单一采区工作面不同开采顺序地表沉陷模拟与复垦对策分析.pdf

第 2 4卷第 4期 2 0 1 5年 4月 中 国 矿 业 CH I NA M I NI NG M AGA ZI N E Vo1 24， No 4 Apr 2 O15 绿 色 矿 业 单一采 区工作 面不 同开采顺序地表 沉陷模拟与 复垦对策分析 肖 武 ，邵 芳 ，李立平 ，张建勇 ，杨成兵。 ( 1 中国矿业大学 ( 北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 1 0 0 0 8 3 ； 陕西国源科技工程有限公 司，陕西 西安 7 1 0 0 8 2 ；3 山东省济宁市国土资源局 ，山东 济宁 2 7 2 0 1 7 ) 摘要 ：煤炭地下开采导致地面沉陷问题的 出现 ， 我 国煤 炭地 下开采多 以长臂 开采 ， 垮落式管 理顶板 的方式进行 ， 地 面土地损伤严重 。地下工作 面在不 同开采顺序 下虽 然最 终的沉 陷形 态一致 ， 但是地 面沉陷 的过程及规律有所不同。对于井工煤矿边采边复而言 ， 由于要 在沉 陷过 程 中采取 复垦措施 ， 因而对其 动态 沉陷过程进行模拟与分析很有必要 。本文采用室 内模 拟方 法 ， 对 单一采 区的 7个规则 工作 面在 5种不 同 开采顺 序下的地 面沉 陷过程与规律 进行 了分析 ， 就 5种 开采顺序 下 的地 面沉 陷特征及 复垦利 弊进行 了讨 论 。在 此基 础上 ， 拓展分析总结得 出了 3类地质条件下 的地下开采一 地 面复垦 的耦合方案 。 关键词 ：采 区；边采边复 ；开采顺序 ；耦合 ；美丽矿 区 中图分类号 ：T D8 8 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 4 4 0 5 1 ( 2 O 1 5 ) 0 4 0 0 5 3 0 5 M ining s u b s id e n c e s im u l a t io n a n d r e c l a ma t io n s t r a t e g y f o r d if f e r e n t m in in g s e q u e n c e f o r pa n e l s in u n d e r g r o u n d c o a l min e s XI AO W u ，S HAO F a n g ，LI Li p in g ，Z HANG J i a n y o n g ，YANG Ch e n g b i n g 。 ( 1 I n s t it u t e o f La n d Re c l a ma t io n a n d E c o l o g ic a l Re s t o r a t io n， C h in a Un iv e r s it y o f M in in g a n d Te c h n o l o g y( Be i j i n g ) ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a ；2 S h a a n x i Gu o y u a n Te c h n o l o g y En g i n e e r in g C o ，Lt d ， Xi a n 7 1 0 0 8 2 ，Ch i n a ；3 J in in g La n d a n d Re s o u r c e s Bu r e a u i n S h a n d o n g Pr o v i n c e ，J in in g 2 7 2 0 1 7，Ch i n a ) Abs t r a c t： Gr oun d s ubs id e nc e wa s t r igg e r e d by un de r gr ou nd c oa l miningI n China， un de r gr ou nd c oa l mining ma in l y e mp l o ys l o ngwa l l mining， a nd c a v in g ma n a ge s t h e r o of Th us， ma king l a nd da ma g e on t