多煤层开采下地面积水时间的确定方法

摘要

本发明涉及多煤层开采下地面积水时间的确定方法，属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域。该方法包括：根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法分别预计各煤层开采引起的地面下沉，然后依据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表累积下沉量，同时结合地表原始高程，模拟多煤层开采地面沉陷情况，最后根据当地潜水位埋深，确定多煤层开采地面积水时间。本发明综合考虑了多煤层重复采动下各煤层开采引起的地表下沉、地面原始高程、地下潜水位标高，从而确定了多煤层开采下地面积水的时间，简单易懂，便于实际应用，为后续多煤层开采沉陷地土地复垦工作提供了基础信息。

权利要求

1.一种多煤层开采下地面积水时间的确定方法，其特征在于，该方法包括：根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法分别预计各煤层开采引起的地面下沉，依据煤层开采计划，通过叠加确定多煤层重复采动下地表累积下沉量，然后将其与地表原始高程进行空间叠加，模拟多煤层开采后地面沉陷情况，最后通过比较不同煤层开采结束后地面高程和当地潜水位埋深的关系，确定多煤层开采地面积水时间；

该方法具体包括以下步骤：

1)根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法分别预计各煤层开采引起的地面下沉：设开采区域共n个煤层，且开采顺序为煤层1、煤层2、…、煤层i、…、煤层n，地面坐标系为x、o、y，煤层i投影为水平煤层后的坐标系为εi、o、ηi，且坐标系的水平投影重合，地面任意点P的坐标为(x,y)，则煤层i开采区域Si，引起点P的下沉值Wi(x,y)如式(1)所示：式(1)中：Wi(x,y)为煤层i开采引起地面任意点P的下沉值，单位mm；

qi为煤层i开采的下沉系数；mi为煤层i的煤厚，单位mm；

αi为煤层i的煤层倾角，单位°；

ri为煤层i的主要影响半径，单位m；i＝1,2,…,n；

2)根据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表累积下沉量：m个煤层重复采动引起的地表累积下沉 如式(2)所示：式(2)中： 为m个煤层重复采动引起地面任意点P的累积下沉值，单位m；

Wj(x,y)为煤层j开采引起地面任意点P的下沉值，单位mm；

m＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m；

3)结合地表原始高程，模拟多煤层开采地面沉陷：将多煤层开采地表累积下沉与煤炭开采前地表的原始高程进行空间叠加分析，模拟多煤层开采后地面沉陷情况，m个煤层开采结束后，地面任意点P的高程如式(3)所示：式(3)中：Hm(x,y)为m个煤层开采结束后地面任意点P的高程，单位m；

H0(x,y)为煤炭开采前地面任意点P的原始高程，单位m；

m＝1,2,…,n；

4)根据当地潜水位埋深，确定多煤层开采地面积水时间：由于采煤沉陷影响，如果t-1个煤层开采结束后，地面任意点P的高程高于地下潜水位高程，且t个煤层开采结束后，点P的高程等于或低于地下潜水位时，地面任意点P将在t个煤层开采结束后出现积水，则式(4)中：Ht(x,y)为t个煤层开采结束后地面任意点P的高程，单位m；

Ht-1(x,y)为t-1个煤层开采结束后地面任意点P的高程，单位m；

HQ为地下潜水位高程，单位m。

说明书

多煤层开采下地面积水时间的确定方法

技术领域

[0001] 本发明属于采矿技术、土地利用和土地复垦技术领域，特别涉及中高潜水位平原矿区多煤层重复采动下地面积水时间的确定方法。

背景技术

[0002] 我国煤炭资源储量丰富，已探明的煤炭资源储量高达1.48万亿吨。其中，部分地区煤层层数多、累积可采厚度大，例如安徽省淮南矿区可采煤层9-18层，累积可采厚度达25-34m；山东省兖州、济宁等矿区可采煤层大部分在7-10层，可采煤层总厚度约8-12m；江苏省徐州矿区主要可采煤层9层，累积采厚达15m。众所周知，我国是煤炭生产大国，据《2014年国民经济和社会发展统计公报》数据显示，2014年全年我国原煤产量为38.7亿吨，其中90％以上的煤炭产量来自于井工煤矿，而且大多采用走向长壁式全部跨落法管理顶板，从而形成了众多的采煤沉陷土地，据相关资料，到2012年底，我国因采煤而沉陷的土地面积约为156万公顷，采煤沉陷地复垦工作迫在眉睫。

