何庄煤矿11013工作面地表移动规律及其土地复垦对策的分析研究.pdf

论文题目 何庄煤矿1 10 13 工作面地表移动规律及其土地 复垦对策的分析研究 作者姓名 专业名称 指导教师 论文提交E l 期 论文答辩E l 期 授予学位日期 圣Q 羔呈生墨旦 至Q 里墨生鱼旦 入学时间星Q Q 生鱼旦 研究方向工程测量墨 王些测量 职称塾攮 一一一一 J | H I I I I H H I I M Y 2 4 3 4 6 4 2 T H EA N A L Y S I SA N DR E S E A R C HO F T H ES U R F A C E M O V E M E N TL A WA N DL A N DR E C L A M A T I O NM E A S U R E S H EZ H U A N GC O A LM I N E1 1 0 1 3W O R K I N GF A C E AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E Ro FP H I L O S o P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y Z h a n gZ h e n S u p e r v i s o r P r o f e s s o rL uX i u s h a n G e o m a t i c s C o l l e g e M a y 2 0 1 3 明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名 日 A F F I R M A T I o N 纪像 期加f ．名、一 Id e c l a r et h a t t h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to f t h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ea w a r d o fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e do f a c k n o w l e d g e ．T h ed o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n y o t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e 砂勺湘 D a t e 五汐b ．6 ， 士尸 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 近年来，随着我国经济的持续快速稳定发展，采矿企业得到了飞速发展，为国家带 来了巨大的经济效益和社会效益。但在矿产资源的开发、生产、利用过程中，由于地下 开采造成的塌陷地、地表裂缝等土地破坏情况，反过来又影响了矿区的生态环境，制约 了经济和社会的可持续发展。因此，有必要对地下开采引起的地表移动变形规律以及造 成的土地破坏情况进行分析研究，同时加强矿区的土地复垦与生态重建工作。 本文以何庄煤矿1 1 0 1 3 工作面为研究区域，通过对其设置地表移动变形观测站，实 地观测得到数据资料，然后对数据资料进行分析处理，求得了各种角量参数 边界角、 移动角、裂缝角 、动态参数 起动距、超前影响角、超前影响距等 、预计参数 下沉 系数玑主要影响角正切t a n 归、拐点移动距S 、开采影响传播角臼 。结合岩移参数，采 用概率积分法进行了地表沉陷预计，得到了动态预计参数和下沉翁地预计的可视化模型。 在此基础上，对由于开采沉陷造成的土地破坏状况进行了相关研究，分析出其主要造成 了塌陷地和地表裂缝等土地破坏现象。同时系统的分析研究了矿区的土地复垦与生态重 建技术，针对研究区的土地破坏状况，根据矿区的实际自然环境条件，提出了应当首先 运用充填式复垦与非充填式复垦相结合的土地复垦技术，使其到达基本的耕作条件，然 后再运用适当的生物复垦技术，恢复土壤肥力和生物生产能力，使研究区可再生利用土 地，恢复生态平衡，进而使得整个矿区在生产建设得到健康发展的同时，土地资源和环 境也得以保护和持续利用，走上可持续发展的道路。 关键词地下丌采，地表移动变形，土地复垦，可持续发展 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T I nr e c e n ty e a r s ，谢t ht h es t a b i l i t yo fC h i n a ’Ss u s t a i n e da n dr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ， m i n i n gc o m p a n i e sh a v em a d eg r e a tp r o g r e s sa n dh a v eb r o u g h th u g ee c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t st ot h ec o u n t r y ．H o w e v e r , i nt h ed e v e l o p m e n to fm i n e r a lr e s o u r c e s ，p r o d u c t i o na n du s e o ft h ep r o c e s s ，t h em i n i n gs u b s i d e n c er e s u l t i n gf r o mt h eu n d e r g r o u n dm i n i n go nt h eo t h e r h a n dh a sa na d v e r s ei m p a c to nh u m a nl i v i n ge n v i r o n m e n t ，r e s t r i c t i n gt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dt h es o c i e t y ．T h e r e f o r e ，u n d e r s t a n d i n gt h em o v e m e n ta n d d e f o r m a t i o no ft h eg r o u n ds u r f a c ea sw e l la st h ed a m a g e dl a n di sam u s tS Oa st or e d u c et h e a d v e r s ei m p a c t so ft h eu n d e r g r o u n dm i n i n g ．