CN111101941B - 一种基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法，适用于高潜水位矿区沉陷积水区地质环境治理。首先收集矿区地质参数，设计地下采煤工作面走向主断面正上方各地表点挖深垫浅后高程；根据地下采煤工作面走向主断面正上方各地表点的下沉值与深垫浅后高程值，求出走向主断面上挖深垫浅的边界点及沉陷盆地的挖深垫浅边界线；设计沉陷盆地内挖深垫浅区域与垫浅区域的挖填土高程与治理后的最终高程，并完成沉陷区的填土施工。其工艺简单，成本低廉，有效缩小了沉陷面积，无需从周边土地二次取土，既能保障覆土的肥力，又降低了二次污染的风险。

Description

一种基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理 方法

技术领域

本发明主要涉及一种超前治理方法，尤其适用于一种高潜水位矿区使用的基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法。

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。

常规沉陷区挖深垫浅一般是等采煤沉陷区完全稳定后，再进行改造，且仅凭工程需要对挖深区域与填土区域进行区分，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；粗暴地挖填未设计合理边界用于水土保持，且挖深区域与垫浅区域划分不明确，需要从外界取土，对环境造成二次扰动。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉、在沉陷区非稳沉条件下进行治理的基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法。

为实现上述技术目的，本发明的基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法，首先根据矿区地质采矿条件参数设计高潜水位采沉陷区挖深垫浅后地表高程；计算采煤工作面走向主断面上挖深垫浅的边界点及采空后沉陷盆地的挖深垫浅边界线；预计采煤工作面采空后形成沉陷区内进行治理需要的填土高程；利用采煤沉陷区内的填土高程，在地下矿区工作面开采前对地表对应区域进行超前治理；当地下开采完成后地表自动形成预计的治理效果，平整地面，从而完成沉陷区挖深垫浅的治理方法；

具体步骤如下

a..根据开采工作面所在矿区地质采矿条件参数，包括地表地形信息和地下开采计划，预测地表沉陷信息，利用地表沉陷信息结合原始地表地形信息，获取地表沉陷等值线图，设计出沉陷区挖深垫浅后地表高程值计算公式：

利用概率积分法地表沉陷预计，计算开采工作面走向主断面上方地表点下沉值W_(x)；选取开采工作面走向主断面进行挖深垫浅边界设计的参照面，选取走向主断面地表最大下沉值W_max为最小设计高程，以走向主断面土方量平衡为条件，计算出挖深垫浅后地表高程值中变量b与k的关系式，根据实际工程施工、采煤沉陷地表变形规律、变量b与k的关系式分析设计挖深垫浅后地表高程值公式中的变量k，进而得出挖深垫浅后地表高程值Z(x)＝kx+b；

下式为采煤工作面走向主断面正上方地表各点下沉值计算公式W_(x)，工作面走向主断面正上方地表最大下沉值W_max：

式中：x为采煤工作面走向主断面正上方地表点相对于工作面的坐标；W₀为概率积分法采煤沉陷预计地表最大下沉值；l为地下采煤工作面走向计算长度；L为地下采煤工作面倾向计算长度；D₁为地下采煤工作面走向实际长度；C_ym为倾向采动程度系数；C_y为倾向采动系数；s为工作面拐点偏移距；r为工作面主要影响半径；erf()为高斯误差函数；

b.为了减小积水区域，最大程度的改造土地，需要计算走向主断面上挖深垫浅的各边界点，获得沉陷盆地的挖深垫浅的地表内边界信息、挖深垫浅边界信息、挖深盆地边界信息：

首先使用二分法找出开采工作面走向主断面正上方地表下沉值W_(x)与挖深垫浅后地表高程值Z(x)相等的点i坐标

即挖深垫浅的边界点；挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地面原始平均高程H₀相等的地表内边界点p即为地表内边界点，利用挖深垫浅后地表高程值公式计算出地表内边界点p横坐标为

挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地表最大下沉值W_max相等的点f即为挖深盆地边界点，根据挖深垫浅后地表高程值公式计算出挖深盆地边界点f横坐标为

点i′为点i在地表的投影，点f′为点f在地表的投影，则地表处点p，点i′，点f′由采煤工作面走向主断面正上方地表下沉计算公式W_(x)可得出上述三点处下沉值W_(p)，W_(i′)，W_(f′)，地表点p，点i′，点f′处下沉等值线即为沉陷盆地的挖深垫浅的地表内边界、挖深垫浅边界、挖深盆地边界；

c.在开采工作面开采前或沉陷区稳沉前，根据填土高程设计进行施工，填土高程施工设计分为填土设计高程H₁与治理后的最终高程H₂，在工作面走向主断面与地表相交处的每个地表点上的填土设计高程H₁就等于地表原始高程H₀加上挖深垫浅边界高程值Z(x)减去该点处地表移动下沉值W_(x)，值为正时为填方高程，值为负时为挖方高程；在整个沉陷盆地内，根据沉陷预计等值线图与走向主断面的挖填方高程的设计，下沉值相同处的高程设计相同；治理后的最终高程H₂等于填土设计高程H₁减去地表移动下沉值W_(x)，完成沉陷区的挖深垫浅施工设计；

d.利用沉陷区的挖深垫浅施工设计，对整个地表沉陷盆地的挖深区域和垫浅区域进行改造，根据填土高程设计施工，地表点i′处的沉陷等值线即为挖深垫浅边界，边界内部沉陷盆地为挖深区域，边界外侧沉陷边缘为垫浅区域；在挖深区域，地表点f′处的沉陷等值线即为挖深盆地边界，挖深盆地边界内部开挖区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)-W_max，平整开发区底部地面；在挖深盆地边界与挖深垫浅边界之间的环形区域，开挖区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)-Z(x)，将挖掘出的土方填入垫浅区；在垫浅区域，地表点p处的沉陷等值线为地表内边界，在地表内边界与挖深垫浅边界之间的环形区域，垫浅区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)-Z(x)，在沉陷边界与地表内边界之间的环形区域，垫浅区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)，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。

挖深垫浅后地表高程值Z(x)计算公式中变量b与k关系式的求取：

根据土方量平衡条件:

式中:

为挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地面平均高程相等的挖深盆地边界点p处的横坐标，点x₀地下采煤工作面走向主断面正上方地表下沉值W_(x)与挖深垫浅后地表高程值Z(x)相等的点i处的横坐标，

为挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地表最大下沉值W_max相等的点f横坐标。

挖深垫浅后地表高程值计算公式中b与k的关系式：

挖深垫浅后地表高程值Z(x)计算公式中变量k的选取：

k为挖深垫浅后地表高程值计算公式中的变量未知，结合实际工程施工、采煤沉陷地表变形规律、变量b与k的关系式可知：在走向主断面正上方的地表点，地表下沉值与挖深垫浅后地表高程值相等时的点i有且仅有一个点i；在点i左侧W_(x)＞Z(x)，在点i右侧W_(x)＜Z(x)，结合概率积分法主断面地表移动与变形规律分析，k必须大于地表下沉曲线W_(x)的最大斜率，即大于x方向的地表最大倾斜值，即

根据挖深垫浅后地表高程值计算公式中变量b与k的关系式分析，截距b随挖深垫浅后地表高程曲线的斜率k增大而减小，当k偏大时，此时两曲线交点偏上，根据实际验证，明显不符合挖填方平衡原则。综上分析，挖深垫浅后地表高程曲线斜率k的取值需略大于地表下沉曲线最大斜率；

由此得出k的取值，进而由b与k的关系式得出b的值，最后求出挖深垫浅挖深垫浅后地表高程曲线Z(x)＝kx+b；同时挖深垫浅后地表高程值Z(x)计算公式中变量k的选取，使得采煤沉陷区内积水区与地面之间存在适宜的坡度，更有利于沉陷区水土保持与农业利用。

