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山地采煤沉陷区地质环境破坏程度分类研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名李欣怡 指导教师唐建新 教 授 学科门类工 学 学科名称矿业工程 研究方向开采沉陷预测与控制 答辩委员会主席姜永东 教 授 授位时间2019 年 6 月 万方数据 万方数据 Classification of Degree of Geological Environment Destruction in Subsidence Area of Mountain Coal Mining A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’Degree of Engineering By Li Xinyi Supervised by Prof. Tang Jianxin June, 2019 万方数据 万方数据 中文摘要 I 摘 要 地质环境问题评价现已成为一种提出环境保护措施有效且可用于实践的方法， 随着煤炭资源的开采， 采煤沉陷区地质环境问题日益显著。 采煤沉陷区地质环境问 题是采煤活动的技术和地质背景综合作用的结果； 影响因素多而繁杂， 科学合理的 评价方法正在不断地探索当中，因此分析对采煤沉陷区地质环境破坏的影响因素 并建立一个普遍适用评价方法对煤矿开采沉陷区地质环境预防或治理具有重要的 指导意义。 本文以重庆市煤矿为研究对象，分析了重庆市三十多个煤矿的生产资料和地 质资料， 总结了几类地质环境环境问题， 提炼了对采煤沉陷区地质环境的两大影响 因素，即人为因素和自然因素，通过对影响因素的分析及重庆市煤矿的特点，选择 了 AHP-模糊综合评判模型对重庆市采煤沉陷区地质环境破坏程度分类展开研究。 基于本文提出的模型， 分析重庆市打通一矿的生产资料和地质资料， 运用模型计算 出打通一矿开采沉陷区地质环境破坏程度的类别为强烈。在采煤沉陷区分类方法 确定的基础之上， 通过分类结果及各指标的影响程度， 反查井上下主要影响因素， 根据具体原因，可提出更加具有针对性的解决方案，对生产区域、已采区域提出了 比较合理的治理技术。 通过以上的分析和研究，本文的内容和成果如下 ①根据分析重庆市三十多个煤矿生产资料和地质资料，总结了重庆市煤矿开 采沉陷区的几类地质环境问题， 主要有因煤炭资源开采引发的地质灾害； 地下水疏 干和地表水位下降；土地的占用、破坏和水土流失；地表建筑物产生大量变形等。 ②通过分析引起各种采煤地质环境问题的影响因素，建立问题与原因的因果 联系， 总结出影响沉陷区地质环境的两大类因素， 结合具体的地质环境总结提炼出 15 个基本影响指标，即矿区影响范围内的地貌类型，地面地质环境复杂程度，岩 性， 倾角， 断层， 褶皱， 采后时间， 采空区处理方法， 开采深厚比， 重复采动次数， 产量，矿井涌水量，充分采动程度，煤柱留设合理性，开采程序合理性，建立影响 因子指标体系。 ③通过对矿山和基本影响指标的分析，确定 AHP-模糊综合评判模型对山地采 煤沉陷区地质环境破坏程度进行分类，根据评价指标体系，运用 AHP 指标的权重 并对其进行一致性检验， 结合指标的取值和对矿山地质环境的影响特点， 选取梯形 分布和半梯形分布函数确定隶属度，最终建立完整的采煤沉陷区地质环境破坏程 度分类的数学模型。 ④基于本文提出的模型， 选取重庆市打通一矿进行实例验证。 通过分析打通一 万方数据 重庆大学硕士学位论文 II 矿的生产资料和地质资料，得到十五个基本指标的取值，将定性指标量化后，带入 到所建立的模型， 得到打通一矿开采沉陷区地质环境破坏程度的类别为强烈， 另外 通过对打通一矿的现状评估和预测评估，以及现场实测数据整理分析计算得到的 地表移动变形值， 得到该矿山开采沉陷区地质环境影响程度为强烈， 与所建数学模 型计算出的破坏等级一致，验证本文所构建模型的可行性和有效性。 关键词关键词采煤沉陷区；地质环境破坏程度；层次分析；模糊综合评判 万方数据 英文摘要 III Abstract Geological environment problem is an effective and practical of putting forward environmental protection measures. The mining of coal resources makes the geological environment problem of mining subsidence area more and more obvious. The geological environment of subsidence area is the result of human activities and geological background. There are many and complicated influencing factors, and scientific and reasonable uation s are constantly being explored. Therefore, the establishment of an uation has important guiding significance for the prevention or treatment of geological environment in coal mining subsidence area. Taking Chongqing Coal Mine as the research object, Several types of geological environment problems are summarized in several coal mines in Chongqing, and two major factors affecting the geological environment of mining subsidence area are extracted. Through the analysis of influencing factors and the characteristics of Chongqing coal mine, AHP-fuzzy comprehensive uation model is selected to carry out the research. Based on the analysis of the production data and geological data of Tongda No.1 Mine in Chongqing, the damage degree of geological environment in the mining subsidence area of Tongda No.1 Mine is calculated as strong by using the model. According to the specific reasons, the corresponding solutions are put forward, and the reasonable treatment technology is put forward for the production area and the mining area. Through the above analysis and research, the content and results of this paper are as follows ①Based on the analysis of coal mine data in Chongqing, several types of geological environmental problems in mining subsidence area of Chongqing coal mine