CN111400659A - 采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种采‑选‑充一体化开采技术耕地保护率计算方法。适用于矿区矸石充填保护耕地设计及矸石充填耕地保护率计算。先确定耕地保护设防标准，接着预测出常规开采的地表形变，确定常规开采引起的耕地受损面积；预测出矸石充填开采的地表形变，确定矸石充填开采引起的耕地受损面积，其余差值为矸石充入采空区能保护耕地的面积S1，根据矸石用量σ1计算出矸石直接充填采空区的耕地保护率λ直充；同时再计算避免矸石压占所能保护的耕地面积S2，得到采‑选‑充一体化技术避免矸石占地的耕地保护率λ矸压；最后根据这两个保护率相加就能得到采‑选‑充一体化耕地保护率计算方法。其步骤简单，解决了矸石充填保护耕地的设计及能力评估难题，具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法，尤其适用于面向充填保护 耕地设计的采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法。
技术背景
耕地是土地的精华，是农业生产的基础，更是事关国计民生的根本。近年来我国耕地保 有量下降幅度大，下降趋势明显。到2010年和2020年全国耕地保有量要分别保持在18.18 亿亩和18.05亿亩以上。以目前耕地下降幅度及趋势估算，要完成这一耕地保有量任务十分 艰巨。
在《中国可持续能源发展战略》研究报告中，多位院士认为到2050年，煤炭在我国一次 性能源生产和消费中所占比例不会低于50％，可见煤炭工业在我国国民经济中的基础地位是 长期稳固的。煤炭的不断开采固然能够满足国民经济的高速发展要求，但其高强度大规模开 采的同时也带来一系列问题，特别是煤炭开采引起地表沉陷对我国耕地资源的破坏十分严重。
矸石井下充填采煤技术的研究与应用，不但可以减小矿区土地沉降量，减轻矿区耕地破 坏，安全开采建筑物、水体及铁路下呆滞煤炭资源，提高矿区资源采出率，同时可避免矸石 排放，避免矸石压占、污染土地，达到保护耕地、提高资源采出率、保持矿区社会稳定和减 轻环境污染的多重目的，是符合矿区可持续发展，满足绿色开采要求的重要技术途径。矸石 充填采煤技术目前在邢台、新汶、兖州等矿区已得到成功应用，无论是从减小地表沉降、保 护矿区生态环境、减少矿区耕地破坏等方面，还是从开采矿区呆滞资源、提高资源采出率方 面都取得了不错的效果。
考虑到矸石充填保护耕地的能力与地质采矿条件、充填条件、矸石材料性质等诸多因素 有关，试图给出一个标准值相当困难。为对比不同矿区采-选-充一体化开采技术耕地保护能 力的差异，提出了耕地保护率这一指标。耕地保护率为百万吨矸石所能保护耕地的面积(亩 /Mt)。然而目前尚缺乏计算耕地保护率的计算方法，导致不同矿区充填保护耕地的能力评价 缺乏定量及科学依据。
发明内容
针对上述技术问题，提供了一种步骤简单、实用的采-选-充一体化开采技术耕地保护率 计算方法。
为了实现上述技术目的，本发明的采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法，其步 骤为：
a收集研究区域地质采矿条件、水文地质条件、矿区先前地表沉陷观测数据、耕地种类 及矸石量，并根据研究区域耕地的类型、破坏形式及地下水位高度，确定研究区域耕地保护 的设防指标；
b结合研究区域地质采矿条件及先前地表沉陷观测数据，确定研究区域垮落法开采地表 沉陷预计参数，并利用概率积分法计算垮落法开采地表移动与变形值；
c根据实际区域设计充实率，基于等效采厚理论及概率积分法计算矸石充填开采地表移 动与变形值；
d结合研究区域的耕地保护设防指标，根据垮落法开采地表移动与变形值确定垮落法开 采情况下耕地受损面积，同时根据矸石充填开采地表移动与变形值确定充填开采情况下耕地 受损面积，进而确定利用矸石充填能保护耕地的面积，并根据矸石用量可以计算出矸石直接 充填采空区的耕地保护率；
e根据矸石山保护带边界、安息角、矸石密度及矸石量计算出采-选充一体化开采技术避 免矸石占地的耕地保护率，同时结合矸石直接充填采空区的耕地保护率，进而计算出采-选- 充一体化开采技术的耕地保护率。
