1、厚黃土薄基巖煤層開采巖移及土壤質(zhì)量變異規(guī)律    煤礦開采對礦區(qū)土地造成的損害由來已久,采用長壁式綜放開采的薄基巖厚表土煤層,有其獨到的特點,對地面造成的損害較之常規(guī)的開采更甚,而對于此類煤田覆巖移動破壞對地面土壤質(zhì)量影響的研究卻鮮見報道。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)之上,結(jié)合大型煤炭企業(yè)潞安司馬礦區(qū)的實際情況,通過現(xiàn)場調(diào)研與觀測、實驗室物理模擬、計算機隨機模擬、地面現(xiàn)場實測和理論預(yù)測、現(xiàn)場取樣試驗分析、理論分析等大量工作,系統(tǒng)研究了司馬礦1101工作面厚表土薄基巖煤層開采的巖層移動規(guī)律、地面沉陷特點以及由之引起的土壤質(zhì)量變異規(guī)律,為開采損害的防治和災(zāi)后

2、恢復(fù)提供理論依據(jù)。論文的創(chuàng)新點如下:(1)對厚表土薄基巖開采沉陷區(qū)農(nóng)田土壤破壞規(guī)律與煤礦開采過程巖移規(guī)律相互關(guān)系進行了綜合研究,對兩者間的相關(guān)性進行了探討。(2)首次分析了開采沉陷預(yù)計過程中的相關(guān)計算參數(shù)的可靠性,對概率積分法預(yù)測的參數(shù)取值進行了改進,并用隨機模擬的原理給出了取值方法的具體實現(xiàn)過程,經(jīng)實證預(yù)測效果良好。(3)針對深部巖層移動難于監(jiān)測的問題,創(chuàng)造性地設(shè)計了一種用于監(jiān)測巖層移動的傳感器,設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)以及提出系統(tǒng)安裝測試方法,并推導(dǎo)出了由微應(yīng)變量測量大變形量的理論表達,為進一步的實驗室及工業(yè)試驗提供了基礎(chǔ)。取得了以下主要成果與結(jié)論:(1)對于厚表土淺埋薄基巖,若表土為松散砂土(假設(shè)

3、無自承能力),基巖達到一定厚度才能形成自身穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。若基巖上方?jīng)_積層有一定厚度的粘土層,由于粘土層有一定的承載能力,基巖承載能力增強。當薄基巖厚度一定,隨粘土厚度增加,基巖與粘土組合后能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),承載能力增強,使工作面來壓趨于緩和。(2)為了實現(xiàn)對深部基巖和表土層的動態(tài)移動進行有效觀測,創(chuàng)造性地提出了一種新的位移傳感器設(shè)計方法。導(dǎo)出由微應(yīng)變量測得大變形量的理論計算與測量方法,研究設(shè)計了一種基于該巖層位移傳感器的配套監(jiān)測方法,論證了其可行性。(3)通過模擬試驗發(fā)現(xiàn),薄基巖、厚表土層條件下煤層1101工作面開采后,開采地表下沉盆地更為陡峭,下沉系數(shù)偏大,而水平移動系數(shù)偏小。具有區(qū)別與一般地質(zhì)采

4、礦條件下的一些獨特現(xiàn)象,如下沉曲線在拐點附近變化較快,表現(xiàn)為曲線較陡,同時,邊界處收斂很緩慢,表現(xiàn)為邊界范圍擴展,水平移動系數(shù)偏小。巖層以一定的斷裂角斷裂且向上傳遞,采空區(qū)上方巖層下沉值大于地表下沉值,而煤壁上方巖層下沉值較小。(4)對司馬礦區(qū)首采工作面進行了地面沉陷監(jiān)測,得到厚表土薄基巖煤層地面沉陷的規(guī)律和特點:地表受采動影響極為敏感,地下開采活動產(chǎn)生的影響很快傳遞到地表,地表移動的初始期很短,地表快速進入沉降活躍期,移動與變形極為劇烈且集中,采動區(qū)地表移動與變形持續(xù)時間長,地表裂縫比較發(fā)育。煤層開采后,地表移動變形的影響范圍變大,采空區(qū)邊界附近地表下沉盆地陡峭,移動變形顯著且分布集中,采空

5、區(qū)邊界以外地表下沉盆地平緩,即表現(xiàn)為:地表移動變形在拐點內(nèi)側(cè)下沉值較大,在拐點附近變形發(fā)展較為迅速,曲線較陡,而在拐點以外較遠區(qū)域沉陷變形曲線收斂較慢,但影響范圍向外擴展較遠。表現(xiàn)在巖移參數(shù)上,地表下沉系數(shù)較大,達0.94,主要影響角正切tan偏大,地表下沉速度偏大,動態(tài)變形值大,地表移動劇烈。(5)首次應(yīng)用可靠性理論分析了概率積分法開采沉陷預(yù)測過程中參數(shù)的可靠性,針對預(yù)測中把具有一定分布規(guī)律的隨機變量僅取固定值的問題,首次提出了采用隨機變量來動態(tài)確定預(yù)測參數(shù),并用隨機模擬的方法改進了開采沉陷預(yù)計的參數(shù)變量,經(jīng)檢驗對1101面的預(yù)測結(jié)果與實測值具有較好的吻合性。(6)開采沉陷顯著影響了農(nóng)田表層

6、土壤的物理特性;沉陷區(qū)農(nóng)田的上中部有水土流失加劇,養(yǎng)分流失加劇的趨勢,而沉陷區(qū)低部則積聚了水土侵蝕下移的土壤養(yǎng)分;在土壤物理特性中,在沉陷形成的兩年內(nèi),受其影響較大的是土壤容重,其次土壤含水量和孔隙度。開采沉陷顯著影響沉陷區(qū)農(nóng)田表層土壤的化學特性,在土壤化學特性中,受開采沉陷影響最大的是土壤速效磷,其次是土壤速效鉀,再次是土壤全氮和土壤有機質(zhì),而土壤酸堿性受其影響小。土壤肥力質(zhì)量來看,沉陷農(nóng)田初步穩(wěn)定后(沉陷13年),還可以提供植物生長所需要的土壤條件;從農(nóng)事操作來看,則僅僅是加大了農(nóng)事操作工作量。因此,沉陷區(qū)農(nóng)田應(yīng)在現(xiàn)存破壞的基礎(chǔ)上,進行合理的施肥和地表保水措施,繼續(xù)發(fā)揮沉陷區(qū)農(nóng)田的生產(chǎn)潛力

7、。(7)就開采條件和土壤沉陷破壞相關(guān)性給出了解釋,指出土壤的物理性狀變化是由土壤幾何變形引起的,水平變形和水平移動引起的土壤拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的變化,導(dǎo)致容重和孔隙度變化;裂縫的發(fā)育是導(dǎo)致土壤水份變化的最直接原因,上覆巖層的導(dǎo)水裂隙帶的上升高度和發(fā)育程度也是土壤水份變化的重要原因。土壤肥力質(zhì)量的變化是由于土壤宏觀形態(tài)的改變造成地表徑流的不均衡性,導(dǎo)致水土流失,土壤養(yǎng)份隨之遷移至盆地底部所致。(8)針對司馬礦區(qū)的特殊情況,給出了幾種適宜選擇的農(nóng)田復(fù)墾方式和生態(tài)規(guī)劃建議,供復(fù)墾工程參考。同主題文章1.    張輝,吳侃. 地理信息系統(tǒng)在礦區(qū)建筑物下采煤優(yōu)化設(shè)計中

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