M e a n w h i l e ，i ti sn e c e s s a r yt os t r e n g t h e nm i n e l a n dr e c l a m a t i o na n de c o l o g i c a lr e c o n s t r u c t i o n ． I nt h i sp a p e r ，w ep u tt h e11013w o r k i n gf a c eo fH e z h u a n gc o a lm i n ea st h er e s e a r c h o b je c t ．T h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fs u r f a c em o v e m e n td e f o r m a t i o no b s e r y a t i o ns t a t i o na n d f i e l dm e a s u r e m e n t s ，w eg o tt h ed a t a ．T h e nt h ed a t aw a sp r o c e s s e d ，w eo b t a i n e dt h ev a r i o u s a n g l ep a r a m e t e r s b o u n d a r ya n g l e ，d i s p l a c e m e n ta n g l e ，c r a c ka n g l e ，d y n a m i cp a r a m e t e r s s t a r t i n gd i s t a n c e ，a d v a n c ea n g l eo fi n f l u e n c e ，a d v a n c ed i s t a n c eo fi n f l u e n c e ，e t c ，e x p e c t e d p a r a m e t e r s s u b s i d e n c ec o e f f i c i e n tq ，t h er a d i u so ft h em a i nt a n g e n tt a 够，t h ei n f l e c t i o np o i n t o fm o v i n gd i s t a n c eSt h eg r e a t e s ts u b s i d e n c ea n g l e0 ．T h ed y n a m i cp r e d i c t e dp a r a m e t e r sa n d s u b s i d e n c eb a s i nm o d e lw e r em a d ei nm e t h o d so fp r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o da n dn e g a t i v e e x p o n e n t i a ld i s t r i b u t i o ne q u a t i o nm e t h o da c c o r d i n gt or o c km o v e m e n tp a r a m e t e r ．O nt h i sb a s i s ， t h el a n dd a m a g e dd u et om i m n gs u b s i d e n c es i t u a t i o nh a sc a r r i e do nt h er e l a t e dr e s e a r c h ． M i n i n gs u b s i d e n c ei sm a i n l yc a u s e dl a n dd e s t r u c t i o np h e n o m e n o ns u c ha ss u b s i d e n c el a n d a n ds u r f a c ec r a c k s ．A tt h es a m et i m e ，t h em i n i n ga r e al a n dr e c l a m a t i o na n de c o l o g i c a l r e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yh a sc a r r i e do nas y s t e m a t i ca n a l y s i so fr e s e a r c h ．A c c o r d i n gt ot h e a c t u a le n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so ft h em i n e ，t h em i n es h o u l dt a k en o n - f i l l i n gr e h a b i l i t a t i o n t e c h n o l o g ya n df i l l i n gr e h a b i l i t a t i o nt e c h n o l o g yt or e c o v e rt h ed e s t r o y e dl a n d ．A n dt h e nt h e m i n eC a na p p l yt h ea p p r o p r i a t eb i o l o g i c a lr e c l a m a t i o nt e c h n o l o g yt or e s t o r es o i lf e r t i l i t ya n d b i o l o g i c a lp r o d u c t i v i t y ．B yt h i sw a y , i tC a nr e u s et h ed e s t r o y e dl a n da n dr e s t o r et h ee c o l o g i c a l b a l a n c eo ft h es t u d ya r e a ．F u r t h e r m o r e ，l a n dr e s o u r c e sa n dt h ee n v i r o n m e n ti st op r o t e c ta n d 山东科技大学颂一Ij 学位论文摘要 s u s t a i n a b l eu s ew h e nt h ep r o d u c t i o na n dc o n s t r u c t i o no ft h ee n t i r em i n i n ga r e ai si nh e a l t h y d e v e l o p m e n t ．