面向耕地保护的充填体-煤柱协同承载及地表沉陷控制研究
耕地是粮食安全的基石，而煤炭则是能源供应的保障。然而，采煤引起的耕地损毁问题在我国高潜水位平原煤粮复合区尤为显著。为了应对这一问题，提出基于充填体-煤柱协同承载体的区域性沉陷控制方法，以实现采煤效益与耕地保护之间的平衡。以河南省某矿区为例，基于面向耕地保护的区域性沉陷控制方法，首先，分析了充填体-煤柱协同承载体的形成过程及其设计原则；随后，使用PFC 软件模拟了不同充实率对充填体-煤柱协同承载体稳定性的影响，并基于FLAC³ᴰ 软件模拟确定了满足耕地保护指标的最优工作面开采参数。研究结果显示：充填体会对煤柱产生侧向支撑，有利于提高煤柱稳定性，形成共同支撑覆岩的协同承载体。当充实率达到85%时，充填区裂纹约占总数的73.42%，此时充填体在协同承载体中发挥主要承载作用，系统处于稳定状态。进一步分析表明，采空区位于应力释放区，而协同承载体位于应力集中区，其应力集中系数呈现出随采宽增大而上升的趋势。在综合考虑充填成本和耕地保护指标后，确定了该矿区最佳的区域性沉陷控制开采参数为采宽160 m、充填宽100 m。该参数设置既能够节约充填成本，又能有效控制地表下沉量，达到耕地保护的标准。该研究成果可为煤粮复合区的绿色开采提供理论依据和工程参考。
关键词：耕地保护；区域性沉陷控制；协同承载体；充实率；开采参数优化
第一作者简介：孟浩，男，汉族，山东日照人，硕士研究生，主要从事变形监测与沉陷控制等方面的研究工作。
通讯作者简介：郭广礼，男，汉族，河北石家庄人，博士，博士生导师，主要从事矿山开采沉陷及防控方面的研究。
引用格式：孟浩，郭广礼，李怀展，等.面向耕地保护的充填体-煤柱协同承载及地表沉陷控制研究[J].中国矿业，2024，33（11）：69-76.
MENG Hao，GUO Guangli，LI Huaizhan，et al.Research on collaborative bearing of filling body and coal pillar and control of surface subsidence for farmland protection[J].China Mining Magazine，2024，33（11）：69-76.
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典型煤粮复合区采煤沉陷积水区域时空演变特征与驱动力
作者：陈超¹²,卫志超¹²,王果¹²,谢瑞²,杨福芹²
单位：1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院；2.河南工程学院土木工程学院
采煤沉陷积水是高潜水位煤粮复合区的主要生态破坏特征，开展沉陷积水区域时空演变特征与驱动机制研究对于煤粮复合区水土资源优化配置与土地复垦具有重要意义。为揭示煤粮复合区采煤沉陷积水区域的时空演变特征与驱动机制，以典型煤粮复合区永城矿区为研究区，利用源自Landsat 图像的1990—2020 年中国30 m 分辨率土地覆盖数据，使用ArcGIS 软件中的按掩膜提取和按属性提取等功能提取不同年份水体分布信息，对比分析不同年份永城矿区水体面积变化及空间分布信息，从而揭示永城矿区长时序采煤沉陷积水区域面积时空演变特征。基于煤炭开采沉陷过程，探讨开采沉陷与地下水位及地表积水的耦合关系，结合煤炭开采、降水量、地下水位等因素分析采煤沉陷积水区域时空演变的驱动机制。研究结果表明，1990—2020 年永城矿区水体面积增加8.233 2 km²，其中，1990—2000 年变化幅度较小，2000 年后煤炭井工开采沉陷累积效应显现，2000—2005 年和2010—2015 年年均增长率较高，分别为12.821 3%和10.141 2%；积水区域扩张部分主要分布在永城矿区中部、西南部、东南部和东部；煤炭井工开采是水体面积增加的主要驱动力，决定了采煤沉陷区水域的空间分布范围和扩展方向；地下水位和降雨量则在一定程度上影响了采煤沉陷区水域分布范围；地质结构及生态修复工程促进了采煤沉陷区积水区域增加。通过研究典型采煤沉陷积水区域长时序演变特征及驱动机制，为高潜水位煤粮复合区土地资源可持续利用与生态修复提供科学依据。
关键词：煤粮复合区；采煤沉陷积水区域；时空演变；驱动力；生态修复
第一作者简介：陈超，男，汉族，河南开封人，博士后，硕士生导师，主要从事资源环境监测与土地复垦等方面的研究工作。
引用格式：陈超，卫志超，王果，等.典型煤粮复合区采煤沉陷积水区域时空演变特征与驱动力[J].中国矿业，2024，33（11）：77-85.
