CN102918950A - 一种采煤沉陷地复垦施工敏感区的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采煤沉陷地复垦施工敏感区的确定方法，属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，该办法包括：地面单元的划分、地面单元栅格化；根据开采阶段进行沉陷预计，获取各个开采阶段的地表变形等值线；通过GIS的插值与拟合功能，获取各个开采阶段的地表的水平变形栅格图与曲率变形栅格图；实现地表变形等值线到变形栅格图的转换；根据抗水平变形的阈值和抗曲率变形的阈值，确定各个开采阶段复垦施工的敏感地面单元。该发明方法简单易懂，易于指导实际复垦施工的实施，避免井工开采煤矿山边采边复过程中施工时机及区域选择不当导致的复垦失败。适用于单一水平（近水平）煤层。是井工开采煤矿区边采边复技术的重要组成。
Description
技术领域
本发明属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，特别涉及高潜水位-平原矿区煤炭开采下正在沉陷土地的边采边复工作，主要通过地面单元的划分，定量化的确定正在沉陷土地进行复垦施工过程中的敏感地面单元，科学的指导复垦施工。
背景技术
人多地少，耕地资源十分稀缺，这是我国的基本国情。随着经济的高速发展，对能源的需求与日俱增，煤炭作为我国的最主要能源，占一次能源消费的70%左右，由于我国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我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。
以往的治理多侧重于沉陷稳定后再复垦，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。
今年来，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。由于“动态复垦”与“超前复垦”不可避免的涉及到地面沉陷前施工或者对正在沉陷的土地进行复垦施工。因此，复垦施工的对象（如耕地区、水利设施、道路等）不可避免的要遭受动态沉陷，如拉伸、倾斜、曲率变形的影响。导致很多工程在施工过程中或者施工后遭受二次破坏，致使复垦失败。如何合理的确定复垦的时间与区域，既确保复垦耕地率最大，又避免在动态开采阶段的敏感区域（受水平变形、曲率变形区域）进行施工，成为井工开采煤矿区边采边复技术发展的瓶颈，直接关系到复垦工程的成功与否。
地理信息系统（Geographic Information System，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。
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中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，提出一种采煤沉陷地复垦施工动态敏感区域的确定方法，本发明能确定正在沉陷土地在采取复垦措施过程中的施工敏感区域，避免井工开采煤矿山边采边复过程中施工时机及区域选择不当导致的复垦失败。
本发明方法的流程图如图1所示。
本发明提出的采煤沉陷地复垦施工动态敏感区域的确定方法，包括地面单元的划分、地面单元栅格化、各个阶段地表变形等值线的获取、施工敏感单元的确定等几个步骤，具体叙述如下：
1）划分地面单元，并栅格化地面单元。
11）将地面划分为方格地面单元，方格地面单元各边长度为H/20所得数的10位取整；H为平均采深，单位为米；
12）将方格地面单元栅格化，栅格化单位取值范围为10m-100m；
2）根据开采阶段进行沉陷预计，获取各个开采阶段的地表变形等值线（包括水平变形等值线与曲率变形等值线）；开采阶段以月或年为单位进行划分；
3）通过GIS的插值与拟合功能，获取各个开采阶段的地表的水平变形栅格图与曲率变形栅格图；实现地表变形等值线到变形栅格图的转换；
4）将获取的水平变形栅格图与曲率变形栅格图分别通过叠加运算，赋值给地面单元，获取每个地面单元各个开采阶段的变形值：地面单元的变形值取所在地面单元内栅格单元的最大值：
Si＝Max(E1,E2,E3...En)
Qi＝Max(F1,F2,F3...Fn)
式中，Si为地面单元i的水平变形，En为地面单元i内第n个栅格单位的水平变形值；
Qi为地面单元i的曲率变形，Fn为地面单元i内第n个栅格单位的曲率变形值；
