多煤层开采下地表受损范围及扰动次数确定方法

摘要

本发明涉及多煤层开采下地表受损范围及扰动次数确定方法，属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域。该方法包括：根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法，分煤层进行地表沉陷范围的模拟预计，然后依据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表最终沉陷范围，同时对多煤层重复开采划分不同的地表扰动区域，并确定不同扰动区域受扰动的次数。本发明综合考虑了各煤层开采引起的地表沉陷范围、多煤层开采对地表的重复影响，从而确定了多煤层开采下地表受损范围及扰动次数，简单易懂，便于实际应用，为后续多煤层开采沉陷地土地复垦工作提供了基础信息。

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，特别涉及多煤层矿区重复 采动影响下地表受损范围及扰动次数的确定方法。

背景技术

我国煤炭资源储量丰富，已探明的煤炭资源储量高达1.48万亿吨。其中，部分地区 煤层层数多、累积可采厚度大，例如安徽省淮南矿区可采煤层9-18层，累积可采厚度达25- 34m；山东省兖州、济宁等矿区可采煤层大部分在7-10层，可采煤层总厚度约8-12m；江苏省 徐州矿区主要可采煤层9层，累积采厚达15m。众所周知，我国是煤炭生产大国，据《2014年国 民经济和社会发展统计公报》数据显示，2014年全年我国原煤产量为38.7亿吨，其中90％以 上的煤炭产量来自于井工煤矿，而且大多采用走向长壁式全部跨落法管理顶板，从而形成 了众多的采煤沉陷土地，据相关资料，到2012年底，我国因采煤而沉陷的土地面积约为156 万公顷，采煤沉陷地复垦工作迫在眉睫。

随着煤炭的不断开采和开采深度的增加，多煤层开采更加普遍。与单一煤层开采 相比，多煤层开采地表沉陷有很多复杂的特点，多煤层开采下，由于各煤层赋存情况不同， 因此不同煤层开采引起的地表沉陷范围也不尽相同，同时地表不同区域受采煤影响次数不 同，导致地表损毁情况复杂多变，不利于后续土地复垦工作的进行。因此，对于多煤层开采， 首先需要圈定地表最终受损范围，确定不同区域受扰动次数，才能提前确定所需复垦区域， 更好地考虑后续煤层采动影响，从而合理安排不同区域的复垦工程。

目前，对于单一工作面或单一煤层开采的地面损毁等有了大量深入的探索和研 究，并取得了丰硕的成果。但对于多煤层开采地表最终受损范围及扰动次数的研究较少，在 多煤层重复采动下，如何确定地表沉陷影响范围，以及不同区域受扰动次数，从而为后续复 垦范围的确定及复垦时间的选择提供基础信息，对多煤层开采沉陷地复垦至关重要。

发明内容

本发明的目的是为解决上述难题，提出多煤层开采下地表受损范围及扰动次数的 确定方法，通过模拟分析多煤层开采下地面沉陷范围，同时结合重复采动影响，确定地表最 终受损范围及扰动次数，从而为后续多煤层开采土地复垦工作提供基础信息。

本发明提出的多煤层开采下地表受损范围及扰动次数确定方法，该方法主要适用 于多煤层开采矿区，包括根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法，分煤层进行地表沉陷范 围的模拟预计，然后依据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表最终沉陷范围，同时对 多煤层重复开采划分不同的地表扰动区域，并确定不同区域受扰动的次数。

该方法具体包括以下步骤：

1)根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法，分煤层进行地表沉陷范围模拟预计： 设开采区域共n个煤层，且开采顺序为煤层1、煤层2、…、煤层i、…、煤层n，利用概率积分法 分别预计煤层i开采引起地面任意点(x,y)的下沉值，如表达式(1)所示，则下沉值为10mm的 点圈定的等值线即为煤层i开采的沉陷影响范围D_i，i＝1,2,3,…,i,…n。

$W_i\left(x,y\right)=q_i{m}_i{\mathrm{cos\alpha }}_i\underset{S_i}{\int \int }\frac{1}{{r_i}^2}{e}^{\pi \frac{{\left(\eta -x\right)}^2+{\left(ϵ-y\right)}^2}{{r_i}^2}}d\eta dϵ---\left(1\right)$