[0003] 随着煤炭的不断开采和开采深度的增加，多煤层开采更加普遍。多煤层开采下，由于地表受到多次重复扰动，地面损毁情况复杂多变，不利于后续土地复垦工作的进行。尤其是在中高潜水位平原矿区，多煤层开采后沉陷深度大，加之当地较高的地下潜水位，采煤沉陷后，地面极易形成积水，从而丧失大面积耕地而无法挽救。而且研究表明，土壤浸水后，其中部分营养物质将会有所流失，不利于复垦后耕地生产力的迅速恢复。因此，为了保护珍贵的表土资源，首先需要确定多煤层开采下地面出现积水的时间，才能提前安排对表土的保护和剥离措施，同时还可以为后续复垦提供优质的表土资源。

[0004] 目前，对于单一工作面或单一煤层开采的地面损毁及积水等有了大量深入的探索和研究，并取得了丰硕的成果。但对于多煤层开采地面积水情况的研究较少，在多煤层重复采动下，如何确定地面积水时间，从而为表土剥离工作提供基础信息，对后续多煤层开采沉陷地复垦至关重要。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为解决上述难题，提出一种多煤层开采下地面积水时间的确定方法，本发明通过模拟分析多煤层重复采动影响下地面沉陷情况，同时结合当地潜水位埋深，确定地表积水时间，从而为后续多煤层开采土地复垦工作提供基础信息。

[0006] 本发明提出的多煤层开采下地面积水时间的确定方法，该方法主要适用于中高潜水位多煤层开采矿区，其特征在于，该方法包括：根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法分别预计各煤层开采引起的地面下沉，然后依据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表累积下沉量，同时结合地表原始高程，模拟多煤层开采地面沉陷情况，最后根据当地潜水位埋深，确定多煤层开采地面积水时间。

[0007] 该方法具体包括以下步骤：

[0008] 1)根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法分别预计各煤层开采引起的地面下沉：设开采区域共n个煤层，且开采顺序为煤层1、煤层2、…、煤层i、…、煤层n，地面任意点P的坐标为(x,y)，则煤层i开采引起点P的下沉值Wi(x,y)如表达式(1)所示：

[0009]

[0010] 式(1)中：Wi(x,y)为煤层i开采引起地面任意点P的下沉值，单位mm；

[0011] qi为煤层i开采的下沉系数；mi为煤层i的煤厚，单位mm；

[0012] αi为煤层i的煤层倾角，单位°；Si为煤层i的开采区域；

[0013] ri为煤层i的主要影响半径，单位m；i＝1,2,3,…,i,…n；

[0014] 2)根据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表累积下沉量：m个煤层重复采动引起的地表累积下沉 如表达式(2)所示：

[0015]

[0016] 式(2)中： 为m个煤层重复采动引起地面任意点P的累积下沉值，单位m；

[0017] Wj(x,y)为煤层j开采引起地面任意点P的下沉值，单位mm；

[0018] m＝1,2,3,…,m,…n；j＝1,2,3,…,j,…m；

[0019] 3)结合地表原始高程，模拟多煤层开采地面沉陷：将多煤层开采地表累积下沉与煤炭开采前地表的原始高程进行叠加分析，模拟多煤层开采地面沉陷情况，m个煤层开采结束后，地面任意点P的高程如表达式(3)所示：

[0020]