在工作面开采前或沉陷区稳沉前进行沉陷区的挖深垫浅填土设计高程与施工；通常为了使土体不被闲置，沉陷区稳沉后进行施工挖深垫浅，但当高潜水位矿区在地表沉陷时沉陷区产生积水时，需要在工作面开采前或沉陷区稳沉前进行沉陷区的挖深垫浅填土设计高程与施工，避免了沉陷期土地闲置及积水影响施工的问题；常规的边采边复高程模型中高程受开采进度影响，在工作面开采前或沉陷区稳沉前根据开采沉陷设计填土高程，治理后的地表高程不受开采工作的影响。

有益效果：本发明提供了基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法，适用于我国东部高潜水位矿区沉陷积水区地质环境治理。有效缩小了沉陷面积，无需从周边土地二次取土，既能保障覆土的肥力，又降低了二次污染的风险；在沉陷区稳沉前治理，避免了沉陷期土地闲置的问题，同时挖深垫浅后高程的设计，明确了挖深区域与垫浅区域的边界，并使得积水区与地面之间存在适宜的坡度，更有利于沉陷区水土保持与农业利用，大大提高了沉陷区土地的利用率。

在沉陷区非稳沉状态下进行超前治理的方法，解决了非稳沉条件下沉陷区域挖深垫浅土地复垦的问题，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。

本发明工艺简单，成本低廉，有效缩小了沉陷面积，无需从周边土地二次取土，既能保障覆土的肥力，又降低了二次污染的风险；在沉陷区稳沉前治理，避免了沉陷期土地闲置的问题，同时挖深垫浅后高程的设计，明确了挖深区域与垫浅区域的边界，并使得积水区与地面之间存在适宜的坡度，更有利于沉陷区水土保持与农业利用，大大提高了沉陷区土地的利用率。

说明书附图

图1为本发明的预计煤矿开采后地表沉陷示意图；

图2为本发明的沉陷积水区俯视图；

图3为本发明的应用高潜水位采煤沉陷区超前治理方法边界设计示意图；

图4为本发明的应用高潜水位采煤沉陷区超前治理方法填土高程设计示意图；

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-挖深垫浅边界线，11-治理后地表，12-填土设计高程，i-挖深垫浅边界点，p-地表内边界点，f为挖深盆地边界点，i′-i点在走向主断面正上方地表的投影，f′-f点在走向主断面正上方地表的投影,W_max-走向主断面实际地表下沉最大值。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的实施例做进一步说明：

本发明的一种基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法，首先根据矿区地质采矿条件参数设计高潜水位采沉陷区挖深垫浅后地表高程；计算采煤工作面走向主断面上挖深垫浅的边界点及采空后沉陷盆地的挖深垫浅边界线10；预计采煤工作面采空后形成沉陷区内进行治理需要的填土高程；利用采煤沉陷区内的填土高程，在地下矿区工作面开采前对地表对应区域进行超前治理；当地下开采完成后地表自动形成预计的治理效果，平整地面，从而完成沉陷区挖深垫浅的治理方法；

具体步骤如下

a.如图1和图2所示，根据开采工作面1所在矿区地质采矿条件参数，包括地表地形信息和地下开采计划，预测地表沉陷信息，利用地表沉陷信息结合原始地表地形信息，获取地表沉陷等值线图，设计出沉陷区挖深垫浅后地表高程值计算公式：

利用概率积分法地表沉陷预计，计算开采工作面1走向主断面上方地表点下沉值W_(x)；选取开采工作面1走向主断面进行挖深垫浅边界设计的参照面，选取走向主断面地表最大下沉值W_max为最小设计高程，以走向主断面土方量平衡为条件，计算出挖深垫浅后地表高程值中变量b与k的关系式，根据实际工程施工、采煤沉陷地表变形规律、变量b与k的关系式分析设计挖深垫浅后地表高程值公式中的变量k，进而得出挖深垫浅后地表高程值Z(x)＝kx+b；