I no t h e rw o r d s ，t h ee n t i r em i n i n ga r e aw i l lb eo nt h ep a t ho fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ． K e y w o r d s u n d e r g r o u n dm i n i n g ，g r o u n dm o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ，l a n dr e c l a m a t i o n ， s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t 山东科技大学硕十学位论文 目录 目录 1 绪论．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．1 选题背景与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．3 研究目标与研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 矿山开采沉陷的相关理论研究．．．．⋯．．．．⋯⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．6 2 ．1 地表移动变形及破坏规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 地表移动与变形的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．3 矿区丌采沉陷对环境的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 矿区土地复垦的相关理论与技术研究．⋯⋯．．．⋯．⋯．⋯⋯⋯．1 6 3 ．1 矿区土地复垦概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．2 矿区土地复垦的对象和方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．3 矿区土地复垦技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 研究区地表移动规律及其土地破坏状况研究．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯2 7 4 ．1 研究区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．2 地表移动观测站设置及观测工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．3 地表移动观测站数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．4 地表移动参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．5 下沉衙地预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．61 1 0 1 3 工作面开采沉陷引起的土地破坏状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 研究区土地复垦对策的分析建议⋯．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．⋯．⋯4 9 5 ．1 矿区土地复垦的原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 研究区土地复垦的总体规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 山东科技大学硕I ’学位论文 目录 5 ．3 研究区土地复垦的治理对策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 6 结论与展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4 6 ．1 研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 6 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 致谢．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 6 参考文献．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．5 7 攻读学位期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 山东科技大学硕 l j 学位论文目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．】【 1 ．1R e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．2T h er e s e a r c hs t a t U Sa t h o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯l 1 ．3R e s e a r c ha i ma n dr e s e a r c hc o n t e n t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1 ．4R e s e a r c hm e t h o da n dt e c h n i c a lr o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2R e l a t e dt h e o r e t i c a ls t u d yo f m i n i n gs u b s i d e n c e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2 ．1S u r f a c em o v e m e n td e f o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o nl a w ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．2C a l c u l a t i o no f s u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．3T h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to f m i n i n gs u b s i d e n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．