CN104564069B - 一种基于方格网法的地面动态沉陷预测与复垦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于方格网法的地面动态沉陷预测与复垦方法，属于采矿技术、土地利用和土地复垦技术领域。该方法包括：将沉陷区划分为若干方格网，然后确定影响地面任一方格单元的地下煤层范围，将该煤层范围与井下工作面叠加，确定位于该煤层范围内的工作面数量、空间分布情况，根据矿山的井下工作面开采顺序分析地面方格单元的下沉特点，从而确定各方格单元的复垦时序。本发明能科学准确的分析地面在开采影响下的沉陷特点并安排复垦，为边开采边复垦提供技术支持。

Description

一种基于方格网法的地面动态沉陷预测与复垦方法

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，特别涉及中高潜水位—单一水平煤层矿区以方格单元为复垦施工单元的地面动态沉陷预测与复垦方法的确定，主要通过地面格网化后，定量化的分析各方格单元的沉陷特点，确定方格单元的复垦时序。

背景技术

高潜水位矿区主要分布在我国的华东及东北平原区，这些矿区多为地势平坦、土壤资源丰富、肥力较高的优质农田区，并且煤层赋存条件特别好，再加上较高的潜水位，导致土地采煤沉陷后积水严重，珍贵的表土资源沉入水中，大面积的优质农田变为水域。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。近年来，相关学者开展“动态复垦”、“超前复垦”的研究，试着探索在采煤沉陷地未稳沉之前，对将要沉陷或正在沉陷的土地采取一定的整治措施，以提高复垦率，增加复垦效益。但普遍的做法是根据下沉等值线确定最终的积水区域，根据最终的下沉布局提前采取复垦措施，由于缺乏科学合理的模拟与分析，并不能准确的确定最佳的复垦时机，故而达不到理想的复垦效果。

中国矿业大学(北京)提出的适用于高潜水位矿区的边采边复技术已经迅速发展并得到深入研究，对复垦时机的相关研究已申请和授予了多项国家发明专利。已授权的两项发明专利分别基于GIS栅格单元和单元法研究表土剥离时机的确定方法，确定了何时何地进行表土剥离活动，有助于定量化的进行表土保护工作。已申请的两项专利是基于复耕率和复垦成本研究复垦时机的优选方法，其一以复耕率为考核指标，确定了特定采矿条件与自然条件下的最佳复垦时机；其二确定预期复垦耕地率和复垦成本约束下的复垦时机，科学指导复垦施工，最大限度的保护表土资源，最大程度的确保复耕率。除此之外，已申请的专利一种采煤沉陷地复垦施工敏感区的确定方法确定了各开采阶段复垦施工的敏感地面单元，弥补了复垦过程中施工时机及区域选择不当导致的复垦失败。

目前平原矿区，在不涉及“三下”开采的条件下，大多是一种“地面服从地下”的开采方式，已授权和申请的专利也是从地下出发，研究以地下煤层开采为前提的地面复垦时机的确定。土地复垦的出发点在地面，人们更为关心的是地面点会受到地下哪些煤层区域开采的影响，我国地面复垦工程施工时多以块段进行，这样既可以方便施工，又便于计算工程量，而地面块段何时何地与如何复垦是困扰复垦工作开展与现场复垦施工的难题，已授权和申请的专利所确定的复垦时机适用于整体或局部区域的复垦，并不能用来指导具体地面复垦单元的施工。已授权的专利所确定的地面单元的积水时间及表土剥离时间，并不能准确地反应地面单元在各开采阶段的沉陷特点，以表土剥离启动距、实时表土剥离角确定的地面表土剥离的时间也是针对整个复垦工程来说，并不适用于具体的地面单元。已申请的专利以复垦耕地率和复垦成本为考核指标确定的复垦时机是从整个开采布局出发，确定的复垦时机用来指导整个复垦工程的施工；而基于预期复垦耕地率和复垦成本的复垦时机优选方法虽将工作面划分多个开采阶段，使复垦时机进一步优化，但仍达不到指导具体地面单元复垦的要求。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，提出一种基于方格网法的地面动态沉陷预测与复垦方法，本发明旨在将地面沉陷模拟与边采边复思想相结合，为沉陷矿区真正做到“边开采—边复垦”提供理论基础。其基本思路是从地面出发，根据边界角确定影响地面方格单元的地下煤层范围，进而根据煤层范围区域内的工作面数量、开采顺序，反过来分析地面方格单元的下沉特点，确定适宜的复垦时机，安排与指导地面各方格单元复垦。

