井工开采引起煤矿区土地破坏状况及趋势分析——以长治地区为例教学内容.docx

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声尸 明明

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井工开采引起煤矿区土地破坏状况及趋势分析

——以长治地区为例
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摘要 Y2798237

随着煤炭资源开采量的逐年增加，由此引发的煤矿区生态破坏和环境 污染问题愈来愈严重，其中以土地破坏最为严重，这对煤矿区经济的可持 续发展构成巨大威胁。如何较准确地掌握井工开采引起的煤矿区土地损毁 趋势，成为当前研究的主要课题，以期为煤矿区井工开采引起的采动损害 治理、矿区生态环境恢复治理提供理论依据和技术支持。
煤炭资源开采后将损毁大量的土地，使土地的利用性质发生很大变化。 以长治地区为例，煤炭开采虽带动了长治地区经济的发展，但与此同时煤 矿的大规模开采，严重的危害了当地的生态环境。分析长治地区井工开采 引起的土地破坏状况和趋势，并及时提出有效的治理措施，是长治地区煤 矿区生态环境建设的当务之急。如果能够保持煤矿区土地利用信息和数据 的及时更新，及时获得煤矿开采破坏土地的利用类型、面积和损毁趋势等 信息，将为土地管理部门带来极大的方便，提高管理工作效率。
针对大量的数据，在处理土地信息时，用GIS不仅可以快速准确的进 行定量分析，还可以同时管理大量的属性数据和空间数据。目前，在煤矿 区的土地资源管理方面，用GIS可以动态监测地表沉陷过程，及时更新土 地利用现状数据，同时进行空间分析，所获结果可用于煤矿区的土地复垦 和地籍管理工作，有助于实现矿山土地管理工作的信息化和科学化。
本文以长治地区煤矿区为研究对象，通过对典型煤矿的野外地质调查， 收集和分析煤矿开采的相关资料，运用ARCGIS的分析功能，对煤矿区内土 地利用现状和己损毁土地利用类型、分布及面积进行统计分析；用开采沉 陷预计软件以及GIS的缓冲区分析、叠置分析等功能对矿区内拟损毁土地
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面积和损毁程度进行预测；同时获取开采前后的土地利用变化数据，得到 长治地区井工开采后土地破坏的趋势，表明：随着煤矿开采工作的快速推 进，煤炭产量不断增加，损毁土地面积随之增大。其中，耕地、林地和草 地损毁面积较大，变化起伏也较大；其他土地随着煤炭开采量的增加损毁 面积变化不明显。对煤矿区土地的损毁状况和损毁趋势进行分析，并制定 出相应的治理对策，有助于煤矿区更好的管理和持续利用破坏的土地，也 将对更好的保护矿区珍贵的土地资源，实现煤矿区土地资源的可持续利用 具有重要的意义。

关键词：地理信息系统，煤矿区，土地损毁，趋势

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THE RESEARCH OF LAND DESTRUCTION CONDITION AND TREND CAUSED BY UNDERGROUND COAL MINING：A CASE STUDY 0F CHANGZHI

AB STRACT

With the increasing of exploitation quantity in coal resources，coal mining area ecological destruction and environmental pollution problems become more and more serious．Especially the land destruction is the most serious，which will be extremely threaten to the sustainable development of economy in coal mining
area．How to accurately learn about the land damaged trend caused by coal mining becomes an important topic of the current research．For similar coal mining area in Shanxi Province，coal mining，mining damage control，and governance of mining area ecological environment restoration provides
theoretical basis and technical support．

The exploitation of coal resources has damaged lots of land and changed the land using nature．Take Changzhi city for example，thanks to the coal mining promote the development of economy,while at the same time the large scale mining seriously harm the local ecological environment．So it is imperative to analyze the land destruction condition and trend while timely come up with some effective management measures for the ecological environment construction of coal mining in Changzhi area．It will take much great convenience and efficiency for the land management department of mining enterprises，If we can timely update the land using information and data and get the land using types，area and damaged trend information．
GIS not only can fast and accurate be used in quantitative analysis，but also

can manage a large number of attribute data and spatial data at the same time in the process of large land using information．At present，in the management of land resource，GIS can dynamically monitor surface subsidence process，timely

