露天煤礦減損開采及生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理技術(shù)方法研究

文章編號(hào)：1674-6139（2025)08-0152-05

中圖分類號(hào)：X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Loss Reduction Mining and Ecological Environment Restoration and Management Technology in Open pit Coal Mines

RenTianzhu

(StateEnergyXinjiangZhundongEnergy Co.，Ltd.，Urumqi 83OOOO，China)

Abstract:Duringeepitcoalningproess，heiginallandructurendegetatioillbemaged，adingtoo mentalpolutionproblemssuchassilrosionTerefore，techologiesforducingninglosesandecologicaleviromentstoatio inopen-pitcoalminesareproposedBasedonthedipangleofthecoalseam，theminingdepthofthecoalmineiscalculated，andthe offsetdistaceofthopenpitcoalmineisobtainedbyusinggeneticalgorithm.Combinedwiththeonstrainteqation，adyamice ductionminingsequenceofthecoalmineisestablishedtodeterminetheL-shapedcoalminereductionminingplan，whichreducesthe landdamageandcologicalenvironmentpolutioncausedbyminingactities.Atthesaetime，aseriesofspecificmeasureswillbe takentopromotetheapidestorationofteologicalenvironmentinteminingreaandimproveitssustainabledevelopmentcapacity Theresultsindicate thatthestudiedtechnologycanfectivelyreducethelandoccupationrangendhavebeterreductionandmining effects in the process of open-pit coal mine reduction and mining.

KeyWords:openpitcoal mines；mining height；miningofset；reducemining losses；ecologicalenvironmentpollution

前言

露天煤礦開采過程中，大型礦坑的形成往往伴隨著地表水與地下水作用以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致植被破壞、地貌功能喪失、土壤侵蝕[1]等環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境。因此，研究減輕露天煤礦開采損害和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)管理技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

近年來，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)露天煤礦減損開采及生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理技術(shù)方法進(jìn)行了研究，例如，文獻(xiàn)[2]提出將厚煤層分層開采的技術(shù)，通過減少采礦損失和土地資源浪費(fèi)，提高煤炭資源回收率。但也存在假屋頂鋪設(shè)工作量大、推進(jìn)速度慢等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]指出，該技術(shù)對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性有一定要求，復(fù)雜多變的地質(zhì)條件可能增加采礦的難度和風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[4]則采用先進(jìn)的采礦設(shè)備和技術(shù)，有效減少了煤炭開采對(duì)土地資源的占用和破壞，提高了煤炭資源的回收率。但實(shí)施減損開采技術(shù)需要大量的資金和技術(shù)力量投入，導(dǎo)致開采成本較高。

當(dāng)前露天煤礦開采方法忽視了對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，導(dǎo)致了一系列的環(huán)境污染問題。因此，研究旨在探索減少采礦損失和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的新技術(shù)，為露天煤礦的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持和解決方案，研究露天煤礦減損開采及生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理技術(shù)。

1露天煤礦減損開采及生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1計(jì)算露天煤礦減損開采錯(cuò)距

露天煤礦開采活動(dòng)會(huì)破壞地表植被，導(dǎo)致土壤裸露，易受風(fēng)蝕和水蝕，同時(shí)，采礦過程中產(chǎn)生的廢棄物(如煤矸石)會(huì)含有重金屬和其他有害物質(zhì)，若處理不當(dāng)，會(huì)滲入土壤，造成土壤污染。為了減少開采區(qū)域的裸露面積，需要實(shí)施開采錯(cuò)距。錯(cuò)距指的是在露天煤礦開采過程中，為了保持礦體穩(wěn)定、減少地表沉陷等目的，相鄰開采臺(tái)階或工作線之間設(shè)置的水平距離。這種錯(cuò)距的設(shè)置對(duì)煤礦的減損開采效果具有顯著影響。因此，在設(shè)計(jì)煤礦減損開采方案之前，應(yīng)依據(jù)觀測(cè)區(qū)域的采動(dòng)情況，優(yōu)化設(shè)置開采錯(cuò)距，為減損開采奠定基礎(chǔ)。假設(shè)煤層傾角為θ，根據(jù)基巖厚度和松散層厚度，可以得到開采深度，通過調(diào)整上下分層工作面邊界的距離，使煤層由于開采出現(xiàn)的變形區(qū)分離，并設(shè)置拐點(diǎn)偏移距，表達(dá)式為式(1)：

