一种高潜水位煤矿区动态预复垦新方法

摘要

本发明公开了一种高潜水位煤矿区动态预复垦新方法，本发明根据高潜水位采煤沉陷地的发育特点，提出走向控制(选择复垦时机)，倾向复垦(挖深垫浅治理)，分带剥离，交错回填的动态预复垦方案。能在开采的同时，对拟损毁土地采取治理措施，不仅可以控制生态环境退化，而且可以提高土地利用率。

权利要求

1.一种高潜水位煤矿区动态预复垦方法，其特征是包括以下步骤：(1)治理分区

首先在走向主断面上，根据常年地下潜水位高程，将工作面开采导致的损毁土地，划分为三类治理区：一区，位于开切眼一侧，属于填土区，治理措施是通过在二区取土进行垫高，实现正常耕作；

二区，位于走向主断面中部，属于挖深垫浅区，开采沉陷后常年积水，通过分条带挖深垫浅进行治理；

三区，位于停采线一侧，属于填土区，通过在二区取土进行垫高，实现正常耕作；

(2)复垦时机选择

根据Weibull开采沉陷动态函数预计函数，得到复垦时间选择函数：式中：Wt是t时刻地表临时下沉值；W0是地表最终下沉值，根据开采条件计算；c，k均为时间影响参数，根据动态沉陷规律进行反演得到；

其中决定复垦时机的是t时刻地表临时下沉值Wt，根据以下要求进行确定：施工前，要求地表高程距离潜水位距离>(表土层厚度+挖深值)，即：(H0-Wt)≥(Hw+h+d)  (3)Wt≤[H0-(Hw+h+d)]  (4)式中：Wt是t时刻地表临时下沉值；H0是原地表标高；Hw是潜水位标高；h是表层土厚度；d是鱼塘养殖需要深挖值，根据地表最终下沉值W0计算深挖值；

(3)条带挖深垫浅复垦设计

垂直走向主断面，将二区划分成若干治理条带，利用直线近似拟合地形变形，条带内坡降i根据稳定后沉陷值及条带断面长度计算得到；

在对称条带的半剖面上，设定挖深区在条带断面上的长度为x，则垫浅区的长度为L/2-x，根据挖填平衡要求，求取x：[h+(h+x*i)]*x/2＝[(L/2-x)2*i]/2  (5)x＝(L2*i)/(8*h+4*L*i)  (6)以上参数是根据稳定后的几何参数来计算的，施工时考虑残余变形的影响，治理后的田面具有一定的反坡，抵消后续残余变形的影响，田面反坡的近似值为：is＝(2Ws/L)  (7)

式中，is为田面坡面；Ws为t时刻以后残余下沉量；L为条带长度；

(4)土壤重构设计

将需要展开动态预复垦的区域划分为若干条带，条带内再化分为挖深区和垫浅区，条带内底土挖深垫浅，条带间表土回覆，将治理区土层分为表层土和底土，然后根据沉陷演化过程分带治理。

说明书

一种高潜水位煤矿区动态预复垦新方法

技术领域

[0001] 本发明涉及中东部高潜水位矿区的采煤沉陷地动态预复垦方法。

背景技术

[0002] 煤炭资源开采沉陷导致了大量土地资源的破坏，严重影响了区域的可持续发展。损毁土地的复垦也成为当前迫切需要解决的问题。在中东部平原区，地下潜水位较高，开采沉陷对土地损毁的主要是沉陷区大面积积水，导入大量良田没入水中，积水区周围土地出现盐渍化现象。如果能在开采的同时，对拟损毁土地采取治理措施，不仅可以控制生态环境退化，而且可以提高土地利用率，对促进矿区可持续发展将起到重要促进作用。因此，动态预复垦成为该领域近年来的研究热点。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种高潜水位煤矿区动态预复垦新方法，能在开采的同时，对拟损毁土地采取治理措施，不仅可以控制生态环境退化，而且可以提高土地利用率，[0004] 本发明的技术方案是，一种高潜水位煤矿区动态预复垦新方法，包括以下步骤[0005] (1)治理分区

