專利名稱：用于采煤沉陷地邊采邊復的基于土方平衡的基塘布局方法
用于采煤沉陷地邊采邊復的基于土方平衡的基塘布局方法技術領域
本發明屬于采礦、土地利用和土地復墾技術領域，特別涉及中高潛水位礦區煤炭開采過程中的土方剝離區域與回填區域的確定，主要以復墾區挖方量與回填量土方平衡為主要考核指標對地下開采過程中地面復墾時土方剝離與回填的空間布局進行優化確定。
背景技術：
據不完全統計，中國采煤塌陷土地面積已達100萬公頃且仍以約4萬公頃/年的速度遞增，中國中部及東部中高潛水位礦區由于土地沉陷后主要以積水形式破壞為主，大面積的優質農田淪為水域，優質肥沃的土壤沉入水中、質量嚴重下降。在現有的復墾技術水平條件下復耕率只有30%左右，十分低下，直接影響到當地的耕地數量和質量。
近年來，人們面對這種“先塌陷、后復墾”的傳統復墾模式，急切希望研究出新型的復墾模式予以取代，尤其是對于中高潛水位地區。一些學者相繼提出“預復墾”、“動態復墾”、“超前復墾”等復墾思想與方法，希望通過提前采取復墾措施來搶救將要沉入水中的土壤，達到提高復墾耕地面積的目的。因此，如何搶救更多的土壤同時又復墾更多的耕地是一個至關重要難題，也是邊采邊復等一些新型復墾技術的突破點。對于復墾空間布局，即地面提前進行土方剝離與回填區域的確定，目前暫無研究。在實際工程中，往往通過經驗，對將要積水區域的土源進行剝離并就近堆放，超前復墾時復墾空間布局的確定無科學與理論依據。
基塘是指水塘及包圍水塘的小地塊。基塘農業是勞動人民在長期的農業生產實踐中創建的耕作經營管理制度的一種新型農業。有許多地勢低洼的地方，每逢暴雨便積水不退，后經人工改造，把洼地深挖成池塘養魚，挖出的泥土堆在四周成“基”。發明內容
本發明的目的是為解決上述難題，提出用于采煤沉陷地邊采邊復的基于土方平衡的基塘布局方法，本發明旨在確定最佳的土方剝離區域與回填區域(考慮在無外來土源的情況下)達到最大限度保護和利用土資源，最大程度的提高復耕率，同時減小畝均復墾成本。確保礦產資源開采與土地保護的協調發展，創建和諧綠色礦山。
本發明提出的用于采 煤沉陷地邊采邊復的基于土方平衡的基塘布局方法，該方法主要適用于單一煤層，該方法包括基于概率積分法的采煤沉陷預測與地理信息系統結合，獲得各斷面的下沉剖面線，根據下沉剖面線從沉陷盆地邊緣至盆地中心，依次等距確定多種土方剝離與回填的范圍，進而估算各種剝離與回填范圍內的土方剝離量與土方回填量，當土方剝離量與回填量趨于相等時所確定的剝離與回填范圍，作為最優的基塘空間布局。
該方法具體包括以下步驟:
I)收集礦區相關數據，包括礦區的地質條件、采礦計劃、原始地面高程、水文條件、土壤條件；
2)獲得采煤沉陷預計下沉等值線:根據步驟I)獲得的礦區地質條件和采礦計劃預測出礦區采煤沉陷預計下沉等值線；3)各斷面下沉剖面線的獲取:利用步驟2)得到的采煤沉陷預計下沉等值線與礦區開采前的原始地面高程結合，建立地面沉陷高程模型，從而獲得沉陷盆地內各個斷面上的下沉剖面線；4)最優的基塘空間布局的確定:在步驟3)獲得的沉陷盆地內各個斷面上的下沉剖面線中選取傾向和走向的主斷面，自沉陷盆地邊緣至盆地中心，依次等距確定土源剝離的情景條件，進而估算各情景條件下的土方剝離量(V1)與復墾所需土方回填量(V/ )；若=V1-V/ < O,則挖方量小于填方量,需要客土才能滿足該復墾布局；V1-V1' > 0，則挖方量大于填方量，剝離區域過大，剝離土方需要外運；V1-V1' =0，則挖方量等于填方量，剝離與回填區域最優。本發明主要具有以下技術優點:通過沉陷預計與建立地面沉陷高程模型，獲得主斷面走向與傾向方向的下沉剖面線，等距確定土源剝離與回填的區域，通過兩端逐次逼近的方法，以土方平衡為條件進行模擬與優選，從而最終確定該地質采礦條件下邊采邊復最佳的復墾布局，實現了解救珍貴土資源并充分利用、復耕率最大化、畝均復墾成本最小化的目的，是邊采邊復思想予以實現的關鍵技術。(I)通過在地面沉陷高程模型上確定的最優復墾布局(即確定土源剝離區域與回填區域)，可以預先知道復墾范圍，有利于制定更合理的復墾計劃和復墾管理決策，有利于估算復墾工程量和確定復墾時機等。(2)本發明通過兩端逐次逼近的方法，優選出最佳的復墾布局，能最大限度的搶救礦區土資源并且將其充分利用不浪費，最大程度地減小了復墾工程量、降低了畝均復墾成本，同時確保了最聞的復耕率。
