CN102609782B - 基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法 - Google Patents

Abstract

基于采煤沉陷模拟和复耕率的单一煤层边采边复时机的优选方法涉及动态开采沉陷预测与GIS分析处理，属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，用于解决未稳沉采煤塌陷地土地复垦问题，实现井工煤矿区的边开采边复垦。该方法包括：在现场资料收集和分析的基础上，基于概率积分法与Knothe时间函数的开采沉陷预计，考虑采矿前地貌的沉陷可视化模拟，时间域的地面沉陷情景模拟，以及基于复耕率的边采边复时机的优选。该发明方法通过对沉陷的动态情景模拟及复垦时机的优选，确定了特定采矿条件与自然条件下的最佳复垦时机，可最大限度的抢救平原矿区珍贵的表土资源，对将要遭受沉陷破坏的土地进行提前规划、保护与治理，从而提高复垦耕地率并降低复垦成本，促进矿区土地资源的可持续利用与可持续发展，确保煤炭资源开采与耕地保护的协调与同步发展。

Description

基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法

技术领域

本发明属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，特别涉及平原高潜水位矿区煤炭开采过程中的动态预测分析、情景模拟和土地复垦，主要以复耕率为考核指标对开采过程中复垦时机进行优选。

背景技术

中国煤炭资源矿产-粮复合区域面积大，井工开采强度高，特别是东部高潜水位矿区由于土地沉陷后主要以积水破坏为主，大量肥沃的土壤沉入水中、土壤损失严重。根据该类地区多年的复垦经验，在现有技术水平下复耕率只有30％左右，十分低下，大面积的优质农田变为水域，直接影响耕地的数量。如若稳定后再复垦往往会使土地荒废时间长、复垦时间也延长，因此，高潜水位地区采煤塌陷地复垦具有特别重要的研究意义。

以往煤矿塌陷区土地复垦方法是待其塌陷后再治理，即先破坏后治理，一般需等待开采结束地表沉陷基本稳定后，以研究区实地测量绘图为设计底图进行设计后一次施工完成治理。由于这种方法是在采矿结束、沉陷基本稳定后进行，存在以下缺点：(1)复垦土源无保障，由于复垦工作是在沉陷稳定后再进行，大部分土地已经没入水中，平原矿区珍贵的表土资源损失殆尽，难以抢救；(2)复垦耕地率低，在考虑无源复垦即无外来固体充填物的情况下，研究区内的固体充填物有限，因而复耕率难以得到保障。(3)施工难度大，涉及疏排水及水下施工。(4)复垦工程质量低，积水后土壤各项理化指标下降，养分降低。

近年来，“动态复垦”与“超前复垦”得到逐步重视，研究人员希望通过提前采取复垦措施来达到保护耕地的目的，但是目前较为普遍的做法是：首先，预测研究区域煤炭开采的最终下沉等值线；其次，根据下沉等值线确定最终的季节性积水区域与常年积水区域；最后，在煤炭开采前或者开采过程中根据最后的下沉布局提前进行表土剥离。由于缺乏科学合理的模拟与分析，对地表受煤炭开采影响下的演化规律缺乏认知，这一方法不能准确的确定最佳的复垦时机，因而无法达到最佳的复垦效果。中国煤炭的重要地位在相当长时期内难以改变，而人地矛盾会越来越突出，尤其是在煤炭-粮食复合区，采煤塌陷引起的耕地减少会直接影响国家粮食安全，因此，在今后较长时期内以农用地为复垦为主的方针不可改变。为了最大限度的保护耕地资源，缩短复垦时间实现及时复垦，边开采边复垦是首选，必将成为今后中国采煤塌陷地复垦的发展趋势。而边采边复的时机选择，作为这项技术的核心与关键，是此项技术能否成功与应用的最重要的因素。

井工煤矿区边开采边复垦技术的难题在于：

1)煤炭开采造成地面土地沉陷的动态过程难以掌握；

2)地下开采情况下的地貌发展可视化技术研究较少；

2)开采过程中，不同时段复垦的效率难以有效量化分析。

边开采边复垦过程中的复垦时机优选是一项非常复杂的技术，风险性的存在使得其难度超过了现有的稳沉后土地复垦技术，特别是受地质采矿条件、开采工艺、开采沉陷理论与方法等因素的影响较大，因而这一优选技术理论面广，技术难度大，实用性高。