[0006] 首先在走向主断面上，根据常年地下潜水位高程，将该工作面开采导致的损毁土地，划分类三类治理区，

[0007] 一区，位于开切眼一侧，属于填土区，治理措施是通过在二区取土进行垫高，实现正常耕作；

[0008] 二区，位于走向主断面中部，属于挖深垫浅区，开采沉陷后常年积水，通过分条带挖深垫浅进行治理；

[0009] 三区，位于停采线一侧，属于填土区，通过在二区取土进行垫高，实现正常耕作；

[0010] (2)复垦时机选择

[0011] 根据Weibull开采沉陷动态函数预计函数，得到复垦时间选择函数：

[0012]

[0013]

[0014] 式中：Wt是复垦时刻t地表临时下沉值；W0是地表最终下沉值，根据开采条件计算；c，k均为时间影响参数，根据动态沉陷规律进行反演得到；

[0015] 其中决定复垦时刻的是临时沉陷值Wt，根据以下要求进行确定：施工前，要求地表高程距离潜水位距离>(表土层厚度+挖深值)，即:

[0016] (H0-Wt)≥(Hw+h+d)  (3)

[0017] Wt≤[H0-(Hw+h+d)]  (4)

[0018] 式中：Wt地表临时下沉值；H0原地表标高；Hw潜水位标高；h表层土厚度；d鱼塘养殖需要深挖值(根据稳定后的终值计算深挖值)；(3)条带挖深垫浅复垦设计

[0019] 垂直走向主断面(工作面长边)，将二区划分成若干治理条带，利用直线近似拟合地形变形，条带内坡降i根据稳定后沉陷值及条带断面长度计算得到。

[0020] 在对称条带的半剖面上，设定挖深区在条带断面上的长度为x，则垫浅区的长度为L/2-x。根据挖填平衡要求，求取x：

[0021] [h+(h+x*i)]*x/2＝[(L/2-x)2*i]/2  (5)

[0022] x＝(L2*i)/(8*h+4*L*i)  (6)

[0023] 以上参数是根据稳定后的几何参数来计算的，施工时应考虑残余变形的影响，治理后的田面应具有一定的反坡，抵消后续残余变形的影响，田面反坡的近似值为：

[0024] is＝(2Ws/L)  (7)

[0025] 式中，is为田面坡面；Ws为T时刻以后残余下沉量；L为条带长度；(4)土壤重构设计[0026] 为了方便施工，首先将需要展开动态预复垦的区域划分为若干条带，条带内再化分为挖深区和垫浅区，条带内底土挖深垫浅，条带间表土回覆，将治理区土层分为表层土和底土，然后根据沉陷演化过程分带治理。

[0027] 本发明根据高潜水位采煤沉陷地的发育特点，提出走向控制(选择复垦复垦时机)，倾向复垦(挖深垫浅治理)，分带剥离，交错回填的动态预复垦方案。本发明能在开采的同时，对拟损毁土地采取治理措施，不仅可以控制生态环境退化，而且可以提高土地利用率。

附图说明

[0028] 图1是高潜水矿区开采沉陷土地损毁示意图。

[0029] 图中，J1为开采沉陷影响边界，J2季节性积水影响边界，J3为常年积水边界。δ0边界角，ψ3充分采动角，A-A走向主断面，B-B倾向主断面。

[0030] 图2高潜水矿区开采损毁土地治理分区示意图。

[0031] 图3是倾向条带挖深垫浅分区。

[0032] 图中，h稳定后需要进一步深挖的值；L为条带长度；i为沉陷造成的地表坡降；x为挖深区长度；L/2-x为垫浅区的长度；δ0为边界角图4是动态预复垦土壤重构示意图。

