張瑞婭，肖 武，胡振琪

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

邊采邊復(fù)耕地區(qū)動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高模型構(gòu)建與實(shí)例分析

張瑞婭，肖 武，胡振琪

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

在進(jìn)行邊采邊復(fù)規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)地復(fù)墾施工時(shí)耕地區(qū)應(yīng)當(dāng)采取的施工標(biāo)高，關(guān)系到整個(gè)復(fù)墾工程的成敗，尤為重要。因此為了更好的指導(dǎo)復(fù)墾工程實(shí)地施工，以邊采邊復(fù)技術(shù)思想為指導(dǎo)，首先系統(tǒng)分析了影響耕地動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高的三大因素，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了耕地動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高的理論模型。并結(jié)合動(dòng)態(tài)沉陷模型和概率積分法，根據(jù)單一煤層和多煤層不同開(kāi)采條件下地面沉陷特點(diǎn)，分別推導(dǎo)出了單一煤層和多煤層不同開(kāi)采條件下，耕地動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高的數(shù)學(xué)模型。最后以安徽某高潛水位煤礦為實(shí)例，分別對(duì)兩個(gè)不同復(fù)墾施工時(shí)刻，耕地區(qū)A1，A2點(diǎn)的施工標(biāo)高進(jìn)行模擬分析計(jì)算，當(dāng)復(fù)墾施工時(shí)刻ts1=210 d時(shí)，兩點(diǎn)的施工標(biāo)高分別為23.6，24.2 m，ts2=296 d時(shí)兩點(diǎn)的施工標(biāo)高分別為22.9，23.7 m，結(jié)果表明耕地動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高模型具有很好的適用性，這將促進(jìn)邊采邊復(fù)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

邊采邊復(fù);施工標(biāo)高;沉陷;高潛水位

煤炭是我國(guó)的主體能源和重要的工業(yè)原料，改革開(kāi)放以來(lái)，全國(guó)煤炭產(chǎn)量由1978年的6.2億t增加到了2015年的37.5億t[1]，煤炭的消費(fèi)量由5.7億t增加到近43億t，煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重一直占70%左右[2]，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的長(zhǎng)期平穩(wěn)發(fā)展提供了可靠的能源支撐。但隨著煤炭的不斷開(kāi)采，也帶來(lái)了許多生態(tài)環(huán)境[3]以及社會(huì)問(wèn)題[4]。我國(guó)92%的煤炭來(lái)自于井工開(kāi)采[5]，而且多采用走向長(zhǎng)臂全部垮落法管理頂板，因此形成了眾多的采煤沉陷地[6]，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)采煤沉陷地到2012年底已經(jīng)達(dá)到156萬(wàn)hm2[7]。尤其是在高潛水位煤糧復(fù)合區(qū)[8-9]，采煤沉陷后大量?jī)?yōu)質(zhì)耕地沉入水中無(wú)法利用[10]，因此采煤沉陷地治理問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)各界的關(guān)注[11]。目前，對(duì)于采煤沉陷地的復(fù)墾治理方式，大多采用傳統(tǒng)的“先破壞、后復(fù)墾”的末端治理方法[12]，即在土地穩(wěn)沉后再進(jìn)行復(fù)墾治理措施[13]，這時(shí)生態(tài)環(huán)境已遭受極大的破壞，復(fù)墾施工難度大[14-15]，復(fù)墾治理后效果也差強(qiáng)人意，因此，為了更好的保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高復(fù)墾耕地率，縮短復(fù)墾周期，降低生產(chǎn)成本，胡振琪等提出了井工煤礦邊開(kāi)采邊復(fù)墾技術(shù)，即邊采邊復(fù)技術(shù)，并指出邊采邊復(fù)的三大關(guān)鍵技術(shù)為復(fù)墾位置和范圍的確定、復(fù)墾時(shí)機(jī)的選擇以及復(fù)墾標(biāo)高的設(shè)計(jì)[16-17]。近年來(lái)，對(duì)于邊采邊復(fù)的復(fù)墾范圍[18-19]、復(fù)墾時(shí)機(jī)[20-21]等先后有了不斷深入的研究和探索，并取得了豐碩的成果。

