专利名称：基于gis栅格单元的采煤沉陷地表土剥离时空确定方法
技术领域：
本发明属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，特别涉及高潜水位-平原矿区煤炭开采下正在沉陷土地的表土保护工作，主要通过地面单元的划分，定量化的解决地面何时何地进行表土剥离工作这一技术难题。
背景技术：
人多地少，耕地资源十分稀缺，这是我国的基本国情。随着经济的高速发展，对能源的需求与日俱增，煤炭作为我国的最主要能源，占一次能源消费的70%左右，由于我国90%以上的煤炭产量来自于井工开采，且多采用走向长壁全部垮落法开采，土地不可避免地产生下沉，造成大量土地的沉陷损毁。高潜水位矿区主要分布于我国的华东及东北平原区，·开采所损毁的土地大多为优质的高产农田。对高潜水位矿区损毁土地的复垦是保证耕地数量，保障粮食安全的重要举措。然而，由于我国东部地区土地沉陷后主要以积水破坏为主，煤炭开采地面沉陷后大量肥沃的土壤沉入水中、土壤损失严重。目前我国煤矿区土地复垦的方式主要以沉陷稳定后再治理为主，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%-40%，这也就意味着大面积的优质农田将会变为水域，直接影响耕地的数量。造成这一现象的原因有很多，一方面，特殊的地质采矿条件使得这一地区沉陷具有典型性，高潜水位矿区大多为平原矿区，所在区域大多为地势平坦、土壤资源丰富、肥力较高的优质基本农田区，由于本身地表地势平坦且潜水位较高，而同时煤层赋存条件又特别好，很多矿区煤层数量多、煤层厚度大，这就造成沉陷后积水的现象严重，大量的表土资源沉入水底；另一方面，由于是平原地区，缺乏固体充填物，目前主要采用煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等作为塌陷区治理的充填材料，与地表巨大的沉陷体积相比，此类充填物是车水杯薪。且珍贵的土壤资源作为多年风化沉积形成的资源，从某种意义上来说是不可再生的资源，复垦时缺少充填材料与表土覆盖材料，造成恢复土地和耕地的比例低。由于特定的地质条件无法改变，而国家对能源的需求又使得煤炭的开采势在必行，且必须保持较高的回采率。因此，在平原矿区，唯有采取切实有效的复垦措施，才有可能减缓耕地数量减少、粮食减产绝产现象。为了保证一定的复耕率，提前将可能沉入水底的表土进行剥离抢救，是实现这一目标的有效手段。目前，已有相关学者开展“动态复垦”与“超前复垦”的研究，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。一般性的做法，是以工作面或者采区为单位，在开采前一次性的对开采可能造成影响区域的表土进行全部剥离，并就近堆放于影响区域附近。由于工作面或者采区服务年限又长又短，较大的工作面服务年限甚至达到一两年，过早的对表土进行全部剥离，则会影响正常的农业生产活动，且实施起来难度较大，表土剥离时间过晚，则会造成剥离效率降低，抢救出来的表土资源减少，影响复耕率。如何科学合理的确定边采边复过程中的表土剥离的时间及剥离的范围，是决定复耕率的重要指标。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，利用GIS的栅格计算与空间分 析功能，定量化的确定开采影响下地面单元表土剥离的时间与范围。
发明内容
本发明的目的是为解决上述难题，提出一种基于GIS栅格单元的采煤沉陷地表土剥离时空确定方法，该方法简单易懂，便于实际施工操作。使得高潜水位矿区的表土保护工作能够具体而定量化的进行。本发明提出的基于GIS栅格单元的采煤沉陷地表土剥离时空确定方法，该方法包括以下步骤I)划分地面单元将地面划分为方格单元，由H/20确定，方格单元各边长度为H/20所得数的10位取整；H为平均采深，单位为米；2)获取各个地面单元开采前地面高程信息 21)首先将地面单元栅格化，栅格化单位选取为IOmX IOm,通过插值与拟合获取各栅格化单位的高程信息22)选取各个地面单元中所有栅格化单位的高程的算数平均值作为各个地面单元的采前高程；
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n k=i式(I)中，Ai为地面单元i的采前高程，hk为第k个栅格单元的高程；n为栅格单元的总数；3)获取各个地面单元各开采阶段的下沉量31)将地下开采过程划分为j个开采阶段分别进行沉陷预测，分别将j个阶段的沉陷预计等值线进行插值与拟合，获取各个开采阶段栅格化单元的下沉量；32)选取各个开采阶段的地面单元中所有栅格化单位的下沉量的算数平均值作为各开采阶段地面单元的下沉量，各个开采阶段的地面单元下沉量(Hu)用式2表示