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update and carry on the spatial analyze to the land using data，it can also be used in coal mine area land reclamation and cadastral management work．So it is helpful to achieve scientific and information for the mine land management work by using GIS to manage the land source use and change．
This paper take the coal mining area of Changzhi as research，Through the geological investigation for the typical coal field and the collection analysis
about the related information of coal mining，To conduct statistical analysis for

the land using condition and the ty7pe，distribution and area of the damaged land． Then the deformation and subsidence software and buffer analysis function can predict the area and the damaged condition of the land．At last，The spatial overlay analysis function summarize the land use change before and after
mining，The trend of the land destruction caused by coal mining：with the boost
of coal mining work，coal production increase and the damaged land area also increase．The damaged area of cultivated land，woodland and grassland is larger
and has a big fluctuation change，but others change weakly．It will contribute to

the management and sustainable utilization of the land destruction by analyzing the damaged coal mining area land and make suitable measures．All of this will be vital for protecting the precious land source and make sure the sustainable use of the resource in coal mining area．

KEY WORDS：GIS，coal mining area，land destruction，trend

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目录

第～章 绪论． ． ．．．．． ．．． ．．． ．． ．1 1．1选题依据 ． ．． ． ．．． ． ．．． 。．1
1．1．1选题背景 ．． ． ．． ．．．．． ．1
1．1．2研究意义 ．． ．． ．．．．． ． ．．．．1
1．2国内外研究进展 ． ．． ．． ． ．3
1．2．1矿区土地利用变化分析研究现状 ． ． ．3
1．2．2地理信息系统在土地利用领域的研究现状．．． ．． ．．3
1．3研究目标与研究内容 ． ．． 5
1．3．1研究目标 ． ．5
1．3．2研究内容 ． ．5
1．4研究方法及技术路线 ．．．． ． ．6
1．4．1研究方法 ．． ． ．．6
1．4．2技术路线 ． ． 7 第二章长治地区井工开采损毁土地分析方法及相关理论． ．．9 2．1煤炭开采对土地的损毁分析 ． ．．9
2．2GIS空间分析方法 ．．． ． ．1l
2．2．1GIS空间统计分析 ．． ．11
2．2．2GIS叠置分析 ． ．． ．．． ． ．1 l
2．2．3GIS缓冲区分析 ． ．．．．． ．． 12
2．3ArcGIS概述 ． ． ． ．13
2．3．1ArcGIS简介 ．．13
2．3．2ArcGIS的功能 ．． ．． ．．14
2．3．3ArcGIS空间分析 ．． ． ．14 第三章研究区概况 ．． ．．17 3．1自然条件概况 ．．17
3．1．1地理位置 ．． ．．17
3．1．2地形地貌 ． ． ．．17

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3．1．3气候 ．．． ． ．1 7
3．1．4水文 ．． ． ．．． ．．17
3．1．5土壤 ．．． ．．．． ．18
3．1．6植被．． ． ．．18
3．1．7煤炭分布状况 ． ．． ．．．18
3．2社会经济概况 ． ． 19
3．2．1行政区划 ．． ．．19
3．2．2经济人口 ．．． ．． ．．19 第四章长治地区井工开采引起土地损毁现状及预测分析 ．．21 4．1煤矿区土地利用现状分析 ．21
4．1．1数据处理 ．． ．．21
4．1．2煤矿区土地利用现状分析 ．．29
4．2井工开采引起土地己损毁状况分析 ．．31
4．3井工开采拟损毁土地预测 ．36
4．3．1拟损毁预测理论． ．．． ． ．．36
4．3．2拟损毁预测方法与预测内容 37
4．4井工开采拟损毁土地预测结果 44
4．4．1拟损毁预测结果获取 44
4．4．2拟损毁预测结果 ． ．． ．45
4．5拟损毁土地状况分析 ． ． 47
4．5．1耕地 ．．47
4．5．2林地 ．．48
4．5．3草地 ．．48
4．5．4城镇村及工矿用地 ．．49
4．5．5其他土地 ．49
第五章长治地区井工开采引起土地利用变化分析．． 51 5．1矿区土地利用结构变化 5l
5．2矿区土地利用数量变化 52
5．3矿区土地利用变化空间演变分析 ．53 第六章长治地区井工开采引起土地损毁趋势分析 ．．55
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6．1井工开采引起土地损毁趋势分析 ． ．． ． ． ．．55
6．2井工开采损毁土地主要驱动因素分析 一 ． ．．．． ． ．56
6．3煤矿区土地可持续利用建议 ． ． ．． ．56 第七章结论与展望 ． ．．． 59 7．1结论 ．．．．． ．．．．．． ．．． ．． ．． ．59
7．2不足与建议 ．．． ．． ． ． ．．．．． ．60 参考文献 ． ． ．．61 致谢 ． ． ． ． ．65
硕士期间发表论文．． ．． ．67

