CN113077088A - 城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，该方法先预计采煤沉陷区最终地表变形值，根据最终地表变形值将城中采煤沉陷区划分为积水区和未积水区，对积水区进行挖深垫浅超前治理、边坡护岸改造、积水区生态环境治理，将沉陷积水区改造成城中景观湖区；然后，对未积水区进行采空区岩体活化分析、稳定性评价分析，根据评价结果，将未积水区分为不受影响建筑区、残余沉降影响区、建筑受限区、禁止建设区及采空区活化区，再将不同区域改造成住宅生活区、商业活动区以及休闲区。本发明方法设计科学合理，将原本城中采煤沉陷区大面积积水与土地撂荒的空间格局重构成集城市景观、情景居住、生态旅游为一体的空间格局。
Description
技术领域
本发明涉及东部采煤沉陷积水区生态环境综合治理技术领域，尤其涉及一种城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法。
背景技术
长期大规模、高强度的煤炭资源开采，造成土地沉陷、耕地损毁、房屋开裂、基础设施损坏、生态破坏等一系列问题。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。一方面，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；另一方面，煤炭开采产生的煤矸石、粉煤灰等固体废弃物含有大量氮、磷、铜、锌、镉等有害重金属元素，通过地表径流、土壤渗透、大气扬尘等途径迁移扩散，进入沉陷区，造成环境二次污染，导致土壤养分流失，水体富营养化严重。
传统的沉陷区治理方法一般采用土地复垦和沉陷积水区水产养殖的方法，是先对沉陷区地形进行改造，沉陷区内直接回填、平整土地、修整边坡，然后改善土壤，种植植物；对于沉陷区内积水的区域，直接进行渔业养殖。这些方法在一般传统的沉陷废弃地治理中是可行的，但是城中采煤沉陷区治理时，进行城中大面积的种植和渔业养殖是不可行的，未考虑到生态系统与人居环境之间的协调发展以及城中土地资源的价值。
发明内容
本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，适用于城区范围内的高潜水位采煤沉陷区水土资源再利用。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
一种城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，该方法包括如下步骤：
(1)沉陷区地质采矿条件信息搜集；
(2)地表沉陷及积水区域预测，采用概率积分法及沉陷预计参数，预计开采工作面上方地表最终下沉值，概率积分法预计公式(I)为：
其中，W(x,y)为地表下沉值，x、y为地表点的坐标，
和γ为公式的积分变量；
其中，W0为地表最大下沉值；W0＝mqcosα，m为煤层采厚，q为下沉系数，α为煤层倾角；
其中，r为主要影响半径；r＝H/tanβ，H为采深，tanβ是主要影响角正切，D是地下开采范围；
(3)根据步骤(2)得到的地表沉陷值与该地区地形等高线、潜水位高度，预计未来采煤沉陷积水区和未积水区；
(4)针对未来采煤沉陷积水区，遵循土方量平衡和生态效益最大化基本原则，根据步骤(2)得到的地表沉陷值与沉陷积水区最终设计地形，超前于工作面开采或地表稳沉前进行地形治理，在地表移动盆地中间进行挖深，在地表移动盆地边缘地区进行垫高，等地下采煤工作面开挖结束或者地表稳沉后，地表地形正好转变为最终设计地形，然后对不同改造后的地形进行分区治理；
(5)针对未积水区，根据区域地层结构、各煤层老采空区赋存特点及覆岩破坏情况，进行采空区岩体活化分析，划分采空区稳定区和采空区活化影响区；
(6)针对采空区稳定区，根据工作面开采时间与沉陷预计下沉系数，计算残余下沉系数q残，计算公式见公式(II)，将残余下沉系数q残代入公式(I)中，计算地表沉陷残余变形值；
其中，k为调整系数，取值范围为0.5-1.0；
其中，t为开采结束时间，单位为年；
然后，计算采空区覆岩垮落带和导水裂缝带高度；
最后，假设地表能够进行建筑物建设，计算地面建筑物载荷影响深度；
(7)对地表建筑物地基稳定性评价，根据步骤(6)得出的地表残余变形值进行分析，小于I级变形的为稳定，II级变形为基本稳定，II以上变形为不稳定；
(8)根据步骤(7)得到的地表建筑物地基稳定性评价结果，将不受地表变形影响的区域规划成住宅生活区或者商业活动区，提升土地价值。