由于邊采邊復(fù)是在地面沉陷前或沉陷過(guò)程中采取復(fù)墾措施的，其復(fù)墾標(biāo)高包括穩(wěn)沉后設(shè)計(jì)標(biāo)高和復(fù)墾工程施工標(biāo)高，其中穩(wěn)沉后設(shè)計(jì)標(biāo)高是指對(duì)沉陷地采取邊采邊復(fù)措施后，待地下煤炭開(kāi)采結(jié)束地面穩(wěn)沉，復(fù)墾土地想要達(dá)到的最終標(biāo)高，已經(jīng)有比較深入的研究[16]，而目前邊采邊復(fù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，大多側(cè)重于根據(jù)耕地穩(wěn)沉后的設(shè)計(jì)標(biāo)高，確定需要充填的土方量，并沒(méi)有明確指出實(shí)地復(fù)墾施工時(shí)耕地區(qū)應(yīng)當(dāng)采取的施工標(biāo)高，因此為了更好的指導(dǎo)復(fù)墾工程施工，促進(jìn)邊采邊復(fù)的推廣應(yīng)用，本文以邊采邊復(fù)技術(shù)思想為指導(dǎo)，在明確復(fù)墾施工時(shí)刻、耕地穩(wěn)沉后設(shè)計(jì)標(biāo)高以及復(fù)墾布局的前提下，構(gòu)建了邊采邊復(fù)耕地區(qū)動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高的理論模型，并結(jié)合動(dòng)態(tài)沉陷預(yù)計(jì)模型和概率積分法，分別推導(dǎo)出了單一煤層和多煤層開(kāi)采條件下，復(fù)墾耕地區(qū)動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高的數(shù)學(xué)模型，這將為邊采邊復(fù)的實(shí)地施工提供借鑒。

1 邊采邊復(fù)耕地區(qū)動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高理論模型

1.1 耕地動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高影響因素

根據(jù)邊采邊復(fù)技術(shù)思想，復(fù)墾工程實(shí)地實(shí)施時(shí)，地面正處于動(dòng)態(tài)沉陷過(guò)程中，耕地的施工標(biāo)高既需要考慮穩(wěn)沉后耕地設(shè)計(jì)標(biāo)高，還需要考慮復(fù)墾施工時(shí)地面下沉情況，以及地面的后續(xù)沉陷情況。

(1)穩(wěn)沉后耕地設(shè)計(jì)標(biāo)高是對(duì)耕地區(qū)采取復(fù)墾措施后，待地下煤炭全部開(kāi)采結(jié)束地面穩(wěn)沉，最終想要達(dá)到的標(biāo)高，是復(fù)墾耕地的最終目標(biāo)，因此穩(wěn)沉后耕地設(shè)計(jì)標(biāo)高是施工標(biāo)高的終極目標(biāo)。

(2)復(fù)墾施工時(shí)刻，即邊采邊復(fù)的復(fù)墾時(shí)機(jī)，對(duì)采煤沉陷地采取的復(fù)墾措施從該時(shí)刻開(kāi)始，因此復(fù)墾施工時(shí)刻是施工標(biāo)高的起點(diǎn)，對(duì)動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，也是邊采邊復(fù)的三大關(guān)鍵技術(shù)之一[11]。

(3)地面后續(xù)沉陷情況，即自復(fù)墾施工時(shí)刻到煤炭全部開(kāi)采結(jié)束地面穩(wěn)沉期間，地面的沉陷情況，由于復(fù)墾施工時(shí)地面處于動(dòng)態(tài)沉陷過(guò)程中，采取復(fù)墾措施后地面還將繼續(xù)下沉，因此地面后續(xù)沉陷情況是施工標(biāo)高的動(dòng)態(tài)變化量。

在不同的復(fù)墾施工時(shí)刻，由于地下煤炭開(kāi)采引起的地面動(dòng)態(tài)沉陷情況以及后續(xù)沉陷情況會(huì)有所不同，復(fù)墾施工時(shí)的施工標(biāo)高也會(huì)有所差異，以穩(wěn)沉后耕地設(shè)計(jì)標(biāo)高為地面原始高程為例，在無(wú)外來(lái)土源的前提下，以?xún)?nèi)部土方平衡為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃邊采邊復(fù)充填區(qū)和挖深區(qū)位置范圍，分析在不同復(fù)墾施工時(shí)刻的施工剖面，如圖1所示：(a)表示在地面沉陷前進(jìn)行邊采邊復(fù)施工，此時(shí)挖深區(qū)范圍內(nèi)位于可挖掘取土線以上的土方均可取出用于充填復(fù)墾，因此可復(fù)墾為耕地的面積相對(duì)較大，但由于地面未來(lái)沉陷量大，施工時(shí)需預(yù)留的標(biāo)高較多，導(dǎo)致耕地區(qū)超前復(fù)墾采取的施工標(biāo)高超出原始高程；(b)～(e)表示隨著復(fù)墾施工時(shí)刻的向后推移，由于地下煤炭的不斷開(kāi)采，地表沉陷范圍及下沉量隨之增加，但可挖掘取土高程一定，因此損失的土方將越來(lái)越多，在內(nèi)部土方平衡的前提下，挖深區(qū)域需逐步擴(kuò)大，以獲得更多的充填土方，而復(fù)墾耕地區(qū)域卻反之向沉陷盆地邊緣縮小，然而由于施工時(shí)，地面已經(jīng)出現(xiàn)沉陷，動(dòng)態(tài)沉陷盆地和最終沉陷盆地之間的差異逐步縮小，預(yù)留標(biāo)高也隨之降低，充填施工標(biāo)高超出原始高程的量也逐漸減??；(f)表示煤炭全部開(kāi)采結(jié)束地面穩(wěn)沉后進(jìn)行復(fù)墾施工，即目前常采用的傳統(tǒng)復(fù)墾方式，此時(shí)地面陷沉影響最嚴(yán)重，大部分土地已沉入水中，損失土方量也達(dá)到最大，由于不會(huì)再有后續(xù)下沉，無(wú)需預(yù)留標(biāo)高，復(fù)墾耕地區(qū)施工標(biāo)高即為原始高程。

