采煤沉陷預(yù)測(cè)及治理研究畢業(yè)論文

1、<p>　　白家莊礦采煤沉陷預(yù)測(cè)及治理研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著煤炭資源的開采，越來(lái)越多的土地因?yàn)椴煽諈^(qū)塌陷而遭到破壞，威脅到地表人群的生產(chǎn)生活安全，也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大破環(huán)。因此有必要對(duì)采煤沉陷區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)、防治研究。</p><p>　　本文以白家莊礦36703工作面上方的地表為研究對(duì)象

2、，根據(jù)工作面上方頂板的地質(zhì)采礦條件，分別采用概率積分法和三維快速拉格朗日有限差分法（FLAC3D數(shù)值模擬），對(duì)受開采影響的地表移動(dòng)和變形進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。獲得了地表的下沉值、下沉范圍。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在地表移動(dòng)和變形預(yù)測(cè)方面，概率積分法和FLAC3D數(shù)值模擬都是可行的。作為一種三維顯式有限差分法的數(shù)值分析工具，F(xiàn)LAC3D在采煤沉陷模擬預(yù)測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，其直觀、動(dòng)態(tài)的分析將豐富采煤沉陷移動(dòng)與變形的研究。</p>

3、<p>　　本文最后根據(jù)概率積分法和FLAC3D數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際，提出了土地復(fù)墾和生態(tài)重建的治理方法。對(duì)于沉陷治理工作，提出了要從源頭防治的措施，應(yīng)采用更合理的采煤方式防止沉陷發(fā)生。</p><p>　　關(guān)鍵詞：預(yù)測(cè)；概率積分法；FLAC3D數(shù)值模擬；地表移動(dòng)和變形；土地復(fù)墾</p><p>　　A study of mining subsidence pred

4、iction and management</p><p>　　on Bajiazhuang coal</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the exploitation of coal resources,an increasing number of land due to subsiden

5、ce of mined-out area was destroied. The subsidence seriously threats to the ground productive and life safety of people, but also destroied ecological environment. Therefore, it is necessary for mining subsidence to rese

6、arch prediction and controlling. </p><p>　　This paper takes ground above 36073 working face of baijiazhuang coal as an example. According to the geological and mining conditions of 36703 working face, it<

7、/p><p>　　static and dynamic predicts the displacement and deformation of surface with the probability-integral method and Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions(numerical simulation with FLAC3D) r

8、espectively. Results of prediction pointed out the value of the ground subsidence, the subsidence area. It shows that the probability-integral method and numerical simulation with FLAC3D are feasible on predicting displa

9、cement and deformation of the ground. But, as a three-dimensional explicit fini</p><p>　　Finally,according to the predicted results of the probability-integral method and numerical simulation with FLAC3D, th

10、e treatment of the land reclamation and ecological reconstruction was used. For controlling work of subsidence, the better ways to prevent the subsidence occurred in coal mining is using reasonable mining methods to prev

11、ent subsidence from source.</p><p>　　Key words: Prediction; Probability-integral method; Numerical simulation with FLAC3D; Ground displacement and deformation; Land Reclamation</p><p><b>　

12、　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 問(wèn)題的提出及研究意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外沉陷預(yù)測(cè)與治理研究現(xiàn)

13、狀2</p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)外沉陷預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)外沉陷治理研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.3 沉陷治理存在的問(wèn)題6</p><p>　　1.4本次研究采用的理論和主要研究?jī)?nèi)容6</p><p>　　2 沉陷預(yù)測(cè)方法——概率積分法7</p>

14、<p>　　2.1概率積分法7</p><p>　　2.1.1隨機(jī)介質(zhì)理論基本原理7</p><p>　　2.1.2 下沉盆地9</p><p>　　2.1.3 單元水平移動(dòng)11</p><p>　　2.2預(yù)計(jì)公式13</p><p>　　2.2.1半無(wú)限開采時(shí)地表移動(dòng)盆地走向主斷面的移動(dòng)和變形的

15、預(yù)計(jì)13</p><p>　　2.2.2有限開采時(shí)地表移動(dòng)盆地走向主斷面的移動(dòng)和變形14</p><p>　　2.2.3有限開采地表盆地傾向主斷面移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)15</p><p>　　2.2.4地表任意點(diǎn)移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式17</p><p>　　2.3 計(jì)算參數(shù)的選取18</p><p>　　2.4本章小

16、結(jié)19</p><p>　　3 采煤沉陷治理方法20</p><p>　　3.1 礦區(qū)土地復(fù)墾20</p><p>　　3.1.1 復(fù)墾土地平整技術(shù)20</p><p>　　3.1.2 梯田式復(fù)墾技術(shù)21</p><p>　　3.1.3 充填復(fù)墾技術(shù)23</p><p>　　3.1.

17、4 挖深墊淺和直接利用法25</p><p>　　3.2 沉陷控制工程25</p><p>　　3.2.1 采煤沉陷控制技術(shù)25</p><p>　　3.2.2 井下回填26</p><p>　　3.2.3 注漿處置27</p><p>　　3.3本章小結(jié)27</p><p>　　4

18、 白家莊煤礦采煤沉陷預(yù)測(cè)研究28</p><p>　　4.1白家莊煤礦基本概況28</p><p>　　4.2白家莊煤礦開采沉陷預(yù)測(cè)28</p><p>　　4.2.1地表移動(dòng)預(yù)測(cè)參數(shù)的選取28</p><p>　　4.2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果29</p><p>　　4.3沉陷預(yù)測(cè)分析36</p>

19、<p>　　4.3.1最大沉陷值分析36</p><p>　　4.3.2 沉陷面積分析37</p><p>　　4.3.3沉陷剖面分析38</p><p>　　4.4本章小結(jié)40</p><p>　　5 白家莊礦采煤沉陷預(yù)測(cè)分析方法—FLAC3D模擬41</p><p>　　5.1三維快速拉格朗日法

20、綜述41</p><p>　　5.1.1拉格朗日法簡(jiǎn)介41</p><p>　　5.1.2 FLAC3D軟件的主要特點(diǎn)41</p><p>　　5.2 白家莊礦36703工作面頂板移動(dòng)變形FLAC3D模擬研究42</p><p>　　5.2.1 計(jì)算條件42</p><p>　　5.2.2地表沉陷分析43&

21、lt;/p><p>　　5.3本章小結(jié)51</p><p>　　6白家莊礦的沉陷治理研究52</p><p>　　6.1 地表沉陷影響分析52</p><p>　　6.2 沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)—土地復(fù)墾53</p><p>　　6.2.1修復(fù)方案53</p><p>　　6.2.2 方案設(shè)計(jì)5

22、4</p><p>　　6.3煤礦開采沉陷控制新技術(shù)58</p><p>　　6.4本章小結(jié)58</p><p><b>　　7結(jié)論和展望59</b></p><p><b>　　7.1結(jié)論59</b></p><p>　　7.2論文不足與展望60</p>

23、;<p><b>　　參考文獻(xiàn)61</b></p><p><b>　　致謝63</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 問(wèn)題的提出及研究意義</p><p>　　地下煤層被采出后，采空區(qū)周圍的巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭

24、到破壞，應(yīng)力要重新分配，達(dá)到平衡。在這個(gè)過(guò)程中，巖層和地表會(huì)發(fā)生連續(xù)的下沉和移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為“開采沉陷”（Mining subsidence）【1】。沉陷是井下煤田開采對(duì)土地破壞的主要形式,沉陷地面一般占井下煤田開發(fā)區(qū)總土地破壞面積的80%以上【2】。</p><p>　　我國(guó)的煤炭工業(yè)以井下開采為主,絕大多數(shù)是長(zhǎng)壁工作面、全陷落法管理頂?shù)装?再加上開采強(qiáng)度開采規(guī)模的日益加大、開采方式和工作面結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化不合理

