顾及开采沉陷变形的梯田式复垦参数优化方法

1.本发明涉及采煤沉陷地的治理方法。


背景技术：

2.对采煤沉陷地的治理，最常用的方法就是梯田式复垦。对连续性的沉陷地，可以参照常规的水土保持方法进行治理设计。但近年来，随着采煤机械化水平的提高，开采规模的加大，塌陷裂缝成为采煤沉陷区一种典型的破坏形式。如何在考虑地表变形及裂缝充填的同时，合理设计相关治理工艺，仍缺少详细研究。如果采用传统方法进行设计及工程量估算，可能会产生较大的误差。本发明结合采煤沉陷地的地形变化及裂缝的发育特征，探讨采用梯田式治理时的相关技术参数。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种顾及开采沉陷变形的梯田式复垦参数优化方法，减少采煤裂缝区梯田断面设计误差，有利于水土保持，田坎占地系数相对较小，土地利用率高。
4.本发明的技术方案是，一种顾及开采沉陷变形的梯田式复垦参数优化方法，包括以下实施步骤：
5.步骤(一)、顾及裂缝充填的梯田断面优化方法，需要对原来的设计断面进行调整，调整优化方法又包含两种方案，
6.单位长度水平梯田修筑的土方量v(m3)为：
[0007][0008]
方案一、保证其他参数不变的条件下，适当降低田面高程δh1(m)，即增加田坎高度，来保证土方挖填平衡，则：
[0009][0010][0011]
调整后的田坎高度h1(m)：
[0012]
h1＝h+δh1
ꢀꢀꢀ
(4)
[0013]
由于田坎高度增加，导致田坎占地系数k1发生变化，即：
[0014]
k1＝h1*cot(β)/(b+h1*cot(β))
ꢀꢀꢀ
(5)
[0015]
方案二、保证其他参数不变的条件下，适当调整田面宽度δb1(m)，即增加田面宽度，来保证土方挖填平衡，则：
[0016][0017]
δb1＝w*d/h
ꢀꢀꢀ
(7)
[0018]
修正后的田面宽度b1(m)
[0019]
b1＝b+δb1
ꢀꢀꢀ
(8)
[0020]
由于田面宽度变化，导致田坎占地系数k2发生变化，即：
[0021]
k2＝h*cot(β)/(b1+h*cot(β))
ꢀꢀꢀ
(9)
[0022]
式中β为田坎坡度(
°
)，h为田坎高(m)，b为田面宽(m)，w为裂缝开口宽度(m)，d为裂缝发育深度(m)；
[0023]
步骤(二)、顾及地表坡度变化的梯田断面优化
[0024]
地表坡度未发生变化时，存在以下关系：
[0025]
b＝h(cota
‑
cotβ)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0026]
由于开采沉陷导致地形坡度变化δa(
°
)，则变形后的地面坡度a1(
°
):
[0027]
a1＝a+δa
ꢀꢀꢀ
(11)
[0028]
为了保持田面处于同一高度，即h保持不变化，需要对田面宽度进行调整，即：
[0029]
b2＝h(cota1
‑
cotβ)
ꢀꢀꢀ
(12)
[0030]
b2为修正后的田面宽度(m)
[0031]
田面宽度修正量(δb2)：
[0032]
δb2＝b2
‑
b
ꢀꢀꢀ
(13)
[0033]
修正后的田坎占地系数(k3)：
[0034]
k3＝h*cot(β)/(b2+h*cot(β))
ꢀꢀꢀ
(14)
[0035]
修正后的单位长度水平梯田修筑的土方量v2(m3)为：
[0036][0037]
式中α为原地面坡度(
°
)，β为田坎坡度(
°
)，h为田坎高(m)，b为田面宽(m)，w为裂缝开口宽度(m)，d为裂缝发育深度(m)；
[0038]
步骤(三)、顾及裂缝充填的梯田施工工艺
[0039]
首先沿梯田长度方向将治理区划分成若干个区段，区段划分示意图，然后以区段为单元进行治理，每个区段的长度根据施工机械的作业效益而定。
[0040]
本发明的优点是：减少采煤裂缝区梯田断面设计误差，有利于水土保持，田坎占地系数相对较小，土地利用率高。
附图说明
[0041]
图1是顾及裂缝充填的梯田断面优化示意图。
[0042]
图2是顾及裂缝充填的梯田断面优化方案一示意图。
[0043]
图3是顾及裂缝充填的梯田断面优化方案二示意图。
[0044]
图4是顾及地表坡度变化的梯田断面优化示意图。
[0045]
