方财政困难，生产力水平低下，缺乏自我发展能力，是一个经济十分落后的地区。然而该区地域广阔，矿产资源丰富，特别是得天独厚的煤炭资源，成为2 0年来本区经济建设高速发展的基础。8 0 年代中期，随着“八五”重点建设项目神府东胜煤田的建设，这里先后建立起神府精煤公司和东胜精煤公司两大国有煤炭企业，1 9 9 8 年，两家公司合并。组成了今天的神华神府东胜煤炭有限责任公司，统一规划，统一开采。神府东胜煤田总面积3 1 1 7 2 k m 2，探明储量2 2 3 6 G t，远景储量1 0 0 0 G t。煤田一期规划面积3 4 8 l k 抒，地质储量3 5 4 G t，是国家规划的1 3 个大型煤炭基地之一，也是我国目前最大的煤炭生产基地和重要的优质动力煤出口基地。从1 9 8 7第二章神府东胜矿区概况年至1 9 9 1 年，煤田开发建设总规模达1 2 M t a，铁路总里程为1 0 2 3 k m，公路2 6 0 k m，供水、供电、建材、生活功能区面积2 8 O k m 2。根据煤田开发规划，到2 0 0 6 年，矿区开发总规模为6 5 5 0 M t a，铁路总里程达2 7 4 1 k m，公路5 1 9 2 k m，供水、供电、建材、生活区等面积达9 0 O k m 2。随着神府东胜矿区的开发和建设，极大推动了地方经济的飞速发展，神木县和伊金霍洛旗一改过去贫穷落后的面貌，一跃成为两省区经济增长最快的县、区。2 2区域地质背景2 2 1 地层神府东胜矿区的地层从老到新发育有上三叠统永坪组(T 3，)，侏罗系下统富县组(J 1 0，侏罗系中统延安组(J 2 v)，侏罗系中统直罗组(J 2：)，侏罗系中统安定组(J 2。)，白垩系下统洛河组(K l I)，第三系上新统三趾马组(N 2)，第四系下更新统三门组(Q l。)，第四系中更新统离石组(Q 2 1)，第四系上更新统萨拉乌苏组(Q 3。)，第四系上更新统马兰组(Q 3。)，第四系全新统(Q 4)。现分述如下：上三叠统永坪组(T 3。)以灰白、灰绿色巨厚层状、细中粒长石石英砂岩为主，夹灰黑、蓝灰色泥岩及砂质泥岩，含薄煤线。厚度为O 一1 4 2 m，广泛分布于矿区东部，与上覆富县组为平行不整合接触。侏罗系下统富县组(J l p：上部以紫红、灰紫、灰绿色泥岩、砂质泥岩为主，与灰黄灰白色中厚层状长石石英砂岩不等互层，夹黑色泥岩、油页岩、石英砂岩及煤线，含昆虫及植物化石。下部以灰白浅灰黄色巨厚层状中至粗粒石英砂岩为主，夹黑色泥岩，紫杂色泥岩及油页岩，底部为细一巨砾岩。厚度O 1 4 2 m，广泛分布于矿区东部，与上覆延安组为整合接触。侏罗系中统延安组(J 2，)为浅灰、深灰色砂岩及泥岩，夹有泥灰岩及菱铁矿透镜体，为浅水湖泊及三角洲沉积，厚度1 5 0 2 8 0 m，分布于府谷、神木、榆林的广大地区，与上覆直罗组为平行不整合接触。该组地层是矿区主要含煤层，可采煤层有2 7、3、6 一、5 2 四层；副可采煤层有4、4 3 两层；局部可采煤层为1 一、4 _ I、4 4 三层，一般为中厚、厚煤层，可采总厚最大达2 7 m，单层最大厚度1 2 m。延安组第一、三段地层是煤田富煤段，煤层平均厚度为3 2 5 m，埋藏深度不超过1 0 0 m，煤层倾角1。左右，无大的断层、无瓦斯、开采条件极好。