研究区域需要收集的研究区域地质采矿条件、水文地质条件、耕地种类、矸石量及矿区 先前地表沉陷观测数据，同时根据收集到的耕地分布及种类等资料，结合耕地破坏形式及地 下潜水位高度，确定研究区域耕地保护的设防指标，开采沉陷对耕地的影响可用潜水位高度、 地表倾斜和和水平变形三个指标评价，即研究区域耕地保护的设防指标为潜水位深部h潜标、 地表倾斜i标、地表水平变形ε标。
结合研究区域地质采矿条件及先前地表沉陷观测数据，确定研究区域垮落法开采地表沉 陷预计参数，包括地表下沉系数q垮、地表水平移动系数b垮、主要影响角正切tan β垮、拐点 偏距S垮以及开采影响传播角θ垮，上述地表沉陷预计参数也可以根据各矿区已有的预计参数 选取，同时利用概率积分法计算垮落法开采地表移动与变形值，概率积分法的数学模型如下 所示：
1)任意点A(x,y)的下沉值W(x,y)，表达式为：W(x,y)＝WcmC'xC'y
其中：
式中：
Wcm—充分采动条件下地表最大下沉值，Wcm＝mqcosα；
m—采出煤层厚度；q—地表下沉系数；α—煤层倾角；
Cx′，Cy′—为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数；
l，L—为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度；
r，r1，r2—分别为走向、下山、上山方向的主要影响半经；
x、y—待求点坐标，
2)地表任意点A(x,y)沿
方向倾斜变形值
式中：
T(x，y)m—待求点的最大倾斜值，mm/m；
Tx，Ty—分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值，mm/m，
3)地表任意点A(x,y)沿
方向的曲率变形
式中：
K(x，y)max，K(x，y)min—分别为待求点最大、最小曲率变形值；
Kx，Ky—分别为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的曲率值；
4)地表任意点A(x,y)沿
方向的水平移动值
式中：
——为最大水平移动方向与OX轴的夹角
Ux，Uy——分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处的水平移动值，mm，对于倾斜 方向需加Cy′·Wcm·ctgθ，
5)地表任意点A(x,y)沿
方向的水平变形值
式中：
ε(x，y)max，ε(x，y)min——为待求点最大、最小水平变形值；
εx，εy——为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加的水平变形值。
根据设计的充实率φ，基于等效采厚理论及概率积分法计算矸石充填开采地表移动与变 形值，充填开采的等效采厚
m为采高，
是充实率，
充填开采地表移动与变形预测参数也包括下沉系数q充＝q垮、地表水平移动系数b充＝b垮、 主要影响角正切tan β充＝tan β垮、拐点偏距S充＝S垮以及开采影响传播角θ充＝θ垮。
根据研究区域耕地保护的设防指标：潜水位深部h潜标、地表倾斜i标、地表水平变形ε标， 根据垮落法开采地表移动与变形预计结果确定垮落法开采情况下耕地受损面积S垮；根据充填 开采地表移动与变形预计结果确定矸石充填开采情况下耕地受损面积S充，进而可以确定利用 矸石充填能保护耕地的面积S保＝S垮-S充；再根据矸石用量σ1(单位为Mt)，则可以计算出矸 石直接充填采空区的耕地保护率λ直充＝S保/σ1。
根据矸石山保护带边界、安息角、矸石密度、矸石量计算出采-选-充一体化技术避免矸 石占地的耕地保护率；其中矸石井下充填处理地表矸石山能够保护耕地的面积与矿区矸石量 成正比，
设矿区矸石山矸石量为Mg，其占地面积即为矸石井下充填可以保护的耕地面积，根据矿 区堆积形成的圆锥体矸石山堆积特征建立相应的占地面积估算模型，根据圆锥体计算公式和 三角函数定理可得矸石堆积成矸石山后矸石山高度为：
H3＝D1·tan σ
则矸石量可表示为
矸石山实际占地半径D1约为
矸石山堆积还需在矸石山周围留设一定宽度的保护隔离维护带，矸石山保护隔离围护带 宽度跟矿区环境、气候等有关，一般情况下留设宽度D2在30m以上，则矸石量为M的矸石 堆积成矸石山占用的耕地面积至少为：
式中σ—为矸石堆积安息角，根据经验一般为30°～40°；
H3—堆积矸石山高度，m；
ρg—矸石密度，t/m3；
sP2—矸石充填量为M时相应可保护的耕地面积，m2，
当Mg＝100Mt时，则可以算出采-选-充一体化技术避免矸石占地的耕地保护率
