利用结合土地覆盖类型的自适应DS-InSAR方法监测矿区地表形变

针对传统时序InSAR技术在测量点选取过程中多采用全局单一阈值,在受时空失相干影响严重和短时间内形变梯度较大的矿区容易出现测量点稀疏且空间采样不足,因而无法获取矿区地面沉降完整信息的问题,以覆盖大同矿区的22景ALOS-1数据为例,利用结合土地覆盖类型的自适应DS-InSAR方法(ADSI-CLC)获取该区域长时间序列地表形变信息。ADSI-CLC方法形变测量结果的时空分布模式与StaMPS-SBAS方法具有相似性,且与高分辨率光学遥感影像上的采矿设施保持良好的空间相关性。ADSI-CLC方法可以显著地提高测量点的数量和空间分布密度,在研究区识别出的DS点数量约是StaMPS-SBAS方法的4倍。两种方法的测量结果在无形变和小形变区域吻合程度较高;在大形变区域,StaMPS-SBAS方法无法有效地获取形变结果,而ADSI-CLC方法由于测量点数量的增加,反演得到的形变测量结果基本上符合由采矿活动造成的漏斗状的空间分布特征,间接地验证了该方法在矿区地表形变监测中的可靠性和有效性,证明ADSI-CLC方法能够提供更详细的时空形变细节信息,更好地服务于矿区地表稳定性的监测和预警。

基于时序InSAR的山西大同煤田地表沉降监测及时空演化分析

[研究目的]地表沉降作为煤矿区主要地质灾害之一,严重影响矿区经济的可持续发展和居民生活的安全稳定,有必要对矿区地表沉降进行快速高效监测。[研究方法]以大同煤田为例,研究使用2020年1月至2021年12月共31景Sentinel-1影像,基于短基线集干涉测量技术(Small Baseline Subset InSAR,SBAS-InSAR)对地表沉降进行监测,获取大同煤田地表沉降速率和累计沉降结果,使用已有研究成果对监测结果的可靠性进行验证,并分析了沉降时空变化特征及演化规律。[研究结果]大同煤田地表沉降分布较广,沉降总体分布趋势与大同煤田矿业管理数据的走向基本一致。沉降主要分布在大同市南郊区西部以及大同市、怀仁市和山阴县交界处,其中塔山矿地表沉降最为严重,大同煤田最大沉降速率为168.03 mm/a,最大累计沉降量为329.12 mm,总沉降面积为270.95 km^(2),且沉降呈现持续增加的趋势,根据沉降趋势推断需要较长时间才能实现地表活动相对稳定。[结论]研究表明了InSAR技术在煤矿区沉降监测的可行性,可为矿产资源管理工作提供新的技术方法,研究结果可为煤矿区沉降监测预警、灾害防控及资源合理开发利用提供科学依据。

超采区浅层地下水数值模拟及预测分析

超采区的地下水变化趋势分析对于区域水资源可持续管理具有重要意义。本文以大同盆地浅层地下水超采区为研究对象,分析了含水层结构和地下水的补给、径流、排泄条件,明确了潜水含水层为影响地下水变化的主要区域。基于GMS与MODFLOW软件,建立了大同盆地潜水含水层各向同性非均质二维非稳定流模型,利用实测地下水流场对模型进行了验证,开展了未来不同场景条件下地下水位预测模拟与分析。结果表明,大同盆地2010—2019年平均地下水开采量(6.0861亿m^(3))大于2001—2016年平均地下水补给量(5.6254亿m^(3)),地下水位下降趋势明显。若地下水开采量下降至2019年开采量的85%,至2035年平均地下水位可回升11.6 m,恢复速度约0.68 m a;若综合考虑未来水源替换工程,至2035年地下水位可显著回升,恢复速率可达1.4 m a。本文研究成果可为大同盆地地下水管控提供科学依据,同时对于我国北方类似地下水超采区的水资源管理和评价具有一定参考价值。

基于D-InSAR技术的矿区地表沉陷监测研究

矿山开采可能诱发各种地质灾害,威胁矿区的社会稳定和居民的生命财产安全,快速准确监测矿区沉陷可有效预防地质灾害。本文以山西省大同煤矿为研究对象,获取2022年10月至2023年3月共13景Sentinel-1影像,基于合成孔径雷达差分干涉测量技术(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,D-In SAR)进行地表沉陷监测研究,获取大同煤矿地表累计沉陷量,使用已有研究成果对比验证了本实验结果的可靠性。结果表明,大同煤矿沉陷分布较广,主要分布在大同市南郊区西部以及南郊区、怀仁市、左云县和山阴县四县市交界处,监测期间最大、平均沉陷量分别为381.43 mm、13.88 mm,总沉陷面积约为207.91 km2,根据7个重点沉陷区的时空变化特征及演化规律发现沉陷呈现持续扩张趋势,推断地表沉陷仍会持续较长时间。研究证明了In SAR技术在矿山开采沉陷监测的可靠性,为矿产资源管理工作提供新的技术方法,研究结果可为矿山开采沉陷治理和地质灾害防控提供参考依据。

