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“沉陷控制与塌陷地修复”专题

来源：煤炭科学技术

本期“沉陷控制与坍塌地修复”专题邀请陈绍杰教授担任客座主编。专题共8篇研究成果，涉及黄土沟谷区浅埋煤层开采覆岩破坏与地表损伤特征研究、关闭矿井次生沉陷研究现状及展望、采煤沉陷区损害防治对策与技术发展方向等。

行业视野: 环境保护
类别; 36个
关键词; 39位
专家; 9篇
论文; 3454IP
点击量; 6834次
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视频直击 | 《煤炭科学技术》 “沉陷控制与塌陷地修复”专题重磅上线！

作者(Author)：《煤炭科学技术》

摘要：　　“沉陷控制与塌陷地修复” 专题客座主编致读者 | 陈绍杰教授煤炭资源是我国基础能源，是国家能源安全的“压舱石”，有力地支撑了国民经济和社会高质量发展。但也应看到，传统矿业开发模式带来了环境污染、生态损害、地层塌陷等诸多问题。严重影响地表安全、生态环境、经济发展、社会和谐。　　《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确要求“推动绿色发展”“实施采煤沉陷区综合治理”;习近平总书记强调:“我们既要金山银山，也要绿水青山”“采煤沉陷区的治理要本着科学态度和精神，做好整合利用”。近年来，我国在沉陷控制与塌陷地修复方面取得了长足发展，同时，开采深度持续增大、地质采矿条件愈加复杂等因素导致开采沉陷与塌陷特征趋于多样性、复杂性，采煤沉陷控制与塌陷地修复方面存在相关基础理论薄弱，核心关键技术瓶颈尚未取得突破等问题。因此，应厘清发展思路，创新发展模式。加强产学研用的协同创新，持续深入开展采煤沉陷控制与塌陷地修复理论及技术短板攻关，完善我国采煤沉陷控制与塌陷地修复理论与技术体系。　　为推进我国沉陷控制与塌陷地修复进程，进一步发挥《煤炭科学技术》的学术交流平台和桥梁纽带作用，编辑部于2022 年第5期策划出版“沉陷控制与塌陷地修复”专题。共收到20余个单位的50余篇稿件，最终刊登8篇具有代表性的论文，集中报道我国在关闭矿井次生沉陷、采煤沉陷区损害防治、含水松散层下开采地表移动变形、导水裂缝带发育高度统计预测、开采地表沉陷摄影监测、沟谷区浅埋煤层开采覆岩与地表损伤、煤矿沉陷区公路快速修复、沉陷地治理与地热利用绿色开采技术等方面的最新科技成果。　　衷心感谢各位专家学者为专题撰稿!感谢评审专家对专题稿件的悉心评审!特别感谢山东科技大学、西安科技大学、中国矿业大学、河南理工大学、安徽大学、临沂大学、煤炭科学研究总院有限公司、中煤科工开采研究院有限公司、鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司、国能亿利能源有限责任公司等单位给予专题组织过程中的大力支持!

