CN113781251B - 基于粮-草-畜模式的采煤沉陷地的动态修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于粮‑草‑畜模式的采煤沉陷地的动态修复方法，首先将采煤沉陷地治理区划分为稳沉区、沉陷衰退区、沉陷发展区、即将沉陷区和未来沉陷区治理单元，同时在沉陷区周边建设养殖区，各治理单元的空间位置需结合开采进度动态调整；其次将治理单元沿走向和倾向分别进行长度划分；然后基于开采沉陷动态预计理论，以剩余变形为指导，用正态分布时间函数拟合沉陷速度的动态演化过程计算各治理单元的治理时间；最后实施各治理单元土地的具体治理措施。本发明根据矿区沉陷演化特点，以生态学和开采沉陷学理论为主导，协调井下治理与地表修复，以合理利用土地资源和保护生态环境为前提，因地制宜地规划、组织和进行土地复垦工作，是一种新的采煤沉陷地动态治理技术与方法。

Description

基于粮-草-畜模式的采煤沉陷地的动态修复方法

技术领域

本发明涉及采煤沉陷地的动态修复方法，适用于平原型煤矿区土地复垦与生态重建。

背景技术

我国是重要的产煤大国。煤炭资源的开采，一方面支持了国民经济的发展，同时也对生态环境造成了一定的影响。由于地下煤炭资源与地表耕地资源高度重合，因此开采沉陷对是对耕地的影响尤为突出。土地复垦要摒弃原有的先破坏后治理的理念，需结合采矿过程，同步采取多种措施，减轻采矿对生态环境的损伤，实现动态修复。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于粮-草-畜模式的采煤沉陷地的动态修复方法。本发明根据矿区沉陷演化特点，以生态学和开采沉陷学理论为主导，协调井下治理与地表修复，以合理利用土地资源和保护生态环境为前提，因地制宜地规划、组织和进行土地复垦工作。

本发明的技术方案是：一种基于粮-草-畜模式的采煤沉陷地的动态修复方法，其特征是，按以下步骤进行

步骤一、将采煤沉陷地治理区划分为沉陷稳沉区、沉陷衰退区、沉陷发展区、即将沉陷区和未来沉陷区五个治理单元，同时在沉陷区周边建设养殖区，各治理单元的空间位置需结合开采进度动态调整；

步骤二、将治理单元沿走向和倾向分别进行宽度和长度划分；

沿走向确定治理单元的宽度，D为煤层工作面的开采宽度，β为开采沉陷影响角，H为煤层埋深，D1为地表稳沉区的宽度、沉陷衰退区的宽度、即将沉陷区的宽度、未来沉陷区的宽度的宽度，D2为沉陷发展区的宽度，D3为地表治理单元与地下采煤工作面的错距，

沿倾向确定治理单元的长度，其中β1和β2分别为煤层下山和上山方向地表移动影响角，D4为采煤工作面长度，H1和H2分别为煤层下山和上山方向的埋深，D5为治理单元的长度，

D5＝D4+H1*ctg(β1)+H2*ctg(β2)

步骤三、基于开采沉陷动态预计理论，以剩余变形为指导，用正态分布时间函数拟合沉陷的动态演化过程，计算沉陷衰退区和沉陷稳沉区的治理时间：

设定停采时刻为0点，停采后P点的剩余变形下沉速度v(t)采用如下公式进行计算：

上式中W₀为P点理论最大下沉值(单位：mm)

t表示停采后持续时间，以停采时为0点(单位:d)

A点为开切眼位置，C点为停采线位置，H为煤层埋深(单位：m)，B为超前影响点，P点为工作面停采时间的地表最大下沉速度点，P点距停采线位置C的距离称为最大下沉速度滞后距，用L1表示(单位：m)，P点距超前影响点B的距离，L2称为为煤层开采超前影响距(单位：m)，即工作面推进到B点时，地表P点开始移动，推进到C点时，P点处于最大下沉速度(单位：mm/d)；

令，L＝L1+L2，工作面的推进速度为v(单位：m/d)

