西部生态脆弱区现代开采对地下水与地表生态影响规律研究:神东大型煤炭基地地下水保护与生态修复途径探索

本书面向我国西部生态脆弱区煤炭现代开采地下水与地表生态保护,以全球千万吨安全高效矿井集中区———神东矿区为例,以优选的综合机械化开采技术(简称“现代开采”)支撑的超大工作面开采为试验对象,基于开采全过程(采前—采中—采后及趋稳状态时)地下水和地表生态响应的科学观测系统及翔实的试验数据,深入研究现代开采条件下“三类地下水”(地表土壤水、第四系潜水和基岩裂隙水)运移规律、地表生态(土壤、植被及根际环境等)变化规律和地表生态自然恢复趋势等,综合分析地表生态损伤程度,揭示生态脆弱区煤炭现代开采地下水和地表生态变化的主要影响因素和采动覆岩与地表生态自修复能力。研究建立的“四维”观测系统、提出的“三类地下水”“地表层含水率”“采动覆岩自修复”“地表生态自修复”等内容,丰富了煤炭现代开采生态修复理论与方法,为提高西部生态脆弱区现代化煤矿区的生态修复效率提供了技术支撑。

目录
前言
第1章 西部煤炭开采与生态修复技术发展 1
1.1 西部地区煤炭资源与开采地质条件 1
1.1.1 西部地区煤炭资源基本情况及开采地质条件 1
1.1.2 神东矿区煤炭资源及开采地质条件 5
1.2 煤炭现代开采技术特点及发展趋势 9
1.2.1 现代煤炭开采的主要特点 9
1.2.2 神东矿区煤炭现代开采工艺技术 12
1.2.3 西部地区煤炭现代开采技术发展趋势 15
1.3 西部煤炭开采地下水与地表生态保护及研究方法 17
1.3.1 煤炭现代开采面临的难题及相关科学问题 18
1.3.2 国内外研究与实践现状 20
1.3.3 研究分析思路和方法 24
第2章 基于四维地震的现代开采覆岩损伤规律研究 32
2.1 采动覆岩结构变化探测与分析方法 32
2.1.1 煤岩层地球物理测井方法 32
2.1.2 高精度四维地震数据采集与处理方法 43
2.1.3 四维地震资料数据处理 47
2.2 采动覆岩结构变化的信息提取与分析方法 56
2.2.1 时移地震数据体显示方法 56
2.2.2 采动覆岩静态描述方法 59
2.2.3 煤系地层动态描述 67
2.3 现代开采工作面采动覆岩结构变化分析 79
2.3.1 开采前煤层覆岩地震响应特征 79
2.3.2 开采中采动覆岩地震响应特征 80
2.3.3 开采后采动覆岩地震响应特征 83
2.4 现代开采技术下采动覆岩结构变化趋势分析 85
2.4.1 采动覆岩结构变化的地震“三带”响应特点 85
2.4.2 采动覆岩结构变化信息增强方法 87
2.4.3 基于地震振幅谱信息的采动裂隙发育变化分析 88
2.4.4 采动覆岩渗透率变化趋势分析 93
第3章 煤炭现代开采对浅表层结构及土壤水的影响 100
3.1 基于时移地质雷达的地表层含水性变化探测方法 100
3.1.1 时移地质雷达探测方法 100
3.1.2 第四系地表层主要岩性结构及分布特征 118
3.1.3 地表层含水率信息提取方法 123
3.2 开采对地表层结构的影响分析 130
3.2.1 层位厚度提取算法研究 130
3.2.2 层位变化评价算法 133
3.2.3 开采不同阶段主要岩性结构的变化分析 134
3.3 开采对地表层含水率的影响及变化趋势分析 137
3.3.1 地表层含水率探测有效性及影响因素 137
3.3.2 采前地表层含水率空间分布情况 139
3.3.3 开采对地表层含水率的影响分析 140
第4章 现代开采对采动覆岩赋水性影响研究 144
4.1 现代开采影响的物理和数值模拟研究 144
4.1.1 模拟研究方法 144
4.1.2 含水层泄漏状态响应模拟 145
4.1.3 地下水顺层流动状态响应模拟 148
4.1.4 地下充水采空区状态响应模拟 150
4.1.5 开采覆岩破坏状态响应模拟 151
4.2 时移高精度电法数据采集与处理方法 152
4.2.1 现场数据采集 153
