“沉陷控制与塌陷地修复”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“沉陷控制与塌陷地修复”专题

近日，国家开发银行出台《支持采煤沉陷区综合治理工作方案》，进一步以开发性金融服务资源型地区高质量发展，服务建设美丽中国。为便于大家了解“沉陷控制与塌陷地修复”领域的最新科技成果，《煤炭学报》整理了近3年《煤炭学报》该领域已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 环境保护
类别; 96个
关键词; 100位
专家; 21篇
论文; 20538IP
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建筑荷载下浅埋长壁老采空区地表移动变形规律与机理

作者(Author)：陈绍杰, 祝伟豪, 汪锋, 尹大伟, 任梦梓, ВАРНАВСКИЙКИРИЛЛ

摘要：针对采煤塌陷地新建建筑物时老采空区覆岩活化运动导致地表移动变形并威胁建筑物安全的问题，现场勘测和物理模拟分析了浅埋长壁老采空区覆岩长期状态，数值模拟研究了建筑荷载作用下浅埋长壁老采空区地表移动变形规律，探讨了建筑荷载作用下浅埋长壁老采空区地表移动变形机理。研究结果表明:采空区边界覆岩不稳定区域在采空区封闭后长期存在;相似物理模拟实验中，煤柱长期承载失稳破坏后，煤柱支承区高度增加、宽度增加了 32.5%，矸石压缩区高度增加、宽度增加了 80.4%，煤壁支承区高度增加、宽度增加了 67.2%，侧向裂隙区高度增加、宽度减小了 23.3%。当新建建筑物位置不变时，随着荷载的增加，地表移动变形量和范围也增加。各加载位置中，侧向裂隙区地表新建建筑物导致地表移动变形量突增的荷载阈值最小，建筑物高度阈值为 18 层，与建筑物高度 12 层时相比，地表最大下沉量增幅为 91.4%，地表最大水平移动量增幅为62.1%。当新建建筑物位于侧向裂隙区上方时，由于侧向裂隙区内部不稳定结构多，且建筑荷载下侧向裂隙区中关键块出现回转和滑落失稳，覆岩下沉量大，此时地表移动变形量最大;当新建建筑物位于煤柱支承区上方时，煤柱在建筑荷载作用下继续产生塑性变形，覆岩下沉量较小，此时地表移动变形值次之;当建筑荷载作用于煤壁支承区时，煤壁在建筑荷载作用下继续产生压缩变形，覆岩下沉量小，此时地表移动变形值较小;当建筑荷载作用于矸石压缩区时，覆岩下沉量小，老采空区垮落矸石在建筑荷载作用下发生二次承载压缩变形，此时地表移动变形值最小。建筑荷载宽度增加初期地表最大移动变形量呈加速增长趋势，当建筑荷载宽度大于 50 m 时，地表最大移动变形量呈减速增长趋势。当建筑荷载附加应力对老采空区覆岩承载结构造成影响时，老采空地表产生移动变形;当建筑荷载传递至关键块的载荷超过关键块回转失稳或滑落失稳的临界载荷时，老采空区地表移动变形产生突变。