圖1為用于采煤沉陷地邊采邊復的基于土方平衡的基塘布局方法流程2為兩端逼近不同土方剝離點位復墾設計示意圖。圖3為不同情景條件下挖填土方量變化圖。
具體實施方式
:本發明提出的用于采煤沉陷地邊采邊復的基于土方平衡的基塘布局方法，結合附圖及實施例詳細說明如下:本發明的方法主要適用于單一煤層，該方法包括基于概率積分法的采煤沉陷預測與地理信息系統結合，獲得各斷面的下沉剖面線，根據下沉剖面線從沉陷盆地邊緣至盆地中心，依次等距確定多種土方剝離與回填的范圍，進而估算各種剝離與回填范圍內的土方剝離量與土方回填量，當土方剝離量與回填量趨于相等時所確定的剝離與回填范圍，作為最優的基塘空間布局。該方法具體包括以下步驟:I)收集礦區相關數據，包括礦區的地 質條件、采礦計劃、原始地面高程、水文條件、土壤條件；
2)獲得采煤沉陷預計下沉等值線:根據步驟I)獲得的礦區地質條件和采礦計劃預測出礦區采煤沉陷預計下沉等值線；
3)各斷面下沉剖面線的獲取:利用步驟2)得到的采煤沉陷預計下沉等值線與礦區開采前的原始地面高程結合，建立地面沉陷高程模型，從而獲得沉陷盆地內各個斷面上的下沉剖面線；
4)最優的基塘空間布局的確定:在步驟3)獲得的沉陷盆地內各個斷面上的下沉剖面線中選取傾向和走向的主斷面，自沉陷盆地邊緣至盆地中心，依次等距確定土源剝離的情景條件，進而估算各情景條件下的土方剝離量(V1)與復墾所需土方回填量(V/ )；
若=V1-V/ < O,則挖方量小于填方量,需要客土才能滿足該復墾布局；
V1-V1' > 0，則挖方量大于填方量，剝離區域過大，剝離土方需要外運；
V1-V1' =0，則挖方量等于填方量，剝離與回填區域最優。
實施例:
本實施例研究范圍是在華東平原某一高潛水位礦區內。礦區內煤層平均埋藏深度在800.0m左右、煤層平均厚度在5.0m左右，地表自然高程在+43.2m +44.6m之間，地面坡度在O 2 °之間，地勢較平緩，地下潛水位埋深在2.5m 3.0m之間。
本實施例基于采煤沉陷模擬在計算機軟件環境下建立模型對邊采邊復最優土方剝離點位進行優選，進而確定最優的基塘空間布局，其步驟如圖1所示，包括:
I)礦區現場調查及信息數據獲取
采集礦區自然條件信息:地面高程、潛水位埋深、土地利用現狀圖；采集礦區地質條件信息:煤層開采厚度、煤層埋藏深度、煤層傾向方位角、下沉系數、水平移動系數、影響傳播角；采集礦區采礦計劃信息:采煤工作面布置、采煤工作面開采順序、開采方向、采掘工程平面圖；明確礦區復墾過程中的客土與外運土條件。研究范圍為礦區內的一個單一采區，采區內共分為七個工作面，每個工作面尺寸為1800mX 200m，地表下沉系數為0.8，煤層平均埋藏深度在800.0m左右、煤層平均厚度在5.0m左右，地表自然高程在+43.2m +44.6m之間，地面坡度在O 2 °之間，地勢較平緩，地下潛水位埋深在2.5m 3.0m之間；研究區沒有客土土源和外運 土場地，復墾盡可能做到挖填土方平衡。
2)預計出礦區采煤沉陷后的下沉等值線
運用概率積分法根據調查得到的數據在計算機軟件下預計出礦區采煤沉陷后的下沉等值線。等值線之間下沉等間距設為0.25m，其中最大下沉值為3.87m。
3)各斷面下沉剖面線的獲取