4.2.2 数据预处理方法 153
4.2.3 数据精细反演与可视化成像 158
4.2.4 高精度电阻率解释 160
4.3 补连塔试验区采动覆岩富水性变化综合分析 165
4.3.1 试验区基本地电情况 165
4.3.2 采动覆岩赋水性剖面分析 167
4.3.3 采动覆岩赋水性变化综合分析 171
第5章 现代开采基岩裂隙水模拟预测分析 180
5.1 地下水流有限单元法模拟方法 180
5.1.1 有限单元法简介 180
5.1.2 FEFLOW软件介绍 182
5.2 基岩裂隙水流场数值模拟 183
5.2.1 地下水系统概念模型 183
5.2.2 地下水系统数学模型 184
5.2.3 地下水系统数值模型的建立 185
5.2.4 地下水数值模型的识别与验证 188
5.2.5 地下水数值模型的预测 190
5.3 乌兰木伦井田开采对基岩裂隙水影响预测分析 191
5.3.1 水文地质概况 191
5.3.2 基岩裂隙水产生矿井水量预测 193
5.4 补连塔井田开采对基岩裂隙水影响预测分析 195
5.4.1 水文地质概况 195
5.4.2 基岩裂隙水产生矿井水量预测 197
5.5 大柳塔井田开采对基岩裂隙水影响预测分析 200
5.5.1 水文地质概况 201
5.5.2 基岩裂隙水产生矿井水量预测 205
5.6 榆家梁井田开采对基岩裂隙水影响预测分析 209
5.6.1 水文地质概况 209
5.6.2 基岩裂隙水产生矿井水量预测 212
第6章 现代开采沉陷区地表移动变形规律研究 216
6.1 现代开采地表移动变形观测与分析方法 216
6.1.1 观测系统及观测点布局 216
6.1.2 地表移动观测方法 218
6.1.3 地表移动观测数据处理 220
6.2 现代煤炭开采对地表移动变形规律影响分析 222
6.2.1 基于实测的地表移动变形规律 223
6.2.2 基于模型的地表移动变形参数求取 228
6.2.3 地表动态参数求取与分析 231
6.2.4 动态参数对比分析 232
6.3 开采沉陷地表破坏预测分析 234
6.3.1 基于参数的地表沉陷预测分析比较 234
6.3.2 基于Suffer的开采沉降区三维动态模拟分析 235
6.3.3 地表变形区自修复能力分析 235
第7章 现代开采地表裂缝发育规律研究 240
7.1 开采沉降区动态裂缝初始状态及分布特征 240
7.1.1 下沉盆地动态裂缝初始状态的分布特征 240
7.1.2 动态裂缝发育周期监测方法 242
7.1.3 动态裂缝产生的时机模型 242
7.2 典型动态裂缝发育规律分析 244
7.2.1 典型动态裂缝发育特征分析 244
7.2.2 动态裂缝的发育周期函数模型 246
7.3 典型边缘裂缝分布特征与属性 247
7.3.1 边缘裂缝监测方法 247
7.3.2 边缘裂缝的分布特征与属性 248
7.3.3 边缘裂缝宽度与深度关系分析 249
7.4 地裂缝浅层地下轨迹研究 253
7.4.1 地裂缝浅层地下轨迹探测方法 253
7.4.2 地裂缝轨迹特征 255
第8章 现代开采沉陷区土壤水及渗流规律研究 262
8.1 地表土壤水及土壤渗流特性测定方法 262
8.1.1 地表裂缝处含水率测定 262
8.1.2 土壤垂直方向水分影响观测 264
8.1.3 地表裂缝区土壤渗流特性测定 265
8.1.4 地表水土流失测定 268
8.2 开采地表裂缝及沉陷区土壤水变化特征 270
8.2.1 动态裂缝对土壤含水性的影响特点 270
8.2.2 边缘裂缝对土壤含水性的影响特点 278
8.2.3 开采裂缝对土壤含水量的影响及自修复作用 283
8.2.4 塌陷时序上土壤含水量变化比较分析 285
8.3 开采沉陷不同区土壤垂直方向水分变化特征 286
8.3.1 对照区的土壤水分垂直特征 287
8.3.2 沉陷区谷底区土壤水分垂直特征 289
