目錄
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 國內外研究進展 2
1.2.1 采煤塌陷規律 2
1.2.2 土壤及植被影響 6
1.2.3 采煤沉陷損害控制與治理 9
1.2.4 采煤沉陷區生態修復 14
第2章 研究區自然地理與地質特征 19
2.1 位置範圍與采掘概況 19
2.1.1 位置範圍 19
2.1.2 采掘概況 19
2.2 自然地理 21
2.2.1 地形地貌 21
2.2.2 水文地質 22
2.2.3 氣像條件 24
2.2.4 植被組成 24
2.3 地層構造與煤層 24
2.3.1 礦井地層 24
2.3.2 井田構造 26
2.3.3 煤層 26
2.4 煤層與含水層組合特征 36
2.4.1 含水層特征 36
2.4.2 隔水層特征 42
2.4.3 組合特征 43
第3章 多煤層開采地表移動變形規律 46
3.1 觀測區地形與地質條件 46
3.1.1 觀測區地形地貌 46
3.1.2 地質采礦條件 47
3.1.3 覆岩條件 48
3.2 觀測站布設及地表移動觀測 49
3.2.1 地表移動觀測站布設 49
3.2.2 地表移動變形觀測 53
3.3 觀測數據計算與分析 55
3.3.1 現場觀測 55
3.3.2 觀測成果角量 56
3.3.3 地表移動穩定後角值 58
3.3.4 地表裂縫發育特征及原因 66
3.3.5 采動過程地表移動特征 70
3.4 地表移動變形規律 73
3.4.1 地表移動預計 73
3.4.2 概率積分法預計理論 74
3.4.3 地表移動參數計算 76
3.4.4 概率積分理論擬合度分析 78
3.4.5 工作面斜交疊置開采規律 80
第4章 多煤層開采地面塌陷裂縫發育規律 82
4.1 地面塌陷類型與特點 82
4.1.1 塌陷裂縫觀測與填圖 82
4.1.2 塌陷裂縫類型與特點 82
4.2 單煤層工作面地表裂縫發育規律 92
4.2.1 黃土溝壑區1-2煤層 92
4.2.2 黃土溝壑區2-2煤層 98
4.2.3 風沙灘地區2-2煤層 106
4.2.4 塌陷裂縫發育規律 109
4.3 雙煤層綜采工作面地表裂縫發育規律 111
4.3.1 N1206工作面與N1112工作面疊置區 111
4.3.2 N1206工作面與N1114疊置區 113
4.3.3 塌陷裂縫發育規律 115
4.4 單/雙煤層開采工作面礦壓顯現規律 116
4.4.1 單煤層開采 116
4.4.2 雙煤層開采 121
4.4.3 礦壓顯現規律 124
4.5 多煤層開采地面塌陷裂縫成因 125
第5章 采煤對土壤及植被的影響 126
5.1 采煤對土壤水分及養分的影響 126
5.1.1 土壤樣品采集與測試 126
5.1.2 土壤水分 129
5.1.3 土壤養分 135
5.2 采煤對植物的影響 141
5.2.1 植物樣方布設與樣品采集 141
5.2.2 植物豐富度及群落結構 142
5.2.3 植物物種多樣性 148
5.2.4 植物地上生物量 149
5.2.5 適生植物群落 150
5.3 采煤對土地利用和植被覆蓋度的影響 155
5.3.1 井田範圍 161
5.3.2 工作面地表植被及土地利用 162
5.4 采煤對鄰近礦區植被及土壤濕度的影響 163
5.4.1 臨近礦區植被 163
5.4.2 臨近礦區土壤濕度 169
