[发明专利]一种利用黄河泥沙动态充填采煤塌陷地的方法

摘要

本发明提供的一种利用黄河泥沙动态充填采煤塌陷地的方法，属于采矿技术、土地利用和土地复垦技术领域，该方法包括：根据开采计划和采煤沉陷地的地质条件划分开采单元，基于Knothe时间函数，采用概率积分法获得开采单元各开采时段的动态下沉等值线；根据复垦范围划分各充填单元；依次确定地表整个复垦范围Dt的复垦充填时机和各充填单元的复垦设计标高；选择沉陷区的充填方式为多层多次引黄充填，并确定各土壤结构特征；分别确定各充填单元的多层多次引黄充填的次数和两充填单元的充填时间间隔；确定各类土壤结构层的厚度；按照上述确定的充填参数对各充填单元进行多层多次引黄充填。本方法可大幅提高耕地率并缩短复垦周期。

主权项

1.一种利用黄河泥沙动态充填采煤塌陷地的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)预测开采沉陷最大下沉值与各阶段下沉值，包括以下步骤：1‑1)根据开采计划和采煤沉陷地的地质条件，对各个工作面选择开采单元及开采的时点，现以单个工作面为例进行说明，将工作面沿开采方向细分为数个规则的长方形开采单元，将各开采单元按1,2,…,i,…,n依次进行编号，n为正整数，每个开采单元尺寸宽为15～100m，长为100～500m；1‑2)基于Knothe时间函数，采用概率积分法获得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：工作面采用笛卡尔坐标系，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采空区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w的坐标为x和y，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w的下沉值Wi(xi,yi,ti)如表达式(1)所示：式中：ri为第i个开采单元的任意开采水平的主要影响半径，根据公式(2)计算得到，单位为m；βi为第i个开采单元的主要影响角；Hi为第i个开采单元的煤层开采深度，单位m；Di为第i个开采单元的采空区面积，单位为m2；xi，yi为第i个开采单元内任意点wi的坐标，单位为m；Wcm为地表充分采动的最大下沉值，单位为mm；η、ε分别为多重积分中的微元变量；f(t_i)为knothe时间函数，t_i为第i个开采单元的预计开采时刻与实际开采时刻之间的时间间隔，c_i为开采沉陷区域第i个开采单元的地表下沉速度系数，由公式(3)确定，公式(3)中v为工作面推进速度；ci＝2.0×v×tanβi/Hi                           (3)由式(1)分别预计开采单元各开采时段的动态下沉值，并分别绘制各开采单元每个开采时段的预计动态下沉等值线；2)确定充填复垦范围：地下开采单元为规则的矩形，每个开采单元对应的地表沉陷范围面积为不规则的椭圆，以椭圆的长短轴的端点为圆心、ri为半径，然后将长短轴端点按照半径ri延伸的点以矩形连接，所形成的范围即为第i个开采单元造成的地表最大影响范围，将各开采单元i以最大影响范围的外接矩形为相应开采单元的地表充填复垦范围Dti；将各复垦范围Dti按照开采方向分别划分为多个充填单元，各充填单元的尺寸宽为25～35m、长为100～500m，将所有充填单元按1,2,…,j,…,m依次进行编号，m为正整数；3)确定地表整个复垦范围Dt的复垦充填时机T0：根据所在区域水文地质图确定潜水位为h潜*，然后根据公式(1)，令W(x，y，t)＝h潜*，将计算出的t作为地表整个复垦范围Dt的复垦充填时机T0；4)确定各充填单元的复垦设计标高Hi*：根据地下煤炭开采过程中地表沉降程度，结合地表实际的地形地貌与土地利用分类确定各充填单元的复垦设计标高Hi*；5)选择沉陷区的充填方式为多层多次引黄充填；根据待充填的心土和表土的土壤厚度和采煤沉陷地最大土壤剥离厚度，确定采煤沉陷地的土壤剥离厚度为0.5～1m，其中表土剥离厚度为0.2～0.5m，心土剥离厚度为0～0.8m；充填土壤结构特征从下到上为：泥沙层‑心土层‑泥沙层‑心土层……泥沙层‑心土层‑表土层；6)根据公式(4)～(5)确定各充填单元多层多次引黄充填的次数Kj和前后两充填单元的充填时间间隔Tj，计算公式分别如下：计算各充填单元多层多次引黄充填的次数Kj的公式如下：式中，H_{j_b}为第b次充填完成后充填单元j剩余的待充填深度，单位为m；W_{max_j_b‑1}为根据公式(1)计算的充填单元j在第b‑1次充填完成后的最大沉陷深度，单位为m，公式(1)可计算地表任意点下沉值，因此W_{max_j_b‑1}可由公式(1)计算得到；S为管道输沙浓度，单位为kg/m³；ρ_s为泥沙密度，单位为kg/m³；当即充填单元被充填至复垦设计标高时确定的充填次数b即为充填单元j的分层充填泥沙次数K_j，K_j＝2～4；计算各充填单元的充填时机Tj的公式为：Tj＝Tj1+Tj2+Tj3+Tj4+Tj5                           (5)式中，Tj为前后充填单元之间的充填时间间隔，即为充填单元j充填全过程的时间；Tj1‑Tj5依次为充填单元j的顺序充填时间，Tj1为充填单元j被水沙充填满时的时间，Tj2为泥沙在条带内的静水沉降时间，Tj3为排明水时间，Tj4为充填过饱和泥沙排水固结时间，Tj5为心土回填、平整、压实时间；7)确定各类土壤结构层厚度为：表土层厚0.2～0.5m，每一心土层厚度0.1～0.4m，每一泥沙层厚度0.2～1m，泥沙层厚度根据各充填单元分层充填泥沙次数Kj确定；8)根据上述确定的充填参数对各充填单元进行多层多次引黄充填，先进行泥沙层充填和心土回填，再进行表土回填，具体步骤如下：8‑1)按照步骤5)设定的充填土壤结构特征依次进行多次充填泥沙层充填和心土层回填：充填采用多层多次隔带交错充填的方式，先充填奇数编号的充填单元作为一组，再充填偶数编号的充填单元作为另一组，或相反；充填时先从当前组的第一个充填单元开始沿着煤层方向进行黄河泥沙的充填，当该第一个充填单元达到设定的泥沙层厚度0.2‑1m后，再对当前组中第二个充填单元进行泥沙充填，如此进行，一直到当前组中最后一个充填单元充填泥沙层至设定厚度；然后按照相同的步骤依次对另一组中的各充填单元分别进行泥沙层充填；各充填单元完成当前层的充填泥沙工作后，均分别保持1‑3天的泥沙沉淀时间，然后依次对各充填单元的当前泥沙层进行排水固结后进行平整，回填部分心土并适当压实，分别构筑一层约0.1‑0.4m厚的心土层，至此完成了一层泥沙层充填和心土回填；再按照相同的方式进行各充填单元j中下一层泥沙层的充填和心土层的回填，直至完成各充填单元中最后一层泥沙层的充填和心土层的回填；待同组中所有充填单元完成最后一层泥沙层和心土层的回填后，对该组中所有充填单元分别进行表土的回填覆盖和平整；8‑2)待采煤沉陷地全部充填单元完成引黄充填后，一起进行表土平整、压实。