8.3.3 沉陷盆地边缘土壤水分垂直特征 289
8.3.4 开切眼处土壤水分垂直特征 290
8.4 开采对土壤渗流影响规律 291
8.4.1 开采过程中土壤入渗变化规律 291
8.4.2 影响土壤稳定入渗速率的因素分析 294
8.4.3 土壤渗流变化趋势分析 296
8.5 开采对地表水土流失影响研究 296
8.5.1 径流小区地表和水流变化 296
8.5.2 水土流失影响现场试验研究 297
第9章 现代开采沉陷区土壤损伤规律研究 299
9.1 土壤主要参数测定方法 299
9.1.1 土壤样点时空布局及采集方法 299
9.1.2 植物土壤采样布局与方法 301
9.1.3 土壤主要物理参数测定方法 303
9.1.4 土壤主要化学参数测定方法 306
9.2 现代开采沉陷区土壤物理特征时空变化 309
9.2.1 土壤容重变化特征 309
9.2.2 土壤孔隙度变化特征 312
9.2.3 土壤含水率变化特征 314
9.2.4 土壤入渗与蒸发能力变化特征 319
9.3 现代开采沉陷区土壤化学特征时空变化 321
9.3.1 土壤pH 321
9.3.2 土壤全氮 322
9.3.3 土壤速效钾 323
9.3.4 土壤速效磷 325
9.3.5 土壤有机质 326
第10章 现代开采沉陷区植物生长及根际土壤环境变化研究 329
10.1 研究区植物概况及采样方法 329
10.1.1 研究区植物概况 329
10.1.2 典型植物选择 331
10.1.3 样区布置与采样方法 334
10.1.4 主要测试参数及测定方法 338
10.2 现代开采沉陷区植物生长变化研究 338
10.2.1 补连塔现代开采沉陷区典型植物变化研究 339
10.2.2 大柳塔现代开采沉陷区典型植物变化研究 348
10.3 现代开采对典型植物土壤环境的主要影响 354
10.3.1 补连塔现代开采沉陷区植物根际土壤变化 354
10.3.2 大柳塔研究区现代开采沉陷区植物土壤环境研究 369
第11章 现代开采沉陷区植物根际生物环境及多样性变化研究 378
11.1 开采沉陷对植物根际微生物数量的影响 378
11.1.1 补连塔研究区 379
11.1.2 大柳塔研究区 388
11.2 开采对典型植物根际酶活性的影响 390
11.2.1 补连塔研究区 391
11.2.2 大柳塔研究区 398
11.3 现代开采沉陷区微生物菌群多样性影响 400
11.3.1 不同开采时间根系真菌种类 400
11.3.2 不同开采时间下系统发育树 401
11.3.3 根系真菌多样性分析 401
11.4 现代开采沉陷区植物群落演替变化分析 417
11.4.1 物种多样性 418
11.4.2 植物群落特征 419
第12章 现代开采地表生态损伤程度与自修复研究 431
12.1 基于GIS的矿区生态环境损害评价 432
12.1.1 损害评价指标体系构建 432
12.1.2 专题数据处理分析 436
12.1.3 评价方法 443
12.1.4 评价结果分析 443
12.2 基于现代开采的地表土地生态损伤自修复能力研究 445
12.2.1 土地生态环境自修复评价模型 445
12.2.2 评价体系构建 449
12.2.3 评价模型应用 452
12.2.4 评价结果分析 454
12.3 基于现代开采的植被生态损伤及自修复能力研究 456
12.3.1 现代开采生态系统损伤模型构建 456
12.3.2 现代开采对本底生态环境的影响程度评价(试验区案例) 4

    第1章 西部煤炭开采与生态修复技术发展
