专利名称：基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法
技术领域：
本发明属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，特别涉及平原高潜水位矿区煤炭开采过程中的动态预测分析、情景模拟和土地复垦，主要以复耕率为考核指标对开采过程中复垦时机进行优选。
背景技术：
中国煤炭资源矿产-粮复合区域面积大，井工开采强度高，特别是东部高潜水位矿区由于土地沉陷后主要以积水破坏为主，大量肥沃的土壤沉入水中、土壤损失严重。根据该类地区多年的复垦经验，在现有技术水平下复耕率只有30%左右，十分低下，大面积的优质农田变为水域，直接影响耕地的数量。如若稳定后再复垦往往会使土地荒废时间长、复垦时间也延长，因此，高潜水位地区采煤塌陷地复垦具有特别重要的研究意义。以往煤矿塌陷区土地复垦方法是待其塌陷后再治理，即先破坏后治理，一般需等待开采结束地表沉陷基本稳定后，以研究区实地测量绘图为设计底图进行设计后一次施工完成治理。由于这种方法是在采矿结束、沉陷基本稳定后进行，存在以下缺点(I)复垦土源无保障，由于复垦工作是在沉陷稳定后再进行，大部分土地已经没入水中，平原矿区珍贵的表土资源损失殆尽，难以抢救；(2)复垦耕地率低，在考虑无源复垦即无外来固体充填物的情况下，研究区内的固体充填物有限，因而复耕率难以得到保障。(3)施工难度大，涉及疏排水及水下施工。(4)复垦工程质量低，积水后土壤各项理化指标下降，养分降低。近年来，“动态复垦”与“超前复垦”得到逐步重视，研究人员希望通过提前采取复垦措施来达到保护耕地的目的，但是目前较为普遍的做法是首先，预测研究区域煤炭开采的最终下沉等值线；其次，根据下沉等值线确定最终的季节性积水区域与常年积水区域； 最后，在煤炭开采前或者开采过程中根据最后的下沉布局提前进行表土剥离。由于缺乏科学合理的模拟与分析，对地表受煤炭开采影响下的演化规律缺乏认知，这一方法不能准确的确定最佳的复垦时机，因而无法达到最佳的复垦效果。中国煤炭的重要地位在相当长时期内难以改变，而人地矛盾会越来越突出，尤其是在煤炭-粮食复合区，采煤塌陷引起的耕地减少会直接影响国家粮食安全，因此，在今后较长时期内以农用地为复垦为主的方针不可改变。为了最大限度的保护耕地资源，缩短复垦时间实现及时复垦，边开采边复垦是首选，必将成为今后中国采煤塌陷地复垦的发展趋势。而边采边复的时机选择，作为这项技术的核心与关键，是此项技术能否成功与应用的最重要的因素。井工煤矿区边开采边复垦技术的难题在于I)煤炭开采造成地面土地沉陷的动态过程难以掌握；2)地下开采情况下的地貌发展可视化技术研究较少；2)开采过程中，不同时段复垦的效率难以有效量化分析。边开采边复垦过程中的复垦时机优选是一项非常复杂的技术，风险性的存在使得其难度超过了现有的稳沉后土地复垦技术，特别是受地质采矿条件、开采工艺、开采沉陷理论与方法等因素的影响较大，因而这一优选技术理论面广，技术难度大，实用性高。
1965年，刘宝琢、廖国华出版了《煤矿地表移动的基本规律》一书，将概率积分法全面引入我国矿区地表移动沉陷预计，目前，概率积分法也成为中国最成熟应用范围最广泛的煤矿开采沉陷预计理论。应用该理论，可获得煤炭开采过程中各阶段的地表下沉值及相应的水平变形、曲率变形、倾斜变形等各种变形值。地理信息系统(Geographic Information System, GIS),它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数。GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。本发明结合GIS技术，分析、模拟地下开采对地面土地的影响过程。
发明内容
本发明的目的是为解决上述难题，提出基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法，本发明旨在确定最佳的复垦时机，达到最大限度保护表土资源，最大程度确保复耕率。确保资源开采与土地保护的协调发展，创建和谐绿色矿山。本发明提出的基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法，基于概率积分法的动态沉陷预测与地理信息系统结合的情景模拟分析，适用于单一煤层，该方法包括以下步骤I)根据采矿系统资料获取研究区的地质条件、采矿计划的信息地质条件包括开采前的地面高程、煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度等；采矿计划包括采矿系统布置、开采煤层的采煤工作面布置、开采方向、开采时间顺序；2)基于Knothe时间函数，采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线；具体方法说明如下knothe时间函数为f (x) = l_e_rt，t为预计开采时刻与开采单元的开采时刻之间的时间间隔，c为下沉速度系数；设过采空区倾斜主断面内下山计算边界中与煤层走向平行的线为X轴，过采空区走向主断面左计算边界中与倾斜方向平行的线为Y轴，与煤层走向成Φ角的任意剖面上点 P的坐标为X和y，则，根据下沉盆地的表达式可以推导出地表下沉盆地内任意方向的任意点χ的下沉值W(x, y)如表达式⑴所示
权利要求
1.一种基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法，基于概率积分法的动态沉陷预测与地理信息系统结合的情景模拟分析，适用于单一煤层，该方法包括以下步骤1)根据采矿系统资料获取研究区的地质条件、采矿计划的信息地质条件包括开采前的地面高程、煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度等；采矿计划包括采矿系统布置、开采煤层的采煤工作面布置、开采方向、开采时间顺序；2)基于Knothe时间函数，采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线；具体方法说明如下knothe时间函数为f(x) = l-e_rt，t为预计开采时刻与开采单元的开采时刻之间的时间间隔，c为下沉速度系数；设过采空区倾斜主断面内下山计算边界中与煤层走向平行的线为X轴，过采空区走向主断面左计算边界中与倾斜方向平行的线为Y轴，与煤层走向成Φ角的任意剖面上点P的坐标为χ和y，则，根据下沉盆地的表达式可以推导出地表下沉盆地内任意方向的任意点χ 的下沉值W (X，y)如表达式⑴所示
全文摘要
基于采煤沉陷模拟和复耕率的单一煤层边采边复时机的优选方法涉及动态开采沉陷预测与GIS分析处理，属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，用于解决未稳沉采煤塌陷地土地复垦问题，实现井工煤矿区的边开采边复垦。该方法包括在现场资料收集和分析的基础上，基于概率积分法与Knothe时间函数的开采沉陷预计，考虑采矿前地貌的沉陷可视化模拟，时间域的地面沉陷情景模拟，以及基于复耕率的边采边复时机的优选。该发明方法通过对沉陷的动态情景模拟及复垦时机的优选，确定了特定采矿条件与自然条件下的最佳复垦时机，可最大限度的抢救平原矿区珍贵的表土资源，对将要遭受沉陷破坏的土地进行提前规划、保护与治理，从而提高复垦耕地率并降低复垦成本，促进矿区土地资源的可持续利用与可持续发展，确保煤炭资源开采与耕地保护的的协调与同步发展。
文档编号G06Q10/04GK102609782SQ201210006240
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者肖武, 胡振琪 申请人:中国矿业大学(北京)