厚黃土薄基巖煤層開采巖移及土壤質量變異規(guī)律

1、厚黃土薄基巖煤層開采巖移及土壤質量變異規(guī)律    煤礦開采對礦區(qū)土地造成的損害由來已久,采用長壁式綜放開采的薄基巖厚表土煤層,有其獨到的特點,對地面造成的損害較之常規(guī)的開采更甚,而對于此類煤田覆巖移動破壞對地面土壤質量影響的研究卻鮮見報道。本文在總結已有研究成果的基礎之上,結合大型煤炭企業(yè)潞安司馬礦區(qū)的實際情況,通過現(xiàn)場調研與觀測、實驗室物理模擬、計算機隨機模擬、地面現(xiàn)場實測和理論預測、現(xiàn)場取樣試驗分析、理論分析等大量工作,系統(tǒng)研究了司馬礦1101工作面厚表土薄基巖煤層開采的巖層移動規(guī)律、地面沉陷特點以及由之引起的土壤質量變異規(guī)律,為開采損害的防治和災后

2、恢復提供理論依據(jù)。論文的創(chuàng)新點如下:(1)對厚表土薄基巖開采沉陷區(qū)農(nóng)田土壤破壞規(guī)律與煤礦開采過程巖移規(guī)律相互關系進行了綜合研究,對兩者間的相關性進行了探討。(2)首次分析了開采沉陷預計過程中的相關計算參數(shù)的可靠性,對概率積分法預測的參數(shù)取值進行了改進,并用隨機模擬的原理給出了取值方法的具體實現(xiàn)過程,經(jīng)實證預測效果良好。(3)針對深部巖層移動難于監(jiān)測的問題,創(chuàng)造性地設計了一種用于監(jiān)測巖層移動的傳感器,設計了監(jiān)測系統(tǒng)以及提出系統(tǒng)安裝測試方法,并推導出了由微應變量測量大變形量的理論表達,為進一步的實驗室及工業(yè)試驗提供了基礎。取得了以下主要成果與結論:(1)對于厚表土淺埋薄基巖,若表土為松散砂土(假設

3、無自承能力),基巖達到一定厚度才能形成自身穩(wěn)定結構。若基巖上方?jīng)_積層有一定厚度的粘土層,由于粘土層有一定的承載能力,基巖承載能力增強。當薄基巖厚度一定,隨粘土厚度增加,基巖與粘土組合后能形成穩(wěn)定結構,承載能力增強,使工作面來壓趨于緩和。(2)為了實現(xiàn)對深部基巖和表土層的動態(tài)移動進行有效觀測,創(chuàng)造性地提出了一種新的位移傳感器設計方法。導出由微應變量測得大變形量的理論計算與測量方法,研究設計了一種基于該巖層位移傳感器的配套監(jiān)測方法,論證了其可行性。(3)通過模擬試驗發(fā)現(xiàn),薄基巖、厚表土層條件下煤層1101工作面開采后,開采地表下沉盆地更為陡峭,下沉系數(shù)偏大,而水平移動系數(shù)偏小。具有區(qū)別與一般地質采

4、礦條件下的一些獨特現(xiàn)象,如下沉曲線在拐點附近變化較快,表現(xiàn)為曲線較陡,同時,邊界處收斂很緩慢,表現(xiàn)為邊界范圍擴展,水平移動系數(shù)偏小。巖層以一定的斷裂角斷裂且向上傳遞,采空區(qū)上方巖層下沉值大于地表下沉值,而煤壁上方巖層下沉值較小。(4)對司馬礦區(qū)首采工作面進行了地面沉陷監(jiān)測,得到厚表土薄基巖煤層地面沉陷的規(guī)律和特點:地表受采動影響極為敏感,地下開采活動產(chǎn)生的影響很快傳遞到地表,地表移動的初始期很短,地表快速進入沉降活躍期,移動與變形極為劇烈且集中,采動區(qū)地表移動與變形持續(xù)時間長,地表裂縫比較發(fā)育。煤層開采后,地表移動變形的影響范圍變大,采空區(qū)邊界附近地表下沉盆地陡峭,移動變形顯著且分布集中,采空

