一种基于预期复垦耕地率和复垦成本的复垦时机优选方法

摘要

本发明涉及一种基于预期复垦耕地率和复垦成本的复垦时机优选方法，属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，该方法包括：开采阶段的划分，各开采阶段沉陷预计，各开采阶段复垦耕地率与复垦成本估算，根据目标不同进行复垦时机优选。该发明方法简单易懂，易于在采前进行沉陷与复垦模拟分析，考虑在复垦耕地率和复垦成本约束下的复垦时机优选，适用于单一水平（近水平）煤层。是井工开采煤矿区边采边复技术的重要组成部分。

说明书

技术领域

本发明属于采矿技术、土地利用和土地复垦领域，特别涉及高潜水位-平原矿区煤炭开 采下正在沉陷土地的边采边复工作，主要通过划分开采阶段模拟复垦工作，依据各模拟阶 段的耕地复垦率与对应的复垦成本优选确定复垦时机，科学的指导复垦施工。

背景技术

人多地少，耕地资源十分稀缺，这是我国的基本国情。随着经济的高速发展，对能源 的需求与日俱增，煤炭作为我国的最主要能源，占一次能源消费的70%左右，由于我国90% 以上的煤炭产量来自于井工开采，且多采用走向长壁全部垮落法开采，土地不可避免地产 生下沉，造成大量土地的沉陷损毁。高潜水位矿区主要分布于我国的华东及东北平原区， 开采所损毁的土地大多为优质的高产农田。对高潜水位矿区损毁土地的复垦是保证耕地数 量，保障粮食安全的重要举措。

以往的治理多侧重于沉陷稳定后再复垦，根据该类地区多年的复垦经验，在现有技术 水平下复耕率只有30%-40%，这也就意味着大面积的优质农田将会变为水域，直接影响耕 地的数量。造成这一现象的原因有很多，一方面，特殊的地质采矿条件使得这一地区沉陷 具有典型性，高潜水位矿区大多为平原矿区，所在区域大多为地势平坦、土壤资源丰富、 肥力较高的优质基本农田区，由于本身地表地势平坦且潜水位较高，而同时煤层赋存条件 又特别好，很多矿区煤层数量多、煤层厚度大，这就造成沉陷后积水的现象严重，大量的 表土资源沉入水底；另一方面，由于是平原地区，缺乏固体充填物，目前主要采用煤矸石、 粉煤灰、建筑垃圾等作为塌陷区治理的充填材料，与地表巨大的沉陷体积相比，此类充填 物是车水杯薪。且珍贵的土壤资源作为多年风化沉积形成的资源，从某种意义上来说是不 可再生的资源，复垦时缺少充填材料与表土覆盖材料，造成恢复土地和耕地的比例低。

近年来，相关学者开展“动态复垦”与“超前复垦”的研究，研究人员希望通过提前 采取复垦措施来达到保护耕地的目的。由于“动态复垦”与“超前复垦”不可避免的涉及 到地面沉陷前施工或者对正在沉陷的土地进行复垦施工，复垦耕地率与复垦成本会由于复 垦时机的选择不同而出现较大的差异。如何确定合理的复垦时机，既达到预期的复垦耕地 率，同时又考虑经济的可承受力，是目前尚未解决的问题。

1965年，刘宝琛、廖国华出版了《煤矿地表移动的基本规律》一书，将概率积分法全 面引入中国矿区地表移动沉陷预计，目前，概率积分法也成为中国最成熟应用范围最广泛 的煤矿开采沉陷预计理论。应用该理论，可获得煤炭开采过程中各阶段的地表下沉值及相 应的水平变形、曲率变形、倾斜变形等各种变形值。

发明内容

本发明的目的是为解决上述难题，提出一种基于预期复垦耕地率和复垦成本的复垦时 机优选方法，本发明能基于预期的复垦耕地率和复垦成本，优选复垦时机，合理确定复垦 耕地率与复垦成本约束下的最佳复垦时机

