CN107882561A - 一种高潜水位采煤沉陷区超前治理方法 - Google Patents

一种高潜水位采煤沉陷区超前治理方法 Download PDF

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郑刘根
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    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
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Abstract

本发明提供了一种高潜水位采煤沉陷区超前治理方法，适用于高潜水位矿区沉陷积水区地质环境治理。步骤为：本发明包括如下步骤：搜集矿区地质采矿资料；采用概率积分法预计方法预计地表沉陷情况，绘制地表沉陷等值线图；确定挖深垫浅边界；计算挖深垫浅区域填挖土方量以及挖深区域最终高程；根据求出的h挖和挖深垫浅边界对高潜水沉陷积水区进行改造，实现高潜水位采煤沉陷区超前治理。其工艺简单，成本低廉，有效缩小了沉陷积水区面积挖深区域，无需从周边土地二次取土，既能保障覆土的肥力，不会造成二次污染，大大提高了沉陷区土地的利用率。

Description

一种高潜水位采煤沉陷区超前治理方法
技术领域
本发明主要涉及一种高潜水位采煤沉陷区超前治理方法，尤其适用于高潜水位矿区沉陷积水区地质环境治理使用的高潜水位采煤沉陷区超前治理方法。
背景技术
采煤沉陷积水区是东部高潜水位矿区开采沉陷造成的一种典型的地质灾害。东部矿区普遍具有储量大、多煤层、高潜水位、地表叠加沉降等特点，开采造成地表大量土地资源丧失，原有耕地破坏，地表形成大面积塌陷坑，同时受到地下潜水外渗、大气降水的综合影响，塌陷坑内常年积水，历经几十年重复开采，大片开采沉陷区形成地表塌陷塘，地表原有耕地、道路、村庄等被淹没，塌陷区原有生态系统发生不可逆的破坏。为保证国民经济建设，大量煤炭资源被采出的同时，采煤沉陷造成大量耕地、村庄丧失，以两淮矿区为例，截至2015年底，已形成的塌陷区面积达508km2，且以20km2/年的速度在增加，同时受到高潜水位和地表降水的综合影响，塌陷区形成大量水域，原有陆生生态系统发生颠覆性变化，转变为水生生态系统和水陆复合生态系统，动态沉陷形成的生态系统服务功能低下，导致生态环境恶化，大量沉陷区土地撂荒，社会问题突出，严重影响了沉陷区可持续发展。
常规沉陷区土地复垦和地质环境治理方法一般是等采煤沉陷区完全稳定后，再进行改造，该方法的缺点在于采煤沉陷区稳沉时间较长，待环境治理完全之后，大量沉陷区土地长期撂荒，未得到有效利用，造成大量经济损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉、在沉陷区非稳沉状态下进行治理的采煤沉陷积水区地质环境超前治理的方法。
为实现上述技术目的，本发明的高潜水位采煤沉陷区超前治理方法，其步骤如下：
a.收集地质采矿资料：收集需要治理矿区采煤工作面的相关技术指标，原始地表地形信息，并获取地下工作面的开采计划；
b.未开采之前先进行地表变形预计：根据地下工作面的设计开采计划及实际开采情况，使用概率积分法预计方法计算地表沉陷信息，利用地表沉陷信息结合原始地表地形信息，绘制出地表沉陷等值线图；
c.确定挖深垫浅边界：为了减小积水区域，最大程度的改造土地，利用概率积分预估的沉陷预计结果，计算出地表沉陷拐点处代表的最大倾斜位置处，在治理矿区地形图上将其连成封闭曲线，即获得挖深垫浅边界信息，从而将原采煤工作面上方地面分为挖深区域和垫浅区域；
d.计算填挖土方量：利用沉陷预计的地表下沉结果和确定的挖深垫浅边界信息，对垫浅区域进行积分计算，从而获得垫浅区域需要的土方量；
e.实施差异化地质环境改造：利用挖深区域最终高程信息和挖深垫浅边界信息对整个地表沉陷盆地的挖深区域和垫浅区域进行改造，开挖区下挖至最终高程并平整开发区底部地面，将挖掘出的土方填入垫浅区，平整垫浅区域地面，从而完成对治理矿区采煤工作面上方沉陷区的地质区域改造；
f.分别在改造的垫浅区域和挖深区域实施差异化治理，在垫浅区域的治理后地表种植植物，在挖深区域蓄水并种植水生蔬菜以及饲养水生生物，从而改善沉陷区的生态环境。