工作面从超前影响点B推进到停采线位置C的时间为T＝L/v(单位：d)；

基于公式(1)，计算各治理单元的治理时间：

对沉陷衰退区的土地，当P点的剩余变形下沉速度v(t)<1.7mm/d时，开始实施治理措施；

对沉陷稳沉区的土地，当P点的剩余变形下沉速度v(t)<1.0mm/d时，恢复农作物种植；

步骤四、实施各治理单元土地的具体治理措施

1)对即将沉陷区的土地，在开切眼前，改变种植模式，由粮转草；首先要协调井下开采与地表农业生产，在工作面开始开采前，完成农作物的收割，减少作物损失，然后进行整地和牧草播种，在地表沿煤层走向方向，修建集雨垄；

2)在沉陷发展区，对地表出现的裂缝就地掩埋，受损的集雨垄及时修补，同时管护牧草；

3)对沉陷衰退区的土地，沉陷一般持续1～2年，通过修建反坡梯田进行整治，可以减少剩余变形的影响，采用粮-草间作的种植方式，逐步恢复土地生产力；

反坡梯田修建技术要求：

梯田田坎高度(H3)：H3＝Wm/2

Wm代表地表移动盆地的最大下沉深度，单位m；

4)对于稳沉区的土地，对坡式梯田调整为水平梯田，恢复农作物种植；

5)对于未来沉陷区的土地，根据开采工作面布局，调整地面田块结构；维持原来的利用方向，以种植农作物为主，作物秸秆为养殖区提供饲料。

其中集雨垄断面形状为梯形，集雨垄高为20cm，顶宽10cm，边坡45°，相邻两集雨垄的垄脚之间为沟，沟宽30cm，作为牧草播种区。

本发明具有以下技术优势：

1、可以避免在长时间的抛荒过程中土壤资源的损失和生态系统的退化，缩短了后期生物复垦的时间和投入，也减少了矿山企业支付青苗赔偿费用的年限和额度，缩短复垦周期，增加了复垦效益。

2、实现地下采矿与地面复垦的有机耦合。基于既定的采矿计划，在土地沉陷发生之前或已发生但未稳定之前，通过选择适宜的复垦时机和科学的复垦工程技术，优化复垦区土地利用结构，结合生态为理论及食物链原理，通过多产经营，实现恢复垦区经济效益、生态效益最大化。

3、避免走“塌陷-破坏-稳沉-治理”的老路，采用动态修复技术，根据煤矿开采计划和地表塌陷损毁程度，及时、实时和超前对塌陷土地进行治理，实现“边采边治、先治后采、治用结合”采煤沉陷地综合治理的理念。

附图说明

图1是粮-草-畜结构的采煤沉陷地动态修复总体布局示意图。

图2是地表治理单元沿走向的宽度划分。

图3是地表治理单元沿倾向的长度划分。

图4是剩余变形计算示意图。

图5是即将沉陷区的土地整治及牧草种植示意图。

图6是沉陷衰退区土地倾向方向整治示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明内容进行详细说明

(1)总体布局

该模式以煤矿采区为对象总体规划，以开采沉陷理论指导，以地下采煤工作面所对应的不同地表影响范围为治理单元，根据沉陷演化及开采顺序，将采煤沉陷地治理区划分为稳沉区、沉陷衰退区、沉陷发展区、即将沉陷区和未来沉陷区等治理单元，同时在沉陷区周边建设养殖区。具体见图1所示，各治理单元的空间位置需结合开采进度动态调整。

(2)地表治理单元的确定

根据井下开采工作面布置及开采沉陷影响参数划分治理单元。

治理单元沿走向的宽度划分参照图2所示。图中，D为煤层工作面的开采宽度，β为开采沉陷影响角，H为煤层埋深，D1为地表稳沉区、沉陷衰退区、即将沉陷区、未来沉陷区的宽度，D2为沉陷发展区的宽度，D3为地表治理单元与地下采煤工作面的错距。

