CN109372511A - 一种利用黄河泥沙动态充填采煤塌陷地的方法 - Google Patents

Abstract

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D_t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。

Description

一种利用黄河泥沙动态充填采煤塌陷地的方法

技术领域

本发明属于采矿技术、土地利用和土地复垦技术领域，特别涉及一种利用黄河泥沙动态充填采煤塌陷地的方法。

背景技术

煤炭是中国的最主要能源，占一次能源消费的70％左右。由于中国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。据测算，井下开采万吨原煤造成的沉陷地，少的0.033hm²，多的达0.533hm²，平均0.2～0.33hm²。对于中国东部高潜水位煤矿区来说，开采造成的大多为沉陷积水区，加大了后期复垦难度，同时也造成了大量的土地损毁，因此，该区域的土地复垦问题一直是中国的研究热点。

现有学者提出了采煤塌陷地的边采边复技术，主要是针对即将沉陷的土地提前进行预复垦工作，不仅可以大大提高耕地恢复率，而且还可以缩短复垦周期，增加复垦效益。该技术的关键是复垦时机、复垦范围和复垦方案的确定，该技术尤其适用于高潜水位地区的开采沉陷地复垦。由于复垦时需要将沉陷区进行回填至设计标高，但是由于目前我国常用的挖深垫浅、煤矸石充填、粉煤灰充填等复垦方式均不能很好的解决中国东部地区人多地少的矛盾。挖深垫浅复垦的耕地面积较少，煤矸石或粉煤灰充填需要大量的复垦材料，而且运距大，经济成本高，充填后，填充物所含的一些化学成分或重金属对农作物生长和产品质量都有影响，况且目前矿区已基本将煤矸石、粉煤灰等工业废弃物加以资源化利用，没有足够的可供充填的煤矸石或粉煤灰。

为了解决充填材料不足的问题，现有学者提出了引用黄河泥沙充填复垦技术，不仅可以合理利用黄河水沙资源，而且能够最大限度地增加耕地面积，缓解矿区人地矛盾；在恢复耕地的同时十分有利于降低黄河河床高程，提高防洪效益，能够解决淤泥处置难题。但是引用黄河泥沙充填复垦技术需要综合考虑进行充填时的需沙量、取沙输沙工艺、充填排水以及充填工艺等。

综上，为了充分利用边采边复优势，并解决土源不足问题，进一步提高耕地恢复率和缩短复垦周期，亟需一种将黄河泥沙充填技术与边采边复相结合的方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种利用黄河泥沙动态充填采煤塌陷地的复垦方法。本发明利用动态沉陷来预计开采工作面地表下沉的速度与范围，通过黄河泥沙动态充填复垦施工工艺，提前对可能出现塌陷的采煤沉陷地进行动态复垦，降低了后期复垦成本，同时也增加了土地利用效率，缩短了复垦周期，实现高潜水位-平原矿区煤炭开采与土地保护。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的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W_i(x_i,y_i,t_i)如表达式(1)所示：

式中：

r_i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；

β_i为第i个开采单元的主要影响角；

H_i为第i个开采单元的煤层开采深度，单位m；

D_i为第i个开采单元的采空区面积，单位为m²；

x_i，y_i为第i个开采单元内任意点w_i的坐标，单位为m；

W_cm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；

c_i＝2.0×v×tanβ_i/H_i (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、r_i为半径，然后将长短轴端点按照半径r_i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Dt_i；将各复垦范围Dt_i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D_t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D_t的复垦充填时机T₀；

4)确定各充填单元的复垦设计标高H_i*：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H_i ^*；

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K_j和前后两充填单元的充填时间间隔T_j，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K_j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T_j的公式为：

T_j＝T_j1+T_j2+T_j3+T_j4+T_j5 (5)

式中，T_j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；T_j1-T_j5依次为充填单元j的顺序充填时间，T_j1为充填单元j被水沙充填满时的时间，T_j2为泥沙在条带内的静水沉降时间，T_j3为排明水时间，T_j4为充填过饱和泥沙排水固结时间，T_j5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K_j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。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明方法通过分析未稳沉的采煤沉陷问题的复垦措施，引入黄河底层沉淀的泥沙进行充填，对充填复垦工艺进行优化，提出了引黄河泥沙动态充填复垦方法，不仅可以合理利用黄河水沙资源，而且能够最大限度地增加耕地面积，缩短复垦周期，缓解矿区人地矛盾，实质是保土、保地的复垦技术。最终既提高了恢复土地率，降低了复垦成本，同时也提高了复垦后经济效益，实现生态效益最大化。具体表现为：