最后可以根据矸石直接充填采空区的耕地保护率λ直充和采-选-充一体化开采技术避免矸 石占地的耕地保护率λ矸压，可以计算出采-选-充一体化开采技术耕地保护率λ＝λ直充+λ矸压。
有益效果：
本发明兼顾了耕地破坏机理及矸石的特性，提出了耕地保护率这一充填保护耕地能力评 价的指标，为不同矿区充填保护耕地的能力评价提供定量及科学依据，解决了矸石充填保护 耕地能力评估的难题，其步骤简答，运算量小，对于各矿区耕地保护、充填保护耕地设计及 降低矸石污染具有重要的实际意义和应用价值。
附图说明
图1为本发明实施的采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法流程图；
图2为本发明实施的模拟实验工作面布设示意图；
图3为模拟工作面全采后地表下沉情况及耕地影响范围示意图；
图4为模拟工作面矸石直接充填开采后地表下沉情况示意图。
具体实施方式
下面将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，本发明的采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法，其步骤为：
a研究区域需要收集的研究区域地质采矿条件、水文地质条件、耕地种类、矸石量及矿 区先前地表沉陷观测数据，同时根据收集到的耕地分布及种类等资料，结合耕地破坏形式及 地下潜水位高度，确定研究区域耕地保护的设防指标，开采沉陷对耕地的影响可用潜水位高 度、地表倾斜和和水平变形三个指标评价，即研究区域耕地保护的设防指标为潜水位深部h潜标、 地表倾斜i标、地表水平变形ε标。
b结合研究区域地质采矿条件及先前地表沉陷观测数据，确定研究区域垮落法开采地表 沉陷预计参数，包括地表下沉系数q垮、地表水平移动系数b垮、主要影响角正切tanβ垮、拐 点偏距S垮以及开采影响传播角θ垮，上述地表沉陷预计参数也可以根据各矿区已有的预计参 数选取，同时利用概率积分法计算垮落法开采地表移动与变形值，概率积分法的数学模型如 下所示：
1)任意点A(x,y)的下沉值W(x,y)，表达式为：W(x,y)＝WcmC'xC'y，
其中：
式中：
Wcm—充分采动条件下地表最大下沉值，Wcm＝mqcosα；
m—采出煤层厚度；q—地表下沉系数；α—煤层倾角；
Cx′，Cy′—为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数；
l，L—为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度；
r，r1，r2—分别为走向、下山、上山方向的主要影响半经；
x、y—待求点坐标，
2)地表任意点A(x,y)沿
方向倾斜变形值
式中：
T(x，y)m—待求点的最大倾斜值，mm/m；
Tx，Ty—分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值，mm/m，
3)地表任意点A(x,y)沿
方向的曲率变形
式中：
K(x，y)max，K(x，y)min—分别为待求点最大、最小曲率变形值；
Kx，Ky—分别为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的曲率值；
4)地表任意点A(x,y)沿
方向的水平移动值
式中：
——为最大水平移动方向与OX轴的夹角
Ux，Uy——分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处的水平移动值，mm，对于倾斜 方向需加Cy′·Wcm·ctgθ，
5)地表任意点A(x,y)沿
方向的水平变形值
式中：
ε(x，y)max，ε(x，y)min——为待求点最大、最小水平变形值；
εx，εy——为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加的水平变形值。
c根据设计的充实率φ，基于等效采厚理论及概率积分法计算矸石充填开采地表移动与变 形值，充填开采的等效采厚
m为采高或煤层厚度，
是充实率，
充填开采地表移动与变形预测参数也包括下沉系数q充＝q垮、地表水平移动系数b充＝b垮、主 要影响角正切tan β充＝tan β垮、拐点偏距S充＝S垮以及开采影响传播角θ充＝θ垮；