治理单元沿倾向的长度划分参照图3所示。图中，β1和β2分别为煤层下山和上山方向地表移动影响角。D4为采煤工作面长度，H1和H2分别为煤层下山和上山方向的埋深，D5为地表治理单元的长度。

D5＝D4+H1*ctg(β1)+H2*ctg(β2)

(3)治理时间的选择

基于开采沉陷动态预计理论，以剩余变形为指导，合理确定沉陷衰退区和沉陷稳沉区的治理时间。

图4中，A点为开切眼位置，C点为停采线位置，H为煤层埋深(单位：m)，B为超前影响点，P点为工作面停采时间的地表最大下沉速度点，P点距停采线位置(C)的距离称为最大下沉速度滞后距，用L1表示(单位：m)，P点距超前影响点(B)的距离L2称为为煤层开采超前影响距(单位：m)，即工作面推进到B点时，地表P点开始移动，推进到C点时，P点处于最大下沉速度(单位：mm/d)。

结合上文的沉陷演化规律，本发明用正态分布时间函数拟合沉陷速度的动态演化过程。

令，L＝L1+L2，工作面的推进速度为v(单位：m/d)。

工作面从超前影响点B推进到停采线C的时间为T＝L/v(单位：d)

设定停采时刻为0点，停采后P点的剩余变形的下沉速度v(t)采用如下公式进行计算：

上式中W₀为P点理论最大下沉值(单位：mm)

t表示停采后持续时间，以停采时为0点(单位:d)

基于以上公式，计算沉陷衰退区和沉陷稳沉区的复垦时间：

对沉陷衰退区的土地，当P点的剩余变形下沉速度v(t)<1.7mm/d时，开始实施治理措施

对沉陷稳沉区的土地，当P点的剩余变形下沉速度v(t)<1.0mm/d时，恢复农作物种植。

对即将沉陷区的土地，要求在开切眼前，完成种植结构调整。

对未来沉陷区的土地，根据开采工作面布局，调整地面田块结构。

(4)治理措施

1)对即将沉陷区的土地，改变种植模式，由粮转草。首先要协调井下开采与地表农业生产，在工作面开始开采前，完成农作物的收割，减少作物损失。然后进行整地和牧草播种。在地表沿煤层走向方向(即：垂直于工作面推进方向)，修建集雨垄，集雨垄断面形状为梯形，集雨垄高为20cm，顶宽10cm，边坡45°。相邻两集雨垄的垄脚之间为沟，沟宽30cm，作为牧草播种区。具体布置见图5所示。

2)在沉陷发展区，对地表出现的裂缝就地掩埋，受损的集雨垄及时修补，同时管护牧草。牧草根系发达，不仅可以固氮增肥，而且可以减少水土流失，抵抗沉陷变形，实现以草养地，减少土地撂荒，有利于该地块未来复垦为耕地，同时为发展养殖业提供饲料来源。

3)对沉陷衰退区的土地，沉陷一般持续1～2年，通过修建反坡梯田进行整治，可以减少剩余变形的影响。采用粮-草间作的种植方式，逐步恢复土地生产力。见图6为沉陷地的剖面形态(倾向方向)所示。

R为工作面开采沉陷主要影响半径(单位：m)

D7地表移动盆地的盆底长度(单位：m)

D6梯田的田面宽度(单位：m)

Wm代表移动盆地的最大下沉深度(单位：m)

反坡梯田修建技术要求：

梯田田坎高度(H3)：H3＝Wm/2

田面坡度i不大于1％

4)对于稳沉区的土地，对坡式梯田调整为为水平梯田，恢复农作物种植。根据植要求进行土地平整，利用养殖区的畜禽粪便等有机肥进行土壤改良，提升土地肥力。

5)养殖区饲养草食畜禽，适于普通农户进行中小规模饲养，可利用牧草、秸秆等饲料，发展畜产品，提高农户收入，而且其粪便又是优质农家肥，可以改良复垦后的土壤。

6)对于未来沉陷区的土地，根据开采工作面布局，调整地面田块结构；维持原来的利用方向，以种植农作物为主，作物秸秆为养殖区提供饲料。

Claims (2)