25、、小煤礦的不規(guī)范開采等影響,致使采煤區(qū)地面沉陷比較嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),每從地下開采1萬(wàn)t煤約使1000~3000m2的土地遭受不同程度的沉陷。全國(guó)因采礦活動(dòng)形成的采空區(qū)面積約80.96萬(wàn)公頃，引發(fā)地面沉陷面積35.22 萬(wàn)公頃，【3】每年增加200km2【2】。表1—1是我國(guó)部分礦區(qū)不完全統(tǒng)計(jì)的采煤沉陷分布表【4】。</p><p>　　表1—1我國(guó)部分礦區(qū)采煤沉陷分布表</p><p>　

26、　隨著煤礦開采范圍的擴(kuò)大，越來(lái)越多的土地會(huì)受到破壞，沉陷也會(huì)對(duì)礦區(qū)的居民生活帶來(lái)威脅。礦區(qū)大面積的土地破壞，不僅影響到居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，也對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成極大的破壞，而且這種破壞極有可能是無(wú)法恢復(fù)的。所以對(duì)于采煤造成的地面沉陷，治理工作就顯得十分必要，這關(guān)乎到礦區(qū)居民的生產(chǎn)生活，也關(guān)乎到礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，對(duì)于煤礦的正常生產(chǎn)也十分重要。同時(shí)沉陷區(qū)的治理工作也要有章可循，要根據(jù)采空區(qū)范圍預(yù)測(cè)可能的沉陷區(qū)范圍，結(jié)合預(yù)測(cè)做好治理工作。<

27、;/p><p>　　本文將結(jié)合白家莊礦的36703工作面的資料，預(yù)測(cè)工作面采煤后對(duì)地面的影響，并結(jié)合預(yù)測(cè)做好沉陷區(qū)的治理與防治工作。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外沉陷預(yù)測(cè)與治理研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)外沉陷預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀</p><p>　　采礦沉陷預(yù)測(cè)研究的歷史僅僅有一百多年歷史，各國(guó)學(xué)者提出了一系列的預(yù)測(cè)方法。采煤沉

28、陷的預(yù)測(cè)方法大體有三類：① 以實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)資料為依據(jù)建立的預(yù)測(cè)模型，主要是根據(jù)觀測(cè)資料和觀測(cè)結(jié)果，結(jié)合一些采煤的采掘參數(shù)所建立的模型。觀測(cè)資料來(lái)源于特定礦區(qū)，結(jié)果也只對(duì)調(diào)查區(qū)域有效。② 根據(jù)沉陷影響范圍提出的預(yù)測(cè)模型，一般是對(duì)于預(yù)測(cè)礦區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，利用觀測(cè)資料與類似地質(zhì)條件下的自然沉陷進(jìn)行比較，得出一個(gè)比率系數(shù)，進(jìn)行沉陷預(yù)測(cè)。該預(yù)測(cè)方法應(yīng)用有限，比率系數(shù)很難確定，自然沉陷也主要受地球力學(xué)和地質(zhì)影響。③ 建立數(shù)學(xué)-物理模型，根據(jù)力學(xué)原理計(jì)算頂

29、板變形和沉陷發(fā)展，這類模型可以給出計(jì)算結(jié)果【5】。</p><p>　　國(guó)內(nèi)較為常用的方法主要有兩種：概率積分法和典型曲線法。</p><p>　　1 概率積分法（隨機(jī)介質(zhì)理論）【6】</p><p>　　概率積分法的依據(jù)是非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，將巖體看成是由無(wú)窮多個(gè)單元堆積而成，從單元隨機(jī)移動(dòng)出發(fā)研究巖體的移動(dòng)過(guò)程，把巖體看成完全的松散單元，又加設(shè)小單元性質(zhì)與巖體無(wú)

30、關(guān)，從而將覆巖和地表移動(dòng)與巖體本身的固有屬性分離。</p><p>　　概率積分法沒(méi)有考慮巖體結(jié)構(gòu)的特性，且利用的預(yù)計(jì)參數(shù)沒(méi)有力學(xué)意義，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)誤差較大，但由于其避開了巖體的內(nèi)在特性，概率積分法適用簡(jiǎn)便，在巖體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為簡(jiǎn)單的層狀性質(zhì)時(shí)計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際，在生產(chǎn)實(shí)踐中廣泛使用。</p><p><b>　　2典型曲線法【1】</b></p><

31、p>　　典型曲線法是用無(wú)因次的典型曲線表示移動(dòng)盆地主斷面上的移動(dòng)和變形曲線的一種方法，它適用于矩形或近似矩形的采區(qū)的地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)。</p><p>　　應(yīng)用典型曲線法的步驟如下：</p><p>　?、?對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立用地質(zhì)采礦數(shù)據(jù)求取預(yù)計(jì)參數(shù)和地表移動(dòng)變形最大值的經(jīng)驗(yàn)公式。</p><p>　?、?根據(jù)各觀測(cè)站的實(shí)測(cè)資料，建立適用各種地質(zhì)采

32、礦條件的反映移動(dòng)或變形分布情況的典型曲線。</p><p>　?、?根據(jù)要預(yù)測(cè)的開采的地質(zhì)采礦條件數(shù)據(jù)，應(yīng)用上述經(jīng)驗(yàn)公式求取預(yù)測(cè)參數(shù)及各種移動(dòng)變形的最大值。</p><p>　　⑷ 根據(jù)要預(yù)測(cè)的開采的地質(zhì)采礦條件，選取適當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)典型曲線。</p><p>　?、?根據(jù)要預(yù)測(cè)的主斷面上的地面點(diǎn)的無(wú)因次橫坐標(biāo)和選定的典型曲線，求定預(yù)計(jì)點(diǎn)的無(wú)因次移動(dòng)變形值，乘以相應(yīng)的最大

33、值，就得到預(yù)計(jì)點(diǎn)的實(shí)際移動(dòng)和變形值。</p><p>　　典型曲線法由于其分布和參數(shù)均是直接基于實(shí)測(cè)資槍預(yù)計(jì)誤差較小，因此是目前所有預(yù)計(jì)方法中較為可靠的方法之一。我國(guó)也在多年的實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上建立了大量的典型曲線。但典型曲線也有其缺點(diǎn)：典型曲線針對(duì)某個(gè)礦區(qū)建立，其它礦區(qū)不能套用；需要大量的實(shí)測(cè)資料；典型曲線原則上適用于矩形或近似矩形采區(qū)的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)，在形狀不規(guī)則的工作面開采時(shí)預(yù)計(jì)誤差大。</p>

34、<p>　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者又結(jié)合數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法提出了新的沉陷預(yù)測(cè)方法。如：遺傳程序設(shè)計(jì)法能有效處理復(fù)雜和非線性問(wèn)題，應(yīng)用于采礦沉陷預(yù)測(cè)誤差不大于10％，能夠滿足工程需求?！?】人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法不需要掌握采掘頂板的地質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)一些采掘參數(shù)，利用多層次的反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即可預(yù)測(cè)采礦引起的沉陷【5】。對(duì)未確知聚類預(yù)測(cè)法進(jìn)行優(yōu)化，并將其用于開采地面沉陷預(yù)測(cè)研究，預(yù)測(cè)結(jié)果也可達(dá)到一定精度【8】。以理想散體移動(dòng)模型為基礎(chǔ), 提

35、出了更具有一般統(tǒng)計(jì)意義的采動(dòng)覆巖與地表下沉概率密度新函數(shù),建立了水平煤層開采地表下沉和變形的預(yù)計(jì)新體系,為礦山開采地表下沉和變形預(yù)計(jì)提供了新方法【9】。國(guó)內(nèi)也有一些學(xué)者認(rèn)識(shí)到概率積分法中的預(yù)計(jì)參數(shù)的不足，提出了概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)的求取的改進(jìn)方法。如：基于Broyden算法的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)求取方法，改進(jìn)了預(yù)計(jì)參數(shù)計(jì)算的不足，具有以一定的優(yōu)越性【10】。</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)外沉陷治理研究現(xiàn)狀&l