式(1)中：W_i(x,y)为煤层i开采引起地面任意点(x,y)的下沉值，单位mm；

q_i为煤层i开采的下沉系数；mi为煤层i的煤厚，单位mm；

α_i为煤层i的煤层倾角，单位°；S_i为煤层i的开采区域；

r_i为煤层i的主要影响半径，单位m；i＝1,2,3,…,i,…n；

2)依据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表最终沉陷范围：根据煤层开采 计划，和步骤1)中分煤层地表沉陷影响范围，通过空间叠加得出多煤层重复采动下地表最 终沉陷影响范围，则m个煤层开采结束后，地表最终沉陷范围R_m如表达式(2)所示：

$R_m=\underset{j=1}{\overset{m}{\cup }}{D}_j---\left(2\right)$

式(1)中：m＝1,2,3,…,m,…n；j＝1,2,3,…,j,…m；

3)对多煤层重复开采划分不同的地表扰动区域：根据多煤层开采地表影响范围， 确定m个煤层开采结束后，划分的不同地表扰动区域F_k如表达式(3)所示：

$F_k=\left(\begin{array}{cc}{R}_1& (k=1)\\ R_k-R_{k-1}& \left(k=2,3,\mathrm{....},m\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

式(2)中：m＝1,2,3,…,m,…n；k＝1,2,3,…,k,…m；

4)确定不同地表扰动区域受扰动次数：根据多煤层开采地表影响特征，确定m个煤 层开采结束后，地表扰动区域F_k受扰动的次数T(F_k)如表达式(4)所示：

T(F_K)＝m+1-k(4)

式(3)中：m＝1,2,3,…,m,…n；k＝1,2,3,…,k,…m。

本发明主要具有以下技术优点：

本发明通过利用概率积分法预计了多煤层开采下，分煤层开采引起的地表沉陷范 围，同时考虑多煤层重复采动特点，清晰地划分了地表受采动影响的不同扰动区域，并准确 地确定了不同区域受扰动的次数。该方法简单易懂，便于实际应用，为后续多煤层开采土地 复垦工作提供了基础信息。

附图说明

图1为多煤层开采下地表受损范围及扰动次数确定方法流程图。

图2为多煤层开采下地表受损范围和扰动次数示意图(图中A-B表示原始地面，Si 表示开采煤层i(i＝1,2,…,n)，曲线Li表示煤层i开采结束后引起地表下沉盆地范围，区域 Ri表示煤层i开采结束后地表最终沉陷影响范围)。

图3为实施例地表受损范围和扰动次数示意图。

具体实施方式

本发明提出的多煤层开采下地表受损范围及扰动次数的确定方法，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多煤层开采矿区，包括根据地下煤炭赋存条件，利用概 率积分法，分煤层进行地表沉陷范围的模拟预计，然后依据煤层开采计划，确定多煤层重复 采动下地表最终沉陷范围，同时对多煤层重复开采划分不同的地表扰动区域，并确定不同 区域受扰动的次数。

该方法具体包括以下步骤：

1)根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法，分煤层进行地表沉陷范围模拟预计： 设开采区域共n个煤层，且开采顺序为煤层1、煤层2、…、煤层i、…、煤层n，利用概率积分法 分别预计煤层i开采引起地面任意点(x,y)的下沉值，如表达式(1)所示，则下沉值为10mm的 点圈定的等值线即为煤层i开采的沉陷影响范围D_i，i＝1,2,3,…,i,…n。

$W_i\left(x,y\right)=q_i{m}_i{\mathrm{cos\alpha }}_i\underset{S_i}{\int \int }\frac{1}{{r_i}^2}{e}^{\pi \frac{{\left(\eta -x\right)}^2+{\left(ϵ-y\right)}^2}{{r_i}^2}}d\eta dϵ---\left(1\right)$

式(1)中：W_i(x,y)为煤层i开采引起地面任意点(x,y)的下沉值，单位mm；

q_i为煤层i开采的下沉系数；mi为煤层i的煤厚，单位mm；

α_i为煤层i的煤层倾角，单位°；S_i为煤层i的开采区域；

r_i为煤层i的主要影响半径，单位m；i＝1,2,3,…,i,…n；

2)依据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表最终沉陷范围：根据煤层开采 计划，和步骤1)中分煤层地表沉陷影响范围，通过空间叠加得出多煤层重复采动下地表最 终沉陷影响范围，则m个煤层开采结束后，地表最终沉陷范围R_m如表达式(2)所示：