多煤层开采上覆采空区有害气体下泄定量化关系探讨

多煤层开采过程中上覆采空区有害气体易下泄至下伏采动空间,导致下伏开采工作面有害气体超限。以大同矿区双系煤层群开采侏罗系采空区有害气体向石炭系工作空间下泄为工程背景,应用关键层理论、流体力学等理论,提出了侏罗系采空区有害气体下泄的条件,对双系采空区连通特征进行了分类并给出其判别标准,创建了侏罗系采空区有害气体向石炭系工作面下泄的多参量控制方程。结果表明:大同矿区侏罗系煤层采空区有害气体向石炭系工作空间或采空区下泄的条件是,双系之间存在一定宽度的气体运移通道且双系流场间存在压差;大同矿区双系间采空区连通特征可以分为双系采空区流场不连通、双系采空区流场连通但不致灾、双系采空区流场连通且可致灾3类,同忻矿8207工作面与上覆侏罗系采空区的连通特征属于第Ⅲ类;针对同忻煤矿8207工作面开采条件,应用建立的有害气体下泄多参量控制方程,确定工作面主关键层破断2 h后,9403~10112 m3的有害气体从侏罗系采空区下泄到8207工作面及其采空区,从而导致8207工作面采场中有害气体2 h内增加30%~33%,易导致工作面有害气体超限。研究成果为多煤层开采上覆采空区有害气体向下伏采动空间下泄的条件、机理、下泄量计算等研究提供了全新的思路。

大同市主城区热岛效应及土地利用时空变化分析

以大同市主城区为研究对象,选取2004年、2009年、2015年和2019年共4期Landsat5 TM、Landsat8 OLI/TIRS影像作为数据源。借助ArcGIS软件,分析2004—2019年大同市主城区城市热岛的时空分布特征以及土地利用类型变化特征,最后进一步研究两者之间的相关性。结果表明:(1)大同市主城区热岛现象明显且强热岛和热岛区域面积逐年扩大,增加最明显的区域是云岗区和新荣区改为:云岗区、新荣区和云州区,近年来热岛趋势减缓。(2)在2004—2019年的15年间,城镇建设用地、草地和林地面积呈现扩张趋势,水体和耕地面积则呈现缩减趋势,土地利用类型变化强度由高到低依次为城镇建设用地、林地、耕地、水体和草地。(3)不同土地利用类型的地表温度具有明显差异,建设用地最高,草地和耕地次之,植被和水体温度最低。

基于InSAR技术的大同市云冈矿区地面沉降监测

大同市煤炭资源丰富,但煤矿开采活动造成的地面沉降等地质环境问题一定程度上制约着矿区发展。为监测大同市云冈矿区的地面沉降特征,基于哨兵-1A卫星数据,文章使用星载合成孔径雷达差分干涉测量技术(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,D-InSAR)技术处理2020年6—7月的2景影像,初步获取矿区沉降区域特征,监测区最大沉降量达4.6 cm/36 d;采用小基线集差分干涉技术(Small Baseline Subset InSAR,SBAS-InSAR)处理2019年1月—2020年12月的24景影像,得到监测区部分沉陷区域的长时间序列形变量,该形变量与2020年1月—2020年9月的同地区25景影像数据永久散射体合成孔径雷达干涉测量(Persistent Scattered Interferometric Synthetic Aperture Radar,PS-InSAR)监测形变空间分布一致,形变趋势吻合。综合以上3种InSAR监测结果表明,监测区内存在多达12个明显快速沉降区,均分布于矿区内,其中最大沉降速率达180 mm/y,2019—2020年最大累积沉降量为333 mm,东南部城市区域没有明显形变迹象。研究结果为矿区沉降监测及合理开采提供科学依据。

大同地震序列的尾波Q值变化特征研究

利用大同台网1990～2000年的地震记录资料,系统地分析了大同地震序列尾波Q值随时间的变化,着重分析了尾波Q值在中强地震前的短期变化特征。结果表明,分频率的尾波Q值在几次中强地震前都不同程度出现了低值,并与大同震情"窗口"出现同步的异常。

