基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法

摘要

基于采煤沉陷模拟和复耕率的单一煤层边采边复时机的优选方法涉及动态开采沉陷预测与GIS分析处理，属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，用于解决未稳沉采煤塌陷地土地复垦问题，实现井工煤矿区的边开采边复垦。该方法包括：在现场资料收集和分析的基础上，基于概率积分法与Knothe时间函数的开采沉陷预计，考虑采矿前地貌的沉陷可视化模拟，时间域的地面沉陷情景模拟，以及基于复耕率的边采边复时机的优选。该发明方法通过对沉陷的动态情景模拟及复垦时机的优选，确定了特定采矿条件与自然条件下的最佳复垦时机，可最大限度的抢救平原矿区珍贵的表土资源，对将要遭受沉陷破坏的土地进行提前规划、保护与治理，从而提高复垦耕地率并降低复垦成本，促进矿区土地资源的可持续利用与可持续发展，确保煤炭资源开采与耕地保护的的协调与同步发展。

主权项

1.一种基于采煤沉陷模拟和复耕率的边采边复时机的优选方法，基于概率积分法的动态沉陷预测与地理信息系统结合的情景模拟分析，适用于单一煤层，该方法包括以下步骤：1)根据采矿系统资料获取研究区的地质条件、采矿计划的信息：地质条件包括开采前的地面高程、煤层开采厚度、埋藏深度、断层分布、松散层厚度等；采矿计划包括采矿系统布置、开采煤层的采煤工作面布置、开采方向、开采时间顺序；2)基于Knothe时间函数，采用概率积分法获得预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线；具体方法说明如下：knothe时间函数为：f(x)＝1-e^-ct，t为预计开采时刻与开采单元的开采时刻之间的时间间隔，c为下沉速度系数；设过采空区倾斜主断面内下山计算边界中与煤层走向平行的线为X轴，过采空区走向主断面左计算边界中与倾斜方向平行的线为Y轴，与煤层走向成Φ角的任意剖面上点P的坐标为x和y，则，根据下沉盆地的表达式可以推导出地表下沉盆地内任意方向的任意点x的下沉值W(x，y)如表达式(1)所示：$W(x,y)=W_{\mathrm{cm}}·\underset{D}{\int \int }\frac{1}{r^2}·e^{-\pi \frac{{(\eta -x)}^2+{(\xi -y)}^2}{r^2}}·\mathrm{d\eta }·\mathrm{d\xi }---\left(1\right)$式中：r为任意开采水平的主要影响半径，单位为m；D为采空区；x，y为点P坐标，单位为m；W_cm地表充分采动的最大下沉值，单位为mm，通常通过观测站资料获取；根据开采单元各开采时段的最大下沉值，由式(1)分别预计开采单元各开采时段的动态下沉值，并分别绘制预计开采单元每个开采时段的下沉等值线，并形成预计开采单元各开采时段的动态下沉等值线；3)动态沉陷地面高程模型的获得：利用开采前的地面高程信息构建原始地面高程模型，将所述预计开采单元各个开采时段的动态下沉等值线通过插值形成下沉高程模型，将该两模型进行叠加获得开采单元各开采时段的动态沉陷地面高程模型；该动态沉陷地面高程模型具体表达式如下：设研究区范围内共有n个点，m个时刻的开采沉陷地表特征，则研究区域内任意一点Ai在任意时刻j的地表特征的动态沉陷地面高程模型如公式(2)所示：$f(x_{i_j},y_{i_j},z_{i_j})=f[x_{i_j},y_{i_j},(z_i-\underset{i=1,j=1}{\overset{i=n,j=m}{\Sigma }}{h}_{\mathrm{ij}})]---\left(2\right)$式中：---地面点i在j时刻的平面纵坐标，i＝1，2...n；j＝1，2...m。---地面点i在j时刻的平面横坐标，i＝1，2...n；j＝1，2...m。---地面点i在j时刻的高程；i＝1，2...n；j＝1，2...m。z_i---地面点i的原始高程；i＝1，2...n。---地面点i在j-1时刻至j时刻的下沉深度；4)对开采单元各个时段进行沉陷情景模拟，得到开采单元各个时段的复耕率：根据步骤3)获得的地表特征的动态沉陷地面高程模型的动态沉陷信息，以及研究区已有的土地利用现状图、水系分布的原始地表信息，通过地理信息系统的空间分析将所述原始地表信息与动态沉陷信息进行叠加、插值分析后，获得的数据以点元数据、线元数据、面元数据的形式表达；其中点元数据包括沉陷发展过程中地面各点的最大下沉数据集、地面最大下沉点的下沉数据集；线元数据包括各开采时段下沉等值线、各种变形等值线；面元数据包括地面沉陷区域与积水区域的各个时段二维数据、土地利用格局的二维数据、各个时段景观破碎度的二维数据；所述点元数据、线元数据、面元数据构成开采单元各个时段的沉陷情景模拟，根据开采单元各个时段的沉陷情景模拟，得到开采单元各个时段的复耕率；5)比较开采单元各个时段的复耕率，优选复耕率最高的时段作为边采边复的最佳时机，对优选出的沉陷情景模拟时段在无外来充填物的条件下采用挖深垫浅复垦技术进行边采边复。