一种面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计方法与流程
本发明涉及一种固体充填采煤充实率设计方法，尤其适用于一种面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计方法。
技术背景
地下资源开采后会引起上覆岩层移动、断裂，进而传递到地表，形成地表沉陷。我国有着悠久的煤炭资源开采历史，形成了大量的采煤塌陷地。据不完全统计，仅我国因煤炭开采产生的塌陷地就有60万公顷，且以5.3万公顷/年的速度递增。同时由于矿区往往分布在郊区或村庄附近，导致采煤形成的塌陷地大部分是耕地。耕地作为矿区附近村庄居民收入的主要生活和经济来源，必须加以保护。防止耕地因开采造成的数量减小与质量降低，不仅关乎矿区居民的生活，也关乎矿区区域稳定及粮食安全。但是，如何维护矿区耕地数量、减轻矿区耕地质量破坏是矿区区域可持续发展面临的重要难题。
另一方面，煤矿开采会产生大量矸石。目前矸石的处置往往是将矸石堆积，形成矸石山。据不完全统计，我国现有煤矿矸石山1600余座，堆积量约38亿吨，占地约15万亩。同时我国每年矸石生产量约为3.0亿吨，占地约1万亩。因此，如何减小矸石山、解放矸石山占地是各矿区可持续发展面临的另一个难题。
因此，我们可以利用固体充填采煤技术开采耕地下压煤，不仅能解放矸石山占地、降低矸石污染，而且能控制地表沉陷、保护地面耕地。但是对于面向耕地保护的固体充填采煤充实率如何设计、设计到什么程度尚未有相关研究。因此，目前缺少面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计方法。
技术实现要素：
针对上述技术问题，提供了一种步骤简单，既控制成本又兼顾减小耕地破坏的面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计方法。
为了实现上述技术目的，本发明的面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计方法，其特征在于：
收集研究区域的地址采矿条件、水文条件资料，利用等价采高模型，获取固体充填采煤不同充实率下地表移动与变形预计参数，进而利用概率积分法及得到的充填采煤地表移动与变形预计参数计算不用充实率下的地表移动与变形值，最后根据采集到的研究区域的地质信息以及地面耕地的设防指标，设计面向耕地保护的固体充填采煤充实率。
具体步骤为：
步骤1：收集研究区域的耕地分布、种类以及水文地质等资料：利用潜水位高度、地表倾斜和水平变形三个指标表示开采沉陷，根据收集到研究区域的耕地分布与种类等资料，确定耕地保护设防指标，包括潜水位深部h潜标，地表倾斜i标，地表水平变形ε标；
步骤2：根据研究区域现有地表移动与变形预计参数，利用垮落法基于等价采高模型，获取固体充填开采中的地表移动与变形预计参数，所述地表移动与变形预计参数包括：地表下沉系数q充、地表水平移动系数b充、主要影响角正切tanβ充、拐点偏距s充以及开采影响传播角θ充；同理垮落法开采的地表移动与变形预计参数为：开采地表下沉系数q垮、地表水平移动系数b垮、主要影响角正切tanβ垮、拐点偏距s垮以及开采影响传播角θ垮，此时：b垮＝b充，tanβ垮＝tanβ充，s垮＝s充，θ垮＝θ充；
根据需要计算出研究区域回填的不同充实率，从而获得不同充实率所对应的地表下沉系数q充1，q充2，q充3…q充n、地表水平移动系数b充1，b充2，b充3…b充n、主要影响角正切tanβ充1，tanβ充2，tanβ充3…tanβ充n、拐点偏距s充1，s充2，s充3…s充n以及开采影响传播角θ充1，θ充2，θ充3…θ充n；
步骤3：根据得到的不同充实率下地表下沉系数q充1，q充2，q充3…q充n、地表水平移动系数b充1，b充2，b充3…b充n、主要影响角正切tanβ充1，tanβ充2，tanβ充3…tanβ充n、拐点偏距以及开采影响传播角θ充1，θ充2，θ充3…θ充n，分别计算得到地表下沉值w1,w2,w3…wn、地表倾斜变形值i1,i2,i3…in以及地表水平变形值ε1,ε2,ε3…εn，将相同序号的地表下沉值w、地表倾斜变形值i以及地表水平变形ε分组组合，从而获得固体充填开采引起的地表移动与变形值数据组(w1,i1,ε1)、(w2,i2,ε2)···(wn,in,εn)；
步骤4：将步骤1得到的耕地保护设防指标h潜标、i标、ε标与步骤3得到的充填采煤地表移动与变形值数据组(w1,i1,ε1)、(w2,i2,ε2)···(wn,in,εn)逐一进行比较，选择出满足wi≤h潜标、ii≤i标、εi≤ε标，且最接近指标h潜标、i标、ε标的数据，同时则确定此组数据(wi,ii,εi)为最佳值，根据最佳值(wi,ii,εi)完成面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计。
所述不同充实率的计算方法为：
