CN103235853B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明涉及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，属于采矿技术、土地利用和土地复垦技术领域。该方法包括：该方法主要适用于单一煤层，包括基于概率积分法的采煤沉陷预测与地理信息系统结合，获得各断面的下沉剖面线，根据下沉剖面线从沉陷盆地边缘至盆地中心，依次等距确定多种土方剥离与回填的范围，进而估算各种剥离与回填范围内的土方剥离量与土方回填量，当土方剥离量与回填量趋于相等时所确定的剥离与回填范围，作为最优的基塘空间布局。本发明在确定最佳的土方剥离区域与回填区域达到最大限度保护和利用土资源，最大程度的提高复耕率，同时减小亩均复垦成本。确保矿产资源开采与土地保护的协调发展，创建和谐绿色矿山。

Description

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

技术领域

本发明属于采矿、土地利用和土地复垦技术领域，特别涉及中高潜水位矿区煤炭开采过程中的土方剥离区域与回填区域的确定，主要以复垦区挖方量与回填量土方平衡为主要考核指标对地下开采过程中地面复垦时土方剥离与回填的空间布局进行优化确定。

背景技术

据不完全统计，中国采煤塌陷土地面积已达100万公顷且仍以约4万公顷/年的速度递增，中国中部及东部中高潜水位矿区由于土地沉陷后主要以积水形式破坏为主，大面积的优质农田沦为水域，优质肥沃的土壤沉入水中、质量严重下降。在现有的复垦技术水平条件下复耕率只有30%左右，十分低下，直接影响到当地的耕地数量和质量。

近年来，人们面对这种“先塌陷、后复垦”的传统复垦模式，急切希望研究出新型的复垦模式予以取代，尤其是对于中高潜水位地区。一些学者相继提出“预复垦”、“动态复垦”、“超前复垦”等复垦思想与方法，希望通过提前采取复垦措施来抢救将要沉入水中的土壤，达到提高复垦耕地面积的目的。因此，如何抢救更多的土壤同时又复垦更多的耕地是一个至关重要难题，也是边采边复等一些新型复垦技术的突破点。对于复垦空间布局，即地面提前进行土方剥离与回填区域的确定，目前暂无研究。在实际工程中，往往通过经验，对将要积水区域的土源进行剥离并就近堆放，超前复垦时复垦空间布局的确定无科学与理论依据。

基塘是指水塘及包围水塘的小地块。基塘农业是劳动人民在长期的农业生产实践中创建的耕作经营管理制度的一种新型农业。有许多地势低洼的地方，每逢暴雨便积水不退，后经人工改造，把洼地深挖成池塘养鱼，挖出的泥土堆在四周成“基”。

发明内容

本发明的目的是为解决上述难题，提出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，本发明旨在确定最佳的土方剥离区域与回填区域（考虑在无外来土源的情况下）达到最大限度保护和利用土资源，最大程度的提高复耕率，同时减小亩均复垦成本。确保矿产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，该方法主要适用于单一煤层，该方法包括基于概率积分法的采煤沉陷预测与地理信息系统结合，获得各断面的下沉剖面线，根据下沉剖面线从沉陷盆地边缘至盆地中心，依次等距确定多种土方剥离与回填的范围，进而估算各种剥离与回填范围内的土方剥离量与土方回填量，当土方剥离量与回填量趋于相等时所确定的剥离与回填范围，作为最优的基塘空间布局。

该方法具体包括以下步骤：

1）收集矿区相关数据，包括矿区的地质条件、采矿计划、原始地面高程、水文条件、土壤条件；

2）获得采煤沉陷预计下沉等值线：根据步骤1）获得的矿区地质条件和采矿计划预测出矿区采煤沉陷预计下沉等值线；

3）各断面下沉剖面线的获取：利用步骤2）得到的采煤沉陷预计下沉等值线与矿区开采前的原始地面高程结合，建立地面沉陷高程模型，从而获得沉陷盆地内各个断面上的下沉剖面线；

