專利名稱：用于采煤沉陷地邊采邊復(fù)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(fù)的基于土方平衡的基塘布局方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于采礦、土地利用和土地復(fù)墾技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及中高潛水位礦區(qū)煤炭開采過程中的土方剝離區(qū)域與回填區(qū)域的確定，主要以復(fù)墾區(qū)挖方量與回填量土方平衡為主要考核指標(biāo)對(duì)地下開采過程中地面復(fù)墾時(shí)土方剝離與回填的空間布局進(jìn)行優(yōu)化確定。
背景技術(shù)：
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國采煤塌陷土地面積已達(dá)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(qū)由于土地沉陷后主要以積水形式破壞為主，大面積的優(yōu)質(zhì)農(nóng)田淪為水域，優(yōu)質(zhì)肥沃的土壤沉入水中、質(zhì)量嚴(yán)重下降。在現(xiàn)有的復(fù)墾技術(shù)水平條件下復(fù)耕率只有30%左右，十分低下，直接影響到當(dāng)?shù)氐母財(cái)?shù)量和質(zhì)量。
近年來，人們面對(duì)這種“先塌陷、后復(fù)墾”的傳統(tǒng)復(fù)墾模式，急切希望研究出新型的復(fù)墾模式予以取代，尤其是對(duì)于中高潛水位地區(qū)。一些學(xué)者相繼提出“預(yù)復(fù)墾”、“動(dòng)態(tài)復(fù)墾”、“超前復(fù)墾”等復(fù)墾思想與方法，希望通過提前采取復(fù)墾措施來搶救將要沉入水中的土壤，達(dá)到提高復(fù)墾耕地面積的目的。因此，如何搶救更多的土壤同時(shí)又復(fù)墾更多的耕地是一個(gè)至關(guān)重要難題，也是邊采邊復(fù)等一些新型復(fù)墾技術(shù)的突破點(diǎn)。對(duì)于復(fù)墾空間布局，即地面提前進(jìn)行土方剝離與回填區(qū)域的確定，目前暫無研究。在實(shí)際工程中，往往通過經(jīng)驗(yàn)，對(duì)將要積水區(qū)域的土源進(jìn)行剝離并就近堆放，超前復(fù)墾時(shí)復(fù)墾空間布局的確定無科學(xué)與理論依據(jù)。
基塘是指水塘及包圍水塘的小地塊?；赁r(nóng)業(yè)是勞動(dòng)人民在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中創(chuàng)建的耕作經(jīng)營管理制度的一種新型農(nóng)業(yè)。有許多地勢低洼的地方，每逢暴雨便積水不退，后經(jīng)人工改造，把洼地深挖成池塘養(yǎng)魚，挖出的泥土堆在四周成“基”。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(fù)的基于土方平衡的基塘布局方法，本發(fā)明旨在確定最佳的土方剝離區(qū)域與回填區(qū)域(考慮在無外來土源的情況下)達(dá)到最大限度保護(hù)和利用土資源，最大程度的提高復(fù)耕率，同時(shí)減小畝均復(fù)墾成本。確保礦產(chǎn)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)明提出的用于采 煤沉陷地邊采邊復(fù)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(yù)測與地理信息系統(tǒng)結(jié)合，獲得各斷面的下沉剖面線，根據(jù)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(jìn)而估算各種剝離與回填范圍內(nèi)的土方剝離量與土方回填量，當(dāng)土方剝離量與回填量趨于相等時(shí)所確定的剝離與回填范圍，作為最優(yōu)的基塘空間布局。
該方法具體包括以下步驟:
I)收集礦區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括礦區(qū)的地質(zhì)條件、采礦計(jì)劃、原始地面高程、水文條件、土壤條件；
2)獲得采煤沉陷預(yù)計(jì)下沉等值線:根據(jù)步驟I)獲得的礦區(qū)地質(zhì)條件和采礦計(jì)劃預(yù)測出礦區(qū)采煤沉陷預(yù)計(jì)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(yù)計(jì)下沉等值線與礦區(qū)開采前的原始地面高程結(jié)合，建立地面沉陷高程模型，從而獲得沉陷盆地內(nèi)各個(gè)斷面上的下沉剖面線；4)最優(yōu)的基塘空間布局的確定:在步驟3)獲得的沉陷盆地內(nèi)各個(gè)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(jìn)而估算各情景條件下的土方剝離量(V1)與復(fù)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(fù)墾布局；V1-V1' > 0，則挖方量大于填方量，剝離區(qū)域過大，剝離土方需要外運(yùn)；V1-V1' =0，則挖方量等于填方量，剝離與回填區(qū)域最優(yōu)。