本发明方法提出的一种基于预期复垦耕地率和复垦成本的复垦时机优选方法，适用于 单一水平煤层，其特征在于，该方法通过开采阶段的划分，各阶段开采沉陷预计，模拟在 无外来土源情况下的复垦，由此确定预期复垦耕地率和复垦成本约束下的复垦时机；该方 法包括以下步骤：

1）开采阶段的划分：将地下开采工作面划分为多个开采阶段，设工作面推进长度为L， 单位为m，将工作面推进长度L等距离划分为5～12个阶段或以月推进的距离划分开采阶 段；

2）各开采阶段沉陷预计：依据划分的各开采阶段和相关开采沉陷参数，采用概率积 分法对各个开采阶段地表塌陷状况进行沉陷预计，获得各个阶段的下沉等值线和最终开采 结束后的下沉等值线，并由最终下沉等值线确定复垦责任范围S单位为hm²；

3）各开采阶段复垦耕地率与复垦成本估算：根据各开采阶段下沉预计，结合最终下 沉等值线、潜水深度和地面高程，在无外来土源的情况下模拟各开采阶段的复垦工作，确 定各开采阶段地面复垦的耕地率F(x)与对应的复垦成本G(x)；同时获取复垦耕地率F(x)和 复垦成本G(x)随时间的变化曲线；

4）复垦时机的优选：根据步骤3）中各阶段的复垦耕地率F(x)与复垦成本G(x)，构建 复垦效率函数Q(x)，如式（1）：

$Q\left(x\right)=\frac{F\left(x\right)}{G\left(x\right)}*{10}^4---\left(1\right)$

若追求最大复垦效率（即单位投入所复垦的耕地面积最大），则以Q(x)最大为优选复 垦时机；

若追求最大复垦耕地率（不考虑复垦成本），则以F（x）最大为优选的复垦时机；

若考虑复垦成本，不追求复垦耕地率，则以G（x）最小为优选的复垦时机；

本发明主要具有以下技术优点：

本发明所提供的开采阶段划分、各阶段开采沉陷预计、各阶段复垦工作模拟、复垦时 机的优选等方法步骤，简单易懂，易于指导实际复垦施工的实施，避免因施工时间选择不 当导致的复垦失败。适用于单一水平（近水平）煤层。本发明能确定基于预期复垦耕地率 和复垦成本约束下的最佳复垦时机。根据划分的开采阶段模拟复垦工作的复垦耕地率和复 垦成本，再根据不同外部条件优选确定最佳复垦时间，方法简单易懂，易于操作，是井工 开采煤矿区边采边复技术的重要组成。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为复垦耕地率函数F(x)和复垦成本函数G(x)随时间的变化曲线；

图3为复垦效率函数Q(x)曲线图。

具体实施方式

本发明方法提出的一种基于预期复垦耕地率和复垦成本的复垦时机优选方法，结合附 图及实施例详细说明如下：

本发明根据地下开采区域情况划分开采阶段，分开采阶段进行沉陷预计，模拟各个开 采阶段的复垦耕地率与复垦成本，最终构建复垦效率函数，根据外部条件考虑在预期复垦 耕地率和复垦成本约束下的复垦时机优选。

本发明提出的基于预期复垦耕地率和复垦成本的复垦时机选择方法，是利用工作面匀 速推进条件下地表沉陷的特点与规律，分开采阶段对沉陷土地进行预测与复垦模拟，考虑 在无外来土源的情况下，各开采阶段的复垦耕地率和复垦成本的关系，该方法如图1所示， 包括以下步骤：

1）开采阶段的划分：将地下开采工作面划分为多个开采阶段，设工作面推进长度为L， 单位为m，将工作面推进长度L等距离划分为5～12个阶段或以月推进的距离划分开采阶 段；