are summarized, including geological hazards caused by coal resource exploitation, groundwater drainage and surface water level decline, land occupation, destruction and soil erosion, and a large number of deation of surface buildings. ②Through influencing factors of geological environment problems, 15 basic influencing indicators are extracted, namely, land type, complexity of surface geological environment, lithology, dip angle, fault, fold, post-mining time, goaf treatment , mining depth-thickness ratio, repeated mining times, output, mine water inflow, full mining degree, rationality of coal pillar setting, mining range. Establishment of an 万方数据 重庆大学硕士学位论文 IV impact factor indicator system. ③Through the analysis of mines and basic impact indicators, the uation model is determined, and the weight of AHP index is used to check its consistency. Combined with the value of index and the characteristics of mine geological environment, the trapezoidal distribution function and semi-trapezoidal distribution function are selected to determine the membership degree. Finally, a complete mathematical model for classification of geological environment damage degree in mining subsidence area is established. ④ This model is verified by selecting Chongqing Tongda No.1 Coal Mine. By analyzing the data from Tongda No.1 Coal Mine, the values of basic inds are obtained. After quantifying the qualitative indicators and bringing them into the model, the classification of environmental damage degree of Tongtong No.1 Mine is strong. The actual geological environmental impact of the mine is also strong, which is consistent with the damage grade calculated by the mathematical model. The validity of the model is verified. Key words Mining subsidence area; Degree of damage to geological environment; Analytic hierarchy process; Fuzzy comprehensive uation 万方数据 目 录 V 目 录 中文摘要中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪绪 论论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 ....................................................................................................................... 1 1.1.1 研究背景 ........................................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ...................................................................................................................... 2 1.2.1 采煤沉陷区研究现状 ....................................................................................................... 2 1.2.2 矿区地质环境影响评价方案研究现状 ........................................................................... 3 1.3 研究内容与技术路线研究内容与技术路线 ............................................................................................................... 4 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................................... 4 1.3.2 技术路线 ........................................................................................................................... 5 1.4 本章小结本章小结 .................................................................................................................................. 6 2 采煤沉陷区地质环境问题分析及分类方法采煤沉陷区地质环境问题分析及分类方法确定确定 .............................................. 9 2.1 采煤沉陷区主要地质环境问题采煤沉陷区主要地质环境问题............................................................................................... 9 2.2 采煤沉陷区地质环境问题成因分析采煤沉陷区地质环境问题成因分析....................................................................................... 9 2.3 采煤沉陷区地质环境的评价原则与方法采煤沉陷区地质环境的评价原则与方法............................................................................. 