(1)大幅度提高耕地率：传统边采边复复垦技术复耕率在40％左右，与传统边采边复技术相比，在边采边复的基础上引入黄河泥沙充填技术可实现100％的土地复垦，本发明实施例的耕地面积恢复率可达95.12％以上，可以大幅度提高耕地率。

(2)大大缩短了复垦周期：边采边复技术可实现对采煤沉陷地的动态预复垦，将复垦时间提前，而引黄充填需要进行分层多次交替充填，可以利用充填单元平整压实后的固结时间进行下一充填单元的充填工作，两者结合大大缩短了复垦周期。

附图说明

图1是本发明实施例中单一工作面地下开采单元与地上复垦范围的对应示意图。

图2是本发明实施例中单一工作面地表充填单元的划分示意图。

具体实施方式

本发明方法提出的一种利用黄河泥沙动态充填采煤塌陷地的方法，结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的方法具体包括如下步骤：

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，由于各点的沉陷值不同，为方便各个时段对工作面的不同位置进行充填复垦，因此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，参见图1。

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：

工作面采用普通笛卡尔坐标系，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W_i(x_i,y_i,t_i)如表达式(1)所示：

式中：

r_i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)计算可得，单位为m；

β_i为第i个开采单元的主要影响角，对于同一工作面来说，该主要影响角变化较小，可近似看做不变，因此各开采单元主要影响角正切tanβ_i可认为相等；

H_i为第i个开采单元的煤层开采深度，单位m；

D_i为第i个开采单元的采空区面积，单位为m²；

x_i，y_i为第i个开采单元内任意点w_i的坐标，单位为m；

W_cm为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，为已知值；

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，一般由公式(3)确定，公式(3)中v为工作面推进速度；

c_i＝2.0×v×tanβ_i/H_i (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：工作面开采单元i为埋藏在地下的煤层工作面相对应的开采单元，由于塌陷后的复垦工作是针对地面而言的，因此地下-地上的对应范围的确定尤为重要。如图1所示，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，r_i为半径，然后将长短轴端点按照半径r_i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，为方便复垦工程量的计算和表土的剥离，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Dt_i。将各复垦范围Dt_i按照开采方向分别划分为多个充填单元，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，参见图2，复垦范围与开采单元的对应关系参见图1，图中a～h分别为开采单元所对应的下沉曲线。

3)确定地表整个复垦范围D_t的复垦充填时机T₀：一般情况下要在沉陷地大面积积水前进行施工，以减少工程施工的难度和费用，而且不影响表土的剥离保护。由于复垦工作往往以土壤重构为目的，以表土剥离为手段，在绝大多数情况下，土地复垦的时机即被认为是表土剥离的时机。高潜水位地区的地下潜水位一般为3-5m，根据所在区域水文地质图确定潜水位为h_潜 ^*(为一已知定值)，然后根据公式(1)，令W(x，y，t)＝h_潜 ^*(当下沉值W_i达到潜水位的时候就应该开始复垦了，或者提前复垦)，将计算出的t作为地表整个复垦范围D_t的复垦充填时机T₀。

4)确定各充填单元的复垦设计标高H_j ^*：复垦设计标高对于后续复垦次数的确定密切相关。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H_j ^*。复垦设计标高，是指对充填区采取复垦措施后，待地下煤炭全部开采结束至地面稳沉，充填区最终想要达到的标高，是复垦充填区的最终目标。

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(0～0.5m)，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K_j和前后两充填单元的充填时间间隔T_j，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K_j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T_j的公式为：

T_j＝T_j1+T_j2+T_j3+T_j4+T_j5 (5)