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第一章绪论

1．1选题依据

1．1．1选题背景

随着社会的发展，我们赖以生存的土地日益稀缺。“十分珍惜和合理的利用每一寸 土地，切实保护耕地” 己被作为一项基本国策在《中华人民共和国土地管理法》中被 提出，人们也越发重视土地的利用与保护。对于特殊区域经济的发展，煤矿开采起到了 重要的促进作用。因此，我们要重视合理的利用和保护煤矿区的土地和生态环境。对比 煤矿区开采前后发生的土地利用变化并分析其变化趋势，对于矿区规划和预测未来的土 地利用尤为重要。
这些年来，采矿业确实是长治市经济增长的支柱产业，但是开采的任意性导致了该 地区生态环境的恶化，出现了许多自然灾害如水土流失、植被破坏、矿区灾害频发、土 地破坏等，对比来看，土地破坏最为严重。截止到2012年，山西省总面积的八分之一 都是煤矿采空区，有20000km2左右，其中因私挖滥采而形成的污染、塌陷、裂缝损毁 的面积占了很大一部分。按每开采万吨煤地表平均塌陷0．2hm2来推算的话，即使山西省 的煤炭产量每年7亿吨，每年新增的塌陷地是140km2，长此以往，山西省的生态环境 和土地将不堪重负。长治地区因赋存大量的煤炭资源更是如此，随着煤炭开采量的增加， 其土地破坏状况更加严峻。因此分析长治地区井工开采引起的土地破坏状况和趋势，并 及时提出有效的治理措施，是长治地区煤矿区生态环境建设的当务之急。