图5是顾及裂缝充填的梯田施工工艺。
具体实施方式
[0046]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细描述。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
于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0047]
一、顾及裂缝充填的梯田断面优化
[0048]
在一般自然条件下，水平梯田的设计断面如图1所示。图中，α为原地面坡度(
°
)，β为田坎坡度(
°
)，h为田坎高(m)，b为田面宽(m)，单位长度水平梯田修筑的土方量v(m3)为：
[0049][0050]
由于塌陷裂缝的存在，需要多余的土方进行裂缝充填，因此，需要对原来的设计断面进行调整，本发明给出两种方案。
[0051]
方案一：
[0052]
保证其他参数不变的条件下，适当降低田面高程δh1(m)，即增加田坎高度，来保证土方挖填平衡。调整后的断面如图2所示。图中w为裂缝开口宽度(m)，d为裂缝发育深度(m)。则：
[0053][0054][0055]
调整后的田坎高度h1(m)：
[0056]
h1＝h+δh1
ꢀꢀꢀ
(4)
[0057]
由于田坎高度增加，导致田坎占地系数k1发生变化，即：
[0058]
k1＝h1*cot(β)/(b+h1*cot(β))
ꢀꢀꢀ
(5)
[0059]
方案二：
[0060]
保证其他参数不变的条件下，适当调整田面宽度δb1(m)，即增加田面宽度，来保证土方挖填平衡。调整后的断面如图3所示。则：
[0061][0062]
δb1＝w*d/h
ꢀꢀꢀ
(7)
[0063]
修正后的田面宽度b1(m)
[0064]
b1＝b+δb1
ꢀꢀꢀ
(8)
[0065]
由于田面宽度变化，田坎占地系数k2发生变化，即：
[0066]
k2＝h*cot(β)/(b1+h*cot(β))
ꢀꢀꢀ
(9)
[0067]
方案对比分析：
[0068]
方案一和方案二都可以在满足土方综合平衡的条件下对塌陷裂缝进行治理。对于一个田面内存在多条裂缝的情况，亦可以采用此方法进行计算分析。但方案二可以保证裂缝区梯田田面高程与相邻区域一致，有利于水土保持，而且田面宽度增大，田坎占地系数相对较小。
[0069]
二、顾及地表坡度变化的梯田断面优化
[0070]
由于不均匀地表下沉，导致原地形坡度发生变化，影响梯田设计参数。地表坡度未发生变化时，根据图4，存在以下关系：
[0071]
b＝h(cota
‑
cotβ)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0072]
由于开采沉陷导致地形坡度变化δa(
°
)，则变形后的地面坡度a1(
°
):
[0073]
a1＝a+δa
ꢀꢀꢀ
(11)
[0074]
为了保持田面处于同一高度，即h保持不变化，需要对田面宽度进行调整，即：
[0075]
b2＝h(cota1
‑
cotβ)
ꢀꢀꢀ
(12)
[0076]
b2为修正后的田面宽度(m)
[0077]
田面宽度修正量(δb2)：
[0078]
δb2＝b2
‑
b
ꢀꢀꢀ
(13)
[0079]
修正后的田坎系数(k3)：
[0080]
k3＝h*cot(β)/(b2+h*cot(β))
ꢀꢀꢀ
(14)
[0081]
修正后的单位长度水平梯田修筑的土方量v2(m3)为：
[0082][0083]
三、顾及裂缝充填的梯田施工工艺
[0084]
裂缝区土地平整采用纵向(梯田长度方向)分段，横向平整的方法。即首先沿梯田长度方向将治理区划分成若干个区段，然后以区段为单元进行治理。区段划分示意图。每个区段的长度根据施工机械的作业效益而定。施工工艺如下：
[0085]
(1)表土剥离
[0086]
将第一区段的表土剥离，就近堆放到第二区段。
[0087]
(2)裂缝充填
[0088]
在第一区段内，利用底土，将裂缝充填至设计标高。
[0089]
(3)田面平整
[0090]
在第一区段内，采用挖高垫低的方法，利用底土平整田面。
[0091]
(4)表土回覆
[0092]
将之前剥离的表土覆盖到第一区段的田面上。
[0093]
(5)然后开始一下区段的治理。