概率积分法预计方法利用公式：计算地表下沉信息W(x，y)，式中：(x，y)为地表点的坐标；M为地下采煤工作面的采厚；q为地表下沉系数，；α为地下开采工作面煤层倾角；r为主要影响半径，e为数学公式中的常数，自然对数的底数，约为2.718；η和ζ为积分参数，为积分参数，即开采工作面极小单元的坐标(η，ζ)。
利用倾斜公式i＝Δw/s，计算倾斜最大位置处即挖深垫浅边界i，式中：Δw为地表倾斜最大位置边界，s为两个地表点之间的距离。
利用公式：对垫浅区域进行积分获得垫浅区域需要的土方量V垫，式中：D垫为地表下沉盆地边缘到挖深垫浅边界的面积，w(x,y)为垫浅区域点(x,y)的下沉值；利用公式：求解挖深区域最终高程h挖，式中：h(x,y)为沉降后地表的高程，D挖为挖深区域的挖掘面积，令挖深区域的土方量等于垫浅区域的土方量V挖＝V垫，求解挖深区域的最终高程h挖。
有益效果：本发明提供了一种高潜水位采煤沉陷区超前治理方法，适用于我国东部高潜水位矿区沉陷积水区地质环境治理。通过超前治理，首先预计沉陷盆地范围，加以合理规划利用，大大提高了沉陷区治理的效率；通过挖深垫浅，有效缩小了沉陷积水区面积挖深区域，将约30％的沉陷区土地平整为可利用土地，将沉陷盆地中心的土壤预先剥离作为垫浅区域的地表覆土，无需从周边土地二次取土，既能保障覆土的肥力，不会造成二次污染，大大提高了沉陷区土地的利用率。
本发明提出在沉陷区非稳沉状态下进行治理的方法，解决了非稳沉条件下沉陷区域及沉陷体积预计的问题，最大程度地改造矿区生态环境，实现了沉陷区水土综合利用。
说明书附图
图1为预计煤矿开采后地表沉陷示意图；
图2为沉陷积水区俯视图；
图3为对沉陷区进行挖深垫浅治理后的示意图；
图4为应用高潜水位采煤沉陷区超前治理方法治理后的沉陷区环境示意图。
图中：1-开采工作面，2-煤层，3-表土层，4-沉降后地表，5-未沉降前地表，6-工作面开采区域，7-挖深区域，8-垫浅区域，9-挖深垫浅边界，10-地表沉陷拐点，11-治理后地表。
具体实施方式
根据附图对本发明的具体实施例做进一步说明：
如图1和图2所示，高潜水位采煤沉陷区超前治理方法，其步骤如下：
a.收集地质采矿资料：收集需要治理矿区采煤工作面的相关技术指标，原始地表地形信息，并获取地下工作面的开采计划，包括地下开采工作面1、煤层2、表土层3、地表沉降后地表4、未沉降前地表5和工作面开采区域6的信息；
b.未开采之前先进行地表变形预计：根据地下工作面的设计开采计划及实际开采情况，使用概率积分法预计方法计算地表沉陷信息：利用公式：计算地表下沉信息W(x，y)，式中：(x，y)为地表点的坐标；M为地下采煤工作面的采厚；q为地表下沉系数，；α为地下开采工作面煤层倾角；r为主要影响半径，e为数学公式中的常数，自然对数的底数，约为2.718；η和ζ为积分参数，即开采工作面极小单元，的坐标(η，ζ)；利用地表沉陷信息结合原始地表地形信息，绘制出地表沉陷等值线图；
c.确定挖深垫浅边界9：为了减小积水区域，最大程度的改造土地，利用概率积分预估的沉陷预计结果，计算出地表沉陷拐点10处代表的最大倾斜位置处，在治理矿区地形图上将其连成封闭曲线，利用倾斜公式i＝Δw/s，计算倾斜最大位置处i即挖深垫浅边界9，式中：Δw为地表倾斜最大位置边界，s为两个地表点之间的距离，获得挖深垫浅边界9的信息，从而将原采煤工作面上方地面分为挖深区域8和垫浅区域9；
d.计算填挖土方量：利用沉陷预计的地表下沉结果和确定的挖深垫浅边界9的信息，对垫浅区域9进行积分计算，从而获得垫浅区域9需要的土方量；具体步骤为：利用公式：对垫浅区域9进行积分获得垫浅区域9需要的土方量V垫，式中：D垫为地表下沉盆地边缘到挖深垫浅边界9的面积，w(x,y)为垫浅区域9中点(x,y)的下沉值；利用公式：求解挖深区域8最终高程h挖，式中：h(x,y)为沉降后地表4的高程，D挖为挖深区域8的挖掘面积，令挖深区域8的土方量等于垫浅区域9的土方量V挖＝V垫，求解挖深区域8的最终高程h挖；
e.实施差异化地质环境改造：利用挖深区域8最终高程信息和挖深垫浅边界9的信息对整个地表沉陷盆地的挖深区域8和垫浅区域9进行改造，开挖区下挖至最终高程并平整开发区底部地面，将挖掘出的土方填入垫浅区域9，平整垫浅区域9地面，从而完成对治理矿区采煤工作面上方沉陷区的地质区域改造；
f.分别在改造的垫浅区域9和挖深区域8实施差异化治理，在垫浅区域9治理后地表11种植植物，在挖深区域8蓄水并种植水生蔬菜以及饲养水生生物，从而改善沉陷区的生态环境。