大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理

针对大同矿区石炭系煤层8105工作面过上覆侏罗系煤层采空区留设煤柱时的强矿压显现特征，采用理论与现场实测分析相结合的方法，对侏罗系煤层采空区煤柱的应力影响规律与石炭系煤层顶板的垮裂带范围进行了分析，得到了双系煤层开采煤柱影响条件下工作面强矿压显现的“煤柱一覆岩运动”联合作用机理。研究表明：侏罗系煤层采空区留设煤柱的水平与垂直应力较高，达10．5～13．5MPa，应力集中区深度为40～70m，剪应力波及范围达180131；8105工作面顶板的垮裂带高度为150～170m；工作面过煤柱时的强矿压显现是由采空区煤柱与煤层顶板垮裂运动联合作用的结果。

淮南大通煤矿废弃地土壤重金属空间分布及变异特征

通过对淮南大通煤矿废弃地土壤重金属元素含量采样分析，利用GIS技术分析其空间分布与变异特征，结果显示：从平均值来看，大通煤矿废弃地5种重金属超出背景值2．000～36．300倍，以Cd污染最为严重，其次是Hg、cr、Pb，cu，相对较小。化工厂及周围区域重金属严重污染，煤矸石堆及周围区域为重污染。Hg和Cd来源于化工厂废水和煤矸石，且均在底层土富集；Cr主要来源是化工厂废水，在表层土含量高；Pb和Cu来源于煤矸石和化工厂废水，分别在底层土和表层土富集。煤矸石释放的重金属在土壤底层富集，化工厂废水使表层土含量较高。多数重金属元素之间正相关关系显著，具有同源性；Hg和Cd与营养物质呈显著正相关关系，Cr和Pb与营养物质呈显著负相关关系。重金属污染存在受自然因素影响存在显著的较大结构性变异，空间变异均是微小尺度，空间变异特征与复杂的地物和人为干扰有关。

基于GIS的淮南煤矿废弃地土壤重金属污染生态风险评价

为了解淮南大通煤矿重金属污染特征及其生态风险,以该废弃地土壤为研究对象,通过测定土壤重金属元素质量比,评价其潜在生态风险,结合GIS技术分析其空间变化趋势。结果表明：1）淮南大通煤矿废弃地土壤重金属汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、铜（Cu）超出土壤背景值1.99~27.2倍,其中以Hg和Cd污染最为严重。2）大通煤矿废弃地地表土Hg的单因子风险等级均在强以上,Cd的风险等级为极强和很强,其面积比例为98.79%、1.21%。底层土Hg的单因子风险等级以极强和很强为主,占区域面积比例分别为60.33%、21.86%,Cd的风险等级均为极强。Hg和Cd是煤矿废弃地最主要的综合生态风险贡献因子,主要风险区为煤矸石堆斜坡、塌陷区、化工厂滤池等地;Cr、Pb和Cu单因子风险均为轻微等级。3）大通煤矿废弃地地表土和底层土综合生态风险均为很强和强两个等级,表层土面积比例分别为88.05%和11.95%,底层土面积比例分别为97.81%和2.19%;底层土的风险指数值更大,表层土以原化工厂与煤矸石堆斜坡为中心高值区,底层土的高值中心位于煤矿塌陷区。

氮肥对大通河上游退化草地的影响

为提高祁连县高寒草地草场牧草产量、有效恢复轻度退化草地,采用随机区组试验,以尿素作为氮源,探讨不同氮肥水平对祁连地区轻度退化草地群落结构、地上植物量以及土壤养分的影响。结果表明:不同施氮水平处理的高寒草地植物群落物种丰富度、多样性指数均减少,植被盖度、高度显著增加(P<0.05),地上植物量与禾草地上植物量显著提高(P<0.05)。随着施氮量增加全磷含量、速效氮含量、有机质含量呈逐渐增加趋势,而速效磷呈先增加后减小趋势,pH值呈逐渐减小趋势。结论:施氮对高寒草地土壤养分有改善作用,150kg·hm-2为最适施肥量。

大同矿区“三下”压煤开采措施分析

大同矿区各类煤柱较多,压煤量大。在当前资源趋紧、接替紧张的情况下,对煤柱进行规划和开采十分必要。通过对我国目前“三下”压煤开采技术现状的介绍和分析,结合大同矿区的具体情况,对其煤柱(侏罗系煤层,不包括石炭二叠系煤层)的开采方法进行了可行性分析。

大通河上游16种多年生禾草引种试验研究

为筛选出适宜在青海祁连山大通河上游地区种植的多年生牧草,以丰富人工草地的建植、快速恢复黑土滩退化草地,于2012年引进了适于青藏高原栽培的16种禾本科牧草,采用随机区组试验,对不同品种在该地区的适应性、生产性能及营养价值进行了研究与综合评价。3年的研究结果表明:虉草不能越冬,其余15个牧草品种能安全越冬;青牧1号老芒麦、同德老芒麦、川草2号老芒麦无法完成生育期,其余12个牧草品种能完成生育期。2013-2014年青牧1号老芒麦地上植物量最高,为479.13g/m^2,阿坝披碱草次之。阿坝披碱草种子产量最高,为98.30g/m^2。梭罗草营养价值显著高于其他牧草品种。将高度、地上植物量、地下植物量、草籽产量、粗蛋白含量用模糊数学隶属函数综合评价,结果为:阿坝披碱草、垂穗披碱草、青海扁茎早熟禾、青海草地早熟禾、青海中华羊茅、同德短芒披碱草综合价值高,适宜在青海祁连山区推广种植。

