厚黄土薄基岩煤层开采岩移及土壤质量变异规律的研究

论文摘要

煤矿开采对矿区土地造成的损害由来已久,采用长壁式综放开采的薄基岩厚表土煤层,有其独到的特点,对地面造成的损害较之常规的开采更甚,而对于此类煤田覆岩移动破坏对地面土壤质量影响的研究却鲜见报道。本文在总结已有研究成果的基础之上,结合大型煤炭企业潞安司马矿区的实际情况,通过现场调研与观测、实验室物理模拟、计算机随机模拟、地面现场实测和理论预测、现场取样试验分析、理论分析等大量工作,系统研究了司马矿1101工作面厚表土薄基岩煤层开采的岩层移动规律、地面沉陷特点以及由之引起的土壤质量变异规律,为开采损害的防治和灾后恢复提供理论依据。论文的创新点如下:(1)对厚表土薄基岩开采沉陷区农田土壤破坏规律与煤矿开采过程岩移规律相互关系进行了综合研究,对两者间的相关性进行了探讨。(2)首次分析了开采沉陷预计过程中的相关计算参数的可靠性,对概率积分法预测的参数取值进行了改进,并用随机模拟的原理给出了取值方法的具体实现过程,经实证预测效果良好。(3)针对深部岩层移动难于监测的问题,创造性地设计了一种用于监测岩层移动的传感器,设计了监测系统以及提出系统安装测试方法,并推导出了由微应变量测量大变形量的理论表达,为进一步的实验室及工业试验提供了基础。取得了以下主要成果与结论:(1)对于厚表土浅埋薄基岩,若表土为松散砂土(假设无自承能力),基岩达到一定厚度才能形成自身稳定结构。若基岩上方冲积层有一定厚度的粘土层,由于粘土层有一定的承载能力,基岩承载能力增强。当薄基岩厚度一定,随粘土厚度增加,基岩与粘土组合后能形成稳定结构,承载能力增强,使工作面来压趋于缓和。(2)为了实现对深部基岩和表土层的动态移动进行有效观测,创造性地提出了一种新的位移传感器设计方法。导出由微应变量测得大变形量的理论计算与测量方法,研究设计了一种基于该岩层位移传感器的配套监测方法,论证了其可行性。(3)通过模拟试验发现,薄基岩、厚表土层条件下煤层1101工作面开采后,开采地表下沉盆地更为陡峭,下沉系数偏大,而水平移动系数偏小。具有区别与一般地质采矿条件下的一些独特现象,如下沉曲线在拐点附近变化较快,表现为曲线较陡,同时,边界处收敛很缓慢,表现为边界范围扩展,水平移动系数偏小。岩层以一定的断裂角断裂且向上传递,采空区上方岩层下沉值大于地表下沉值,而煤壁上方岩层下沉值较小。(4)对司马矿区首采工作面进行了地面沉陷监测,得到厚表土薄基岩煤层地面沉陷的规律和特点:地表受采动影响极为敏感,地下开采活动产生的影响很快传递到地表,地表移动的初始期很短,地表快速进入沉降活跃期,移动与变形极为剧烈且集中,采动区地表移动与变形持续时间长,地表裂缝比较发育。煤层开采后,地表移动变形的影响范围变大,采空区边界附近地表下沉盆地陡峭,移动变形显著且分布集中,采空区边界以外地表下沉盆地平缓,即表现为:地表移动变形在拐点内侧下沉值较大,在拐点附近变形发展较为迅速,曲线较陡,而在拐点以外较远区域沉陷变形曲线收敛较慢,但影响范围向外扩展较远。表现在岩移参数上,地表下沉系数较大,达0.94,主要影响角正切tanβ偏大,地表下沉速度偏大,动态变形值大,地表移动剧烈。(5)首次应用可靠性理论分析了概率积分法开采沉陷预测过程中参数的可靠性,针对预测中把具有一定分布规律的随机变量仅取固定值的问题,首次提出了采用随机变量来动态确定预测参数,并用随机模拟的方法改进了开采沉陷预计的参数变量,经检验对1101面的预测结果与实测值具有较好的吻合性。(6)开采沉陷显著影响了农田表层土壤的物理特性;沉陷区农田的上中部有水土流失加剧,养分流失加剧的趋势,而沉陷区低部则积聚了水土侵蚀下移的土壤养分;在土壤物理特性中,在沉陷形成的两年内,受其影响较大的是土壤容重,其次土壤含水量和孔隙度。开采沉陷显著影响沉陷区农田表层土壤的化学特性,在土壤化学特性中,受开采沉陷影响最大的是土壤速效磷,其次是土壤速效钾,再次是土壤全氮和土壤有机质,而土壤酸碱性受其影响小。土壤肥力质量来看,沉陷农田初步稳定后(沉陷1~3年),还可以提供植物生长所需要的土壤条件;从农事操作来看,则仅仅是加大了农事操作工作量。因此,沉陷区农田应在现存破坏的基础上,进行合理的施肥和地表保水措施,继续发挥沉陷区农田的生产潜力。