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煤炭学报

2022年第12期

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矿山复垦土壤重构的理论与方法

作者(Author)：胡振琪

摘要：点击观看【《煤炭学报》大讲堂第23期】胡振琪：矿山生态修复的基础理论——土壤重构的理论与方法（答疑环节）土壤是生物之基，土壤重构是矿山土地复垦与生态修复的关键和基础。本文的目的是革新土壤重构理念，凝练和提升土壤重构理论与方法，为矿区土地复垦与生态修复独特基础理论提供支撑。本文回顾了矿山复垦土壤重构的研究历史，从单元土体空间重构的视角，提出了四维重构的概念，即垂直方向（Z）的土壤剖面重构、水平方向（X，Y）的地貌重塑、时间维（T）方向的土壤改良，其中垂向剖面重构是土壤重构的核心，也是土壤重构的狭义概念。总结国内外矿山生态修复成功经验与失败教训，依据土壤发生学原理和师法自然的理念，提出了“土层生态位”和“土壤关键层”的概念，认为不同土层有其独特的生态功能和空间位置，将各个土层在空间的位置及其与相关土层之间的功能关系与作用，称之为“土层生态位”；将影响土壤整体功能和生产力的关键土层，称之为“土壤关键层”。矿山复垦土壤剖面重构的原理就是以土层生态位为理论基础、土壤关键层为构造核心，设计和优化土壤剖面构型并付诸实施的过程，其核心是优化设计各个土层生态位、确定和优化关键层。因此，土壤剖面重构方法就是在深入分析自然土壤剖面结构和损毁土地特征的基础上，基于需求确定重构土壤剖面的目标；然后对每一土层空间生态位适宜度进行分析；再通过土层生态位的空间位、宽度、重叠、差距和竞争等要素分析，确定可能的土壤剖面构型和关键层；最后通过室内外种植试验或模拟试验验证与筛选，从而获得最佳生产力功能的土壤剖面构型。基于这一原理和方法，提出了“分层剥离、交错回填”的土壤重构技术工艺原理，“分层”是满足“土层生态位”和“关键层”构造的要求，“交错”是实现土壤重构连续、高效的施工工艺，并以露天煤矿采复一体化和采煤塌陷地挖深垫浅复垦为例介绍了土壤重构工法。最后，以山东黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地为例，介绍了土壤重构原理与方法的应用和实践。

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煤炭学报

2022年第07期

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采动地表浅层隐蔽裂缝的无人机红外识别现场试验

作者(Author)：赵毅鑫, 许多, 张康宁, 令春伟, 陶亚飞, 郭晓冬, 孙波

摘要：煤矿高强度开采易引起地表沉陷和地裂缝等灾害，损伤地表生态，甚至诱发遗煤自燃，威胁煤矿安全生产。西部矿区土地荒漠化严重，部分矿区地表覆盖风积沙，地表采动裂缝易被风积沙掩盖，常规监测方法难于识别采动地表浅层隐蔽裂缝。为探究采动地表浅层隐蔽裂缝识别的可行性提出了基于无人机红外识别采动地表浅层隐蔽裂缝的方法。以神东矿区大柳塔煤矿 52605 工作面为工程背景，对工作面上方一地表采动裂缝设计不同埋深的隐蔽裂缝并于夜间进行连续监测，获取了不同时刻的红外图像，并对不同时刻红外图像中隐蔽裂缝、风积沙、植被的温度信息进行了提取和分析。研究结果表明:基于无人机搭载红外相机可有效识别采动地表浅层隐蔽裂缝且不同时刻可识别的埋深不同，隐蔽裂缝与周围地物温差越大，其越易于被识别。隐蔽裂缝温度在采动裂缝导热和环境温度共同作用下不同于周边地物的温度，且与埋深相关性较强。该研究条件下，21:00 pm 至 5:00 am，隐蔽裂缝温度、地表采动裂缝温度、风积沙温度、植被温度不断下降。 1:00 am 至 5:00 am 期间，不同埋深隐蔽裂缝与风积沙的绝对温差均≥1.2 °C 、与植被的绝对温差均≥2.1 °C ，绝对温差较大，此期间易于识别隐蔽裂缝。而 21:00 pm 时，埋深 15，20，30 cm 隐蔽裂缝与风积沙的绝对温差分别为 0.8，0.6，0.8 °C ;23:00 pm 时，埋深 20 cm 隐蔽裂缝与风积沙的绝对温差为 0.7 °C ，温差绝对值相对较小;因此，21:00 pm，23:00 pm 时上述埋深的隐蔽裂缝难于识别。

