專利名稱：基于采煤沉陷模擬和復耕率的邊采邊復時機的優選方法
技術領域：
本發明屬于采礦技術、土地利用和土地復墾領域，特別涉及平原高潛水位礦區煤炭開采過程中的動態預測分析、情景模擬和土地復墾，主要以復耕率為考核指標對開采過程中復墾時機進行優選。
背景技術：
中國煤炭資源礦產-糧復合區域面積大，井工開采強度高，特別是東部高潛水位礦區由于土地沉陷后主要以積水破壞為主，大量肥沃的土壤沉入水中、土壤損失嚴重。根據該類地區多年的復墾經驗，在現有技術水平下復耕率只有30%左右，十分低下，大面積的優質農田變為水域，直接影響耕地的數量。如若穩定后再復墾往往會使土地荒廢時間長、復墾時間也延長，因此，高潛水位地區采煤塌陷地復墾具有特別重要的研究意義。以往煤礦塌陷區土地復墾方法是待其塌陷后再治理，即先破壞后治理，一般需等待開采結束地表沉陷基本穩定后，以研究區實地測量繪圖為設計底圖進行設計后一次施工完成治理。由于這種方法是在采礦結束、沉陷基本穩定后進行，存在以下缺點(I)復墾土源無保障，由于復墾工作是在沉陷穩定后再進行，大部分土地已經沒入水中，平原礦區珍貴的表土資源損失殆盡，難以搶救；(2)復墾耕地率低，在考慮無源復墾即無外來固體充填物的情況下，研究區內的固體充填物有限，因而復耕率難以得到保障。(3)施工難度大，涉及疏排水及水下施工。(4)復墾工程質量低，積水后土壤各項理化指標下降，養分降低。近年來，“動態復墾”與“超前復墾”得到逐步重視，研究人員希望通過提前采取復墾措施來達到保護耕地的目的，但是目前較為普遍的做法是首先，預測研究區域煤炭開采的最終下沉等值線；其次，根據下沉等值線確定最終的季節性積水區域與常年積水區域； 最后，在煤炭開采前或者開采過程中根據最后的下沉布局提前進行表土剝離。由于缺乏科學合理的模擬與分析，對地表受煤炭開采影響下的演化規律缺乏認知，這一方法不能準確的確定最佳的復墾時機，因而無法達到最佳的復墾效果。中國煤炭的重要地位在相當長時期內難以改變，而人地矛盾會越來越突出，尤其是在煤炭-糧食復合區，采煤塌陷引起的耕地減少會直接影響國家糧食安全，因此，在今后較長時期內以農用地為復墾為主的方針不可改變。為了最大限度的保護耕地資源，縮短復墾時間實現及時復墾，邊開采邊復墾是首選，必將成為今后中國采煤塌陷地復墾的發展趨勢。而邊采邊復的時機選擇，作為這項技術的核心與關鍵，是此項技術能否成功與應用的最重要的因素。井工煤礦區邊開采邊復墾技術的難題在于I)煤炭開采造成地面土地沉陷的動態過程難以掌握；2)地下開采情況下的地貌發展可視化技術研究較少；2)開采過程中，不同時段復墾的效率難以有效量化分析。邊開采邊復墾過程中的復墾時機優選是一項非常復雜的技術，風險性的存在使得其難度超過了現有的穩沉后土地復墾技術，特別是受地質采礦條件、開采工藝、開采沉陷理論與方法等因素的影響較大，因而這一優選技術理論面廣，技術難度大，實用性高。
1965年，劉寶琢、廖國華出版了《煤礦地表移動的基本規律》一書，將概率積分法全面引入我國礦區地表移動沉陷預計，目前，概率積分法也成為中國最成熟應用范圍最廣泛的煤礦開采沉陷預計理論。應用該理論，可獲得煤炭開采過程中各階段的地表下沉值及相應的水平變形、曲率變形、傾斜變形等各種變形值。地理信息系統(Geographic Information System, GIS),它是一種特定的十分重要的空間信息系統。它是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。GIS與測繪學和地理學有著密切的關系。大地測量、工程測量、礦山測量、地籍測量、航空攝影測量和遙感技術為GIS中的空間實體提供各種不同比例尺和精度的定位數。GIS的技術優勢在于它的數據綜合、模擬與分析評價能力，可以得到常規方法或普通信息系統難以得到的重要信息，實現地理空間過程演化的模擬和預測。本發明結合GIS技術，分析、模擬地下開采對地面土地的影響過程。
