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煤矿开采引起的地面沉陷及其防治--资源环境与城乡规划管理毕业论文.doc40页
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煤矿开采对地面引起的沉陷及其防治
煤矿开采引起的多种环境地质灾害对矿区以及周围的区域造成严重的危害，其中开采引起的地面沉陷问题尤为突出。采煤沉陷使我国东部平原矿区土地大面积积水，土地盐渍化现象严重，区内耕地减少。同时，也使我国西部矿区水土流失，河流干涸，土地沙漠化，还会损坏地面设施 公路、铁路、房屋、电力通讯设施等 ，严重破坏了矿区的土地资源和生态环境。
有效控制和减轻地面沉陷程度是避免开采沉陷环境灾害的基本途径。所以各个煤矿应该应用根据自己的实际情况和条件，合理应用防止和控制开采沉陷技术和土地复垦技术，矿区生态复垦技术等多学科知识，对地面沉陷进行综合治理和开发利用，才能更好地保护地表、矿区的环境、人民的利益。
关键词：地面沉陷、采空区、环境影响、土地复垦
Abstract II
2 国内外土地恢复的概况 3
2. 1 国外土地保护的基本状况 3
2. 1. 1 国外土地复垦的进展 3
2. 2 国内矿区地面沉陷的概况 4
2. 2. 2 国内地面沉陷治理――土地复垦的进展 5
地面沉陷的类型及形式 9
3. 1 地面陈陷的类型 9
3. 2 地面沉陷三种基本形式 9
3. 3 地面沉陷区的分类 10
3. 3. 1 按沉陷区地表破坏程度和状况分类 10
3. 3. 2 按沉陷区地表稳定性分类 10
4 地面沉陷机制及其一般规律 11
4. 1 地面沉陷机制 11
4. 2 地面沉陷的一般规律 13
5 采煤沉陷影响因素分析 14
5. 1 主要影响因素 14
5. 2 影响因素分析 14
5. 2. 1 煤层厚度和埋深煤层厚度、埋深 14
5. 2. 2 上覆岩层岩性及其水文地质特征 14
5. 2. 3 构造 15
6 地面沉陷对工农业及环境的影响 17
6. 1 地面沉陷对农业生产的影响 17
6. 2 地面沉陷对工业生产的影响 17
6. 2. 1 地面沉陷对
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煤矿开采沉陷损害评价方法研究
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渭北煤矿区开采沉陷对土地资源的破坏及防治对策
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3秒自动关闭窗口矿山开采沉陷对土地的影响 - 资讯频道 - 中国安全网
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矿山开采沉陷对土地的影响
&-&&&&&来源：&&&&
　　作者：李春意
胡青峰　　摘
要：矿山开采沉陷对土地产生的影响是矿山开采对环境影响的一个重要方面。从地表移动的机理及工程技术的需要出发，研究了地表下沉盆地的形成过程，探讨了覆岩移动和地表移动的关系，提出开采沉陷对地表的影响方式，分析了煤炭资源开采引起的沉陷对地表产生的破坏特征。为保护矿区生态环境，实现耕地的复垦利用和矿区的可持续发展提供了理论依据，具有较强的实用价值和理论指导意义。　　关键词：开采沉陷；地表移动；下沉盆地；土地复垦；绿色开采　　煤炭和其他有用矿物的大规模开发和利用，既给人类带来了巨大的经济和社会效益，也破坏了矿山原有地形、地貌和自然景观，留下荒芜的采矿场或塌陷的采空区[1]。开采沉陷对环境的影响是多方面的，而土地是受其影响的一个较为重要的方面。开采沉陷对地表土地，特别是对耕地的影响较严重，在高潜水位矿区，主要表现为下沉盆地积水，使大片土地不能耕种；在干旱的山区，主要表现为非连续的变形发育，使地表水土流失，农作物减产，土地使用价值降低。据加拿大安大略矿业公司统计，全世界已有3×106hm2的土地被露天采矿所破坏。而我国采矿工业破坏的土地约有(1.4～2.0)×106hm2，并以每年2.0×104hm2的速度增加[2]。笔者将从地表移动的力学过程及工程技术的需要出发，探讨开采沉陷对土地造成的影响，提出开采沉陷对土地的几种影响方式。　　1