[0021] 式(3)中：Hm(x,y)为m个煤层开采结束后地面任意点P的高程，单位m；

[0022] H0(x,y)为煤炭开采前地面任意点P的原始高程，单位m；

[0023] m＝1,2,3,…,m,…n；

[0024] 4)根据当地潜水位埋深，确定多煤层开采地面积水时间：由于采煤沉陷影响，如果t-1个煤层开采结束后，地面任意点P的高程高于地下潜水位高程，且t个煤层开采结束后，点P的高程等于或低于地下潜水位时，地面任意点P将在t个煤层开采结束后出现积水，则[0025]

[0026] 式(4)中：Ht(x,y)为t个煤层开采结束后地面任意点P的高程，单位m；

[0027] Ht-1(x,y)为t-1个煤层开采结束后地面任意点P的高程，单位m；

[0028] HQ为地下潜水位高程，单位m。

[0029] 本发明主要具有以下技术优点：

[0030] 本发明通过利用概率积分法预计了多煤层开采下，各煤层开采引起的地表下沉，同时结合煤炭开采前地面的原始高程，准确的模拟分析了地面采煤沉陷情况，在此基础上，结合当地潜水位埋深，综合确定多煤层开采地面积水时间。该方法简单易懂，便于实际应用，为后续多煤层开采土地复垦工作提供了基础信息。

附图说明

[0031] 图1为多煤层开采下地面积水时间确定方法流程图。

[0032] 图2为实施例四煤层开采地面点P1、P2下沉示意图。

具体实施方式

[0033] 本发明提出的多煤层开采下地面积水时间的确定方法，结合附图及实施例详细说明如下：

[0034] 本发明的方法主要适用于中高潜水位多煤层开采矿区，包括根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法别预计各煤层开采引起的地面下沉，然后依据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表累积下沉量，同时结合地表原始高程，模拟多煤层开采地面沉陷情况，最后根据当地潜水位埋深，确定多煤层开采地面积水时间

[0035] 该方法具体包括以下步骤：

[0036] 1)根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法分别预计各煤层开采引起的地面下沉：设开采区域共n个煤层，且开采顺序为煤层1、煤层2、…、煤层i、…、煤层n，地面任意点P的坐标为(x,y)，则煤层i开采引起点P的下沉值Wi(x,y)如表达式(1)所示：

[0037]

[0038] 式(1)中：Wi(x,y)为煤层i开采引起地面任意点P的下沉值，单位mm；

[0039] qi为煤层i开采的下沉系数；mi为煤层i的煤厚，单位mm；

[0040] αi为煤层i的煤层倾角，单位°；Si为煤层i的开采区域；

[0041] ri为煤层i的主要影响半径，单位m；i＝1,2,3,…,i,…n；

[0042] 2)根据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表累积下沉量：m个煤层重复采动引起的地表累积下沉 如表达式(2)所示：

[0043]

[0044] 式(2)中： 为m个煤层重复采动引起地面任意点P的累积下沉值，单位m；

[0045] Wj(x,y)为煤层j开采引起地面任意点P的下沉值，单位mm；

[0046] m＝1,2,3,…,m,…n；j＝1,2,3,…,j,…m；

[0047] 3)结合地表原始高程，模拟多煤层开采地面沉陷：将多煤层开采地表累积下沉与煤炭开采前地表的原始高程进行叠加分析，模拟多煤层开采地面沉陷情况，m个煤层开采结束后，地面任意点P的高程如表达式(3)所示：

[0048]

[0049] 式(3)中：Hm(x,y)为m个煤层开采结束后地面任意点P的高程，单位m；

[0050] H0(x,y)为煤炭开采前地面任意点P的原始高程，单位m；

[0051] m＝1,2,3,…,m,…n；

[0052] 4)根据当地潜水位埋深，确定多煤层开采地面积水时间：由于采煤沉陷影响，如果t-1个煤层开采结束后，地面任意点P的高程高于地下潜水位高程，且t个煤层开采结束后，点P的高程等于或低于地下潜水位时，地面任意点P将在t个煤层开采结束后出现积水，则[0053]

