高潜水位平原区采煤沉陷防治技术研究

吴婷

（山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安 271000）

0 引言

在高潜水位平原区，煤炭资源开采会导致地表沉陷，从而形成盆地，破坏了原有的水循环。同时受到降雨和地下水补给等一系列因素的影响，沉陷地内很容易形成大面积积水。由于采煤沉陷地的形成具有阶段性，因此对采煤沉陷阶段进行分门别类的划分，是科学研究采煤沉陷全生命周期的土壤生态过程的重要基础和前提。本研究针对高潜水位煤矿区沉陷面积大、地表变形严重、危害严重等特点，揭示地表沉陷过程规律，这些有关于地质生态环境问题的研究显得尤为重要。

1 国内外采煤沉陷防治技术研究现状

矿区采煤沉陷容易对社会环境问题造成一定的影响，因此，对采煤沉陷过程监测的研究成为矿区生态修复领域研究的重要课题之一。尤其在通过遥感技术快速、准确获取沉陷信息动态变化方面进展较大。国内外相关专家学者能够通过多种技术如TM、Landsat、InSAR 等遥感数据实现快速监测沉陷水体、植被的动态变化，发现采煤沉陷后水域规模扩大，区域生态景观呈现破损化、线性化和单一化趋势的普遍规律[1]。

煤炭资源被开采后，打破了采出区域的地层中原本的力学平衡，从而使得土体出现一定程度的变形，使得本区域的岩土体应力必须再次实现新的平衡关系。在煤矿煤开采前后的过程中，岩土体上呈现出的显著的位移与变形称为开采沉陷。根据相关文献记载，开采沉陷相关的发展历程大致可以划分为三个时期，分别为垂线理论时期、沉陷几何理论时期和数学模型预测时期三个时期[2]。

1.1 垂线理论阶段

因为矿产资源开发产生经济问题，并且由之所引发的社会矛盾最早起源于英国。而最早的垂线理论是在比利时人经过不断实践调查和摸索中诞生的。这个理论的主要研究成果就是认为开采所导致的下沉不会对未采煤体之上造成损害。1885年，法线理论又被相关学者Gonot等人提出。1932年，巴斯针对煤矿地表沉陷变形，提出的研究方法是对影响区域进行划分。

1.2 沉陷几何理论阶段

20世纪40年代，开采沉陷在这段时间取得了快速发展。并且由于研究的不断深入，采煤沉陷的工程问题得到了人们的注意，并成为了一个研究热点。并且由于关注和参与研究的人员不断增多，在这段时间内取得了很多科学发现。1907年，Karten第一次对地表变形中的水平移动与变形有了一个相对于前人较为客观全面的认知，与前人相比进步之处在于认识到了下沉值存在低于水平移动值的情况，并且判断该现象产生的条件之一就是煤层角度极大的情况影响[3]。

3 研究的方式方法以及实施计划

3.1 研究的方式方法

依据国内外研究现状，我们采取文献综述和实地观测两种方法对采煤沉陷防治进行研究。

（1）利用文献对采煤一般沉陷规律进行详细研究。以沉陷区沉陷规律为主题，充分查阅前人研究成果，对前人文献对沉陷区沉陷规律所得出的结论进行综合，寻找其共性，并从开采方式、煤炭赋存状况、煤层厚度和埋深、单一煤层等方面总结煤炭开采造成的地表沉陷的特征，寻求高潜水位煤矿区煤炭开采地表沉陷的基本规律[4]。例如，随着工作面的推进，地表最大下沉点的下沉速度先增大后减小，下沉速度的增大较慢，在达到最大下沉速度后快速减小。

（2）对地表沉陷的特征进行详细研究。选择典型高水位煤矿区（本次研究以济宁矿区为例），利用无人机调查济宁矿区地表土地利用现状情况及矿区开采范围。

从煤层厚度和埋深、单一煤层和多煤层等方面选择代表性工作面，通过设置观测点，结合煤矿开采的岩移观测数据，通过实地测量得到煤层厚度、煤层深度、最大下沉值及最大水平移动距离；利用多种遥感手段观测煤层倾角变化情况、采宽、地表移动边界角，并通过概率积分法计算地表下沉系数，并利用GIS软件将所检测的各个特征点转换为三维形态图，将其与UDEC4.0数值模拟软件模拟工作面移动特征相对照，多方位阐述其沉陷特征[5]。