CHEN Chao，WEI Zhichao，WANG Guo，et al.Temporal and spatial evolution characteristics and driving forces of coal mining subsidence waterlogging area in typical overlapped area of coal-crop[J].China Mining Magazine，2024，33（11）：77-85.
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基于SBAS-InSAR技术的老采空区注浆充填地表变形时空分布特征分析
作者：李幸丽¹ ²,戴华阳²,方军¹,张豪磊¹
单位：1.中煤科工生态环境科技有限公司；2.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院
InSAR 技术已广泛应用于矿区地表沉降监测，但老采空区注浆治理区域地表变形时空分布特征研究较少。为获取老采空区注浆充填地表变形时空特征，本文提出了一种基于SBAS-InSAR 技术的数据处理方法，该方法联合使用了D-InSAR 技术、PS-InSAR 技术、SBASInSAR 技术等多种技术，以SBAS 图像对选取策略选择时空基线较优的图像对进行组合，以D-InSAR 技术为基础，生成干涉图集，通过PS 方法选择稳定的散射相干目标点，对相干目标点相位信息进行解算，获取了相干目标点地表沉降速率及时间序列等信息。通过与部分水准数据的对比，表明该方法与传统水准测量具有一致性。基于39 期RadarSAT-2 数据及40 期Sentinel 数据，获取了研究区地表在注浆前、注浆中及注浆后的变形特征：研究区在注浆前（2015 年7 月—2016 年12 月）区域最大沉降速率达-98 mm/a，最大抬升速率达134 mm/a；在注浆中（2019 年8 月—2022 年9 月），区域最大抬升速率达18.7 mm/a，最大沉降速率为-11.2 mm/a；在注浆后（2023 年1 月—2023 年12 月）最大抬升速率达16.0 mm/a，最大沉降速率达-10.0 mm/a。区域地表变形速率呈现下降趋势。通过区域沉降速率、时序累计沉降值及典型相干点分析，获得了研究区从注浆前、注浆中到注浆后的地表变形分布特征，揭示了研究区地表变形从注浆前开采引起地表下沉及残余变形到注浆中地表缓慢下沉并抬升到注浆后地表变形趋于稳定的变化规律。
关键词：注浆充填；SBAS-InSAR 技术；地表变形；老采空区；开采沉陷
第一作者简介：李幸丽，女，汉族，河南漯河人，研究员，主要从事矿区土地整治与生态修复、矿区生态环境监测评价等方面的研究工作。
通讯作者简介：戴华阳，男，汉族，湖南湘阴人，教授，博士生导师，主要从事开采沉陷与“三下”采煤、大地测量学与测量工程方面的研究。
引用格式：李幸丽，戴华阳，方军，等.基于SBAS-InSAR 技术的老采空区注浆充填地表变形时空分布特征分析[J].中国矿业，2024，33（11）：86-94.
LI Xingli，DAI Huayang，FANG Jun，et al.Analysis of spatial-temporal distribution characteristics of surface deformation during grouting filling in goaf based on SBAS-InSAR technology[J].China Mining Magazine，2024，33（11）：86-94.