煤炭科学技术

2022年第05期

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黄土沟谷区浅埋煤层开采覆岩破坏与地表损伤特征研究

作者(Author)：王双明, 魏江波, 宋世杰, 侯恩科, 孙涛

摘要：黄土沟谷区浅埋煤层开采地表非连续性的开裂损害，不仅引发了许多生态环境问题，也加大了生态修复难度，严重威胁着矿区生态安全。浅埋煤层开采地表非连续变形是特殊地质条件下覆岩破坏移动的结果，为更加系统地研究覆岩破坏对地表非连续性损害的影响规律，以陕北安山井田125203工作面为地质原型，采用离散元数值模拟与物理相似材料模拟相结合的方法，模拟分析了覆岩及地表破坏、岩块尺寸分布及力链演化等特征，揭示了覆岩力链演化对块体分布和地裂缝发育的影〖JP2〗响规律，阐明了覆岩破坏块体对地表非连续损害的控制效应。研究结果表明：黄土沟壑缓坡地带浅埋煤层开采覆岩垂向变形与水平移动受地形影响较大；覆岩破坏形成双分层块体结构，分层界面距煤层底板11.0 m，下分层块体平均长度小于5.0 m，上分层大于5.0 m，覆岩块体平均长度随岩层至煤层底板距离的增大呈幂指数增长特征，地表块体平均长度由坡底至坡顶逐渐增大；下分层垮落压实的岩块结构和应力集中的力链结构，影响着上分层块体和力链的分布及地裂缝的发育，地裂缝平均间距与上分层应力集中点平均间距基本一致，主沟段顺坡、沟底和逆坡地裂缝平均间距分别约为下分层应力集中点平均间距的1.10倍、0.75倍和1.95倍，分别约为下分层岩块平均长度的2.93倍、2.00倍和5.18倍；“砌体梁”位移模型可以很好地描述下分层底部岩块的下沉移动过程和特征，进而反映覆岩块体的双分层结构特征和地表的损害效应。该研究结果可为黄土沟谷区浅埋煤层开采条件下沉陷控制与修复提供新的科学依据。

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关闭矿井次生沉陷研究现状及展望

作者(Author)：邓喀中, 郑美楠, 张宏贞, 范洪冬, 谭志祥

摘要：我国关闭矿井数量多范围广，矿井关闭后，停止排水，地下水位上升，受地下水影响，覆岩及地表将再次沉陷，危及关闭矿井上方和周边建构筑物、交通电力通讯等基础设施安全及建设场地稳定性，研究关闭矿井覆岩与地表次生沉陷机理、规律、预测方法具有重要的理论和实用价值。在收集国内外相关文献基础上，结合徐州东西部矿区关闭矿井地面次生沉陷监测实践，系统回顾和分析了关闭矿井地面次生沉陷监测方法、形成机理、时空分布规律及预测方法研究现状和存在的问题。首先，对比研究了常规地面变形监测方法和航天航空测量方法的优缺点，重点总结了合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术应用于关闭矿井地表沉陷监测中的优势及存在的问题；其次，基于国内外大量实测资料，分析总结了关闭矿井覆岩及地表次生沉陷形成机理及时空演化规律，得到了覆岩及地表下沉的主要诱因为采动破裂岩体、覆岩结构及煤（岩）柱在地下水作用下的变形或失稳；覆岩与地表上升的主要诱因为：随着地下水位升高，作用在采动破裂岩体、第四系松散层内的孔隙压力增大，有效应力减小，使其产生弹性恢复变形，膨胀岩体遇水膨胀也可能导致覆岩及地表上升；关闭矿井次生沉陷在时间上可分为5个阶段：①初期稳定阶段；②下沉阶段；③中间稳定阶段；④上升阶段；⑤最终稳定阶段。并分析了不同开采方法、多煤层开采对关闭矿井地表沉陷时空分布规律的影响。在此基础上，基于采动破裂岩体本构关系，分下沉和上升2阶段，分别给出了长壁垮落法、充填开采和柱式开采地表沉陷预测模型。最后指出，关闭矿井覆岩及地表沉陷机理、规律是非常复杂的物理力学过程，涉及地质采矿环境、采动破裂岩体及覆岩结构、本构关系、变形特征、水岩耦合作用、地下水动力效应、膨胀岩体膨胀变形等复杂因素，因此，还需进一步深入研究。