h e gr o und mor e s e r io us Eve n t h ou gh t he f ina l s u bs ide n c e t r o ug h we r e s imil a r o n t h e g r oun d， whe n d if f er e nc e mining s e qu e nc e imp l e me n t e d u nde r gr ou nd， t h e s u bs ide n c e pr o c e s s a nd it s dis c ipl in e s we r e n ot t he s a me Co nc u r r e nt minin g a nd r e c l a ma t ion ( CM R) t e c h no l o gy， wa s t o a da pt r e c l a ma t io n me a s u r e s o n t he gr ou nd， whil e s u bs ide nc e o c c u r r ing， o r n ot o c c ur r e d The r e f or e， t he r e ha s gr e a t s ign if ic an c e t O s imu l a t e d a n d a na l y z e t he dy na mic s u bs ide n c e o n t he gr ou nd a nd it s im p a c t t O l a nd，whil e dif f e r e n c e mining s e qu e nc e we r e a r r a n ge d The s t u dy e mpl oy s in do or s imu l a t ion m e t h od，t he 6 pa ne l s in a m in in g z o ne wa s s imul a t e d5 mining s e q ue nc e wa s inc l ude d，t h e s u bs id e nc e pr oc e s s a nd l a ws wer e a na l yz e dFur t he r mor e，r e c l ama t io n s t r a t e gie s we r e dis c u s s e d，r e s p e c t ive l yBa s e d o n t he s im u l a t ion a nd a na l y s is， 3 c a t e g o r ie s o f und e r g r o un d min in g a n d g r o un d r e c l a ma t io n c o upl ing mode l we r e s u mma r iz e d， c on s ide r in g t he d if f er e nt g e o l o gic a l a n d min in g c o nd it io n Ke y wo r ds ： min in g a r e a； c on c ur r e n t min in g a n d r e c l amat io n； min in g s e qu e nc e； c o upl ing； be a u t if u l m1nes 收稿 日期 ：2 0 1 4 - 0 6 2 4 基金项 目：国土资源部公益性行业科研专项 资助( 编号 ： 2 0 0 9 1 1 0 1 5 0 3 ) ； 国家 自然科学基金项 目资助( 编号 ： 4 1 4 0 1 6 0 9 ) 作者简 介：肖武( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 湖南涟 源人， 中国矿业大学 ( 北京) 讲 师， 研究方 向为测绘 、 G I S与土地复垦。E ma i l ： x i a o wu w x 1 2 6 c o rn。 煤炭的开采导致地面塌陷 ， 从而带来一 系列环 境问题与社会 问题 。