地表下沉盆地的形成机理　　1.1 地表下沉盆地的形成　　地表移动是岩层移动传播到地表的沉陷现象，反映了岩层移动的传播方式和移动状况；岩层移动是地表移动的动力，为地表移动的描述和预测提供依据。　　在地下矿产开采前，岩体在地应力作用下处于相对平衡状态，当局部矿体采出后，在岩体内部形成一个采空区，导致周围岩体应力状态发生变化，从而引起应力的重新分布，使岩体产生移动变形和破坏，直到达到新的平衡。随着采矿工作的进行，这一过程不断重复，是一个十分复杂的物理、力学过程。一般情况下，当地下工作面开采达到开采深度的1/4～1/3后，地下开采便波及地表，使受采动影响的地表从原有标高向下沉降，此时的开采距离称为工作面开采启动距[1]。从而在采空区上方地表形成一个较小的地表移动盆地W1，如图1所示。　　图1
地表下沉盆地的形成过程　　　　随着工作面连续向前推进到位置2，工作面上方地表下沉盆地范围不断扩大，逐渐形成下沉盆地W2；当开采到位置3时，地表下沉值达到该地质采矿条件下的最大值，此时的开采为充分开采，形成下沉盆地W3；工作面继续向前推进到位置4时，下沉盆地范围继续扩大，但盆地的最大下沉值不再增加，工作面开采达到超充分开采，形成下沉盆地W4。　　1.2 开采沉陷对地表的影响方式　　从地表移动机理的角度来讲，开采沉陷主要以两种方式影响移动盆地的形成：一是下沉，二是水平移动。此外，还有扭曲变形和剪切变形。地表沉陷盆地之所以能够形成，主要是由于沉陷盆地内不同位置点的移动量不一样，导致相邻点的不均匀下沉、不同步水平移动或不同方向的水平移动，从而造成盆地内的变形。　　从地表移动的力学过程及工程技术问题的需要出发，地表移动的状态可用垂直移动和水平移动进行描述，进而可以导出倾斜、曲率和水平变形。并且，地表与岩层移动在力学上都属于大应变模式[3]。设地下煤层开采前，在地表移动盆地范围内任取相距为L的A和B两点；地下煤层开采后，受采动影响，两点的位置分别移动到A'和B'，矢量AB与χ轴正方向的夹角为θ。这样A点的移动矢量AA'可以分解为沿水平方向的矢量UA和沿竖直方向的矢量WA；B点的移动矢量BB'可以分解为沿水平方向的矢量UB和沿竖直方向的矢量WB，如图2所示。　　图2
地表点移动矢量示意图　　　　于是，可以得出一个点的移动矢量为　　A点的移动矢量：AA'=WA＋UA，UA=UAχ＋UAy；　　B点的移动矢量：BB'=WB＋UB，UB=UBχ＋UBy；　　A点和B点之间的变形为　　沿着AB方向的倾斜；　　沿着χ方向的倾斜；　　沿着AB方向的水平变形为　　；　　沿着χ方向的水平变形为　　。　　式中：UB(AB)、为B点处沿着AB方向的水平移动；UA(AB)为A点处沿着AB方向的水平移动；UAχ，UAy分别为A点沿χ和y方向的水平移动；UBχ,UBy分别为B点沿χ和y方向的水平移动。　　如果要描述移动盆地内不同点的沉陷分布，也可以采用全盆地等值线法或主断面剖面线法。全盆地等值线法能描述地表任意点的移动和变形，便于从宏观上把握地表移动规律，但不利于定量分析地表沉陷的机理；主断面法很容易建立下沉盆地主剖面函数，建立数学模型，但不能全面了解全盆地的移动变形状况。两者各有所长，互为补充。　　2
开采沉陷对土地的影响特征　　2.1 地表裂缝或塌陷坑　　由地表移动的规律可知，在下沉盆地的边缘，由于受到拉伸变形的影响，土地的破坏主要表现为裂缝。裂缝的深度和宽度与有无第四系松散层及其厚度、性质和地表变形值大小密切相关。当开采区域上覆第四系松散层厚度较大且为塑性大的黏性土时，一般在地表的拉伸变形值超过6～10mm/m时，地表才产生裂缝。塑性小的砂质黏土等，地表的拉伸变形值达到2～3mm/m时，地表即可产生裂缝[1]。如在我国的开滦林南仓矿区，第四系松散层平均厚度达220m，属于含水砂层巨厚松散层下开采，地下煤层开采后在地表往往产生宽度不等的裂缝，并伴有错台或台阶[4-5]。据林南仓矿O，K，B 3条倾斜观测线观测，地下煤层开采以后，沿煤层走向方向，一般发育几条宽度不等的地表裂缝，其宽度最大可达0.2m，台阶落差最大可达0.6m。工作面开采过程中，地表裂缝发育情况的素描图如图3所示。　　图3