进一步地，步骤(1)中，沉陷区地质采矿条件信息包括采煤沉陷区的地层组成资料、地质构造资料、水文地质资料和矿区煤炭开采资料。
进一步地，步骤(4)中，分区治理措施包括平整地种植花草美化环境、斜坡地植被固土和积水区种植水生植物净化水环境。
进一步地，步骤(6)中，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中垮落带和导水裂缝带高度预计公式来计算采空区覆岩垮落带和导水裂缝带高度。
进一步地，步骤(7)中，同时，覆岩垮落带和导水裂缝带高度与地面建筑物载荷影响深度之和小于煤层开采深度为稳定；如果两者之和大于煤层开采深度，则降低建筑物设计高度，再次对比两者之和与煤层开采深度关系；如果两者之和小于煤层开采深度，这些建筑物属于高度受限建筑物，该区域为建筑受限区，如果仍大于煤层开采深度为不稳定，该区域为禁止建设区，禁止建设建筑物。
进一步地，步骤(8)中，规划具体措施包括：将地表残余影响稳定区域稳沉后规划成住宅生活区或者商业活动区；将建筑受限区根据建筑物高度规划成低矮建筑的商业活动区；将地表建筑物地基稳定性评价结果不稳定的禁止建设区规划成休闲区，对其进行种植树木或草地，修建绿地广场，增设运动娱乐设施，改善城市生态环境，提升城市品位。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，将原本城中采煤沉陷区大面积积水与土地撂荒的空间格局重构成集城市景观、情景居住、生态旅游为一体的空间格局，相对比传统的沉陷区治理仅限于土地复垦和沉陷积水区水产养殖的治理方法，大大提高了采煤沉陷区水土资源的利用价值，改善城市改善城市生态环境，提升城市品位，而且极大的缓解了城中采煤沉陷区用地紧张、人地矛盾等问题；该方法设计科学合理，适用于城区范围内的高潜水位采煤沉陷区水土资源再利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法的流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本实施例为一种城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，该方法包括如下步骤：
(1)沉陷区地质采矿条件信息搜集；沉陷区地质采矿条件信息包括采煤沉陷区的地层组成资料、地质构造资料、水文地质资料和矿区煤炭开采资料，如工作面布置、开采方法、开采深度、煤层倾角、开采厚度、顶板管理方法、开采时间、已有的沉陷预计参数以及地表观测数据；
(2)地表沉陷及积水区域预测，采用概率积分法及沉陷预计参数，预计开采工作面上方地表最终下沉值，概率积分法预计公式(I)为：
其中，W(x,y)为地表下沉值，x、y为地表点的坐标，
和γ为公式的积分变量；
其中，W0为地表最大下沉值；W0＝mqcosα，m为煤层采厚，q为下沉系数，α为煤层倾角；
其中，r为主要影响半径；r＝H/tanβ，H为采深，tanβ是主要影响角正切，D是地下开采范围；
(3)根据步骤(2)得到的地表沉陷值与该地区地形等高线、潜水位高度，预计未来采煤沉陷积水区和未积水区；
(4)针对未来采煤沉陷积水区，遵循土方量平衡和生态效益最大化基本原则，根据步骤(2)得到的地表沉陷值与沉陷积水区最终设计地形，超前于工作面开采或地表稳沉前进行地形治理，在地表移动盆地中间进行挖深，在地表移动盆地边缘地区进行垫高，等地下采煤工作面开挖结束或者地表稳沉后，地表地形正好转变为最终设计地形，然后对不同改造后的地形进行分区治理；分区治理措施包括平整地种植花草美化环境、斜坡地植被固土和积水区种植水生植物净化水环境；最终，将沉陷积水区打造成城中沉陷区景观湖区；
(5)针对未积水区，根据区域地层结构、各煤层老采空区赋存特点及覆岩破坏情况，进行采空区岩体活化分析，划分采空区稳定区和采空区活化影响区；
(6)针对采空区稳定区，根据工作面开采时间与沉陷预计下沉系数，计算残余下沉系数q残，计算公式见公式(II)，将残余下沉系数q残代入公式(I)中，计算地表沉陷残余变形值；
其中，k为调整系数，取值范围为0.5-1.0；
其中，t为开采结束时间，单位为年；
然后，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中垮落带和导水裂缝带高度预计公式来计算采空区覆岩垮落带和导水裂缝带高度；
最后，假设地表能够进行建筑物建设，计算地面建筑物载荷影响深度；