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采煤沉陷区损害防治对策与技术发展方向

作者(Author)：胡炳南, 郭文砚

摘要：煤矿采动损害防治与沉陷区治理是我国煤矿区亟待解决的技术难题。客观评价了煤炭开采社会贡献和存在的采动负面效应；较全面地梳理总结了采煤沉陷区治理国家部委政策鼓励、资金支持和技术研发方面取得的进展；归纳了我国东北平原资源枯竭矿区、西部生态脆弱区、中东部平原高潜水位区和西南山区、丘陵岩溶区4种不同区域类型采煤沉陷区采动沉陷损害特征和存量、增量变化情况；提出存量科学治理和增量预防控制的采煤沉陷区防治重点；基于岩层移动控制关口前移、煤矿区采动沉陷预防与损害治理并重理念，提出实现绿色开采采动沉陷损害防治的采前优化设计、采中损害控制和采后科学治理三原则对策；针对采煤沉陷区存量与增量特征，提出东北、西部、中东部与西南采煤沉陷区存量治理关键技术和采煤沉陷区建筑复垦关键技术、增量控制关键技术共6方面治理关键技术发展方向；针对采煤沉陷区综合治理中的不足，提出开展全国范围采煤沉陷区现状调查评估和制定综合治理中长期专项规划，完善采煤沉陷区综合治理利用标准体系，构建新时期采煤沉陷区“源头防治-过程控制-综合利用-全程监测”一体化治理新模式，加大采煤沉陷区综合治理政策和资金支持力度等沉陷区综合治理建议，为我国煤矿采动沉陷损害防治和沉陷区治理技术提供参考。

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新近系含水层下厚煤层综放安全绿色开采及水资源清洁利用

作者(Author)：郭文兵, 白二虎, 张璞, 侯建军, 张要展, 李萌

摘要：煤炭开采在支撑国民经济和社会高质量发展的同时，也对矿区安全、生态环境造成严重影响。为加快推进绿色矿山建设进程，基于安全绿色开采与可持续发展理念，对新近系含水层下采煤的安全性进行了区域划分，提出了将顶板水转化为矿井水的井上、井下联合贯通疏放水及利用技术，解决了松散含水层水害威胁问题，实现了安全高效开采。分析了综放开采地表响应特征，阐明了地表动态演化规律，得到了地表动态移动变形参数；通过对沉陷区破坏程度进行区域划分，以工程复垦与生态复垦相结合的原则，对开采沉陷区实施了土地复垦措施；结合水资源与清洁能源综合利用理念，以全寿命周期理论为基础，建立了矿井供热方式的全寿命周期成本模型，分析研究了合理的矿井热源供应方式。结果表明：疏干排水解放了5.99 Mt的水体下压煤资源，且为覆岩含水层水资源的清洁利用提供了丰富的矿井水余热资源，以不同供热方式的全寿命周期成本进行分析，确定了余热利用是矿井热源供应的最佳方式，具有运行成本少、高效节能、绿色环保等特点，实现了清洁能源的高效利用；同时，以地表移动变形角量参数指导沉陷区土地复垦不仅提高了土地生产力，而且有效改善了矿区生态环境，加快了绿色矿山建设进程。

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我国厚及特厚煤层高强度开采导水裂缝带发育高度区域分布规律

作者(Author)：张玉军, 申晨辉, 张志巍, 李友伟

摘要：收集了国内厚及特厚煤层综放和大采高综采条件下导水裂缝带高度实测数据，共计179组，其中坚硬覆岩51组，中硬覆岩100组，软弱覆岩28组。在此基础上按照我国14大煤炭基地分布分别列出了不同覆岩类型条件下的导水裂缝带高度和裂采比的范围,绘制了我国煤矿导水裂缝带高度分布图，以此数据为基础回归了导水裂缝带高度（简称“裂高”）预计公式，并重点分析了3个典型矿区导水裂缝带高度分布特征和主要影响因素,以及实测导水裂缝带高度数据之间存在较大差异性的原因，取得以下研究成果:从全国区域来看，实测平均裂采比随着岩性由软弱、中硬到坚硬依次递增，坚硬覆岩的平均裂高分别是中硬覆岩和软弱覆岩的1.52倍和2.29倍，中硬覆岩平均裂高是软弱覆岩的1.5倍；不同覆岩岩性的导水裂缝带高度都随着采厚的增加而增加，且坚硬覆岩条件下增加的速率明显要高于中硬和软弱覆岩；裂采比则随着采厚的增加而降低，且减小速率随着采厚达到一定厚度有趋于稳定的趋势。黄陇基地永陇-彬长矿区属于中硬覆岩类型，导水裂缝带高度和裂采比明显高于我国东部矿区，工作面长度大于170 m时导水裂缝带发育高度受工作面长度影响较大，其高度及裂采比随着工作面长度增加，呈增高增大趋势。蒙东（东北）基地扎赉诺尔矿区属于极软弱类覆岩，针对该类型覆岩条件，依据导水裂缝带发育高度长期实践数据，最小裂采比仅为5，采厚达到16 m时仅为全国软弱覆岩平均裂采比的68%，并提出采用趋势分析方法来预计极软弱覆岩条件下的导水裂缝带发育高度。神东基地浅埋矿区具有埋深浅、基岩薄、土层厚、高强度开采的特点，实测获得的导水裂缝带高度差异性极大，裂采比集中在19～28，最大达到35，明显高于全国尤其是东部矿区中硬覆岩条件的裂采比；但是部分矿井由于厚层红土层赋存对导水裂缝带发育具有明显抑制作用，实测裂采比7.16～7.78，较类似软弱顶板条件下开采裂采比仍降低了15%～53%。由实测数据回归得到的导水裂缝带预计公式具有较好的适用性，可为全国不同覆岩类型条件下厚及特厚煤层高强度开采导水裂缝带高度计算提供依据。

