基于礦區(qū)資源再利用的中厚煤層開采地表沉降減緩方法研究

摘要：基于礦區(qū)資源再利用的視角，在中厚煤層開采過程中，分析減緩地表沉降方法，如采空區(qū)資源、礦山廢棄物、生態(tài)修復(fù)技術(shù)及再填充方法。通過分析礦山廢棄物的再利用與采空區(qū)的資源化利用，研究沉降控制的有效途徑與技術(shù)手段，還結(jié)合沉降監(jiān)測技術(shù)與評估模型，分析地表沉降的動態(tài)變化，為礦區(qū)地表沉降的實時監(jiān)控和科學(xué)決策提供了理論依據(jù)與技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：礦區(qū)資源；中厚煤層；開采地表；沉降減緩

中圖分類號：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-00-03

Research on Surface Settlement Mitigation Method of Medium and Thick Coal Seam Mining Based on Resource Reuse in Mining Area

Abstract： From the perspective of resource reuse in mining areas， analyze methods to mitigate surface subsidence during the mining process of medium thick coal seams， such as goaf resources， mine waste， ecological restoration technologies， and backfilling methods. By analyzing the reuse of mining waste and the resource utilization of goaf， effective ways and technical means of subsidence control are studied. Combined with subsidence monitoring technology and evaluation models， the dynamic changes of surface subsidence are analyzed， providing theoretical basis and technical support for real-time monitoring and scientific decision-making of surface subsidence in mining areas.

Keywords： mining resources; medium thick coal seam; mining the surface; settlement reduction

中厚煤層開采過程中，由于煤層的開采活動對地層的擾動，特別是在開采深度增加的情況下，地表沉降問題尤為突出。煤礦開采對地層的壓力作用與采空區(qū)的形成密切相關(guān)，這些地質(zhì)變化不僅給煤礦的安全生產(chǎn)帶來極大挑戰(zhàn)，而且對礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境、農(nóng)田灌溉、交通設(shè)施等造成了影響。地表沉降作為煤礦開采的主要工程地質(zhì)問題之一，隨著開采的深入，沉降程度往往愈加嚴(yán)重，直接影響了礦區(qū)的穩(wěn)定性與可持續(xù)發(fā)展，需要研究沉降控制的有效途徑與技術(shù)手段，從而減緩地表沉降。

1 中厚煤層開采的地質(zhì)與工程特征

中厚煤層地質(zhì)特征如圖1所示。中厚煤層開采具有獨特的地質(zhì)與工程特征，特別是在煤層厚度、地層結(jié)構(gòu)以及礦區(qū)巖性差異方面，給地表沉降的控制帶來極大的挑戰(zhàn)。中厚煤層厚度一般在1.2～3.5 m，其開采過程涉及較為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，包括煤層自身的機(jī)械強(qiáng)度、圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)以及礦區(qū)的構(gòu)造特征等。煤層開采不僅需要切割礦層，還伴隨著采空區(qū)的逐步形成，采空區(qū)的體積和分布直接影響地表沉降的幅度與范圍。中厚煤層開采過程中的圍巖穩(wěn)定性較差，開采后長期的地質(zhì)變形導(dǎo)致圍巖開裂、松動及沉降加劇，從而對地面產(chǎn)生不可忽視的沉降效應(yīng)[1]。

2 基于礦區(qū)資源再利用的地表沉降減緩方法

2.1 利用采空區(qū)資源減緩地表沉降

在中厚煤層開采過程中，采空區(qū)資源，特別是煤礦開采過程中所遺留的未完全開采區(qū)域及其所形成的空隙，可以在后期開采或利用中通過多種方式進(jìn)行填充、支撐或恢復(fù)，從而有效減緩地表沉降的幅度，并縮小地表沉降范圍[2]。根據(jù)采空區(qū)的不同類型與性質(zhì)，選擇合適的資源再利用方式，如采用采空區(qū)回填、礦渣注入、礦井水資源利用等方法，并采取改善采空區(qū)結(jié)構(gòu)、增加采空區(qū)的支撐力、調(diào)節(jié)地下水位等手段，有效地減輕地表沉降對環(huán)境和工程設(shè)施的影響。在具體實施過程中，礦區(qū)的地下水流動、地層壓力變化以及周圍巖體的力學(xué)性能都需綜合考慮，以確保資源再利用的效果最優(yōu)化。采空區(qū)的合理回填，尤其是選用具有良好力學(xué)性質(zhì)的回填材料，能夠顯著增強(qiáng)采空區(qū)的穩(wěn)定性，避免因采空區(qū)空隙過大或空隙不均勻而引發(fā)地表沉降不均勻現(xiàn)象。利用采空區(qū)資源減緩地表沉降的效果如表1所示，反映了不同采空區(qū)類型與回填方法對地表沉降減緩的效果，呈現(xiàn)出不同的沉降減緩效果與適用場景，為后續(xù)的沉降減緩工作提供有效參考[3]。