1．1．2研究意义

煤矿区的土地利用变化是以煤炭开采为原动力的时空演变过程，在矿区这个特殊的 地理区域上，土地的合理利用与矿产的持续开采，是相互联系和相互作用的。因此，煤 矿区内的土地利用变化是开采活动对区域生态环境影响的综合反映。它既受到自然、社 会、经济、技术及政策因素的影响，也受到开采活动及相关因素的影响，同时煤矿区内 的土地利用变化反过来又影响着人类社会的发展，是自然与经济过程交叉而产生的。
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伴随着开采活动，煤矿区废弃地出现了很多严重的环境问题，如水土流失、土壤污 染、盐碱化等严重现象，这些都使矿山的生态安全、生产安全以及当地居民的生存安全 面临重大威胁。并且，在开采过程中改变和破坏了自然环境，产生了各种各样的污染， 给生态环境和土地资源带来了短期或长期、间接或直接、急性或慢性的影响【2】。在我国 煤矿的开采方式主要露天开采和井工开采两种，前者产量仅为4％，后者为96％。有代 表性的占地方式包括：露天挖损地、采煤沉陷地、露天排土占地、煤矸石压占地和未被 开采活动利用的不宜使用土地【3]；土地的破坏形式主要有：挖损、压占、沉陷和矿区水 土流失等。煤矿区形成的某些特有的灾难性和难以修复的破坏形式，使得对矿区的损毁 土地进行复垦变得更加困难。据某国土资源公报显示：我国矿山累计损毁面积大约有400 万公顷，并以每年数10万公顷的速度增加，而仅有约40多万公顷的土地进行了复垦和 利用，由此可见矿山的生态环境破坏相当严重。
此外，矿区是一个生态系统并且呈动态变化，资源、社会、经济和环境的相互制约、 相互依存和相互作用在一个具体区域上进而复合成统一体一一矿区。由此可见，分析煤 矿区土地的损毁状况和损毁趋势对于煤炭开采、经济和社会的发展稳定以及环境保护方 面都有深远的意义。
本文以长治地区井工开采引起煤矿区土地的损毁状况为研究对象，借鉴国内外有关 煤矿区土地的损毁状况和损毁趋势分析方面的前沿学术思想和研究思路。结合实地调 研，用地理信息系统的ARCGIS工具，在对长治地区煤矿区土地利用现状和已损毁土地 利用类型及面积分析的基础上，选择适宜的地表沉陷变形预测软件和缓冲区分析功能， 预测出长治地区井工开采拟损毁土地的面积和损毁程度。用叠置分析功能总结开采前后 煤矿区土地利用变化情况，得到长治地区井工开采引起土地损毁的趋势，进而制定出因 地制宜的治理对策。
该分析的意义主要体现在三个方面： 一是可丰富分析井工开采引起煤矿区土地损毁状况和趋势的技术。在对现有分析煤
矿区土地利用变化的理论和技术进行分析的基础上，设计基于GIS技术的煤矿区土地利 用现状和已损毁状况分析，开展地表沉陷变形模拟预测，分析井工开采引起煤矿区开采 前后的土地利用变化情况，得到长治地区井工开采引起土地损毁的趋势，进而提出相应 的治理对策。
二是能够为长治地区治理损毁的土地提供参考。由于长治地区矿区内的耕地、林地 和草地面积较大，而且又有较好的自然地理条件，因此，长治地区矿区的可持续发展的
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关键就是生态环境和土地资源的保护。预测长治地区井工开采引起土地的损毁趋势，对 后续及时复垦和治理损毁的土地有重要的指导意义。
三是供其他类似的井工开采煤矿区进行土地的损毁状况和趋势分析借鉴。对于地理 条件类似的地区，进行煤矿区损毁土地治理方案设计也可借鉴该分析成果。分析中所提 出的模拟分析方法，GIS技术的应用等，可以使得各煤矿区进行土地损毁治理工作的难 度降低并更顺利的进行。

1．2国内外研究进展

1．2．1矿区土地利用变化分析研究现状 煤炭资源的大规模开采给煤矿区带来的生态环境破坏、生物多样性减少、水土流失

增加等一系列问题，已经引起了国内外的广泛关注。许多国家如中国、德国、美国、巴 西等都制定了相应的法律法规保证矿区土地的合理高效利用，同时开展了大量针对矿区 土地利用变化的研究工作，并且己取得一定进展。如：Legg针对煤矿区的土地复垦以 及井工开采引起的环境问题进行了定性评价；christian和wolfgang通过地下水模拟，利 用遥感和GIS技术分析了井工开采引起地表植被和地下水变化以及地表变形三者之间 的相互作用关系f4】；venkataraman等运用遥感数据定性分析了煤炭开采对煤矿区内水体、 植被和土地利用的影响程度；曹银贵等深入研究了安太堡煤矿露天开采引起矿区土地利 用变化的驱动因素；郭达志等通过实地调查晋城、铜川等矿区的沉陷情况和环境，运用 遥感等先进技术全面分析了其在煤矿区生态环境监测中应用的可行性；张新等在煤矿区 的土地复垦工作中运用了Arclnfo软件；谢宏全等依据国内外分类体系的研究现状，提 出了建立矿区土地利用分类体系的原则【5】；盛业华、杜培军等探讨了遥感技术在工矿区 地表演变监测中的应用；

