一种中西部煤矿区动态预复垦的新方法

技术领域

本发明所述的是服务于煤矿区生态文明建设需要，适应于中西部平原型矿区，开采后地表不积水的采煤沉陷地动态预复垦新方法。

背景技术

煤炭资源开采沉陷导致了大量土地资源的破坏，严重影响了区域的可持续发展。损毁土地的复垦也成为当前迫切需要解决的问题。目前的土地复垦主要针对沉陷稳定后的土地进行治理，导致土地荒废时间长，治理难度增大。如果能在开采的同时，对损毁土地及时治理，不仅可以控制生态环境退化，而且可以提高土地利用率，对促进矿区可持续发展将起到重要促进作用。因此，动态预复垦成为该领域近年来的研究热点，但多关注在东部高潜水位矿区，对中西部地区的研究较少。在中国的在中西部平原区，土地利用类型多为耕地，地下潜水位较低，地表沉陷后不出现长期积水。沉陷所引发的坡度变化及裂缝，造成养分流失，耕地质量下降。治理的重点是控制土地退化，减少土地荒废时间，为最终土地复垦提供基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种中西部煤矿区动态预复垦的新方法，本发明结合沉陷区的土地损毁特点，根据开采沉陷理论，采用梯次动态预复垦方法，将未来沉陷区划分为三个区段，然后，在不同的区段上，根据田块宽度，进一步划分复垦块段，依次进行治理，大幅减少土地荒芜时间。

本发明的技术方案是，一种中西部煤矿区动态预复垦的新方法，包括以下步骤

(1)治理区段划分

将未来沉陷区划分为三个区段，然后，在不同的区段上，可根据田块宽度，进一步划分复垦块段，依次进行治理；

第一区段(L₁)：开切眼一侧沉陷边界(S₁)至第一个地表最大下沉点(S₂)，长度采用下式估算：

L₁＝H*ctg(δ₀)+H*ctg(ψ₃)(1)

第二区段(L₂)：盆地部分，在走向主断面上，第一个最大下沉点(S₂)至最后一个地表最大下沉点(S₃)，长度采用下式估算：

L₂＝D₂＝D-D₁-D₃＝D-2*H*ctg(ψ₃)(2)

第三区段(L₃)：第一个地表最后一个最大下沉点(S₃)至停采一侧沉陷边界(S₄)，长度采用下式估算，长度与第一区段相同，

L₃＝H*ctg(δ₀)+H*ctg(ψ₃)(3)

式中，L₁、L₂、L₃分别为第一、第二、第三区段在沉陷区主断面上的水平长度，δ₀为边界角，ψ₃为充分采动角，H煤层埋深，D表示采煤工作面走向长度，D₁，D₂和D₃分别表示相应区段在煤层走向上的长度；(2)复垦时间选择

第一区段复垦时间：设定开切眼时刻为T₀＝0，回采工作面推进速度为V，当回采工作推进到D_s1长度时，时刻T₁＝D_s1/V＝1.4H/V，当T₁时刻或工作面推进距离大于1.4H，可以进行第一区段的复垦工作；

第二区段复垦时间：距回采工作面的距离超过H*ctg(ψ₃)的盆底部分可以进行复垦，如果考虑田块的长度，第二区段的第一田块复垦时间可以根据下式进行推算：

T₂₁＝T₁+D_t1/V(3)

式中，D_t1为第一田块在走向断面上的长度，后续田块，依次类推；

第三区段复垦时间：根据下式进行推算：

T₃＝T₂+1.4H/V式中，T₂为第二区段复垦结束时间

(3)复垦措施设计

对于第一和第三区段，采用梯田式复垦，梯田的断面结构可根据沉陷产生的附加坡度进行计算，沉陷产生的附加坡度可根据下式计算：

α＝arctag(W₀/L₁)(deg)(4)

式中，α为沉陷所产生的坡度，W₀为地表最大下沉值；

位于第二区段内的沉陷地整治措施，应当分片进行，对走向和倾向均达到最大值的盆底部分，采用田块内部土地平整方式，消除局部高程差异，达到田面平整；由于在倾向方向本区段内仍存在一定的坡地，其治理方法同第一区段，梯田田面布局尽可能与第一区段衔接；