侏罗系中统直罗组(J 2：)；上旋回上部为紫杂、狄绿色泥岩、砂泥岩为主，央灰绿色细中粒砂岩与粉砂岩、泥岩互层；下旋回上部为狄绿、蓝灰色粉砂岩与】2第二章神府东胜矿区概况细砂岩互层，下部以灰白色中、粗粒长石砂岩，夹灰绿色砂质泥岩，底部时有砾岩。厚度为7 0 1 3 4 m，于神木北部矿区、榆神矿区广泛分布，与上覆安定组为整合接触。侏罗系中统安定组(J 2。)：上部以紫红、暗紫色泥岩，紫杂色砂质泥岩为主，与粉砂岩及细砂岩互层，下部以紫红色中至粗粒长石砂岩为主，夹砂质泥岩。厚度为5 5 1 4 4 m，分布于神木窝兔采当和榆林的刀兔，与上覆白垩系洛河组为平行不整合接触。白垩系下统洛河组(K 1 1)：为紫红、橘红色巨厚层状中粗粒长石砂岩，胶结疏松，巨型板斜层理甚发育，底部有几米至几十米厚的砾岩层，成分为石英岩、硅质岩、硅灰岩几片岩等。厚度2 3 7 3 5 0 m，分布于神木的红碱淖，榆林的小壕兔以西等地，与上覆第三系三趾马组为不整合接触。第三系上新统三趾马组(N 2)：为棕红紫红色粘土或砂质粘土，夹钙质结核层，偶夹黄狄色泥质透镜体，底部时有半胶结砂砾岩层，含脊椎动物化石。厚度O 1 1 0 m，出露于河谷上游及分水岭，与上覆第四系三门组为不整合接触。第四系下更新统三门组(Q l。)：上部为褐红色均质、致密亚沙土夹钙质结核层，下部为浅肉红色、灰褐色砂砾岩，半胶结，砾石成分以砂岩及泥岩块为主，含少量石英岩及燧石。厚度为O 5 0 m，分布于大柳塔井田，与上覆离石组为整合接触。第四系中更新统离石组(Q 2 1)：为浅棕黄、褐黄色亚粘土及亚砂土，夹粉土质沙层，薄层褐色古土壤层及钙质结核层，底部具有砾石层。厚度为2 0 1 6 5 m，分布于神木以北的河谷及分水岭，与上覆萨拉乌苏组为不整合接触。第四系上更新统萨拉乌苏组(Q 3。)：上部为灰黄、褐灰色粉、细砂及亚砂土，具层状构造，顶部有自垩土及泥炭薄层，下部为浅灰、黑褐色噩砂土夹砂质亚粘土，底部有砾石，含螺及脊椎动物化石。厚度为O 1 4 5 m，广泛分布予榆林、神木西北部，与上覆马兰组为平行不整合接触。第四系上更新统马兰组(Q 3。)：灰黄、灰褐色亚砂土及粉砂，均质疏松，孔隙度大。厚度为0 3 0 m，零星分布于榆林、神木，与上覆全新统为不整合接触。第四系全新统(Q 4)：以现代风积沙为主，在草滩地区有洪积、湖积层，为亚砂土和细砂层夹黑粘土，在一些宽阔河谷还有洪积、冲积层，如窟野河、秃尾河、榆溪河。厚度O 6 0 m，分布于榆林、神木的广大地区。2 2 2 地质构造第二章神府东胜矿区概况矿区处于构造稳定的盆地内部，地史上历次构造运动的影响甚微，表现以垂直运动为主，形成一系列的沉积间断假整合面。区内地质构造简单，断层稀少，地层平缓，为向西倾斜，倾角1 3 0 的单斜构造。影响整个矿区的大断层并不发育，但就矿区内各个井田来看，仍然存在着一些值得关注的断层构造。2 3 区域水文地质特征神府东胜矿区地下水类型可分为松散岩类孔隙水，烧变岩裂隙孔洞水，侏罗系和白垩系碎屑岩类孔隙裂隙水三大类。影响矿区开发的地下水主要是第四系上更新统萨拉乌苏组含水层和烧变岩含水层。2 3 1 萨拉乌苏组含水层水文地质特征萨拉乌苏组含水层主要分布于榆林以北，神木县西部的沙漠滩地及河谷区，主要包括榆神矿区的大保当和孟家湾一带以及神府矿区的石圪台一大柳塔井用和柠条塔南区一带，面积约为4 1 7 7 k m 2，其中神府矿区为3 3 6 5 8 k m 2。