根據礦區地表高程信息在計算機軟件下建立起礦區原始地表高程數據模型，在原始地表高程數據模型下將采煤沉陷后的下沉數據信息進行疊加，疊加后得出礦區地面沉陷高程數據模型。從而獲得沉陷盆地內各個斷面上的下沉剖面線。礦區塌陷面積為763.82hm2，其中損毀耕地面積共637.17hm2，造成塌陷積水面積共210.0Ohm2。
4)確定最優土方剝離點位
在步驟3)獲得的沉陷盆地內各個斷面上的下沉剖面線中選取傾向和走向的主斷面，自沉陷盆地邊緣至盆地中心，依次等距確定土源剝離的情景條件，進而估算出各情景條件下的土方剝離量(V1)與復墾所需土方回填量(V/ )。如圖2所示為走向主斷面的下沉剖面圖，先等距離劃分下沉剖面線(a g及a' g')分別選取a-a'(情景l)、b_b'(情景 2)、c-c'(情景 3)、d-d'(情景 4)、e_e'(情景 5)、f-f'(情景 6)、g_g'(情景 7)為土方剝離區域，建立7種情景。進而計算7種情景下土方剝離量(V1)與復墾所需土方回填量(V/ )。本例中對于復墾土方剝離區域統一設計挖至標高+38.5m，土方回填區域統一設計填至標高+43.2m，各情境下的剝離量與回填量如圖3所示，可以看出當從兩端逼近篩選至d-d,時，挖 填土方量基本一致，此時為最優的復墾布局模式。
權利要求
1.一種用于采煤沉陷地邊采邊復的基于土方平衡的基塘布局方法，該方法主要適用于單一煤層，該方法包括基于概率積分法的采煤沉陷預測與地理信息系統結合，獲得各斷面的下沉剖面線，根據下沉剖面線從沉陷盆地邊緣至盆地中心，依次等距確定多種土方剝離與回填的范圍，進而估算各種剝離與回填范圍內的土方剝離量與土方回填量，當土方剝離量與回填量趨于相等時所確定的剝離與回填范圍，作為最優的基塘空間布局。
2.如權利要求1所述的方法，具體包括以下步驟: 1)收集礦區相關數據，包括礦區的地質條件、采礦計劃、原始地面高程、水文條件、土壤條件； 2)獲得采煤沉陷預計下沉等值線:根據步驟I)獲得的礦區地質條件和采礦計劃預測出礦區采煤沉陷預計下沉等值線； 3)各斷面下沉剖面線的獲取:利用步驟2)得到的采煤沉陷預計下沉等值線與礦區開采前的原始地面高程結合，建立地面沉陷高程模型，從而獲得沉陷盆地內各個斷面上的下沉剖面線； 4)最優的基塘空間布局的確定:在步驟3)獲得的沉陷盆地內各個斷面上的下沉剖面線中選取傾向和走向的主斷面，自沉陷盆地邊緣至盆地中心，依次等距確定土源剝離的情景條件，進而估算各情景條件下的土方剝離量(V1)與復墾所需土方回填量(V/ )； 若=V1-V/ < O，則挖方量小于填方量，需要客土才能滿足該復墾布局； V1-V1' > O，則挖方量大于填方量，剝離區域過大，剝離土方需要外運； V1-V/ =O,則挖 方量等于填方量，剝離與回填區域最優。
全文摘要
本發明涉及用于采煤沉陷地邊采邊復的基于土方平衡的基塘布局方法，屬于采礦技術、土地利用和土地復墾技術領域。該方法包括該方法主要適用于單一煤層，包括基于概率積分法的采煤沉陷預測與地理信息系統結合，獲得各斷面的下沉剖面線，根據下沉剖面線從沉陷盆地邊緣至盆地中心，依次等距確定多種土方剝離與回填的范圍，進而估算各種剝離與回填范圍內的土方剝離量與土方回填量，當土方剝離量與回填量趨于相等時所確定的剝離與回填范圍，作為最優的基塘空間布局。本發明在確定最佳的土方剝離區域與回填區域達到最大限度保護和利用土資源，最大程度的提高復耕率，同時減小畝均復墾成本。確保礦產資源開采與土地保護的協調發展，創建和諧綠色礦山。
文檔編號G06F17/50GK103235853SQ201310139320
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月21日 優先權日2013年4月21日
發明者胡振琪, 肖武, 劉坤坤 申請人:中國礦業大學(北京)