第三区段治理分析过程同第一区段。

本发明能够减少土地的荒芜时间，控制水土流失，保持土地的生产力，实现“边开采边复垦”的目标。

附图说明

图1是梯次动态预复垦区段划分示意图。

图中：A煤层开切眼位置；B为煤层停采位置；D表示采煤工作面走向长度；L₁为第一区段在沉陷区主断面上的水平长度，D₁表示与L₁区段对应的煤层在走向上的长度；L₂为第二区段在沉陷区主断面上的水平长度，D₂表示与L₂区段对应的煤层在走向上的长度；L₃为第三区段在沉陷区主断面上的水平长度，D₃表示与L₃区段对应的煤层在走向上的长度；δ₀为边界角，ψ₃为充分采动角，H煤层埋深。S₁，S₂，S₃，S₄，表示各区段的分界点，其中S₁和S₄为沉陷影响边界点，其中S₂和S₃为沉陷盆地的盆底边界点。

具体实施方式

如图1所示，一种中西部煤矿区动态预复垦的新方法，包括以下步骤(1)治理区段划分

结合沉陷区的土地损毁特点，根据开采沉陷理论，本发明采用梯次动态预复垦方法，即，将未来沉陷区划分为三个区段，然后，在不同的区段上，可根据田块宽度，进一步划分复垦块段。依次进行治理。如图1所示。

第一区段(L₁)：开切眼一侧沉陷边界(S₁)至第一个地表最大下沉点(S₂)。采用下式估算其在走向主断面上的长度。

L₁＝H*ctg(δ₀)+H*ctg(ψ₃)(1)

式中，L₁为第一区段在沉陷区主断面上的水平长度，δ₀为边界角，ψ₃为充分采动角，H煤层埋深。

第二区段(L₂)：盆地部分，在走向主断面上，第一个最大下沉点(S₂)至最后一个地表最大下沉点(S₃)。长度采用下式估算：

L₂＝D₂＝D-D₁-D₃＝D-2*H*ctg(ψ₃)(2)

式中，L₂为第二区段在沉陷区主断面上的水平长度。ψ₃为充分采动角，H煤层埋深，D表示采煤工作面走向长度，D₁，D₂和D₃分别表示相应区段在煤层走向上的长度。

第三区段(L₃)：第一个地表最后一个最大下沉点(S₃)至停采一侧沉陷边界(S₄)。长度与第一区段相同。

L₃＝H*ctg(δ₀)+H*ctg(ψ₃)(3)

式中，L₃为第三区段在沉陷区主断面上的水平长度，δ₀为边界角，ψ₃为充分采动角，H煤层埋深。

(2)复垦时间选择

第一区段复垦时间。根据动态沉陷理论及现场观测数据，当回采工作面距离开切眼的长度D_s1＝1.4*H(H煤层埋深)时，沉陷盆地第一个最大下沉值接近理论最大值(W₀)，此处取值0.98W₀。设定开切眼时刻为T₀＝0，回采工作面推进速度为V。则当回采工作推进到D_s1长度时，此时的时刻T₁＝D_s1/V＝1.4H/V。由于后续残余变形(0.02W₀)需要持续相当长得时间，如果等完全稳定，则需要长时间等待，导致土地荒废，质量退化。所以，当T₁时刻(或工作面推进距离大于1.4H)，可以进行第一区段的复垦工作。

第二区段复垦时间。根据开采开采沉陷变形规律，在动态开采过程中，当开采长度达到充分采动后，地表最大下沉点随着工作面的推进，不断向前移动。可以近似认为，达到超充分采动后，后续最大下沉点滞后采煤工作面的的距离为H*ctg(ψ₃)。因此，距回采工作面的距离超过H*ctg(ψ₃)的盆底部分可以进行复垦。如果考虑田块的长度，第二区段的第一田块复垦时间可以根据下式进行推算：

T₂₁＝T₁+D_t1/V(3)