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巨厚含水松散层下开采地表移动变形规律研究

作者(Author)：刘辉, 左建宇, 苏丽娟, 程桦, 朱晓峻, 张鹏飞, 王保国

摘要：巨厚含水松散层复杂地质采矿条件下开采地表移动变形规律存在一定的特殊性。为了研究巨厚含水松散层下开采地表移动变形规律，明确巨厚含水松散层对地表移动变形影响，以菏泽矿区为研究区域，在分析某矿1308工作面地表移动变形实测数据的基础上，采用FLAC3D数值模拟软件，流固耦合计算模拟了巨厚含水松散层下开采地表移动变形，分别制定了动态固结沉降方案、无含水层方案、含水层位置方案，量化计算了巨厚含水松散层渗流固结沉降量占比，总结了巨厚含水松散层渗流固结沉降动态规律，对比分析了有无含水层情况下煤层开采地表移动变形差异，研究了松散层内含水层位置对地表移动变形的影响。研究结果表明：某矿巨厚含水松散层采矿条件下受采动引起的渗流固结沉降占地表总下沉量的8.5%；随工作面推进，开挖变形和渗流固结沉降增量的变化可划分为同步增长期、动态变化期、同步减缓期3个阶段。巨厚松散层内含水层受采动影响产生的疏水渗流固结现象会导致地表移动变形增大、地表移动影响范围扩大，但最大曲率和最大水平变形的减小说明下沉盆地的整体形状更为平缓。地表变形参数与巨厚松散层内含水层位置之间存在相关性，通过相关性分析，建立了地表移动变形参数与松散层内含水层位置之间的关系模型。

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煤矿开采地表沉陷UAV－摄影测量监测技术研究

作者(Author)：高银贵, 周大伟, 安士凯, 王玲, 张德民, 詹绍奇

摘要：西部矿区开采地表沉陷大多呈变形速度快、损害程度深、波及范围广的特点，常规观测站已无法适应其高强度开采地表损害监测任务。如何快速、准确、全面地监测煤矿高强度大规模开采引起的地表沉陷与环境损害是矿山企业面临解决的一个关键问题。采用无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）摄影测量技术对西部〖JP+1〗高强度开采的矿区进行地表沉陷监测，给出了基本思路和方法，并以内蒙古鄂尔多斯某煤矿为例进行了应用研究，通过与水准对比评定了UAV摄影测量建立的数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）和沉陷盆地的精度。研究结果表明：UAV摄影测量技术获取的DEM精度为228 mm，沉陷盆地精度为81 mm，沉陷盆地精度为比DEM高程精度提高了64.5%；反演得到的下沉系数与水准求参结果相比，相对误差为1.4%；UAV摄影测量技术可以快速获得地表丰富的遥感影像数据，并可求出“面状”全盆地沉陷数据和可靠的沉陷参数，为矿区生态环境监测以及后续的生态修复和土地复垦提供支撑，研究成果可以为多数西部煤矿开采地表损害监测提供有效手段。

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