下式为采煤工作面走向主断面正上方地表各点下沉值计算公式W_(x)，工作面走向主断面正上方地表最大下沉值W_max：

式中：x为采煤工作面走向主断面正上方地表点相对于工作面的坐标；W₀为概率积分法采煤沉陷预计地表最大下沉值；l为地下采煤工作面走向计算长度；L为地下采煤工作面倾向计算长度；D₁为地下采煤工作面走向实际长度；C_ym为倾向采动程度系数；C_y为倾向采动系数；s为工作面拐点偏移距；r为工作面主要影响半径；erf()为高斯误差函数；

于挖深垫浅后地表高程值Z(x)计算公式中变量b与k关系式的求取：

根据土方量平衡条件:

式中:

为挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地面平均高程相等的挖深盆地边界点p处的横坐标，点x₀地下采煤工作面走向主断面正上方地表下沉值W_(x)与挖深垫浅后地表高程值Z(x)相等的点i处的横坐标，

为挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地表最大下沉值W_max相等的点f横坐标。

挖深垫浅后地表高程值计算公式中b与k的关系式：

b.为了减小积水区域，最大程度的改造土地，需要计算走向主断面上挖深垫浅的各边界点，获得沉陷盆地的挖深垫浅的地表内边界信息、挖深垫浅边界信息、挖深盆地边界信息：

首先使用二分法找出开采工作面1走向主断面正上方地表下沉值W_(x)与挖深垫浅后地表高程值Z(x)相等的点i坐标

即挖深垫浅的边界点；挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地面原始平均高程H₀相等的地表内边界点p即为地表内边界点，利用挖深垫浅后地表高程值公式计算出地表内边界点p横坐标为

挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地表最大下沉值W_max相等的点f即为挖深盆地边界点，根据挖深垫浅后地表高程值公式计算出挖深盆地边界点f横坐标为

点i′为点i在地表的投影，点f′为点f在地表的投影，则地表处点p，点i′，点f′由采煤工作面走向主断面正上方地表下沉计算公式W_(x)可得出上述三点处下沉值W_(p)，W_(i′)，W_(f′)，地表点p，点i′，点f′处下沉等值线即为沉陷盆地的挖深垫浅的地表内边界、挖深垫浅边界、挖深盆地边界；

挖深垫浅后地表高程值Z(x)计算公式中变量k的选取：

k为挖深垫浅后地表高程值计算公式中的变量未知，结合实际工程施工、采煤沉陷地表变形规律、变量b与k的关系式可知：在走向主断面正上方的地表点，地表下沉值与挖深垫浅后地表高程值相等时的点i有且仅有一个点i；在点i左侧W_(x)＞Z(x)，在点i右侧W_(x)＜Z(x)，结合概率积分法主断面地表移动与变形规律分析，k必须大于地表下沉曲线W_(x)的最大斜率，即大于x方向的地表最大倾斜值，即

根据挖深垫浅后地表高程值计算公式中变量b与k的关系式分析，截距b随挖深垫浅后地表高程曲线的斜率k增大而减小，当k偏大时，此时两曲线交点偏上，根据实际验证，明显不符合挖填方平衡原则。综上分析，挖深垫浅后地表高程曲线斜率k的取值需略大于地表下沉曲线最大斜率；

