白家莊采煤沉陷預(yù)測(cè)及治理研究畢業(yè)論文

1、白家莊礦采煤沉陷預(yù)測(cè)及治理研究 摘要摘要 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。 本文以白家莊礦 36703 工作面上方的地表為研究對(duì)象，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，flac3d

2、 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。 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。 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 a study of mining subsidence prediction and management on bajiazhuang coal abstract with the exploitation of coal

3、 resources,an increasing number of land due to subsidence 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 research prediction and contr

4、olling. 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 static and dynamic predicts the displacement and deformation of surface with the probability- integral method and fast lagrangian a

5、nalysis of continua in 3 dimensions(numerical simulation with flac3d) respectively. 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 displacement an

6、d deformation of the ground. but, as a three-dimensional explicit finite-difference analysis tool, the application in simulation and prediction mining subsidence has broad application prospect.its visualized and dynamic analysis will be rich in the study which predicts the displacement and deformati

7、on of mining under ground. finally,according to the predicted results of the probability-integral method and numerical simulation with flac3d, the treatment of the land reclamation and ecological reconstruction was used. for controlling work of subsidence, the better ways to prevent the subsidence o

8、ccurred in coal mining is using reasonable mining methods to prevent subsidence from source. key words: prediction; probability-integral method; numerical simulation with flac3d; ground displacement and deformation; land reclamation 目錄 摘要.i abstract.ii 1 緒論.1 1.1 問題的提出及研究意義 .1 1.2 國(guó)內(nèi)外沉陷預(yù)測(cè)與治理研究現(xiàn)狀 .2

9、1.2.1 國(guó)內(nèi)外沉陷預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀 .2 1.2.2 國(guó)內(nèi)外沉陷治理研究現(xiàn)狀 .4 1.3 沉陷治理存在的問題 .6 1.4 本次研究采用的理論和主要研究?jī)?nèi)容 .6 2 沉陷預(yù)測(cè)方法概率積分法.7 2.1 概率積分法 .7 2.1.1 隨機(jī)介質(zhì)理論基本原理.7 2.1.2 下沉盆地 .9 2.1.3 單元水平移動(dòng) .11 2.2 預(yù)計(jì)公式 .13 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).13 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 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 2.2.4 地表任意點(diǎn)移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式.17 2.3

10、 計(jì)算參數(shù)的選取 .18 2.4 本章小結(jié) .19 3 采煤沉陷治理方法.20 3.1 礦區(qū)土地復(fù)墾 .20 3.1.1 復(fù)墾土地平整技術(shù) .20 3.1.2 梯田式復(fù)墾技術(shù) .21 3.1.3 充填復(fù)墾技術(shù) .23 3.1.4 挖深墊淺和直接利用法 .25 3.2 沉陷控制工程 .25 3.2.1 采煤沉陷控制技術(shù) .25 3.2.2 井下回填 .26 3.2.3 注漿處置 .27 3.3 本章小結(jié) .27 4 白家莊煤礦采煤沉陷預(yù)測(cè)研究.28 4.1 白家莊煤礦基本概況 .28 4.2 白家莊煤礦開采沉陷預(yù)測(cè) .28 4.2.1 地表移動(dòng)預(yù)測(cè)參數(shù)的選取.28 4.2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果 .29

11、4.3 沉陷預(yù)測(cè)分析 .36 4.3.1 最大沉陷值分析.36 4.3.2 沉陷面積分析 .37 4.3.3 沉陷剖面分析.38 4.4 本章小結(jié) .40 5 白家莊礦采煤沉陷預(yù)測(cè)分析方法flac3d 模擬 .41 5.1 三維快速拉格朗日法綜述 .41 5.1.1 拉格朗日法簡(jiǎn)介.41 5.1.2 flac3d 軟件的主要特點(diǎn).41 5.2 白家莊礦 36703 工作面頂板移動(dòng)變形 flac3d 模擬研究 .42 5.2.1 計(jì)算條件 .42 5.2.2 地表沉陷分析.43 5.3 本章小結(jié) .51 6 白家莊礦的沉陷治理研究 .52 6.1 地表沉陷影響分析 .52 6.2 沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)

