高潛水位平原區采煤沉陷防治技術研究

吳婷

（山東農業大學資源與環境學院，山東 泰安 271000）

0 引言

在高潛水位平原區，煤炭資源開采會導致地表沉陷，從而形成盆地，破壞了原有的水循環。同時受到降雨和地下水補給等一系列因素的影響，沉陷地內很容易形成大面積積水。由于采煤沉陷地的形成具有階段性，因此對采煤沉陷階段進行分門別類的劃分，是科學研究采煤沉陷全生命周期的土壤生態過程的重要基礎和前提。本研究針對高潛水位煤礦區沉陷面積大、地表變形嚴重、危害嚴重等特點，揭示地表沉陷過程規律，這些有關于地質生態環境問題的研究顯得尤為重要。

1 國內外采煤沉陷防治技術研究現狀

礦區采煤沉陷容易對社會環境問題造成一定的影響，因此，對采煤沉陷過程監測的研究成為礦區生態修復領域研究的重要課題之一。尤其在通過遙感技術快速、準確獲取沉陷信息動態變化方面進展較大。國內外相關專家學者能夠通過多種技術如TM、Landsat、InSAR 等遙感數據實現快速監測沉陷水體、植被的動態變化，發現采煤沉陷后水域規模擴大，區域生態景觀呈現破損化、線性化和單一化趨勢的普遍規律[1]。

煤炭資源被開采后，打破了采出區域的地層中原本的力學平衡，從而使得土體出現一定程度的變形，使得本區域的巖土體應力必須再次實現新的平衡關系。在煤礦煤開采前后的過程中，巖土體上呈現出的顯著的位移與變形稱為開采沉陷。根據相關文獻記載，開采沉陷相關的發展歷程大致可以劃分為三個時期，分別為垂線理論時期、沉陷幾何理論時期和數學模型預測時期三個時期[2]。

1.1 垂線理論階段

因為礦產資源開發產生經濟問題，并且由之所引發的社會矛盾最早起源于英國。而最早的垂線理論是在比利時人經過不斷實踐調查和摸索中誕生的。這個理論的主要研究成果就是認為開采所導致的下沉不會對未采煤體之上造成損害。1885年，法線理論又被相關學者Gonot等人提出。1932年，巴斯針對煤礦地表沉陷變形，提出的研究方法是對影響區域進行劃分。

1.2 沉陷幾何理論階段

20世紀40年代，開采沉陷在這段時間取得了快速發展。并且由于研究的不斷深入，采煤沉陷的工程問題得到了人們的注意，并成為了一個研究熱點。并且由于關注和參與研究的人員不斷增多，在這段時間內取得了很多科學發現。1907年，Karten第一次對地表變形中的水平移動與變形有了一個相對于前人較為客觀全面的認知，與前人相比進步之處在于認識到了下沉值存在低于水平移動值的情況，并且判斷該現象產生的條件之一就是煤層角度極大的情況影響[3]。

3 研究的方式方法以及實施計劃

3.1 研究的方式方法

依據國內外研究現狀，我們采取文獻綜述和實地觀測兩種方法對采煤沉陷防治進行研究。

（1）利用文獻對采煤一般沉陷規律進行詳細研究。以沉陷區沉陷規律為主題，充分查閱前人研究成果，對前人文獻對沉陷區沉陷規律所得出的結論進行綜合，尋找其共性，并從開采方式、煤炭賦存狀況、煤層厚度和埋深、單一煤層等方面總結煤炭開采造成的地表沉陷的特征，尋求高潛水位煤礦區煤炭開采地表沉陷的基本規律[4]。例如，隨著工作面的推進，地表最大下沉點的下沉速度先增大后減小，下沉速度的增大較慢，在達到最大下沉速度后快速減小。

（2）對地表沉陷的特征進行詳細研究。選擇典型高水位煤礦區（本次研究以濟寧礦區為例），利用無人機調查濟寧礦區地表土地利用現狀情況及礦區開采范圍。

從煤層厚度和埋深、單一煤層和多煤層等方面選擇代表性工作面，通過設置觀測點，結合煤礦開采的巖移觀測數據，通過實地測量得到煤層厚度、煤層深度、最大下沉值及最大水平移動距離；利用多種遙感手段觀測煤層傾角變化情況、采寬、地表移動邊界角，并通過概率積分法計算地表下沉系數，并利用GIS軟件將所檢測的各個特征點轉換為三維形態圖，將其與UDEC4.0數值模擬軟件模擬工作面移動特征相對照，多方位闡述其沉陷特征[5]。