式（1）中， s₀ 表示地表移動(dòng)走向； P_c 表示開采主要影響半徑。若基巖邊界的主要影響角為 β₀ ，則上分層工作面的采放高度可表示為式(2)：

式(2）中， ?_y 表示隔水層底界的影響半徑； k₀ 表示上下分層拉伸區(qū)的峰值 ;j_p 表示邊界上覆基巖厚度。以工作面地質(zhì)采礦條件為依據(jù)，結(jié)合工作面走向和傾角方向，采用式（3）計(jì)算煤礦開采錯(cuò)距，即：

式(3）中， γ₀ 表示煤巖體剪切模量； m_t 表示煤層內(nèi)摩擦角 ;f_y 表示容重； h_c 表示開挖步距。依據(jù)煤層傾角，計(jì)算煤礦開采深度，并結(jié)合拐點(diǎn)偏移距和采放高度，求取露天煤礦減損開采錯(cuò)距，為接下來構(gòu)造減損開采序列做準(zhǔn)備。

1.2構(gòu)造煤礦動(dòng)態(tài)減損開采序列

上述露天煤礦減損開采錯(cuò)距的計(jì)算方法，是制定煤礦開采方案的基礎(chǔ)步驟之一。通過計(jì)算合理的開采錯(cuò)距，可以確保開采過程中的礦體穩(wěn)定和地表沉陷控制，從而減少土地及生態(tài)環(huán)境的污染程度[5-6]。為了減少這一問題的發(fā)生概率，依據(jù)目標(biāo)條件與約束方程確定煤礦開采方案。根據(jù)露天煤礦減損開采錯(cuò)距，將開采區(qū)域劃分為多個(gè)獨(dú)立的單元體，以最小化地表沉陷為目標(biāo)設(shè)計(jì)函數(shù)，并將邊坡穩(wěn)定性最大與資源回收率最高為目標(biāo)設(shè)計(jì)函數(shù)，即：

式（4）中， y_t 表示 Φ_t 時(shí)刻的缺土量 ;j_e 表示表土補(bǔ)充量 ;μ₀ 表示單位矩陣； d_b 表示表土最大儲(chǔ)量； w₀ 表示單元體個(gè)數(shù)； a_p 表示煤礦開采空間的體積； n₂、n₃ 分別表示最大化邊坡穩(wěn)定性和資源回收率。綜合以上計(jì)算與分析，構(gòu)造煤礦動(dòng)態(tài)減損開采序列，即：

N(Ω)=-σ₁n₁+σ₂n₂+σ₃n₃

式(5）中， 均表示分配權(quán)重； N(Ω) 表示在約束條件下，煤炭最大產(chǎn)出量對(duì)應(yīng)的開采路徑。基于煤礦開采錯(cuò)距，將最小化地表沉陷量、最大化邊坡穩(wěn)定性和資源回收率為目標(biāo)構(gòu)造函數(shù)，并結(jié)合約束方程建立煤礦動(dòng)態(tài)減損開采序列，以進(jìn)一步確定煤礦減損開采方案。

1.3 確定煤礦減損開采方案

為了減輕煤礦過程對(duì)土壤和水資源的污染，減少礦區(qū)地表的總暴露面積，對(duì)礦區(qū)實(shí)施\"L”型推進(jìn)方案，示意圖見圖1。