地表裂缝发育素描图　　　　林南仓矿东二采区12煤层开采后，在地表下沉盆地的边缘，形成的较大拉伸变形裂缝如图4所示。裂缝和台阶的产生损坏了耕地的连续性，降低了土壤保肥、保水性及灌溉能力，增加了水土向地下流失的风险[6-7]。当开采区域第四系松散层厚度较薄时，地表移动取决于基岩的移动特征，在急倾斜煤层开采条件下，地表可能出现漏斗状塌陷坑。这对耕地损坏大，耕作层土壤随塌陷坑溃入坑的深部甚至井下，土地无法耕种。　　图4
下沉盆地边缘产生的拉伸变形裂缝　　　　另外，如果开采煤层上覆岩层中有极坚硬厚岩层时，工作面上部直接顶达到一定的悬空面积后，上覆岩层在自重载荷和周围坚硬煤体反向应力的作用下，在采空区边界部位产生并积聚巨大的剪切应力，在某一瞬间沿煤壁发生一次性直达地表的垮落[8]，形成塌陷坑，如图5所示。　　图5
大同六道沟煤矿地表塌陷坑　　　　2.2
附加坡度的产生　　地表倾斜度的产生主要是由于移动盆地内相邻两点的不均匀下沉而导致的。而坡度是决定径流冲刷能力的基本因素之一，坡度越大则径流量越大，冲刷量也越大，引起的水土流失和土地侵蚀越严重。一般情况下，耕地应保持在一定的坡度范围内才能保证土壤生产力的正常发挥。如平原矿区耕地坡度一般在0～5‰，开采沉陷产生附加坡度较大时，灌溉条件变差或无法灌溉，耕地减产严重[4]。另外，附加坡度的增加也会导致土壤有机质和土壤养分流失，导致土壤生产力降低。有关资料表明，通过对盆地不同下沉位置土壤的物理特性进行监测和分析，可以得出不同层次土壤含水量从上坡向坡底均随着下沉深度的增加而增加，开采沉陷加速了耕地土壤的侵蚀和水土流失，从而显著影响耕地土壤的物理特性。受其影响最大的是表层0～20cm土层；沉陷耕地上中坡表层土壤有砂质化的趋势，而下坡和坡底则积聚了上中坡侵蚀下移的土壤细颗粒物质[9]。事实上，由地表移动盆地的规律可知，下沉盆地中上坡位置即为盆地中倾斜值最大的位置，倾斜变形的增加导致地表土壤有砂质化趋势。　　2.3 沉降区积水　　在我国黄淮平原的中、东部和长江以南的平原地区属于地下水位浅、年降水量多的地区，煤炭开采后引起的积水严重，积水面积大、积水最深可达10m以上，对土地的破坏十分严重[2]。而作物生长所需水分大部分是从土壤中获取的，适宜的地下潜水位埋深是作物生长的有力保障。东部平原矿区开采沉陷导致地下潜水位相对升高，地下潜水位升高程度不同其对土壤生产力的影响大小也有所差别。当地下潜水位仅上升到作物耕地范围内，旱作物就会受涝减产；如果地下水矿化度较高时，土壤甚至会发生盐碱化现象；特别是干旱、半干旱的华北和黄淮平原地区，当地表沉陷接近或超过地下潜水位深度时，地表就会出现季节性积水或永久性积水，耕地无法耕种，土壤生产力完全丧失[4]。　　沼泽化现象出现在过湿地区，由于土壤经常处于过饱和状态，养分养料通过水的淋滤作用随地表水或潜水逐渐流失，这时少养分喜湿植被开始丛生，土层湿度更大，状况恶化，有机残物的分解过程缓慢，形成较厚的草根层或积累成泥炭而演变成沼泽化土地。在高潜水位或地表积水较多的地区，通常在水缘周围形成沼泽带，一般作物不易生长，只有一些耐盐喜湿性植物生长，因土壤的物理以及生物性质恶化，通常难以得到改良利用，严重影响土地的永续利用[10]。　　2.4 改变土壤的物理性质　　矿山开采沉陷对土地的深层次破坏：一是改变土壤成分，造成土壤环境污染；二是导致土地沙漠化。地面堆积的含有毒、有害成分的矿石、矸石在经受雨淋或地表水作用下，矿井或选矿厂排除的有毒、有害成分的废水被排入土地或用于灌溉农田，有毒、有害物质进入大气并通过某种途径降落地表，这些因素都会造成土壤环境污染。土壤环境污染具有隐蔽性和潜伏性、不可逆性和长期性两大特点，因此土壤环境污染的防治更加困难[2]。　　开采沉陷破坏了耕地生态系统的物质能量平衡，致使耕地发生潜在荒漠化，特别是在气候干旱少雨的西北矿区较为明显。以大同市为例，土地荒漠化在该地区不断加重，且有逐年扩大趋势。