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)修復技術及再填充方法。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手段，還結合沉降監(jiān)測技術與評估模型，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)控和科學決策提供了理論依據(jù)與技術支持。

關鍵詞：礦區(qū)資源；中厚煤層；開采地表；沉降減緩

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：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，這些地質變化不僅給煤礦的安全生產帶來極大挑戰(zhàn)，而且對礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境、農田灌溉、交通設施等造成了影響。地表沉降作為煤礦開采的主要工程地質問題之一，隨著開采的深入，沉降程度往往愈加嚴重，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手段，從而減緩地表沉降。

1 中厚煤層開采的地質與工程特征

中厚煤層地質特征如圖1所示。中厚煤層開采具有獨特的地質與工程特征，特別是在煤層厚度、地層結構以及礦區(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雜的地質環(huán)境，包括煤層自身的機械強度、圍巖的物理力學性質以及礦區(qū)的構造特征等。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，開采后長期的地質變形導致圍巖開裂、松動及沉降加劇，從而對地面產生不可忽視的沉降效應[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行填充、支撐或恢復，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，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)結構、增加采空區(qū)的支撐力、調節(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性質的回填材料，能夠顯著增強采空區(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)修復技術在地表沉降減緩中的應用

在中厚煤層開采過程中，生態(tài)修復技術不僅能有效恢復土地功能，還能通過改善土壤結構、植被覆蓋和水文循環(huán)等機制，減緩采空區(qū)及其周邊地區(qū)的地表沉降。礦區(qū)生態(tài)修復技術采用 植物栽培、土壤改良、植被恢復以及水土保持等綜合措施，增強土壤的穩(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，進而降低了地表沉降速率。在具體應用中，生態(tài)修復通常包括選擇種植適應性強、根系發(fā)達的植物，利用植物根系對土壤的固結作用，提升土壤的抗壓強度和透水性，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合的方式，增強植被的覆蓋度和根系的深度，使其在生態(tài)修復過程中發(fā)揮更強的地表穩(wěn)定性作用，為土地的可持續(xù)利用提供基礎[4]。礦區(qū)生態(tài)修復如圖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，以確保沉降數(shù)據(jù)的準確性和全面性。常用的地表沉降監(jiān)測技術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、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，利用合成孔徑雷達干涉（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術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到1 m。在復雜地形或礦區(qū)內，GPS監(jiān)測技術能夠提供高精度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，其定位精度可達毫米級，適用于動態(tài)沉降監(jiān)測。地面激光掃描技術能夠在短時間內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)，具有重要的預警作用[5]。

3.2 沉降變化的評估指標與模型

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，構建評估模型，精準掌握沉降演變規(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，結合開采區(qū)域的地質條件、開采方式與礦區(qū)資源的再利用情況，構建綜合評估模型。沉降量是最常用的評估指標，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)調整開采方式提供數(shù)據(jù)支持[6-8]。沉降深度進一步揭示沉降影響的嚴重程度，尤其是對礦區(qū)周邊建筑物和交通基礎設施的影響程度。綜合評估模型通常以地表沉降理論為基礎，結合有限元法、地下水-土壤耦合模型等多種數(shù)值模擬方法，建立沉降預測模型，進一步推出沉降發(fā)生的時間尺度和空間分布規(guī)律[9-10]。

4 結論

隨著地表沉降問題的日益嚴重與礦區(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，將對煤礦開采的經濟性、安全性和生態(tài)環(huán)境保護具有重要的現(xiàn)實意義與深遠的社會價值。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)修復的重要方法。

參考文獻

1 郭志軍，趙凌云，吳章利.基于三維地震資料的煤層氣富集區(qū)預測：以貴州大河邊向斜大河區(qū)塊為例[J].天然氣地球科學，2023（5）：928-938.

2 李鑫烽.薄厚優(yōu)劣煤層的配采方案設計與效益分析[J].山東煤炭科技，2024（1）：168-171.

3 李永起.特厚煤層綜放工作面放煤工藝研究及應用[J].戶外裝備，2020（7）：137.

4 楊勝利，吳山西，王兆會，等.深埋厚沖積層薄基巖煤層開采地表沉降特征與預測方法[J].煤炭學報，2023（2）：523-537.

5 張佳明，程 樺，張亮亮.厚松散層薄基巖煤層開采地表沉降速度及其影響因素研究[J].煤礦安全，2024（6）：151-159.

6 張佳明.厚松散層薄基巖煤層開采地表沉降及其速度規(guī)律研究[D].淮南：安徽理工大學，2024.

7 鄧 雨.厚松散層下煤層開采地表變形特征與預計模型修正[D].淮南：安徽理工大學，2024.

8 熊 偉.煤層開采地表動態(tài)沉降預測模型及其參數(shù)研究[D].淮南：安徽理工大學，2022.

9 肖佳康，喬先毅，公 超.大傾角厚煤層開采地表沉陷控制[J].內蒙古煤炭經濟，2024（21）：46-48.

10 彭世龍，程 樺，姚直書，等.厚松散層底含直覆薄基巖開采地表沉陷預計及特征研究[J].煤炭學報，2022（12）：4417-4430.