    煤炭产量和消费量长期占我国一次能源的70%左右，2014年，全国煤炭产量达38.7亿t，据中国工程院项目组（2011）对我国能源中长期发展战略研究，2050年前煤炭在我国一次能源结构中的比重还将保持在50%以上。西部地区（晋、陕、蒙、宁、甘、新）是我国现在和30~50年煤炭主体能源安全保障供给区，由于其煤炭资源储量大、煤层埋藏浅、煤炭开采条件好，按照高起点、高水平、规模化开采的思路，经过近20 年煤炭开采模式的不断创新与发展，已经形成一批以集约化程度高、安全保障水平高、资源回收率高为特色的现代化安全高效矿井和神东千万吨矿井群，确定了我国能源保障中的煤炭资源中心和煤炭生产中心地位。然而，西部地区普遍生态环境脆弱，生态自我保护能力低下，煤炭大规模开采引发的一系列环境问题已经成为影响煤炭可持续开发的严重障碍。据国家能源局2013 年统计，全国每年开采损伤的土地复垦率约为30%，采煤排放的地下水利用率也仅为25%。近年来，社会各界形成的“煤炭绿色开采” 共识和研究得出的一系列科技成果拓展了煤炭开采的思路，强调通过开采分区规划、开采工艺创新、地下含水层保护等多种措施，建立符合生态环境条件的煤炭开采布局和实施有利于保护生态环境的开采方式。
    针对我国西部地区煤炭资源富集易采、水资源贫乏、生态环境脆弱的特点，通过总结前人研究与实践成果，进一步突破煤炭现代规模开采对地下水扰动和地表生态损伤规律的科学认识，对研究煤炭和水资源同步开发且符合生态环境友好的技术途径，促进煤炭开采与自然生态系统相互协调可持续发展，实现西部地区煤炭资源的可持续开发都具有重要的科学意义。
    1.1 西部地区煤炭资源与开采地质条件
    1.1.1 西部地区煤炭资源基本情况及开采地质条件
    1.煤炭资源基本情况
    西部地区煤炭资源丰富，占全国煤炭资源总量的71.6%，是当前及未来我国30~50年煤炭资源开发重点区域，尤以陕北和蒙西地区资源集中度优选，而宁东—榆林—鄂尔多斯一带的煤炭资源量1.41万亿t，占全国的25.5%。其中，陕西超过1400亿t，内蒙古西部超过5400亿t，山西超过1200亿t。该区域煤种齐全，区域东部以炼焦煤、无烟煤为主，西部以低级烟煤（长焰煤、不黏煤、弱黏煤）为主。山西省除褐煤外，其他煤类都有赋存，特别是聚集了全国50%的炼焦用煤。吕梁山以东区域则煤类复杂，太行山东麓南段区域为高变质无烟煤带，向北逐渐过渡为瘦煤—焦煤—肥煤，太行山东麓中段则有气煤、气肥煤和少量肥煤；蒙西地区以低变质烟煤为主，不黏煤储量极大，除褐煤外的其余13种煤类也皆有赋存。该区域煤种空间分带特征显著，例如，鄂尔多斯盆地东缘由南向北依次为无烟煤与贫煤、焦煤、肥煤、气肥煤、气煤和长焰煤，鄂尔多斯盆地西及西北缘无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤均有分布。
    宁东—榆林—鄂尔多斯一带的煤炭资源量1.41万亿t，占全国的25.5%，煤炭开发条件优越，适合煤炭规模化开采，2013 年煤炭产量已占全国的28.3%，但该区水资源仅占全国的0.37%。
    2.煤炭开采地质条件
    西部地区含煤地层包括二叠系山西组、石炭系太原组和侏罗系延安组等，其中：山西组以河流-三角洲相沉积为主，岩性主要为泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩及煤层。该组地层厚度变化较大，具有北厚南薄、东厚西薄的特点。含煤层3~5 层，全区中厚煤层发育，大范围可以对比，局部煤层优选累计厚度大于16m，煤层属于稳定—较稳定；太原组以海陆交互相沉积为主，岩性由灰岩、泥岩、砂岩、煤层组成，煤层大多稳定，结构简单，一般厚40~100m，含煤6~12 层，可采总厚达20~40m。富煤区（大同、平朔、准格尔、桌子山—贺兰山一线）总厚度优选，达20~40m，在发育较好的晋南、晋东南等地，主采煤层厚达3~6m；延安组大面积分布于鄂尔多斯盆地，为大型湖盆相沉积，含煤1~6 组，一般3~4 组，每层厚度大，煤层稳定—较稳定。