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基于动态置信区间假设检验DS-InSAR技术的矿区形变监测研究
作者：曾祥凯¹,孙凤娜¹,桂诗玉¹,汪亚男¹,陶林晨²
单位：1.山东省煤田地质局第二勘探队；2.中国矿业大学环境与测绘学院
煤炭资源的大范围开发会导致地表沉降、塌陷、水土流失等一系列地质灾害，为此，对矿区地表进行监测具有重要意义。分布式散射体合成孔径雷达干涉测量（DS-InSAR）技术中，同质点选取是重要的一步，会影响后续相位优化和分布式散射体目标的选择。而现有的同质点选取方法难以同时兼顾选取效率和准确度，为此提出了一种动态置信区间假设检验（动态HTCI）同质点选取方法，使用传统同质点选取方法和本文改进的方法进行同质点选取，利用蒙特卡罗模拟实验和真实实验证明了动态HTCI 的有效性。基于2017—2018 年共32 景Sentinel-1 数据对大同市某煤矿区地表形变进行了监测和分析，得到以下结论：①通过对比在同质区域和异质区域的同质点选取结果，相比于传统同质点选取方法，本文方法更适合地物区分度不明显的矿区同质点探测，提高了探测效率和选点准确度；②在监测时段内，该矿区共计发现12 处明显的沉降漏斗，累计最大沉降为-157 mm；③改进的DS-InSAR 技术的选点密度是永久散射体合成孔径雷达干涉测量（PS-InSAR）技术的9.47 倍，与PS-InSAR 结果的交叉验证分析证明了本文改进的DS-InSAR 技术结果的准确性；④该方法为同质点选取步骤提供了新思路，并实现了对矿区的非接触、大范围的监测，可为矿区灾害的预防、治理等工作提供技术支持。
关键词：分布式目标；InSAR；同质点；矿区；地表形变
第一作者简介：曾祥凯，男，汉族，山东济宁人，硕士，高级工程师，主要从事矿山地质环境监测和遥感影像技术应用研究。
引用格式：曾祥凯，孙凤娜，桂诗玉，等.基于动态置信区间假设检验DS-InSAR 技术的矿区形变监测研究[J].中国矿业，2024，33（11）：95-104.
ZENG Xiangkai，SUN Fengna，GUI Shiyu，et al.Research on deformation monitoring in mining areas based on dynamic hypothesis testing of confidence interval DS-InSAR technology[J].China Mining Magazine，2024，33（11）：95-104.
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基于无迹卡尔曼滤波稀疏相位解缠的矿区大梯度形变监测方法
作者：孙凤娜¹,曾祥凯¹,卢晓光¹,李志²³,苏斐然¹,李世金²³
单位：1.山东省煤田地质局第二勘探队；2.中国矿业大学环境与测绘学院；3.自然资源部国土环境与灾害监测重点实验室
基于稳定点目标的时序干涉合成孔径雷达（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技术是现阶段矿区广域高精度地表形变监测的重要手段。然而，在矿区大梯度形变区域，InSAR 稀疏相位解缠仍面临解缠精度低、可靠性差的难题，严重制约了矿区地表形变监测精度，针对于此，提出了一种基于无迹卡尔曼滤波稀疏相位解缠的矿区大梯度形变监测方法，并开展了口孜东矿区地表大梯度形变监测分析。该方法综合干涉相位复数稀疏特性，构建了基于von Karman 自协方差函数的Kriging 稀疏干涉相位格网化插值策略，结合无迹卡尔曼滤波相位解缠技术，提出了基于Kriging 插值的无迹卡尔曼滤波稀疏相位解缠方法，实现了口孜东矿区地表大梯度形变信息的精准解译。实验结果表明：提出方法可有效恢复矿区大梯度变化处的形变相位信息，较传统稀疏相位解缠方法具有更高的解缠精度及可靠性，且与相近时段水准数据对比仅存在约14 mm 的均方根误差，具有相对最高的形变监测精度；此外，口孜东矿区内形变场范围近似沿140502 工作面分布，36 d 间隔内卫星雷达视线向最大沉降量高达135 mm。研究成果为矿区大梯度地表形变的高精度监测提供了有效技术方案，可为矿区地质灾害防治提供重要数据依据。
关键词：InSAR；稀疏相位解缠；Kriging 插值；无迹卡尔曼滤波；矿区大梯度形变监测
第一作者简介：孙凤娜，女，山东费县人，高级工程师，主要从事测绘工程和地质制图研究。
通讯作者简介：李志，男，山东潍坊人，硕士，主要从事InSAR 及MTInSAR 技术、井工矿地表形变监测、露天矿边坡形变监测应用研究。
引用格式：孙凤娜，曾祥凯，卢晓光，等.基于无迹卡尔曼滤波稀疏相位解缠的矿区大梯度形变监测方法[J].中国矿业，2024，33（11）：105-112.