[0054] 式(4)中：Ht(x,y)为t个煤层开采结束后地面任意点P的高程，单位m；

[0055] Ht-1(x,y)为t-1个煤层开采结束后地面任意点P的高程，单位m；

[0056] HQ为地下潜水位高程，单位m。

[0057] 实施例：

[0058] 本实施例为东部某一高潜水位平原矿区，地面平坦开阔，地表自然标高在+22.1m～+23.6m之间，平均+22.7m，地下潜水位埋深为2.0m左右，区内主要有四个开采煤层，分别为煤层1、煤层2、煤层3和煤层4，这四个煤层均为全区可采，且结构简单，其中煤层1平均厚度为2.0m，煤层2为2.5m，煤层3为2.0m，煤层4为3.0m。

[0059] 本实施例在计算机软件环境下模拟确定多煤层开采下地面积水时间，其方法流程如图1所示，包括以下步骤：

[0060] 1)根据地下煤炭赋存条件，利用概率积分法分别预计各煤层开采引起的地面下沉：本实施例中，开采区域共4个煤层，且开采顺序为煤层1、煤层2、煤层3、煤层4，地面点P1的坐标为(362,211)，P2的坐标为(538,211)，煤层1开采引起点P1、P2的下沉值分别为W1(362,211)＝700mm、W1(538,211)＝500mm，煤层2开采引起点P1、P2的下沉值分别为W2(362,211)＝820mm、W2(538,211)＝510mm，煤层3开采引起点P1、P2的下沉值分别为W3(362,211)＝
710mm、W3(538,211)＝500mm，煤层4开采引起点P1、P2的下沉值分别为W4(362,211)＝
9200mm、W4(538,211)＝530mm。

[0061] 2)根据煤层开采计划，确定多煤层重复采动下地表累积下沉量：煤层1开采引起点P1、P2的下沉分别为 煤层2开采结束后 ，引起的地表累积下沉
煤层3开采结束后，引起的地表累积下沉
煤层
4开采结束后，引起的地表累积下沉

[0062] 3)结合地表原始高程，模拟多煤层开采地面沉陷：将多煤层开采地表累积下沉与煤炭开采前地表的原始高程进行叠加分析，模拟多煤层开采地面采煤沉陷情况，本实施例中，煤炭开采前点P1、P2的原始高程分别为H0(362,211)＝22.4m、H0(538,211)＝22.7m，煤层1开采结束后，点P1、P2的高程分别为H1(362,211)＝(22.4-0.71)m＝21.69m、H1(538,211)＝(22.6-0.49)m＝22.11m；煤层2开采结束后，点P1、P2的高程分别为H2(362,211)＝(22.4-
1.53)m＝20.87m、H2(538,211)＝(22.6-1.0)m＝21.6m；煤层3开采结束后，点P1、P2的高程分别为H3(362,211)＝(22.4-2.25)m＝20.15m、H3(538,211)＝(22.6-1.5)m＝21.1m；煤层4开采结束后，点P1、P2的高程分别为H4(362,211)＝(22.4-3.15)m＝19.25m、H2(538,211)＝(22.6-2.07)m＝20.53m。

[0063] 4)根据当地潜水位埋深，确定多煤层开采地面积水时间：由于采煤沉陷影响，如果t-1个煤层开采结束后，地面任意点P的高程高于地下潜水位高程，且t个煤层开采结束后，点P的高程等于或低于地下潜水位时，地面任意点P将在煤层t开采结束后出现积水，本实施例中，地下潜水位高程HQ＝22.7-2.0＝20.7m，由于H3(362,211)≤HQ＜H2(362,211)，H4(538,211)≤HQ＜H3(538,211)，所以当煤层3开采结束后，地面点P1将出现积水，当煤层4开采结束后，地面点P2将出现积水。多煤层开采地面点P下沉剖面如图2所示，图中A-B表示原始地面，C表示当地潜水位，S1、S2、S3、S4分别表示煤层1、煤层2、煤层3、煤层4，曲线L1、L2、L3、L4分别表示煤层1、煤层2、煤层3、煤层4开采结束后下沉盆地剖面，区域R1、R2、R3、R4分别表示煤层1、煤层2、煤层3、煤层4开采结束后地表下沉盆地范围。