d根据研究区域耕地保护的设防指标：潜水位深部h潜标、地表倾斜i标、地表水平变形ε标， 根据垮落法开采地表移动与变形预计结果确定垮落法开采情况下耕地受损面积S垮；根据充填 开采地表移动与变形预计结果确定矸石充填开采情况下耕地受损面积S充，进而可以确定利用 矸石充填能保护耕地的面积S保＝S垮-S充；再根据矸石用量σ1(单位为Mt)，则可以计算出矸 石直接充填采空区的耕地保护率λ直充＝S保/σ1；
e根据矸石山保护带边界、安息角、矸石密度、矸石量计算出采-选-充一体化技术避免矸 石占地的耕地保护率；其中矸石井下充填处理地表矸石山能够保护耕地的面积与矿区矸石量 成正比，
设矿区矸石山矸石量为Mg，其占地面积即为矸石井下充填可以保护的耕地面积，根据矿 区堆积形成的圆锥体矸石山堆积特征建立相应的占地面积估算模型，根据圆锥体计算公式和 三角函数定理可得矸石堆积成矸石山后矸石山高度为：
H3＝D1·tan σ
则矸石量可表示为
矸石山实际占地半径D1约为
矸石山堆积还需在矸石山周围留设一定宽度的保护隔离维护带，矸石山保护隔离围护带 宽度跟矿区环境、气候等有关，一般情况下留设宽度D2在30m以上，则矸石量为M的矸石 堆积成矸石山占用的耕地面积至少为：
式中σ—为矸石堆积安息角，根据经验一般为30°～40°；
H3—堆积矸石山高度，m；
ρg—矸石密度，t/m3；
sP2—矸石充填量为M时相应可保护的耕地面积，m2，
当Mg＝100Mt时，则可以算出采-选-充一体化技术避免矸石占地的耕地保护率
最后可以根据矸石直接充填采空区的耕地保护率λ直充和采-选-充一体化开采技术避免矸 石占地的耕地保护率λ矸压，可以计算出采-选-充一体化开采技术耕地保护率λ＝λ直充+λ矸压。
实施例一：
步骤1：收集研究区域地质采矿条件、水文地质条件、矿区先前地表沉陷观测数据、耕 地种类及矸石量，并根据研究区域耕地的类型、破坏形式及地下水位高度，确定研究区域耕 地保护的设防指标；
以皖北煤电五沟煤矿为例，对本发明的过程进行详细说明。皖北煤电五沟矿位于中国淮 北平原中部，区内地势平坦，地面平均标高+27m，多为优质耕地；本区域地下水静止水位标 高24.12m，潜水位平均深2.9m；五沟矿目前主采10煤，煤炭密度1.37t/m3，平均煤厚3.2m， 煤层平均倾角10°，可采煤层平均埋深380m，原计划采用综采方法一次采全高，工作面长 度按150m进行设计。
矿区内及周边矿区现有可用矸石共286.5万t，压实后矸石密度＝2.1t/m3，随煤炭开采 产出的掘进矸石和洗选矸石总量约为煤炭产量的18％。
经实地调研，五沟矿区属季风暖湿带半湿润气候，季节性雨量较大，且地表潜水位高， 煤炭开采后地表塌陷易形成大范围积水区域，耕地破坏情况严重。因此，本节考虑在煤炭开 采后仅使矿区耕地达到表1中微弱影响的标准。
表1高潜水位矿区耕地破坏评价标准
五沟煤矿地表潜水位平均深度2.9m，由表1中设防标准可知，采煤后若使耕地仅受微弱 影响，则需保证地表下沉量小于900mm，同时地表最大倾斜变形应小于20mm/m。按五沟煤 矿地质采矿条件和表1中参数计算可知，当地表下沉为900mm时，地表最大倾斜仅为5.2mm/m， 即当地表下沉值满足要求时，地表倾斜自动满足耕地仅受微弱影响的要求。因此，对五沟煤 矿受采煤影响的耕地情况进行评价时，只需考虑地表下沉即可满足要求。
步骤2：结合研究区域地质采矿条件及先前地表沉陷观测数据，确定研究区域垮落法开 采地表沉陷预计参数，并利用概率积分法计算垮落法开采地表移动与变形值。
根据五沟煤矿1013工作面岩移监测站反演参数，选取地表沉陷计算参数见表2。
表2地表移动变形计算参数
模拟布设四个相互平行工作面进行预计研究，分别为1101、1102、1103、1104，走向长 1030m，工作面间顺槽巷道宽4m，如图2所示。模拟研究区域具体开采情况见表3。
表3五沟矿模拟研究区域开采情况明细
根据以上资料，采用表2中参数利用概率积分法对五沟煤矿模拟布设的1101～1104四个 工作面开采后的地表破坏情况进行预计计算，对整个区域垮落法开采的地表变形情况进行预 计，预计结果如图3所示。
步骤3：根据设计的充实率，基于等效采厚理论及概率积分法计算矸石充填地表移动与 变形值；
考虑矸石压实密度＝2.1t/m3，综采工作倾向长度为150m，采厚3.2m，矸石充填充实率 取69％综合计算后可知，矿区内286.5万t矸石全部直接充填到耕地下可保证充填工作面走向 长大于4120m。