利用公式：hz＝h-hδ计算充填开采的等价采高，式中h为采高，δ为充实率；利用垮落法中地表下沉极值w极大与下沉系数q的关系公式：w极大＝hq垮cosα获取q垮的信息，式中α为煤层倾角；而充填开采过程中，地表下沉极大值w充填极大与下沉系数q充的关系为：w充填极大＝hzq充cosα，利用公式：hz＝h-hδ从而获得地表下沉极大值w充填极大：w充填极大＝h(1-δ)q充cosα，由于w极大＝hq垮cosα所以q垮＝(1-δ)q充，即：充实率δ为
不同充实率下地表移动与变形值计算方法为：
(1)计算研究区域地表上的任意点a(x，y)的下沉值w(x，y)，w(x，y)＝wcmcx′cy′，
其中cx′，cy′为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数：
式中：wcm为充分采动条件下地表最大下沉值，wcm＝mqcosα；m为采出煤层厚度；q为地表下沉系数；α为煤层倾角；l，l为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度；r，r1，r2为分别为走向、下山、上山方向的主要影响半经；x、y为待求点坐标；
(2)计算研究区域地表上的任意点a(x，y)沿方向倾斜变形值
式中：
(3)计算研究区域地表上的任意点a(x，y)沿
式中：
(4)计算研究区域地表上的任意点a(x，y)沿
式中：
有益效果：本发明考虑了耕地的抗变形特性，兼顾了地面的耕地保护，创造性的提出了面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计方法，从而精准控制采煤区地表耕地地表产生沉陷，有效保证耕地不被破坏的同时还能够有效控制工作面回填的成本，从而达到一个效果和成本的平衡，解决了煤炭地下开采导致的耕地减少以及矸石山堆积等难题。本方法步骤简单，运算量小，对于各矿区耕地保护、降低矸石污染、促进矿区可持续发展具有重要的实际意义和应用价值。
附图说明
图1为本发明实施的面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计方法流程图
具体实施方式
下面将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，本发明的一种面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计方法，首先收集研究区域的地址采矿条件、水文条件资料，利用等价采高模型，获取固体充填采煤不同充实率下地表移动与变形预计参数，进而利用概率积分法及得到的充填采煤地表移动与变形预计参数计算不用充实率下的地表移动与变形值，最后根据采集到的研究区域的地质信息以及地面耕地的设防指标，设计面向耕地保护的固体充填采煤充实率。
具体步骤为：
步骤1：收集研究区域的耕地分布、种类以及水文地质等资料：利用潜水位高度、地表倾斜和水平变形三个指标表示开采沉陷，根据收集到研究区域的耕地分布与种类等资料，确定耕地保护设防指标，包括潜水位深部h潜标，地表倾斜i标，地表水平变形ε标；
实际情况例如下表：
表1高潜水位矿区耕地破坏评价标准
表2低潜水位地区或山区耕地破坏评价标准
步骤2：根据研究区域现有地表移动与变形预计参数，利用垮落法基于等价采高模型，获取固体充填开采中的地表移动与变形预计参数，所述地表移动与变形预计参数包括：地表下沉系数q充、地表水平移动系数b充、主要影响角正切tanβ充、拐点偏距s充以及开采影响传播角θ充；同理垮落法开采的地表移动与变形预计参数为：开采地表下沉系数q垮、地表水平移动系数b垮、主要影响角正切tanβ垮、拐点偏距s垮以及开采影响传播角θ垮，适用于本方法的情况下此时：b垮＝b充，tanβ垮＝tanβ充，s垮＝s充，θ垮＝θ充；
根据需要计算出研究区域回填的不同充实率，从而获得不同充实率所对应的地表下沉系数q充1，q充2，q充3…q充n、地表水平移动系数b充1，b充2，b充3…b充n、主要影响角正切tanβ充1，tanβ充2，tanβ充3…tanβ充n、拐点偏距s充1，s充2，s充3…s充n以及开采影响传播角θ充1，θ充2，θ充3…θ充n；所述充实率人为设定如60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％，也可以是61％、62％、63％或者86％、87％、88％，根据实际工作需要设定；
所述不同充实率的计算方法为：利用公式：hz＝h-hδ计算充填开采的等价采高，式中h为采高，δ为充实率；利用垮落法中地表下沉极值w极大与下沉系数q的关系公式：w极大＝hq垮cosα获取q垮的信息，式中α为煤层倾角；而充填开采过程中，地表下沉极大值w充填极大与下沉系数q充的关系为：w充填极大＝hzq充cosα，利用公式：hz＝h-hδ从而获得地表下沉极大值w充填极大：w充填极大＝h(1-δ)q充cosα，由于w极大＝hq垮cosα所以q垮＝(1-δ)q充，即：充实率δ为