    西部各矿区地质开采条件（表1.1）表明，西部区域煤层赋存比较稳定，埋藏浅、构造和水文地质条件比较简单。由于西部地区煤田地质构造简单、煤层埋藏浅，适合大规模机械化开采，开发成本低，具备建设大型安全高效煤矿的资源优势条件，目前已集中了神东、晋北、晋中、晋东、黄陇、陕北、宁东等大型煤炭基地和42个煤矿区，拥有一批具有国际优选水平的千万吨级、大型和特大型现代化煤矿群，建成了神东、平朔等现阶段我国以千万吨级、大型与特大型现代化煤矿开采为主的大型煤炭基地，代表了我国煤炭工业的发展方向和发展水平。
    表1.1 西部主要煤炭基地地质条件概况
    资料来源：中国工程院2012年统计资料。
    3.自然与生态环境条件
    我国西部地区地处欧亚大陆腹地，地域辽阔，自然资源丰富，生态系统类型多样。区域大部分属干旱、半干旱地区，且地形复杂多样，多山地，属大陆内半湿润到半干旱气候，气候类型为温带季风气候；全年降水量约50~450mm，年蒸发量高达1000~2600mm，蒸发量为降水量的4~8倍。西部地区主要地带性植被类型为森林草原及沙生草原植被，总体上植被覆盖度水平介于低至一般，生物物种较少，生态环境质量指数25~40，生态环境状况为较差至一般水平。该区具有土壤侵蚀和土地沙漠化敏感性程度高的特点。
    我国水资源分布总体上呈现“东富西贫” 状态，其中东部水资源总量高达20224亿m3，占全国的72.2%，而西部水资源总量仅占全国水资源的3.9%，人均水资源量仅有135~1563m3，紧缺隶属度>0.5。根据水资源紧缺程度指标，西部的宁夏和山西均属于靠前缺水地区，陕西属于重度缺水地区，内蒙古属于轻度缺水地区。其中，晋、陕、蒙水资源总量仅占全国水资源的1.6%，而晋陕蒙接壤区能源“金三角” 的宁东—榆林—鄂尔多斯一带，仅占全国的0.37%，属于重度缺水区。
    西部地区总体上生态环境脆弱，由于自然条件和人类经济活动规模不断扩大，特别是矿产资源的大规模开发，生态环境问题突出。一是自然水土流失日益严重，主要分布在黄土高原和黄河中上游区域的黄土丘陵沟壑区和黄土高原沟壑区，流失面积约占黄河中上游流域总面积的2/3，面积约25万km2，一般侵蚀模数为每年每平方千米5000~10000t/ （km2 a），少数地区高达2万~3万t/ （km2 a）；二是土地沙漠化加剧，在蒙、宁、陕、甘、青、新等省区都有大面积分布，主要有半干旱地带沙漠化土地（如陕北和宁东区域）和干旱荒漠地带的沙漠化土地（如狼山—贺兰山—乌鞘岭一带），几乎集中了我国90% 以上的沙漠化土地，其中已沙漠化的土地面积约16万km2，潜在沙漠化土地面积约15万km2。
    近年来，我国针对西部区域水土流失、土地沙漠化和盐渍化等生态环境突出问题，实施了长期的退耕还林还草政策，使西部地区植被覆盖度显著提升（图1.1）。据监测，内蒙古已基本实现由“整体恶化、局部改善” 向“整体遏制” 的重大转变，新疆近十年土地沙化扩展速度呈逐年下降态势，出现了草木茂盛、野生动物增多、湖河水位提高等生态好转的态势，植被覆盖度显著提升，宁夏沙化土地面积逐步减小，初步实现了治理速度大于沙化速度的重大转变。
    图1.1 西部生态脆弱区典型景观示意
    煤炭开采对生态环境有着广泛而深刻的影响。开采对区域生态的影响主要是采煤地表沉陷，其表现形式为地表移动变形影响土地利用、加速水土流失、加速土地沙化、地表建构筑物损害等，露天开采则是接近破坏原地表植被、建构筑物。同时，也造成了煤炭开发区域的空气、地表水、土壤的质量下降，生态系统的退化，生物多样性丧失，农作物减产等（中国环境与发展国际合作委员会，2009）。特别是在西部煤炭资源富集和生态脆弱地区，加剧了水土流失和土地荒漠化，引发泥石流、滑坡等地质灾害，严重制约着煤炭资源开发，形成了煤炭资源储量丰富区规模化开发与生态环境脆弱性制约的矛盾。随着我国煤炭开采重心的北进西移，西部生态环境条件在很大程度上制约着煤炭资源的可持续开发。
    1.1.2 神东矿区煤炭资源及开采地质条件
    1.煤炭资源基本情况