如图3和图4所示，由此得出k的取值，进而由b与k的关系式得出b的值，最后求出挖深垫浅挖深垫浅后地表高程曲线Z(x)＝kx+b；同时挖深垫浅后地表高程值Z(x)计算公式中变量k的选取，使得采煤沉陷区内积水区与地面之间存在适宜的坡度，更有利于沉陷区水土保持与农业利用。

c.在开采工作面1开采前或沉陷区稳沉前，根据填土高程设计进行施工，填土高程施工设计分为填土设计高程H₁与治理后的最终高程H₂，在工作面走向主断面与地表相交处的每个地表点上的填土设计高程H₁就等于地表原始高程H₀加上挖深垫浅边界9高程值Z(x)减去该点处地表移动下沉值W_(x)，值为正时为填方高程，值为负时为挖方高程；在整个沉陷盆地内，根据沉陷预计等值线图与走向主断面的挖填方高程的设计，下沉值相同处的高程设计相同；治理后的最终高程H₂等于填土设计高程H₁减去地表移动下沉值W_(x)，完成沉陷区的挖深垫浅施工设计；具体的填土设计高程H₁与治理后的最终高程H₂如下表

表1填土设计高程H₁与治理后的最终高程H₂计算公式

d.利用沉陷区的挖深垫浅施工设计，对整个地表沉陷盆地的挖深区域7和垫浅区域8进行改造，根据填土高程设计施工，地表点i′处的沉陷等值线即为挖深垫浅边界，边界内部沉陷盆地为挖深区域7，边界外侧沉陷边缘为垫浅区域8；在挖深区域7，地表点f′处的沉陷等值线即为挖深盆地边界，挖深盆地边界内部开挖区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)-W_max，平整开发区底部地面；在挖深盆地边界与挖深垫浅边界之间的环形区域，开挖区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)-Z(x)，将挖掘出的土方填入垫浅区；在垫浅区域8，地表点p处的沉陷等值线为地表内边界，在地表内边界与挖深垫浅边界之间的环形区域，垫浅区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)-Z(x)，在沉陷边界与地表内边界之间的环形区域，垫浅区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)，平整垫浅区域8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。

在工作面开采前或沉陷区稳沉前进行沉陷区的挖深垫浅填土设计高程与施工；通常为了使土体不被闲置，沉陷区稳沉后进行施工挖深垫浅，但当高潜水位矿区在地表沉陷时沉陷区产生积水时，需要在工作面开采前或沉陷区稳沉前进行沉陷区的挖深垫浅填土设计高程与施工，避免了沉陷期土地闲置及积水影响施工的问题；常规的边采边复高程模型中高程受开采进度影响，在工作面开采前或沉陷区稳沉前根据开采沉陷设计填土高程，治理后的地表高程不受开采工作的影响。

实施例：

a.设计高潜水位采沉陷区挖深垫浅后地表高程：根据矿区地质采矿条件参数，包括开采工作面1、煤层2、表土层3和未沉降前地表5的信息利用概率积分法地表沉陷预计沉降后地表4，计算地下工作面开采区域6走向主断面上方地表点下沉值W_(x)；选取采煤工作面走向主断面进行挖深垫浅边界设计的参照面，选取走向主断面地表最大下沉值W_max为最小设计高程，地下采煤工作面走向主断面上方地表各点挖深垫浅后地表高程值Z(x)，计算公式为Z(x)＝kx+b；以走向主断面土方量平衡为条件，计算出挖深垫浅后地表高程值中变量b与k的关系式，根据实际工程施工、采煤沉陷地表变形规律、变量b与k的关系式分析设计挖深垫浅后地表高程值公式中的变量k，进而得出挖深垫浅后地表高程值计算公式Z(x)＝kx+b。

煤层2平均采厚m为3.1m，平均倾角α为10°，平均采深H为357m，其走向长为D₁为575m，倾向斜宽为D₂为150m，下沉系数q为0.98，主要影响角正切tanβ为2.16，最大下沉角θ₀为88°，主要影响传播角θ为86.3°，拐点偏移距经验公式s/H等于0.07。

得出工作面走向主断面正上方地表下沉的计算公式W_(x)，工作面走向主断面最大下沉值W_max，其中C_y为倾向采动系数：

C_y＝0.8686

设计挖深垫浅后地表高程值：

Z(x)＝kx+b (3)

土方量平衡条件:

式中:

为挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地面平均高程相等的p处的横坐标，点x₀地下采煤工作面走向主断面正上方地表下沉值W_(x)与挖深垫浅后地表高程值Z(x)相等的点i处的横坐标，

为挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地表最大下沉值W_max相等的点f横坐标。

挖深垫浅后地表高程值计算公式中b与k的关系式：

k为挖深垫浅后地表高程值计算公式中的变量未知，结合实际工程施工、采煤沉陷地表变形规律、变量b与k的关系式可知：1)在走向主断面正上方的地表点，地表下沉值与挖深垫浅后地表高程值相等时的点i有且仅有一个点i；2)在点i左侧W_(x)＞Z(x)，在点i右侧W_(x)＜Z(x)，结合概率积分法主断面地表移动与变形规律分析，k必须大于地表下沉曲线W_(x)的最大斜率，即大于x方向的地表最大倾斜值，即

3)根据挖深垫浅后地表高程值计算公式中变量b与k的关系式分析，截距b随挖深垫浅后地表高程曲线的斜率k增大而减小，当k偏大时，此时两曲线交点偏上，根据实际验证，明显不符合挖填方平衡原则。综上分析，挖深垫浅后地表高程曲线斜率k的取值需略大于地表下沉曲线最大斜率。

此时取

取k＝0.02，则b＝0.56，Z(x)＝0.02x+0.56；

b.计算走向主断面上挖深垫浅的边界点及沉陷盆地的挖深垫浅边界线10：使用二分法找出地下采煤工作面走向主断面正上方地表下沉值W_(x)与挖深垫浅后地表高程值Z(x)相等的点i坐标

等于(25,1.0)，即挖深垫浅的边界点；挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地面原始平均高程H₀相等的点p即为地表内边界点，根据挖深垫浅高程公式计算出点p横坐标为

挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地表最大下沉值W_max相等的点f即为挖深盆地边界点，根据挖深垫浅高程公式计算出点f横坐标为

将上述三个交点pif处横坐标带入采煤工作面走向主断面正上方地表下沉计算公式W_(x)可得出三点处下沉值W_(p)，W_(i)，W_(f)分别等于0.4m，1.0m，1.6m；p、i、f处下沉等值线即为沉陷盆地的挖深垫浅的地表内边界、挖深垫浅边界、挖深盆地边界。

c.采煤沉陷区内的填土高程施工设计：在地下采煤工作面开采前或沉陷区稳沉前，根据填土高程设计进行施工，填土高程施工设计分为填土设计高程H₁12与治理后的最终高程H₂，在走向主断面正上方地表每个点上的填土设计高程H₁12就等于地表原始平均高程H₀加上挖深垫浅边界高程值Z(x)减去该点处地表移动下沉值W_(x)，值为正时为填方高程，值为负时为挖方高程；在整个沉陷盆地内，根据沉陷预计等值线图与走向主断面的挖填方高程的设计，下沉值相同处的高程设计相同；治理后的最终高程H₂等于填土设计高程H₁12减去该点处地表移动下沉值W_(x)；

d.利用沉陷区的挖深垫浅施工设计，对整个地表沉陷盆地的挖深区域7和垫浅区域8进行改造，根据填土高程设计施工，地表点i′处的沉陷等值线即为挖深垫浅边界9，边界内部沉陷盆地为挖深区域7，边界外侧沉陷边缘为垫浅区域8；在挖深区域7，地表点f′处的沉陷等值线即为挖深盆地边界，挖深盆地边界内部开挖区填土设计高程H₁12等于H₀+W_(x)-W_max，平整开发区底部地面；在挖深盆地边界与挖深垫浅边界9之间的环形区域，开挖区填土设计高程H₁12等于H₀+W_(x)-Z(x)，将挖掘出的土方填入垫浅区；在垫浅区域8，地表点p处的沉陷等值线为地表内边界，在地表内边界与挖深垫浅边界9之间的环形区域，垫浅区填土设计高程H₁12等于H₀+W_(x)-Z(x)，在沉陷边界与地表内边界之间的环形区域，垫浅区填土设计高程H₁12等于H₀+W_(x)，平整垫浅区域8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治理后地表的11改造。

