專利名稱：基于采煤沉陷模擬和復(fù)耕率的邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)的優(yōu)選方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于采礦技術(shù)、土地利用和土地復(fù)墾領(lǐng)域，特別涉及平原高潛水位礦區(qū)煤炭開采過程中的動(dòng)態(tài)預(yù)測分析、情景模擬和土地復(fù)墾，主要以復(fù)耕率為考核指標(biāo)對開采過程中復(fù)墾時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)選。
背景技術(shù)：
中國煤炭資源礦產(chǎn)-糧復(fù)合區(qū)域面積大，井工開采強(qiáng)度高，特別是東部高潛水位礦區(qū)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(yán)重。根據(jù)該類地區(qū)多年的復(fù)墾經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有技術(shù)水平下復(fù)耕率只有30%左右，十分低下，大面積的優(yōu)質(zhì)農(nóng)田變?yōu)樗?，直接影響耕地的?shù)量。如若穩(wěn)定后再復(fù)墾往往會使土地荒廢時(shí)間長、復(fù)墾時(shí)間也延長，因此，高潛水位地區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾具有特別重要的研究意義。以往煤礦塌陷區(qū)土地復(fù)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(jié)束地表沉陷基本穩(wěn)定后，以研究區(qū)實(shí)地測量繪圖為設(shè)計(jì)底圖進(jìn)行設(shè)計(jì)后一次施工完成治理。由于這種方法是在采礦結(jié)束、沉陷基本穩(wěn)定后進(jìn)行，存在以下缺點(diǎn)(I)復(fù)墾土源無保障，由于復(fù)墾工作是在沉陷穩(wěn)定后再進(jìn)行，大部分土地已經(jīng)沒入水中，平原礦區(qū)珍貴的表土資源損失殆盡，難以搶救；(2)復(fù)墾耕地率低，在考慮無源復(fù)墾即無外來固體充填物的情況下，研究區(qū)內(nèi)的固體充填物有限，因而復(fù)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(fù)墾工程質(zhì)量低，積水后土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)下降，養(yǎng)分降低。近年來，“動(dòng)態(tài)復(fù)墾”與“超前復(fù)墾”得到逐步重視，研究人員希望通過提前采取復(fù)墾措施來達(dá)到保護(hù)耕地的目的，但是目前較為普遍的做法是首先，預(yù)測研究區(qū)域煤炭開采的最終下沉等值線；其次，根據(jù)下沉等值線確定最終的季節(jié)性積水區(qū)域與常年積水區(qū)域； 最后，在煤炭開采前或者開采過程中根據(jù)最后的下沉布局提前進(jìn)行表土剝離。由于缺乏科學(xué)合理的模擬與分析，對地表受煤炭開采影響下的演化規(guī)律缺乏認(rèn)知，這一方法不能準(zhǔn)確的確定最佳的復(fù)墾時(shí)機(jī)，因而無法達(dá)到最佳的復(fù)墾效果。中國煤炭的重要地位在相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)難以改變，而人地矛盾會越來越突出，尤其是在煤炭-糧食復(fù)合區(qū)，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(shí)期內(nèi)以農(nóng)用地為復(fù)墾為主的方針不可改變。為了最大限度的保護(hù)耕地資源，縮短復(fù)墾時(shí)間實(shí)現(xiàn)及時(shí)復(fù)墾，邊開采邊復(fù)墾是首選，必將成為今后中國采煤塌陷地復(fù)墾的發(fā)展趨勢。而邊采邊復(fù)的時(shí)機(jī)選擇，作為這項(xiàng)技術(shù)的核心與關(guān)鍵，是此項(xiàng)技術(shù)能否成功與應(yīng)用的最重要的因素。井工煤礦區(qū)邊開采邊復(fù)墾技術(shù)的難題在于I)煤炭開采造成地面土地沉陷的動(dòng)態(tài)過程難以掌握；2)地下開采情況下的地貌發(fā)展可視化技術(shù)研究較少；2)開采過程中，不同時(shí)段復(fù)墾的效率難以有效量化分析。邊開采邊復(fù)墾過程中的復(fù)墾時(shí)機(jī)優(yōu)選是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)，風(fēng)險(xiǎn)性的存在使得其難度超過了現(xiàn)有的穩(wěn)沉后土地復(fù)墾技術(shù)，特別是受地質(zhì)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(yōu)選技術(shù)理論面廣，技術(shù)難度大，實(shí)用性高。
1965年，劉寶琢、廖國華出版了《煤礦地表移動(dòng)的基本規(guī)律》一書，將概率積分法全面引入我國礦區(qū)地表移動(dòng)沉陷預(yù)計(jì)，目前，概率積分法也成為中國最成熟應(yīng)用范圍最廣泛的煤礦開采沉陷預(yù)計(jì)理論。應(yīng)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(yīng)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(tǒng)(Geographic Information System, GIS),它是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個(gè)或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。GIS與測繪學(xué)和地理學(xué)有著密切的關(guān)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(shù)為GIS中的空間實(shí)體提供各種不同比例尺和精度的定位數(shù)。