CN102877846B - 基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法，属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，该方法包括：获取煤层所在区域的自然条件、地质条件、采矿计划信息；沿着开采方向，将所要开采的煤层划分为多个开采单元；单元的划分按照时间或者开采长度进行划分；采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的下沉等值线；确定表土剥离启动距；确定实时表土剥离启动角、表土剥离终止角及表土剥离区段。本发明可以合理、及时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上的土壤资源进行提前的保护，为后期的复垦提供保障，从而提高复垦耕地率，促进矿区土地资源的可持续利用与可持续发展。

Description

基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法

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，特别涉及高潜水位-平原矿区煤炭开采过程中采煤塌陷地的表土抢救技术，主要以表土剥离启动距、实时表土剥离角(启动角、终止角)这两个参数来进行约束，差异化的确定不同开采单元影响下，地面表土剥离的时间及剥离范围。

背景技术

人多地少，耕地资源十分稀缺，这是中国的基本国情。随着经济的高速发展，对能源的需求与日俱增，煤炭作为中国的最主要能源，占一次能源消费的70%左右，由于中国90%以上的煤炭产量来自于井工开采，且多采用走向长壁全部垮落法开采，土地不可避免地产生下沉，造成大量土地的沉陷损毁。高潜水位矿区主要分布于中国的华东及东北平原区，开采所损毁的土地大多为优质的高产农田。对高潜水位矿区损毁土地的复垦是保证耕地数量，保障粮食安全的重要举措。

然而，由于我国东部地区土地沉陷后主要以积水破坏为主，煤炭开采地面沉陷后大量肥沃的土壤沉入水中、土壤损失严重。目前我国煤矿区土地复垦的方式主要以沉陷稳定后再治理为主，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%-40%，这也就意味着大面积的优质农田将会变为水域，直接影响耕地的数量。造成这一现象的原因有很多，一方面，特殊的地质采矿条件使得这一地区沉陷具有典型性，高潜水位矿区大多为平原矿区，所在区域大多为地势平坦、土壤资源丰富、肥力较高的优质基本农田区，由于本身地表地势平坦且潜水位较高，而同时煤层赋存条件又特别好，很多矿区煤层数量多、煤层厚度大，这就造成沉陷后积水的现象严重，大量的表土资源沉入水底；另一方面，由于是平原地区，缺乏固体充填物，目前主要采用煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等作为塌陷区治理的充填材料，与地表巨大的沉陷体积相比，此类充填物是车水杯薪。且珍贵的土壤资源作为多年风化沉积形成的资源，从某种意义上来说是不可再生的资源，复垦时缺少充填材料与表土覆盖材料，造成恢复土地和耕地的比例低。

由于特定的地质条件无法改变，而国家对能源的需求又使得煤炭的开采势在必行，且必须保持较高的回采率。因此，在平原矿区，唯有采取切实有效的复垦措施，才有可能减缓耕地数量减少、粮食减产绝产现象。为了保证一定的复耕率，提前将可能沉入水底的表土进行剥离抢救，是实现这一目标的有效手段。目前，已有相关学者开展“动态复垦”与“超前复垦”的研究，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。一般性的做法，是以工作面或者采区为单位，在开采前一次性的对开采可能造成影响区域的表土进行全部剥离，并就近堆放于影响区域附近。由于工作面或者采区服务年限有长有短，较大的工作面服务年限甚至达到一两年，过早的对表土进行全部剥离，则会影响正常的农业生产活动，且实施起来难度较大，表土剥离时间过晚，则会造成剥离效率降低，抢救出来的表土资源减少，影响复耕率。如何科学合理的确定边采边复过程中的表土剥离的时间及剥离的范围，是决定复耕率的重要指标。

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。

发明内容

本发明的目的是为解决上述难题，提出基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法，本发明旨在根据煤层开采情况动态、实时的对表土进行剥离，在土地沉入水底前预先采取措施保护表土资源。

本发明提出的基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法，该方法以概率积分法动态沉陷预测为基础，根据煤层开采情况实现煤层所在区域的动态、实时表土剥离时机的确定，该方法包括以下步骤：

1)获取煤层所在区域的自然条件、地质条件、采矿计划信息:自然条件主要包括地面高程、潜水埋深、土地利用现状；地质条件包括煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度、岩层分布；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)沿着开采方向，将所要开采的煤层划分为多个开采单元；单元的划分按照时间或者开采长度进行划分，具体方法如下：

以时间进行划分：时间上以月为单位确定开采单元，假设开采以A米/天匀速推进，则每个单元的长度为A米/天×30天，A取值范围为2-8米；

以开采长度进行划分：一个开采单元长度为H/20，H为开采深度，单位为米；

3)采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的下沉等值线；

4)确定表土剥离启动距L：根据概率积分法，令W_i(x,y)＝h_g，其中hg为地下潜水埋深，则得到对应的地下开采距离，从而确定表土剥离启动距；

5)确定实时表土剥离启动角、表土剥离终止角及表土剥离区段：自表土剥离启动距后，地面的表土剥离工作将随着地下煤炭的开采同步进行；令W_i(x,y)＝h_g，获得各个开采单元对应的地面表土剥离区域；第一次表土剥离区段为X₁₁至X₂₁,第i次表土剥离区段为X_1i至X_2i，如公式(2)、公式(3)；