1．2．2地理信息系统在土地利用领域的研究现状

上个世纪60年代，GIS技术的产生为土地利用变化分析带来了技术上的变革。GIS 技术能够完美地将空间数据和属性数据结合在一起，并能够对其进行查询、空间分析等 操作，其评价结果也比传统的评价方法更为科学【6】。GIS由于拥有技术上较强的优越性 被广泛的应用于土地利用分析领域。
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世界上最先提出用地理信息系统来调查土地资源的国家是加拿大，加拿大土地信息 系统(CGIS)作为世界第一个GIS雏形，其原型是土地调查和宗地管理，而且在农业规 划上有一定的成果。其他的土地资源管理系统也相继在美国的纽约州和明尼苏达州研发 出来，具有一定的实用价值。建立这些土地信息系统，促进了GIS技术不断进步，推动 了当地经济的迅速发展。
70年代，具有实用性的地理信息系统、公共设施管理系统以及计算机地图制图在各 国政府的支持下建立起来。80年代中期，由于很多与地理信息系统相关的技术不断应用， 以及计算机产品性能的飞速发展，GIS在发展中国家得到某种程度的开发与应用，在发 达国家也有了飞速发展。
80年代中期，国内地理信息系统学者开始将数据库技术和地理信息系统应用于土地 管理的实践中去，创造了一个先例土地管理信息系统。最早建立基于GIS的城镇土地评 价信息系统的是来自南京大学的黄杏元教授，他在镇江市市区的土地评价中应用了GIS
技术：倪绍祥教授等基于GIS开发了土地适宜性评价系纠71。80年代后期，很多学者尝

试对土地管理信息系统做研究，比如应用于土地资源和城镇地籍调查等方面。1988年， 根据国务院指示，地方各级人民政府以县级为单位要在最短时间内建立准确、完整和实 时地籍产权资料，查清楚其辖区内每块土地的权属、面积和用途等信息。因此，90年代 初，大规模的土地利用现状调查工作在全国展开。
进入90年代，随着地球数字化产品的发展，提高了社会对于GIS的认识度与需求， 使其成为多家机构的必备工作系统。90年代末，我国的土地管理信息系统开始涉及社会 学和管理学的各个领域且发展迅速。目前我国的GIS主要应用于地籍管理、土地规划、 动态监测和土地分等定级估价等方面[8】。
近几年来，煤矿区可持续发展的重点是对开采活动损毁的土地进行统计分析、动态 监测和治理复用这三方面。传统的施测方法不但成本高、工作量大而且难以时常组织。 伴随着GIS应用的不断发展，要实时和动态的获取煤矿区损毁土地的各项信息，利用GIS 的空间分析功能和相关地学信息，将大大提高分析的效率。

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1．3研究目标与研究内容

1．3．1研究目标

本文以长治地区井工开采引起煤矿区土地的损毁状况为研究对象，通过对典型煤矿 的野外地质调查，收集分析煤矿开采相关资料，运用GIS强大的分析功能，分析煤矿区 内土地利用现状和己损毁土地面积。进而用变形沉陷预计软件和缓冲区分析功能，预测 和分析煤矿区内井工开采拟损毁土地面积和损毁程度。总结开采前后煤矿区土地利用的 变化情况，分析井工开采引起土地损毁的趋势，进而制定出因地制宜的治理对策，将为 更好的保护煤矿区稀有的土地资源，实现土地资源的可持续利用做出贡献。

1．3．2研究内容

(1)分析长治地区煤矿区土地利用现状和己损毁土地类型及面积 制定论文框架和分析思路的准备工作如下：对长治地区煤炭开采损毁土地的资料和
煤矿区土地利用现状数据进行整理和搜集；对不同开采方式对煤矿区生态环境和土地的

影响进行分析。

①分析煤矿区土地利用现状

②分析煤炭开采已损毁土地状况 (2)GIS技术及煤矿区拟损毁土地预测分析
整理和总结国内外GIS技术在煤矿区损毁土地状况和损毁趋势分析中的应用，查阅 相关参考资料和实例，对GIS技术在矿区土地利用变化中的应用不断完善和细化，得出 适宜于研究区的拟损毁土地预测方法和预计系统。
①GIS技术及其在煤矿区土地利用变化分析中的应用

