井工煤矿地表沉陷预测及土地复垦修复研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 （工程硕士）（工程硕士） 井工煤矿地表沉陷预测及土地复垦井工煤矿地表沉陷预测及土地复垦 修复研究修复研究 PREDICTION OF SURFACE SUBSIDENCE IN UNDERGROUND COAL MINE AND STUDY ON LAND RECLAMATION AND RESTORATION 李 卉 李 卉 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2019 年年 09 月月 万方数据 国内图书分类号X752 学校代码10213 国际图书分类号502 密级公开 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 井工煤矿地表沉陷预测及土地复垦 井工煤矿地表沉陷预测及土地复垦 修复研究 修复研究 硕 士 研 究 生 李卉 导 师 刘冬梅 教授 申请学位 工程硕士 学科 环境工程 所 在 单 位 内蒙古煤炭地质调查院 答 辩 日 期 2019 年 09 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 万方数据 Classified Index X752 U.D.C 502 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering PREDICTION OF SURFACE SUBSIDENCE IN UNDERGROUND COAL MINE AND STUDY ON LAND RECLAMATION AND RESTORATION Candidate Li Hui Supervisor Prof. Liu Dongmei Academic Degree Applied for Master of Engineering Speciality Environmental Engineering Affiliation Inner Mongolia Coal Geological Survey Institute Date of Defence September, 2019 Degree-Conferring-Institution Harbin Institute of Technology 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - I - 摘 要 煤炭在中国的能源结构中占有重要地位，但煤炭资源的大规模开采也对煤矿 区的自然生态环境造成了巨大的破坏。因此，煤矿采空区上方地表沉陷预测对生 态环境保护具有重要的现实意义。 本文较系统地总结了国内外井工煤矿沉陷预测与治理现状，依据井工煤矿土 地复垦要求，构建了煤矿地表沉陷预测模型，确定了土地复垦模式，提出了土地 复垦治理措施，包括预防和控制措施、工程措施、植物修复与监测措施、管理和 保护措施。 本文以东胜煤田万利一矿为研究对象，通过实地调研收集研究区环境现状相 关信息，采用遥感与地理信息系统相结合的方法获取研究区生态环境信息。在分 析研究区生态环境现状的基础上，对研究区土地利用类型进行了划分，主要有裸 土地、裸露基岩和荒草地。对动植物群落进行了系统分类，确定为普通群落，无 珍奇动植群落存在。研究区属于半干旱气候，自然生态环境相对脆弱，抗干扰能 力差。在科学分析煤矿开采对周边生态环境的影响因素后，引入概率积分法进行 了沉陷区预测。预测结果为煤矿闭坑时地煤下沉最大值 18.63 m、倾斜度 184.49 mm/m、曲率 2.7810-3 m、水平移动 5.59 m、水平变形 84.13 mm/m，井田 边界外最大影响半径 127 m，地表沉陷面积 42.30 km2，煤矿闭坑后将会对生态环 境造成较大破坏，必须采取合理的防治措施。 根据土地现状情况的分析研究，基本确定了煤炭开采对土地资源与生态环境 造成的影响程度。按不同破坏情况制定了自然生态环境保护与治理方案，提出了 沉陷裂隙的填充方法。沉陷区按林地、耕地、草地提出了具体治理方法，制定了 沉陷区长期治理过程中的监测系统设置方案，并对现在的生产煤矿提出了合理化 的生态环境保护建议。 本文中的沉陷区预测方法、生态环境保护措施可供我国西北部地区的产煤大 省山西省、陕西省、内蒙古及新疆等相类似煤矿的沉陷区生态环境治理参考 与借鉴。 关键词井工煤矿；沉陷预测；概率积分法；土地复垦与修复措施；修复策略 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - II - Abstract Coal plays an important role in the energy structure of China, but the large-scale exploitation of coal resources has also caused great damage to the natural ecological environment of coal mining areas. Therefore, the prediction of surface subsidence above the mined-out area has important practical significance for ecological environment protection. This paper systematically summarizes the research status of mine and coal mine control measures at home and abroad. Considering the characteristics of land reclamation in underground coal mines, the paper constructs a prediction model for the surface of coal mines, clarifies land reclamation models, and ulates appropriate land reclamation control measures, including prevention and control measures, engineering measures, phytoremediation, monitoring measures, management and protective measures, etc. Taking the well-field coal mine as the research object, this paper collects the existing environmental-related ination of the research area through field survey, and uses the of combination of remote sensing and geographic ination system to obtain the ecological ination of the research area. Based on the analysis of the current status of the ecological environment in the research area, types of land use in the research area were divided into bare land, bare bedrock and barren grassland. The animal and plant communities were systematically classified and identified as ordinary communities, with no rare animal or plant communities existed. The research area is semi-arid, the natural ecological environment is relatively fragile, and the anti-interference ability is poor. After scientifically analyzing the influencing factors of coal mining on the