12、土地復(fù)墾 .53 6.2.1 修復(fù)方案.53 6.2.2 方案設(shè)計(jì) .54 6.3 煤礦開采沉陷控制新技術(shù) .58 6.4 本章小結(jié) .58 7 結(jié)論和展望 .59 7.1 結(jié)論 .59 7.2 論文不足與展望 .60 參考文獻(xiàn).61 致謝.63 1 1 緒論緒論 1.11.1 問題的提出及研究意義問題的提出及研究意義 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)遭到破壞，應(yīng)力要重 新分配，達(dá)到平衡。在這個(gè)過程中，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

13、田開發(fā)區(qū)總土地破壞面積的 80%以上【2】。 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、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 10003000m2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 11 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】。 表 11 我國(guó)部分礦區(qū)采煤沉陷分布表 礦區(qū)名稱沉陷區(qū)面積（km2）

14、撫順16.89 古交66.09 鶴壁64.38 雞西193 濟(jì)寧126.67 六盤水78.21 阜新101.38 山西（10 個(gè)礦區(qū)）1084.886 遼源23.37 鶴崗63.73 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)?的生態(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

15、圍，結(jié)合預(yù)測(cè)做好治理工作。 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。 1.21.2 國(guó)內(nèi)外沉陷預(yù)測(cè)與治理研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外沉陷預(yù)測(cè)與治理研究現(xiàn)狀 1.2.11.2.1 國(guó)內(nèi)外沉陷預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外沉陷預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀 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。采煤沉陷的預(yù)測(cè)方法大體有三類： 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。 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)

16、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。 建立數(shù)學(xué)-物理模型，根據(jù)力學(xué)原理計(jì)算頂板 變形和沉陷發(fā)展，這類模型可以給出計(jì)算結(jié)果【5】。 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。 1 概率積分法（隨機(jī)介質(zhì)理論） 【6】 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)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。 概率積分法沒有考慮

17、巖體結(jié)構(gòu)的特性，且利用的預(yù)計(jì)參數(shù)沒有力學(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。 2 典型曲線法【1】 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)。 應(yīng)用典型曲線法的步驟如下： 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。 根據(jù)各觀測(cè)站的實(shí)測(cè)資料，建立適用各種地質(zhì)采礦條件的反映移動(dòng)或變形分布 情況的典型曲線。 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

18、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。 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。 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)的最大值，就得到預(yù)計(jì)點(diǎn)的實(shí)際移動(dòng)和變形值。 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。 近年

19、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。 【7】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)

20、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】。 1.2.21.2.2 國(guó)內(nèi)外沉陷治理研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外沉陷治理研究現(xiàn)狀 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程中， 要采用開采沉陷控制技術(shù)、井下回填或

21、工程技術(shù)方法，防止采空區(qū)大幅度下沉的發(fā)生。 1 礦區(qū)土地復(fù)墾 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】 恢復(fù)農(nóng)業(yè)用地，如耕地、牧場(chǎng)、草地、果園及菜地等； 恢復(fù)林業(yè)用地如種植各種用途的綠色植物等； 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； 恢復(fù)民用和工業(yè)建筑用地； 建設(shè)文化娛樂和休養(yǎng)場(chǎng)所。 2 沉陷控制 礦山開采沉陷控制技術(shù) 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

22、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 11 所示： 圖 1-1 礦區(qū)開采沉陷控制技術(shù) 井下回填和采空區(qū)灌漿處置 煤層開采完以后，可以把采煤過程中產(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。 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。 這種方法可使采場(chǎng)沒有或減少垮落帶，能更好的減少地表下沉【14】。地下回填需要大 量