    神东矿区保有地质储量超过120亿t，其中，厚度为0.8~1.35m 煤层的储量约占8.98%，厚度为1.36~2.20m 的储量约占10.0%，厚度为2.21~3.50m 的储量约占16.18%，厚度为3.51~4.50m 的储量约占15.01%，厚度为4.51~5.50m 的储量约占12.91%，厚度为5.51~6.50m 的储量约占12.18%，厚度大于6.5m 的储量约占24.36%。
    2.煤炭开采地质条件
    该区域地层区划属华北地层区鄂尔多斯盆地分区，地表大部分被第四系沉积物覆盖，仅在沟谷中有基岩出露。地层由老至新依次发育有：三叠系上统永坪组，侏罗系中统延安组、直罗组，新近系上新统保德组，第四系中更新统离石组、上更新统萨拉乌苏组、全新统风积沙及冲积层。其中，中下侏罗统延安组为矿区主要含煤地层，与下伏地层富县组整合接触或假整合于上三叠统永坪组之上，与上覆地层中侏罗统直罗组亦呈假整合接触关系。
    从区域地质构造特点来看，盆地整体为一不对称的大型向斜，呈北北东-北东向展布，其向斜轴位于盆地的西部，向斜西翼陡，东翼平缓。区内地质构造简单，全区总体以单斜构造为主，发育宽缓波状褶曲，地层倾角平缓，一般为3°~5°。区内构造极其简单，是个缓缓西倾的大单斜层，岩层倾角1°左右；有宽缓的波伏起伏及短轴构造，因而地层走向局部有偏转。区内断层稀少，除烧变岩外，岩石裂隙也不发育。没有火成岩活动。
    神东矿区含煤地层为侏罗系延安组，岩性以浅灰、灰白色、中—细粒长石砂岩、局部含粗砾砂岩、深灰至浅灰色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层为主，有少量碳质泥岩、油页岩、透镜状泥灰岩、枕状或球状菱铁矿及菱铁质砂岩、薄层蒙脱质黏土岩。延安组含煤层数众多，煤层及碳质泥岩层位共多达48个，煤系自下而上分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ煤组，在有对比意义的15层煤中，主要可采煤层是1-2 上、1-2、2-2 上、2-2、3-1、4-2、4-3、5-1、5-2共九层煤。各主要煤层均属特低灰、特低硫、特低磷，中高发热量、高挥发分的长焰煤和不黏煤。
    煤层直接顶板多为砂质泥岩与泥岩，局部为粗粒砂岩，底板以泥岩为主，次为粉砂岩。从地面出露及井下揭露的情况看，各研究煤层顶板围岩差别很大，顶板基岩普遍较薄，煤层顶板有的完整连续，有的破碎松软，故煤炭开采工程地质条件较为复杂。
    3.矿区生态环境及治理
    1）矿区生态环境条件
    神东矿区位于鄂尔多斯高原的东南部及陕北高原的北缘，地处陕北黄土高原北缘与毛乌素沙漠过渡地带的东段，区内大部分为典型的风成沙丘及沙滩地貌。地势西北高东南低，中部高而南北低，海拔800~1385m，墚峁起伏，沟壑纵横，地表支离破碎，水土流失严重。越近黄河土层越薄，沟谷切割越深，基岩出露越厚，沟谷深度多在150m 以上。其中，矿区西部及南部为沙漠滩地，约占矿区面积的十分之一，地形相对平缓开阔，主要分布着片状流沙和固定、半固定沙丘，沙丘间形成滩地，滩地中心与边缘呈缓坡过渡，高差约为10~30m，其低洼部位由于地下水和地表水的补给，形成少数沼泽或海子；矿区北部及东北部为黄土高原丘陵沟壑，是矿区主要的地貌类型，其特征是墚峁起伏，沟道密集，地形破碎。西北部墚面宽缓，墚峁顶部覆盖了一层细沙，亦称丘陵盖沙区，东南部墚短峁小，谷坡陡峻，其上普遍堆积了厚度不等的风成黄土，由于长期的下切，沟谷深度达50~150m，分水岭地带多未切到基岩，断面多呈V 形，中下游一般切至基岩十至数十米，断面呈U形。沟壑密度为2~4.3km/ km2，沟涧地与沟谷地之比约为1：1，地面坡度为5°~40°，15°以上的陡坡面积占总土地面积的60%以上，一遇暴雨，极易产生侵蚀和冲刷。
    矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原的过渡地带，属温带半干