调查发现大面积开采地下资源导致地下水位下降，是造成土地荒漠化的重要因素。因采矿造成土地塌陷、山体滑坡，很多山区居民因无水不得不搬迁，遗弃的耕地因缺水，植被不能很好恢复，造成土地荒漠化。土地一旦荒漠化，就会给人们的生产和生活带来灾难。煤层大面积开采后，不仅使地表出现沉陷现象，而且采空区的垮落和下沉会造成地下导水断裂带贯通，改变地下水的径流条件，甚至导致煤矿周围各含水层疏干，改变区域土壤层水分的动态关系，使地表更趋于干燥，抗蚀能力减弱，水土流失加剧，促使耕地荒漠化。　　2.5 破坏地表水　　煤矿开采过程中破坏了地下含水层的原始径流，大量排出地下水。同时还造成区域含水层水位下降，形成大规模地下水降落漏斗，直接影响到区域水文地质条件。开采产生的地表变形影响到地表水体，从而使部分沟泉水量减少甚至干涸，影响当地居民的正常生产和生活，进而影响区域植被生长，甚至土地沙漠化。如在我国西部干旱半干旱地区，降雨量少，蒸发量大，导致水资源严重缺乏和生态环境脆弱，而采矿活动更加剧了对水资源和生态环境的破坏，造成植被枯死、土地沙化等环境灾害。如不加以控制，大规模的煤炭开采会破坏含水层，造成潜水位下降、居民水井干涸、地表植被死亡、土壤沙化、水体流失等系列问题[11-13]。事实上，在煤炭开采过程中，无论是矿井的正常涌水，还是以防治矿井水害为目的进行的人为疏于排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，都会不同程度地影响或破坏地表水，造成地下水资源的极大浪费，或污染水环境。　　3
结论　　1)岩层移动传播到地表的沉陷现象，反映了岩层移动的传播方式和移动状况；岩层移动是地表移动的动力，为地表移动的描述和预测提供依据。　　2)开采沉陷引起的岩层与地表移动属于大变形理论范畴，从开采沉陷的机理上讲，由煤矿开采所诱发的土地沉陷可以用“两种移动”和“三种变形”来描述。地表点的移动与其移动的方向密切相关，不同的移动方向，会得出不同的移动变形值。　　3)开采沉陷对土地的影响方式有多种，长期的煤炭开采造成的各种灾害和环境效应已对很多矿区地质生态环境造成了较为严重的影响，实施包括保水开采在内的煤矿绿色开采技术，提高环境保护意识，能够减轻矿山开采对土地的影响，对于实现煤炭企业的可持续发展具有十分重要的意义。　　参考文献：　　[1]何国清，杨伦，凌赓娣，等．矿山开采沉陷学[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1991．　　[2]余学义，张恩强．开采损害学[M]．北京：煤炭工业出版社，2004．　　[3]崔希民，陈立武．沉陷大变形动态监测与力学分析[M]．北京：煤炭工业出版社，2004．　　[4]郭增长．建筑物下深部压煤极不充分开采技术及应用研究[R]．北京：中国矿业大学(北京)，2001．　　[5]李春意．大采深厚松散层地表沉陷规律的研究[D]．焦作：河南理工大学，2007．　　[6]李树志，鲁叶江，高均海．开采沉陷耕地损害机理与评定等级[J]．矿山测量，2007(2)：32-34．　　[7]许家林，钱鸣高．绿色开采的概念与技术框架[J]．科技导报，)：61-65．　　[8]侯志鹰．“三硬”浅煤层开采覆岩活动及地表塌陷机理研究[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2007．　　[9]陈龙乾，邓喀中，赵志海，等．开采沉陷对耕地土壤物理特性影响的空间变化规律[J]．煤炭学报，)：586-590．　　[10]孟峰，杨静．开采引起的土地破坏分析及预测评价[J]．陕西煤炭，2007(1)：8-10．　　[11]毕忠伟，丁德馨．地下开采对地表的破坏与防治[J]．安全与环境工程，)：54-57．　　[12] 钱鸣高，许加林，缪协兴．煤矿绿色开采技术[J]．中国矿业大学学报，)：343-348．　　[13]侯忠杰，肖民，张杰，等．陕北沙土基型覆盖层保水开采合理采高的确定[J]．辽宁工程技术大学学报，)：161-164．　　信息来源：矿业安全与环保2009.04（责任编辑：张潇文）　　