36、t;/p><p>　　對(duì)于采煤沉陷治理方法，主要分為兩類。第一類主要是地表治理，也是末端治理，主要方式即土地復(fù)墾。土地復(fù)墾是目前采煤沉陷治理最主要的方法，也是國(guó)內(nèi)運(yùn)用較為成熟的方法，提出了一系列的土地復(fù)墾技術(shù)方法，且治理費(fèi)用較低。第二類主要是地下治理，也是源頭治理，即要防止采空區(qū)地面下沉。主要方法就是要在采煤過(guò)程中，要采用開采沉陷控制技術(shù)、井下回填或工程技術(shù)方法，防止采空區(qū)大幅度下沉的發(fā)生。</p>&

37、lt;p><b>　　1礦區(qū)土地復(fù)墾</b></p><p>　　礦區(qū)土地復(fù)墾工程是按照土地利用原理，結(jié)合礦山開采后土地破壞的特點(diǎn)，對(duì)控根、塌陷、壓占的土地采取工程和生物措施，恢復(fù)土地的生產(chǎn)力和礦區(qū)生態(tài)平衡的活動(dòng)【11】。土地復(fù)墾后有多種利用方式，根據(jù)利用方式土地復(fù)墾形式又可分為：【12】</p><p>　?、?恢復(fù)農(nóng)業(yè)用地，如耕地、牧場(chǎng)、草地、果園及菜地等；

38、</p><p>　?、?恢復(fù)林業(yè)用地．如種植各種用途的綠色植物等；</p><p>　　⑶ 建設(shè)生活和生產(chǎn)用的蓄水池塘．養(yǎng)魚及水籬．游泳池等；</p><p>　　⑷ 恢復(fù)民用和工業(yè)建筑用地；</p><p>　?、?建設(shè)文化娛樂(lè)和休養(yǎng)場(chǎng)所。</p><p><b>　　2沉陷控制</b><

39、;/p><p>　?、?礦山開采沉陷控制技術(shù)</p><p>　　礦山開采沉陷控制技術(shù)可分為四類：以充填體為核心的巖層控制技術(shù)、以部分支撐礦柱為核心的開采技術(shù)、以協(xié)調(diào)開采為核心的變形控制技術(shù)和以建筑物為核心的保安煤柱設(shè)計(jì)技術(shù)【13】。具體見下圖1—1所示：</p><p>　　圖1-1礦區(qū)開采沉陷控制技術(shù)</p><p>　?、?井下回填和采空區(qū)

40、灌漿處置</p><p>　　煤層開采完以后，可以把采煤過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物如矸石和采煤剝離物回填采空區(qū)，這樣不僅可防止了采空區(qū)塌陷，也實(shí)現(xiàn)了廢物不外排。對(duì)于一些采空區(qū)，必要時(shí)采取灌漿處置，對(duì)于防止塌陷有良好的效果。</p><p>　　開采沉陷是造成礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的直接原因，有效控制和減輕地面沉陷程度是避免開采沉陷環(huán)境災(zāi)害的基本途徑，充填采煤法是減少地表下沉效果最好的方法之一。這種方法可

41、使采場(chǎng)沒(méi)有或減少垮落帶，能更好的減少地表下沉【14】。地下回填需要大量廢物，而我國(guó)又有大量的城市垃圾和工業(yè)廢料，僅1998年全國(guó)城市生活垃圾就達(dá)1. 2億噸以上，如果能把采礦終了后的地下采空區(qū)回填治理與城市生活垃圾中固體廢棄物的填埋處理結(jié)合起來(lái)【15】，既可解決我國(guó)的垃圾處理問(wèn)題，也為采空區(qū)治理提出了一個(gè)新的思路。</p><p>　　由于采空區(qū)情況復(fù)雜，勘察和施工時(shí)有時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)造成部分已建建筑物傾斜、開

42、裂或路基的塌陷。針對(duì)這一特殊情況，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牟牧瞎?yīng)情況和施工條件,一般采用注漿法進(jìn)行處理【16】。注漿材料一般為選用既經(jīng)濟(jì)又便宜的工業(yè)廢料——電廠粉煤灰作為主要充填材料，利用水泥的粘結(jié)性和粉煤灰按比例拌和，改善了粉煤灰粘結(jié)性差的弱點(diǎn)，提高其結(jié)石體強(qiáng)度，抑制了其振動(dòng)液化；同時(shí)充分利用粉煤灰流體性好的特點(diǎn)，充填地下采空區(qū)裂隙或空洞。注漿后形成的結(jié)石不僅起到充填作用，而且起支撐作用，從而保證建筑物的安全使用【17】。這些技術(shù)不僅能徹底治理采

43、煤沉陷區(qū)，還可解決用地緊張的矛盾。</p><p>　　1.3 沉陷治理存在的問(wèn)題</p><p>　　沉陷治理后土地的用途不同，所以治理方法也應(yīng)有所區(qū)別。沉陷治理要做好規(guī)劃，根據(jù)治理區(qū)的規(guī)劃用途，選擇合適的治理技術(shù)方法，不能對(duì)于所有的治理區(qū)都選擇一樣的方法，同時(shí)也要考慮治理的經(jīng)濟(jì)成本，選擇可行的治理方式。例如，對(duì)于規(guī)劃為林地或耕地的沉陷區(qū)，就應(yīng)采用土地復(fù)墾的辦法，平整土地或修建梯田（對(duì)于

44、山區(qū)丘陵地區(qū)）；對(duì)于規(guī)劃為生活或生產(chǎn)用的蓄水池或魚塘的沉陷區(qū)，就應(yīng)采用深挖的辦法；對(duì)于規(guī)劃為民用或工業(yè)建筑用地的沉陷區(qū)，治理工作就不能采用土地復(fù)墾方法，而應(yīng)采用井下回填或工程注漿，以滿足建筑對(duì)地基承載的要求。</p><p>　　沉陷治理應(yīng)根據(jù)沉陷預(yù)測(cè)做出相應(yīng)的不同治理手段，根據(jù)采煤的開采速度、開采時(shí)間和一些其他條件，可以預(yù)測(cè)出哪些區(qū)域已是穩(wěn)定的沉陷區(qū)，哪些區(qū)域?yàn)榉欠€(wěn)定的沉陷區(qū)。穩(wěn)定沉陷區(qū)和非穩(wěn)定沉陷區(qū)的治理手段

45、應(yīng)是不同的，應(yīng)根據(jù)各個(gè)礦區(qū)的地形和多煤層重復(fù)開采的地表塌陷特點(diǎn)，對(duì)穩(wěn)定沉陷地和不穩(wěn)定沉陷地應(yīng)分別采用簡(jiǎn)易復(fù)墾和最終復(fù)墾兩種方案【18】。</p><p>　　1.4本次研究采用的理論和主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本次研究主要采用概率積分法和FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)采煤沉陷區(qū)進(jìn)行沉陷預(yù)測(cè)；治理方法也主要選擇土地復(fù)墾的方式。</p><p>　　本文研究的主要內(nèi)容

46、：</p><p>　　介紹概率積分法的基本理論及在采煤沉陷中的應(yīng)用；</p><p>　　介紹沉陷區(qū)治理的主要理論方法（土地復(fù)墾）和技術(shù)手段；</p><p>　　利用概率積分法分析白家莊礦的沉陷范圍及各種沉陷特征，繪制出采空區(qū)的下沉等值線和各類剖面圖，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)變形規(guī)律；</p><p>　　利用FLAC3D模擬煤層開采過(guò)程，并以此根據(jù)計(jì)算