第6章 多煤層開采地表塌陷減緩控制技術 178
6.1 煤層群開采合理工作面與煤柱錯距數值計算 178
6.1.1 UDEC數值模型的建立 178
6.1.2 1-2煤層與2-2煤層合理區段煤柱錯距 180
6.1.3 1-2煤層與2-2煤層同采工作面合理走向錯距確定 184
6.2 煤層群開采合理工作面與煤柱錯距理論計算 186
6.2.1 合理區段煤柱錯距的理論計算 186
6.2.2 淺埋煤層群同采工作面合理走向錯距分析 190
6.2.3 煤層群開采合理工作面布置 195
6.3 科學開采方案 196
6.3.1 開采方法與工藝 196
6.3.2 工作面布置方案 197
6.3.3 薄厚煤層配采關繫 197
第7章 采煤塌陷地治理 202
7.1 陝北采煤塌陷土地損毀影響因素 202
7.1.1 地形地貌條件 202
7.1.2 開采方法 203
7.1.3 地質采礦條件 204
7.1.4 土地覆被/利用 204
7.2 采煤塌陷裂縫的治理原則及分類 204
7.2.1 治理原則 205
7.2.2 演化過程分類 205
7.2.3 發育形態分類 205
7.3 采煤塌陷裂縫治理技術及充填工藝 207
7.3.1 治理技術 207
7.3.2 充填工藝 209
7.4 采煤塌陷坡地微地貌整治技術 212
7.4.1 侵蝕溝微地貌治理技術 212
7.4.2 坡地微地貌整治技術 217
第8章 黃土溝壑區多煤層開采生態恢復技術 220
8.1 菌劑改良 220
8.1.1 菌劑改良的材料和方法 220
8.1.2 菌劑改良的效應 222
8.1.3 菌劑改良的配比分析 231
8.2 采煤塌陷區菌劑應用 232
8.2.1 菌劑應用植物種類選擇 232
8.2.2 植被配置及現場布局 233
8.2.3 微生物菌劑應用 237
8.3 采煤塌陷區菌劑生態修復效應 237
8.3.1 生態修復效應監測方法 238
8.3.2 檸條生態修復效應 240
8.3.3 樟子松 紫花苜蓿生態修復效應 243
8.3.4 黃花菜生態修復效應 250
參考文獻 255

第1章緒論
1.1概述
陝西省是我國的煤炭大省，境內分布有陝北侏羅紀煤田、陝北石炭二疊紀煤田、陝北三疊紀煤田、渭北石炭二疊紀煤田、黃隴侏羅紀煤田五大煤田，含煤面積5萬多平方千米，約占全省面積的1/4。煤炭地質儲量3851億t，探明儲量1701億t，居全國第三位。國家規劃的14個大型煤炭基地，陝西省有神東、陝北、黃隴3個。2018年陝西省煤炭產量6.23億t，居全國第三位。陝北侏羅紀煤田煤層厚、層數多、埋藏淺、煤質優良、開采條件相對簡單，為世界七大煤田之一。自20世紀80年代末陝北侏羅紀煤田大規模開發以來，煤炭生產規模和產量逐年增加。煤炭開采對當地經濟發展有巨大的推動作用，同時也造成了一繫列生態環境問題。現代綜合機械化開采在綜采工作面地表產生大量塌陷裂縫，由此引發水資源短缺、水土流失、喬木死亡等生態環境問題，成為目前煤炭生產關注的焦點。研究解決煤炭開采引發的生態環境問題已成為陝北侏羅紀煤田科學可采的重大課題。