本發(fā)明主要具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn):通過沉陷預(yù)計(jì)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(qū)域，通過兩端逐次逼近的方法，以土方平衡為條件進(jìn)行模擬與優(yōu)選，從而最終確定該地質(zhì)采礦條件下邊采邊復(fù)最佳的復(fù)墾布局，實(shí)現(xiàn)了解救珍貴土資源并充分利用、復(fù)耕率最大化、畝均復(fù)墾成本最小化的目的，是邊采邊復(fù)思想予以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。(I)通過在地面沉陷高程模型上確定的最優(yōu)復(fù)墾布局(即確定土源剝離區(qū)域與回填區(qū)域)，可以預(yù)先知道復(fù)墾范圍，有利于制定更合理的復(fù)墾計(jì)劃和復(fù)墾管理決策，有利于估算復(fù)墾工程量和確定復(fù)墾時(shí)機(jī)等。(2)本發(fā)明通過兩端逐次逼近的方法，優(yōu)選出最佳的復(fù)墾布局，能最大限度的搶救礦區(qū)土資源并且將其充分利用不浪費(fèi)，最大程度地減小了復(fù)墾工程量、降低了畝均復(fù)墾成本，同時(shí)確保了最聞的復(fù)耕率。


圖1為用于采煤沉陷地邊采邊復(fù)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(diǎn)位復(fù)墾設(shè)計(jì)示意圖。圖3為不同情景條件下挖填土方量變化圖。
具體實(shí)施方式
:本發(fā)明提出的用于采煤沉陷地邊采邊復(fù)的基于土方平衡的基塘布局方法，結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如下:本發(fā)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(yù)測與地理信息系統(tǒng)結(jié)合，獲得各斷面的下沉剖面線，根據(jù)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(jìn)而估算各種剝離與回填范圍內(nèi)的土方剝離量與土方回填量，當(dāng)土方剝離量與回填量趨于相等時(shí)所確定的剝離與回填范圍，作為最優(yōu)的基塘空間布局。該方法具體包括以下步驟:I)收集礦區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括礦區(qū)的地 質(zhì)條件、采礦計(jì)劃、原始地面高程、水文條件、土壤條件；
2)獲得采煤沉陷預(yù)計(jì)下沉等值線:根據(jù)步驟I)獲得的礦區(qū)地質(zhì)條件和采礦計(jì)劃預(yù)測出礦區(qū)采煤沉陷預(yù)計(jì)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(yù)計(jì)下沉等值線與礦區(qū)開采前的原始地面高程結(jié)合，建立地面沉陷高程模型，從而獲得沉陷盆地內(nèi)各個(gè)斷面上的下沉剖面線；
4)最優(yōu)的基塘空間布局的確定:在步驟3)獲得的沉陷盆地內(nèi)各個(gè)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(jìn)而估算各情景條件下的土方剝離量(V1)與復(fù)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(fù)墾布局；
V1-V1' > 0，則挖方量大于填方量，剝離區(qū)域過大，剝離土方需要外運(yùn)；
V1-V1' =0，則挖方量等于填方量，剝離與回填區(qū)域最優(yōu)。
實(shí)施例:
本實(shí)施例研究范圍是在華東平原某一高潛水位礦區(qū)內(nèi)。礦區(qū)內(nèi)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(shí)施例基于采煤沉陷模擬在計(jì)算機(jī)軟件環(huán)境下建立模型對(duì)邊采邊復(fù)最優(yōu)土方剝離點(diǎn)位進(jìn)行優(yōu)選，進(jìn)而確定最優(yōu)的基塘空間布局，其步驟如圖1所示，包括:
I)礦區(qū)現(xiàn)場調(diào)查及信息數(shù)據(jù)獲取
采集礦區(qū)自然條件信息:地面高程、潛水位埋深、土地利用現(xiàn)狀圖；采集礦區(qū)地質(zhì)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(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、影響傳播角；采集礦區(qū)采礦計(jì)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(qū)復(fù)墾過程中的客土與外運(yùn)土條件。研究范圍為礦區(qū)內(nèi)的一個(gè)單一采區(qū)，采區(qū)內(nèi)共分為七個(gè)工作面，每個(gè)工作面尺寸為1800mX 200m，地表下沉系數(shù)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(qū)沒有客土土源和外運(yùn) 土場地，復(fù)墾盡可能做到挖填土方平衡。
2)預(yù)計(jì)出礦區(qū)采煤沉陷后的下沉等值線