23、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)的垃圾處理問題，也為采空區(qū)治理提出了 一個(gè)新的思路。 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

24、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)不僅能徹底治理采煤沉陷 區(qū)，還可解決用地緊張的矛盾。 1.31.3 沉陷治理存在的問題沉陷治理存在的問題 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)于山區(qū)丘 陵地區(qū)） ；對(duì)于規(guī)劃為

25、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。 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】。 1.41.4 本次研究采用的理論和主要研究?jī)?nèi)容本次研究采用的理論和主要研究?jī)?nèi)容

26、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。 本文研究的主要內(nèi)容： 介紹概率積分法的基本理論及在采煤沉陷中的應(yīng)用； 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； 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； 利用 flac3d 模擬煤層開采過程，并以此根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)采煤過程中的地表 移動(dòng)變形規(guī)律； 根據(jù)沉陷預(yù)測(cè)，合理規(guī)劃沉陷區(qū)的土地復(fù)墾。 2 2 沉陷預(yù)測(cè)方法沉陷預(yù)測(cè)方法概率積分法概率積分法 2.12.1 概率積分法概率積分法【1】 【1】 概率積

27、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)理論法。 隨機(jī)介質(zhì)理論首先由波蘭學(xué)者李特威尼申(jlitwiniszyn)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】。 2.1.12.1.1 隨機(jī)介質(zhì)理論基本原理隨機(jī)介質(zhì)理論基本原理 作為開采沉陷研究主體的巖體可以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)過程中，介質(zhì)始終 保持其連續(xù)性

28、，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題是適當(dāng)?shù)摹?j李特咸尼申等應(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。 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 21 所示的理論模 型。該理論模型認(rèn)為，介質(zhì)是由類似于砂粒或相對(duì)來(lái)說(shuō)很小的巖塊這樣的介質(zhì)顆粒組 成的。顆

29、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，并把大量的顆粒介質(zhì)的移動(dòng)看作是隨機(jī)過程。 圖 21 顆粒體介質(zhì)的理論模型 在圖 21 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)”)，井具有 相同的概率 12。 若圖 2la 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

30、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 4 1 2 1 2 1 ；同理，排空第 4 分層 a4、b4、c4或 d4 格這四個(gè)事件發(fā)生 4 2 2 1 2 1 2 1 2 1 4 1 2 1 2 1 的概率分別為 l8、38、38 和 18；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 21b 下方的顆粒移動(dòng)概率分布 圖。若選取圖 21b 中的坐標(biāo) xoz，則介質(zhì)內(nèi)任意一個(gè)

31、z 水平的概串分布可以繪成固 41b 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，z)趨近于一條正態(tài)分布概率密度曲線。 2.1.22.1.2 下沉盆地下沉盆地 為了進(jìn)一步研究 p(z，z)的具體形式和物理意義，取圖 21 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 a 2 x a 2 x 的寬和長(zhǎng)分別為 a 和 b，組成圖 22 所示的圖形，這個(gè)圖形稱為隨機(jī)游動(dòng)模型。 圖

32、 22 隨機(jī)介質(zhì)游動(dòng)模型 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)、 2 1 p(，z)和 p(，z)分別表示圖 21a 中的 a1格放出若干個(gè)小球時(shí)，圖 22 的 a 2 x a 2 x 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(x，z+b)=p(，z)+ p(，z) 2 1 a 2 x 2 1 a 2 x 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

33、項(xiàng)可在點(diǎn)(x， z)附近用泰勒公式展開，并根據(jù)精度和問題的需要取前 2 或 3 項(xiàng)，則上 式可近似寫成 整理上式可 8 a x zxp 2 a x zxp zxp 2 1 8 a x zxp 2 a x zxp zxp 2 1 b z zxp zxp 2 2 2 2 2 2 ），（），（ ），（ ），（），（ ），（ ），（ ），（ 得 2 22 x zxp b8 a z zxp ），（），（ 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。px，z)在巖體內(nèi)的分 布 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0a 0b 續(xù)函 數(shù)。為此，要對(duì)上式兩