陝北侏羅紀煤田在開發初期，主要開采單一煤層。現階段榆神和神東礦區大部分礦井進行煤層群聯合開采。神華集團神東公司大柳塔煤礦活雞兔礦井聯合開采1-2上煤層和1-2煤層、石圪臺煤礦聯合開采1-2煤層和2-2煤層，榆家梁煤礦聯合開采4-2煤層和4-3煤層；陝煤集團陝北礦業公司檸條塔煤礦聯合開采1-2煤層和2-2煤層；陝煤集團陝北礦業公司張家峁煤礦聯合開采3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層；陝煤集團陝北礦業公司紅柳林煤礦聯合開采4-2煤層和5-2煤層。煤層群聯合開采中地表多次塌陷，塌陷的規模和強度增大，而當前的煤層群聯合開采技術仍然沿用單一煤層開采的岩層控制理論和生產管理經驗，主要關注點是頂板安全和煤炭產能。煤層群聯合開采需要將礦井井下煤層開采與地表塌陷結合在一起，研究多煤層開采地表塌陷規律及生態環境影響，研究井下生產過程中減緩地面塌陷的方法，研究采煤塌陷區的生態修復技術。
本書以陝煤集團神木檸條塔礦業有限公司檸條塔煤礦區北翼為研究區，將井下采煤與地表生態環境相結合，進行淺埋煤層群開采地表塌陷治理技術和生態修復研究。研究多煤層開采地表移動變形及塌陷規律、多煤層開采對生態環境的影響、多煤層地表塌陷減緩控制技術、采煤塌陷區治理及生態修復技術，探討多煤層開采過程中地面塌陷及防治的方法，對采煤方法改革及防治地質災害具有重要意義，而且可為陝北采煤塌陷區的生態修復與治理提供技術依據。
1.2國內外研究進展
1.2.1采煤塌陷規律
1.地表移動變形規律
早在19世紀初，歐洲的一些采礦大國就進行了礦山開采引起地表移動變形規律的研究，第二次世界大戰後地下開采引起地表移動變形規律的研究達到鼎盛期，相繼形成了預計地表沉陷的各種理論與方法。地表移動觀測是研究礦山開采後引起地表沉陷和破壞規律的基本手段，也是形成各種預計理論的基礎，廣泛應用的Knothe理論和以隨機介質理論為基礎的概率積分法都是在大量的地表移動觀測基礎上形成的（吳侃等，1998）。
隨著科學技術的發展，地表移動觀測方法和技術有了長足的發展。全站儀的產生，使地表觀測實現了快速、準確、自動記錄處理，大大提高了地表觀測的效率，可在短時間內完成大範圍地表觀測網點的觀測工作；GPS定位技術的問世和應用，提供了用同一種儀器在同一時刻直接測出點的空間移動軌跡的可能性，在具體定位時一般通過建立模擬地表移動觀測站來實現定位。
1）山區地表移動變形規律
西山和潞安等礦區的地表移動規律研究表明，黃土山區及丘陵地山區地表移動表現為：山脊位置的垂直移動量較常規大，山谷地帶的垂直移動量受擠壓作用，移動量較常規條件下小；山坡及坡腳位置的水平移動量較常規條件下大；而山區地表的變形則沒有固定的規律，原因在於其受山體滑移作用的影響，同時山區地表的移動與地表植被覆蓋情況有關，植被覆蓋越好，山體滑移量相對越小（何萬龍等，1994）。達竹礦區柏林煤礦工業廣場滑坡區下控制開采等基岩裸露的山區地表移動變形規律研究表明：基岩裸露的采動山區地表移動變形可以由平地開采移動變形預計與山體滑移兩部分通過疊加的方式進行預計，應用合理的開采順序、開采方向和開采時間可有效控制山體引起的移動變形，有效控制山體滑坡災害發生（餘學義等，2003）。田家琦等（1994，1988）側重研究黃土溝壑地形條件下的滑坡、坍塌、崩塌災害的極限平衡理論預計方法，研究表明山體下開采在一定條件下可誘發山體滑坡的發生，給地面造成嚴重的破壞；同時引起地表山坡的滑移，擴大地表移動變形的範圍，增大移動變形強度，原有平原地區的地表沉陷規律不再適用。
以上研究表明，通過對山區地表移動變形進行監測可有效控制和預防采動損害。
2）厚濕陷性黃土地表沉陷破壞規律