圖1L型推進(jìn)方案示意圖

依據(jù)最大煤炭產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的開采路徑，規(guī)劃一條L形采礦路線。將L形路徑的總長(zhǎng)度設(shè)置為 5000m ，水平段長(zhǎng)度為 3000m ，垂直段長(zhǎng)度為 2000m 。以L型巷道為基礎(chǔ)，將工作面寬度設(shè)定為 200m ，推進(jìn)速度設(shè)定為每天 20m 。按照設(shè)定的推進(jìn)速度和工作面寬度進(jìn)行水平分段開采。在開采過程中，采用優(yōu)化的采煤工藝，保證煤炭提取率將達(dá)到 90% 以上，減少煤炭損失。完成水平段開采后，轉(zhuǎn)向垂直段開采。在垂直開采過程中，加強(qiáng)工作面支護(hù)，防止頂板和煤壁坍塌。同時(shí)，優(yōu)化采煤機(jī)的運(yùn)行，確保穩(wěn)定的采煤率。根據(jù)上述分析，結(jié)合開采路徑，確定L型煤礦減損開采方案，實(shí)現(xiàn)煤炭減損值最大化。

1.4生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理策略設(shè)計(jì)

煤礦減損開采過程中的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與管理策略是一項(xiàng)全面、系統(tǒng)的工作，旨在最大限度地減少采礦活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建。以下是四項(xiàng)關(guān)鍵策略及其具體實(shí)施措施。

1.4.1礦區(qū)土壤修復(fù)與管理

首先，對(duì)礦區(qū)土壤進(jìn)行全面調(diào)查和評(píng)估，識(shí)別煤礦開采過程中產(chǎn)生的廢氣、廢水、固體廢棄物（如煤矸石)等污染源，明確污染物的種類、數(shù)量及排放方式，確定污染程度和修復(fù)目標(biāo)[7]。其次，采用土壤改良、重金屬固化和穩(wěn)定以及植物修復(fù)等技術(shù)，去除或降低土壤中的污染物含量。同時(shí)，加強(qiáng)礦區(qū)植被恢復(fù)，選擇適宜的當(dāng)?shù)刂参锓N植，提高土壤肥力和生態(tài)功能。

1.4.2水資源保護(hù)與恢復(fù)

在煤礦開采過程中建立嚴(yán)格的水資源管理制度，防止開采廢水污染地下水和地表水。使用物理、化學(xué)或生物方法處理受污染的水體并恢復(fù)水質(zhì)。同時(shí)，加強(qiáng)礦區(qū)水資源循環(huán)利用，減少淡水資源消耗。此外，還應(yīng)采取建設(shè)人工濕地和雨水收集系統(tǒng)等措施，增加礦區(qū)的水資源儲(chǔ)量。

1.4.3植被恢復(fù)和生態(tài)重建

種植適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)快的植物種，以對(duì)礦區(qū)棄土、邊坡等區(qū)域進(jìn)行植被恢復(fù)。通過人工造林、封山造林等方式，增加礦區(qū)植被覆蓋率，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和服務(wù)功能。同時(shí)，加強(qiáng)生物多樣性保護(hù)，引入適宜的野生動(dòng)物種群，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的完整性。

1.4.4生態(tài)修復(fù)技術(shù)方法

采用土壤改良劑、重金屬固化穩(wěn)定化技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)等，去除或降低土壤中的污染物含量，恢復(fù)土壤生態(tài)功能。

綜上所述，煤礦減損開采過程中的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與管理策略需要綜合考慮土壤、水資源、植被、地質(zhì)災(zāi)害等多個(gè)方面，采取科學(xué)、合理、有效的措施，促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建。

2 實(shí)例論證分析

為驗(yàn)證文章治理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的性能，將文章方法應(yīng)用在某露天煤礦開采作業(yè)中，并依據(jù)開采條件設(shè)計(jì)減損開采方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析該方法的應(yīng)用效果。

2.1 研究區(qū)概況

某露天煤礦位于華北某大型煤炭產(chǎn)區(qū)，面積約

50km² 。礦區(qū)呈東西走向，長(zhǎng)約 10km ，寬約 5km 。該煤礦煤炭?jī)?chǔ)量豐富，預(yù)計(jì)可采儲(chǔ)量5億噸。煤質(zhì)優(yōu)良，主要煤種為煙煤，具有發(fā)熱量高、含硫量低、灰分低等特點(diǎn)。露天煤礦采用現(xiàn)代采礦技術(shù)，年生產(chǎn)能力2000萬噸。礦區(qū)內(nèi)有6個(gè)采礦作業(yè)區(qū)，每個(gè)作業(yè)區(qū)的面積均相等。該礦區(qū)的煤層性質(zhì)見表1。