2）各开采阶段沉陷预计：依据划分的各开采阶段和相关开采沉陷参数，采用概率积 分法对各个开采阶段地表塌陷状况进行沉陷预计，获得各个阶段的下沉等值线和最终开采 结束后的下沉等值线，并由最终下沉等值线确定复垦责任范围S单位为hm²；

3）各开采阶段复垦耕地率与复垦成本估算：根据各开采阶段下沉预计，结合最终下 沉等值线、潜水深度和地面高程，在无外来土源的情况下模拟各开采阶段的复垦工作，确 定各开采阶段地面复垦的耕地率F(x)与对应的复垦成本G(x)；同时获取复垦耕地率F(x)和 复垦成本G(x)随时间的变化曲线；

4）复垦时机的优选：根据步骤3）中各阶段的复垦耕地率F(x)与复垦成本G(x)，构建 复垦效率函数Q(x)，如式（1）：

$Q\left(x\right)=\frac{F\left(x\right)}{G\left(x\right)}*{10}^4---\left(1\right)$

若追求最大复垦效率（即单位投入所复垦的耕地面积最大），则以Q(x)最大为优选复 垦时机；

若追求最大复垦耕地率（不考虑复垦成本），则以F（x）最大为优选的复垦时机；

若考虑复垦成本，不追求复垦耕地率，则以G（x）最小为优选的复垦时机；

实施例

本实施例为某高潜水位矿区，煤层平均厚度9.0m，埋藏深度800m，工作面推进长度 1800m，工作面长200m；可开采时间为1年，地势平坦，地表自然标高+43.0～+44.50m， 地下水埋深约2.0m左右，地面坡度绝大部分为0～2°之间。

本实施例的基于预期复垦耕地率和亩均投资的复垦时机选择方法的步骤如下：

1）开采阶段的划分：将地下开采工作面划分为多个开采阶段，若工作面推进长度为L， 单位为m，则等距离划分为5～12个阶段或以月推进的距离划分开采阶段；本实施例中工 作面推进长度为1800m，推进速度为5m/d，以月为单位，将推进长度1800m划分为12个 阶段。

2）各开采阶段沉陷预计：依据划分的各开采阶段和相关开采沉陷参数，采用概率积 分法对各个开采阶段地表塌陷状况进行沉陷预计，获得各个阶段的下沉等值线和最终开采 结束后的下沉等值线，并由最终下沉等值线确定复垦责任范围S单位为hm²。本例中，S 为307.34hm²。

3）各开采阶段复垦耕地率与复垦成本估算：根据各开采阶段下沉预计，结合最终下 沉等值线、潜水深度和地面高程，在无外来土源的情况下模拟各开采阶段的复垦工作，确 定各开采阶段地面复垦的耕地率F(x)与对应的复垦成本G(x)；同时获取复垦耕地率F(x)和 复垦成本G(x)随时间的变化曲线；本例中两条曲线如图2和图3所示。

4）复垦时机的优选：根据步骤3）中各阶段的复垦耕地率F(x)与复垦成本G(x)，构建 复垦效率函数Q(x)，如式（1）：

$Q\left(x\right)=\frac{F\left(x\right)}{G\left(x\right)}*{10}^4---\left(1\right)$

若追求最大复垦效率（即单位投入所复垦的耕地面积最大），则以Q(x)最大为优选复 垦时机；本实施例中第1阶段的复垦效率为0.61，第12阶段的复垦效率为2.97。因此， 可选择在第12阶段进行复垦。

若追求最大复垦耕地率（不考虑复垦成本），则以F（x）最大为优选的复垦时机；本 例中，第1阶段的复垦耕地率最高（90.70%），第12阶段的复垦耕地率最低（75.72%）。 因此，可选择在第1阶段进行复垦。

若考虑复垦成本，不追求复垦耕地率，则以G（x）最小为优选的复垦时机；本例中第 1阶段的复垦成本最高（14897.81万元），第12阶段的复垦成本最低（2545.70万元）。可 选择在第12阶段复垦。