(7)对地表建筑物地基稳定性评价，根据步骤(6)得出的地表残余变形值进行分析，小于I级变形的为稳定，II级变形为基本稳定，II以上变形为不稳定；同时，覆岩垮落带和导水裂缝带高度与地面建筑物载荷影响深度之和小于煤层开采深度为稳定；如果两者之和大于煤层开采深度，则降低建筑物设计高度，再次对比两者之和与煤层开采深度关系；如果两者之和小于煤层开采深度，这些建筑物属于高度受限建筑物，该区域为建筑受限区，如果仍大于煤层开采深度为不稳定，该区域为禁止建设区，禁止建设建筑物；
(8)根据步骤(7)得到的地表建筑物地基稳定性评价结果，将不受地表变形影响的区域规划成住宅生活区或者商业活动区，提升土地价值；规划具体措施包括：将地表残余影响稳定区域稳沉后规划成住宅生活区或者商业活动区；将建筑受限区根据建筑物高度规划成低矮建筑的商业活动区；将地表建筑物地基稳定性评价结果不稳定的禁止建设区规划成休闲区，对其进行种植树木或草地，修建绿地广场，增设运动娱乐设施，改善城市生态环境，提升城市品位。
本实施例提供了一种城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，该方法设计科学合理，适用于城区范围内的高潜水位采煤沉陷区水土资源再利用；先预计采煤沉陷区最终地表变形值，根据最终地表变形值将城中采煤沉陷区划分为积水区和未积水区，对积水区进行挖深垫浅超前治理、边坡护岸改造、积水区生态环境治理，将沉陷积水区改造成城中景观湖区；然后，对未积水区进行采空区岩体活化分析、稳定性评价分析，根据评价结果，将未积水区分为不受影响建筑区、残余沉降影响区、建筑受限区、禁止建设区及采空区活化区，再将不同区域改造成住宅生活区、商业活动区以及休闲区。将原本城中采煤沉陷区大面积积水与土地撂荒的空间格局重构成集城市景观、情景居住、生态旅游为一体的空间格局，相对比传统的沉陷区治理仅限于土地复垦和沉陷积水区水产养殖的治理方法，大大提高了采煤沉陷区水土资源的利用价值，改善城市改善城市生态环境，提升城市品位，而且极大的缓解了城中采煤沉陷区用地紧张、人地矛盾等问题。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (6)
1.城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)沉陷区地质采矿条件信息搜集；
(2)地表沉陷及积水区域预测，采用概率积分法及沉陷预计参数，预计开采工作面上方地表最终下沉值，概率积分法预计公式(I)为：
其中，W(x,y)为地表下沉值，x、y为地表点的坐标，
和γ为公式的积分变量；
其中，W0为地表最大下沉值；W0＝mqcosα，m为煤层采厚，q为下沉系数，α为煤层倾角；
其中，r为主要影响半径；r＝H/tanβ，H为采深，tanβ是主要影响角正切，D是地下开采范围；
(3)根据步骤(2)得到的地表沉陷值与该地区地形等高线、潜水位高度，预计未来采煤沉陷积水区和未积水区；
(4)针对未来采煤沉陷积水区，遵循土方量平衡和生态效益最大化基本原则，根据步骤(2)得到的地表沉陷值与沉陷积水区最终设计地形，超前于工作面开采或地表稳沉前进行地形治理，在地表移动盆地中间进行挖深，在地表移动盆地边缘地区进行垫高，等地下采煤工作面开挖结束或者地表稳沉后，地表地形正好转变为最终设计地形，然后对不同改造后的地形进行分区治理；
(5)针对未积水区，根据区域地层结构、各煤层老采空区赋存特点及覆岩破坏情况，进行采空区岩体活化分析，划分采空区稳定区和采空区活化影响区；
(6)针对采空区稳定区，根据工作面开采时间与沉陷预计下沉系数，计算残余下沉系数q残，计算公式见公式(II)，将残余下沉系数q残代入公式(I)中，计算地表沉陷残余变形值；
其中，k为调整系数，取值范围为0.5-1.0；
其中，t为开采结束时间，单位为年；
然后，计算采空区覆岩垮落带和导水裂缝带高度；
最后，假设地表能够进行建筑物建设，计算地面建筑物载荷影响深度；
(7)对地表建筑物地基稳定性评价，根据步骤(6)得出的地表残余变形值进行分析，小于I级变形的为稳定，II级变形为基本稳定，II以上变形为不稳定；
(8)根据步骤(7)得到的地表建筑物地基稳定性评价结果，将不受地表变形影响的区域规划成住宅生活区或者商业活动区，提升土地价值。
2.根据权利要求1所述的城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，其特征在于：步骤(1)中，沉陷区地质采矿条件信息包括采煤沉陷区的地层组成资料、地质构造资料、水文地质资料和矿区煤炭开采资料。