步骤3：根据得到的不同充实率下地表下沉系数q充1，q充2，q充3…q充n、地表水平移动系数b充1，b充2，b充3…b充n、主要影响角正切tanβ充1，tanβ充2，tanβ充3…tanβ充n、拐点偏距以及开采影响传播角θ充1，θ充2，θ充3…θ充n，分别计算得到地表下沉值w1,w2,w3…wn、地表倾斜变形值i1,i2,i3…in以及地表水平变形值ε1,ε2,ε3…εn，将相同序号的地表下沉值w、地表倾斜变形值i以及地表水平变形ε分组组合，从而获得固体充填开采引起的地表移动与变形值数据组(w1,i1,ε1)、(w2,i2,ε2)···(wn,in,εn)；
步骤4：将步骤1得到的耕地保护设防指标h潜标、i标、ε标与步骤3得到的充填采煤地表移动与变形值数据组(w1,i1,ε1)、(w2,i2,ε2)···(wn,in,εn)逐一进行比较，选择出满足wi≤h潜标、ii≤i标、εi≤ε标，且最接近指标h潜标、i标、ε标的数据，同时则确定此组数据(wi,ii,εi)为最佳值，根据最佳值(wi,ii,εi)完成面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计。
不同充实率下地表移动与变形值计算方法为：
(1)计算研究区域地表上的任意点a(x，y)的下沉值w(x，y)，w(x，y)＝wcmcx′cy′，
其中cx′，cy′为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数：
式中：wcm为充分采动条件下地表最大下沉值，wcm＝mqcosα；m为采出煤层厚度；q为地表下沉系数；α为煤层倾角；l，l为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度；r，r1，r2为分别为走向、下山、上山方向的主要影响半经；x、y为待求点坐标；
(2)计算研究区域地表上的任意点a(x，y)沿方向倾斜变形值
式中：
(3)计算研究区域地表上的任意点a(x，y)沿
式中：
(4)计算研究区域地表上的任意点a(x，y)沿
式中：
具体实施例：
步骤1：以皖北煤电五沟煤矿为例，对本发明的过程进行详细说明。皖北煤电五沟煤矿位于中国淮北平原中部，区内地质平坦，地面平均标高+27m，多为优质耕地；本区域地下水静止水位标高为24.12m，潜水位平均深2.9m；五沟煤矿目前主采10煤，平均煤厚3.2m，煤层平均倾角10°，可采煤层平均采深为380m。
五沟矿区属季风暖湿带半湿润气候，季节性雨量交大，且地表潜水位高，煤炭开采后地表塌陷形成大范围积水区域，耕地破坏情况严重。因此，本节考虑在煤炭开采后仅使矿区耕地达到表1中微弱影响的标准。考虑到五沟煤矿地表潜水位平均深度为2.9m，由表1种设防标准知，采煤后若使耕地仅受微弱影响，则需保证地表下沉量w标小于900mm，同时地表最大倾斜变形量i标应小于20mm/m。
步骤2：五沟煤矿垮落法开采地表沉陷计算参数见表3所示：
表3
为了保证五沟煤矿耕地受采动影响在设防指标内，设计了60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％等不同充实率。利用等价采高模型，可以计算出不同充实率下固体充填开采地表沉陷预测参数。具体计算公式如下：
其中δ为充实率。通常b垮＝b充，tanβ垮＝tanβ充，s垮＝s充，θ垮＝θ充。
这样可以计算出不同充实率下地表下沉系数q充分别为0.552、0.598、0.644、0.69、0.736、0.782、0.828；水平移动系数b充均为0.28、开采影响角正切tanβ充均为2.16、拐点偏距s充均为28.5m、主要影响传播角θ充均为85.8°。
步骤3：
根据得到的不同充实率下地表下沉系数q充＝0.552、0.598、0.644、0.69、0.736、0.782、0.828；水平移动系数b充＝0.28，开采影响角正切tanβ充＝2.16，拐点偏距s充＝28.5，开采影响传播角θ充＝85.8°，结合工作面布置情况，基于概率积分法可以计算得出不同充实率下地表移动与变形值，得到地表下沉值w1,w2,w3…wn以及地表倾斜变形值i1,i2,i3…in。将相同序号的地表下沉值w和地表倾斜变形值i分组组合，从而获得固体充填开采引起的地表移动与变形值数据组(w1,i1)、(w2,i2)···(wn,in)。
步骤4：将步骤1得到的耕地保护设防指标w标＝900mm、i标＝20mm/m与步骤3得到的充填采煤地表移动与变形值数据组(w1,i1)、(w2,i2)···(wn,in)逐一进行比较，选择出满足wi≤w标、ii≤i标、且最接近指标w标和i标的数据，同时则确定此组数据(wi,ii)为最佳值，根据最佳值(wi,ii)完成面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计。
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