surrounding ecological environment, this paper introduced the probability integration to predict the subsidence area.According to the surface subsidence prediction results, the cumulative maximum value of surface subsidence was 18.63m, tilted to 184.49mm/m, curvature was 2.7810-3m, horizontal movement was 5.59m, and the horizontal deation was 84.13mm/m. The total field has an impact radius of 127m and the surface subsidence area is 42.3km2.After the mine is closed, the ecological environment will be greatly damaged, and reasonable prevention and control measures must be taken. Based on the analysis of the current situation of the land, this article basically determined the degree of impact of coal mining on land resources and the ecological environment. According to different damage situations, natural ecological environment protection and management schemes had been ulated, and a for filling subsidence cracks was proposed. This paper proposed specific treatment s for forest land, cultivated land and grassland in the subsidence area, developed a monitoring system setting scheme during the long-term treatment of subsidence area, proposed rationalization of ecological environment protection for the current production coal mine. The prediction and ecological environment protection measures of the subsidence area in this article can be used for reference for the ecological environment management of the subsidence areas of similar coal mines in Shanxi, Shaanxi, Nei Mongol, Xinjiang, large coal-producing province in northwestern China. 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - III - Keywords Underground coal mine, Subsidence prediction, Probability integration, Land reclamation and restoration measure, Repair strategy 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - IV - 目 录 摘 要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ..................................................................................................................... II 第 1 章 绪 论 .................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 .................................................................................................... 1 1.2 国内外有关理论及其研究现状 ............................................................................ 2 1.2.1 生态学有关理论 ............................................................................................ 2 1.2.2 国外研究现状 ................................................................................................ 5 1.2.3 国内研究现状 ................................................................................................ 6 1.3 研究目的、研究内容和技术路线 ........................................................................ 9 1.3.1 研究目的 ........................................................................................................ 9 1.3.2 研究内容 ........................................................................................................ 9 1.3.3 技术路线 ...................................................................................................... 10 第 2 章 研究方法与研究对象 ....................................................................................... 11 2.1 课题研究方法 ....................................................................................................... 11 2.1.1 生态环境现状调查方法 ............................................................................... 11 2.1.2 地表沉陷预测概率积分法 ........................................................................... 12 2.2 课题研究对象 ...................................................................................................... 15 第 3 章 研究区自然现状调查和生态环境现状分析 .................................................. 16 3.1 引言 ...................................................................................................................... 