1965年，刘宝琛、廖国华出版了《煤矿地表移动的基本规律》一书，将概率积分法全面引入我国矿区地表移动沉陷预计，目前，概率积分法也成为中国最成熟应用范围最广泛的煤矿开采沉陷预计理论。应用该理论，可获得煤炭开采过程中各阶段的地表下沉值及相应的水平变形、曲率变形、倾斜变形等各种变形值。

地理信息系统(GeographicInformationSystem，GIS)，它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数。GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。本发明结合GIS技术，分析、模拟地下开采对地面土地的影响过程。

发明内容

本发明的目的是为解决上述难题，提出基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法，本发明旨在确定最佳的复垦时机，达到最大限度保护表土资源，最大程度确保复耕率。确保资源开采与土地保护的协调发展，创建和谐绿色矿山。

本发明提出的基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法，基于概率积分法的动态沉陷预测与地理信息系统结合的情景模拟分析，适用于单一煤层，该方法包括以下步骤：

1)根据采矿系统资料获取研究区的地质条件、采矿计划的信息：地质条件包括开采前的地面高程、煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度等；采矿计划包括采矿系统布置、开采煤层的采煤工作面布置、开采方向、开采时间顺序；

2)基于Knothe时间函数，采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线；具体方法说明如下：

knothe时间函数为：f(x)＝1-e^-ct，t为预计开采时刻与开采单元的开采时刻之间的时间间隔，c为下沉速度系数；

设过采空区倾斜主断面内下山计算边界中与煤层走向平行的线为X轴，过采空区走向主断面左计算边界中与倾斜方向平行的线为Y轴，与煤层走向成Φ角的任意剖面上点P的坐标为x和y，则，根据下沉盆地的表达式可以推导出地表下沉盆地内任意方向的任意点x的下沉值W(x，y)如表达式(1)所示：

$W(x,y)=W_{\mathrm{cm}}\·\underset{D}{\∫\∫}\frac{1}{r^2}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ξ}-y)}^2}{r^2}}\·\mathrm{d\η}\·\mathrm{d\ξ}---\left(1\right)$

式中：r为任意开采水平的主要影响半径，单位为m；

D为采空区；

x，y为点P坐标，单位为m；

W_cm地表充分采动的最大下沉值，单位为mm，通常通过观测站资料获取；

根据开采单元各开采时段的最大下沉值，由式(1)分别预计开采单元各开采时段的动态下沉值，并分别绘制预计开采单元每个开采时段的下沉等值线，并形成预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线；

3)动态沉陷地面高程模型的获得：利用开采前的地面高程信息构建原始地面高程模型，将所述预计开采单元各个开采时段的动态下沉等值线通过插值形成下沉高程模型，将该两模型进行叠加获得开采单元各开采时段的动态沉陷地面高程模型；该动态沉陷地面高程模型具体表达式如下：

设研究区范围内共有n个点，m个时刻的开采沉陷地表特征，则研究区域内任意一点Ai在任意时刻j的地表特征的动态沉陷地面高程模型如公式(2)所示：

$f(x_{i_j},y_{i_j},z_{i_j})=f[x_{i_j},y_{i_j},(z_i-\underset{i=1,j=1}{\overset{i=n,j=m}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{ij}})]---\left(2\right)$

式中：

---地面点i在j时刻的平面纵坐标，i＝1，2...n；j＝1，2...m。

---地面点i在j时刻的平面横坐标，i＝1，2...n；j＝1，2...m。

---地面点i在j时刻的高程；i＝1，2...n；j＝1，2...m。

z_i---地面点i的原始高程；i＝1，2...n。

h_ij---地面点i在j-1时刻至j时刻的下沉深度；

4)对开采单元各个时段进行沉陷情景模拟，得到开采单元各个时段的复耕率：根据步骤3)获得的地表特征的动态沉陷地面高程模型的动态沉陷信息，以及研究区已有的土地利用现状图、水系分布的原始地表信息，通过地理信息系统的空间分析将所述原始地表信息与动态沉陷信息进行叠加、插值分析后，获得的数据以点元数据、线元数据、面元数据的形式表达；其中点元数据包括沉陷发展过程中地面各点的最大下沉数据集、地面最大下沉点的下沉数据集；线元数据包括各开采时段下沉等值线、各种变形等值线；面元数据包括地面沉陷区域与积水区域的各个时段二维数据、土地利用格局的二维数据、各个时段景观破碎度的二维数据；所述点元数据、线元数据、面元数据构成开采单元各个时段的沉陷情景模拟，根据开采单元各个时段的沉陷情景模拟，得到开采单元各个时段的复耕率；

