摘要：基于礦區(qū)資源再利用的視角，在中厚煤層開(kāi)采過(guò)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(fù)技術(shù)及再填充方法。通過(guò)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(shù)手段，還結(jié)合沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)與評(píng)估模型，分析地表沉降的動(dòng)態(tài)變化，為礦區(qū)地表沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)控和科學(xué)決策提供了理論依據(jù)與技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：礦區(qū)資源；中厚煤層；開(kāi)采地表；沉降減緩

中圖分類(lèi)號(hào)：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(kāi)采過(guò)程中，由于煤層的開(kāi)采活動(dòng)對(duì)地層的擾動(dòng)，特別是在開(kāi)采深度增加的情況下，地表沉降問(wèn)題尤為突出。煤礦開(kāi)采對(duì)地層的壓力作用與采空區(qū)的形成密切相關(guān)，這些地質(zhì)變化不僅給煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，而且對(duì)礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境、農(nóng)田灌溉、交通設(shè)施等造成了影響。地表沉降作為煤礦開(kāi)采的主要工程地質(zhì)問(wèn)題之一，隨著開(kāi)采的深入，沉降程度往往愈加嚴(yán)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(shù)手段，從而減緩地表沉降。

1 中厚煤層開(kāi)采的地質(zhì)與工程特征

中厚煤層地質(zhì)特征如圖1所示。中厚煤層開(kāi)采具有獨(dú)特的地質(zhì)與工程特征，特別是在煤層厚度、地層結(jié)構(gòu)以及礦區(qū)巖性差異方面，給地表沉降的控制帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。中厚煤層厚度一般在1.2～3.5 m，其開(kāi)采過(guò)程涉及較為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，包括煤層自身的機(jī)械強(qiáng)度、圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)以及礦區(qū)的構(gòu)造特征等。煤層開(kāi)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(kāi)采過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性較差，開(kāi)采后長(zhǎng)期的地質(zhì)變形導(dǎo)致圍巖開(kāi)裂、松動(dòng)及沉降加劇，從而對(duì)地面產(chǎn)生不可忽視的沉降效應(yīng)[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(kāi)采過(guò)程中，采空區(qū)資源，特別是煤礦開(kāi)采過(guò)程中所遺留的未完全開(kāi)采區(qū)域及其所形成的空隙，可以在后期開(kāi)采或利用中通過(guò)多種方式進(jìn)行填充、支撐或恢復(fù)，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(lèi)型與性質(zhì)，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(jié)構(gòu)、增加采空區(qū)的支撐力、調(diào)節(jié)地下水位等手段，有效地減輕地表沉降對(duì)環(huán)境和工程設(shè)施的影響。在具體實(shí)施過(guò)程中，礦區(qū)的地下水流動(dòng)、地層壓力變化以及周?chē)鷰r體的力學(xué)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(xué)性質(zhì)的回填材料，能夠顯著增強(qiáng)采空區(qū)的穩(wěn)定性，避免因采空區(qū)空隙過(guò)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(lèi)型與回填方法對(duì)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(chǎng)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(fù)技術(shù)在地表沉降減緩中的應(yīng)用

在中厚煤層開(kāi)采過(guò)程中，生態(tài)修復(fù)技術(shù)不僅能有效恢復(fù)土地功能，還能通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)、植被覆蓋和水文循環(huán)等機(jī)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(fù)技術(shù)采用 植物栽培、土壤改良、植被恢復(fù)以及水土保持等綜合措施，增強(qiáng)土壤的穩(wěn)定性與滲透性，有效地遏制了沉降過(guò)程中的土壤侵蝕與水土流失，進(jìn)而降低了地表沉降速率。在具體應(yīng)用中，生態(tài)修復(fù)通常包括選擇種植適應(yīng)性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)的植物，利用植物根系對(duì)土壤的固結(jié)作用，提升土壤的抗壓強(qiáng)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(shí)，合理利用原生植物與人工種植相結(jié)合的方式，增強(qiáng)植被的覆蓋度和根系的深度，使其在生態(tài)修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮更強(qiáng)的地表穩(wěn)定性作用，為土地的可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)[4]。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)如圖2所示。

