边采边复耕地区动态施工标高确定方法

摘要

本发明涉及边采边复耕地区动态施工标高确定方法，属于采矿技术、土地利用和土地复垦技术领域。该方法包括：利用概率积分法分阶段动态沉陷预计，同时考虑地表原始高程，模拟各阶段地表动态沉陷情况，然后根据当地的自然社会经济情况，确定边采边复耕地区复垦标高，结合边采边复空间布局中耕地区的范围以及当地潜水位埋深，确定耕地动态施工位置范围，最后根据复垦标高和地表后续下沉，确定边采边复耕地区动态施工标高。本发明综合考虑了边采边复工程施工时，需复垦耕地区的范围、地表沉陷情况、后续下沉以及复垦标高，从而确定了边采边复耕地区动态施工标高，简单易懂，便于指导工程施工，为边采边复技术的实地实施提供了有力保障。

说明书

技术领域

本发明属于采矿技术、土地利用和土地复垦技术领域，特别涉及中高潜水位平原矿区 边采边复工程施工过程中耕地区动态施工标高的确定方法。

背景技术

据不完全统计，新中国成立以来，我国已开采出煤炭约445亿吨，对社会经济发展做 出了巨大的贡献。然而煤炭的开采也带来了诸多问题，我国96％的煤炭产量来自于地下开 采，并多采用走向长壁全部垮落法管理顶板，土地沉陷系数大，采煤沉陷土地占煤炭开采 破坏土地的91％。据保守估计，我国由于煤炭资源开采累计沉陷面积超过100万公顷，且 以每年3.0万～4.7万公顷的速度增加。因此，采煤沉陷土地复垦已成为中国最具特色的 难题。

自20世纪80年代，中国的土地复垦在利用不同方法修复采煤沉陷土地方面，取得了 显著的成效。现在通常使用的方法有四种：直接修整法(土地平整)、疏排法、挖深垫浅 法和利用煤矸石、粉煤灰、湖泥等充填材料进行充填复垦。但这些方法与环境领域的“先 污染、后治理”的情况一样，大都是“先破坏、后复垦”，致力于治理稳沉的土地，也就 是说煤炭开采结束，土地沉陷达到最终状态后，再采取措施进行复垦。这时环境受到严重 破坏，对土地的大部分损伤也已经形成，尤其是在中高潜水位平原矿区，土地稳沉后，将 有大量肥沃的土地沉入水中而无法挽救。因此，为了最大限度地保护土地资源，缩短复垦 时间，实现及时复垦，井工矿山边开采边复垦技术——边采边复技术应运而生。

目前对于边采边复技术的复垦时机、复垦空间布局等先后有了不断深入的探索和研 究，并取得了丰硕的成果。中国矿业大学(北京)已申请的专利——用于采煤沉陷地边采 边复的基于土方平衡的基塘布局方法，在土方平衡的基础上确定了最佳的耕地区与挖深区 范围，为复垦空间布局的确定提供了一定的科学与理论依据。但该方法仅确定了最终的复 垦空间布局，并不能很好地指导整个动态施工过程，因此在复垦空间布局(即最终耕地区 和挖深区范围)确定的前提下，如何确定某一时刻需要复垦的耕地范围，以及耕地的施工 标高，从而更好的指导工程施工，对于边采边复技术思想的实地实施至关重要。

发明内容

本发明的目的是为解决上述难题，提出边采边复耕地区动态施工标高的确定方法，是 在采用边采边复技术确定了复垦布局(耕地区与水域)与最终复垦标高的基础上，通过分 析复垦时间节点地面沉陷情况、后续下沉、最终复垦标高，确定各复垦时间节点的动态复 垦施工标高，从而科学指导边采边复技术的实施。

本发明提出的边采边复耕地区动态施工标高的确定方法，该方法主要适用于中高潜水 位平原矿区，包括利用概率积分法分阶段动态沉陷预计，同时考虑地表原始高程，模拟各 阶段地表动态沉陷情况，然后确定边采边复耕地区复垦标高，结合边采边复空间布局中耕 地区的范围以及当地潜水位埋深，确定耕地动态施工位置范围，最后根据复垦标高和地表 后续下沉，确定边采边复耕地区动态施工标高。

该方法具体包括以下步骤：

1)分阶段地表采煤沉陷动态模拟：根据地下煤炭赋存条件、开采计划，以月或年为 单位将开采划分为多个阶段，利用概率积分法分阶段进行动态沉陷预计，并与煤炭开采前 地表的原始高程进行叠加分析，模拟各阶段地表采煤沉陷情况。具体如下：设地表任意点 P的坐标为(x,y)，则各阶段i(i＝1,2,3,……n)点P的高程值，如表达式(1)所示：