5)比较开采单元各个时段的复耕率，优选复耕率最高的时段作为边采边复的最佳时机，对优选出的沉陷情景模拟时段在无外来充填物的条件下采用挖深垫浅复垦技术进行边采边复。

本发明主要具有以下技术优点：

通过动态沉陷预计与沉陷情景模拟，以复耕率为考核指标对边采边复的时机进行优选，实现了采矿与复垦的有机结合，是“采矿-复垦”一体化的初级阶段。通过情景模拟，能预先对沉陷造成的影响的土地演变过程进行再现，可视化的分析能更直观的感知沉陷的发展并有利于复垦管理决策。本发明通过具体的定量分析(复耕率)，优选出最佳的复垦时机，能最大限度的保护和利用了耕作土层，缩短了复垦施工周期，确保最高的复耕率。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明的实施例的开采工作面布局示意图。

具体实施方式

本发明通过对高潜水位矿区煤层开采过程的动态情景模拟与分析，优选出单一煤层开采条件下的最佳土地复垦时机，结合实施例详细说明如下：

本发明提出的基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法，是基于概率积分法的动态沉陷预测与地理信息系统结合的情景模拟分析，适用于单一煤层，该方法流程如图1所示，包括以下步骤：

1)根据采矿系统资料获取研究区的地质条件、采矿计划的信息：地质条件包括开采前的地面高程、煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度等；采矿计划包括采矿系统布置、开采煤层的采煤工作面(一个开采区域可划分为多个开采工作面)布置、开采方向、开采时间顺序；

2)基于Knothe时间函数，采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线；具体方法说明如下：

knothe时间函数为：f(x)＝1-e^-ct，t为预计开采时刻与开采单元的开采时刻之间的时间间隔，c为下沉速度系数；

设过采空区(煤层开采后在在地表下面产生的“空洞”)倾斜主断面内下山计算边界中与煤层走向平行的线为X轴，过采空区走向主断面左计算边界中与倾斜方向平行的线为Y轴，与煤层走向成Φ角的任意剖面上点P的坐标为x和y，则，根据下沉盆地的表达式可以推导出地表下沉盆地内任意方向的任意点x的下沉值W(x，y)如表达式(1)所示：

$W(x,y)=W_{\mathrm{cm}}\·\underset{D}{\∫\∫}\frac{1}{r^2}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ξ}-y)}^2}{r^2}}\·\mathrm{d\η}\·\mathrm{d\ξ}---\left(1\right)$

式中：r为任意开采水平(即开采深度)的主要影响半径，单位为m；

D为开采区域(采空区)；

x，y为点P坐标，单位为m；

W_cm地表充分采动的最大下沉值，单位为mm，通常通过观测站资料获取；

根据开采单元各开采时段的最大下沉值，由式(1)分别预计开采单元各开采时段的动态下沉值，并分别绘制预计开采单元每个开采时段的下沉等值线，并形成预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线；

3)动态沉陷地面高程模型的获得：利用开采前的地面高程信息构建原始地面高程模型(0riginalDigitalElevationModel，ODEM)，将所述预计开采单元各个开采时段的动态下沉等值线通过插值形成下沉高程模型(DigitalSubsidenceModel，DSM)，将ODEM和DSM两者进行叠加获得开采单元各开采时段的动态沉陷地面高程模型(SubsidedDigitalElevationModel，SDEM)；动态沉陷地面高程模型具体表达式如下：

设研究区范围内共有n个点，m个时刻的开采沉陷地表特征，则研究区域内任意一点Ai在任意时刻j的地表特征的动态沉陷地面高程模型如公式(2)所示：

$f(x_{i_j},y_{i_j},z_{i_j})=f[x_{i_j},y_{i_j},(z_i-\underset{i=1,j=1}{\overset{i=n,j=m}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{ij}})]---\left(2\right)$