SUN Fengna，ZENG Xiangkai，LU Xiaoguang，et al.A large gradient deformation monitoring method for mining areas based on unscented Kalman filter sparse phase unwrapping[J].China Mining Magazine，2024，33（11）：105-112.
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基于极限平衡法的小窑采空区地基稳定性评价方法研究
作者：田迎斌¹,李科心¹,赵环帅²,易四海³
单位：1.中煤科工生态环境科技有限公司；2.中国矿业大学（北京）；3.华北科技学院机构安全工程学院
在煤矿采空区地表进行城镇建设开发利用已成为国内矿业城市解决建设用地指标不足的有效途径。为了给城镇建设规划提供依据和保证拟建建筑的安全，首先必须对采空区场地进行地基稳定性评价，然后根据评价结果有针对性地采取建筑、结构、地基基础及采空区处理等治理措施。其中，小窑采空区往往因其开采面积小、顶板垮落不充分而成为悬顶区，悬顶区在地表建筑荷载作用下，有可能发生突发性的采空塌陷地质灾害，从而危及地表建筑及人员安全。极限平衡法是小窑采空区地基稳定性评价常用的方法之一，该方法通过建立采空区顶板压力、建筑基底压力、上覆岩层自重及岩体摩阻力四者之间的平衡方程而得到临界埋藏深度。但对于小窑采空区临界埋藏深度计算公式中基底压力p 和埋深H 参数概念的理解尚存在分歧，从而造成在评价工作中计算结果和评价结论的不唯一。针对该公式存在的问题进行了剖析，建立了与不同概念理解相对应的两种修正计算模型。研究对比分析后，建议采用以适用性更强的第二种修正计算模型为准，并明确了参数p 和参数H 的基本概念，即参数p 的意义为建筑物基底平均压力，参数H 的意义为自建筑物基底起算的采空区埋藏深度。在此基础上，又分别针对裸露型基岩场地和覆盖型基岩场地的情况，对第二种修正计算模型的采空区临界埋藏深度计算公式进行了改进和扩展，从而为更好地指导小窑采空区地基稳定性评价工作提供了参考。
关键词：极限平衡法；小窑采空区；临界埋藏深度；修正计算模型；地基稳定性评价
第一作者简介：田迎斌，男，汉族，河南获嘉人，研究员，主要从事“三下”采煤、开采损害防治与保护、生态修复等方面的研究工作。
引用格式：田迎斌，李科心，赵环帅，等.基于极限平衡法的小窑采空区地基稳定性评价方法研究[J].中国矿业，2024，33（11）：113-120.
TIAN Yingbin，LI Kexin，ZHAO Huanshuai，et al.Study on evaluation method of foundation stability in small kiln goaf based on limit equilibrium method[J].China Mining Magazine，2024，33（11）：113-120.
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西部高强度开采矿区覆岩破坏发育高度分析
作者：刘江斌¹,张仲杰¹,高广昌²,闫伟涛²,景巨栋¹,李洋¹,马子韬¹,陈俊杰²
单位：1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司羊场湾煤矿；2.河南理工大学
导水裂缝带是煤层顶板水害的主要通道，准确预测计算其发育高度是保障矿山安全生产的重要任务。在实测资料的基础上，通过采用理论分析和相似模拟等方法，揭示了西部高强度开采矿区采动覆岩的破坏类型、破坏关系及导水裂缝带的发育特征。结果表明：在薄基岩厚煤层高强度开采条件下，覆岩破坏类型为严重损坏类型。在采动覆岩中只存在“两带”形式，在采空区上方不存在岩层破坏后的具有一定隔水性的弯曲带，导水裂缝带直通地表，地表严重受损。覆岩以组合关键层的形式发生运移。在采动过程中组合关键层以滑落失稳的方式在岩层两端产生切落式破断，导致上覆基岩和松散层切落破断，地表产生台阶状裂缝。地表实测台阶状裂缝沿工作面推进方向的间距与井下周期来压步距相一致。综合考虑覆岩破坏的开采厚度与基岩厚度等关键性因素，提出了高强度开采导水裂缝带发育高度预测计算公式，其可靠性得到了现场实测与相似材料模拟结果的验证，研究结果对于神东矿区煤矿安全开采具有一定的指导意义。
关键词：高强度开采；覆岩破坏；采动覆岩；相似模拟；神东矿区
第一作者简介：刘江斌，男，重庆垫江人，工程师，研究方向为矿山开采沉陷。
通讯作者简介：陈俊杰，男，河南柘城人，博士，教授，研究方向为矿山开采沉陷。
引用格式：刘江斌，张仲杰，高广昌，等.西部高强度开采矿区覆岩破坏发育高度分析[J].中国矿业，2024，33（11）：121-129.