3.根据权利要求1所述的城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，其特征在于：步骤(4)中，分区治理措施包括平整地种植花草美化环境、斜坡地植被固土和积水区种植水生植物净化水环境。
4.根据权利要求1所述的城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，其特征在于：步骤(6)中，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中垮落带和导水裂缝带高度预计公式来计算采空区覆岩垮落带和导水裂缝带高度。
5.根据权利要求1所述的城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，其特征在于：步骤(7)中，同时，覆岩垮落带和导水裂缝带高度与地面建筑物载荷影响深度之和小于煤层开采深度为稳定；如果两者之和大于煤层开采深度，则降低建筑物设计高度，再次对比两者之和与煤层开采深度关系；如果两者之和小于煤层开采深度，这些建筑物属于高度受限建筑物，该区域为建筑受限区，如果仍大于煤层开采深度为不稳定，该区域为禁止建设区，禁止建设建筑物。
6.根据权利要求1所述的城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法，其特征在于：步骤(8)中，规划具体措施包括：将地表残余影响稳定区域稳沉后规划成住宅生活区或者商业活动区；将建筑受限区根据建筑物高度规划成低矮建筑的商业活动区；将地表建筑物地基稳定性评价结果不稳定的禁止建设区规划成休闲区，对其进行种植树木或草地，修建绿地广场，增设运动娱乐设施，改善城市生态环境，提升城市品位。
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| CN202110367454.2A CN113077088A (zh) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | 城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法 |
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| CN202110367454.2A Pending CN113077088A (zh) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | 城中采煤沉陷区水土资源空间格局重构方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| CN113781251A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-12-10 | 西安科技大学 | 基于粮-草-畜模式的采煤沉陷地的动态修复方法 |
| CN114218518A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-22 | 河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院 | 煤矿采空区沉降量测算方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107882561A (zh) * | 2017-11-10 | 2018-04-06 | 安徽省交通航务工程有限公司 | 一种高潜水位采煤沉陷区超前治理方法 |
| CN111257870A (zh) * | 2020-02-26 | 2020-06-09 | 安徽大学 | 一种利用InSAR监测数据的采煤沉陷积水区水下地形反演方法 |
-
2021
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| CN113781251B (zh) * | 2021-09-03 | 2023-08-11 | 西安科技大学 | 基于粮-草-畜模式的采煤沉陷地的动态修复方法 |
| CN114218518A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-22 | 河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院 | 煤矿采空区沉降量测算方法 |
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