多层坚硬顶板采场覆岩“拱壳”大结构形成机理研究

为得到多层坚硬顶板采场覆岩"拱壳"大结构形成机理,以大同矿区同忻煤矿石炭系多层坚硬顶板特厚煤层开采为工程背景,基于关键层理论分析了同忻煤矿3-5煤层特厚煤层综放开采多层坚硬顶板的破断特征和大空间采场覆岩结构特征;应用弹性板理论,建立了大空间采场坚硬覆岩"拱壳"平衡大结构力学模型和数学模型。研究表明:坚硬覆岩"拱壳"平衡大结构理论,较好地揭示了同忻煤矿8105、8106等工作面开采过程中产生大小周期来压、采动影响范围大、易产生强矿压等特殊矿压现象的机理。研究成果为大同矿区石炭系坚硬覆岩特厚煤层开采工作面矿压控制提供理论依据。

大同矿区地表沉陷类型及成因初探

为研究大同矿区地表大面积沉陷成因,对不同采煤方法引起的不同沉陷类型进行分析,总结出大同地区坚硬顶板具有大面积冒落的特征。同时,通过对顶板冒落前煤柱受力情况和地表塌陷机理进行了模拟,得出如下结论:在采空区部分煤柱丧失承载能力后,上部覆岩将围岩应力转移到周边仍具有一定承载力的尚未完全失效的煤柱上,致使相邻煤柱发生破坏,产生"多米诺骨牌"连锁破坏效应,并最终引起坚硬顶板冒落,造成地表大面积沉陷。

大同矿区综采40a开采技术研究

简要介绍了大同矿区40a来在坚硬顶板、坚硬煤层赋存条件下综采开采的顶板控制技术、开采工艺及瓦斯防治与煤层自燃的综合防治技术等方面的主要成就。针对煤炭资源越来越少的现状,对大同矿区今后几年的发展方向进行了展望。指出了应在1.2m以下薄煤层及20m以上厚煤层的开采技术、适宜残采矿井及新整合矿井实际情况的综采技术等方面取得突破,从而保障企业可持续发展。

地质构造综合探测技术在塔山矿的应用

为了满足煤矿机械化采煤程度不断提高,对矿井地质小构造的探测提出的更高要求。在综合分析大同石炭-二叠纪煤田塔山矿区地质条件的基础上,采用地面和井下相结合的方法,在地面瞬变电磁法、高密度电法和高分辨地震勘探,并结合井下的构造力学解析法、高密度电法和无线电波坑道透视法等多种物探手段对工作面内和掘进工作面前方地质构造进行有效探测,最好的探测方法为沿煤层定向钻进技术,结果有效预测了采区内地质小构造的分布,优化了盘区设计,保证了回采工作面的正常生产和巷道的正常掘进。

大同矿区侏罗系煤层群开采冲击地压防治技术

针对大同矿区侏罗系煤层群开采的冲击地压危害,总结该开采条件下冲击地压发生情况,分析了大同矿区冲击地压发生的特点和主要影响因素,并提出了相应的综合防治技术。其主要特点为埋深浅、具有区域连续性、与开采引起的支承压力关联度大等,而影响其发生的主要因素是矿区特有的煤层与顶底板坚硬、地质构造及开采附加应力。在此基础上提出的冲击地压逐级预测预报方法和优化巷道布置、煤岩层的改性弱化、加强支护等冲击地压综合防治技术,通过现场实施,效果明显。

锚杆锚索变形匹配技术在巷道支护中的应用

为了解决大同矿区侏罗纪下部煤层巷道支护技术难题,通过采用合理调整锚杆与锚索预紧力的大小实现二者变形关系匹配的方法,以提高锚杆、锚索的耦合支护作用,增强围岩强度,维护巷道稳定。工程实例表明:安装锚杆时,施加较高的预紧力矩,起到了强主动支护的作用,有效地控制了围岩的早期变形,而在安装锚索时,留有足够的剩余变形量,锚索一方面能够适应开采动压引起的冲击变形,另一方面又能通过调动深部围岩的强度增加锚杆锚固层的强度,使巷道围岩始终保持了稳定状态,取得了良好的支护效果。