目前 ， 我国的采煤塌陷地 已 经达 到 1 0 0万 h m ， 且每 年 还在 以 4万 h m 的速 度 递增 ， 若 不采取 有 效 的措 施 ， 国家 要 求 的 1 8亿 亩 耕 地的红线很难保住 ， 直接影响粮食的数量 和粮食安 第 4 期 肖 武 ，等 ：单一采区工作面不 同开采顺序地表沉 陷模 拟与复垦对策分析 5 5 3结 果与 分析 3 1 地 表最 大下 沉点 的发展 趋势 顺序开采分别与其余 4种开采方式地表最大下 沉 发展 的对 比见 表 l及 图 2 。从 图 1 、 图 2可 以看 出 ， 在顺 序开 采情 况下 ， 地表 最大 下沉值 的发展 与一 般 工作 面开 采的 地表 最 大 下 沉值 发 展 规 律 一 致 ， 事 实上， 顺序开采可以等效于一个超大工作面 的开采 ， 走向为工作 面的采 宽， 倾 向为工作 面 的推进方 向。 当开 采达 到第 4阶段时 ( 开采 4个 工作 面 ， 开采宽 度 达到 4 2 0 O re) ， 最大下沉值达基本达到充分采动条 件下的最大下沉值 ， 此时的宽深比约为 1 0 。 顺序开采条件下， 第一个工作面开采后 ， 地面下 沉为 1 8 4 6 4 8 ram， 此后下沉值逐步增加 ， 最 终达到 3 8 7 2 4 3 ram。而其余各种 开采顺序条件下， 由于存 在各 种 临时性 的“ 隔离煤 柱” ， 造 成 开采 的非充 分性 ， 从 而 在前期 不 同程度 的控 制 了最 大 下沉 的大小 。 “ 顺序开采” 与“ 两端逼近式开采” 的地表最大下 沉值发展规律相似， 都为 “ 上凸型” 曲线 ， 而剩下 的 “ 顺序跳采一 顺序 全采” 、“ 顺 序跳采一 两端逼近式 全 采 ” 、 “ 两端 交互 跳采一 全 采 ” 皆为 “ 下 凹 型 ” 曲线 。当 潜水 位低 于 2 m 或 者 高于 4 m 时 ， 各 开采 方式 对 于地 面沉 陷及积 水 的变 化无 较 大影 响 ， 当潜 水 位 埋 深位 于 2 4 m 时 ， “ 下 凹型 ” 的开采 方式 能延 长 土地 的使 用 时 间 ( 最 长可 达 3年 左 右 ) ， 并 且 可 以将 表 土剥 离 工 作集 中安 排 于I 临界积 水 点 附近 ， 尽 可 能 少 的 扰动 耕 作 的土地 。 3 2 地 面沉 陷与 积水 面积 发展 趋势 根 据获得 的动态 沉 陷分 析 ， 顺 序 开 采 条 件下 地 表影 响面积基本呈线性增 加。其余 开采方式下 ， 地 表影 响 面积在 开采 的初 期 增 幅 变化 较 大 ， 但 最 终 影 响 面积 一致 ， 均 为 7 6 3 8 2 h m 。地 面 沉 陷面 积 的发 展变 化见 图 3 、 表 2 。 顺序 开采 条件 下地 面积 水变 化规 律与 沉 陷影 响 面积 变化 规律 基本 一致 ， 近似 线性 变化 ， 其余 各种 开 采情况下都能不 同程度的减缓地面 出现 积水的时 间 。具体 见 图 3与 表 2 。 表 l 各开 采阶段地表最 大下沉值 情况 ram 阶段 顺序开采 顺序跳采一 顺序全采 顺序跳采一 两端逼近全采 两端逼近式 开采 两端交互跳采一 全采 1 2 3 4 5 6 7 年， Y - - - 顺序开采 一 顺序跳采_ J l质 序全采 5 0 0 0 0 t 年 腿 顺序开采 - 41 - 顺序跳采一 两端逼近全采 1 2 3 4 5 6 7 l 2 3 4 5 6 7 年f 、 每 一 一 顺序开采 两端逼 近式开采 _ 一 顺序开采 一 两端交互跳采一 全采 图 2不同开采方式下地表最大下沉发展趋势 ( 顺序开采与其余开采方式对 比图 ) 5 6 中 国 矿业 第2 4 卷 表 3各开采阶段地表积水面积变化 h m 一 两端逼近式开采 两端 交互跳采 一 全采 h m2 2 2 5 2 0 0 l 7 5 1 5 0 1 2 5 lO 0 7 5 5 O 2 5 第一阶段 第二阶段第j阶段第四阶段第五阶段第六阶段第七阶段 图 3不 同开 采 方 式 下地 面 沉 陷面 积 变 化 趋 势 _二 _ 顺序歼采 顺序 I 柒_ J 喷 序 叠采 - 顷序跳采一 两端逼近全采 一_h 一 一 = 二 两 端 交 互 跳 采 一 全 采 二 一 2 5 L 一 一L 一 第一阶段 第二阶段 第 j阶段 第四阶段 第 五阶段 第六阶段 第七阶段 图 4 不 同 开 采 方式 下地 面 积 水 面 积变 化 趋 势 3 3复垦对 策 与建议 根据 上 述 分 析 ， 可 以 粗 选 “ 顺 序 跳 采一 顺 序 全 采” 、 “ 顺序 跳采 两端 逼 近全采 ” 、 “ 两端 逼 近式 开采 ” 这三种方式为该采区开采的优选方案 。