基于等效采厚理论结合概率积分法对五沟煤矿模拟布设的1101～1104四个工作面开采后 的地表破坏情况进行预计计算，对整个区域矸石充填开采的地表变形情况进行预计，预计结 果如图4所示。
步骤4：结合研究区域的耕地保护设防指标，根据垮落法开采地表移动与变形值确定垮 落法开采情况下耕地受损面积，同时根据矸石充填开采地表移动与变形值确定充填开采情况 下耕地受损面积，进而确定利用矸石充填能保护耕地的面积，并根据矸石用量，可以计算出 矸石直接充填采空区的耕地保护率；
分析图3可知，-900mm曲线围城的区域是各工作面全部垮落法开采后耕地损坏程度大于 微弱影响的区域，即为耕地受采煤影响而破坏的区域，图解知该区域面积约1074.4亩。分析 图4可知，当整块区域采用矸石充填开采完成后，地表下沉量全部小于900mm，满足地表耕 地仅受到微弱影响的要求，可使耕地避免因煤炭开采而大量损坏，此时可使全采时受损的约 10074.4亩耕地全部得到保护。考虑到矸石用量为286.5万t，可计算的矸石直接充填耕地保 护率为375亩/Mt。
步骤5：根据矸石山保护带边界、安息角、矸石密度及矸石量计算出采-选-充一体化开采 技术耕地保护率。
考虑到矸石松装密度为1.8t/m3；通过计算得出堆积矸石重量与占地之间的关系见表4。 根据表4知矸石井下处理避免矸石山占地的耕地保护率，约76.27亩/Mt。
表4矸石堆积重量与占地的对应关系
注：矸石山安息角σ取30°
结合矸石直接充填采空区的耕地保护率为375亩/Mt，则可以计算出采-选-充一体化开采 技术的耕地保护率为451.27亩/Mt。
Claims (6)
1.一种采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法，其特征在于步骤为：
a收集研究区域地质采矿条件、水文地质条件、矿区先前地表沉陷观测数据、耕地种类及矸石量，并根据研究区域耕地的类型、破坏形式及地下水位高度，确定研究区域耕地保护的设防指标；
b结合研究区域地质采矿条件及先前地表沉陷观测数据，确定研究区域垮落法开采地表沉陷预计参数，并利用概率积分法计算垮落法开采地表移动与变形值；
c根据实际区域设计充实率，基于等效采厚留理论及概率积分法计算矸石充填开采地表移动与变形值；
d结合研究区域的耕地保护设防指标，根据垮落法开采地表移动与变形值确定垮落法开采情况下耕地受损面积，同时根据矸石充填开采地表移动与变形值确定充填开采情况下耕地受损面积，进而确定利用矸石充填能保护耕地的面积，并根据矸石用量可以计算出矸石直接充填采空区的耕地保护率；
e根据矸石山保护带边界、安息角、矸石密度及矸石量计算出采-选充一体化开采技术避免矸石占地的耕地保护率，同时结合矸石直接充填采空区的耕地保护率，进而计算出采-选-充一体化开采技术的耕地保护率。
2.根据权利要求1所述的采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法，其特征在于研究区域需要收集的研究区域地质采矿条件、水文地质条件、耕地种类、矸石量及矿区先前地表沉陷观测数据，同时根据收集到的耕地分布及种类等资料，结合耕地破坏形式及地下潜水位高度，确定研究区域耕地保护的设防指标，开采沉陷对耕地的影响可用潜水位高度、地表倾斜和和水平变形三个指标评价，即研究区域耕地保护的设防指标为潜水位深部h潜标、地表倾斜i标、地表水平变形ε标。
3.根据权利要求1所述的采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法，其特征在于结合研究区域地质采矿条件及先前地表沉陷观测数据，确定研究区域垮落法开采地表沉陷预计参数，包括地表下沉系数q垮、地表水平移动系数b垮、主要影响角正切tanβ垮、拐点偏距S垮以及开采影响传播角θ垮，上述地表沉陷预计参数也可以根据各矿区已有的预计参数选取，同时利用概率积分法计算垮落法开采地表移动与变形值，概率积分法的数学模型如下所示：
1)任意点A(x,y)的下沉值W(x,y)，表达式为：W(x,y)＝WcmC'xC'y
其中：
式中：
Wcm—充分采动条件下地表最大下沉值，Wcm＝mqcosα；
m—采出煤层厚度；q—地表下沉系数；α—煤层倾角；
Cx′，Cy′—为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数；
l，L—为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度；