（3）根据地表沉陷过程分阶段进行研究。基于概率积分法、UDEC模拟软件及GIS等方法所得到的数据及模型，依据全生命周期理念，按照各时间节点的下沉速度，揭示相应时间节点地表沉陷的规律，并根据其沉陷规律科学精准划分沉陷阶段。目前沉陷阶段的大致划分为五个阶段：沉陷前-沉陷前期-沉陷中期-沉陷后期-稳沉期等5个阶段。

3.2 实施计划

（1）季度计划。

表1 季度计划

（2）年度计划：本研究预在2021年1月至2021年12月之间展开。

4 基于采煤沉陷防治技术研究的可行性分析

4.1 知识技术人员知识储备趋于成熟

成立的小组各成员均已修读《地理信息系统》《基础遥感》《土地经济学》等课程，完成《高等数学》《线性代数》《概率统计》等基础理论的学习，具备专业的认知能力和逻辑分析能力以及综合处理能力。相关人员具有足够全面丰富的教学指导经验，为研究这一课题提供了有效的知识和人才技术支持[6]。

4.2 依据的数据完善且资料齐全

本研究主要是对于研究区内煤矿区塌陷过程进行全方位的探究与阐述，采用遥感影像以USGS、中国科学院地理空间数据云为数据源，数据来源比较专业精准。而且，各社会经济资料由济宁市统计年鉴提供，与国土部门沟通交流后获取土地利用现状图、煤矿区开采影响范围等相关资料。资料齐全且有力，相对来说比较有说服力。

4.3 先进的软件硬件设备提供技术支持

本研究所采用的计算机硬件设备均采用SPSS、ArcGIS、eCognition、ENVI、R语言编译器等各种软件，能充分满足研究分析使用，方便快捷。

4.4 强有力的课题支撑

针对高潜水位平原区采煤沉陷防治技术研究这一项目的指导老师有着丰富的教研水平，从事该方面研究多年，形成了很多成熟的理念。目前主持两项国家自然基金（煤矿区复垦土壤压实机理及环境效应影响、高潜水位煤矿区复垦土壤有机碳转化机制研究），作为该项目研究的强有力的课题支撑。

5 对于高潜水位平原区采煤防治技术研究的创新以及发展展望

基于本项目的研究创新之处在于前沿的选题、新颖的研究思路、先进的研究方法，对推进现代采煤防治技术的发展有着重要的意义。首先，针对高潜水位煤矿区沉陷面积大、地表变形严重、危害严重等相关特点，揭示地表沉陷中的过程规律，是地质环境问题的重中之重，同时这些生态过程问题也是国内外研究的热点方向和前沿课题[7]。

其次，针对高潜水位煤矿区的特殊性，首先对采煤沉陷的规律有初步的认知和了解，在此基础上再利用无人机、雷达和多源遥感技术结合实地观测数据分析地表沉陷特征，总结出了采煤沉陷规律，这一系列的研究为高潜水位采煤沉陷区土壤修复、土地复垦等提供完善的理论依据，研究的思路比较新颖。

最后，对于高潜水位平原区采煤防治技术的研究，利用无人机、雷达和多源遥感技术结合实地观测数据分析地表沉陷特征，进而得出高潜水位矿区采煤过程中地表沉陷的一般规律，其研究方法以及技术支撑比以往的研究更加先进。

6 结语

本研究利用无人机、雷达解译矿区地表沉陷状况，摸清采煤沉陷规律；研究煤矿区地表沉陷规律，科学划分沉陷阶段。这一研究有着重要的意义。在高潜水位平原区，已将保护环境作为重点项目，采用新型技术作为研究支撑，将采煤沉陷防治贯穿于采矿业开发利用以及保护的过程中，积极推动了矿业发展，对维护地质生态平衡有着重要的意义。