厚濕陷性黃土覆蓋層主要分布在西部地區的陝西、山西、甘肅、寧夏和河南的大部或部分地區，其主要礦區有陝西澄合礦區、蒲白礦區、銅川礦區、黃陵礦區、彬長礦區，青海大通礦區，山西霍州礦區、臨汾礦區、晉城礦區、潞安礦區，甘肅華亭礦區、靖遠礦區、窯街礦區。這些礦區大部分為黃土殘塬溝壑地貌，開采沉陷損害不但有山區地表山體滑移的特征，而且具有濕陷性黃土裂縫破壞的特征。
王雲虎等（1994）得出黃土層的基本特性、物理力學性質及其與開采沉陷地表裂縫之間已有預計地表裂縫公式。餘學義（1993）得出上位岩層位移變形動態預計公式，確定黃土層裂縫角的計算方法，提出以分層開采、邊界充填或邊界部分開采及離層充填法應用於控制或減弱地表裂縫破壞程度。黃土地區地表下沉繫數偏大，表土層移動角大於60°，厚黃土層地表移動變形突出表現為不連續性和集中性，地表移動變形周期短、速度快（高榮久，1998）。郭文兵等（2011）給出地表裂縫角的大小，得出了起動距、超前影響角、地表**下沉速度及**下沉速度滯後角等動態地表移動參數。田小松等（2013）在預測模型修正的基礎上，運用地表變形預計繫統對丘陵山區采煤地地表變形預測，通過對比預計裂縫結果和裂縫調查結果，分析裂縫與地表變形參數之間的相關性。
在地表設置一定間隔的監控點並記錄移動情況，研究表明受到地表坡度的影響地表坡體會出現一定程度的滑移，當工作面位置恰好位於坡體下方時，隨著地表坡度的增加，地表兩個**水平位移值之間的差值逐步增大（徐涵洵等，2014）。通過以地表下沉和水平移動預計值為主要參數計算坡段變形值，建立山區采動地表裂縫的預測模型（韓奎峰等，2013）；用模擬求參的方法求出概率積分法地表移動變形預計參數（李俊芳等，2014）。研究表明，山區在采深大、采高大、開采深厚比大、松散層薄的條件下因地下煤層開采引起的地表移動變形規律的基本參數，對其他類似礦井開采具有借鋻作用，在大工作面綜合機械化快速推進的開采條件下，地表移動起動距縮短，地表點的移動延續時間也大為縮短（張海港，2014）。
以上研究表明厚濕陷性黃土覆蓋層、黃土殘塬溝壑地貌采動地表移動變形破壞具有特殊性，主要特征為：①地表裂縫破壞；②溝坡區的滑坡、坍塌；③沉陷區活動劇烈持續時間較短；④下沉繫數大和沉陷衍生損害嚴重。
3）厚松散層薄基岩地表沉陷破壞規律
厚松散層薄基岩主要分布在陝西榆林的神府礦區，該礦區大部分為煤層埋藏淺、地表松散層厚度大、煤層為近水平煤層，適合建大型現代化礦井，隨著煤炭資源的大量開發，地面的斷裂和塌陷處處可見，其形成原因是該區域煤層埋藏淺、松散層厚度大，冒落帶往往可以達到基岩的頂界面，導致裂縫帶發展到地表或高出地表，這兩帶均為非連續變形帶。
侯忠傑（1995）對覆岩以厚砂薄基岩為主要特點的煤層，根據開采時初次來壓和周期來壓頂板岩層破壞機理建立頂板來壓時的力學模型，提出防止和減小在沿煤壁發生突然切落的*小支護強度。石平五等（1996）指出薄基岩在厚沙覆蓋層作用下的整體切落是頂板破斷運動的主要方式，保證足夠的初撐力和采空區一定充填狀況是控制要點。魏秉亮等（1999）給出地面變形影響範圍，確定地表移動變形和角量參數與特定參數。王金莊等（1997）提出采動程度衡量方法，揭示了厚松散層和岩層內部移動破壞機理及岩體移動破壞與地表沉陷的關繫。郝延錦等（2000）給出了衡量采動程度可采用的公式；謝洪彬（2001）揭示了厚衝積層薄基岩下采煤地表移動變形的一般規律和特點；王貴榮（2006）探討了在厚黃土薄基岩條件下，地下開采引起的地表沉陷的規律性；夏林發等（2007）揭示了厚松散層綜放開采條件下地表移動與變形規律。