本发明提出的一种基于方格网法的地面动态沉陷预测与复垦方法，是基于采煤沉陷预测、边采边复技术、土地复垦技术，该方法主要适用于中高潜水位—单一水平煤层矿区，具体包括以下步骤：

1)划分复垦施工单元：将沉陷区划分为m×n个独立的方格网(方格网边长一般取值为50m-200m)，使用阿拉伯数字从上到下依次编行号为1、2、3…i…I，从左到右依次编列号为1、2、3…j…J，其中I、J分别为行、列的总数，任一方格单元编号为A(i,j)；

2)确定影响地面任一方格单元的地下煤层范围：根据边界角确定地面任一方格单元受地下开采的煤层影响范围，具体包括：

在走向方向上，地面(A)某一方格单元A(i,j)，几何中心点坐标为O(x_i,y_i,z_i)，设在煤层2R范围内的煤层开采对O点造成影响，R的计算公式为：

$R=\frac{H}{\mathrm{tg}\left(\mathrm{\δ}\right)}---\left(1\right);$

式(1)中H为地面点到煤层的铅垂距离，δ为已知走向边界角，定义角度θ为影响地面点O的煤层范围角，θ＝90°-δ；

同理，在倾向方向上，设在煤层R1与R₂范围内的煤层开采对O点造成影响。R₁与R₂的计算公式为：

$R_1=\frac{H}{\mathrm{tg}\left(\mathrm{\γ}\right)}---\left(2\right);$

$R_2=\frac{H}{\mathrm{tg}\left(\mathrm{\β}\right)}---\left(3\right);$

式(2)、(3)中β与γ分别为已知的下山边界角与上山边界角，定义角度θ₁为影响地面点O的煤层范围下山角，角度θ₂为影响地面点O的煤层范围上山角，θ₁＝90°-γ，θ₂＝90°-β；

地下煤层(B)，对于地面(A)某一方格单元A(i,j)的四个顶点a、b、c、d以θ角向煤层所在水平面进行投影，得到煤层所在水平面内以点O’为圆心，以过a’、b’、c’、d’四个顶点为内接四边形的圆包含的区域为影响地面方格单元A(i,j)的煤层范围；

3)确定该煤层范围内的工作面数量与空间分布：将步骤2)确定的煤层范围与井下工作面叠加，确定位于该煤层范围重叠区域内的井下工作面数量、空间分布；

4)地面沉陷预测：根据矿山井下工作面的开采顺序，采用概率积分法对工作面各开采阶段引起的地面沉陷过程进行预测，得到方格单元在各开采阶段影响下的沉陷路径；

5)确定地面方格单元复垦时序：根据步骤4)得到的沉陷路径，按照各方格单元的沉陷特点，地面各方格单元的沉陷时序进行复垦。

本发明主要具有以下技术特点及有益效果：

本发明从地面出发，根据矿区的边界角，能够方便的确定地面任一方格单元受地下开采影响的煤层范围，使以地面为前提控制地下煤层的开采成为可能。科学准确的分析地面方格单元的下沉特点，确定各方格单元适宜的复垦时机，形成了一种从地面-地下-地面的分析方法，为科学的划定复垦区域，分析沉陷规律与指导复垦施工提供了科学依据。本发明有利于保护珍贵的表土资源，降低复垦难度，实现地面复垦时序与井下煤层开采时序的充分耦合，为边开采边复垦提供技术支持。

附图说明

图1为本发明的一种基于方格网法的地面动态沉陷预测与复垦方法流程框图。

图2为本发明的实施例中地面点受地下煤层开采影响图。

图3为本发明的实施例中地面方格单元A(3,4)受地下煤层开采的影响示意图。

图4为本发明的实施例中地面方格单元A(3,4)沉陷路径示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于方格网法的地面动态沉陷预测与复垦方法结合附图及实施例说明如下：

本发明提出的一种基于方格网法的地面动态沉陷预测与复垦方法，该方法通过地面方格网的划分，确定影响地面任一方格单元的地下煤层的范围，预测地面方格单元的沉陷时间，确定地面各方格单元的复垦时序，实现井下开采与井上复垦相耦合；该方法主要适用于中高潜水位—单一水平煤层矿区，该方法流程如图1所示，具体包括以下步骤：

1)划分复垦施工单元：将沉陷区划分为m×n个独立的方格网(方格网边长一般取值为50m-200m)，使用阿拉伯数字从上到下依次编行号为1、2、3…i…I，从左到右依次编列号为1、2、3…j…J，其中I、J分别为行、列的总数，任一方格单元编号为A(i,j)；