16 3.2 研究区现状概况 .................................................................................................. 16 3.2.1 研究区自然、社会环境现状概述 .............................................................. 16 3.2.2 煤矿概况 ...................................................................................................... 19 3.2.3 煤矿已开采区域沉陷情况 .......................................................................... 21 3.3 研究区生态环境现状调查分析 .......................................................................... 21 3.3.1 研究区植被类型调查分析 ........................................................................... 23 3.3.2 研究区土地利用类型调查分析 ................................................................... 27 3.3.3 研究区土壤侵蚀类型调查分析 ................................................................... 31 3.3.4 研究区野生动物资源调查分析 ................................................................... 33 3.3.5 研究区土壤类型调查分析 ........................................................................... 34 3.4 本章小结 .............................................................................................................. 34 第 4 章 研究区井工煤矿开采地表沉陷特征预测及环境影响分析 ...................... 35 4.1 引言 ...................................................................................................................... 35 4.2 研究区井工煤矿地表沉陷预测及环境影响分析 .............................................. 35 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - V - 4.2.1 地表沉陷预测 .............................................................................................. 35 4.2.2 地表沉陷环境影响分析 .............................................................................. 41 4.3 本章小结 .............................................................................................................. 43 第 5 章 地表沉陷区生态环境保护与土地复垦修复措施 .......................................... 44 5.1 引言 ...................................................................................................................... 44 5.2 生态环境保护措施 .............................................................................................. 44 5.2.1 分阶段生态环境保护措施 .......................................................................... 44 5.2.2 分区域生态环境保护措施 .......................................................................... 48 5.3 土地复垦修复措施 .............................................................................................. 50 5.3.1 生态恢复的范围及目标 .............................................................................. 50 5.3.2 土地复垦措施 .............................................................................................. 50 5.3.3 土地复垦监测及管护措施 .......................................................................... 54 5.3.4 矿区生态环境防治措施 .............................................................................. 55 5.4 本章小结 .............................................................................................................. 56 结 论 .............................................................................................................................. 57 参考文献 ........................................................................................................................ 58 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 .................................................... 62 致 谢 ............................................................................................................................ 63 个人简历 ........................................................................................................................ 64 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 研究背景及意义 我国煤炭资源丰富， 已探明的总资源储量占全球总探明资源储量的 11， 2018 年原煤产量近 35 亿吨，是世界上目前最大的煤炭生产国。