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煤炭学报

2022年第05期

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基于自然恢复的采煤沉陷区植物群落演替模拟系统开发

作者(Author)：米家鑫, 张绍良, 杨永均, 侯湖平, 丁忠义

摘要：为了确定采煤沉陷区植物群落自然恢复的时间和恢复后的格局.开发了基于自然恢复的植物群落演替模拟系统,以山西大同煤峪口矿内的一处采煤沉陷区为例.模拟了植物群落自然恢复至实际植被覆盖度的演替过程,分析了自然恢复过程中植物群落的时间变化和空间分布特征.讨论了导致植物群落空间差异的关键因素.结果表明.基于归一化均方误差(ENMS)并分别从不同景观尺度(10 m×10 m.20 m×20 m,50 m×50 m,80 m×80 m,100 m×100 m)下进行的精度评价.模拟结果的植物群落格局与实际情况间误差在0.04-0.59.其中灌木植被格局误差在0.06-0.59.草本植被格局误差在0.05-0.14.整体植被格局误差在0.04-0.12.以裸地为初始条件的50次模拟结果表明.研究区通过自然恢复使草本覆盖度达到35%与55%之间且灌木覆盖度达到7%与8%水平时.平均需要10.46 a.从时间变化上看.演替前期草本植物群落恢复迅速.但随着灌木植被的增加草本覆盖度随即下降并逐渐转变为灌木植物群落,灌木群落在自然恢复3-5 a后开始出现.并随着土壤养分的累积.灌木群落的恢复速度也随之加快,而乔木植被在50次模拟中仅有2次在自然恢复10 a后出现.从空间分布上看.高程较低的沟壑区域由于地表径流成为养分和水分富集区.总是率先演替出灌木群落并向周边发展.而坡度较小的阴坡同样容易演替出灌木群落.总体来看.构建的演替模拟系统能够较好的反映植物群落自然恢复过程中实际的时空动态变化.模拟自然恢复后的植物群落格局.可以为采煤沉陷区自然恢复策略的选择提供决策工具.

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煤炭学报

2022年第04期

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采动地表沉陷全过程预计方法与存在问题分析

作者(Author)：崔希民, 车宇航, Malinowska A, 赵玉玲, 李培现, 胡青峰, 康新亮, 白志辉

摘要：精确、可靠的开采沉陷预计结果既是井下工作面优化设计、采动损害程度评价的重要依据，也是土地复垦、生态重建设计和老采空区地表再利用稳定性评价的基础。随着实践认识的提高，开采沉陷的研究热点也逐渐从传统的移动稳定的终态预计转向采动地表移动变形的动态预计；当连续6个月累计下沉不超过30mm时，则认为传统的采动地表移动已经停止，但随着冒落破碎岩石的压实压密导致的缓慢残余下沉仍将持续，且残余下沉的预计也逐渐引起了研究者的重视。基于采动地表移动规律，将采动地表沉陷移动全过程划分为两个阶段，第一个阶段是包括初始期、活跃期和衰退期的地表动态移动变形期，第二个阶段为衰退期结束后的残余下沉期。针对第一个阶段，分析了现有预计方法的优缺点，提出了基于时间函数与概率积分法结合的开采沉陷动态过程预计方法和时空基准，明确指出了只考虑时间而不考虑开采过程进行动态预计、对比验证的错误，强调了终态预计只是动态预计的一个特例，且该动态预计只适用于滞后下沉而不适用于残余下沉的预计。针对第二个阶段，顾及冒落破碎岩石压实压密引起的残余下沉量小，基于衰退期下沉与残余下沉的连续性、残余下沉线性衰减性，给出了给定地质采矿条件下地表残余下沉持续时间和年度残余下沉系数表达式，可以定量计算残余下沉期内任一年度的残余下沉、累计残余下沉和未来潜在残余下沉，实现了采动地表沉陷的全过程预计。针对采动地表沉陷全过程预计方法研究现状，分析提出了动态过程预计存在的计算单元划分、不规则工作面、临近工作面相互影响等问题，以及残余下沉预计存在的诸如冒落破碎岩石压实压密系数、煤柱损伤与垮塌影响、预计的计算范围、预计结果的可靠性与不确定度等问题，为后续进一步研究提供了方向参考。