2)确定影响地面任一方格单元的地下煤层范围：根据边界角圈定地面任一方格单元受地下开采的煤层影响范围，具体如图2所示：

在走向方向上，如图2(a)所示，地面(A)某一方格单元A(i,j)，几何中心点坐标为O(x_i,y_i,z_i)，设在煤层2R范围内的煤层开采对O点造成影响，R的计算公式为：

$R=\frac{H}{\mathrm{tg}\left(\mathrm{\δ}\right)}---\left(1\right);$

式(1)中H为地面点到煤层的铅垂距离，δ为已知走向边界角，定义角度θ为影响地面点O的煤层范围角，θ＝90°-δ；

同理，在倾向方向上，如图2(b)所示，设在煤层R₁与R₂范围内的煤层开采对O点造成影响，R₁与R₂的计算公式为：

$R_1=\frac{H}{\mathrm{tg}\left(\mathrm{\γ}\right)}---\left(2\right);$

$R_2=\frac{H}{\mathrm{tg}\left(\mathrm{\β}\right)}---\left(3\right);$

式(2)、(3)中β与γ分别为已知的下山边界角与上山边界角，定义角度θ₁为影响地面点O的煤层范围下山角，角度θ₂为影响地面点O的煤层范围上山角，θ₁＝90°-γ，θ₂＝90°-β；

地下煤层(B)为单一水平煤层，对于地面(A)某一方格单元A(i,j)的四个顶点a、b、c、d以θ角向煤层所在水平面进行投影，得到煤层所在水平面内以点O’为圆心，以过a’、b’、c’、d’四个顶点为内接四边形的圆包含的区域即为影响地面方格单元A(i,j)的煤层范围。如图3所示；

3)确定该煤层范围内的工作面数量与空间分布：将步骤2)确定的煤层范围与井下工作面叠加，确定位于该煤层范围重叠区域内的井下工作面数量、空间分布；

4)地面沉陷预测：根据矿山井下工作面的开采顺序，采用概率积分法对工作面各开采阶段引起的地面沉陷过程进行预测，得到方格单元在各开采阶段影响下的沉陷路径；

5)确定地面方格单元复垦时序：根据步骤4)得到的沉陷路径，按照各方格单元的沉陷特点，地面各方格单元的沉陷时序进行复垦。

实施例：

本实施例为某高潜水位矿区，矿区内煤层结构简单，煤层平均埋藏深度在320m-460m，煤层厚度在2.4-3.3m，地表标高在+31.2m左右，地面坡度绝大部分在0～2°之间，地势较平缓，地下潜水位埋深约为2m。

本实施例的一种基于方格网法的地面动态沉陷预测与复垦方法，其步骤如图1所示，包括：

1)划分复垦施工单元：

本实施例面积约为180hm²，因此方格网边长取200m为宜，复垦区域划分为45个200m*200m的方格网，使用阿拉伯数字从上到下依次编行号为1、2、3…i…I，从左到右依次编列号为1、2、3…j…J，其中总行数I为5，总列数J为9，任一方格单元编号为A(i,j)；

2)确定影响地面任一方格单元的煤层范围

根据步骤1)划分的方格网，以地面方格单元A(3,4)为例，确定影响地面任一方格单元的地下煤层范围。

O为方格单元A(3,4)的几何中心点，2R范围内的煤层开采将引起O点的下沉，R值可由公式(1)计算得出，方格格单元到煤层的铅垂距离H为370m，边界角δ为62.4°，带入公式(1)计算可得R值为193m，煤层范围角θ由公式θ＝90°-δ计算得出，计算结果为27.6°。(可参见附图2(a))。

实例中，地下煤层(B)为单一水平煤层。对地面方格单元A(3,4)的四个顶点a、b、c、d以27.6°角向煤层所在水平面进行投影，得到煤层所在水平面内以点O’为圆心，以过a’、b’、c’、d’四个顶点为内接四边形的圆包含的区域即为影响地面方格单元A(3,4)的煤层范围。(可参见附图3)。

3)确定该煤层范围内的工作面数量与空间分布

将步骤2)确定的煤层区域与井下工作面叠加，确定位于该煤层范围重叠区域内的井下工作面数量、空间分布。本例中，该煤层范围重叠区域内分布有4个工作面，每个工作面尺寸为1000m×150m，开采方式为两端逼近式开采，按照每采完一个工作面作为一个阶段共分为四个阶段，地表下沉系数为0.96，煤层平均埋藏深度在320m-460m左右，煤层厚度在2.4-3.3m左右，平均厚度2.86m，属中厚煤层。