47、結(jié)果發(fā)現(xiàn)采煤過(guò)程中的地表移動(dòng)變形規(guī)律；</p><p>　　根據(jù)沉陷預(yù)測(cè)，合理規(guī)劃沉陷區(qū)的土地復(fù)墾。</p><p>　　2 沉陷預(yù)測(cè)方法——概率積分法</p><p>　　2.1概率積分法【1】</p><p>　　概率積分法是因其所用的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式中合有概率積分(或其導(dǎo)數(shù))而得名。由于這種方法的基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論，所以又叫隨機(jī)介質(zhì)理

48、論法。</p><p>　　隨機(jī)介質(zhì)理論首先由波蘭學(xué)者李特威尼申(J．Litwiniszyn)于50年代引入巖層移動(dòng)研究，后由我國(guó)學(xué)者劉寶琛、廖國(guó)華等發(fā)展為概率積分法。經(jīng)過(guò)我國(guó)開采沉陷工作者20多年的研究，目前已成為我國(guó)較成熟的、應(yīng)用最為廣泛的預(yù)計(jì)方法之一【1】。</p><p>　　2.1.1隨機(jī)介質(zhì)理論基本原理</p><p>　　作為開采沉陷研究主體的巖體可以

49、用兩種完全不同的介質(zhì)模型來(lái)模擬：一種是連續(xù)介質(zhì)模型，一種是非連續(xù)介質(zhì)模型。連續(xù)介質(zhì)模型認(rèn)為：在移動(dòng)過(guò)程中，介質(zhì)始終保持其連續(xù)性，介質(zhì)單元之間的聯(lián)系關(guān)系保持不變；非連續(xù)介質(zhì)模型則認(rèn)為：在移動(dòng)過(guò)程中，介質(zhì)的連續(xù)性受到破壞，介質(zhì)單元之間原有的聯(lián)系關(guān)系發(fā)生變化，單元互相分離并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于巖體中有一系列原生的和開采引起的裂隙面和其他非連續(xù)面，所以用非連續(xù)介質(zhì)模型研究開采沉陷問(wèn)題是適當(dāng)?shù)摹?lt;/p><p>　　J．李特

50、咸尼申等應(yīng)用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的顆粒體介質(zhì)力學(xué)來(lái)研究巖層及地表移動(dòng)問(wèn)題，認(rèn)為開采引起的巖層和地表移動(dòng)的規(guī)律與作為隨機(jī)介質(zhì)的顆粒體介質(zhì)模型所描述的規(guī)律在宏觀上相似。</p><p>　　作為隨機(jī)介質(zhì)的顆粒體介質(zhì)，在研究其移動(dòng)規(guī)律時(shí)可抽象為圖2—1所示的理論模型。該理論模型認(rèn)為，介質(zhì)是由類似于砂?；蛳鄬?duì)來(lái)說(shuō)很小的巖塊這樣的介質(zhì)顆粒組成的。顆粒之間完全失去聯(lián)系，可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)。顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)用顆粒的隨機(jī)移動(dòng)來(lái)表征，并把大量

51、的顆粒介質(zhì)的移動(dòng)看作是隨機(jī)過(guò)程。</p><p>　　圖2—1顆粒體介質(zhì)的理論模型</p><p>　　在圖2—1的理論模型中，假設(shè)這些介質(zhì)顆粒是一些大小相同、質(zhì)量均一的小球，并被裝在大小相同的均勻排列的方格內(nèi)。一個(gè)方格內(nèi)的小球被移走時(shí)，由于重力作用，上一層的兩個(gè)相鄰方格內(nèi)的小球之中的一個(gè)將滾入此方格。假設(shè)此方格上一層的兩個(gè)相鄰方格中的哪一個(gè)小球滾入此方格完全是隨機(jī)的(所以稱為“隨機(jī)介質(zhì)”

52、)，井具有相同的概率1／2。</p><p>　　若圖2—la中的a1格內(nèi)的小球技移走后是a2格內(nèi)的小球族入a1格，則a2格將被一個(gè)從第3分層的a3或b3格族來(lái)的小球所占據(jù)；同樣，若是b2格內(nèi)的小球族入a1格，則b2格將被一個(gè)第3分層的b3或c3格接來(lái)的小球所占據(jù)。根據(jù)概串相乘和相加定理，a1格小球的放出排空a3、b2或c3格這三個(gè)事件發(fā)生的概率分別為 ；同理，排空第4分層a4、b4、c4或d4 格這四個(gè)事件

53、發(fā)生的概率分別為l／8、3／8、3／8和1／8；……如此類推，把各個(gè)格子由于d，格小球的放出而排空的概率寫在相應(yīng)的格子中，就可構(gòu)成圖2—1b下方的顆粒移動(dòng)概率分布圖。若選取圖2—1b中的坐標(biāo)xoz，則介質(zhì)內(nèi)任意一個(gè)z水平的概串分布可以繪成固4—1b上方虛線所示的概率分布直方圖。若格子的尺寸非常小，則這個(gè)直方圖趨近于一條光滑的曲線。如果在a1格處(中心坐標(biāo)x=z=0)放出數(shù)量相當(dāng)多的、其總體積為單位體積的小球，則z水平的概率分布曲線P(x

54、，z)趨近于一條正態(tài)分布概率密度曲線。</p><p>　　2.1.2 下沉盆地</p><p>　　為了進(jìn)一步研究P(z，z)的具體形式和物理意義，取圖2—1中的任意三個(gè)相鄰的格子A、B和C，它們的中點(diǎn)坐標(biāo)分別為(x，z+b)、(，z)和(，z)，設(shè)格子的寬和長(zhǎng)分別為a和b，組成圖2—2所示的圖形，這個(gè)圖形稱為隨機(jī)游動(dòng)模型。</p><p>　　圖2—2隨機(jī)介質(zhì)游

55、動(dòng)模型</p><p>　　若格子B和C中的小球都被移定了，格子B和C中均出現(xiàn)空位，則館子A中的小球在自重作用下可能向B或C空位移動(dòng)，其概率均為。設(shè)P(x，z+b)、 P(，z)和P(，z)分別表示圖2—1a中的a1格放出若干個(gè)小球時(shí)，圖2—2的A、B和C格子中的小球發(fā)生移動(dòng)使相應(yīng)格子出現(xiàn)空位的概率，則根據(jù)概率相加和相乘的意義，可寫出以下等式：</p><p>　　P(x，z+b)=P(，

56、z)+ P(，z)</p><p>　　若格子的只才非常小，a、b與x、z相比可以認(rèn)為是極小量，則上式中含有概率P的項(xiàng)可在點(diǎn)(x， z)附近用泰勒公式展開，并根據(jù)精度和問(wèn)題的需要取前2或3項(xiàng)，則上式可近似寫成</p><p><b>　　整理上式．可得</b></p><p>　　式中P(x，z)表示中點(diǎn)坐標(biāo)為(x，z)的假想格子出現(xiàn)空位的概率

57、。Px，z)在巖體內(nèi)的分布</p><p>　　是不連續(xù)的。但在格子尺寸非常小，即、時(shí)，P(x，z)可以近似地看成連續(xù)函</p><p>　　數(shù)。為此，要對(duì)上式兩邊在、的條件下取極限，可得</p><p>　　令A(yù)= 則上式可簡(jiǎn)化為：</p><p><b>　　（2—1）</b></p><p>

58、;　　式(2—1)為描述圖2—1這類隨機(jī)介質(zhì)理論模型巖層移動(dòng)的基本微分方程式，式中A為一個(gè)反映格子尺寸的常數(shù)，其解P(x，z)為一個(gè)連續(xù)函數(shù)，表示點(diǎn)(x，z)附近的無(wú)窮小格子出現(xiàn)</p><p><b>　　空位的概率。</b></p><p>　　求解（2—1）微分方程，可得：</p><p><b>　　（2—2）</b&

59、gt;</p><p>　　此時(shí)P(x，z)在數(shù)值上等于單元開采引起(x，z)點(diǎn)的下沉值We(x，z)。所以，有：</p><p><b>　　（2—3）</b></p><p>　　式(2—3)表明，P(x，z)表示單元開采引起(x，z)點(diǎn)的下沉，所以稱此函數(shù)為下沉影響函數(shù)。</p><p>　　對(duì)地表來(lái)說(shuō)，z等于開采

