[發明專利]一種利用黃河泥沙動態充填采煤塌陷地的方法

有效

• 申請號: 201811159810.6
• 申請日: 2018-09-30
• 公開（公告）號: CN109372511B
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發明（設計）人: 胡振琪;趙艷玲;呂雪嬌;李新舉;肖武
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: E21C41/18
• 分類號: E21C41/18;E21F15/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

1.一種利用黃河泥沙動態充填采煤塌陷地的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)預測開采沉陷最大下沉值與各階段下沉值，包括以下步驟：

1-1)根據開采計劃和采煤沉陷地的地質條件，對各個工作面選擇開采單元及開采的時點，現以單個工作面為例進行說明，將工作面沿開采方向細分為數個規則的長方形開采單元，將各開采單元按1,2,…,i,…,n依次進行編號，n為正整數，每個開采單元尺寸寬為15～100m，長為100～500m；

1-2)基于Knothe時間函數，采用概率積分法獲得開采單元各開采時段的動態下沉等值線；具體方法說明如下：

工作面采用笛卡爾坐標系，設過采空區傾斜主斷面內下山計算邊界中與煤層走向平行的線為X軸，過采空區走向主斷面左計算邊界中與采空區傾斜方向平行的線為Y軸，與煤層走向成Φ角的任意剖面上點w的坐標為x和y，根據下沉盆地的表達式可以推導出地表下沉盆地內任意方向的任意點w的下沉值W_i(x_i,y_i,t_i)如公式 (1)所示：

式中：

r_i為第i個開采單元的任意開采水平的主要影響半徑，根據公式(2)計算得到，單位為m；

β_i為第i個開采單元的主要影響角；

H_i為第i個開采單元的煤層開采深度，單位m；

D_i為第i個開采單元的采空區面積，單位為m²；

x_i，y_i為第i個開采單元內任意點w_i的坐標，單位為m；

W_cm為地表充分采動的最大下沉值，單位為mm；

η、ε分別為多重積分中的微元變量；

f(t_i)為knothe時間函數，t_i為第i個開采單元的預計開采時刻與實際開采時刻之間的時間間隔，c_i為開采沉陷區域第i個開采單元的地表下沉速度系數，由公式(3)確定，公式(3)中v為工作面推進速度；

c_i＝2.0×v×tanβ_i/H_i (3)

由式(1)分別預計開采單元各開采時段的動態下沉值，并分別繪制各開采單元每個開采時段的預計動態下沉等值線；

2)確定充填復墾范圍：地下開采單元為規則的矩形，每個開采單元對應的地表沉陷范圍面積為不規則的橢圓，以橢圓的長短軸的端點為圓心、r_i為半徑，然后將長短軸端點按照半徑r_i延伸的點以矩形連接，所形成的范圍即為第i個開采單元造成的地表最大影響范圍，將各開采單元i以最大影響范圍的外接矩形為相應開采單元的地表充填復墾范圍Dt_i；將各復墾范圍Dt_i按照開采方向分別劃分為多個充填單元，各充填單元的尺寸寬為25～35m、長為100～500m，將所有充填單元按1,2,…,j,…,m依次進行編號，m為正整數；

3)確定地表整個復墾范圍D_t的復墾充填時機T₀：根據所在區域水文地質圖確定潛水位為h_潛^*，然后根據公式(1)，令W(x，y，t)＝h_潛^*，將計算出的t作為地表整個復墾范圍D_t的復墾充填時機T₀；

4)確定各充填單元的復墾設計標高H_i^*：根據地下煤炭開采過程中地表沉降程度，結合地表實際的地形地貌與土地利用分類確定各充填單元的復墾設計標高H_i^*；

5)選擇沉陷區的充填方式為多層多次引黃充填；根據待充填的心土和表土的土壤厚度和采煤沉陷地最大土壤剝離厚度，確定采煤沉陷地的土壤剝離厚度為0.5～1m，其中表土剝離厚度為0.2～0.5m，心土剝離厚度為0～0.8m；充填土壤結構特征從下到上為：泥沙層-心土層-泥沙層-心土層……泥沙層-心土層-表土層；

6)根據公式(4)～(5)確定各充填單元多層多次引黃充填的次數K_j和前后兩充填單元的充填時間間隔T_j，計算公式分別如下：

計算各充填單元多層多次引黃充填的次數K_j的公式如下：

式中，H_j__b為第b次充填完成后充填單元j剩余的待充填深度，單位為m；W_max__j__b-1為根據公式(1)計算的充填單元j在第b-1次充填完成后的最大沉陷深度，單位為m，公式(1)可計算地表任意點下沉值，因此W_max__j__b-1可由公式(1)計算得到；S為管道輸沙濃度，單位為kg/m³；ρ_s為泥沙密度，單位為kg/m³；當即充填單元被充填至復墾設計標高時確定的充填次數b即為充填單元j的分層充填泥沙次數K_j，K_j＝2～4；

計算各充填單元的充填時機T_j的公式為：

T_j＝T_j1+T_j2+T_j3+T_j4+T_j5 (5)

式中，T_j為前后充填單元之間的充填時間間隔，即為充填單元j充填全過程的時間；T_j1-T_j5依次為充填單元j的順序充填時間，T_j1為充填單元j被水沙充填滿時的時間，T_j2為泥沙在條帶內的靜水沉降時間，T_j3為排明水時間，T_j4為充填過飽和泥沙排水固結時間，T_j5為心土回填、平整、壓實時間；

7)確定各類土壤結構層厚度為：表土層厚0.2～0.5m，每一心土層厚度0.1～0.4m，每一泥沙層厚度0.2～1m，泥沙層厚度根據各充填單元分層充填泥沙次數K_j確定；

8)根據上述確定的充填參數對各充填單元進行多層多次引黃充填，先進行泥沙層充填和心土回填，再進行表土回填，具體步驟如下：

8-1)按照步驟5)設定的充填土壤結構特征依次進行多次充填泥沙層充填和心土層回填：充填采用多層多次隔帶交錯充填的方式，先充填奇數編號的充填單元作為一組，再充填偶數編號的充填單元作為另一組，或相反；充填時先從當前組的第一個充填單元開始沿著煤層方向進行黃河泥沙的充填，當該第一個充填單元達到設定的泥沙層厚度0.2-1m后，再對當前組中第二個充填單元進行泥沙充填，如此進行，一直到當前組中最后一個充填單元充填泥沙層至設定厚度；然后按照相同的步驟依次對另一組中的各充填單元分別進行泥沙層充填；各充填單元完成當前層的充填泥沙工作后，均分別保持1-3天的泥沙沉淀時間，然后依次對各充填單元的當前泥沙層進行排水固結后進行平整，回填部分心土并適當壓實，分別構筑一層0.1-0.4m厚的心土層，至此完成了一層泥沙層充填和心土回填；再按照相同的方式進行各充填單元j中下一層泥沙層的充填和心土層的回填，直至完成各充填單元中最后一層泥沙層的充填和心土層的回填；待同組中所有充填單元完成最后一層泥沙層和心土層的回填后，對該組中所有充填單元分別進行表土的回填覆蓋和平整；

8-2)待采煤沉陷地全部充填單元完成引黃充填后，一起進行表土平整、壓實。