$H_i(x,y)=H_0(x.y)-\frac{W_i(x,y)}{1000}---\left(1\right)$

式(1)中：H_i(x,y)为阶段i地表任意点P的高程，单位m；

H₀(x,y)为地表任意点P的原始高程，单位m；

W_i(x,y)为阶段i地表任意点P的下沉值，单位mm。

2)确定边采边复耕地区复垦标高：边采边复耕地区的复垦标高由农作物生长的临界 深度、地下潜水位、外河水位及5年一遇洪水位决定，如表达式(2)所示：

H_R＝h_L+max{H_D,H_W,H_H}(2)

式(2)中：H_R为充填耕地区复垦标高，单位m；h_L为农作物生长临界深度，单位m；

max{}为取括号中的最大者；H_D为地下潜水位高程，单位m；

H_W为外河水位高程，单位m；H_H为5年一遇洪水位高程，单位m。

3)确定各阶段需复垦耕地区的位置范围：根据边采边复空间布局中的耕地区范围D_G， 步骤1)中各阶段地表采煤沉陷情况，以及当地潜水位埋深，确定边采边复耕地区范围内 各阶段的积水区域D_i，则各阶段需复垦耕地区的范围F_i如表达式(3)所示：

$F_i=\left(\begin{array}{cc}{D}_{i+1}-D_i& (i=1,2,3,...n-1)\\ D_G-D_n& (i=n)\end{array}\right)---\left(3\right)$

4)确定各阶段需复垦耕地区的施工标高：根据步骤2)中确定的边采边复耕地区复垦 标高，同时考虑地表的后续下沉，确定各阶段需复垦耕地区的施工标高，如表达式(4) 所示：

H_Si(x_Q,y_Q)＝H_R+(H_i(x_Q,y_Q)-H_n(x_Q,y_Q))(4)

式(4)中：H_Si(x_Q,y_Q)为阶段i需复垦耕地区任意点Q的施工标高，单位m；

H_i(x_Q,y_Q)为阶段i需复垦耕地区任意点Q的高程，单位m；

H_n(x_Q,y_Q)为阶段n需复垦耕地区任意点Q的高程，单位m。

本发明主要具有以下技术优点：

本发明通过分阶段的沉陷预计和地表原始高程，清晰的模拟地表动态采煤沉陷情况， 在此基础上，综合考虑当地的自然社会经济情况，确定边采边复耕地区复垦标高，结合边 采边复空间布局中的耕地区范围、当地潜水位埋深和耕地区复垦标高，综合确定边采边复 耕地区动态施工范围及其施工标高。

本发明用于指导边采边复工程施工，方法简单易懂，易于实地操作，是边采边复技术 思想实地实施的有力保障。

附图说明

图1为边采边复耕地区动态施工标高确定方法流程图。

图2为点P、Q位置及各阶段需复垦耕地区位置范围图。

图3为阶段2需复垦耕地区施工标高剖面图。

具体实施方式：

本发明提出的边采边复耕地区动态施工标高的确定方法，结合附图及实施例详细说明 如下：

本发明的方法主要适用于中高潜水位平原矿区，包括利用概率积分法分阶段动态沉陷 预计，同时考虑地表原始高程，模拟各阶段地表动态沉陷情况，然后根据当地的自然社会 经济情况，确定边采边复耕地区复垦标高，结合边采边复空间布局中耕地区的范围以及当 地潜水位埋深，确定耕地动态施工位置范围，最后根据复垦标高和地表后续下沉，确定边 采边复耕地区动态施工标高。

该方法具体包括以下步骤：

1)分阶段地表采煤沉陷动态模拟：根据地下煤炭赋存条件、开采计划，以月或年为 单位将开采划分为多个阶段，利用概率积分法分阶段进行动态沉陷预计，并与煤炭开采前 地表的原始高程进行叠加分析，模拟各阶段地表采煤沉陷情况。具体如下：设地表任意点 P的坐标为(x,y)，则各阶段i(i＝1,2,3,……n)点P的高程值，如表达式(1)所示：

$H_i(x,y)=H_0(x.y)-\frac{W_i(x,y)}{1000}---\left(1\right)$

式(1)中：H_i(x,y)为阶段i地表任意点P的高程，单位m；

H₀(x,y)为地表任意点P的原始高程，单位m；

W_i(x,y)为阶段i地表任意点P的下沉值，单位mm。

2)确定边采边复耕地区复垦标高：边采边复耕地区的复垦标高由农作物生长的临界 深度、地下潜水位、外河水位及5年一遇洪水位决定，如表达式(2)所示：

H_R＝h_L+max{H_D,H_W,H_H}(2)