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煤炭学报

2022年第06期

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山东某煤矿老采空区上方大型工程建设案例

作者(Author)：陈绍杰, 张立波, 江宁, 尹大伟, 高志友, 郭惟嘉

摘要：以山东某采煤塌陷地为例，开展了煤矿采空区上方大型工程建设研究和实践。通过调查与测绘，高密度电法、大地电磁法、瞬变电磁法等多种地球物理勘查方法和钻探相结合的方法对老采空区进行了精细勘查，获得了4、9、10-2煤三层采空区分布位置、重叠关系、回采率、积水性等参数，揭示了老采空区赋存特征。从地表残余变形对建筑物稳定性影响以及建筑荷载对采空地层稳定性影响两个方面分析了拟建大跨度数据处理中心、4栋高层等建筑物场地稳定性，研究范围内地表因老采空区活化导致的附加变形中附加下沉值为260mm，超过了拟建建筑修建和使用期间的地基变形要求；9煤层采空区裂缝带与上方高层建筑荷载附加应力影响范围在研究区西部存在重叠区域，部分区域的建筑物地基稳定性差，需要进行采空地层加固治理。采用垂直剖面法确定治理水平治理范围、根据采空覆岩运动特征确定垂直治理范围，依据各煤层采空区间距划分2个注浆层位，注浆钻孔在地面东西走向间距为25m，南北走向间距为20m，帷幕孔间距均为15m，帷幕、注浆孔均一次成孔。采用“无压自流+加压扩散”注浆技术与工艺进行采空地层加固治理，一个注浆层位采用一次注浆工艺，多个注浆层位采用上行式注浆工艺；通过钻孔冲洗液漏失、钻孔取芯进行单轴压缩试验、二次注浆等方式检验注浆加固治理效果，钻孔冲洗液无漏失或少量漏失，结石体单轴抗压强度均在9MPa以上，各钻孔二次注浆量均小于周边钻孔注浆量平均值的10%，所注浆液有效充填了采空地层。分析了采空区地表变形对拟建的高层建筑和大跨度数据处理中心稳定性影响，高层建筑稳定性受地表倾斜影响显著，主体建筑基础采用“桩+筏板”形式，并将高层建筑下的部分注浆钻孔作为小桩基以增强其基础稳定性；大跨度数据处理中心稳定性受地表水平变形影响显著，设置基础连系梁和增强上部结构整体强度来增强其抗水平变形能力，数据处理中心修建过程中地面最大下沉5mm，平均下沉速度0.01mm/d。目前研究区内建筑物已投入使用，运行稳定。实现了大跨度、高标准数据处理中心以及22层综合楼等大型建筑群在三层采空区上的安全修建与运营，研究成果为我国采煤塌陷地大型工程建设利用提供了技术参考和工程示范。

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煤炭学报

2022年第03期

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高潜水位采煤沉陷区人居环境与生态重构关键技术———以安徽淮北绿金湖为例