②预测煤矿区拟损毁土地 (3)长治地区煤矿区土地损毁趋势分析和治理对策的制定 结合对典型煤矿的实地调查，搜集煤炭开采的相关资料，用变形沉陷预计软件和
ARCGIS的缓冲区分析功能对煤矿区拟损毁土地进行预测，得到长治地区井工开采拟损毁 土地的面积和损毁程度；分析开采前后煤矿区土地利用变化情况，得到长治地区井工开 采引起土地损毁的趋势，进而制定出适宜的治理对策。

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①分析煤矿区开采前后的土地利用变化情况

②分析井工开采引起煤矿区土地损毁的趋势

③针对煤矿区损毁土地制定适宜的治理对策

1．4研究方法及技术路线

1．4-1研究方法

(1)总结和分析已有研究成果和实例 整理和收集国内外有关井工开采引起煤矿区土地损毁状况和损毁趋势分析的方法，
结合已有长治地区煤矿区土地利用现状和已损毁土地类型及面积等有关研究成果和数 据资料，了解煤矿开采对土地的损毁方式和损毁程度，进而为煤矿区开采前后土地利用 变化分析提供理论基础和实证案例准备。
(2)实地调研 本文用到的长治地区70个矿的数据，主要通过实地调查和收集查询分析获得；搜
集到的资料主要有统计年鉴、相关部门统计的地质、土壤等信息、空间图像信息以及相

关地图等。

a、为了获得长治地区典型煤矿的概况、开采方式、开采接续计划、社会经济和自 然状况等信息，我们在实地调查长治地区典型煤矿的煤炭开采情况的同时，也了解了当 地的自然状况、居民的经济来源、人均收入和生活情况等。确定了长治地区煤矿区土地 损毁的主要方式和植被类型等信息。
b、例如长治地区的地质地貌、可采煤层、土壤和气象数据等，相关的空间数据、 统计资料和图片可以通过对长治地区的相关职能部门国土资源局、林业局和气象局等的 走访来获取。
(3)关键参数确定 利用煤矿区的开采接续计划，结合实地调查所获相应的数据，处理和分析得到预计
煤炭开采引起变形沉陷的关键参数。 根据长治地区典型煤矿所提供的开采接续计划和地形图等资料，提取煤层厚度和煤
矿工作面点坐标。 典型煤矿的水平移动系数、主要影响角正切、下沉系数和开采影响角等参数，需要

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依据实地考察搜集到的煤炭开采和地质情况等资料，利用经验公式计算并结合相似地学 和煤炭开采条件的煤矿实测来得到。
(4)GIS技术和井工开采引起煤矿区拟损毁土地的预测

运用MAPGIS和ARCGIS工具，利用其空间统计分析功能，对长治地区煤矿区土地利 用现状和己损毁土地利用类型和面积等进行分析。运用GIS技术分析土地的利用情况， 能够直观、准确地显示土地的利用类型和面积等信息，并可进行数据查询，是分析土地 利用和损毁情况的有力工具。
运用GIS技术可以进行对典型煤矿区的土地利用现状图矢量化、预测损毁图和现状 图叠加分析、提取地类空间数据以及输出和显示煤矿区开采前后的土地利用变化等操 作。
依据所得到的重要参数用变形沉陷预计软件和ARCGIS的缓冲区分析功能，预测 并分析了长治地区井工开采引起煤矿区拟损毁土地的面积、地类和损毁程度。
(5)损毁趋势分析 总结和分析煤炭开采前后土地利用的变化情况，得到长治地区井工开采引起土地损
毁的趋势。在上述分析的基础上，提出煤矿区土地可持续利用的可行性建议，为实现矿 区生态和经济的可持续发展提供一定的指导意义。

1．4．2技术路线 本论文具体的技术路线如下图所示：

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图1-1 技术路线图
Figure l一1 Technology flow chart

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第二章长治地区井工开采损毁土地分析方法及相关理论

2．1煤炭开采对土地的损毁分析

露天开采与井工开采是煤炭开采的两种不同开采方式，土地的损毁程度和形式因开 采方式的不同而有所差异。露天开采损毁土地的主要方式为剥离层、煤矸石和挖损压占； 井工开采损毁土地的主要方式为煤矸石压占和地表塌陷