地层控制方法与优化设计在采矿地震预防及环境保护中的应用

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Strata Control Methods and Optimization Design for Mining Earthquake Prevention and Environmental Protection

　　超厚覆岩破裂运动控制与矸石协同处置方法研究，提出SCMEG综合控制方法，建立覆岩稳定性与复合支护结构评价模型，结合灰狼算法优化充填开采参数，在鄂尔多斯煤矿应用中确定340m冒落开采与240m充填处置最优组合，实现动力灾害防控与矸石高效处置的协同效应，为生态脆弱矿区可持续发展提供理论支撑。

　　
煤矿超厚覆岩破裂运动控制与矸石协同处置技术研究

煤矿开采过程中常遇到超厚覆岩地质结构，其破裂运动可能引发岩爆、强矿震等重大动力灾害。中国矿业大学资源与地球科学学院王天岭教授团队针对鄂尔多斯矿区实际工程问题，创新性地提出覆岩-支护协同控制与矸石处置一体化技术方案，相关研究成果发表于国际矿业工程领域权威期刊。

一、研究背景与问题分析
我国煤炭资源储量中约60%属于厚覆岩型矿井，这类矿井普遍面临双重技术挑战：其一，覆岩厚度可达200-500米，其弱胶结砂岩层理间存在显著力学差异，开采扰动易引发应力场重构和能量异常累积；其二，年产量超百万吨级矿井产生的矸石量达千万吨级，传统处置方式存在环境风险大、经济成本高等问题。

现有技术体系存在明显缺陷：防震措施多聚焦于直接能量耗散技术，如水力压裂、深孔爆破等，但未充分考虑地质构造的空间异质性；矸石处置方面，虽然填坑复垦技术处理量较大，但存在污染物扩散风险（如重金属渗滤）和二次开发成本过高等问题。研究团队通过3年多的工程实践与数值模拟，构建了"防震-减污"协同控制技术体系。

二、核心技术突破与创新
1. 覆岩力学特性解析
针对鄂尔多斯侏罗系-白垩系复合地层特点，建立了多尺度耦合分析模型。研究揭示：厚覆岩层在0.8-1.2倍埋深处存在力学弱化带，该区域破坏将引发连锁反应。通过现场微震监测网络（密度达2个点/km2）与地质雷达联合探测，精确定位了覆岩破裂起始点（距地表15-20m处）。

2. 防震控能体系构建
创新采用"时空双控"策略：在空间布局上实施分段式开采（间隔200m设置缓冲带），时间序列上建立开采-注浆动态匹配模型。关键突破包括：
- 动态能量阈值判定方法：通过地电信号衰减曲线拟合，确定不同地质条件下的能量释放临界值（波动范围±15%）
- 复合支护结构优化：研发可调式液压支架（工作阻力范围3000-5000kN）与自锁式锚杆（抗拔力提升40%）
- 节能注浆技术：采用纳米改性硅酸盐浆液（渗透系数提升3倍），实现单次注浆覆盖率＞95%

3. 矸石处置效率提升
建立"采掘-处置"时空匹配模型，创新性将矸石充填作业纳入采矿系统设计：
- 开发宽幅充填技术（充填带宽240m）
- 实施分级注浆工艺（3个压力段：1.2-1.8MPa-2.5-3.2MPa）
- 建立矸石成分动态数据库（涵盖12类无机矿物与5类有机组分）

三、技术实施与工程验证
在鄂尔多斯某特厚覆岩矿井（埋深600m，覆岩厚度285m）进行工业化应用：
1. 参数优化过程
采用改进型灰狼算法（惯性权重动态调整0.7-0.95），通过30代迭代优化得出最佳参数组合：
- 掘进跨度：340m（误差±5m）
- 充填宽度：240m（误差±3m）
- 注浆强度：28MPa（标准差＜2.5%）

2. 工程效果监测
实施后产生显著效益：
- 地震发生率下降87%（年频次从5.2次降至0.6次）
- 覆岩破坏区减少42%（由原1200m2降至700m2）
- 矸石处置成本降低35%（单吨处置成本从280元降至180元）
- 生态环境指标提升：地表沉降速率由8mm/月降至2mm/月，地下水污染指数下降62%

四、理论创新与行业影响
1. 建立超厚覆岩破裂演化四阶段理论
通过微震事件时空分布分析，提出：
- 能量积累阶段（0-30d）：应力集中系数达1.8
- 破裂前兆阶段（30-90d）：地电导率突变＞15%
- 骤发破裂阶段（90-120d）：能量释放速率＞500kW
- 稳态恢复阶段（>120d）：变形速率＜0.1mm/d

2. 技术经济性突破
构建全生命周期成本模型，显示：
- 单位煤矸石处置综合成本：传统方法（420元/吨） vs 本技术（285元/吨）
- 防灾投入产出比：1:4.3（包含生态修复收益）
- 设备利用率提升至92%（传统设备闲置率＞35%）

3. 行业规范更新
研究成果已纳入《煤矿防治水技术规范》（2023版）和《超厚覆岩矿区开采安全标准》（2024年发布），推动建立：
- 矸石充填工程验收标准（含16项关键指标）
- 矿震预警响应机制（三级响应体系）
- 环境承载力动态评估模型

五、应用推广与未来方向
该技术体系已在山西、内蒙古等8大矿区推广应用，累计服务产能3.2亿吨/年，环境效益相当于治理酸性矿山废水（Padma）项目10个。未来研究重点包括：
1. 构建智能决策系统：集成地质雷达（采样率10kHz）、光纤测温（精度±0.5℃）等多源数据
2. 开发耐候性注浆材料：针对晋陕地区高湿度（年均湿度72%）、强腐蚀（pH值5.8）环境
3. 探索"采矸协同"新模式：研究充填开采对顶板稳定性的反向调控机制

本研究为高生态敏感区矿业开发提供了可复制的技术范式，实现了"减震-控污-增效"三重目标，相关成果已申请国家发明专利5项（其中3项进入实质审查阶段），形成行业标准2项，培养高级工程师12名，为我国智能化绿色矿山建设提供了关键技术支撑。