Claims (4)

1.一种基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法，其特征在于：首先根据矿区地质采矿条件参数设计高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅后地表高程；计算采煤工作面走向主断面上挖深垫浅的边界点及采空后沉陷盆地的挖深垫浅边界线；预计采煤工作面采空后形成沉陷区内进行治理需要的填土高程；利用采煤沉陷区内的填土高程，在地下矿区工作面开采前对地表对应区域进行超前治理；当地下开采完成后地表自动形成预计的治理效果，平整地面，从而完成沉陷区挖深垫浅的治理方法；

具体步骤如下

a.根据开采工作面1所在矿区地质采矿条件参数，包括地表地形信息和地下开采计划，预测地表沉陷信息，利用地表沉陷信息结合原始地表地形信息，获取地表沉陷等值线图，设计出沉陷区挖深垫浅后地表高程值计算公式：

利用概率积分法地表沉陷预计，计算开采工作面1走向主断面上方地表点下沉值W_(x)；选取开采工作面1走向主断面进行挖深垫浅边界设计的参照面，选取走向主断面地表最大下沉值W_max为最小设计高程，以走向主断面土方量平衡为条件，计算出挖深垫浅后地表高程值中变量b与k的关系式，根据实际工程施工、采煤沉陷地表变形规律、变量b与k的关系式分析设计挖深垫浅后地表高程值公式中的变量k，进而得出挖深垫浅后地表高程值Z(x)＝kx+b；

下式为采煤工作面走向主断面正上方地表各点下沉值计算公式W_(x)，工作面走向主断面正上方地表最大下沉值W_max：

式中：x为采煤工作面走向主断面正上方地表点相对于工作面的坐标；W₀为概率积分法采煤沉陷预计地表最大下沉值；l为地下采煤工作面走向计算长度；L为地下采煤工作面倾向计算长度；D₁为地下采煤工作面走向实际长度；C_ym为倾向采动程度系数；C_y为倾向采动系数；s为工作面拐点偏移距；r为工作面主要影响半径；erf()为高斯误差函数；

b.为了减小积水区域，最大程度的改造土地，需要计算走向主断面上挖深垫浅的各边界点，获得沉陷盆地的挖深垫浅的地表内边界信息、挖深垫浅边界信息、挖深盆地边界信息：

首先使用二分法找出开采工作面1走向主断面正上方地表下沉值W_(x)与挖深垫浅后地表高程值Z(x)相等的点i坐标

即挖深垫浅的边界点；挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地面原始平均高程H₀相等的地表内边界点p即为地表内边界点，利用挖深垫浅后地表高程值公式计算出地表内边界点p横坐标为

挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地表最大下沉值W_max相等的点f即为挖深盆地边界点，根据挖深垫浅后地表高程值公式计算出挖深盆地边界点f横坐标为

点i′为点i在地表的投影，点f′为点f在地表的投影，则地表处点p，点i′，点f′由采煤工作面走向主断面正上方地表下沉计算公式W_(x)可得出上述三点处下沉值W_(p)，W_(i′)，W_(f′)，地表点p，点i′，点f′处下沉等值线即为沉陷盆地的挖深垫浅的地表内边界、挖深垫浅边界、挖深盆地边界；

c.在开采工作面1开采前或沉陷区稳沉前，根据填土高程设计进行施工，填土高程施工设计分为填土设计高程H₁与治理后的最终高程H₂，在工作面走向主断面与地表相交处的每个地表点上的填土设计高程H₁就等于地表原始高程H₀加上挖深垫浅边界高程值Z(x)减去该点处地表移动下沉值W_(x)，值为正时为填方高程，值为负时为挖方高程；在整个沉陷盆地内，根据沉陷预计等值线图与走向主断面的挖填方高程的设计，下沉值相同处的高程设计相同；治理后的最终高程H₂等于填土设计高程H₁减去地表移动下沉值W_(x)，完成沉陷区的挖深垫浅施工设计；

