厚黃土薄基巖煤層開(kāi)采巖移及土壤質(zhì)量變異規(guī)律

1、厚黃土薄基巖煤層開(kāi)采巖移及土壤質(zhì)量變異規(guī)律    煤礦開(kāi)采對(duì)礦區(qū)土地造成的損害由來(lái)已久,采用長(zhǎng)壁式綜放開(kāi)采的薄基巖厚表土煤層,有其獨(dú)到的特點(diǎn),對(duì)地面造成的損害較之常規(guī)的開(kāi)采更甚,而對(duì)于此類煤田覆巖移動(dòng)破壞對(duì)地面土壤質(zhì)量影響的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)之上,結(jié)合大型煤炭企業(yè)潞安司馬礦區(qū)的實(shí)際情況,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室物理模擬、計(jì)算機(jī)隨機(jī)模擬、地面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論預(yù)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)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(kāi)采的巖層移動(dòng)規(guī)律、地面沉陷特點(diǎn)以及由之引起的土壤質(zhì)量變異規(guī)律,為開(kāi)采損害的防治和災(zāi)后

2、恢復(fù)提供理論依據(jù)。論文的創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)對(duì)厚表土薄基巖開(kāi)采沉陷區(qū)農(nóng)田土壤破壞規(guī)律與煤礦開(kāi)采過(guò)程巖移規(guī)律相互關(guān)系進(jìn)行了綜合研究,對(duì)兩者間的相關(guān)性進(jìn)行了探討。(2)首次分析了開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)計(jì)算參數(shù)的可靠性,對(duì)概率積分法預(yù)測(cè)的參數(shù)取值進(jìn)行了改進(jìn),并用隨機(jī)模擬的原理給出了取值方法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程,經(jīng)實(shí)證預(yù)測(cè)效果良好。(3)針對(duì)深部巖層移動(dòng)難于監(jiān)測(cè)的問(wèn)題,創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種用于監(jiān)測(cè)巖層移動(dòng)的傳感器,設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及提出系統(tǒng)安裝測(cè)試方法,并推導(dǎo)出了由微應(yīng)變量測(cè)量大變形量的理論表達(dá),為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)試驗(yàn)提供了基礎(chǔ)。取得了以下主要成果與結(jié)論:(1)對(duì)于厚表土淺埋薄基巖,若表土為松散砂土(假設(shè)

3、無(wú)自承能力),基巖達(dá)到一定厚度才能形成自身穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。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(qiáng)。當(dāng)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(jié)構(gòu),承載能力增強(qiáng),使工作面來(lái)壓趨于緩和。(2)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)深部基巖和表土層的動(dòng)態(tài)移動(dòng)進(jìn)行有效觀測(cè),創(chuàng)造性地提出了一種新的位移傳感器設(shè)計(jì)方法。導(dǎo)出由微應(yīng)變量測(cè)得大變形量的理論計(jì)算與測(cè)量方法,研究設(shè)計(jì)了一種基于該巖層位移傳感器的配套監(jiān)測(cè)方法,論證了其可行性。(3)通過(guò)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),薄基巖、厚表土層條件下煤層1101工作面開(kāi)采后,開(kāi)采地表下沉盆地更為陡峭,下沉系數(shù)偏大,而水平移動(dòng)系數(shù)偏小。具有區(qū)別與一般地質(zhì)采

4、礦條件下的一些獨(dú)特現(xiàn)象,如下沉曲線在拐點(diǎn)附近變化較快,表現(xiàn)為曲線較陡,同時(shí),邊界處收斂很緩慢,表現(xiàn)為邊界范圍擴(kuò)展,水平移動(dòng)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(duì)司馬礦區(qū)首采工作面進(jìn)行了地面沉陷監(jiān)測(cè),得到厚表土薄基巖煤層地面沉陷的規(guī)律和特點(diǎn):地表受采動(dòng)影響極為敏感,地下開(kāi)采活動(dòng)產(chǎn)生的影響很快傳遞到地表,地表移動(dòng)的初始期很短,地表快速進(jìn)入沉降活躍期,移動(dòng)與變形極為劇烈且集中,采動(dòng)區(qū)地表移動(dòng)與變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),地表裂縫比較發(fā)育。煤層開(kāi)采后,地表移動(dòng)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(dòng)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(dòng)變形在拐點(diǎn)內(nèi)側(cè)下沉值較大,在拐點(diǎn)附近變形發(fā)展較為迅速,曲線較陡,而在拐點(diǎn)以外較遠(yuǎn)區(qū)域沉陷變形曲線收斂較慢,但影響范圍向外擴(kuò)展較遠(yuǎn)。表現(xiàn)在巖移參數(shù)上,地表下沉系數(shù)較大,達(dá)0.94,主要影響角正切tan偏大,地表下沉速度偏大,動(dòng)態(tài)變形值大,地表移動(dòng)劇烈。(5)首次應(yīng)用可靠性理論分析了概率積分法開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)過(guò)程中參數(shù)的可靠性,針對(duì)預(yù)測(cè)中把具有一定分布規(guī)律的隨機(jī)變量?jī)H取固定值的問(wèn)題,首次提出了采用隨機(jī)變量來(lái)動(dòng)態(tài)確定預(yù)測(cè)參數(shù),并用隨機(jī)模擬的方法改進(jìn)了開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)的參數(shù)變量,經(jīng)檢驗(yàn)對(duì)1101面的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值具有較好的吻合性。(6)開(kāi)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(shì),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(kāi)采沉陷顯著影響沉陷區(qū)農(nóng)田表層土壤的化學(xué)特性,在土壤化學(xué)特性中,受開(kāi)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(jī)質(zhì),而土壤酸堿性受其影響小。土壤肥力質(zhì)量來(lái)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(zhǎng)所需要的土壤條件;從農(nóng)事操作來(lái)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(yīng)在現(xiàn)存破壞的基礎(chǔ)上,進(jìn)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(kāi)采條件和土壤沉陷破壞相關(guān)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(dòng)引起的土壤拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的變化,導(dǎo)致容重和孔隙度變化;裂縫的發(fā)育是導(dǎo)致土壤水份變化的最直接原因,上覆巖層的導(dǎo)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(zhì)量的變化是由于土壤宏觀形態(tài)的改變?cè)斐傻乇韽搅鞯牟痪庑?導(dǎo)致水土流失,土壤養(yǎng)份隨之遷移至盆地底部所致。(8)針對(duì)司馬礦區(qū)的特殊情況,給出了幾種適宜選擇的農(nóng)田復(fù)墾方式和生態(tài)規(guī)劃建議,供復(fù)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(shè)計(jì)中

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