16 2.3.1 评价原则 ......................................................................................................................... 16 2.3.2 评价方法的选择 ............................................................................................................. 17 2.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 19 3 采煤沉陷区地质环境破坏程度分类综合评价采煤沉陷区地质环境破坏程度分类综合评价 ................................................. 21 3.1 综合评价的步骤综合评价的步骤 .................................................................................................................... 21 3.2 多层次模糊数学原理多层次模糊数学原理 ............................................................................................................ 21 3.2.1 评判方法概述 .................................................................................................................. 21 3.2.2 模糊综合评判的一般模型 ............................................................................................. 22 3.2.3 多层次模糊综合评判模型 ............................................................................................. 22 3.3 评价指标体系的构建评价指标体系的构建 ............................................................................................................ 24 3.3.1 评价指标确定的原则 ...................................................................................................... 24 3.3.2 评价指标确定的方法 ..................................................................................................... 24 3.3.3 评价指标的确定 ............................................................................................................. 25 3.3.4 评价指标的分级和取值 ................................................................................................. 40 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VI 3.4 评价指标的量化评价指标的量化 .................................................................................................................... 42 3.5 隶属函数及隶属度的确定隶属函数及隶属度的确定 .................................................................................................... 44 3.6 AHP 确定权重确定权重 ........................................................................................................................ 52 3.6.1 构造判断矩阵 ................................................................................................................. 52 3.6.2 一致性检验 ..................................................................................................................... 53 3.6.3 计算各指标的权重 ......................................................................................................... 54 3.7 模糊综合评判采煤沉陷区的具体过程模糊综合评判采煤沉陷区的具体过程 ................................................................................ 57 3.8 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 58 4 基于模糊综合评判的采煤沉陷区地质环境破坏程度分类实例研究基于模糊综合评判的采煤沉陷区地质环境破坏程度分类实例研究 . 59 4.1 打通一矿沉陷区地质资料打通一矿沉陷区地质资料 .................................................................................................... 59 4.1.1 打通一矿地质环境背景 ................................................................................................. 59 4.1.2 打通一矿开采历史及现状 ............................................................................................. 63 4.2 打通一矿现状评估打通一矿现状评估 ................................................................................................................ 63 4.3 打通一矿预测评估打通一矿预测评估 ................................................................................................................ 