運(yùn)用概率積分法根據(jù)調(diào)查得到的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)軟件下預(yù)計(jì)出礦區(qū)采煤沉陷后的下沉等值線。等值線之間下沉等間距設(shè)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(jù)礦區(qū)地表高程信息在計(jì)算機(jī)軟件下建立起礦區(qū)原始地表高程數(shù)據(jù)模型，在原始地表高程數(shù)據(jù)模型下將采煤沉陷后的下沉數(shù)據(jù)信息進(jìn)行疊加，疊加后得出礦區(qū)地面沉陷高程數(shù)據(jù)模型。從而獲得沉陷盆地內(nèi)各個(gè)斷面上的下沉剖面線。礦區(qū)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(yōu)土方剝離點(diǎn)位
在步驟3)獲得的沉陷盆地內(nèi)各個(gè)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(jìn)而估算出各情景條件下的土方剝離量(V1)與復(fù)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(fā))、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(qū)域，建立7種情景。進(jìn)而計(jì)算7種情景下土方剝離量(V1)與復(fù)墾所需土方回填量(V/ )。本例中對(duì)于復(fù)墾土方剝離區(qū)域統(tǒng)一設(shè)計(jì)挖至標(biāo)高+38.5m，土方回填區(qū)域統(tǒng)一設(shè)計(jì)填至標(biāo)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(dāng)從兩端逼近篩選至d-d,時(shí)，挖 填土方量基本一致，此時(shí)為最優(yōu)的復(fù)墾布局模式。
權(quán)利要求
1.一種用于采煤沉陷地邊采邊復(fù)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(yù)測與地理信息系統(tǒng)結(jié)合，獲得各斷面的下沉剖面線，根據(jù)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(jìn)而估算各種剝離與回填范圍內(nèi)的土方剝離量與土方回填量，當(dāng)土方剝離量與回填量趨于相等時(shí)所確定的剝離與回填范圍，作為最優(yōu)的基塘空間布局。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，具體包括以下步驟: 1)收集礦區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括礦區(qū)的地質(zhì)條件、采礦計(jì)劃、原始地面高程、水文條件、土壤條件； 2)獲得采煤沉陷預(yù)計(jì)下沉等值線:根據(jù)步驟I)獲得的礦區(qū)地質(zhì)條件和采礦計(jì)劃預(yù)測出礦區(qū)采煤沉陷預(yù)計(jì)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(yù)計(jì)下沉等值線與礦區(qū)開采前的原始地面高程結(jié)合，建立地面沉陷高程模型，從而獲得沉陷盆地內(nèi)各個(gè)斷面上的下沉剖面線； 4)最優(yōu)的基塘空間布局的確定:在步驟3)獲得的沉陷盆地內(nèi)各個(gè)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(jìn)而估算各情景條件下的土方剝離量(V1)與復(fù)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(fù)墾布局； V1-V1' > O，則挖方量大于填方量，剝離區(qū)域過大，剝離土方需要外運(yùn)； V1-V/ =O,則挖 方量等于填方量，剝離與回填區(qū)域最優(yōu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于采煤沉陷地邊采邊復(fù)的基于土方平衡的基塘布局方法，屬于采礦技術(shù)、土地利用和土地復(fù)墾技術(shù)領(lǐng)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(yù)測與地理信息系統(tǒng)結(jié)合，獲得各斷面的下沉剖面線，根據(jù)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(jìn)而估算各種剝離與回填范圍內(nèi)的土方剝離量與土方回填量，當(dāng)土方剝離量與回填量趨于相等時(shí)所確定的剝離與回填范圍，作為最優(yōu)的基塘空間布局。本發(fā)明在確定最佳的土方剝離區(qū)域與回填區(qū)域達(dá)到最大限度保護(hù)和利用土資源，最大程度的提高復(fù)耕率，同時(shí)減小畝均復(fù)墾成本。確保礦產(chǎn)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。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103235853SQ201310139320
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月21日
發(fā)明者胡振琪, 肖武, 劉坤坤 申請(qǐng)人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)