式中，D_t1为第一田块的在走向断面上的长度，后续田块，依次类推。

第三区段复垦时间。此区段可以认为是停采后地形移动变形影响范围。复垦时间可以根据下式进行推算：

T₃＝T₂+1.4H/V

式中，T₂为第二区段复垦结束时间。

(3)复垦措施设计

对于第一和第三区段，位于沉陷盆地的边缘，不同部位沉陷深度不同，地表出现一定坡度。此类区段，采用梯田式复垦。梯田的断面结构可根据沉陷产生的附加坡度进行计算。沉陷产生的附加坡度可根据下式计算：

α＝arctag(W₀/L₁)(deg)(4)

式中，α为沉陷所产生的坡度，

W₀为地表最大下沉值

根据梯田建设技术要求，参考相关的研究成果，本文提出以下标准进行沉陷地梯田复垦设计。

表1梯田复垦断面尺寸表

考虑到一般平原区沉陷产生的附加坡度小于10°，所以对超度10°的坡地本文没有涉及。另外，梯田建设以水平梯田为为主，如果考虑残余沉降，可修建1°以内的反坡梯田。

位于第二区段内的沉陷地整治措施，应当分片进行。对走向和倾向均达到最大值的盆底部分，采用田块内部土地平整方式，消除局部高程差异，达到田面平整。由于在倾向方面本区段内仍存在一定的坡地，其治理方法同第一区段，梯田田面布局尽可能与第一区段衔接。

第三区段治理分析过程同第一区段。

(4)注意事项

(1)制定方案前，首先对走向和倾向的的采动情况进行分析，如果走向达不到充分采动，治理布局应该进行改变。

(2)治理时机除了考虑开采沉陷因素外，还应当考虑作物的生长季节。复垦工作做好在农作物收割以后，休田时间进行。

(3)地表变形过程复杂，建议在待沉陷区设置监测点，复垦前对比实际下沉值与预计下沉值得差异，根据监测值选择合适复垦时机。案例分析

某矿区位于山西省东南部，地面高程H₀＝900m，地势平坦。矿井主要开采3#煤层，煤层平均倾角α＝4°,属于近水平煤层，煤层埋深H＝320m，煤层平均厚度m＝6.5m。设计采用综采方法进行采煤，垮落法管理顶板，模拟采煤工作面长L＝2200m，宽度D＝300m工作面推进速度V＝2m/d，下沉系数q＝0.86，δ₀＝67°，ψ₃＝72°。以开采眼时间T₀＝0。根据开采沉陷理论及前文所提出的治理思路，计算该工作面动态预复垦的关键技术参数。

(1)第一区段

第一区段在地表长度：L₁＝H*ctg(δ₀)+H*ctg(ψ₃)＝240m

治理时间：T₁＝1.4*320/2＝224(d)

该工作面走向和倾向均达到充分采动，地表最大下沉值可根据下式进行计算：

W₀＝m*q*cosα＝5.58m

沉陷产生的附加坡度：

α＝arctag(W₀/L₁)＝2.35°

采用治理措施为梯田式复垦，其中梯田田面宽度30m，田坎高1m，田坎坡度85°。

(2)第二区段

第二区段的长度L₂＝1992m。因第二区段较长，所以进一步细分为四个块段，每个区段500m左右，第一块段L₂₁的治理时间：

T₂₁＝T₁+D_t1/V＝224+500/2＝474(d)

因为在此区段，走向和倾向均达到超充分采动，盆地部分采用土地平整方式进行治理。盆地部分的田块宽度可用下式近似计算：d＝300-2*104＝92m。倾向方向的坡地治理措施同第一区段。

(3)第三区段

走向长度同第一区段L₃＝240m，治理时间T₃＝224+1992/2+224＝1444(d)，治理措施同第一区段。

(4)效益分析

按照传统模式进行治理，需要等待整个工作面开采完成及地表沉陷稳定后进行复垦。对本案例来说，传统方法需要等待5.2年后治理治理。动态预复垦方法在0.6年后，即可开展治理，减少荒芜时间4.6年。说明动态预复垦方法可以大幅减少土地荒芜时间。