34、邊在、的條件下取極限，可得0a 0b 2 22 0b 0a x zxp b8 a lim z zxp ），（），（ 令 a= 則上式可簡(jiǎn)化為： b8 a lim 2 0b 0a （21） 2 2 x zxp a z zxp ），（），（ 式(21)為描述圖 21 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) 空位的概率。 求解（21）微分方程，可得： （22） 2 z 2 r x - z e r 1 zxp ），（ 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

35、(x，z)。所以，有： （23） ），（，zxpe r 1 z)(xw 2 z 2 r x - z e 式(23)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)。 對(duì)地表來(lái)說(shuō)，z 等于開采深度 h，為常數(shù)，則 rz也是常數(shù)?？闪?rz為常數(shù) r，(r 稱 為主要影響半徑)則式(23)變?yōu)?（24） 2 2 r x - e e r 1 (x)w 式(23)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。 2.1.32.1.3 單元水平移動(dòng)單元水平移動(dòng) 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

36、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。 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 x、y、z之和： e=x+y+z 對(duì)圖 21 所示的二維情況，考慮上述體積不變假設(shè)，上式可寫作： x +z=0 （25） 其中 x zxue x ），（ z zxwe z ），（ 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)。 x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(25)，可得 (26) x zxu z zxw ee ），（），（ 將式(23)對(duì) z

37、 求偏導(dǎo)數(shù)，可得 (27) 21 z 2 r x 2 z 2 z 2 z e e1 r x2 dz dr r 1 z zxw ），（ 將(26)式對(duì) x 積分，可得 (28) xcdx z zxw zxu e e ， ， 式中，z 為積分常數(shù) 將式(27)代入式(28)，用分部積分求出式中的不定積分，再加以整理，可得 (29) zce dz dr r x zxu 21 z 2 r x z 2 z e ， 將式(23)對(duì) x 求偏導(dǎo)數(shù)，可得 (210) 21 z 2 r x 3 z e e r x2 x zxw ），（ 將式(210)代入(29)，可得 zc x zxw dz dr 2 r zx

38、u ezz e ），（ ， 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： dz dr 2 r zz (211) zc x zxw zbzxu e e ），（ ， 為了求定積分常數(shù) c(z)，可考慮圖 21 模型中這樣一個(gè)邊值條件：由于模型積單元開 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 (212)0z0ue， 由式(212)、(211)和(210)，可得 c（z）=0 則式(211)可化為 (213) x zxw zbzxu e e ），（ ， 式(213)即為圖 21 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

39、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)。 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(213)可 化作 (214) dx xdw bxu e ）（ 將式(24)對(duì) x 求導(dǎo)后代入上式，可得 (215) 2 2 r x - 3 e r bx2 u(x) 式(214)、(215)均為地表單元水平移動(dòng)的表達(dá)式。 2.22.2 預(yù)計(jì)公式預(yù)計(jì)公式【1】 【1】 【19】【19】 2.2.12.2.1 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)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) 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

40、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： 1 2 w(x) 0 x r erf w 2 2 r x - 0 e r i(x) w (216) 2 2 r x - 3 0 xe r 2 k(x) w 2 2 r x - 0e )(u(x) bwxbri 2 2 r x - 2 0 xe 2 )(x) r bw xbrk cos 0 mqw 式中： 橫坐標(biāo)為 x 的地面任