60、深度H，為常數(shù)，則rz也是常數(shù)?？闪顁z為常數(shù)r，(r稱為主要影響半徑)則式(2—3)變?yōu)?lt;/p><p><b>　?。?—4）</b></p><p>　　式(2—3)就是地表單元下沉盆地的表達(dá)式，表示在單元開采時(shí)，地表產(chǎn)生的下沉盆地。其函數(shù)形式與正態(tài)分布概率密度函數(shù)相同。</p><p>　　2.1.3 單元水平移動(dòng)</p>

61、<p>　　為了確定單元開采引起的水平移動(dòng)，作如下假設(shè)在單元開采影響下，巖體產(chǎn)生的移動(dòng)和變形很小，并且是連續(xù)分布的在單元開采作用下，巖石雖發(fā)生變形，但總體積保持不變。</p><p>　　根據(jù)彈性力學(xué)，材料的體積應(yīng)變e可表示為沿三個(gè)軸的線應(yīng)變?chǔ)舩、εy、εz之和：</p><p>　　e=εx+εy+εz</p><p>　　對(duì)圖2—1所示的二維情況，考

62、慮上述體積不變假設(shè)，上式可寫作：</p><p>　　εx +εz=0 （2—5）</p><p>　　其中 </p><p>　　式中Ue(x，z)為巖體內(nèi)(x，z)點(diǎn)受單元開采影響產(chǎn)生的水平移動(dòng)，簡(jiǎn)稱單元水平移動(dòng)。εx式中的“-”號(hào)是由于W軸與x軸方向相反造成的。得上面兩式代入式(2—5)，可得</p>&

63、lt;p><b>　　(2—6) </b></p><p>　　將式(2—3)對(duì)z求偏導(dǎo)數(shù)，可得</p><p><b>　　(2—7)</b></p><p>　　將(2—6)式對(duì)x積分，可得</p><p><b>　　(2—8)</b></p>&l

64、t;p><b>　　式中，z為積分常數(shù)</b></p><p>　　將式(2—7)代入式(2—8)，用分部積分求出式中的不定積分，再加以整理，可得</p><p><b>　　(2—9)</b></p><p>　　將式(2—3)對(duì)x求偏導(dǎo)數(shù)，可得</p><p><b>　　(2—

65、10)</b></p><p>　　將式(2—10)代入(2—9)，可得</p><p>　　由于上式中僅為z的函數(shù)，可令其等于B（z）即水平移動(dòng)系數(shù)，則有：</p><p><b>　　(2—11)</b></p><p>　　為了求定積分常數(shù)c(z)，可考慮圖2—1模型中這樣一個(gè)邊值條件：由于模型積單元開

66、采的對(duì)稱性，巖體內(nèi)z軸上的各個(gè)點(diǎn)均不產(chǎn)生x方向的水平移動(dòng)。則有</p><p><b>　　(2—12)</b></p><p>　　由式(2—12)、(2—11)和(2—10)，可得</p><p><b>　　c（z）=0</b></p><p>　　則式(2—11)可化為</p>

67、<p><b>　　(2—13)</b></p><p>　　式(2—13)即為圖2—1所示的隨機(jī)介質(zhì)理論模型的單元水平移動(dòng)計(jì)算公式。公式表明該理論模型導(dǎo)出的水平移動(dòng)與傾斜成正比，比例系數(shù)對(duì)同一個(gè)z水平來(lái)說(shuō)是常數(shù)。</p><p>　　對(duì)于地表來(lái)說(shuō)，z等于開采深度H，B(z)為常數(shù)，并可令它等于B，則式(2—13)可化作</p><p&

68、gt;<b>　　(2—14)</b></p><p>　　將式(2—4)對(duì)x求導(dǎo)后代入上式，可得</p><p><b>　　(2—15)</b></p><p>　　式(2—14)、(2—15)均為地表單元水平移動(dòng)的表達(dá)式。</p><p>　　2.2預(yù)計(jì)公式【1】【19】</p>

69、<p>　　2.2.1半無(wú)限開采時(shí)地表移動(dòng)盆地走向主斷面的移動(dòng)和變形的預(yù)計(jì)</p><p>　　預(yù)計(jì)地表移動(dòng)和變形的基本計(jì)算公式假設(shè)條件如下：設(shè)工作面邊界正上方的地表點(diǎn)作為橫坐標(biāo)軸x的原點(diǎn)，x軸沿地表指向采空區(qū)，縱坐標(biāo)軸W(x)為橫坐標(biāo)為x的地表點(diǎn)的下沉值，W(x)軸鉛直向下；縱坐標(biāo)軸U(x)為橫坐標(biāo)為x的地表點(diǎn)的水平移動(dòng)值，U(x)軸鉛直向上。則主斷面的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式為：</p>

70、<p><b>　　(2—16)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　—橫坐標(biāo)為x的地面任意點(diǎn)的下沉值；</p><p>　　—橫坐標(biāo)為x的地面任意點(diǎn)沿x方向的地表傾斜；</p><p>　　—橫坐標(biāo)為x的地面任意點(diǎn)沿x方向的地表曲率；</p&

71、gt;<p>　　—橫坐標(biāo)為x的地面任意點(diǎn)沿x方向的水平移動(dòng)；</p><p>　　— 橫坐標(biāo)為x的地面任意點(diǎn)沿x方向的水平變形；</p><p><b>　　—最大下沉值；</b></p><p><b>　　—概率積分函數(shù)；</b></p><p><b>　　q—下沉系

72、數(shù)；</b></p><p>　　r—主要影響半徑，可通過(guò)式求得，其中為主要影響角正切；</p><p><b>　　s0—拐點(diǎn)偏距；</b></p><p><b>　　b—水平移動(dòng)系數(shù)；</b></p><p><b>　　H—開采深度；</b></p&g

73、t;<p><b>　　m—開采厚度；</b></p><p><b>　　—煤層傾角。</b></p><p>　　地表移動(dòng)和變形的最大值預(yù)計(jì)公式如下：</p><p><b>　　(2—17) </b></p><p>　　式中，、、、、分別表示最大下沉值、最

74、大傾斜值、最大曲率值、最大水平移動(dòng)值和最大水平變形值。</p><p>　　2.2.2有限開采時(shí)地表移動(dòng)盆地走向主斷面的移動(dòng)和變形</p><p>　　有限開采是指采空區(qū)尺寸有一定的限度，即采空區(qū)具有明確的尺寸，它是采礦工程中實(shí)際出現(xiàn)的情況。根據(jù)疊加原理，有限開采的下沉盆地等效于兩個(gè)半無(wú)限開采下沉盆地的幾何疊加，因此，走向主斷面上的地表移動(dòng)與變形值的計(jì)算公式可表示成為兩個(gè)半無(wú)限開采下沉盆地

75、的地的移動(dòng)和變形值的預(yù)計(jì)模型，表移動(dòng)與變形值的幾何疊加，當(dāng)煤層沿傾向充分采動(dòng)時(shí)，可以得出走向主斷面上有限開采的移動(dòng)和變形值的預(yù)計(jì)模型，（計(jì)算原理見圖2-3）：</p><p>　　圖2—3有限開采時(shí)地表走向主斷面移動(dòng)和變形計(jì)算原理圖</p><p><b>　　(2—18)</b></p><p>　　由圖2-3可知，式(2—18)中，，其中為

76、走向有限開采時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度、為工作面走向長(zhǎng)、、分別為左右邊界的拐點(diǎn)偏距。</p><p>　　當(dāng)傾向不是充分采動(dòng)而是不同程度的非充分采動(dòng)時(shí)，走向主斷面上應(yīng)乘上一個(gè)小于1的系數(shù)，稱為傾向采動(dòng)系數(shù)，為走向達(dá)到充分采動(dòng)傾嘰向有限開采時(shí)傾向主斷面上地表下沉最大值，由下式(2一19)中第一式求出。</p><p>　　2.2.3有限開采地表盆地傾向主斷面移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)</p><p