(7)就开采条件和土壤沉陷破坏相关性给出了解释,指出土壤的物理性状变化是由土壤几何变形引起的,水平变形和水平移动引起的土壤拉应力和压应力的变化,导致容重和孔隙度变化;裂缝的发育是导致土壤水份变化的最直接原因,上覆岩层的导水裂隙带的上升高度和发育程度也是土壤水份变化的重要原因。土壤肥力质量的变化是由于土壤宏观形态的改变造成地表径流的不均衡性,导致水土流失,土壤养份随之迁移至盆地底部所致。(8)针对司马矿区的特殊情况,给出了几种适宜选择的农田复垦方式和生态规划建议,供复垦工程参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状与文献综述
• 1.2.1 岩层移动理论和规律的研究
• 1.2.2 开采沉陷机理和规律的研究
• 1.2.3 开采沉陷预测理论和方法
• 1.2.4 开采沉陷控制理论及方法
• 1.2.5 矿区破坏土地土壤质量影响的研究
• 1.3 研究现状的不足及发展趋势
• 1.4 本文的主要工作
• 1.4.1 研究内容和目标
• 1.4.2 研究方案和技术路线
• 第二章 采场覆岩的变形特征和变形机理
• 2.1 采场覆岩运动的基本结构特征及规律
• 2.1.1 采场覆岩运动的基本结构特征
• 2.1.2 采场覆岩运动的时空特点
• 2.2 覆岩移动及其断裂滑移特性
• 2.3 破裂碎胀岩体压实特性
• 2.4 浅埋厚表土薄基岩煤层基岩变形特性
• 2.4.1 薄基岩的定义
• 2.4.2 薄基岩砌体梁结构稳定性分析
• 2.4.3 司马矿薄基岩上覆岩层运动规律
• 2.5 地面沉陷及深部岩层移动监测方法探讨
• 2.5.1 深部岩层移动监测的意义
• 2.5.2 用弹簧丝微应变测量弹簧变形量的理论分析
• 2.5.3 上覆岩层移动监测装置设计及其监测方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 厚表土薄基岩开采相似模拟实验
• 3.1 相似原理及相似准则
• 3.1.1 相似原理
• 3.1.2 相似准则
• 3.2 司马矿相似材料模拟实验研究
• 3.2.1 相似材料模拟试验设计
• 3.2.2 模型架及相似系数的确定
• 3.2.3 相似材料配比及用量
• 3.2.4 模型的运行与观测
• 3.3 试验结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 厚表土薄基岩浅埋煤层地表沉陷规律研究
• 4.1 厚表土薄基岩浅埋煤层开采沉陷实测研究方案
• 4.1.1 观测区域及观测目的
• 4.1.2 1011 工作面观测布置方案
• 4.2 厚表土薄基岩浅埋煤层地表沉陷的基本特征
• 4.2.1 工作面地表沉陷观测结果与分析
• 4.2.2 厚表土薄基岩浅埋煤层地表沉陷特征
• 4.2.3 开采沉陷影响规律
• 4.3 厚表土薄基岩浅埋煤层地表沉陷预测研究
• 4.3.1 开采沉陷预测方法及原理
• 4.3.2 预测参数的可靠性分析
• 4.3.3 沉陷预测参数随机变量的产生
• 4.3.4 典型剖面线移动曲线动态预测
• 4.3.5 下沉盆地动态预测
• 4.4 预测结果与实测对比分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 土地破坏形态及农田土壤肥力质量变异规律
• 5.1 矿区基本土壤、水文、气候条件
• 5.2 沉陷盆地概况及土壤采样方式
• 5.3 塌陷农田土壤特征空间变异分析
• 5.3.1 采煤与地表塌陷程度
• 5.3.2 采煤沉陷农田土壤物理性状的空间变异
• 5.3.3 采煤沉陷农田土壤化学性状的空间变异
• 5.3.4 采煤沉陷对农田土壤肥力质量影响评价
• 5.4 沉陷区复垦方式建议
• 5.4.1 疏排法
• 5.4.2 直接利用法
• 5.4.3 挖深垫浅法
• 5.4.4 复合的景观生态技术规划复垦
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文结论
• 6.2 论文创新点
• 6.3 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 博士期间科技成果与的承担项目