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网络实名：安全 中国安全生产论坛 劳保联展泰西煤矿开采沉陷规律及其对周边水利工程的影响研究--《中国地质大学（北京）》2014年硕士论文
泰西煤矿开采沉陷规律及其对周边水利工程的影响研究
【摘要】：东平湖蓄滞洪区是黄河下游重要的蓄滞洪工程之一,对黄河防洪至关重要。泰西煤矿位于东平湖蓄滞洪区内,煤矿开采将对蓄滞洪区及相关水利工程安全运行造成一定的危害。本文以此为背景,利用有限差分法对煤层开采引起的地表沉陷进行预测,设计四种开采边界,通过对比选择既能保证水利工程的安全运行,又能最大限度开采煤炭资源的最优方案。
(1)建立矿区三维数值模拟计算模型
根据泰西煤矿所处区域的地质构造特征,利用课题组编制的ROCKModel程序中的映射建模模块建立三维数值模拟计算模型。
(2)矿区岩体力学参数反演
以地表最大下沉系数作为试验指标,以弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角为反演因素,进行正交试验设计,安排4水平4因素试验方案。利用F1AC3D4.0,在保证开采方法相同的条件下,针对正交试验表中列出的所有参数组合方案进行开采沉陷数值模拟计算。对计算结果进行极差分析,确定试验指标随试验因素的变化规律；并利用方差分析方法,分析各试验因素对试验指标影响的显著性。根据极差分析与方差分析的结果,利用综合权衡方法对岩体的力学参数进行优选。
(3)对开采沉陷规律进行数值模拟预测
根据煤层分布特征及矿区周边水利工程的布局,设计四种不同开采边界,运用F1AC3D4.0进行了开采沉陷数值模拟计算,获得了不同方案下地表移动规律。
(4)进行开采沉陷对周边水利工程的影响评价
在此基础上,根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》进行不同开采方案下地表移动对周边水利工程的影响评价,从而确定既不影响水利工程又能开采更多资源的方案。
【关键词】：
【学位授予单位】：中国地质大学（北京）【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TV22;P642.26【目录】：
摘要5-6Abstract6-8目录8-10第1章 绪论10-15 1.1 问题的提出10 1.2 开采沉陷理论研究现状10-13 1.3 研究内容及技术路线13-15第2章 泰西煤矿工程地质背景15-23 2.1 泰西煤矿及周边水利工程分布15-16 2.2 东平湖蓄滞洪区概况16 2.3 泰西煤矿工程地质特性16-21
2.3.1 泰西煤矿地形地貌16
2.3.2 地层岩性16-18
2.3.3 地质构造18-21 2.4 三维计算模型的建立21-23第3章 岩体力学参数确定23-41 3.1 初始力学参数的确定23-26 3.2 最大地表下沉系数确定26-31 3.3 岩体力学参数的反演31-35
3.3.1 参数反演方法31-32
3.3.2 正交试验设计简介32
3.3.3 试验指标的选取32-33
3.3.4 试验因素的选取33-34
3.3.5 试验方案的选取34-35 3.4 试验结果分析35-41
3.4.1 极差分析和方差分析35-39
3.4.2 岩体力学参数确定39-41第4章 泰西煤矿开采沉陷数值模拟预测41-62 4.1 不同开采方案的设计41-42 4.2 不同开采方案的计算结果42-62
4.2.1 开采方案一42-45
4.2.2 开采方案二45-49
4.2.3 开采方案三49-53
4.2.4 开采方案四53-62第5章 地表移动对地面建筑物影响评价62-82 5.1 评价方法62-63 5.2 评价标准63-64 5.3 对水利工程影响的评价64-81 5.4 最优方案的确定81-82第6章 结论与展望82-84 5.1 结论82 5.2 展望82-84致谢84-85参考文献85-91
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