式(2)中：H_R为充填耕地区复垦标高，单位m；h_L为农作物生长临界深度，单位m；

max{}为取括号中的最大者；H_D为地下潜水位高程，单位m；

H_W为外河水位高程，单位m；H_H为5年一遇洪水位高程，单位m。

3)确定各阶段需复垦耕地区的位置范围：根据边采边复空间布局中的耕地区范围D_G， 步骤1)中各阶段地表采煤沉陷情况，以及当地潜水位埋深，确定边采边复耕地区范围内 各阶段的积水区域D_i，则各阶段需复垦耕地区的范围F_i如表达式(3)所示：

$F_i=\left(\begin{array}{cc}{D}_{i+1}-D_i& (i=1,2,3,...n-1)\\ D_G-D_n& (i=n)\end{array}\right)---\left(3\right)$

4)确定各阶段需复垦耕地区的施工标高：根据步骤2)中确定的边采边复耕地区复垦 标高，同时考虑地表的后续下沉，确定各阶段需复垦耕地区的施工标高，如表达式(4) 所示：

H_Si(x_Q,y_Q)＝H_R+(H_i(x_Q,y_Q)-H_n(x_Q,y_Q))(4)

式(4)中：H_Si(x_Q,y_Q)为阶段i需复垦耕地区任意点Q的施工标高，单位m；

H_i(x_Q,y_Q)为阶段i需复垦耕地区任意点Q的高程，单位m；

H_n(x_Q,y_Q)为阶段n需复垦耕地区任意点Q的高程，单位m。

实施例：

本实施例为东部某一高潜水位平原矿区，区内地势平坦，地表自然高程在+43.2m～ +44.6m之间，平均+43.9m，地形坡度为2‰，地下潜水位埋深为1.5m左右，煤层平均厚 度5.0m，埋藏深度800m，工作面长250m，工作面推进长度1050m，工作面推进速度5m/ 天。

本实施例基于采煤沉陷地边采边复技术思想，在计算机软件环境下模拟确定充填区施 工标高，其方法流程如图1所示，包括以下步骤：

1)分阶段地表采煤沉陷动态模拟：根据地下煤炭赋存条件、开采计划，以月或年为 单位将开采划分为多个阶段，本实施例中，工作面开采共210天，因此以月为单位划分为 7个阶段，每个阶段开采150m。利用概率积分法分阶段进行动态沉陷预计，并与煤炭开采 前地表的原始高程进行叠加分析，模拟各阶段地表采煤沉陷情况。本实施例中，利用概率 积分法对7个阶段分别进行沉陷预计，地表任意点P的坐标为(810,-237)，位置如图2中所 示，Fi表示阶段i需复垦地区的位置范围，i＝2,3,4,5,6,7点P在阶段4预计的下沉值为 W₄(810,-237)＝500mm，点P的原始高程为H₀(810,-237)＝43.7m，因此点P在阶段4煤炭开 采后的高程H₄(810,-237)＝43.7-500/1000m＝43.2m。。

2)确定边采边复耕地区复垦标高：边采边复耕地区的复垦标高由农作物生长的临界 深度、地下潜水位、外河水位及5年一遇洪水位决定，本实施例中，农作物生长临界深度 h_L＝1.0m，地下潜水位高程H_D＝42.4m，外河水位高程H_W＝41.8m，5年一遇洪水位高程 H_H＝42.1m，因此充填耕地区复垦标高H_R＝1.0+max{42.4,41.8,42.1}m＝43.4m。

3)确定各阶段需复垦耕地区的位置范围：根据边采边复空间布局中的耕地区范围D_G， 步骤1)中各阶段地表采煤沉陷情况，以及当地潜水位埋深，确定边采边复耕地区范围内 各阶段的积水区域D_i，进而确定各阶段需复垦耕地区的范围F_i。本实施例中，地下潜水位 高程H_D＝42.4m，结合步骤1)中对7个阶段地表采煤沉陷情况的模拟，得出阶段3地表开 始出现积水，因此F₁＝D₂-D₁＝0，其他各阶段需复垦耕地区的范围如图2所示。

4)确定各阶段需复垦耕地区的施工标高：根据步骤2)中确定的边采边复耕地区复垦 标高，同时考虑地表的后续下沉，确定各阶段需复垦耕地区的施工标高。本实施例中，阶 段2需复垦耕地区任意点Q原始高程H₀(223，-125)＝44.1m，阶段2预计的下沉值为W₂(223， -125)＝700mm，阶段7预计的下沉值为W₇(223，-125)＝1800mm，因此H₂(223，-125)＝43.4m， H₇(223，-125)＝42.3m。则阶段2需复垦耕地区任意点Q的施工标高H_S2(223， -125)＝43.4+(43.4-42.3)m＝44.5m。边采边复阶段2需复垦耕地区施工标高剖面如图3所示， 图中A-B表示原始地面，C表示当地潜水位，D表示可挖掘取土线，E表示煤层，曲线1 表示阶段2下沉盆地范围，曲线2表示最终下沉盆地范围，带点的区域表示阶段2需复垦 地区。