式中，T_j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；T_j1-T_j5依次为充填单元j的顺序充填时间，T_j1为充填单元j被水沙充填满时的时间，T_j2为泥沙在条带内的静水沉降时间，T_j3为排明水时间，T_j4为充填过饱和泥沙排水固结时间，T_j5为心土回填、平整、压实时间；其中，T_j1即为黄河泥沙将充填单元填充满的时间，T_j3即为将沉降水都排出所用的时间，T_j2和T_j4的确定需要根据水沙平均流动速度、条带平均深度和平均水深等水力学相关知识，并结合开采沉陷造成的地表损毁程度(包括轻度、中度和重度)确定。在充填复垦时机T₀时进行充填单元1的表土和心土的剥离，剥离工作完成后进行泥沙充填，即为T₁的开始时间。

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K_j确定。由于表土和心土剥离量有限，因此要求泥沙充填K_j＝2～4，当沉陷深度需要充填次数大于4次时，可以在第一次泥沙充填时将充填深度增加，以确保之后的泥沙充填次数不超过4次，与之对应，心土覆盖次数也不超过4次。

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(即先充填偶数编号的充填单元作为一组，再充填奇数编号的充填单元作为另一组)；本实施例充填时先从当前组的第一个充填单元1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1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3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。

以下为本发明实施例：

本实施例为山东某一高潜水位矿区，煤层倾角为3°，煤层平均厚度9.0m，埋藏深度800m；地下水埋深约2.0m左右，地面坡度绝大部分为0～2°之间。工作面尺寸为200×1800m，工作面开采时间为1年，地表自然标高+43.0～+44.50m。

本实施例通过利用黄河泥沙动态充填采煤塌陷地的方法具体包括如下步骤：

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，由于各点的沉陷值不同，为方便各个时段对工作面的不同位置进行充填复垦，因此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，参见图1。根据实施例工作面尺寸，开采单元尺寸宽为100m，长为200m，n＝18。

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：

工作面采用普通笛卡尔坐标系，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W_i(x_i,y_i,t_i)如表达式(1)所示：

式中：

r_i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)计算可得，单位为m；

β_i为第i个开采单元的主要影响角，对于同一工作面来说，该主要影响角变化较小，可近似看做不变，因此各开采单元主要影响角正切tanβ_i可认为相等；

H_i为第i个开采单元的煤层开采深度，单位m；

D_i为第i个开采单元的采空区面积，单位为m²；

x_i，y_i为第i个开采单元内任意点w_i的坐标，单位为m；

W_cm为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，为已知值；

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，一般由公式(3)确定，公式(3)中v为工作面推进速度；

c_i＝2.0×v×tanβ_i/H_i (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。

本实施例中，工作面主要影响角为62°，主要影响角正切为1.9，工作面推进速度为4.7m/d，开采单元i的采空区面积均为D_i＝0.02km²，最终稳沉后沉陷值，最大采空区的面积为∑D_i＝0.36km²。

2)确定充填复垦范围：工作面开采单元i为埋藏在地下的煤层工作面相对应的开采单元，由于塌陷后的复垦工作是针对地面而言的，因此地下-地上的对应范围的确定尤为重要。如图2所示，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，r_i为半径，然后将长短轴端点按照半径r_i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，为方便复垦工程量的计算和表土的剥离，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Dt_i。将复垦范围Dt_i按照开采方向分别划分为多个充填单元，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，参见图2。本实施例中，充填单元尺寸为长200m，宽50m。开采单元1的最大沉陷深度为1.2m，r₁₀＝1.2/1.9＝0.63m，则D_t1＝(200+0.63×2)(100+0.63×2)＝0.020km²。

3)确定地表整个复垦范围D_t的复垦充填时机T₀：一般情况下要在沉陷地大面积积水前进行施工，以减少工程施工的难度和费用，而且不影响表土的剥离保护。由于复垦工作往往以土壤重构为目的，以表土剥离为手段，在绝大多数情况下，土地复垦的时机即被认为是表土剥离的时机。高潜水位地区的地下潜水位一般为3-5m，根据所在区域水文地质图确定潜水位为h_潜 ^*(为一已知定值)，然后根据公式(1)，令W(x，y，t)＝h_潜 ^*(当下沉值W_i达到潜水位的时候就应该开始复垦了，或者提前复垦)，将计算出的t作为地表整个复垦范围D_t的复垦充填时机T₀。本实施例中，潜水位深度为3m，根据公式(1)，可反算出复垦时机T₀＝52天。即在开采进行52天后开始对复垦范围D_t1进行表土和心土的剥离，然后对充填单元1进行泥沙充填，依次对充填单元3，充填单元5，充填单元7进行充填，奇数充填单元都充填结束后，进行偶数充填单元的充填。