第1次表土剥离区段(R₁段)：

X₁₁＝S                        (2)

X₂₁＝S+(H×ctgθ₂₁-H×ctgθ₁₁)

式中：θ₁₁为初始表土剥离启动角，θ₂₁为初始表土剥离终止角

第i次表土剥离区R_i段：

$X_{1i}=X_{2(i-1)}=S+\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(H\×\mathrm{ctg}{\mathrm{\θ}}_{2i}-H\×\mathrm{ctg}{\mathrm{\θ}}_{1i})---\left(3\right)$

X_2i＝X_1i+(H×ctgθ_2i-H×ctgθ_1i)

式中：θ_1i为开采i单元时表土剥离启动角，θ_2i为开采i单元时表土剥离终止角

在开采达到充分后，地面最大下沉值不再增长，在匀速推进条件下，各开采单元对应的地面表土剥离区段为常数R。

本发明主要具有以下技术优点：

本发明通过合理的划分开采单元，预测各单元开采对地面造成影响的情况，首先确定出地面临界积水出现的时间点，确定出初次表土剥离启动距及后续各开采单元的表土剥离启动角与表土剥离终止角。本发明能避免煤炭开采过程中过早的剥离表土对正常农业生产、生活的影响，又能避免过晚剥离导致表土淹没进入水中，是一种相对而言更科学更合理的表土剥离时机确定方法，有利于井工开采煤矿区边采边复工作的进行。可以合理、及时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上的土壤资源进行提前的保护，为后期的复垦提供保障，从而提高复垦耕地率，促进矿区土地资源的可持续利用与可持续发展。

附图说明

图1为本发明的实施例的示意图。

具体实施方式

本发明提供了根据煤层开采情况动态、实时的表土剥离时机确定方法，使得复垦工作既不对正常的农业生产进行提前的干扰，又保护表土资源，结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法，该方法以概率积分法动态沉陷预测为基础，根据煤层开采情况实现煤层所在区域的动态、实时表土剥离时机的确定，适用于单一水平(近水平)煤层。该方法包括以下步骤：

1)获取研究区的自然条件、地质条件、采矿计划信息:自然条件主要包括地面高程、潜水埋深、土地利用现状；地质条件包括煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度、岩层分布等；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)沿着开采方向，将所要开采的煤层划分为多个开采单元；单元的划分按照时间或者开采长度进行划分，具体方法如下：

以时间进行划分：时间上以月为单位确定开采单元，假设开采以A米/天匀速推进，则每个开采单元的长度为A米/天×30天，A取值范围为2-8米；

以开采长度进行划分：一个开采单元长度为H/20，H为开采深度，单位为米；

3)采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的下沉等值线；

具体方法如下：

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：

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

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为地面任意点P的坐标，单位为m；

通过观测站资料获取地表充分采动的最大下沉值W_cm，单位为mm；

根据概率积分法，确定时段(不同开采单元)的地面下沉W_i(x，y)，i为对应的各个时段。

4)确定表土剥离启动距L：

(表土剥离启动距(L)为地面出现临界积水条件时的地下煤层开采推进距离，为了保证土壤不没入水中，需提前对其进行表土剥离。表土剥离启动距是定义出现积水的临界条件，实际的表土剥离工作应当提前于这一时刻进行)。

根据概率积分法，令W_i(x,y)＝h_g，其中hg为地下潜水埋深(即下沉等于潜水埋深，地面开始出现积水)，则可得到对应的地下开采距离，从而确定表土剥离启动距；

5)确定实时表土剥离启动角、表土剥离终止角及表土剥离区段：自表土剥离启动距后，地面的表土剥离工作将随着地下煤炭的开采同步进行；令W_i(x,y)＝h_g，获得各个开采单元对应的地面表土剥离区域；第一次表土剥离区段为X₁₁至X₂₁，第i次表土剥离区段为X_1i至X_2i，如公式(2)、公式(3)；

具体过程如图1所示，图中A至G为开采单元，W_A至W_G为各开采单元对应的地面最大下沉值，a至g为各开采阶段下沉等值线与地下潜水位的交点，R₁至R_i为每次地面表土剥离范围，β为开采影响边界角。

第1次表土剥离区段(R₁段)：

X₁₁＝S                        (2)

X₂₁＝S+(H×ctgθ₂₁-H×ctgθ₁₁)

式中：θ₁₁为初始表土剥离启动角，θ₂₁为初始表土剥离终止角

第i次表土剥离区R_i段：

$X_{1i}=X_{2(i-1)}=S+\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(H\×\mathrm{ctg}{\mathrm{\θ}}_{2i}-H\×\mathrm{ctg}{\mathrm{\θ}}_{1i})---\left(3\right)$

X_2i＝X_1i+(H×ctgθ_2i-H×ctgθ_1i)