4）最优的基塘空间布局的确定：在步骤3）获得的沉陷盆地内各个断面上的下沉剖面线中选取倾向和走向的主断面，自沉陷盆地边缘至盆地中心，依次等距确定土源剥离的情景条件，进而估算各情景条件下的土方剥离量（V_I）与复垦所需土方回填量（V_I'）；

若：V_I-V_I'＜0，则挖方量小于填方量，需要客土才能满足该复垦布局；

V_I-V_I'＞0，则挖方量大于填方量，剥离区域过大，剥离土方需要外运；

V_I-V_I'=0，则挖方量等于填方量，剥离与回填区域最优。

本发明主要具有以下技术优点：

通过沉陷预计与建立地面沉陷高程模型，获得主断面走向与倾向方向的下沉剖面线，等距确定土源剥离与回填的区域，通过两端逐次逼近的方法，以土方平衡为条件进行模拟与优选，从而最终确定该地质采矿条件下边采边复最佳的复垦布局，实现了解救珍贵土资源并充分利用、复耕率最大化、亩均复垦成本最小化的目的，是边采边复思想予以实现的关键技术。

（1）通过在地面沉陷高程模型上确定的最优复垦布局（即确定土源剥离区域与回填区域），可以预先知道复垦范围，有利于制定更合理的复垦计划和复垦管理决策，有利于估算复垦工程量和确定复垦时机等。

（2）本发明通过两端逐次逼近的方法，优选出最佳的复垦布局，能最大限度的抢救矿区土资源并且将其充分利用不浪费，最大程度地减小了复垦工程量、降低了亩均复垦成本，同时确保了最高的复耕率。

附图说明

图1为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流程图

图2为两端逼近不同土方剥离点位复垦设计示意图。

图3为不同情景条件下挖填土方量变化图。

具体实施方式：

本发明提出的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，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单一煤层，该方法包括基于概率积分法的采煤沉陷预测与地理信息系统结合，获得各断面的下沉剖面线，根据下沉剖面线从沉陷盆地边缘至盆地中心，依次等距确定多种土方剥离与回填的范围，进而估算各种剥离与回填范围内的土方剥离量与土方回填量，当土方剥离量与回填量趋于相等时所确定的剥离与回填范围，作为最优的基塘空间布局。

该方法具体包括以下步骤：

1）收集矿区相关数据，包括矿区的地质条件、采矿计划、原始地面高程、水文条件、土壤条件；

2）获得采煤沉陷预计下沉等值线：根据步骤1）获得的矿区地质条件和采矿计划预测出矿区采煤沉陷预计下沉等值线；

3）各断面下沉剖面线的获取：利用步骤2）得到的采煤沉陷预计下沉等值线与矿区开采前的原始地面高程结合，建立地面沉陷高程模型，从而获得沉陷盆地内各个断面上的下沉剖面线；

4）最优的基塘空间布局的确定：在步骤3）获得的沉陷盆地内各个断面上的下沉剖面线中选取倾向和走向的主断面，自沉陷盆地边缘至盆地中心，依次等距确定土源剥离的情景条件，进而估算各情景条件下的土方剥离量（V_I）与复垦所需土方回填量（V_I'）；

若：V_I-V_I'＜0，则挖方量小于填方量，需要客土才能满足该复垦布局；

V_I-V_I'＞0，则挖方量大于填方量，剥离区域过大，剥离土方需要外运；

V_I-V_I'=0，则挖方量等于填方量，剥离与回填区域最优。

实施例：

本实施例研究范围是在华东平原某一高潜水位矿区内。矿区内煤层平均埋藏深度在800.0m左右、煤层平均厚度在5.0m左右，地表自然高程在+43.2m～+44.6m之间，地面坡度在0～2°之间，地势较平缓，地下潜水位埋深在2.5m～3.0m之间。