$R_m=\underset{j=1}{\overset{m}{\cup }}{D}_j---\left(2\right)$

式(1)中：m＝1,2,3,…,m,…n；j＝1,2,3,…,j,…m；

3)对多煤层重复开采划分不同的地表扰动区域：根据多煤层开采地表影响范围， 确定m个煤层开采结束后，划分的不同地表扰动区域F_k如表达式(3)所示：

$F_k=\left(\begin{array}{cc}{R}_1& (k=1)\\ R_k-R_{k-1}& \left(k=2,3,\mathrm{....},m\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

式(2)中：m＝1,2,3,…,m,…n；k＝1,2,3,…,k,…m；

4)确定不同地表扰动区域受扰动次数：根据多煤层开采地表影响特征，确定m个煤 层开采结束后，地表扰动区域F_k受扰动的次数T(F_k)如表达式(4)所示：

T(F_K)＝m+1-k(4)

式(3)中：m＝1,2,3,…,m,…n；k＝1,2,3,…,k,…m。

实施例：

本实施例为东部某一高潜水位平原矿区，地面平坦开阔，区内主要有四个开采煤 层，分别为煤层1、煤层2、煤层3和煤层4，这四个煤层均为全区可采，且结构简单，其中煤层1 埋深约620m，平均厚度为2.0m；煤层2埋深约680m，平均厚度为2.5m；煤层3埋深约730m，平均 厚度为2.0m，煤层4埋深约770m，平均厚度为3.0m。

本实施例在计算机软件环境下模拟确定多煤层开采下地表受损范围及扰动次数， 其方法流程如图1所示，包括以下步骤：

1)根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法，分煤层进行地表沉陷范围模拟预计： 开采区域共4个煤层，且开采顺序为煤层1、煤层2、煤层3、煤层4，利用概率积分法和电子计 算机得出煤层1、煤层2、煤层3、煤层4分别开采引起地表沉陷影响范围为D₁＝78hm²、D₂＝ 95hm²、D₃＝113hm²、D₄＝133hm²。

2)依据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表最终沉陷范围：：根据煤层开采 计划，和步骤1)中分煤层地表沉陷影响范围，通过空间叠加得出多煤层重复采动下地表最 终沉陷范围，则煤层1、煤层2、煤层3、煤层4开采结束后，地表最终沉陷范围分别为 $R_1=\underset{j=1}{\overset{1}{\cup }}{D}_j=D_1=78{\mathrm{hm}}^2,R_2=\underset{j=1}{\overset{2}{\cup }}{D}_j=D_1\cup D_2=95{\mathrm{hm}}^2,$$R_3=\underset{j=1}{\overset{3}{\cup }}{D}_j=D_1\cup D_2\cup D_3=113{\mathrm{hm}}^2,R_4=\underset{j=1}{\overset{4}{\cup }}{D}_j=D_1\cup D_2\cup D_3\cup D_4=133{\mathrm{hm}}^2.$

3)对多煤层重复开采划分不同的地表扰动区域：根据多煤层开采地表影响范围， 确定4个煤层开采结束后，受不同扰动次数的区域F₁＝R₁＝78hm²，F₂＝R₂-R₁＝17hm²，F₃＝R₃- R₂＝18hm²，F₄＝R₄-R₃＝20hm²。

4)确定不同地表扰动区域受扰动次数：根据多煤层开采地表影响特征，确定4个煤 层开采结束后，地表扰动区域F₁、F₂、F₃、F₄受扰动的次数分别为T(F₁)＝4+1-1＝4、T(F₂)＝4+ 1-2＝3、T(F₃)＝4+1-3＝2、T(F₄)＝4+1-4＝1。本实例地表沉陷范围及扰动次数如图3所示， 图中A-B表示原始地面，S1、S2、S3、S4分别表示开采煤层1、煤层2、煤层3和煤层4，曲线L1、 L2、L3、L4表示煤层1、煤层2、煤层3和煤层4开采结束后引起地表下沉盆地范围，区域R1、R2、 R3、R4分别表示煤层1、煤层2、煤层3和煤层4开采结束后地表最终沉陷影响范围。