41、意點(diǎn)的下沉值；(x)w 橫坐標(biāo)為 x 的地面任意點(diǎn)沿 x 方向的地表傾斜；(x)i 橫坐標(biāo)為 x 的地面任意點(diǎn)沿 x 方向的地表曲率；(x)k 橫坐標(biāo)為 x 的地面任意點(diǎn)沿 x 方向的水平移動(dòng)；(x)u 橫坐標(biāo)為 x 的地面任意點(diǎn)沿 x 方向的水平變形；(x) 最大下沉值； 0 w 概率積分函數(shù)； x r erf q下沉系數(shù)； r主要影響半徑，可通過式求得，其中為主要影響角正 tan h r tan 切； s0拐點(diǎn)偏距； b水平移動(dòng)系數(shù)； h開采深度； m開采厚度； 煤層傾角。 地表移動(dòng)和變形的最大值預(yù)計(jì)公式如下： cos 0 mqw r w i 0 0 (217) 2 0 0 52.1 r

42、w k 00 bwu r bw0 0 52 . 1 式中，、分別表示最大下沉值、最大傾斜值、最大曲率值、 0 w 0 i 0 k 0 u 0 最大水平移動(dòng)值和最大水平變形值。 2.2.22.2.2 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 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

43、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）： 圖 23 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 )()()( 0 lxwxwxw )()()( 0 lxixixi (218)()()( 0 lxkxkxk )()()()( 00 xbrilxuxuxu )()()()( 00 xbrklxxx 由圖 2-3 可知，式(218)中，其中 為走向有限開采時(shí)的計(jì)算長(zhǎng) 433 ssdll 度、為工作面走向長(zhǎng)、分別為左右邊界的拐點(diǎn)偏距。 3 d 3 s 4 s 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

44、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 0 0 w w c ym ym ym c 0 ym w 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。 2.2.32.2.3 有限開采地表盆地傾向主斷面移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)有限開采地表盆地傾向主斷面移動(dòng)和變形預(yù)計(jì) 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 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） 圖 24 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 );();()( 21 0 tlywtywyw );();()( 21 0 tlyityiyi (219);();()( 21 0 tl

45、yktykyk );();()( 21 0 tlyktykyk );();()( 21 0 tlytyy 0 0 211 sin )sin( )( ssdl 式中，l 為傾向工作面的計(jì)算長(zhǎng)度；、表示下山邊界和上山邊界的主要影響半 1 t 2 t 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 1 d 1 s 2 s 點(diǎn)偏距與上山拐點(diǎn)偏距； 為開采影響傳播角。 0 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： 01011 );();( 2 1 2 ctgtywewbtyu r y 02022 );(

46、);( 2 2 2 ctgtlywewbtlyu r y (220) 01 2 1 01 1 );( 2 );( 2 1 2 ctgtyiye r wb ty r y 02 2 2 02 2 );()( 2 );( 2 2 2 ctgtlyiely r wb tly r y 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)。 xm c 稱為走向采動(dòng)系數(shù)。 0 w 計(jì)算要求不高時(shí)， 0 0 w w c m xm 可以r l 為引數(shù)從圖中查得。要求較高時(shí)， 0 )max(x w 可由預(yù)計(jì)的點(diǎn)的下沉值得到 2 l x 0 2 l w (此時(shí)假設(shè)傾向

47、方向已達(dá)到充分采動(dòng))。 2.2.42.2.4 地表任意點(diǎn)移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式地表任意點(diǎn)移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式 任意點(diǎn)、任意方向預(yù)測(cè)模型 )()( 1 );( 00 0 ywxw w yxw sin)()(cos)()( 1 ),( 0000 0 yixwywxi w yxi 2sin)()(sin)()(cos)()( 1 ),( 00200200 0 yixixwykywxk w yxk sin)()(cos)()( 1 ),(),( 0000 0 xwyuywxu w yxbriyxu cossin)()()()(sin)()(cos)()( 1 ),(),( 0000200200 0 xiyu

48、yixuywyywx w yxbrkyx (221) 式中： 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)( 0 xw 一 19)求出； 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)( 0 yw (2 一 19)求出； 從 x 軸的正方向逆時(shí)針方計(jì)算到指定方向的角值。 與走向主斷面平行的剖面移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式 若與走向主斷面平行的剖面的縱坐標(biāo)為，此時(shí)為。若令， 0 y 0 y c w yw 0 0 0 )( 則有： )(),( 0 0 xwcyxw y )()0 ,( 0 0 xicyxi y (222)()0 ,( 0 0 xkcyxk y