64 4.4 打通一矿岩移观测打通一矿岩移观测 ................................................................................................................ 65 4.5 基于模糊综合评判的采煤沉陷区地质环境破坏程度分类基于模糊综合评判的采煤沉陷区地质环境破坏程度分类 ................................................ 69 4.6 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 72 5 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................................ 73 5.1 结论结论 ........................................................................................................................................ 73 5.2 展望展望 ........................................................................................................................................ 74 参考文献参考文献 ...................................................................................................................................... 75 附附 录录 ...................................................................................................................................... 81 A. 作者在攻读硕士学位期间主要学术成果作者在攻读硕士学位期间主要学术成果 ............................................................................. 81 B. 作者在攻读硕士学位期间参与的项目作者在攻读硕士学位期间参与的项目 .................................................................................. 81 C. 作者在攻读硕士学位期间获得的奖励作者在攻读硕士学位期间获得的奖励 ................................................................................. 81 D. 学位论文数据集学位论文数据集 ..................................................................................................................... 82 致致 谢谢 ...................................................................................................................................... 83 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 我国煤炭资源储量占全世界总储量的 12.6， 已探明可采资源量约 1145108t， 在我国一次性能源消费构成中约占 65，鉴于能源的消费及国民经济的持续发展， 煤炭资源的开发利用将长期持续。 我国目前煤炭资源开采方法有多种， 大部分采用 机械化和爆破的物理方法且主要是井下开采，其产量占全国煤炭资源产量的 95， 长期的煤炭开采造成了地表大面积的塌陷。据估算，每采 1 万吨原煤，可产生 0.20.3hm2土地塌陷，全国每年会增加约 2.71044.1104 hm2的塌陷地面积[1]，对 于中国人均耕地拥有量较少的国家而言，采煤塌陷加剧了我国人均耕地本就少的 现状。采煤塌陷会对矿区地质环境造成严重损害如耕地破坏、地质灾害、地表水 疏干、村庄建筑物破坏、地面交通运输和电线路破坏等，也可能引发或者激化企业 与当地居民之间的矛盾。因此，从保护环境和促进区域可持续发展的角度，对采煤 塌陷区地质环境破坏程度进行分类，进而采取一定的保护预防与恢复治理措施是 十分有必要。 1.1.2 研究意义 重庆市煤炭开采历史悠久， 在采煤及相关产业的带动下， 煤矿区建设和人民生 活水平持续提高，但是近年来随着煤炭资源的持续开采，造成地表大面积塌陷，地 下水位大幅下降， 诱发次生地质灾害， 地表建筑物破坏等地质环境问题发生越发频 繁。对煤矿沉陷区地质环境破坏程度进行分类能较为全面评估煤矿开采对地表地 质环境可能造成的影响， 为煤矿开采提供地面环境保护的预防措施。 虽然重庆市矿 山地质环境在一定程度上得到了恢复治理，但目前矿山地质环境的治理现状仍不 容乐观， 尤其以采煤沉陷区治理最为严重， 难以一定的量化指标来标定治理后工程 好坏。 为了避免煤矿开采对地质环境产生进一步破坏， 需要对采煤沉陷区地质环境 破坏程度进行分类，根据不同的分类结果采取不同的预防保护措施以及恢复治理 技术。 由于矿山地质环境系统较复杂， 目前为止人类对该系统的认识不够全面， 特别 是煤矿开采所在区域不同，开采条件、自然地质条件等均有很大的区别，使沉陷区 地质环境影响因子的确定和量化较为困难，最终地质环境准确定量的评价不易实 现。 随着煤炭的开采加剧了地质环境的破坏， 越来越多的专家学者展开沉陷区地质 环境破坏的评估，以达到煤矿开采与地表地质环境相协调。 鉴于此，在煤炭资源开采或采后过程中，对地质环境破坏程度进行分类，是必 万方数据 重庆大学硕士学位论文 2 要的。同时，探讨这方面的工作，对于科学的认定煤炭开采活动对地质环境破坏程 度并采取有效的预防措施具有理论指导和实践意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采煤沉陷区研究现状 采煤沉陷区的研究对科学合理开采地下煤炭资源具有重要的实践和指导意义， 针对采煤沉陷区问题，国内外学者进行了大量的分析和研究。在国外，德国学者尼 Niemezyk[2]较全面论述了因采矿活动造成地表移动变形的规律， 并总结分析出移动 变形曲线；Baryakh[3]在考虑开采引起地表下沉基础上，提出地表沉陷的动态预测 方法； 印度学者 Soni[4]等以印度坎普蒂煤矿为例， 研究了浅埋藏煤矿开采后地面塌 陷方面的问题；近年来，国外利用干涉雷达对地观测技术[5]（InSAR）对地面程序 进行监控测量，Motagh[6]运用 InSAR 和实测资料对开采沉陷问题进行定量分析； Castellazzi [7]利用 InSAR 技术对城市地面沉降进行分析制图，并结合相关地质资料 对其进行解释。 在国内，采空区下沉的研究起步虽然较晚，但也取得了一些显著成果。煤科院 在北京率先开展有关地面塌陷和防护有关的专项工作[8]，刘宝琛[9]在随机介质理论 基础上， 对采空区地表移动变形规律进行总结， 并对概率积分法进行改进和完善， 该方法现在是我国采煤沉陷移动变形预计的主要方法；陈宏念[10-11]等通过张小楼 矿井，总结分析出在千米深井条件下，煤层开采引发其地表移动变形规律，并取得 相关概率积分法的预计参数， 刘玮璞[12-13]等通过继续研究深井开采， 分析出随着采 深的增加，煤层开采引起的地表移动变形所表现出来的规律与上层浅部开采地表 移动变形规律有明显不同， 刘贵[14]从采出率出发研究， 得出随着采出率的增加， 地 表最大