4S u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 3R e l a t e dt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so fm i n el a n dr e c l a m a t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 6 3 ．1T h ec o n c e p to f t h em i n i n ga r e al a n dr e c l a m a t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 6 3 ．2T h eo b j e c t sa n dm e t h o d so f t h em i n i n ga r e al a n dr e c l a m a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．3M i n i n ga r e al a n dr e c l a m a t i o n t e c h n o l o g yr e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．4S u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 6 4S u r f a c em o v e m e n tl a wa n dl a n dd a m a g ec o n d i t i o ni nt h es t u d ya r e a ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 7 4 ．1G e n e r a ls i t u a t i o ni nt h es t u d ya r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2S u r f a c em o v e m e n to b s e r v a t i o ns t a t i o ns e t t i n ga n do b s e r v a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．3S u r f a c em o v e m e n to b s e r v a t i o nd a t ap r e p r o c e s s i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．4T h es u r f a c em o v e m e n tp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．5T h ee s t i m a t e ds u b s i d e n c eb a s i n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．6D e s t r u c t i o no f l a n ds t a t u sb y1 1 0 1 3w o r k i n gf a c eo f m i n i n gs u b s i d e n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．7S u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5A n a l y s i sa n ds u g g e s t i o n so f l a n dr e c l a m a t i o na b o u tt h es t u d y a r e a ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 9 5 ．1T h ep r i n c i p l eo f m i n i n ga r e al a n dr e c l a m a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 5 ．2O v e r a l lp l a n n i n go f l a n dr e c l a m a t i o ni nt h es t u d ya r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．3T h ec o u n t e r m e a s u r e so f s t u d ya r e a a b o u tl a n dr e c l a m a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．4S u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 山东科技大学倾I j 学位论文日录 6C o n c l u s i o na n d p r o s p e c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4 6 ．1R e s e a r c hc o n c l u s i o n ．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4 6 ．2R e s e a r c hp r o s p e c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ；z I A c k n o w l e d g e m e n t s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 6 R e f e r e n c e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ；7 P u b l i s h e dp a p e r sd u r i n gg r a d u a t es t u d e n tp e r i o d ．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．6 1 山东科技大学硕二[ j 学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 选题背景与研究意义 我国是矿产资源大国，同时也是能源消耗大国。煤炭作为矿产资源之一，是我国最 重要的一次性能源。在煤炭开采时，不仅要占用和破坏大量土地，还会破坏景观和生态 坏境，造成的生态系统退化和破坏，危害之大，难以想象。长期以来，。