77、>　　當(dāng)走向達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，傾向方向上有限開采時(shí)沿傾向主斷面的地表移動(dòng)與</p><p>　　變形可以用等影響原理進(jìn)行計(jì)算（計(jì)算原理見圖2-4）</p><p>　　圖2—4有限開采時(shí)地表傾向主斷面移動(dòng)和變形計(jì)算原理圖</p><p><b>　　(2—19)</b></p><p>　　式中，L為傾向工作面的計(jì)算

78、長(zhǎng)度；、表示下山邊界和上山邊界的主要影響半徑與水平移動(dòng)系數(shù)（即r1、b1與r2、b2)；為工作面傾向斜長(zhǎng)；、分別為下山拐點(diǎn)偏距與上山拐點(diǎn)偏距； 為開采影響傳播角。</p><p>　　其中水平移動(dòng)與水平變形公式應(yīng)在計(jì)算所得的值加上由于煤層傾斜所引起的水平移動(dòng)與水平變形分量，其計(jì)算公式為：</p><p><b>　　(2—20)</b></p><

79、p>　　當(dāng)走向不是充分采動(dòng)而是不同程度上的非充分采動(dòng)時(shí)，傾向主斷面上移動(dòng)和變形均應(yīng)乘上一個(gè)小于1的系數(shù)。稱為走向采動(dòng)系數(shù)。計(jì)算要求不高時(shí)，可以為引數(shù)從圖中查得。要求較高時(shí)，可由預(yù)計(jì)的點(diǎn)的下沉值得到(此時(shí)假設(shè)傾向方向已達(dá)到充分采動(dòng))。</p><p>　　2.2.4地表任意點(diǎn)移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式</p><p>　?、?任意點(diǎn)、任意方向預(yù)測(cè)模型</p><p>&

80、lt;b>　　(2—21)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　—傾斜方向充分采動(dòng)時(shí)走向主斷面上橫坐標(biāo)為x的點(diǎn)的下沉值，可由式(2一19)求出；</p><p>　　—走向方向充分采動(dòng)時(shí)傾斜向主斷面上橫坐標(biāo)為y的點(diǎn)的下沉值，可由式(2一19)求出；</p><p>　

81、　—從x軸的正方向逆時(shí)針?lè)接?jì)算到指定方向的角值。</p><p>　?、?與走向主斷面平行的剖面移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式</p><p>　　若與走向主斷面平行的剖面的縱坐標(biāo)為，此時(shí)為。若令，</p><p><b>　　則有：</b></p><p><b>　　(2—22)</b></p>

82、<p>　?、?與傾向主斷面平行的剖面移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式同上，可得</p><p><b>　　(2—23)</b></p><p>　　式中，，為平行傾向主斷面的剖面的橫坐標(biāo)。</p><p>　　2.3 計(jì)算參數(shù)的選取</p><p>　　用概率積分法預(yù)計(jì)地表移動(dòng)和變形時(shí)用到五個(gè)基本參數(shù)：下沉系數(shù)、主要

83、影響角正切、拐點(diǎn)偏距、水平移動(dòng)系數(shù)和影響傳播角。這五個(gè)參數(shù)的選取直接影響預(yù)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確程度?！?8】</p><p>　　概率積分參數(shù)確定有兩種方法：一種是對(duì)于已有地表移動(dòng)觀測(cè)站的礦區(qū)，直接引用已有的地表移動(dòng)參數(shù);另一種是在沒(méi)有本礦區(qū)基于實(shí)測(cè)資料的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)時(shí)，可以依據(jù)預(yù)計(jì)開采覆巖的性質(zhì)確定概率積分法參數(shù)，也可以根據(jù)相似地質(zhì)采礦條件的礦區(qū)資料選取參數(shù)【20】。</p><p><b&g

84、t;　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了開采沉陷預(yù)測(cè)基本方法——概率積分法的一些基本原理，及其推導(dǎo)過(guò)程，最后給出了概率積分法在應(yīng)用中的主要使用公式和選取預(yù)測(cè)參數(shù)的一些要求。</p><p>　　3 采煤沉陷治理方法</p><p>　　3.1 礦區(qū)土地復(fù)墾</p><p>　　礦區(qū)土地復(fù)墾（Land Re

85、clamation）是依據(jù)礦山生態(tài)學(xué)、土地經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、測(cè)繪學(xué)、土壤學(xué)及區(qū)域規(guī)劃等理論，結(jié)合采礦工程特點(diǎn)，對(duì)采礦過(guò)程中因挖損、塌陷、壓占等造成破壞的土地，采取整治措施，使其恢復(fù)到可供利用狀態(tài)的活動(dòng)?！?2】</p><p>　　土地復(fù)墾是一項(xiàng)綜合工程技術(shù)，它包括工程復(fù)墾和生物復(fù)墾兩個(gè)過(guò)程。其最終目的是恢復(fù)土地的生產(chǎn)力。實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)新的平衡。</p><p>　　工程復(fù)墾的任務(wù)是建立

86、有利于植物生長(zhǎng)的地表和生根層，或?yàn)榻窈笥嘘P(guān)部門利用采礦破壞的土地作前期準(zhǔn)備。其主要工藝措施有：準(zhǔn)置可能受采礦影響區(qū)域的耕層土壤、充填塌陷坑、用物理化學(xué)方法改良土壤、建造人工水體、餡建排水網(wǎng)、修筑復(fù)墾區(qū)的道路、做好復(fù)墾區(qū)建筑的前期準(zhǔn)備工作、防止復(fù)田區(qū)受水的侵蝕和沼澤化等。</p><p>　　生物復(fù)墾的任務(wù)是根據(jù)復(fù)墾區(qū)土地的利用方向來(lái)決定采取相應(yīng)的生物措施以維持礦區(qū)的生態(tài)平衡，其實(shí)質(zhì)是恢復(fù)破壞土地的肥力及生物生產(chǎn)效

87、能。其主要工藝措施有：肥化土壤、恢復(fù)沃土、建造農(nóng)林附屬物、選擇排作方式及排作工藝、優(yōu)選農(nóng)作物及樹種等。</p><p>　　3.1.1 復(fù)墾土地平整技術(shù)</p><p>　　1適用條件與基本要求</p><p>　　本法主要消除附加坡度、地表裂縫以及波浪狀下沉等破壞特征對(duì)土地利用的影響。適用于中低潛水位塌陷地的非充填復(fù)墾、高潛水位塌陷地充填法復(fù)墾、與疏排法配合用于高

88、潛水位塌陷地非充填復(fù)墾、礦山固體廢棄物堆放場(chǎng)的平整以及建筑復(fù)墾場(chǎng)地的平整等。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　?、?土地平整要與溝、渠、路、田、林、井等統(tǒng)一考慮，避兔挖了又填，填了又挖的現(xiàn)象。</p><p>　　⑵ 土地平整既要有長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，又要立足當(dāng)前。長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是恢復(fù)墾區(qū)排灌配套、地面平整和穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。立足當(dāng)前

89、要安排好各項(xiàng)工程實(shí)施順序，如先粗平，到能保證灌溉和排水時(shí)再逐年精細(xì)平整，這樣可保證逐年增產(chǎn)。</p><p>　?、?平整范圍以條田內(nèi)部一條毛渠所控制的面積為一個(gè)平整單位。如地形起伏大，還可將毛渠控制面積分為幾個(gè)平整區(qū)，對(duì)于水田，可以一個(gè)格田的面積為平整單位。</p><p>　　⑷ 平整度必須符合規(guī)定要求。</p><p><b>　　2平整方法與步驟&