式中：θ_1i为开采i单元时表土剥离启动角，θ_2i为开采i单元时表土剥离终止角

在开采达到充分后(一般为开采尺寸达到1.2-1.4H₀，H₀为采深)，地面最大下沉值不再增长，在匀速推进条件下，各开采单元对应的地面表土剥离区段为常数R。

实施例：

本实施例为高潜水位矿区，煤层平均厚度9.0m，埋藏深度800m；地势平坦，地表自然标高+43.0～+44.50m，地下水埋深约3.0m左右，地面坡度绝大部分为0～2°之间。

本实施例通过计算机模拟技术进行基于单元法的边采边复表土剥离时机确定的步骤如下：

1)获取研究区的自然条件、地质条件、采矿计划信息:自然条件主要包括地面高程、潜水埋深、土地利用现状；地质条件包括煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度、岩层分布等；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。研究区为单一工作面开采，工作面尺寸为220m×2500m，工作面开采历时约380天。

2)沿着开采方向，将所要开采的煤层划分为开采单元。本例以时间进行划分，工作面开采时间总计380天，因此划分为13个开采单元，每个开采单元对应1个月的开采时间，最后一个单元为0.5个月。

3)采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的下沉等值线。

选择概率积分法分时段进行沉陷预计，本例中，根据工作面布局与开采情况，共划分为13个开采单元(时段)，分别对应于每个月的开采。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。

4)表土剥离启动距(L)为地面出现临界积水条件时的地下煤层开采推进距离，为了保证土壤不没入水中，需提前对其进行表土剥离。表土剥离启动距是定义出现积水的临界条件，实际的表土剥离工作应当提前于这一时刻进行。根据概率积分法，令W_i(x,y)＝h_g，本例中hg为3m。本例中，地面出现积水的临界时间为开采后第120天(地下推进距离为804m)时。因此，该工作面表土剥离启动距为804m，地面表土的剥离工作应当在工作面推进至804m之前进行。

5)自表土剥离启动距后，地面的表土剥离工作将随着地下煤炭的开采同步进行。初次表土剥离起始角为131°，表土剥离终止角为113°。此后，随着开采在走向上逐步达到充分，表土剥离起始角与表土剥离终止角逐步趋向于常量(129°与120°)，实时的表土剥离距离在开采达到充分后也趋向于一个常数(200m)。

可见，本发明能动态、实时、差异化的确定地面表土剥离的时间及剥离的范围(长度)。避免过于提前剥离表土对农业生产造成影响，也能及时的对表土进行剥离，避免表土淹没进入水中难以抢救。

Claims (1)

1.一种基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法，该方法以概率积分法动态沉陷预测为基础，根据煤层开采情况实现煤层所在区域的动态、实时表土剥离时机的确定，该方法包括以下步骤：

1)获取煤层所在区域的自然条件、地质条件、采矿计划信息:自然条件主要包括地面高程、潜水埋深、土地利用现状；地质条件包括煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度、岩层分布；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)沿着开采方向，将所要开采的煤层划分为多个开采单元；单元的划分按照时间或者开采长度进行划分，具体方法如下：

以时间进行划分：时间上以月为单位确定开采单元，假设开采以A米/天匀速推进，则每个单元的长度为A米/天×30天，A取值范围为2-8米；

以开采长度进行划分：一个开采单元长度为H/20，H为开采深度，单位为米；

3)采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的下沉等值线；

具体方法如下：

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为地面任意点P的坐标，单位为m；

通过观测站资料获取地表充分采动的最大下沉值W_cm，单位为mm；

根据概率积分法，确定各个时段的地面下沉W_i(x,y)，i为对应的各个时段；

4)确定表土剥离启动距L：根据概率积分法，令W_i(x,y)＝h_g，其中h_g为地下潜水埋深，则得到对应的地下开采距离，从而确定表土剥离启动距；

5)确定实时表土剥离启动角、表土剥离终止角及表土剥离区段：自表土剥离启动距后，地面的表土剥离工作将随着地下煤炭的开采同步进行；令W_i(x,y)＝h_g，获得各个开采单元对应的地面表土剥离区域；第一次表土剥离区段为X₁₁至X₂₁,第i次表土剥离区段为X_1i至X_2i，如公式(2)、公式(3)；

第1次表土剥离区段(R₁段)：

X₁₁＝S(2)

X₂₁＝S+(H×ctgθ₂₁-H×ctgθ₁₁)

式中：θ₁₁为初始表土剥离启动角，θ₂₁为初始表土剥离终止角；

第i次表土剥离区R_i段：

$X_{1i}=X_{2(i-1)}=S+\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(H\×{\mathrm{ctg\θ}}_{2i}-H\×{\mathrm{ctg\θ}}_{1i})---\left(3\right)$

X_2i＝X_1i+(H×ctgθ_2i-H×ctgθ_1i)

式中：θ_1i为开采i单元时表土剥离启动角，θ_2i为开采i单元时表土剥离终止角；

在开采达到充分后，地面最大下沉值不再增长，在匀速推进条件下，各开采单元对应的地面表土剥离区段为常数R。