专利名称：基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法
技术领域：
本发明属于采矿技术、土地利用和土地复垦技术领域，特别涉及高潜水位-平原矿区煤炭开采过程中采煤塌陷地的表土抢救技术，主要以表土剥离启动距、实时表土剥离角(启动角、终止角)这两个参数来进行约束，差异化的确定不同开采单元影响下，地面表土剥离的时间及剥离范围。
背景技术：
人多地少，耕地资源十分稀缺，这是中国的基本国情。随着经济的高速发展，对能源的需求与日俱增，煤炭作为中国的最主要能源，占一次能源消费的70%左右，由于中国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中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有长有短，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。
发明内容
本发明的目的是为解决上述难题，提出基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法，本发明旨在根据煤层开采情况动态、实时的对表土进行剥离，在土地沉入水底前预先采取措施保护表土资源。本发明提出的基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法，该方法以概率积分法动态沉陷预测为基础，根据煤层开采情况实现煤层所在区域的动态、实时表土剥离时机的确定，该方法包括以下步骤I)获取煤层所在区域的自然条件、地质条件、采矿计划信息自然条件主要包括地面高程、潜水埋深、土地利用现状；地质条件包括煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度、岩层分布；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)沿着开采方向，将所要开采的煤层划分为多个开采单元；单元的划分按照时间或者开采长度进行划分，具体方法如下以时间进行划分时间上以月为单位确定开采单元，假设开采以A米/天匀速推进，则每个单元的长度为A米/天X 30天，A取值范围为2-8米；以开采长度进行划分一个开采单元长度为H/20，H为开采深度，单位为米；3)采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的下沉等值线；4)确定表土剥离启动距L :根据概率积分法，令Wi (x，y) = hg，其中hg为地下潜水埋深，则得到对应的地下开采距离，从而确定表土剥离启动距；5)确定实时表土剥离启动角、表土剥离终止角及表土剥离区段自表土剥离启动距后，地面的表土剥离工作将随着地下煤炭的开采同步进行；令1(1，7) = hg，获得各个开采单元对应的地面表土剥离区域；第一次表土剥离区段为X11至X21,第i次表土剥离区段为Xli至X2i，如公式⑵、公式⑶；第I次表土剥离区段(R1段)
权利要求
1.一种基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法，该方法以概率积分法动态沉陷预测为基础，根据煤层开采情况实现煤层所在区域的动态、实时表土剥离时机的确定，该方法包括以下步骤 1)获取煤层所在区域的自然条件、地质条件、采矿计划信息自然条件主要包括地面高程、潜水埋深、土地利用现状；地质条件包括煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度、岩层分布；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)沿着开采方向，将所要开采的煤层划分为多个开采单元；单元的划分按照时间或者开采长度进行划分，具体方法如下 以时间进行划分时间上以月为单位确定开采单元，假设开采以A米/天匀速推进，则每个单元的长度为A米/天X 30天，A取值范围为2-8米； 以开采长度进行划分一个开采单元长度为H/20，H为开采深度，单位为米； 3)采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的下沉等值线； 4)确定表土剥离启动距L:根据概率积分法，令WiU, y) =hg，其中hg为地下潜水埋深，则得到对应的地下开采距离，从而确定表土剥离启动距； 5)确定实时表土剥离启动角、表土剥离终止角及表土剥离区段自表土剥离启动距后，地面的表土剥离工作将随着地下煤炭的开采同步进行 ’令Mu) = hg，获得各个开采单元对应的地面表土剥离区域；第一次表土剥离区段为X11至X21，第i次表土剥离区段为Xli至X2i，如公式(2)、公式(3)； 第I次表土剥离区段汛段) X11 = S(2)X21 = S+ (HX ctg Θ 21-HX ctg θ n) 式中Θ 11为初始表土剥离启动角，Θ 21为初始表土剥离终止角 第i次表土剥离区Ri段 Y丨,=^2(M) =S + J^(Hx CtgO2i-Hx CtgOu) ⑴X2i = Xli+(HX Ctg Θ 2i-HXctg Θ u) 式中θ η为开采i单元时表土剥离启动角，Θ 2i为开采i单元时表土剥离终止角在开采达到充分后，地面最大下沉值不再增长，在匀速推进条件下，各开采单元对应的地面表土剥离区段为常数R。
2.如权利要求I所述方法，其特征在于，所述步骤3)采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的下沉等值线；具体方法如下 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推导出地表下沉盆地内任意方向的任意点X的下沉值W(x，y)如表达式(I)所示 Wix, y)=Wc!11. JJ-T' · η· ξ( I D 式中r为任意开采水平的主要影响半径，单位为m ；D为采空区； X，I为地面任意点P的坐标，单位为m ； 通过观测站资料获取地表充分采动的最大下沉值W ，单位为mm ;根据概率积分法，确定时段的地面下沉Wi (X，y)，i为对应的各个时段。
全文摘要
本发明涉及基于单元法的边采边复表土剥离时机确定方法，属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，该方法包括获取煤层所在区域的自然条件、地质条件、采矿计划信息；沿着开采方向，将所要开采的煤层划分为多个开采单元；单元的划分按照时间或者开采长度进行划分；采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的下沉等值线；确定表土剥离启动距；确定实时表土剥离启动角、表土剥离终止角及表土剥离区段。本发明可以合理、及时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上的土壤资源进行提前的保护，为后期的复垦提供保障，从而提高复垦耕地率，促进矿区土地资源的可持续利用与可持续发展。
文档编号E21C41/00GK102877846SQ20121034832
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者胡振琪, 肖武 申请人:中国矿业大学(北京)