表1礦區(qū)煤層性質(zhì)

以圖1和表1為研究基礎(chǔ)，利用文中所提方法對(duì)該露天礦區(qū)進(jìn)行減損開采，并依據(jù)開采結(jié)果分析文章方法的可行性。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

搭建的露天煤礦降低開采損失實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括露天礦、采礦設(shè)備、邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)等。該平臺(tái)可以模擬露天煤礦的實(shí)際開采過程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄開采過程中的各種數(shù)據(jù)。采礦設(shè)備包括挖掘機(jī)、裝載機(jī)、運(yùn)輸車等，用于模擬露天煤礦的實(shí)際采礦作業(yè)；邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備包括邊坡位移監(jiān)測(cè)儀器、應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器等，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡穩(wěn)定性變化；數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括傳感器、數(shù)據(jù)采集儀器等，用于采集采礦過程中的各種數(shù)據(jù)，如采礦速度、傾角、應(yīng)力變化等。

設(shè)置煤層厚度為10米，模擬普通露天煤層的厚度;坡度角設(shè)置為 45^° ，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)整；開采速度設(shè)定每天開采1000立方米，模擬露天煤礦開采的正常進(jìn)度;監(jiān)測(cè)頻率設(shè)置為每小時(shí)一次，以確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。設(shè)置禁忌長(zhǎng)度 t=12 ，鄰域解個(gè)數(shù) m=20 ，最大迭代次數(shù) M^′=100 ，自適應(yīng)權(quán)重系數(shù) τ=0.02 ，停止規(guī)則為最大運(yùn)算次數(shù)達(dá)到80次。

通過以上實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)，可以對(duì)文章設(shè)計(jì)的露天煤礦降低損失的技術(shù)進(jìn)行深入的研究和探索，為露天煤礦的實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

2.3煤礦減損開采結(jié)果與分析

基于以上實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，將文章設(shè)計(jì)的方法應(yīng)用于該露天煤礦減損開采中，比較應(yīng)用文章方法進(jìn)行開采前后煤層本體結(jié)構(gòu)的損傷程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2煤礦減損開采技術(shù)應(yīng)用效果

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用了文章提出的煤礦減損開采技術(shù)對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行開采后，與應(yīng)用前相比，本構(gòu)損傷度明顯降低，在8個(gè)開采工作面的本構(gòu)損傷度均小于 10% ，說明文章研究的技術(shù)應(yīng)用效果良好，可以滿足露天煤礦減損開采的需求。

進(jìn)一步對(duì)該礦區(qū)實(shí)行煤礦減損開采，分析所提方法的土地占用范圍，結(jié)果見表3。

表3應(yīng)用煤礦減損開采技術(shù)后土地占用范圍

分析表3可知，采用文章設(shè)計(jì)的技術(shù)對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行煤礦減損開采，統(tǒng)計(jì)的占用土地范圍遠(yuǎn)小于應(yīng)用前，在不同開采時(shí)間條件下，文章方法占用的土地面積始終低于 50km² ，表明在此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用下，能夠有效減少土地占用，煤礦開采減損效果更好。

3 結(jié)束語

文章依據(jù)露天煤礦開采特點(diǎn)提出減損開采技術(shù)。該技術(shù)在開采中顯著減少資源浪費(fèi)與生態(tài)破壞。同時(shí)融合生態(tài)修復(fù)和管理技術(shù)，有效修復(fù)開采受損區(qū)域，恢復(fù)土地生態(tài)功能。此研究成果意義多元。其一，提升開采效率，優(yōu)化開采流程，減少損耗以提高效益;其二，降低開采成本，減少資源浪費(fèi)和優(yōu)化技術(shù)避免不必要投入;其三，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)煤炭開采和生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。這為露天煤礦可持續(xù)開采提供技術(shù)與理論支持，在煤炭行業(yè)綠色發(fā)展中起到積極的示范和推動(dòng)作用，有助于整個(gè)行業(yè)在保障能源供應(yīng)的同時(shí)，注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)，達(dá)成經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的雙贏，是煤炭開采領(lǐng)域向綠色可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要探索成果。

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