發明內容
本發明的目的是為解決上述難題，提出基于采煤沉陷模擬和復耕率的邊采邊復時機的優選方法，本發明旨在確定最佳的復墾時機，達到最大限度保護表土資源，最大程度確保復耕率。確保資源開采與土地保護的協調發展，創建和諧綠色礦山。本發明提出的基于采煤沉陷模擬和復耕率的邊采邊復時機的優選方法，基于概率積分法的動態沉陷預測與地理信息系統結合的情景模擬分析，適用于單一煤層，該方法包括以下步驟I)根據采礦系統資料獲取研究區的地質條件、采礦計劃的信息地質條件包括開采前的地面高程、煤層開采厚度、埋藏深度、斷層分布、松散層厚度等；采礦計劃包括采礦系統布置、開采煤層的采煤工作面布置、開采方向、開采時間順序；2)基于Knothe時間函數，采用概率積分法獲得預計開采單元各開采時段的動態下沉等值線；具體方法說明如下knothe時間函數為f (x) = l_e_rt，t為預計開采時刻與開采單元的開采時刻之間的時間間隔，c為下沉速度系數；設過采空區傾斜主斷面內下山計算邊界中與煤層走向平行的線為X軸，過采空區走向主斷面左計算邊界中與傾斜方向平行的線為Y軸，與煤層走向成Φ角的任意剖面上點 P的坐標為X和y，則，根據下沉盆地的表達式可以推導出地表下沉盆地內任意方向的任意點χ的下沉值W(x, y)如表達式⑴所示
權利要求
1.一種基于采煤沉陷模擬和復耕率的邊采邊復時機的優選方法，基于概率積分法的動態沉陷預測與地理信息系統結合的情景模擬分析，適用于單一煤層，該方法包括以下步驟1)根據采礦系統資料獲取研究區的地質條件、采礦計劃的信息地質條件包括開采前的地面高程、煤層開采厚度、埋藏深度、斷層分布、松散層厚度等；采礦計劃包括采礦系統布置、開采煤層的采煤工作面布置、開采方向、開采時間順序；2)基于Knothe時間函數，采用概率積分法獲得預計開采單元各開采時段的動態下沉等值線；具體方法說明如下knothe時間函數為f(x) = l-e_rt，t為預計開采時刻與開采單元的開采時刻之間的時間間隔，c為下沉速度系數；設過采空區傾斜主斷面內下山計算邊界中與煤層走向平行的線為X軸，過采空區走向主斷面左計算邊界中與傾斜方向平行的線為Y軸，與煤層走向成Φ角的任意剖面上點P的坐標為χ和y，則，根據下沉盆地的表達式可以推導出地表下沉盆地內任意方向的任意點χ 的下沉值W (X，y)如表達式⑴所示
全文摘要
基于采煤沉陷模擬和復耕率的單一煤層邊采邊復時機的優選方法涉及動態開采沉陷預測與GIS分析處理，屬于采礦技術、土地利用和土地復墾領域，用于解決未穩沉采煤塌陷地土地復墾問題，實現井工煤礦區的邊開采邊復墾。該方法包括在現場資料收集和分析的基礎上，基于概率積分法與Knothe時間函數的開采沉陷預計，考慮采礦前地貌的沉陷可視化模擬，時間域的地面沉陷情景模擬，以及基于復耕率的邊采邊復時機的優選。該發明方法通過對沉陷的動態情景模擬及復墾時機的優選，確定了特定采礦條件與自然條件下的最佳復墾時機，可最大限度的搶救平原礦區珍貴的表土資源，對將要遭受沉陷破壞的土地進行提前規劃、保護與治理，從而提高復墾耕地率并降低復墾成本，促進礦區土地資源的可持續利用與可持續發展，確保煤炭資源開采與耕地保護的的協調與同步發展。
文檔編號G06Q10/04GK102609782SQ201210006240
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者肖武, 胡振琪 申請人:中國礦業大學(北京)