式中：

---地面点i在j时刻的平面纵坐标，i＝1，2...n；j＝1，2...m。

---地面点i在j时刻的平面横坐标，i＝1，2...n；j＝1，2...m。

---地面点i在j时刻的高程；i＝1，2...n；j＝1，2...m。

z_i---地面点i的原始高程；i＝1，2...n。

---地面点i在j-1时刻至j时刻的下沉深度。

4)对开采单元各个时段进行沉陷情景模拟，得到开采单元各个时段的复耕率：根据步骤3)获得的地表特征的动态沉陷地面高程模型的动态沉陷信息，以及研究区已有的土地利用现状图、水系分布的原始地表信息，通过地理信息系统(GIS)的空间分析将所述原始地表信息与动态沉陷信息进行叠加、插值分析后，获得的数据以点元数据、线元数据、面元数据的形式表达；其中点元数据包括沉陷发展过程中地面各点的最大下沉数据集、地面最大下沉点的下沉数据集；线元数据包括各开采时段下沉等值线、各种变形等值线(包括水平变形等值线、倾斜变形等值线、曲率变形等值线)；面元数据包括地面沉陷区域与积水区域的各个时段二维数据、土地利用格局的二维数据、各个时段景观破碎度的二维数据；所述点元数据、线元数据、面元数据构成开采单元各个时段的沉陷情景模拟(即各个时段的土地利用动态布局与积水发展情况)，根据开采单元各个时段的沉陷情景模拟，得到开采单元各个时段的复耕率；

5)比较开采单元各个时段的复耕率，优选复耕率最高的时段作为边采边复的最佳时机，对优选出的沉陷情景模拟时段在无外来充填物的条件下采用挖深垫浅复垦技术进行边采边复。

本实施例为华北平原某矿属于高潜水位矿区，煤层平均厚度2.15m，埋藏深度250～300m；地势平坦，地表自然标高+30m～+32m，平均标高+31.0m左右，地下水埋深约为2m，地面坡度绝大部分为0～2°之间。

本实施例的基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法的步骤如下：

1)根据采矿系统资料获取研究区的地质条件、采矿计划的信息：地质条件包括开采前的地面高程、煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度等；采矿计划包括采矿系统布置、开采煤层的采煤工作面(一个开采区域可划分为多个开采工作面)布置、开采方向、开采时间顺序。工作面布局如图2所示，图中序号表示地下工作面开采顺序，阴影部分为地表研究区范围。

2)基于Knothe时间函数，采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线：在步骤1)分析的基础上，考虑Knothe时间函数，选择概率积分法分时段(大于3个时段)进行沉陷预计，本例中，根据工作面布局与开采情况，共划分为四个时段，分别是(a)工作面①与②开采后；(b)工作面①、②、③开采后；(c)工作面①、②、③、④开采后；(d)工作面①、②、③、④、⑤开采结束后。对各个时段进行沉陷预测，分别得到各个阶段的下沉等值线图与变形等值线图。

3)动态沉陷地面高程模型的获取：在进行步骤2)的同时，选择点状(高程点)或者线状(等高线)数据对采前的地表地形地貌进行处理得到原始地表信息，在此基础上，通过地理信息系统(GeographicInformationSystem，GIS)空间分析功能将原始地表信息与步骤2)得到的动态沉陷信息进行叠加、插值分析，形成开采单元各开采时段的动态沉陷地面高程模型(SubsidedDigitalElevationModel，SDEM)，进而获取地面地形动态变化图、地面坡度动态变化图。

4)对开采单元各个时段的沉陷情景模拟，得到开采单元各个时段的复耕率：在步骤3)的基础上，根据研究区已有的土地利用现状图、水系分布等地表信息数据，对开采的各个时段进行沉陷情景模拟，确定各个时段的土地利用动态布局与地面动态积水布局，确定各时段的沉陷损毁特征。本例煤炭资源开采过程中，地面耕地所占比例从100％逐渐下降至仅仅14.36％(四个时段分别对应为100％，72.52％，67.32％，14.36％)。

5)基于复耕率的边采边复时机优选：根据各时段沉陷后地面标高、积水情况，考虑内部土方平衡条件下的复垦。各时段采取的复垦措施为挖深垫浅，选用挖掘机、推土机结合的方式进行施工。基于各时段采动影响的情景模拟，对应模拟挖深垫浅复垦，可以分别模拟出对应时段的复垦后的土地利用状况，尤其是各时段的恢复耕地率。本实施例中，时段(a)地面无积水情况，土地损毁不严重，可暂不考虑安排复垦措施，其余各个时段的复耕率分别为(b)78.29％，(c)73.32％和(d)40.70％。以恢复耕地率较高为优选标准，可以优选出研究区单一煤层开采的边采边复的最优方案为时段(b)或者(c)，分别比沉陷稳定后复垦提高复耕率37.59％和32.62％，所以，在这两个时段复垦，既能减少施工难度，又能保护珍贵的表土资源、极大的提高复耕率。在现有技术条件下，优选的方案最大限度的复垦出了耕地资源，对高潜水位煤矿区耕地保护与粮食安全的保障具有积极意义。