（3）根據地表沉陷過程分階段進行研究。基于概率積分法、UDEC模擬軟件及GIS等方法所得到的數據及模型，依據全生命周期理念，按照各時間節點的下沉速度，揭示相應時間節點地表沉陷的規律，并根據其沉陷規律科學精準劃分沉陷階段。目前沉陷階段的大致劃分為五個階段：沉陷前-沉陷前期-沉陷中期-沉陷后期-穩沉期等5個階段。

3.2 實施計劃

（1）季度計劃。

表1 季度計劃

（2）年度計劃：本研究預在2021年1月至2021年12月之間展開。

4 基于采煤沉陷防治技術研究的可行性分析

4.1 知識技術人員知識儲備趨于成熟

成立的小組各成員均已修讀《地理信息系統》《基礎遙感》《土地經濟學》等課程，完成《高等數學》《線性代數》《概率統計》等基礎理論的學習，具備專業的認知能力和邏輯分析能力以及綜合處理能力。相關人員具有足夠全面豐富的教學指導經驗，為研究這一課題提供了有效的知識和人才技術支持[6]。

4.2 依據的數據完善且資料齊全

本研究主要是對于研究區內煤礦區塌陷過程進行全方位的探究與闡述，采用遙感影像以USGS、中國科學院地理空間數據云為數據源，數據來源比較專業精準。而且，各社會經濟資料由濟寧市統計年鑒提供，與國土部門溝通交流后獲取土地利用現狀圖、煤礦區開采影響范圍等相關資料。資料齊全且有力，相對來說比較有說服力。

4.3 先進的軟件硬件設備提供技術支持

本研究所采用的計算機硬件設備均采用SPSS、ArcGIS、eCognition、ENVI、R語言編譯器等各種軟件，能充分滿足研究分析使用，方便快捷。

4.4 強有力的課題支撐

針對高潛水位平原區采煤沉陷防治技術研究這一項目的指導老師有著豐富的教研水平，從事該方面研究多年，形成了很多成熟的理念。目前主持兩項國家自然基金（煤礦區復墾土壤壓實機理及環境效應影響、高潛水位煤礦區復墾土壤有機碳轉化機制研究），作為該項目研究的強有力的課題支撐。

5 對于高潛水位平原區采煤防治技術研究的創新以及發展展望

基于本項目的研究創新之處在于前沿的選題、新穎的研究思路、先進的研究方法，對推進現代采煤防治技術的發展有著重要的意義。首先，針對高潛水位煤礦區沉陷面積大、地表變形嚴重、危害嚴重等相關特點，揭示地表沉陷中的過程規律，是地質環境問題的重中之重，同時這些生態過程問題也是國內外研究的熱點方向和前沿課題[7]。

其次，針對高潛水位煤礦區的特殊性，首先對采煤沉陷的規律有初步的認知和了解，在此基礎上再利用無人機、雷達和多源遙感技術結合實地觀測數據分析地表沉陷特征，總結出了采煤沉陷規律，這一系列的研究為高潛水位采煤沉陷區土壤修復、土地復墾等提供完善的理論依據，研究的思路比較新穎。

最后，對于高潛水位平原區采煤防治技術的研究，利用無人機、雷達和多源遙感技術結合實地觀測數據分析地表沉陷特征，進而得出高潛水位礦區采煤過程中地表沉陷的一般規律，其研究方法以及技術支撐比以往的研究更加先進。

6 結語

本研究利用無人機、雷達解譯礦區地表沉陷狀況，摸清采煤沉陷規律；研究煤礦區地表沉陷規律，科學劃分沉陷階段。這一研究有著重要的意義。在高潛水位平原區，已將保護環境作為重點項目，采用新型技術作為研究支撐，將采煤沉陷防治貫穿于采礦業開發利用以及保護的過程中，積極推動了礦業發展，對維護地質生態平衡有著重要的意義。