具体实施方式

[0033] 一种高潜水位煤矿区动态预复垦新方法，包括以下步骤

[0034] (1)治理分区

[0035] 积水是高潜水位煤矿区开采沉陷后土地损毁的一个重要特征，可将积水区域分为：常年积水区(沉陷后地表高程低于当地潜水位高程)和季节性积水区。沉陷区其他部位由于立地条件改变，耕作困难，逐渐变得荒芜，如图1所示。

[0036] 根据开采过程中地表沉陷与潜水位的关系，将井下开采与地表治理有机结合，合理选择复垦时机，优化治理措施，实现边开采，边治理。首先在走向主断面上，根据常年地下潜水位高程，将该工作面开采导致的损毁土地，划分类三类治理区，如图2所示。

[0037] 一区，位于开切眼一侧，属于填土区。损毁土地位于常年潜水位之上，但是土地受到季节性积水及盐渍化影响。治理措施主要是通过在二区取土进行垫高，实现正常耕作。

[0038] 二区，位于走向主断面中部，属于挖深垫浅区。开采沉陷后常年积水，通过分条带挖深垫浅进行治理。

[0039] 三区，位于停采线一侧，属于填土区。损毁形式与一区类似。通过在二区取土进行垫高，实现正常耕作。

[0040] (2)复垦时机选择

[0041] 选择对表土资源有重要影响的下沉值作为复垦时机选择的关键因素进行分析。根据Weibull开采沉陷动态函数预计函数，得到复垦时间选择函数：

[0042]

[0043]

[0044] 式中：Wt是复垦时刻t地表临时下沉值；W0是地表最终下沉值，根据开采条件计算；c，k均为时间影响参数，根据动态沉陷规律进行反演得到。

[0045] 其中决定复垦时刻的是临时沉陷值Wt，根据以下要求进行确定：施工前，要求地表高程距离潜水位距离>(表土层厚度+挖深值)。即:

[0046] (H0-Wt)≥(Hw+h+d)  (3)

[0047] Wt≤[H0-(Hw+h+d)]  (4)

[0048] 式中：Wt地表临时下沉值；H0原地表标高；Hw潜水位标高；h表层土厚度；d鱼塘养殖需要深挖值(根据稳定后的终值计算深挖值)。

[0049] (3)条带挖深垫浅复垦设计

[0050] 采煤塌陷积水区的治理措施就是挖深垫浅，合理的挖填设计，对于保证挖填工程量平衡，提高复垦效率具有重要作用。本发明设计思路是垂直走向主断面(工作面长边)，将二区划分成若干治理条带。结合现场实际，工作面宽度一般达不到充分采动条件，条带沉陷形状沿走向对称，下文选择其中的半边进行设计，如图3所示。

[0051] 下沉后，由于沉陷引起地形产生一定坡度，本发明利用直线近似拟合地形变形，条带内坡降i根据稳定后沉陷值及条带断面长度计算得到。

[0052] 在对称条带的半剖面上，设定挖深区在条带断面上的长度为x，则垫浅区的长度为L/2-x。根据挖填平衡要求，求取x：

[0053] [h+(h+x*i)]*x/2＝[(L/2-x)2*i]/2  (5)

[0054] x＝(L2*i)/(8*h+4*L*i)  (6)

[0055] 以上参数是根据稳定后的几何参数来计算的，施工时应考虑残余变形的影响，治理后的田面应具有一定的反坡，抵消后续残余变形的影响，田面反坡的近似值为：

[0056] is＝(2Ws/L)  (7)

[0057] 式中，is为田面坡面；Ws为T时刻以后残余下沉量；L为条带长度。

[0058] (4)土壤重构设计

[0059] 为了方便施工，首先将需要展开动态预复垦的区域划分为若干条带，条带内再化分为挖深区和垫浅区，条带内底土挖深垫浅，条带间表土回覆，如图4所示。将治理区土层分为表层土和底土，然后根据沉陷演化过程分带治理。