Claims (1)

1.一种基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法，基于概率积分法的动态沉陷预测与地理信息系统结合的情景模拟分析，适用于单一煤层,该方法包括以下步骤：

1)根据采矿系统资料获取研究区的地质条件、采矿计划的信息:地质条件包括开采前的地面高程、煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度；采矿计划包括采矿系统布置、开采煤层的采煤工作面布置、开采方向、开采时间顺序；

2)基于Knothe时间函数，采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线；具体方法说明如下：

knothe时间函数为：f(x)＝1-e^-ct，t为预计开采时刻与开采单元的开采时刻之间的时间间隔，c为下沉速度系数；

设过采空区倾斜主断面内下山计算边界中与煤层走向平行的线为X轴，过采空区走向主断面左计算边界中与倾斜方向平行的线为Y轴，与煤层走向成Φ角的任意剖面上点P的坐标为x和y，则，根据下沉盆地的表达式可以推导出地表下沉盆地内任意方向的任意点x的下沉值W(x,y)如表达式(1)所示：

$W(x,y)=W_{cm}\·\underset{D}{\∫\∫}\frac{1}{r^2}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ξ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\η}\·d\mathrm{\ξ}---\left(1\right)$

式中：r为任意开采水平的主要影响半径，单位为m；

D为采空区；

x，y为点P坐标，单位为m；

W_cm为地表充分采动的最大下沉值，单位为mm，通常通过观测站资料获取；

根据开采单元各开采时段的最大下沉值，由式(1)分别预计开采单元各开采时段的动态下沉值，并分别绘制预计开采单元每个开采时段的下沉等值线，并形成预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线；

3)动态沉陷地面高程模型的获得：利用开采前的地面高程信息构建原始地面高程模型,将所述预计开采单元各个开采时段的动态下沉等值线通过插值形成下沉高程模型，将该两模型进行叠加获得开采单元各开采时段的动态沉陷地面高程模型；该动态沉陷地面高程模型具体表达式如下：

设研究区范围内共有n个点，m个时刻的开采沉陷地表特征，则研究区域内任意一点Ai在任意时刻j的地表特征的动态沉陷地面高程模型如公式(2)所示：

$f(x_{i_j},y_{i_j},z_{i_j})=f\[x_{i_j},y_{i_j},(z_i-\underset{i=1,j=1}{\overset{i=n,j=m}{\Σ}}{h}_{ij})\]---\left(2\right)$

式中：

‐‐‐地面点i在j时刻的平面纵坐标，i＝1,2…n；j＝1,2…m；

‐‐‐地面点i在j时刻的平面横坐标，i＝1,2…n；j＝1,2…m；

‐‐‐地面点i在j时刻的高程；i＝1,2…n；j＝1,2…m；

z_i‐‐‐地面点i的原始高程；i＝1,2…n；

h_ij‐‐‐地面点i在j‐1时刻至j时刻的下沉深度；

4)对开采单元各个时段进行沉陷情景模拟，得到开采单元各个时段的复耕率：根据步骤3)获得的地表特征的动态沉陷地面高程模型的动态沉陷信息，以及研究区已有的土地利用现状图、水系分布的原始地表信息，通过地理信息系统的空间分析将所述原始地表信息与动态沉陷信息进行叠加、插值分析后，获得的数据以点元数据、线元数据、面元数据的形式表达；其中点元数据包括沉陷发展过程中地面各点的最大下沉数据集、地面最大下沉点的下沉数据集；线元数据包括各开采时段下沉等值线、各种变形等值线；面元数据包括地面沉陷区域与积水区域的各个时段二维数据、土地利用格局的二维数据、各个时段景观破碎度的二维数据；所述点元数据、线元数据、面元数据构成开采单元各个时段的沉陷情景模拟，根据开采单元各个时段的沉陷情景模拟，得到开采单元各个时段的复耕率；

5)比较开采单元各个时段的复耕率，优选复耕率最高的时段作为边采边复的最佳时机，对优选出的沉陷情景模拟时段在无外来充填物的条件下采用挖深垫浅复垦技术进行边采边复。