1.一种基于粮-草-畜模式的采煤沉陷地的动态修复方法，其特征是，按以下步骤进行

步骤一、将采煤沉陷地治理区划分为沉陷稳沉区、沉陷衰退区、沉陷发展区、即将沉陷区和未来沉陷区五个治理单元，同时在沉陷区周边建设养殖区，各治理单元的空间位置需结合开采进度动态调整；

步骤二、将治理单元沿走向和倾向分别进行宽度和长度划分；

沿走向确定治理单元的宽度，D为煤层工作面的开采宽度，β为开采沉陷影响角，H为煤层埋深，D1为地表稳沉区的宽度、沉陷衰退区的宽度、即将沉陷区的宽度、未来沉陷区的宽度的宽度，D2为沉陷发展区的宽度，D3为地表治理单元与地下采煤工作面的错距，

沿倾向确定治理单元的长度，其中β1和β2分别为煤层下山和上山方向地表移动影响角，D4为采煤工作面长度，H1和H2分别为煤层下山和上山方向的埋深，D5为治理单元的长度，

D5＝D4+H1*ctg(β1)+H2*ctg(β2)

步骤三、基于开采沉陷动态预计理论，以剩余变形为指导，用正态分布时间函数拟合沉陷的动态演化过程，计算沉陷衰退区和沉陷稳沉区的治理时间：

设定停采时刻为0点，停采后P点的剩余变形下沉速度v(t)采用如下公式进行计算：

上式中W₀为P点理论最大下沉值(单位：mm)

t表示停采后持续时间，以停采时为0点(单位:d)

A点为开切眼位置，C点为停采线位置，H为煤层埋深(单位：m)，B为超前影响点，P点为工作面停采时间的地表最大下沉速度点，P点距停采线位置C的距离称为最大下沉速度滞后距，用L1表示(单位：m)，P点距超前影响点B的距离，L2称为为煤层开采超前影响距(单位：m)，即工作面推进到B点时，地表P点开始移动，推进到C点时，P点处于最大下沉速度(单位：mm/d)；

令，L＝L1+L2，工作面的推进速度为v(单位：m/d)

工作面从超前影响点B推进到停采线位置C的时间为T＝L/v(单位：d)；

基于公式(1)，计算各治理单元的治理时间：

对沉陷衰退区的土地，当P点的剩余变形下沉速度v(t)<1.7mm/d时，开始实施治理措施；

对沉陷稳沉区的土地，当P点的剩余变形下沉速度v(t)<1.0mm/d时，恢复农作物种植；

步骤四、实施各治理单元土地的具体治理措施

1)对即将沉陷区的土地，在开切眼前，改变种植模式，由粮转草；首先要协调井下开采与地表农业生产，在工作面开始开采前，完成农作物的收割，减少作物损失，然后进行整地和牧草播种，在地表沿煤层走向方向，修建集雨垄；

2)在沉陷发展区，对地表出现的裂缝就地掩埋，受损的集雨垄及时修补，同时管护牧草；

3)对沉陷衰退区的土地，沉陷一般持续1～2年，通过修建反坡梯田进行整治，可以减少剩余变形的影响，采用粮-草间作的种植方式，逐步恢复土地生产力；

反坡梯田修建技术要求：

梯田田坎高度(H3)：H3＝Wm/2

Wm代表地表移动盆地的最大下沉深度，单位m；

4)对于稳沉区的土地，对坡式梯田调整为水平梯田，恢复农作物种植；

5)对于未来沉陷区的土地，根据开采工作面布局，调整地面田块结构；维持原来的利用方向，以种植农作物为主，作物秸秆为养殖区提供饲料。

2.如权利要求1所述的基于粮-草-畜模式的采煤沉陷地的动态修复方法，其特征是，步骤四3)集雨垄断面形状为梯形，集雨垄高为20cm，顶宽10cm，边坡45°，相邻两集雨垄的垄脚之间为沟，沟宽30cm，作为牧草播种区。