3 中厚煤層開(kāi)采過(guò)程中地表沉降監(jiān)測(cè)與評(píng)估

3.1 地表沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法

隨著礦區(qū)資源的開(kāi)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(jìn)性加劇的特點(diǎn)，因此在沉降監(jiān)測(cè)中需要選擇多種監(jiān)測(cè)手段互補(bǔ)，以確保沉降數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性。常用的地表沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)包括地面沉降儀器監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)、地面激光掃描技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）監(jiān)測(cè)以及微型地震儀監(jiān)測(cè)等。地面沉降儀器監(jiān)測(cè)是目前最常用的一種監(jiān)測(cè)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(dá)0.1 mm。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)則能覆蓋較廣的區(qū)域，利用合成孔徑雷達(dá)干涉（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術(shù)有效識(shí)別地表沉降的空間分布及沉降速率，且其空間分辨率可達(dá)到1 m。在復(fù)雜地形或礦區(qū)內(nèi)，GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠提供高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其定位精度可達(dá)毫米級(jí)，適用于動(dòng)態(tài)沉降監(jiān)測(cè)。地面激光掃描技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取高密度的三維地表數(shù)據(jù)，精確計(jì)算沉降量，尤其適用于開(kāi)采后的地表沉降監(jiān)測(cè)，能夠詳細(xì)記錄地表形態(tài)變化。微型地震儀監(jiān)測(cè)方法通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下礦區(qū)的微小震動(dòng)來(lái)推算地下開(kāi)采的沉降影響，通過(guò)震動(dòng)數(shù)據(jù)反推沉降變化，特別是在采空區(qū)較深、開(kāi)采影響較大的地區(qū)，具有重要的預(yù)警作用[5]。

3.2 沉降變化的評(píng)估指標(biāo)與模型

在中厚煤層開(kāi)采過(guò)程中，地表沉降的監(jiān)測(cè)與評(píng)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(píng)估指標(biāo)，構(gòu)建評(píng)估模型，精準(zhǔn)掌握沉降演變規(guī)律。對(duì)于沉降變化的評(píng)估，通常采用沉降量、沉降速率、沉降深度等多項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合開(kāi)采區(qū)域的地質(zhì)條件、開(kāi)采方式與礦區(qū)資源的再利用情況，構(gòu)建綜合評(píng)估模型。沉降量是最常用的評(píng)估指標(biāo)，其測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過(guò)沉降計(jì)、全站儀、激光掃描等手段獲取，并對(duì)比開(kāi)采前后的地面高度變化，進(jìn)而估算地表沉降的空間分布特征。沉降速率反映了沉降過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)沉降變化，能夠量化地表沉降的演變趨勢(shì)，為動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)采方式提供數(shù)據(jù)支持[6-8]。沉降深度進(jìn)一步揭示沉降影響的嚴(yán)重程度，尤其是對(duì)礦區(qū)周邊建筑物和交通基礎(chǔ)設(shè)施的影響程度。綜合評(píng)估模型通常以地表沉降理論為基礎(chǔ)，結(jié)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(yù)測(cè)模型，進(jìn)一步推出沉降發(fā)生的時(shí)間尺度和空間分布規(guī)律[9-10]。

4 結(jié)論

隨著地表沉降問(wèn)題的日益嚴(yán)重與礦區(qū)資源的日益緊張，研究與開(kāi)發(fā)礦區(qū)資源再利用的沉降減緩方法，將對(duì)煤礦開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性、安全性和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與深遠(yuǎn)的社會(huì)價(jià)值。因此，深入研究基于礦區(qū)資源再利用的中厚煤層開(kāi)采地表沉降減緩方法，不僅是煤礦開(kāi)采技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，而且是推動(dòng)礦區(qū)資源可持續(xù)利用與生態(tài)修復(fù)的重要方法。

參考文獻(xiàn)

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(yù)測(cè)：以貴州大河邊向斜大河區(qū)塊為例[J].天然氣地球科學(xué)，2023（5）：928-938.

2 李鑫烽.薄厚優(yōu)劣煤層的配采方案設(shè)計(jì)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(yīng)用[J].戶(hù)外裝備，2020（7）：137.

4 楊勝利，吳山西，王兆會(huì)，等.深埋厚沖積層薄基巖煤層開(kāi)采地表沉降特征與預(yù)測(cè)方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2023（2）：523-537.

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

7 鄧 雨.厚松散層下煤層開(kāi)采地表變形特征與預(yù)計(jì)模型修正[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2024.

8 熊 偉.煤層開(kāi)采地表動(dòng)態(tài)沉降預(yù)測(cè)模型及其參數(shù)研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2022.

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

10 彭世龍，程 樺，姚直書(shū)，等.厚松散層底含直覆薄基巖開(kāi)采地表沉陷預(yù)計(jì)及特征研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2022（12）：4417-4430.