[0060] (5)注意事项

[0061] 1)制定方案前，首先对走向和倾向的的采动情况进行分析，如果走向达不到充分采动，治理布局应该进行改变。

[0062] 2)治理时机除了考虑开采沉陷因素外，还应当考虑作物的生长季节。复垦工作做好在农作物收割以后，休田时间进行。

[0063] 3)地表变形过程复杂，建议在待沉陷区设置监测点，复垦前对比实际下沉值与预计下沉值得差异，根据监测值选择合适复垦时机。案例分析

[0064] 选择山东某矿为例进行设计分析。该矿属于高潜水位矿区，煤层平均厚度m＝8.2m，倾角a＝4°。埋藏深度H＝420m。地表地形平坦，平均高程H0＝44m，地下潜水位深约
3.0m。模拟工作面走向长度A＝1580m，倾向B＝160m。采用综合机械化开采，工作面每天推进v＝3m/d。结合周围矿井的岩层移动观测资料，边界角δ0＝59°，充分采动角ψ3＝46°，最大下沉系数q＝0.84，主要影响角正切tgβ＝2。复垦措施措施为挖深垫浅，鱼塘养殖要求常年积水深度d大于3m，表土剥离厚度h＝0.3m。结合前文的理论，计算该矿动态预复垦的关键技术参数。

[0065] (1)最大下沉值

[0066] 因煤层倾向未达到充分采动，开采沉陷理论最大地表下沉值:

[0067] W0＝Cym*m*q*cos(a)＝4604mm  (8)

[0068] 式中，Cym—倾向采动程度系数,本文取值0.6604。

[0069] (2)沉陷分区

[0070] 走向治理总长度＝1580+2*420*ctg(59°)≈2085m

[0071] 倾向治理宽度＝160+2*420*ctg(59°)≈665m

[0072] 潜水位埋深3m，根据3m的下沉等值线，沿走向将沉陷区划分为三个治理区。一区和三区长度285m，二区长度1515m。

[0073] (3)复垦时机选择

[0074] 根据养殖对水源深度的要求，结合开采沉陷的最大下沉值和潜水位深度，挖深区需要再进一步挖深1.4m。为了防止在水中施工，计算得到当地表临时最大下沉值Wt＝1300mm时，应当完成挖土工作。以开切眼时刻t0＝0为基础，当t1＝104天，工作面推进距离D＝312m时，地表Wt＝1300mm时。

[0075] (4)条带挖深垫浅参数

[0076] 根据挖填平衡要求，在倾斜主断面上，挖深区的长度为150m，垫浅区长度为515m。为了抵御残余变形影响，田面修建从由中心向边缘的1％坡降。结合田块的建设要求，条带宽度控制在20-30m为宜。

[0077] (5)土壤重构

[0078] 将复垦区的土层分为两层进行土壤重构，首先将第一条带的表土剥离，堆放在一区，用于一区的复垦。之后，根据条带的断面设计，利用底土进行挖深垫浅，预留表土回填标高。然后将第二条带垫浅区的表土覆盖在第一条带已完成底土平整的垫浅区上，完成第一条带的耕地的土壤重构。同时将第二条带挖深区的表土运至一区进行再利用。之后进行第二条带底土的挖深垫高及表土回覆工作，以此类推。当时施工后续条带时，表土挖深区表土的堆放运至三区，便于二区最后一个条带及三区的复垦工作。施工流程见图4所示。

[0079] (6)技术经济分析

[0080] 1)时间效益对比分析

[0081] 按照传统模式进行治理，需要等待整个工作面开采完成及地表沉陷稳定后进行复垦。对本研究案例来说，需要4.3年以后才能开始治理。而动态预复垦可以在开始开采104天后，即可进行治理，土地荒芜时间减少近4年。说明动态预复垦方法可以大幅减少土地荒芜时间。

[0082] 2)治理成本

[0083] 高潜水位矿区，如果等待稳沉后，进行挖深垫浅工作，需要水中作业，施工成本大幅增加，通过对预算定额进行分析，工作量相同的条件下，有水作业成本高出1倍以上。