r，r1，r2—分别为走向、下山、上山方向的主要影响半经；
x、y—待求点坐标，
2)地表任意点A(x,y)沿
方向倾斜变形值
式中：
T(x，y)m—待求点的最大倾斜值，mm/m；
Tx，Ty—分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值，mm/m，
3)地表任意点A(x,y)沿
方向的曲率变形
式中：
K(x，y)max，K(x，y)min—分别为待求点最大、最小曲率变形值；
Kx，Ky—分别为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的曲率值；
4)地表任意点A(x,y)沿
方向的水平移动值
式中：
——为最大水平移动方向与OX轴的夹角
Ux，Uy——分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处的水平移动值，mm，对于倾斜方向需加Cy′·Wcm·ctgθ，
5)地表任意点A(x,y)沿
方向的水平变形值
式中：
ε(x，y)max，ε(x，y)min——为待求点最大、最小水平变形值；
εx，εy——为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加的水平变形值。
4.根据权利要求1所述的采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法，其特征在于根据设计的充实率φ，基于等效采厚理论及概率积分法计算矸石充填开采地表移动与变形值，充填开采的等效采厚(应改为等效采厚)
m为为采高或煤层厚度，
是充实率，
充填开采地表移动与变形预测参数也包括下沉系数q充＝q垮、地表水平移动系数b充＝b垮、主要影响角正切tanβ充＝tanβ垮、拐点偏距S充＝S垮以及开采影响传播角θ充＝θ垮。
5.根据权利要求1所述的采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法，其特征在于根据研究区域耕地保护的设防指标：潜水位深部h潜标、地表倾斜i标、地表水平变形ε标，根据垮落法开采地表移动与变形预计结果确定垮落法开采情况下耕地受损面积S垮；根据充填开采地表移动与变形预计结果确定矸石充填开采情况下耕地受损面积S充，进而可以确定利用矸石充填能保护耕地的面积S保＝S垮-S充；再根据矸石用量σ1，则可以计算出矸石直接充填采空区的耕地保护率λ直充＝S保/σ1。
6.根据权利要求1所述的采-选-充一体化开采技术耕地保护率计算方法，其特征在于根据矸石山保护带边界、安息角、矸石密度、矸石量计算出采-选-充一体化技术避免矸石占地的耕地保护率；其中矸石井下充填处理地表矸石山能够保护耕地的面积与矿区矸石量成正比，
设矿区矸石山矸石量为Mg，其占地面积即为矸石井下充填可以保护的耕地面积，根据矿区堆积形成的圆锥体矸石山堆积特征建立相应的占地面积估算模型，根据圆锥体计算公式和三角函数定理可得矸石堆积成矸石山后矸石山高度为：
H3＝D1·tanσ
则矸石量可表示为
矸石山实际占地半径D1约为
矸石山堆积还需在矸石山周围留设一定宽度的保护隔离维护带，矸石山保护隔离围护带宽度跟矿区环境、气候等有关，一般情况下留设宽度D2在30m以上，则矸石量为M的矸石堆积成矸石山占用的耕地面积至少为：
式中σ—为矸石堆积安息角，根据经验一般为30°～40°；
H3—堆积矸石山高度，m；
ρg—矸石密度，t/m3；
sP2—矸石充填量为M时相应可保护的耕地面积，m2，
当Mg＝100Mt时，则可以算出采-选-充一体化技术避免矸石占地的耕地保护率
最后可以根据矸石直接充填采空区的耕地保护率λ直充和采-选-充一体化开采技术避免矸石占地的耕地保护率λ矸压，可以计算出采-选-充一体化开采技术耕地保护率λ＝λ直充+λ矸压。
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| CN113338929A (zh) * | 2021-07-07 | 2021-09-03 | 中国矿业大学 | 一种单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法 |
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