4)地面沉陷预测

矿区采用两端逼近式开采地下煤层，工作面开采顺序为1→4→2→3。根据矿区的自然条件、地质条件、采矿计划等信息，采用概率积分法预计步骤3)确定的工作面各开采阶段，得到方格单元A(3,4)在四个开采阶段下的沉陷路径。工作面1开采结束后，方格单元A(3,4)受采动影响比较大，地面下沉1.63m；工作面2开采结束后，方格单元A(3,4)受采动影响面积大幅增加，但下沉值变化较小，增加至1.82m；工作面3开采结束后，方格单元A(3,4)受采动影响进一步沉陷，下沉值已达到2.52m；工作面4开采结束后，地面沉陷持续增大，方格单元A(3,4)达到最大下沉值2.84m。(可参见附图4)。

5)确定地面方格单元复垦时序。根据步骤4)得到的沉陷路径，可知第一、第二阶段开采结束后，方格单元A(3,4)沉陷较小，地面形成两个对称的沉陷区域，地面无积水情况，土地损毁不严重，只需采取简单的平整措施即可恢复土地的使用；而第三阶段开采结束后，方格单元A(3,4)沉陷程度进一步增大，最大下沉值大于潜水位埋深，地面产生积水，此时若不采取复垦措施，肥沃的土壤将沉入水中，丧失其利用价值；第四阶段开采结束后，方格单元A(3,4)形成一个规则的下沉盆地，盆地中心位于格网中心，地面积水范围持续增大，陆生生态系统退变为水生生态系统，此时再采取复垦措施已不能充分发挥其复垦作用。因此，第三阶段是最佳的复垦时间，方格单元A(3,4)应在第三阶段进行复垦，剥离肥沃的表土。

Claims (1)

1.一种基于方格网法的地面动态沉陷预测与复垦方法，主要适用于中高潜水位—单一水平煤层矿区，其特征在于，该方法通过地面方格网的划分，确定影响地面任一方格单元的地下煤层的范围，预测地面方格单元的沉陷时间，确定地面各方格单元的复垦时序，实现井下开采与井上复垦相耦合；该方法具体包括以下步骤：

1)划分复垦施工单元：将沉陷区划分为m×n个独立的方格网，从上到下依次编行号为1、2、3…i…I，从左到右依次编列号为1、2、3…j…J，其中I、J分别为行、列的总数，任一方格单元编号为A(i,j)；

2)确定影响地面任一方格单元的地下煤层范围：根据边界角确定地面任一方格单元受地下开采的煤层影响范围，具体包括：

在走向方向上，地面(A)某一方格单元A(i,j)，几何中心点坐标为O(x_i,y_i,z_i)，设在煤层2R范围内的煤层开采对O点造成影响，R的计算公式为：

$R=\frac{H}{tg\left(\mathrm{\δ}\right)}---\left(1\right);$

式(1)中H为地面点到煤层的铅垂距离，δ为已知走向边界角，定义角度θ为影响地面点O的煤层范围角，θ＝90°-δ；

同理，在倾向方向上，设在煤层R1与R2范围内的煤层开采对O点造成影响；R1与R2的计算公式为：

$R_1=\frac{H}{tg\left(\mathrm{\γ}\right)}---\left(2\right);$

$R_2=\frac{H}{tg\left(\mathrm{\β}\right)}---\left(3\right);$

式(2)、(3)中β与γ分别为已知的下山边界角与上山边界角，定义角度θ₁为影响地面点O的煤层范围下山角，角度θ₂为影响地面点O的煤层范围上山角，θ₁＝90°-γ，θ₂＝90°-β；

地下煤层(B)，对于地面(A)某一方格单元A(i,j)的四个顶点a、b、c、d以θ角向煤层所在水平面进行投影，得到煤层所在水平面内以点O’为圆心，以过a’、b’、c’、d’四个顶点为内接四边形的圆包含的区域为影响地面方格单元A(i,j)的煤层范围；

3)确定该煤层范围内的工作面数量与空间分布：将步骤2)确定的煤层范围与井下工作面叠加，确定位于该煤层范围重叠区域内的井下工作面数量、空间分布；

4)地面沉陷预测：根据矿山井下工作面的开采顺序，采用概率积分法对工作面各开采阶段引起的地面沉陷过程进行预测，得到方格单元在各开采阶段影响下的沉陷路径；

5)确定地面方格单元复垦时序：根据步骤4)得到的沉陷路径，按照各方格单元的沉陷特点，地面各方格单元的沉陷时序进行复垦。