作者(Author)：刘辉, 朱晓峻, 程桦, 苏丽娟, 戴良军, 郑刘根, 方申柱, 姜春露, 张琼, 孙庆业, 李玉, 李栋衍

摘要：以两淮高潜水位矿区为代表的我国东部大量采煤沉陷积水区的形成，严重影响了煤炭资源型城市的可持续发展，特别是城中采煤沉陷区水土资源撂荒、生态系统紊乱、人居环境恶化已成为制约城市建设的三大瓶颈，严重阻碍了经济社会发展和生态文明建设。为解决煤炭资源型城市生态修复与可持续发展问题，通过分析高潜水位采煤沉陷区地表沉陷积水演化规律和生态损害特征，基于开采沉陷原理和“采复一体化”理论，提出了地表沉陷积水动态预测方法，构建了沉陷区地形改造分区重构数学模型；研发了沉陷区边采边复施工、水循环与水资源调控、建筑分区设计、水土流失控制与基质改良、水陆复合生态系统重构等关键技术；探索了城中采煤沉陷区人居环境与生态一体化治理新模式，并以淮北绿金湖沉陷区为工程背景，开展了工程实践。研究表明：① 融合Knothe时间函数和水量平衡模型参数，可实现开采任意时刻地表沉陷积水深度、积水面积、积水体积和最大库容的精准预测，最大相对误差为9.7%；② 依据土方量平衡条件，建立了采前地形重构数学模型，将沉陷治理区划分为以地表沉陷盆地中央为中心、两侧对称的中央挖深、边界垫浅4个特征区域，土地闲置时间由14个月缩短至8个月，为高潜水位采煤沉陷区“挖深垫浅”超前治理提供了理论依据；③ 研发了环保疏浚退水及人工湿地尾水处理系统、底泥一体化机械深度干化系统、高填筑围埝多级装配式退水系统等成套施工关键技术，退水效率提高了17%，节约排泥场面积5 260 m2；④ 提出了“平整地建筑-斜坡地水土保持-浅水区水生植被-深水区生态渔业”沉陷区分区治理技术，实现了沉陷区水土资源的100%高效利用；⑤ 与引江济淮、生态走廊、绿金城市等重大民生工程相结合，探索了集市场运作、科学修复、可持续运营于一体的沉陷区综合治理新模式，为城中采煤沉陷区生态环境治理和可持续发展提供了理论依据和技术参考。

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煤炭学报

2021年第12期

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基于Google Earth Engine的采煤沉陷水体方向变化自动识别

作者(Author)：赵艳玲, 丁宝亮, 何厅厅, 肖武, 任河

摘要：煤炭开采在带来经济效益的同时，也造成了诸多环境问题。在我国东部高潜水位矿区，地表在采煤导致沉陷后出现积水，水体面积的剧烈变化使得耕地减少、农业生态系统变化。因此，对采煤沉陷水体持续监测对于研究该区域生态变化和制定修复规划十分必要。为揭示采煤沉陷积水区的变化情况，本研究在Google Earth Engine(GEE)平台上，以潘谢矿区为研究区，以通过Landsat遥感影像数据提取出的1989-2016年沉陷水体数据为基础，构建了射线法获取年际间积水边界变化距离，利用一元线性最小二乘回归法对矿区沉陷积水边界进行拟合，并通过扩张系数分析了沉陷水体的空间位置变化情况。研究结果：①提出了射线法采煤沉陷水体方向变化自动识别流程，明确了射线原点与射线间角度选取方法；②通过对构建出的射线年际距离变化数据进行皮尔逊相关性分析，表明射线原点距该沉陷水体边界的距离与其相对应的年份具有较强的相关性；③对每条射线构建一元线性最小二乘法回归方程预测了沉陷积水边界，总体上拟合的决定系数为84.56%，拟合程度良好；④将通过回归方程预测出的2017年沉陷水体数据与遥感影像提取的2017年沉陷水体数据进行对比，预测精度为84.43%；⑤经扩张性分析，谢桥矿、潘三矿、潘北矿、潘二矿、潘一矿沉陷水体扩张速度慢，张集矿、顾北矿、丁集矿、朱集矿沉陷水体扩张速度较快，顾桥矿西北方向扩张速度较快、东南方向扩张速度慢，与矿山企业的开采情况基本对应；⑥本次研究立足GEE平台，从沉陷水体的提取到射线法监测，整个研究基本实现自动化，能迅速且较准确地进行沉陷积水区的预测。研究结论：在缺少采煤相关信息的情况下，基于射线法的沉陷水体监测技术在一定程度上能揭示沉陷水体各方向的变化情况，为矿区的生态修复提供一定的理论依据和数据支持。

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