虽然模拟区 所在地区较为平坦 ， 但是总体为西北高东南低 ， 为了 构建与地表水流方 向( 主坡 向) 一致 的动态沉 陷盆 地 ， 在 上述 三种 开采方 式 中 ， 可优 选选 择 由西 向东 的 “ 顺序跳采一 顺 序 全采 ” 方 式进 行 开采 ， 开 采过 程 中在 地面修建导水沟渠 ， 同时选择在第 5 个工作面开采前 进行 提前统一 的表 土剥 离及 复垦 。从 而达 到 土地 利 用 的最 大 ， 复垦施 工难 度最 低 ， 复垦 效率 最 高 的最 佳 优选采矿一 复垦模式， 达到井上下耦合的边采边复。 4结论 与建 议 以往的煤炭开采过程 中重地下轻地上， 重煤炭 】E h 8 7 6 5 4 3 2 第 4 期 肖 武 ，等 ：单一采区工作面不同开采顺序地表沉陷模拟 与复 垦对 策分 析 5 7 开 采效 益轻 环境 保 护效 率 。随着 十八 大 “ 建 设 美 丽 中国” 概 念 的提 出 ， 建 设 美 丽 矿 区也 成 为 管 理 者 、 矿 山企业 、 农 民群众 的迫 切希 望 。树立 新 的资源 观 ， 建 立资源与环境一体化的新体系是未来资源开发的新 趋 势l l ， 采取 边 采 边 复措 施 ， 对 地 下 开 采 情 况 与 地 面塌陷情 况 、 治理 情况进 行情 景模 拟 ， 拟定最 优 的开 采方案 ， 既保证地下煤炭资源的回采率， 也兼顾地面 的治理 ， 是更为科学合理和健康的开采方式 。 在不 同的地质 和 自然条 件 下 ， 开 采 方 式 ( 接续 ) 的变化 引起 地表沉 陷动 态 变化 ， 沉 陷在 地 面 的发 展 也 有所差 异 ， 可 以造就 出“ 上 凸型 ” 与“ 下 凹 型 ” 的沉 陷路径。在超厚煤层一 高潜水位地区， 即便开采尺寸 未 达到充 分采 动地 面也会 出现积 水 ， 而 在 中厚煤 层一 中低潜水位地区， 往往需要数个连续的相邻工作面 的开采才会引起积水。井上下耦合 的边采边复技术 的核 心在 于 ： 根据 自然 、 地质 条件 ， 通过 分析 与模 拟 ， 构建最佳 的开采方式 ( 接续) ， 结合地 面的地形与流 域控制达到开采与复垦 的同步与耦合 ， 实现开采效 益 与土地 复 垦效益 的最 大化 ， 达 到采 矿一 复 垦 的有 机 结合 。 根据模拟分析， 提炼构建了以下几种典型的自然 地理 与地质采矿条件 下 的最优采矿一 复垦组 合模式 。 1 ) 大 埋深一 薄煤层一 中低 潜水 位 条 件 下 。沉 陷 特 点 ： 达到充分采动所需工作面数量多， 单一工作面甚 至 数个工 作 面的连 续 开 采 都不 会 达 到 充 分 采 动 ， 往 往需要 3个( 或者以上) 相邻工作面的连续开采地面 才 出现积 水 ， 积 水 深度小 ( 小 于 2 m) 。 边采 边复 方式 ： 根 据地 表 坡 度 ( 主水 流 方 向) 采 取“ 顺 序 开采一 滚 动式 土地 平 整一 农 田水 利 设 施修 复 ” 为核 心 的边采 边复 模式 。 2 ) 大埋深一 中( 厚) 煤层一 高潜水位条件下 。沉陷 特点 ： 达 到充分 采动 所需 工作 面数 量多 ， 单一 工作 面 甚至数个工作面的连续开采都不会达到充分采动， 往往 需要 3个 ( 或者 以上 ) 相邻 工作 面 的连续 开采 地 面才 出现 积水 ， 积水 深度 中等 ( 2 4 m) 。 边 采边 复方 式 ： 采 取“ 先 跳采 再 全 采一 地表 平 整 阶段集 中突击式 复垦 ” 为核 心 的边采 边 复模式 。 3 ) 浅埋深一 超 ( 特 ) 厚 煤 层一 高 潜 水 位 条 件 下 。沉 陷特点： 达到充分采动所需工作面数量少。单一工作 面开采 即导致 地面 出现积水 ， 积水深度 大( 大于 4 m) 。 边 采边 复方 式 ： 采 取“ 中问优 先一 外 扩