49、)() 0 , ,( 0 0 xucyxu y )() 0 , ,( 0 0 xcyx y 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 )(),( 0 0 ywcyxw x )()90,( 0 0 yicyxi x (223)()90,( 0 0 ykcyxk x )()90,( 0 0 yucyxu x )()90,( 0 0 ycyx x 式中，為平行傾向主斷面的剖面的橫坐標(biāo)。 0 0 0 )( w xw cx 0 x 2.32.3 計(jì)算參數(shù)的選取計(jì)算參數(shù)的選取 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)、主要影響q 角正切、拐點(diǎn)偏距、水平移動(dòng)系數(shù)和影響傳播角。這五

50、個(gè)參數(shù)的選取直接tan 0 sb 影響預(yù)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確程度。 【18】 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】。 2.42.4 本章小結(jié)本章小結(jié) 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。 3 3 采煤沉陷治理方法采煤沉陷治理方法 3.13.1 礦區(qū)土地復(fù)墾礦區(qū)土地復(fù)墾 礦區(qū)土地復(fù)墾（land

51、reclamation）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)。 【12】 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。 工程復(fù)墾的任務(wù)是建立有利于植物生長(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)

52、備工作、防止復(fù)田區(qū)受水的侵蝕和沼澤化等。 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。 3.1.13.1.1 復(fù)墾土地平整技術(shù)復(fù)墾土地平整技術(shù) 1 適用條件與基本要求 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。 基本要求

53、： 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。 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)。 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。 平整度必須符合規(guī)定要求。 2 平整方法與步驟 地形測(cè)量 平整土地標(biāo)高與坡度設(shè)計(jì) 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；

54、繪制施工圖。 ） 工程施工 3.1.23.1.2 梯田式復(fù)墾技術(shù)梯田式復(fù)墾技術(shù) 1 適用條件 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，26為丘陵，25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)通過土地平整或不平整就能耕種，塌陷后地表 坡度在 26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

55、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)源不足的問題。 2 梯田施工 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。 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。 圖 31 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。 圖 31 中間堆土法示意圖 圖 32 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

56、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。 條帶法適用于坡緩田面寬的梯田修筑(固 33)。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 33 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。 圖 32 逐級(jí)下翻法示意圖 圖 33 條帶法施工示意圖 3.1.33.1.3 充填復(fù)墾技術(shù)充填復(fù)墾技術(shù) 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

57、。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) 墾一類。 1 矸石充填復(fù)墾 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，其工藝過程如圖 34 所示： 圖 34 矸石充填工藝過程 矸石充填方法可分為全厚充填法和分層充填法。 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。 分層充填法就是為了達(dá)

58、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。 2 粉煤灰充填復(fù)墾 我國(guó)大型火力電廠多在煤礦區(qū)，燃煤發(fā)電過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)征地難的問題、又可解決煤礦塌陷地復(fù) 墾問題，同時(shí)還能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。粉煤灰充填復(fù)墾工藝過程可用圖 35 表示 粉煤灰 覆田還土灰場(chǎng) 灰水沉淀 管道水力輸灰 剝表土、建壩塌陷坑 圖 35 粉煤灰充填塌陷區(qū)復(fù)墾工藝流程圖 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)。可稱

59、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。 燃煤發(fā)電 礦區(qū)采煤 3.1.43.1.4 挖深墊淺和直接利用法挖深墊淺和直接利用法【21】 【21】 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

60、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。 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。 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。 【22】所以在礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)治理過程中，要考慮上 述深挖墊淺的做法，合理的規(guī)劃出一些水域，以提高礦區(qū)的植被覆蓋和生物密度。 3.23.2 沉陷控制工程沉陷控制工程 3