4)确定各充填单元的复垦设计标高H_j ^*：复垦设计标高对于后续复垦次数的确定密切相关。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H_j ^*。复垦设计标高，是指对充填区采取复垦措施后，待地下煤炭全部开采结束至地面稳沉，充填区最终想要达到的标高，是复垦充填区的最终目标。本实施例中，水平标高为+43.0-44.50m，因此取44.50m为设计标高，即H_j ^*＝44.50。

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(0～0.5m)，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K_j和前后两充填单元的充填时间间隔T_j，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K_j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；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T_j的公式为：

T_j＝T_j1+T_j2+T_j3+T_j4+T_j5 (5)

式中，T_j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；T_j1-T_j5依次为充填单元j的顺序充填时间，T_j1为充填单元j被水沙充填满时的时间，T_j2为泥沙在条带内的静水沉降时间，T_j3为排明水时间，T_j4为充填过饱和泥沙排水固结时间，T_j5为心土回填、平整、压实时间；其中，T_j1即为黄河泥沙将充填单元填充满的时间，T_j3即为将沉降水都排出所用的时间，T_j2和T_j4的确定需要根据水沙平均流动速度、条带平均深度和平均水深等水力学相关知识，并结合开采沉陷造成的地表损毁程度(包括轻度、中度和重度)确定。在充填复垦时机T₀时进行充填单元1的表土和心土的剥离，剥离工作完成后进行泥沙充填，即为T₁的开始时间。

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K_j确定。由于表土和心土剥离量有限，因此要求泥沙充填K_j＝2～4，当沉陷深度需要充填次数大于4次时，可以在第一次泥沙充填时将充填深度增加，以确保之后的泥沙充填次数不超过4次，与之对应，心土覆盖次数也不超过4次。

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；本实施例充填时先从充填单元1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1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3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本组充填单元中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。

本实施例中，充填单元深度为1.2m，按照管道输沙浓度为500kg/m³计算，H₁＝1.2m，S＝500，ρ_s＝2.65，按照公式(6)计算可知，第一次充填完成后泥沙平均淤积厚度(W_{max_1-1}×S)/ρ_s为0.266m，再加上回填心土层厚度为0.1m，剩余条带深度为0.834m。第二次充填完成后泥沙平均淤积厚度为0.157m，剩余条带深度为0.577m。第三次充填完成后泥沙平均淤积厚度为0.109m，再加上回填心土层厚度为0.1m，剩余条带深度为0.368m。第三次充填完成后进行0.368m的表土回填，回填至设计标高。再按照先心土后表土的顺序将剥离土进行回填，达到设计充填标高。因此，共需要3次水沙充填，充填过程中需要3次回填心土层，最后再覆盖约0.368m厚的表土才能达到设计标高。按照此方法对沉陷区进行充填复垦后，恢复耕地率可达95.12％以上。

在水沙初始流速为0.4m/s的情况下，T₁＝3.97h，T₂＝147.46h，T₃＝29.46h，T₄＝78.17d，T₅＝2d，因此充填延时时间T＝87.71d。

Claims (1)

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W_i(x_i,y_i,t_i)如表达式(1)所示：

式中：

r_i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；

β_i为第i个开采单元的主要影响角；

H_i为第i个开采单元的煤层开采深度，单位m；

D_i为第i个开采单元的采空区面积，单位为m²；

x_i，y_i为第i个开采单元内任意点w_i的坐标，单位为m；

W_cm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；

c_i＝2.0×v×tanβ_i/H_i (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、r_i为半径，然后将长短轴端点按照半径r_i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Dt_i；将各复垦范围Dt_i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D_t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D_t的复垦充填时机T₀；

4)确定各充填单元的复垦设计标高H_i ^*：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H_i ^*；

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K_j和前后两充填单元的充填时间间隔T_j，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K_j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T_j的公式为：

T_j＝T_j1+T_j2+T_j3+T_j4+T_j5 (5)

式中，T_j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；T_j1-T_j5依次为充填单元j的顺序充填时间，T_j1为充填单元j被水沙充填满时的时间，T_j2为泥沙在条带内的静水沉降时间，T_j3为排明水时间，T_j4为充填过饱和泥沙排水固结时间，T_j5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K_j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。