5、區(qū)邊界以外地表下沉盆地平緩,即表現(xiàn)為:地表移動變形在拐點內(nèi)側下沉值較大,在拐點附近變形發(fā)展較為迅速,曲線較陡,而在拐點以外較遠區(qū)域沉陷變形曲線收斂較慢,但影響范圍向外擴展較遠。表現(xiàn)在巖移參數(shù)上,地表下沉系數(shù)較大,達0.94,主要影響角正切tan偏大,地表下沉速度偏大,動態(tài)變形值大,地表移動劇烈。(5)首次應用可靠性理論分析了概率積分法開采沉陷預測過程中參數(shù)的可靠性,針對預測中把具有一定分布規(guī)律的隨機變量僅取固定值的問題,首次提出了采用隨機變量來動態(tài)確定預測參數(shù),并用隨機模擬的方法改進了開采沉陷預計的參數(shù)變量,經(jīng)檢驗對1101面的預測結果與實測值具有較好的吻合性。(6)開采沉陷顯著影響了農(nóng)田表層

6、土壤的物理特性;沉陷區(qū)農(nóng)田的上中部有水土流失加劇,養(yǎng)分流失加劇的趨勢,而沉陷區(qū)低部則積聚了水土侵蝕下移的土壤養(yǎng)分;在土壤物理特性中,在沉陷形成的兩年內(nèi),受其影響較大的是土壤容重,其次土壤含水量和孔隙度。開采沉陷顯著影響沉陷區(qū)農(nóng)田表層土壤的化學特性,在土壤化學特性中,受開采沉陷影響最大的是土壤速效磷,其次是土壤速效鉀,再次是土壤全氮和土壤有機質,而土壤酸堿性受其影響小。土壤肥力質量來看,沉陷農(nóng)田初步穩(wěn)定后(沉陷13年),還可以提供植物生長所需要的土壤條件;從農(nóng)事操作來看,則僅僅是加大了農(nóng)事操作工作量。因此,沉陷區(qū)農(nóng)田應在現(xiàn)存破壞的基礎上,進行合理的施肥和地表保水措施,繼續(xù)發(fā)揮沉陷區(qū)農(nóng)田的生產(chǎn)潛力

7、。(7)就開采條件和土壤沉陷破壞相關性給出了解釋,指出土壤的物理性狀變化是由土壤幾何變形引起的,水平變形和水平移動引起的土壤拉應力和壓應力的變化,導致容重和孔隙度變化;裂縫的發(fā)育是導致土壤水份變化的最直接原因,上覆巖層的導水裂隙帶的上升高度和發(fā)育程度也是土壤水份變化的重要原因。土壤肥力質量的變化是由于土壤宏觀形態(tài)的改變造成地表徑流的不均衡性,導致水土流失,土壤養(yǎng)份隨之遷移至盆地底部所致。(8)針對司馬礦區(qū)的特殊情況,給出了幾種適宜選擇的農(nóng)田復墾方式和生態(tài)規(guī)劃建議,供復墾工程參考。同主題文章1.    張輝,吳侃. 地理信息系統(tǒng)在礦區(qū)建筑物下采煤優(yōu)化設計中

8、的應用' J. 湘潭師范學院學報(自然科學版). 2003.(04)    2.    熊東紅,賀秀斌,周紅藝. 土壤質量評價研究進展' J. 世界科技研究與發(fā)展. 2005.(01)    3.    王歆效. 開采沉陷無以避  企業(yè)責任要彰顯' J. 現(xiàn)代職業(yè)安全. 2007.(06)    4.    聶小軍

9、,胡斌,趙同謙. 焦作礦區(qū)土地退化成因分析' J. 河南理工大學學報(自然科學版). 2009.(05)    5.    祝國軍. 礦山測量發(fā)展的一個新方向土地復墾及研究現(xiàn)狀' J. 西安科技大學學報. 1990.(02)    6.    韓李濤,范玉紅,康傳利. 基于GIS實現(xiàn)開采沉陷數(shù)據(jù)的可視化' J. 礦山測量. 2003.(01)    7. 

10、0;  朱孔盛,郭恒慶,張東儉. 濟寧礦區(qū)開采沉陷與綜合治理' J. 礦山壓力與頂板管理. 2000.(01)    8.    柴華彬,陳俊杰,劉景艷,朱劉娟. 用模糊綜合評判法評價開采沉陷對環(huán)境的影響' J. 遼寧工程技術大學學報. 2004.(06)    9.    麻鳳海，王泳嘉，范學理. 利用神經(jīng)網(wǎng)絡預測開采引起地表沉陷' J. 遼寧工程技術大學學報(自然科學版). 1995.(03)    10.    李樹志. 煤礦開采沉陷生態(tài)破壞綜合防治技術' J