我国一次性能源的基本 特点是富煤、贫油、少气，此特点决定了煤炭在一次能源中的主导地位今后相当 长的时期内不会改变 [1]。煤炭资源的大规模合理开发与利用，既能够创造巨大的 社会效益，满足国民经济健康、持续发展，又能为地方经济带来丰厚的经济效益， 所以煤炭开发必将长时期进行。不论是露天煤矿开采、还是井工煤矿开采都会不 同程度的破坏周边的生态环境。尤其是我国西部地区的山西、陕西、内蒙古均为 产煤大省，气候干燥、降雨量小，煤炭开发造成的生态环境破坏程度更大。井工 煤矿开采引发的生态环境问题主要有地面沉降、土壤侵蚀、土地荒漠化等，如不 及时采取相应的预防与治理措施，对矿区生态环境造成的破坏必将无法挽回。在 当前的社会发展背景条件下，无法为了保护环境而完全终止对煤炭的开发与利用， 但一定要积极采取预防措施，不得以牺牲生态环境为代价来换取煤炭开采的经济 效益。尽管在开采过程当中，影响到矿区周边的生态环境，不过也不能说只要开 采煤炭，就必然会破坏环境。只要能够准确的评估环境自身的承载力，并且启动 相应的控制举措，就能够将采矿对环境造成的损害降到最低。因此要在一定程度 上限制开采强度，采取措施，科学合理的开发煤炭资源，尽可能降低开采对环境 造成的破坏[2]。 在中国，煤炭是非常核心的能源与工业原材料，属于典型的不可再生资源， 科学合理的开采煤炭资源，切实保护煤矿区的生态环境，确保煤炭工业能够健康 稳定的发展，走可持续发展道路。制定战略规划与目标，根据当前的实际情况， 制定相关政策。我国产煤大省绝大多数煤层的埋藏深度都比较大，适合井工开采。 煤矿井下长期开采形成的采空区将破坏上覆地层的原有受力平衡，不可避免地造 成不同程度的地表变形或沉陷，从而影响建筑物、水体、道路等以及位于塌陷区 内的地表生态环境，改变它们的原始状况，甚至是破坏，导致工业与农业生产难 以正常展开，人民群众的生命财产安全将受到很大的威胁[3]。所以，要积极的预测 由于煤炭开采导致的地表沉陷以及对周边生态环境造成的影响，协调处理煤炭开 发和生态环境保护之间的相互关系，针对采煤区的生态环境进行保护与修复，同 时兼顾生态效益与经济效益，做到早预防、早治理意义重大。由于开采煤矿导致 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 2 - 的地表塌陷的尽快治理，必然要影响到煤炭企业的正常生产，同时也要影响地区 经济的稳定发展[4]， 科学预测采空区引发的地表沉陷和煤矿区生态环境综合治理工 作意义重大，势在必行。 内蒙古中部的东胜煤田是国家“十三五”规划煤炭开发重点地区，其中的万 利矿区已被列为全国十大煤炭开采矿区之一，可采煤层埋藏深度适中、层数多、 资源量大、煤质好、开采技术条件简单，适合井工开采。中国神华能源股份有限 公司神东煤炭分公司下属的万利一矿年生产能力 1000 万吨，井工开采，开采深度 200300 m，采空区上方极易造成地表沉陷，是我国西北地区井工煤矿开采地表沉 陷治理的典型矿井。选择万利一矿项目为研究实例，对于今后我国北方井工煤矿 采空区上方沉陷区预测与科学治理具有广泛的代表意义和重要的现实意义。 1.2 国内外有关理论及其研究现状 井工煤矿采空区上方地表沉陷预测与综合治理的相关理论研究起步较晚，最 近几十年来随着自然生态环境的不断恶化，人类对环境保护意识的提高，才引起 全世界专家与学者的重视。有限的土地资源具有经济属性与自然属性，对其影响 因素多，且相互关系比较复杂，是人类长期赖以生存与发展的重要条件。要想大 力发展土地复垦，就要加快这方面的研究，积极开展相关工作，以解决人地问题。 土地占用矛盾问题一直是国内外专家与学者重点关注的课题[5]，引起人们的重视。 与本研究项目相关的理论成果主要有以下内容。 1.2.1 生态学有关理论 预测煤矿地表坍陷，进行生态环境的保护，需要用到各种各样的理论支撑， 因此要把握相关的学术理论，掌握科学合理的研究办法，深入展开相关的分析， 在此次研究过程当中，我们将会用到生态环境恢复学科、生态学学科以及生态经 济学学科等的知识与概念，进而展开相关研究。 1.2.1.1 生态学理论 生态学理论， 其英文名称为 Ecology Theory， 主要分析生物体与自然生态环境， 包括生物体和非生物体间交叉影响的学科[6]。 生态环境恢复理论是建立在生态学学科理论的基础上的。以生态科学理论、 环境科学和社会环境保护、矿区生态环境恢复的理论为基础，保护与科学合理的 利用自然资源，确保生态环境的可持续发展。生态系统良好、生态环境的更替是 一种从一个物种到另一个物种的有序的科学变化。在日常生活当中，经常会见到 各种各样相似的行为，比如自然植被被破坏，成为裸露状态时，会经历以下阶 段杂草阶段，稀疏布什阶段和密集布什阶段。整个过程通常需要几年，几十年， 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 3 - 有时甚至数百年才能实现[7] [8]。 但是， 我认为要实现这一目标还需要几百年的时间。 通过人为因素的干预，我们可以加速或改变替代的发展趋势。 1.2.1.2 恢复生态学理论 生态恢复是基于生态原理基础上衍生出的一门新学科，其英文名称为 EcologyRestoration，该学科讲述了如何恢复和改善由人类活动所造成的生物群落 或生态结构功能变化[9]， 最重要的目标是在受损的环境系统损坏严重之前将其修复 到类似或更优状态。其实并非是简单的修复，更是要创建一个新的自然环境。 通常情况对于生态修复可得到的结果主要有四点第一，回到未破坏之前水 平；第二，形成一个新的环境，兼具破坏前和新的环境特征；第三，恢复到比以 前更合理、更好的水平；第四，依然是当前的受损状态。 在整个修复过程中要求满足以下两项基本要求其一是受损程度低，将外部 因素清除干净后，受损生态环境系统可以在自然调节下自动恢复；其二是生态环 境遭到严重破坏，超出系统自行恢复能力范围，需要借助人工技术来进行修复， 以改善系统功能，实现自我代谢[10]。 对于采煤沉陷区，在进行修复过程中应坚持根据恢复生态学原理，借助各 种可以利用的技术和方法，对沉陷区的植被进行修复，恢复其生态系统功能，努 力将环境恢复到破损之前的状态，或者重新构建一个新的环境，要求该环境既要 具备之前的特征，同时也要有自己独特的特征。 1.2.1.3 生态工程理论 生态工程的核心目标就是追求人类与环境的共同可持续发展，同时也是可持 续发展的关键理论基础，追求生态环境与人类的和谐共处，同时兼顾生态效益与 经济效益，扭转落后传统的思维模式，不得片面强调经济效益，以损坏生态效益 为代价来换取经济效益， 要追求人类的和谐健康发展， 走可持续化发展的道路 [11]。 生态环境设计属于生态工程科学中非常重要的一门分支学科。该学科基于理 论和技术基础上，最大限度实现经济和人类发展相协调，在人类发展的同时不会 给生态环境造成破坏，实现可持续发展[12]。通常在设计过程中需要遵循的原则 立足环境保护以及环境整体观念基础上，在发展的同时要注意不要影响到生态环 境，注重生态整体利益，特别是整个生态系统未来长期可持续发展；对于不可再 生的资源，应格外关注；有助于强化工业生产紧密性以及循环性，加强和自然环 境之间的协调，最大限度挖掘现有资源的价值，实现回收利用；多采用环境系统 调整能力以及模式，时刻关注人类与自然生态环境间的协调发展，对设计阶段的 不利因素，最大限度的调动环境自身所具备的恢复能力，同时兼顾经济效益与生 态效益，走可持续发展的道路。充分发扬光大当地的文化习俗，综合考虑地区的 自然环境、气候以及地形地貌，研究自然环境变化而引发的环境管理难题[13-14]。 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 4 - 1.2.1.4 生态经济学理论 生态经济科学对应的英文名称为 Ecology Economy，主要指的是人、环境在资 源转化过程中用到的方法，不仅可以保证人类的行为能够获得回报，另一方面也 可以换取到长远的发展效益。顾名思义，其包含生态化学、生态经济学等多门学 科，是跨学科的一种研究理论[15]。 任何系统都有其自身平衡性，其中的组织结构、材料以及能量均保持着相对 的平衡。如果其中某个部分出现变动，必然会影响整个系统的平衡，使环境发生 变化，甚至有可能直接打破平衡，这种失衡只会给系统中的成员带来严重损失。 比如，资源浪费、自然资源被破坏、土壤荒漠化以及土壤和水资源的流失。因此 生态经济科学是一门从长远角度看待问题的科学，基于人类自然活动，并非只局 限于眼前经济效益以及实现工农业可持续发展这一目标，更重要的是要实现社会 经济和环境资源发展相协调的目标，真正从长远大局出发制定可持续发展战略规 划[16-17]。目前我们国家正处于摸索探讨中。当前，国民经济水平和经济结构均衡 发展，但同时也需要重点关注对自然环境的保护，确保生