90、lt;/b></p><p><b>　?、?地形測(cè)量</b></p><p>　?、?平整土地標(biāo)高與坡度設(shè)計(jì)</p><p>　?、?土地平整計(jì)算（土方量最小的平整面參數(shù)的計(jì)算；方格網(wǎng)點(diǎn)施工高度的計(jì)算；計(jì)算零位線，計(jì)算挖填土方量；繪制施工圖。）</p><p><b>　?、?工程施工</b>

91、;</p><p>　　3.1.2 梯田式復(fù)墾技術(shù)</p><p><b>　　1適用條件</b></p><p>　　對(duì)位于丘陵山區(qū)或中低潛水位采厚較大的礦區(qū)，耕地受損的待征是形成高低不平甚至臺(tái)階狀地貌。按照我國(guó)對(duì)地形持征的劃分標(biāo)準(zhǔn)，地表坡度小于2°為平原，大于6°為山地，2°—6°為丘陵，25

92、6;以上為高山，采煤形成塌陷而產(chǎn)生的附加坡度一般都較小。塌陷后地表坡度在2°以內(nèi)時(shí)通過(guò)土地平整或不平整就能耕種，塌陷后地表坡度在2°—6°之間時(shí)，可沿地形等高線修整成梯田，并略向內(nèi)傾以攔水保墑，土地利用時(shí)可布局成農(nóng)林(果)相間，耕作時(shí)采用等高耕作。以利水土保護(hù)。因此梯田式復(fù)墾適用于地處丘陵山區(qū)的塌陷盆地或中低潛水位礦區(qū)開采沉陷后地表坡度較大的情況下。我國(guó)山西大部分礦區(qū)、河南、山東等地的一些礦區(qū)不少塌陷地可采

93、用此法復(fù)墾，利用此法復(fù)墾可解決充填法復(fù)墾充填料來(lái)源不足的問(wèn)題。</p><p><b>　　2梯田施工</b></p><p>　　梯田施工主要包括表土處理、平整底土和田坎修筑等幾個(gè)環(huán)節(jié)。施工順序是：清除地面障礙物、表土處理、平整底土、田坎修筑、回鋪表土。</p><p>　　表土處理相底土平整常用中間準(zhǔn)土法、逐級(jí)下翻法和條帶法等施工方法。&l

94、t;/p><p>　?、?圖3—1為中間推土法示意圖。其主要工序包括堆積耕層土于設(shè)計(jì)的兩田埂中間、切墊底層土及覆蓋表土三個(gè)步驟。此法適用于坡度大、田面窄的梯田施工。</p><p>　　圖3—1中間堆土法示意圖</p><p>　?、?圖3—2為逐級(jí)下翻法施工示意圖。該法自下而上修筑梯田，上一級(jí)梯田的表土作為下一級(jí)梯田的覆蓋土源，員下一級(jí)梯田的表土首先堆存起來(lái)，或作為最

95、上一統(tǒng)梯田覆蓋土源。也可留作它用。此法也適用于坡陡田面窄的梯田。</p><p>　　⑶ 條帶法適用于坡緩田面寬的梯田修筑(固3—3)。該法施工順序?yàn)殚g隔條帶剝離堆放表土，再進(jìn)行底土乎整(圖3—3中1、3、5條帶)，待底土乎整完后將2、4條帶堆存的表土覆蓋于1、3、5條帶上，依同樣的方法可修筑2、4、6、……條帶。</p><p>　　圖3—2逐級(jí)下翻法示意圖

96、 圖3—3條帶法施工示意圖</p><p>　　3.1.3 充填復(fù)墾技術(shù)</p><p>　　充填法復(fù)墾是我國(guó)一種重要的夏墾形式，它可充分利用礦山固體廢棄物，起到一舉多得的效果，因而在我國(guó)及其它國(guó)家都被廣泛使用。按充填料不同，可分為矸石充填、粉煤灰充填、生活垃圾充填、其它工業(yè)廢料充填、塘河湖泥充填等。利用露天礦山剝離物充填地下開采塌陷坑以及露天礦倒準(zhǔn)法開采充填采空區(qū)的復(fù)墾也屑于充填復(fù)

97、墾一類。</p><p><b>　　1矸石充填復(fù)墾</b></p><p>　　殲石充填塌陷坑是近年來(lái)值得提倡的一種礦并排矸方式，也是一種重要的復(fù)墾形式，其工藝過(guò)程如圖3—4所示：</p><p>　　圖3—4矸石充填工藝過(guò)程</p><p>　　矸石充填方法可分為全厚充填法和分層充填法。</p><

98、;p>　　全厚充填法就是一次性將塌陷坑用矸石回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高。全厚充填法施工方法簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)而廣泛被利用。使用這種方法恢復(fù)的土地可以用作農(nóng)林種植，稍作地基處理可建低層建筑，經(jīng)強(qiáng)夯處理可建高層建筑。</p><p>　　分層充填法就是為了達(dá)到預(yù)期的充填復(fù)墾效果，以一定的充填厚度逐次將塌陷區(qū)回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高。將塌陷地改造為建筑用地常用這種充填方法。</p><p><b>　　2

99、粉煤灰充填復(fù)墾</b></p><p>　　我國(guó)大型火力電廠多在煤礦區(qū)，燃煤發(fā)電過(guò)程中要排放大量的灰渣，通常的做法是修筑山谷或平原型貯灰場(chǎng)，需要征用大量的土地，同時(shí)，對(duì)周圍環(huán)境污染嚴(yán)重。利用電廠灰渣充填塌陷坑復(fù)墾既可解決電廠灰場(chǎng)征地難的問(wèn)題、又可解決煤礦塌陷地復(fù)墾問(wèn)題，同時(shí)還能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。粉煤灰充填復(fù)墾工藝過(guò)程可用圖3—5表示</p><p>　　圖3—5粉煤灰充填塌陷

100、區(qū)復(fù)墾工藝流程圖</p><p>　　塌陷區(qū)用作貯灰場(chǎng)通常有兩種情況：一是穩(wěn)定塌陷區(qū)用作灰場(chǎng)?？煞Q為靜態(tài)塌陷區(qū)灰場(chǎng)。一是不穩(wěn)定塌陷區(qū)用作灰場(chǎng)稱為動(dòng)態(tài)塌陷區(qū)灰場(chǎng)。靜態(tài)塌陷區(qū)灰場(chǎng)與平原型洼地灰場(chǎng)基本相似，無(wú)特殊技術(shù)要求。對(duì)于動(dòng)態(tài)塌陷區(qū)灰場(chǎng)，要注意灰場(chǎng)是否會(huì)影響礦井生產(chǎn)安全，同時(shí)對(duì)于地表的灰場(chǎng)建筑物與構(gòu)筑物，要注意地表移動(dòng)和變形對(duì)其影響。</p><p>　　3.1.4 挖深墊淺和直接利用法【2

101、1】</p><p>　　挖深墊淺是指用挖掘計(jì)息將沉陷深的區(qū)域再挖深，形成水（魚）塘，取出的土方充填沉陷淺的區(qū)域已形成耕地，達(dá)到水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植并舉的利用目的。它主要用于沉陷較深且有積水的高、中潛水位地區(qū)，同時(shí)應(yīng)滿足挖出的土方量大于或等于充填所需土方量，并且蓄水的水質(zhì)適宜于水產(chǎn)養(yǎng)殖。由于該方法操作簡(jiǎn)單、適用面廣、經(jīng)濟(jì)效益高、生態(tài)效益顯著，因而被廣泛用于采煤沉陷地的復(fù)墾。</p><p>