韓雲（2008）通過建立地表沉陷觀測站，運用概率積分法進行地表移動變形預計；徐乃忠等（2008）繫統總結了厚松散層條件下開采沉陷地表移動變形規律、地表移動變形預計理論、地表移動參數與地質采礦條件間的關繫及對厚松散層條件下開采沉陷的控制現狀。劉義新（2010）繫統地研究了厚松散下深部采煤地表移動動態、靜態規律和地表移動參數，得出了上覆岩土體破壞規律，揭示了采動影響下雙層介質的岩移機理和規律。張傑等（2011）通過對工作面的礦壓觀測及對支架活柱下縮量、工作面頂板移近量、頂板來壓強度及巷道變形破壞參數的實測，總結了厚松散層覆蓋層淺埋煤層綜采工作面的礦壓顯現規律。陳俊傑等（2013）基於厚松散層下地表移動觀測站數據，得到厚松散層下概率積分法參數，分析了概率積分法參數與地質采礦條件之間的函數關繫，給出了具體的函數關繫式。王家勝等（2015）利用MATLAB開發了厚松散層下礦區開采地面沉陷預計軟件，實現了對工作面任意點在走向和傾向上的下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形的預計及以二維等高線形式可視化顯示。
上述研究反映厚松散層薄基岩采動地表移動變形規律，主要表現為：①地表出現非連續變形；②地表裂縫破壞嚴重，存在臺階下沉；③地面變形時間較短；④溝坡區出現滑坡、坍塌；⑤沉陷衍生損害嚴重等。
綜上所述，檸條塔煤礦地形地貌屬於黃土溝壑區，這種條件下的地表移動規律不但有山區地表移動變形的特點，而且具有厚黃土覆蓋層地表移動的特點，根據檸條塔煤礦地質、地形、開采條件、工作面開采順序及現場開采實際情況，設計N1114和N1206工作面開采的地表移動觀測站，進行開采地表移動變形觀測研究。通過地表移動觀測取得相關岩移參數，進行計算分析，為地表沉陷災害治理、煤層安全開采及留設保護煤柱提供相關參數和科學依據。
2.地表裂縫發育規律
隨著近些年我國煤炭的大規模開采，國內許多學者對綜采引起的地表裂縫發育特征及規律的研究不斷深入，這方面研究成果主要有以下幾個方面。
（1）早期已有學者（範立民，1995）開展采空區地表裂縫的研究；餘學義（1996）根據渭北煤田地表觀測數據，對采煤地表裂縫類型及其形成機理進行分析；吳侃等（1997）對淮南新莊孜煤礦緩傾斜煤層工作面地表裂縫模型預測驗證，較早地得出了工作面的地表裂縫分布和發育特征。
（2）王洪亮等（2000）在神木縣大柳塔地區開展的1?5萬生態地質填圖中，發現地面沉陷裂縫群，其分布範圍與煤層采空區吻合，延伸方向與煤礦設計巷道方向一致，範圍略小於采空區，確定了該地裂縫群是由於煤層采空區地面沉陷引起，並對未來采空區的範圍進行了預測。2018年侯恩科在“陝西省典型煤礦區地面塌陷機理及防治對策研究”中，對神府礦區、銅川礦區和彬長礦區采空區地面塌陷現狀和基本特征進行了全面研究，對地表裂縫的類型進行了繫統地闡述。
（3）隨著綜采技術的發展，較多的研究集中在綜采工作面裂縫發育規律上。姚娟等（2009）根據實地監測數據，研究塌陷區地表裂縫的發育與分布特征，裂縫的寬度、深度與變形等規律。劉輝等（2014，2013）在神東大柳塔煤礦12208、22201、52304工作面建立了地表移動與地裂縫發育綜合監測網絡，研究了1-2、2-2、5-2不同埋深煤層開采的地表移動規律及地裂縫發育規律，分析了薄基岩淺埋煤層開采造成的地表塌陷型裂縫的形成機理。馬施民等（2014）依據野外調查的資料分析，對地裂縫的類型特征按平面幾