5）确定各个开采阶段复垦施工的敏感地面单元，若Si≧Bj，则该地面单元为施工敏感单元，否则为非敏感单元，Bj为对应的施工对象的抗水平变形的阈值（施工对象的抗水平变形的阈值由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》确定）；若Qi≧Gj，则该地面单元为施工敏感地面单元，否则为非敏感单元，Gj为对应的施工对象的抗曲率变形的阈值（施工对象的抗曲率变形的阈值由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》确定）；对于各开采阶段中的每个地面单元，只要Si或者Qi中任意一个超过阈值，则该地面单元为该开采阶段的复垦施工敏感地面单元。
本发明主要具有以下技术优点：
本发明能确定正在沉陷土地的施工敏感地面单元，避免了由于在敏感区域进行施工导致的复垦失败的情况。由于采用了GIS与开采沉陷预测结合的方式，能定量的确定各个开采阶段地面的敏感单元，方法简单易懂，易于操作，是井工开采煤矿区边采边复技术的重要组成。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2第6开采阶段耕地复垦施工敏感地面单元。
图3第6开采阶段沟渠及堤坝复垦施工敏感地面单元
具体实施方式
本发明根据划分的地面单元，以及分阶段进行的沉陷预计，确定地面单元任意开采阶段进行复垦施工工作时的敏感单元，使得井工煤矿区边采边复工作进行时的施工敏感区域的获取成为可能，避免在敏感区域施工导致的复垦失败。结合实施例详细说明如下：
本发明提出的采煤沉陷地复垦施工动态敏感区域的确定方法，首先获取各个阶段的水平变形等值线与曲率变形等值线，经过栅格化处理后，获取每个地面单元各个开采阶段的变形值，通过与《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中对应的施工对象的抗变形的阈值，确定复垦施工的敏感单元。该方法是利用GIS的栅格数据及空间分析功能，定量确定地面复垦施工敏感单元的方法，适用于井工开采煤矿区的边采边复工作。该方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：
1）划分地面单元，并栅格化地面单元。
11）将地面划分为方格地面单元，由H/20确定，方格地面单元各边长度为H/20所得数的10位取整；H为平均采深，单位为米；
12）将方格地面单元栅格化，栅格化单位取值范围为10m-100m；
2）根据开采阶段进行沉陷预计，获取各个开采阶段的地表变形等值线（包括水平变形等值线与曲率变形等值线）；开采阶段以月或年为单位进行划分；
3）通过GIS的插值与拟合功能，获取各个开采阶段的地表的水平变形栅格图与曲率变形栅格图；实现地表变形等值线到变形栅格图的转换；
4）将获取的水平变形栅格图与曲率变形栅格图分别通过叠加运算，赋值给地面单元，获取每个地面单元各个开采阶段的变形值：地面单元的变形值取所在地面单元内栅格单元的最大值：
Si＝Max(E1,E2,E3...En)
Qi＝Max(F1,F2,F3...Fn)
式中，Si为地面单元i的水平变形，En为地面单元i内第n个栅格单位的水平变形值；
Qi为地面单元i的曲率变形，Fn为地面单元i内第n个栅格单位的曲率变形值；
5）确定各个开采阶段复垦施工的敏感地面单元，若Si≧Bj，则该地面单元为施工敏感单元，否则为非敏感单元，Bj为对应的施工对象的抗水平变形的阈值（施工对象的抗水平变形的阈值由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》确定）；若Qi≧Gj，则该地面单元为施工敏感地面单元，否则为非敏感单元，Gj为对应的施工对象的抗曲率变形的阈值（施工对象的抗曲率变形的阈值由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》确定）；对于各开采阶段中的每个地面单元，只要Si或者Qi中任意一个超过阈值，则该地面单元为该开采阶段的复垦施工敏感地面单元。
实施例
本实施例为某高潜水位矿区，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。
本实施例的一种采煤沉陷地复垦施工动态敏感区域的确定方法的步骤如下：
1）划分地面单元，并栅格化地面单元。
11）将地面划分为方格地面单元，方格地面单元各边长度为H/20所得数的10位取整；H为平均采深，单位为米；由此确定本实施例地面单元尺寸为40m×40m，共7875个地面单元。