2.2 生態(tài)修復(fù)技術(shù)在地表沉降減緩中的應(yīng)用

在中厚煤層開采過程中，生態(tài)修復(fù)技術(shù)不僅能有效恢復(fù)土地功能，還能通過改善土壤結(jié)構(gòu)、植被覆蓋和水文循環(huán)等機(jī)制，減緩采空區(qū)及其周邊地區(qū)的地表沉降。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)采用 植物栽培、土壤改良、植被恢復(fù)以及水土保持等綜合措施，增強(qiáng)土壤的穩(wěn)定性與滲透性，有效地遏制了沉降過程中的土壤侵蝕與水土流失，進(jìn)而降低了地表沉降速率。在具體應(yīng)用中，生態(tài)修復(fù)通常包括選擇種植適應(yīng)性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)的植物，利用植物根系對土壤的固結(jié)作用，提升土壤的抗壓強(qiáng)度和透水性，避免地下空隙帶在降水等外部因素作用下形成積水現(xiàn)象，從而避免由于水的侵蝕作用加劇地表沉降。同時，合理利用原生植物與人工種植相結(jié)合的方式，增強(qiáng)植被的覆蓋度和根系的深度，使其在生態(tài)修復(fù)過程中發(fā)揮更強(qiáng)的地表穩(wěn)定性作用，為土地的可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)[4]。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)如圖2所示。

3 中厚煤層開采過程中地表沉降監(jiān)測與評估

3.1 地表沉降監(jiān)測技術(shù)與方法

隨著礦區(qū)資源的開采，特別是采空區(qū)的形成和地下水的抽取，地表沉降通常呈現(xiàn)出不均勻、漸進(jìn)性加劇的特點，因此在沉降監(jiān)測中需要選擇多種監(jiān)測手段互補(bǔ)，以確保沉降數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性。常用的地表沉降監(jiān)測技術(shù)包括地面沉降儀器監(jiān)測、衛(wèi)星遙感監(jiān)測、地面激光掃描技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）監(jiān)測以及微型地震儀監(jiān)測等。地面沉降儀器監(jiān)測是目前最常用的一種監(jiān)測方式，能夠提供高精度的地表沉降數(shù)據(jù)，其沉降精度可達(dá)0.1 mm。衛(wèi)星遙感監(jiān)測則能覆蓋較廣的區(qū)域，利用合成孔徑雷達(dá)干涉（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術(shù)有效識別地表沉降的空間分布及沉降速率，且其空間分辨率可達(dá)到1 m。在復(fù)雜地形或礦區(qū)內(nèi)，GPS監(jiān)測技術(shù)能夠提供高精度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，其定位精度可達(dá)毫米級，適用于動態(tài)沉降監(jiān)測。地面激光掃描技術(shù)能夠在短時間內(nèi)獲取高密度的三維地表數(shù)據(jù)，精確計算沉降量，尤其適用于開采后的地表沉降監(jiān)測，能夠詳細(xì)記錄地表形態(tài)變化。微型地震儀監(jiān)測方法通過實時監(jiān)測地下礦區(qū)的微小震動來推算地下開采的沉降影響，通過震動數(shù)據(jù)反推沉降變化，特別是在采空區(qū)較深、開采影響較大的地區(qū)，具有重要的預(yù)警作用[5]。

3.2 沉降變化的評估指標(biāo)與模型

在中厚煤層開采過程中，地表沉降的監(jiān)測與評估能夠保障礦區(qū)生態(tài)環(huán)境與地面建筑安全，要分析沉降變化的評估指標(biāo)，構(gòu)建評估模型，精準(zhǔn)掌握沉降演變規(guī)律。對于沉降變化的評估，通常采用沉降量、沉降速率、沉降深度等多項指標(biāo)，結(jié)合開采區(qū)域的地質(zhì)條件、開采方式與礦區(qū)資源的再利用情況，構(gòu)建綜合評估模型。沉降量是最常用的評估指標(biāo)，其測量數(shù)據(jù)可以通過沉降計、全站儀、激光掃描等手段獲取，并對比開采前后的地面高度變化，進(jìn)而估算地表沉降的空間分布特征。沉降速率反映了沉降過程的動態(tài)特征，通過連續(xù)監(jiān)測沉降變化，能夠量化地表沉降的演變趨勢，為動態(tài)調(diào)整開采方式提供數(shù)據(jù)支持[6-8]。沉降深度進(jìn)一步揭示沉降影響的嚴(yán)重程度，尤其是對礦區(qū)周邊建筑物和交通基礎(chǔ)設(shè)施的影響程度。綜合評估模型通常以地表沉降理論為基礎(chǔ)，結(jié)合有限元法、地下水-土壤耦合模型等多種數(shù)值模擬方法，建立沉降預(yù)測模型，進(jìn)一步推出沉降發(fā)生的時間尺度和空間分布規(guī)律[9-10]。

4 結(jié)論

隨著地表沉降問題的日益嚴(yán)重與礦區(qū)資源的日益緊張，研究與開發(fā)礦區(qū)資源再利用的沉降減緩方法，將對煤礦開采的經(jīng)濟(jì)性、安全性和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實意義與深遠(yuǎn)的社會價值。因此，深入研究基于礦區(qū)資源再利用的中厚煤層開采地表沉降減緩方法，不僅是煤礦開采技術(shù)發(fā)展的趨勢，而且是推動礦區(qū)資源可持續(xù)利用與生態(tài)修復(fù)的重要方法。

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