GIS的技術(shù)優(yōu)勢在于它的數(shù)據(jù)綜合、模擬與分析評價(jià)能力，可以得到常規(guī)方法或普通信息系統(tǒng)難以得到的重要信息，實(shí)現(xiàn)地理空間過程演化的模擬和預(yù)測。本發(fā)明結(jié)合GIS技術(shù)，分析、模擬地下開采對地面土地的影響過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決上述難題，提出基于采煤沉陷模擬和復(fù)耕率的邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)的優(yōu)選方法，本發(fā)明旨在確定最佳的復(fù)墾時(shí)機(jī)，達(dá)到最大限度保護(hù)表土資源，最大程度確保復(fù)耕率。確保資源開采與土地保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，創(chuàng)建和諧綠色礦山。本發(fā)明提出的基于采煤沉陷模擬和復(fù)耕率的邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)的優(yōu)選方法，基于概率積分法的動(dòng)態(tài)沉陷預(yù)測與地理信息系統(tǒng)結(jié)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(jù)采礦系統(tǒng)資料獲取研究區(qū)的地質(zhì)條件、采礦計(jì)劃的信息地質(zhì)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(jì)劃包括采礦系統(tǒng)布置、開采煤層的采煤工作面布置、開采方向、開采時(shí)間順序；2)基于Knothe時(shí)間函數(shù)，采用概率積分法獲得預(yù)計(jì)開采單元各開采時(shí)段的動(dòng)態(tài)下沉等值線；具體方法說明如下knothe時(shí)間函數(shù)為f (x) = l_e_rt，t為預(yù)計(jì)開采時(shí)刻與開采單元的開采時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，c為下沉速度系數(shù)；設(shè)過采空區(qū)傾斜主斷面內(nèi)下山計(jì)算邊界中與煤層走向平行的線為X軸，過采空區(qū)走向主斷面左計(jì)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(diǎn) P的坐標(biāo)為X和y，則，根據(jù)下沉盆地的表達(dá)式可以推導(dǎo)出地表下沉盆地內(nèi)任意方向的任意點(diǎn)χ的下沉值W(x, y)如表達(dá)式⑴所示

權(quán)利要求
1.一種基于采煤沉陷模擬和復(fù)耕率的邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)的優(yōu)選方法，基于概率積分法的動(dòng)態(tài)沉陷預(yù)測與地理信息系統(tǒng)結(jié)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(jù)采礦系統(tǒng)資料獲取研究區(qū)的地質(zhì)條件、采礦計(jì)劃的信息地質(zhì)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(jì)劃包括采礦系統(tǒng)布置、開采煤層的采煤工作面布置、開采方向、開采時(shí)間順序；2)基于Knothe時(shí)間函數(shù)，采用概率積分法獲得預(yù)計(jì)開采單元各開采時(shí)段的動(dòng)態(tài)下沉等值線；具體方法說明如下knothe時(shí)間函數(shù)為f(x) = l-e_rt，t為預(yù)計(jì)開采時(shí)刻與開采單元的開采時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，c為下沉速度系數(shù)；設(shè)過采空區(qū)傾斜主斷面內(nèi)下山計(jì)算邊界中與煤層走向平行的線為X軸，過采空區(qū)走向主斷面左計(jì)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(diǎn)P的坐標(biāo)為χ和y，則，根據(jù)下沉盆地的表達(dá)式可以推導(dǎo)出地表下沉盆地內(nèi)任意方向的任意點(diǎn)χ 的下沉值W (X，y)如表達(dá)式⑴所示
全文摘要
基于采煤沉陷模擬和復(fù)耕率的單一煤層邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)的優(yōu)選方法涉及動(dòng)態(tài)開采沉陷預(yù)測與GIS分析處理，屬于采礦技術(shù)、土地利用和土地復(fù)墾領(lǐng)域，用于解決未穩(wěn)沉采煤塌陷地土地復(fù)墾問題，實(shí)現(xiàn)井工煤礦區(qū)的邊開采邊復(fù)墾。該方法包括在現(xiàn)場資料收集和分析的基礎(chǔ)上，基于概率積分法與Knothe時(shí)間函數(shù)的開采沉陷預(yù)計(jì)，考慮采礦前地貌的沉陷可視化模擬，時(shí)間域的地面沉陷情景模擬，以及基于復(fù)耕率的邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)的優(yōu)選。該發(fā)明方法通過對沉陷的動(dòng)態(tài)情景模擬及復(fù)墾時(shí)機(jī)的優(yōu)選，確定了特定采礦條件與自然條件下的最佳復(fù)墾時(shí)機(jī)，可最大限度的搶救平原礦區(qū)珍貴的表土資源，對將要遭受沉陷破壞的土地進(jìn)行提前規(guī)劃、保護(hù)與治理，從而提高復(fù)墾耕地率并降低復(fù)墾成本，促進(jìn)礦區(qū)土地資源的可持續(xù)利用與可持續(xù)發(fā)展，確保煤炭資源開采與耕地保護(hù)的的協(xié)調(diào)與同步發(fā)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(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者肖武, 胡振琪 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)