12）栅格化地面单元，栅格化单位选取为10m×10m；则每个地面单元有16个栅格单元。
2）根据开采阶段进行沉陷预计，获取各个开采阶段的地表变形等值线（包括水平变形等值线与曲率变形等值线）；开采阶段以月为单位进行划分；共获得12期开采阶段的水平变形等值线与曲率变形等值线。
3）通过GIS的插值与拟合功能，获取各个开采阶段的地表的水平变形栅格图与曲率变形栅格图；实现地表变形等值线到变形栅格图的转换；
4）将获取的水平变形栅格图与曲率变形栅格图分别通过叠加运算，赋值给地面单元，获取每个地面单元各个开采阶段的变形值：地面单元的变形值取所在地面单元内栅格单元的最大值：
Si＝Max(E1,E2,E3...En)
Qi＝Max(F1,F2,F3...Fn)
式中，Si为地面单元i的水平变形，En为地面单元i内第n个栅格单位的水平变形值；
Qi为地面单元i的曲率变形，Fn为地面单元i内第n个栅格单位的曲率变形值；
5）确定各个开采阶段复垦施工的敏感地面单元，若Si≧Bj，则该地面单元为施工敏感单元，否则为非敏感单元，Bj为对应的施工对象的抗水平变形的阈值（施工对象的抗水平变形的阈值由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》确定）；若Qi≧Gj，则该地面单元为施工敏感地面单元，否则为非敏感单元，Gj为对应的施工对象的抗曲率变形的阈值（施工对象的抗曲率变形的阈值由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》确定）；对于各开采阶段中的每个地面单元，只要Si或者Qi中任意一个超过阈值，则该地面单元为该开采阶段的复垦施工敏感地面单元。
本实施例中，由于耕地区施工过程中主要考虑拉伸变形导致的裂缝，因此对于复垦为耕地的只选取Bj=5mm/m；对于进行砖和混凝土的沟渠及鱼塘堤坝建设的取Bj=2.5mm/m，Gj=12km；由此，确定了各个开采阶段地面施工敏感单元，以第6开采阶段为例，耕地复垦施工敏感地面单元共51个，如图2所示；复垦为沟渠与鱼塘堤坝的复垦施工敏感地面单元共320个，如图3所示。在第6开采阶段进行复垦工作时，应当避免在上述地面单元进行对应的复垦施工。图2、图3中，虚线为开采工作面，阴影部分为施工敏感地面单元。
可见，本发明能定量的划分地面单元，清晰明了的确定任意开采阶段地面复垦施工的敏感地面单元，为井工开采煤矿区边采边复技术的实施提供了重要的保障。从而避免由于在施工敏感区域建设造成的复垦失败与重复建设。
Claims (1)
1.一种采煤沉陷地复垦施工敏感区的确定方法，通过开采沉陷与GIS的结合，合理划分地面单元，科学划定开采阶段。由此确定各开采阶段地面复垦施工对象的敏感施工区域。本发明所提供的地面单元划分方法、栅格化单元、开采阶段划分及各开采阶段复垦施工敏感区域的确定，简单易懂，易于指导实际复垦施工的实施，避免施工时间与区域选择不当导致的复垦失败。适用于单一水平（近水平）煤层；该方法包括以下步骤：
1）划分地面单元，并栅格化地面单元；
11）将地面划分为方格地面单元，方格地面单元各边长度为H/20所得数的10位取整；H为平均采深，单位为米；
12）将方格地面单元栅格化，栅格化单位取值范围为10m-100m；
2）根据开采阶段进行沉陷预计，获取各个开采阶段的地表变形等值线；地表变形等值线包括水平变形等值线与曲率变形等值线；开采阶段以月或年为单位进行划分；
3）通过GIS的插值与拟合功能，获取各个开采阶段的地表的水平变形栅格图与曲率变形栅格图；实现地表变形等值线到变形栅格图的转换；
4）将获取的水平变形栅格图与曲率变形栅格图分别通过叠加运算，赋值给地面单元，获取每个地面单元各个开采阶段的变形值：地面单元的变形值取所在地面单元内栅格单元的最大值：
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式中，Si为地面单元i的水平变形，En为地面单元i内第n个栅格单位的水平变形值；
Qi为地面单元i的曲率变形，Fn为地面单元i内第n个栅格单位的曲率变形值；
5）确定各个开采阶段复垦施工的敏感地面单元，若Si≧Bj，则该地面单元为施工敏感单元，否则为非敏感单元，Bj为对应的施工对象的抗水平变形的阈值；若Qi≧Gj，则该地面单元为施工敏感地面单元，否则为非敏感单元，Gj为对应的施工对象的抗曲率变形的阈值；对于各开采阶段中的每个地面单元，若Si或者Qi中任意一个超过阈值，则该地面单元为该开采阶段的复垦施工敏感地面单元。
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