由于对自然资源 的无偿占有，无偿使用，我国的煤炭开采大多是一种掠夺性的丌采，由此而引发的环境 污染与生态破坏问题已经成为影响我国经济社会持续、稳定、协调发展的主要因素。煤 炭是我国的最主要能源，约占一次能源构成的7 5 ％，且9 5 ％以上的煤炭产量来自于井工 丌采，而大中型煤矿井工开采产生的最普遍、最严重的损害是地面塌陷和地裂缝。我们 把采煤引起的地面沉降、塌陷及地裂缝统称为采煤沉陷l 。据统计，我国因采煤区地表塌 陷造成的土地破坏总量已达4 0 万公顷以上，煤矸石堆积量已达6 0 亿吨，占地7 0 0 0 0 公 顷以上。国家在“十二五纲要”中在面对日趋强化的资源环境约束时提出了“必须增强 危机意识，加快构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式，增强可持续发展能力， 提高生态文明水平”的发展纲要。因此，在大力发展煤矿业的同时，保护矿区的生态环 境，加强矿区土地复垦与生态重建是一项具有战略意义的系统工程2 。 本文选择何庄煤矿1 1 0 1 3 首采工作面为研究区域，通过对该工作面地表移动参数的 求取，一方面得到了1 1 0 1 3 工作面的地表移动变形规律，另一方面可以指导其他工作面 的开采。同时，针对1 1 0 1 3 工作面开采沉陷带来的土地破坏情况，提出了相应的土地复 垦与生态重建对策的分析建议，从而促进了该矿区的资源开采、生态保护、与社会经济 的协调发展。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 地表移动理论的国内外研究现状 国内外学者对矿区地表移动规律的研究由来已久，十九世纪术至今，人类对能源需求 不断增加，造成矿区开采范围不断的扩大，如何合理地开采地下煤层，同时又能有效地保 护矿区的生态环境逐渐成为人们关注的课题。各国学者按照不同的标准、从不同的角度 对开采沉陷的影响范围和地表的变形移动的规律进行了研究，按照时间顺序可以概括为 山东科技人学顾J 学位论文 绪论 以下几个阶段 1 初步认识和假说阶段 十九世纪以来，由于地下开采造成的环境破坏慢慢引起人们的关注，但是根据当时 有关岩层移动的知识并不能形成一种完整的矿区地表移动理论体系，人们只能根据实践 经验和勘测资料提出一些假说和推理。1 8 2 5 年，比利时研究人员对列同城受地下丌采影 响引起的破坏展开调查，提出了第一个地表移动理论“垂线理论”，之后比利时人G o n o t 将其发展为“法线理论”3 。德国学者J i c i n s k y 认为岩层移动线是通过煤层法线与铅垂线 所形成的二分线，提出了“二等分线理论”4 oO e s t e r r 指出采空区上方塌陷区的断面呈抛 物线形状，提出了“自然斜面理论”j 。法国学者F s y o l 通过现场调研和室内模拟研究， 提出了“圆拱形理论”6 0H a u s s e 提出了“分带理论”，建立了采空区覆岩三带分布沉陷 模式1 。 2 现场实测和规律认识阶段 进入二十世纪后，人们丌始通过现场实测来研究地表移动的一般规律。S c h i m i z x 、 B a l s 和K e i n h o s t 针对丌采影响作用面积及其分布情况提出了影响函数的概念8 。G l u c k a u f 提出了根据丌采影响范围的大小来确定采空区上方地表点的沉降值的地表移动计算方 法。前苏联矿山测量科学研究所在矿区实测资料的基础上进行了深入的研究，获得了地 表移动变形的规律，提出了下沉速度的概念，标志着人们对地表移动规律的研究迈入了 一个全新的时代。 3 理论形成及应用阶段 自从上个世纪2 0 年代开始，德国、前苏联、加拿大、波兰、澳大利亚、美国、同本 等国家就己把矿区的丌采沉陷理论作为一门学科进行了深入的研究。各国学者提出了不 同的理论模型，波兰学者B u d r y k 和K n o t h e 提出了几何理论，并得出『F 态分布的影响函 数9 。J ．L i t w i n i s z y n 应用非连续介质力学研究岩层和地表移动问题，提出了随机介质理论， 后来发展为广泛应用的概率积分法“1 。S a l a m o n 将影响函数与连续介质力学结合，应用弹 性理论提出了面元原理，奠定了边界元法的基础。B r a u n e r 提出了水平移动的影响函数， 并发展为用于计算地表移动的圆形积分网格法1 1 。B e r r y 和W a l e s 根据弹性理论推导出各 向同性平面、横观各向同性平面及三维条件下的地表移动变形公式1 2 。2 0 世纪6 0 年代后 期，随着科学技术的不断进步，遗传算法、神经网络1 3 等人工智能算法以及边界元法、有 限元法等数值分析方法被广泛应用在地表移动变形研究中，使得地表移动理论体系有了 山东科技大学硕士学位论文 绪论 进一步的完善和发展。 相比较国外，我国针对矿区开采沉陷理论的研究相对起步较晚。自从2 0 世纪5 0 年 代丌始，高校、科研院所及相关企业对开采沉陷的理论与实践做了大量深入研究，较系 统地应用相似材料模拟研究开采沉陷规律及丌采沉陷的现场实际观测工作，建立了以概 率积分法、负指数函数法、典型曲线法为基础的地表变形预计方法体系，提出了威布尔 分布法、皮尔森函数法、山区地表移动变形预计法等多种预计模型及计算方法1 。。自从 1 9 5 3 年开滦矿务局建立了第一个地表移动观测站后，一些主要矿区如淮南、抚顺、阜新、 鹤岗等相继建立了地表移动观测站，获得了大量宝贵的观测资料，积累了上千条观测线 的实测数据，这些工作为认识和研究采空区塌陷规律提供了重要的依据Ⅲ。1 9 6 3 年唐山 矿山测量研究所对实测资料进行分析研究，建立了地表下沉盆地负指数形式的剖面函数 盯。刘宝琛和他的学术团队成功将随机介质理论应用于采矿工程中，大大推动了我国地下 开采事业的发展1 8 。何满潮、张华兴、仲惟林等先后应用连续介质力学理论研究过采矿下 沉问题1 9 。何国清、马伟民、王金庄建立的碎块体理论提出地表沉陷的威布尔分布，给出 了岩层与地表移动的基本微分方程2 0 。沈惠群根据随机介质理论，推导了山区下丌采引起 的地表移动变形计算公式2 1 。张玉卓等将边界元法应用到断层影响下地表的移动规律研 究，提出了岩层移动的位错理论2 2 。邹友峰、马伟民提出了条带开采研究预计的三维层状 介质理论2 3 。邓喀中提出了岩体开采沉陷的结构效应2 4 。经过几十年的努力，在吸收国外 经验的同时，我国的地表移动理论有了极大的发展，使我国的煤炭开采事业有了跨越式 的发展。 1 ．2 ．2 矿区土地复垦的国内外研究现状 美国和德国是最早开展煤矿区土地复垦与生态重建的国家，开始于2 0 世纪初。随后， 许多工业发达国家的矿区生态环境修复相继步入蓬勃、正常的发展轨道。时至今同，这 些国家的煤矿区土地复垦工作都取得了举世瞩目的成就。在美国，为了推动煤矿区土地 复垦的研究和技术革新，专门成立了“国家矿山土地复垦研究中心” N M L R C 2 5o 在 德国，最早关于煤矿区的土地复垦记录出现于1 7 7 6 年2 6 ，当时的土地租赁合同明确写明 采矿者有义务对采矿区域进行治理并植树造林，在以后的发展过程