本实施例基于采煤沉陷模拟在计算机软件环境下建立模型对边采边复最优土方剥离点位进行优选，进而确定最优的基塘空间布局，其步骤如图1所示，包括：

1）矿区现场调查及信息数据获取

采集矿区自然条件信息：地面高程、潜水位埋深、土地利用现状图；采集矿区地质条件信息：煤层开采厚度、煤层埋藏深度、煤层倾向方位角、下沉系数、水平移动系数、影响传播角；采集矿区采矿计划信息：采煤工作面布置、采煤工作面开采顺序、开采方向、采掘工程平面图；明确矿区复垦过程中的客土与外运土条件。研究范围为矿区内的一个单一采区，采区内共分为七个工作面，每个工作面尺寸为1800m×200m，地表下沉系数为0.8，煤层平均埋藏深度在800.0m左右、煤层平均厚度在5.0m左右，地表自然高程在+43.2m～+44.6m之间，地面坡度在0～2°之间，地势较平缓，地下潜水位埋深在2.5m～3.0m之间；研究区没有客土土源和外运土场地，复垦尽可能做到挖填土方平衡。

2）预计出矿区采煤沉陷后的下沉等值线

运用概率积分法根据调查得到的数据在计算机软件下预计出矿区采煤沉陷后的下沉等值线。等值线之间下沉等间距设为0.25m，其中最大下沉值为3.87m。

3）各断面下沉剖面线的获取

根据矿区地表高程信息在计算机软件下建立起矿区原始地表高程数据模型，在原始地表高程数据模型下将采煤沉陷后的下沉数据信息进行叠加，叠加后得出矿区地面沉陷高程数据模型。从而获得沉陷盆地内各个断面上的下沉剖面线。矿区塌陷面积为763.82hm²，其中损毁耕地面积共637.17hm²，造成塌陷积水面积共210.00hm²。

4）确定最优土方剥离点位

在步骤3）获得的沉陷盆地内各个断面上的下沉剖面线中选取倾向和走向的主断面，自沉陷盆地边缘至盆地中心，依次等距确定土源剥离的情景条件，进而估算出各情景条件下的土方剥离量（V_I）与复垦所需土方回填量（V_I'）。如图2所示为走向主断面的下沉剖面图，先等距离划分下沉剖面线（a～g及a′～g′）分别选取a-a′（情景1）、b-b′（情景2）、c-c′（情景3）、d-d′（情景4）、e-e′（情景5）、f-f′（情景6）、g-g′（情景7）为土方剥离区域，建立7种情景。进而计算7种情景下土方剥离量（V_I）与复垦所需土方回填量（V_I'）。本例中对于复垦土方剥离区域统一设计挖至标高+38.5m，土方回填区域统一设计填至标高+43.2m，各情境下的剥离量与回填量如图3所示，可以看出当从两端逼近筛选至d-d′时，挖填土方量基本一致，此时为最优的复垦布局模式。

Claims (1)

1.一种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，该方法主要适用于单一煤层，该方法包括基于概率积分法的采煤沉陷预测与地理信息系统结合，获得各断面的下沉剖面线，根据下沉剖面线从沉陷盆地边缘至盆地中心，依次等距确定多种土方剥离与回填的范围，进而估算各种剥离与回填范围内的土方剥离量与土方回填量，当土方剥离量与回填量趋于相等时所确定的剥离与回填范围，作为最优的基塘空间布局；

具体包括以下步骤：

1)收集矿区相关数据，包括矿区的地质条件、采矿计划、原始地面高程、水文条件、土壤条件；

2)获得采煤沉陷预计下沉等值线：根据步骤1)获得的矿区地质条件和采矿计划预测出矿区采煤沉陷预计下沉等值线；

3)各断面下沉剖面线的获取：利用步骤2)得到的采煤沉陷预计下沉等值线与矿区开采前的原始地面高程结合，建立地面沉陷高程模型，从而获得沉陷盆地内各个断面上的下沉剖面线；

4)最优的基塘空间布局的确定：在步骤3)获得的沉陷盆地内各个断面上的下沉剖面线中选取倾向和走向的主断面，自沉陷盆地边缘至盆地中心，依次等距确定土源剥离的情景条件，进而估算各情景条件下的土方剥离量V_I与复垦所需土方回填量V_I'；

若：V_I-V_I'＜0，则挖方量小于填方量，需要客土才能满足该复垦布局；

V_I-V_I'＞0，则挖方量大于填方量，剥离区域过大，剥离土方需要外运；

V_I-V_I'＝0，则挖方量等于填方量，剥离与回填区域最优。