LIU Jiangbin，ZHANG Zhongjie，GAO Guangchang，et al.Analysis of overburden failure development height in high-intensity mining area in Western China[J].China Mining Magazine，2024，33（11）：121-129.
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植物废弃物发酵基质对露天矿区排土场土壤改良研究
作者：李辉,李高亮,鲁叶江,张智韦,朱伟
单位：中煤科工生态环境科技有限公司
伴随着我国经济的高速发展，大量矿区资源被开采利用，尤其是开采过程中通过精矿筛选后剩余的大量岩石碎块和弃土弃渣形成的排土场，导致原有土地资源被占压和破坏。新形成的排土场土壤结构不完善、养分供应差，成为大量植物难以生长的废弃地区。研究围绕“山水林田湖草沙共治、人与自然和谐共生”的理念，利用矿区及周边的植物废弃物作为土壤基质，采用不同配比的植物废弃物对排土场土壤进行改良与提升。研究以高羊茅（Festuca arundinacea “卡纳瓦罗”）作为植物材料，比较原土、未发酵、未发酵∶原土=7∶3、发酵∶原土=7∶3 和纯发酵共五种基质类型对草地观感质量、生长情况，以及土壤理化性质的影响，并运用TOPSIS 法对各指标进行综合评价，选出最适合高羊茅生长的基质类型。结果表明：发酵∶原土=7∶3 处理的基质对高羊茅观感质量存在显著的促进作用；发酵处理后的草地地上生物量和地下生物量均与原土处理无明显差异，但显著高于未发酵的两组处理；发酵处理后的两组基质表现出适宜草地生长的土壤干密度，提高了土壤通气性，且能够显著提高土壤中氮磷钾的养分供应。运用TOPSISI 法综合评价可以看出，发酵∶原土=7∶3 处理的综合质量评价最优，为0.82，远高于原土处理的0.49；而未发酵处理的综合质量评价最差，仅为0.38。因此，将植物废弃物发酵后与原土以7∶3 的比例混合是一种较为合理的植物废弃物处理方式与混合比例，能够对矿区排土场土壤进行显著的改良与提升。
关键词：矿区生态修复；排土场；植物废弃物；发酵处理；土壤改良
第一作者简介：李辉，男，汉族，天津人，硕士，主要从事生态修复等方面的研究工作。
引用格式：李辉，李高亮，鲁叶江，等.植物废弃物发酵基质对露天矿区排土场土壤改良研究[J].中国矿业，2024，33（11）：130-138.
LI Hui，LI Gaoliang，LU Yejiang，et al.Study on the soil improvement of waste dump in open-pit mining areas using plant waste fermentation substrates[J].China Mining Magazine，2024，33（11）：130-138.
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《中国矿业》（China Mining Magazine）创刊于1992年，月刊，中国矿业联合会主管、主办，《中国矿业》杂志社有限公司编辑、出版的覆盖矿业全产业链的具有广泛影响力的综合类科技期刊，是中文核心期刊、中国科技核心期刊、RCCSE中国核心学术期刊（A），也是自然资源领域高质量科技期刊分级目录T2级期刊、地球科学领域高质量科技期刊分级目录T2级期刊、煤炭领域高质量科技期刊分级目录T2级期刊、岩土力学与工程地质领域高质量科技期刊分级目录CT3级期刊，被科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告（Q2区）、中国学术期刊综合评价数据库（CAJCED）、万方数据、中国期刊全文数据库（CJFD）、中文科技期刊数据库、超星期刊域出版平台、瑞典开放存取期刊目录数据库（DOAJ）、美国化学文摘数据库（CA）、美国全学科学术全文数据库（EBSCO）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）、哥白尼索引期刊数据库（ICI World of Journals）、哥白尼精选数据库（ICI Master List）、乌利希期刊指南数据库（Ulrichsweb）等国内外重要数据库收录。
