煤矿采空区上覆区域生态修复研究——以鹤煤八矿为例

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目前,煤炭仍然是我国现阶段的主要一次性能源,过去几十年,在国家大力发展经济的背景下,部分煤矿资源城市和地区无节制、不合理的开发,导致了矿区生态环境严重破环。其中,煤矿开采遗留的人工硐室,对其上覆区域造成了潜在的威胁和破坏,产生了生态环境破坏和诸多安全隐患等问题,影响煤炭城市和煤矿开采区居民的正常生产生活,破坏城市面貌以及浪费土地资源。因此,本文开展的煤矿采空区上覆区域生态修复研究是十分必要的。本文以鹤煤八矿为研究对象,利用现场勘察、数值模拟等方法进行了采空区上覆区域生态修复工程的可行性研究,旨在解决煤矿采空区的土地资源利用及生态破坏等问题。研究内容主要包括生态修复工程方案设计和数值模拟两大部分,通过研究得到以下结论:(1)通过对鹤煤八矿矿区的实际勘察、资料收集,明晰了矿区的生态现状及存在的主要问题,结合鹤壁市山城区南太行地区山水林田湖草生态修复工程部署规划等,设计了鹤煤八矿矿区湿地生态修复工程方案,方案包括地表重塑方案(包括危房拆除工程、垃圾清运工程、塌陷坑及地裂缝回填工程)、湿地及河道治理方案(包括生态滤坝建设工程、观景台建设工程、生态溢流坝建设工程、河道岸绿化工程)、土地复垦方案(农田防护林建设工程、农田道路建设工程、土地剥离再平整工程、土壤肥力恢复措施)3个子方案,有针对性的解决煤矿开采带来的一系列问题。(2)利用FLAC3D结合Rhino+griddle等工具,构建了矿区大型三维数值模型,模拟了采空区与修复工程之间的相互影响,其主要研究成果包括:1)已开采区现状稳定性模拟,结果表明在一水平和二水平的采煤扰动下,煤层顶板地层坍塌造成矿区地表沉降,地表沉降值介于0.1~0.4m,最大沉降量分布在工作面顶板地层,最大沉降值为1.86m。2)依据工程设计,在工程核心区域施加100级分级荷载,通过分析地层沉降与分级荷载的关系可知,当i<10时(i为荷载级数),即X10<100k Pa(Xi为分级荷载),地表及采空区均无明显沉降量,且当i=10时,即X10=100k Pa,地表开始出现沉降,沉降量为0.0092m,此时采空区附近地层无沉降量;当i>10时,即X10>100k Pa,沉降量基本随荷载的增大而增大;当i>17时,即Xi>170k Pa,采空区附近开始出现明显沉降量,且当i=17时,即X17=170k Pa,采空区附近地层沉降量为0.0012m;当i=100时,即X100=1000k Pa,地表最大沉降量为0.14m,其中,1号地表监测点(“ID:119971”)的最大沉降量为0.13m,2号采空区监测点(“ID:75209”)的最大沉降量为0.026m。3)根据生态修复工程设计及工程布置,分析工程构筑物在自身重力下产生的荷载对采空区及地层的影响可知,工程荷载下的最大沉降量分布在3#生态溢流坝底部,最大沉降量为3.2×10-6m,最大影响半径为11m,此时采空区上覆地层基本无沉降量。4)在工程荷载下,模拟目前正在开采的工作面对已开采区工程设计的影响,依据采煤工艺,模拟采煤工作面依次推进30m、累积推进80m、累积推进180m、累积推进380m、累积推进880m时,对采空区上覆地层及修复工程的影响,结果表明,当且仅当累积推进到880m时,最大影响半径大于采空区(三水平)埋深,此时地表出现沉降,沉降量介于0.025~0.050m。
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