102、　　直接利用是指對(duì)于大面積的沉陷地，特別是大面積積水或積水很深的水域以及未穩(wěn)定的沉陷地或暫難復(fù)墾的沉陷地，常根據(jù)沉陷地現(xiàn)狀因地制宜地直接加以利用。</p><p>　　對(duì)于礦區(qū)沉陷地來(lái)說(shuō)，潮濕土地比干燥的土地能承載更多的生物。潮濕的土地在采礦廢區(qū)的穩(wěn)定性方面也要優(yōu)于干燥的土地，因此即便是采礦開始時(shí)不存在濕地，對(duì)恢復(fù)來(lái)說(shuō)，濕地具有良好的替代性?！?2】所以在礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)治理過(guò)程中，要考慮上述深挖墊淺的做法，合理的

103、規(guī)劃出一些水域，以提高礦區(qū)的植被覆蓋和生物密度。</p><p>　　3.2 沉陷控制工程</p><p>　　3.2.1 采煤沉陷控制技術(shù)【13】</p><p>　?、?充填法沉陷控制技術(shù)</p><p>　　地表的移動(dòng)變形值與其最大下沉值成正比，因此，減小煤層的開采厚度就可有效地降低地下開采對(duì)建筑物或構(gòu)筑物的損害程度。充填法沉陷控制技術(shù)

104、就是利用充填材料來(lái)充填開采產(chǎn)生的空間，這就相當(dāng)于減小了煤層的開采厚度，它是減小地表沉陷的有效措施之一。</p><p><b>　　分類：</b></p><p>　　充填法管理頂板（水沙充填、風(fēng)力充填、矸石自溜充填、帶狀充填、邊界充填）；</p><p><b>　　冒落區(qū)充填法；</b></p><

105、p>　　覆巖離層帶注漿充填；</p><p>　?、?礦柱法沉陷控制技術(shù)</p><p><b>　　房柱法開采：</b></p><p>　　以天然支護(hù)為基礎(chǔ)的礦柱法沉陷控制技術(shù)就是利用留下的礦柱來(lái)支撐頂板，控制整個(gè)采礦影響區(qū)域內(nèi)的巖石位移，來(lái)達(dá)到減小地表移動(dòng)變形的目的。房柱法開采是從礦房或巷道中開挖礦石，而在各礦房或巷道之間保留部分殘

106、留礦體作為礦柱，以控制直接頂板巖石的局部工作性能和圍巖的整體反應(yīng)。直接頂板可能不支護(hù)，或者進(jìn)行人工加固或支護(hù)。它不僅具有礦井開拓準(zhǔn)備工程量小、出煤塊、設(shè)備投資少、工作面搬遷靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且巷道壓力小、上覆巖體破壞程度低、地表沉陷量小。</p><p><b>　　條帶開采法：</b></p><p>　　條帶開采能有效地控制地表移動(dòng)和變形，在我國(guó)的很多城市都進(jìn)行了試驗(yàn)

107、，是現(xiàn)在建筑物下采煤的一種十分有效地開采方法。</p><p>　?、?協(xié)調(diào)開采變形控制技術(shù)</p><p>　　協(xié)調(diào)開采變形控制技術(shù)就是根據(jù)不同的受保護(hù)對(duì)象，通過(guò)合理布設(shè)開采工作面，如合理設(shè)計(jì)工作面之間的相對(duì)位置、回采順序等，讓各工作面開采的相互影響能夠得到有利疊加，使疊加后的變形值小于受護(hù)對(duì)象的允許變形值，以達(dá)到減小開采對(duì)受保護(hù)對(duì)象影響的目的。</p><p>

108、　　⑷ 保安礦柱設(shè)計(jì)技術(shù)</p><p>　　3.2.2 井下回填</p><p>　　為了防止采煤造成的采空區(qū)地表沉陷，可以對(duì)已完成的采煤巷道，進(jìn)行井下回填。利用礦區(qū)的矸石或其它一些廢料，回填采空區(qū)，對(duì)于減小采煤沉陷有很大意義。當(dāng)前應(yīng)用較多的是矸石井下回填，不僅可以減輕礦區(qū)矸石造成的環(huán)境污染，也為回填提供了物源。當(dāng)前城市有很多生活垃圾和工業(yè)廢料，也作為采空區(qū)回填物源，解決了城市垃圾填埋的

109、問(wèn)題。</p><p>　　回填種類分為全部回填和局部回填。全部充填開采，即在開采頂板未冒落前，對(duì)所有采空區(qū)域進(jìn)行充填，回填量和回填范圍與采出煤量大體一致。它完全靠采空區(qū)充填體支撐上覆巖層控制開采沉陷；局部回填是相對(duì)全部回填而言的，其回填量和回填范圍僅是采出煤量的一部分，它僅對(duì)采空區(qū)的局部或離層區(qū)或冒落區(qū)進(jìn)行回填，靠覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、回填體及部分煤柱共同支撐覆巖控制開采沉陷【23】。</p><

110、p>　　3.2.3 注漿處置</p><p>　　注漿法主要應(yīng)用于采空區(qū)或塌陷區(qū)的地基加固中，塌陷區(qū)的地基不穩(wěn)，為了能夠滿足礦區(qū)建設(shè)或道路通行要求，需對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行治理，注漿法是目前應(yīng)用較為廣泛的方法，且有不錯(cuò)的治理效果。</p><p>　　注漿法則是利用氣壓、液壓或電化學(xué)原理,把某些能固化的漿液注入到土層、巖層的裂隙或孔洞中,使?jié){液和巖層一起固化凝結(jié)為一體,從而改善地基的物理力學(xué)性

111、質(zhì),增強(qiáng)地基承載力,確保采空區(qū)上建筑物整體穩(wěn)定。采空區(qū)地基處理一般采用壓入式注漿法,假定地下不受擾動(dòng)和破壞,在泵站壓力或孔內(nèi)外大氣壓力差作用下,漿液克服各種阻力滲入采空區(qū)地層的孔隙,注漿所用灌漿壓力相對(duì)較小,吸漿量及漿液擴(kuò)散距離與壓力成正比,壓力越大,吸漿量及漿液擴(kuò)散距離就越大。利用注漿法對(duì)采空區(qū)地基進(jìn)行處理后可起到防滲、防漏、加固、糾偏的作用?！?7】</p><p><b>　　3.3本章小結(jié)<

112、;/b></p><p>　　本章主要介紹了礦區(qū)沉陷治理和控制的幾種方法，其中土地復(fù)墾是使采煤沉陷土地恢復(fù)使用的主要治理方法；采煤沉陷控制技術(shù)一般從源頭上控制沉陷，對(duì)于改變傳統(tǒng)的末端治理是一個(gè)很好的啟示。</p><p>　　4 白家莊煤礦采煤沉陷預(yù)測(cè)研究</p><p>　　4.1白家莊煤礦基本概況</p><p>　　白家莊礦位于太

113、原市西郊,地處呂梁山脈中段，距太原市中心約17公里，處在杜兒坪礦和官地礦之間。北部以虎峪南斷層為界與杜兒坪礦相鄰，東部與小井峪勘探區(qū)劃定技術(shù)為界，南部與西峪煤礦和金勝礦為界，西部與官地礦和晉源地方礦為界。井田走向長(zhǎng)4.5公里，傾斜寬約3.2公里，面積14.28平方公里。西山煤田處于“祁呂賀蘭”山字型構(gòu)造東翼帶內(nèi)，白家莊礦位于西山煤田東部。西山煤田的北、東、西三面向中心傾伏向南開口，形態(tài)為北大南小的石灰二迭系含煤盆地。地表出露地層由老到新

114、有：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組及峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組，上統(tǒng)太原組，二迭系下統(tǒng)山西組，下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組及石千峰組，三迭系下統(tǒng)劉家溝組，第四系紅、黃土及近代沖積層。第四系地層不整合于基巖上，石炭系中統(tǒng)本溪組與下伏地層整合。其余地層均為整合接觸。</p><p>　　白家莊礦主要含煤地層為石炭二迭系太原組和山西組，共含煤層及煤線13層，自上而下有02＃，03＃，1＃，2＃，3＃，5＃，6＃，7＃，8＃上，8＃，9