含水层的岩性以粉砂、细砂、中砂及粉砂质粘土为主，其厚度受沉积时古地形控制，一般在古沟槽及低洼中心沉积最厚；向西侧逐渐变薄，而至分水岭处尖灭。大气降水足最主要的补给来源，根据有关资料统计显示，入渗系数可达0 4 0 5。地下水天然流场多由地势较高的分水岭排泄至沟谷和河流。在矿区内，一般较大的河谷中均有大泉出露，有的自萨拉乌苏组含水层中流出，有的渗流补给给烧变岩后再从烧变岩流出，各泉域在地形上为小型盆地，地表与地下分水岭一致，各具有独立补、径、排条件，为一完整的水文地质单元。地下水水质为H c 0 3 一c a 型，矿化度一般为0 2 O 3 9 L。矿区内含水层多呈互不连续小范围的分布，柠条塔南区一般厚度为2 0 m 左右，矿区北部石圪台一带最厚，可达1 8 5 5 m，一般厚度达5 2 0 m，渗透系数一般为5 8 m d 1，最大可达1 7 m d 1，单井涌水量一般为5 0 0 1 0 0 0 m 3 d 1，水位埋深3 2 3 m，一些大泉分布于石圪台、柳根沟、母河沟、双沟以及柠条塔以南的沙渠、水头、常家沟和麻家塔。各泉域面积一般1 4 1 0 0 k m 2 左右，其可采资源量约1 7 8 21 0 4 m 3 d 一。2 3 2 烧变岩含水层的水文地质特征烧变岩主要分布于秃尾河及乌兰木伦河西岸，沿煤层露头走向呈条带状分布，沿煤层倾斜方向一般延伸可达l 2 k m，最深延伸达1 2 k m。烧变岩是由煤层1 4第二章神府东胜矿区概况燃烧产生的高温使围岩变质而形成的，烧变岩裂隙空洞非常发育，具有较大而通畅的储水空间，为富水性强的含水层，渗透系数一般大于1 0 0 m d 1，最大可达1 6 3 1 1 3 m d-l，其与煤系地层上覆的第四系萨拉乌苏组含水层水力联系密切，地下水补给来源主要是接受萨拉乌苏组含水层补给，其次是秃尾河水的侧向补给。由烧变岩含水层在沟谷中出露的大泉有8 个，泉水总流量1 3 2 4 4 1 0 5 一d 1，地下水水质为H c 0 3 一c a 型水，矿化度一般 6 0 m m。2)粗粒：a、砾粒：2 m m d 6 0 m m b、砂粒：0 0 7 5 啪 d 2 咖。3)细粒：a、粉粒：0 0 0 5 m m 1 5 且 圣礅囔o 囊一du，1k、71 0Z O3 04 05 06 07 08 09 01 0 0 1 1 01 2 01 4 01 6 0深度(c m)1+塌陷区)K 一非塌陷区l图4-2 大柳塔试验区土壤容重随深度变化对大柳塔试验区塌陷稳定区、非塌陷区以及补连塔试验区塌陷非稳定区表层O 6 0 c m 土壤容重进行测试的结果如表4 4。从表中可以看到，在土壤表层0 6 0 c m 深度范围内，塌陷非稳定区的平均土壤容重最大，其次是塌陷稳定区，而非塌陷区土壤容重最小。垂向上的变异性均为弱变异，其中塌陷非稳定区变异性最小，其次为塌陷稳定区，非塌陷区变异性最大。无论从均值还是从变异性来讲，都说明了塌陷时间越长，随着土壤层的压实稳定以及地表植被的生长等，土壤各种性质与非塌陷区土壤趋于一致，表现为土壤容重逐渐减小，土壤分层逐渐明晰，结构有所改善。表4 4 表层土壤容重统计值平均值最人值最小值极差标准差方差变异系数塌陷稳定区1 5 0 61 5 8 41 4 4 60 13 80 0 4 9O 0 0 2O 0 3 2塌陷北稳定区1 5 3 71 5 6 71 5 1 30 0 5 4