d.利用沉陷区的挖深垫浅施工设计，对整个地表沉陷盆地的挖深区域和垫浅区域进行改造，根据填土高程设计施工，地表点i′处的沉陷等值线即为挖深垫浅边界，边界内部沉陷盆地为挖深区域，边界外侧沉陷边缘为垫浅区域；在挖深区域，地表点f′处的沉陷等值线即为挖深盆地边界，挖深盆地边界内部开挖区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)-W_max，平整开发区底部地面；在挖深盆地边界与挖深垫浅边界之间的环形区域，开挖区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)-Z(x)，将挖掘出的土方填入垫浅区；在垫浅区域，地表点p处的沉陷等值线为地表内边界，在地表内边界与挖深垫浅边界之间的环形区域，垫浅区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)-Z(x)，在沉陷边界与地表内边界之间的环形区域，垫浅区填土设计高程H₁＝H₀+W_(x)，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。

2.根据权利要求1所述的基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法，其特征在于挖深垫浅后地表高程值Z(x)计算公式中变量b与k关系式的求取：

根据土方量平衡条件:

式中:

为挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地面平均高程相等的挖深盆地边界点p处的横坐标，点x₀地下采煤工作面走向主断面正上方地表下沉值W_(x)与挖深垫浅后地表高程值Z(x)相等的点i处的横坐标，

为挖深垫浅后地表高程值Z(x)与地表最大下沉值W_max相等的点f横坐标；

挖深垫浅后地表高程值计算公式中b与k的关系式：

3.根据权利要求1或2所述的基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法，其特征在于挖深垫浅后地表高程值Z(x)计算公式中变量k的选取：

k为挖深垫浅后地表高程值计算公式中的变量未知，结合实际工程施工、采煤沉陷地表变形规律、变量b与k的关系式可知：在走向主断面正上方的地表点，地表下沉值与挖深垫浅后地表高程值相等时的点i有且仅有一个点i；在点i左侧W_(x)＞Z(x)，在点i右侧W_(x)＜Z(x)，结合概率积分法主断面地表移动与变形规律分析，k必须大于地表下沉曲线W_(x)的最大斜率，即大于x方向的地表最大倾斜值，即

根据挖深垫浅后地表高程值计算公式中变量b与k的关系式分析，截距b随挖深垫浅后地表高程曲线的斜率k增大而减小，当k偏大时，此时两曲线交点偏上，根据实际验证，明显不符合挖填方平衡原则；综上分析，挖深垫浅后地表高程曲线斜率k的取值需略大于地表下沉曲线最大斜率；

由此得出k的取值，进而由b与k的关系式得出b的值，最后求出挖深垫浅后地表高程曲线Z(x)＝kx+b；同时挖深垫浅后地表高程值Z(x)计算公式中变量k的选取，使得采煤沉陷区内积水区与地面之间存在适宜的坡度，更有利于沉陷区水土保持与农业利用。

4.根据权利要求1所述的基于边界优化的高潜水位采煤沉陷区挖深垫浅超前治理方法，其特征在于：在工作面开采前或沉陷区稳沉前进行沉陷区的挖深垫浅填土设计高程与施工；通常为了使土体不被闲置，沉陷区稳沉后进行施工挖深垫浅，但当高潜水位矿区在地表沉陷时沉陷区产生积水时，需要在工作面开采前或沉陷区稳沉前进行沉陷区的挖深垫浅填土设计高程与施工，避免了沉陷期土地闲置及积水影响施工的问题；常规的边采边复高程模型中高程受开采进度影响，在工作面开采前或沉陷区稳沉前根据开采沉陷设计填土高程，治理后的地表高程不受开采工作的影响。

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