]^Hjj = —I )
.n k=l式(2)中，Hij为地面单元i在开采阶段j的下沉量，Sk为地面单元i的第k个栅格单元在开采阶段j的下沉量；n为栅格单元的总数；4)获取每个地面单元各个预测阶段的高程属性通过叠加运算获取地面单元i在开采阶段j的高程属性Aij:Aij = ArHij(3)式(3)中，Aij为地面单元i在开采阶段j的高程属性夂为地面单元i的采前高程；HU为地面单元i在开采段j的下沉量；5)确定每个地面单元的积水时间，及表土剥离的时间若Au>Hq，则记录该单元的积水时间j ;若Au ^ H,，则接着计算下一开采阶段；由此确定每个地面单元的积水时间；则确保每个地面单元表土安全的剥离时间为积水出现的前一个阶段。本发明主要具有以下技术优点·
本发明能避免表土剥离时间过晚导致表土淹没进入水中，同时也能避免过早的剥离对农业生产、生活的影响。解决了采煤沉陷过程中，定量的解决了“何时”、“何地”进行表土剥离的难题，且由于地面单元的划分，易于地面施工的进行。是井工煤矿边采边复技术的
重要保障。通过开采沉陷与GIS的结合，合理划分地面单元，能确定出每个地面单元出现积水的时间，地面单元表土剥离的时间必须先于积水出现进行。本发明所提供的地面单元划分方法、栅格步骤及积水时间与表土剥离时间的确定，简单易懂，易于操作，方便施工实施。使得高潜水位矿区的表土保护工作能够具体而定量化的进行。为后期的土地复垦提供保障，利于提高复垦耕地率，促进矿区土地资源的可持续利用与可持续发展。
图I为本发明方法流程图。图2为本发明的实施例中各阶段表土剥离的地面单元示意图。
具体实施例方式本发明根据划分的地面单元，结合地下的开采阶段确定任意地面单元的积水时间及表土剥离时间的方法，使得高潜水位矿区的表土保护工作具体而定量化的进行。结合附图及实施例详细说明如下本发明提出的基于GIS栅格单元的采煤沉陷地表土剥离时空确定方法，是利用GIS的栅格计算与空间分析功能，定量化的确定地面表土剥离的时间与范围的方法，适用于高潜水位煤矿区。该方法的流程图如图I所示，包括以下步骤I)划分地面单元将地面划分为方格单元，由H/20确定，为方便后续计算，方格单元各边长度为H/20所得数的10位取整；H为平均采深，单位为米；2)获取各个地面单元开采前地面高程信息21)首先将地面单元栅格化，栅格化单位选取为IOmX 10m，通过插值与拟合获取各栅格化单位的高程信息(地面高程信息可通过等高线或者高程点的方式进行表达，为了获取地面各单元的采前地面高程信息，同时，为了便于后期的叠加运算，本发明采用栅格化单元的方式进行)。22)选取各个地面单元中所有栅格化单位的高程的算数平均值作为各个地面单元的采前高程；
权利要求
1.一种基于Gis栅格单元的采煤沉陷地表土剥离时空确定方法，该方法包括以下步骤 1)划分地面单元将地面划分为方格形地面单元，地面单元各边长度为H/20所得数的10位取整；H为平均采深，单位为米； 2)获取各个地面单元开采前地面高程信息 21)首先将地面单元栅格化，栅格化单位选取为IOmXIOm,通过插值与拟合获取各栅格化单位的高程信息 22)选取各个地面单元中所有栅格化单位的高程的算数平均值作为各个地面单元的采前高程；
全文摘要
本发明涉及基于GIS栅格单元的采煤沉陷地表土剥离时空确定方法，属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，该办法包括划分地面单元，获取各个地面单元开采前地面高程信息，分阶段进行沉陷预计，获取每个地面单元各个预测阶段高程属性，确定每个地面单元的积水时间，由此确定每个地面单元的表土剥离的时间。该发明方法通过划分地面单元，结合地下的开采阶段确定任意地面单元的积水时间及表土剥离时间的方法，清晰明了的确定何时在何地进行表土剥离活动，方法简单易懂，便于实际施工操作。使得高潜水位矿区的表土保护工作能够具体而定量化的进行。为后期的土地复垦提供保障，利于提高复垦耕地率，促进矿区土地资源的可持续利用与可持续发展。
文档编号E21C41/16GK102889083SQ20121034832
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者肖武, 胡振琪 申请人:中国矿业大学(北京)