Claims (4)

1.一种高潜水位采煤沉陷区超前治理方法，其特征在于步骤如下：
a.收集地质采矿资料：收集需要治理矿区采煤工作面的相关技术指标，原始地表地形信息，并获取地下工作面的开采计划；
b.未开采之前先进行地表变形预计：根据地下工作面的设计开采计划及实际开采情况，使用概率积分法预计方法计算地表沉陷信息，利用地表沉陷信息结合原始地表地形信息，绘制出地表沉陷等值线图；
c.确定挖深垫浅边界：为了减小积水区域，最大程度的改造土地，利用概率积分预估的沉陷预计结果，计算出地表沉陷拐点处代表的最大倾斜位置处，在治理矿区地形图上将其连成封闭曲线，即获得挖深垫浅边界信息，从而将原采煤工作面上方地面分为挖深区域和垫浅区域；
d.计算填挖土方量：利用沉陷预计的地表下沉结果和确定的挖深垫浅边界信息，对垫浅区域进行积分计算，从而获得垫浅区域需要的土方量；
e.实施差异化地质环境改造：利用挖深区域最终高程信息和挖深垫浅边界信息对整个地表沉陷盆地的挖深区域和垫浅区域进行改造，开挖区下挖至最终高程并平整开发区底部地面，将挖掘出的土方填入垫浅区，平整垫浅区域地面，从而完成对治理矿区采煤工作面上方沉陷区的地质区域改造；
f.分别在改造的垫浅区域和挖深区域实施差异化治理，在垫浅区域的治理后地表种植植物，在挖深区域蓄水并种植水生蔬菜以及饲养水生生物，从而改善沉陷区的生态环境。
2.根据权利要求1所述的高潜水位采煤沉陷区超前治理方法，其特征在于：概率积分法预计方法利用公式：计算地表下沉信息W(x，y)，式中：(x，y)为地表点的坐标；M为地下采煤工作面的采厚；q为地表下沉系数，；α为地下开采工作面煤层倾角；r为主要影响半径，e为数学公式中的常数，自然对数的底数，约为2.718；无需解释。η和ζ为积分参数，即开采工作面极小单元的坐标(η，ζ)。
3.根据权利要求1所述的高潜水位采煤沉陷区超前治理方法，其特征在于：利用倾斜公式i＝Δw/s，计算倾斜最大位置处即挖深垫浅边界i，式中：Δw为地表倾斜最大位置边界，s为两个地表点之间的距离。
4.根据权利要求1所述的高潜水位采煤沉陷区超前治理方法，其特征在于：利用公式：对垫浅区域进行积分获得垫浅区域需要的土方量V垫，式中：D垫为地表下沉盆地边缘到挖深垫浅边界的面积，w(x,y)为垫浅区域点(x,y)的下沉值；利用公式：求解挖深区域最终高程h挖，式中：h(x,y)为沉降后地表的高程，D挖为挖深区域的挖掘面积，令挖深区域的土方量等于垫浅区域的土方量V挖＝V垫，求解挖深区域的最终高程h挖。
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