1.2 理論模型的構(gòu)建

根據(jù)以上分析，假設(shè)復(fù)墾耕地區(qū)任意點(diǎn)A(x,y)在開(kāi)采前的原始高程為H0(x,y)，耕地穩(wěn)沉后的設(shè)計(jì)標(biāo)高為HR，復(fù)墾施工時(shí)刻為ts，ts時(shí)點(diǎn)A的地面高程為H(x,y,ts)，煤炭全部開(kāi)采結(jié)束時(shí)刻為tz煤炭全部開(kāi)采結(jié)束地面穩(wěn)沉后點(diǎn)A的地面高程為H(x,y,tz)，則復(fù)墾施工ts時(shí)點(diǎn)A(x,y)的施工標(biāo)高Hs(x,y,ts)為穩(wěn)沉后耕地設(shè)計(jì)標(biāo)高，加上ts時(shí)A點(diǎn)地面高程與煤炭全部開(kāi)采結(jié)束地面穩(wěn)沉后該點(diǎn)地面高程之差，如式(1)和圖2所示：

圖1 不同復(fù)墾施工時(shí)刻施工剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of construction profile at different reclamation time

圖2 施工標(biāo)高設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of construction elevation designing

其中復(fù)墾施工ts時(shí)任意點(diǎn)A(x,y)的地面高程H(x,y,ts)為A點(diǎn)原始高程H0(x,y)，減去ts時(shí)刻該點(diǎn)的動(dòng)態(tài)下沉量W(x,y,ts)：

同理，煤炭全部開(kāi)采結(jié)束地面穩(wěn)沉后任意點(diǎn)A(x,y)的地面高程H(x,y,tz)為A點(diǎn)原始高程H0(x,y)，減去煤炭全部開(kāi)采結(jié)束tz時(shí)刻該點(diǎn)的最終下沉量W0(x,y,tz)：

推導(dǎo)出復(fù)墾施工ts時(shí)任意點(diǎn)A(x,y)的施工標(biāo)高Hs(x,y,ts)為

Hs(x,y,s)=HR+[H(x,y,ts)-H(x,y,tz)]=HR+

{[H0(x,y)-W(x,y,ts)]-[H0(x,y)-

W0(x,y,tz)]}=HR+[-W(x,y,ts)+

式(4)為在任意施工時(shí)刻邊采邊復(fù)耕地區(qū)任意點(diǎn)的施工標(biāo)高理論模型。

2 邊采邊復(fù)耕地區(qū)動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高數(shù)學(xué)模型

耕地施工標(biāo)高的理論模型中，耕地穩(wěn)沉后的設(shè)計(jì)標(biāo)高HR，一般根據(jù)實(shí)地自然社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況綜合確定[16];而ts，tz時(shí)刻地面點(diǎn)的動(dòng)態(tài)下沉量W(x,y,ts)和最終下沉量W0(x,y,tz)，則需要考慮地面的動(dòng)態(tài)沉陷情況和最終沉陷情況。

目前研究地面動(dòng)態(tài)沉陷過(guò)程應(yīng)用較為廣泛的是將Knothe時(shí)間函數(shù)與概率積分法模型相結(jié)合[22-23]，地面動(dòng)態(tài)下沉的一般表達(dá)形式[24]為

式中,W(t)為時(shí)刻t地面點(diǎn)的下沉值;c為時(shí)間影響系數(shù);W0為地面點(diǎn)的最終下沉值，可通過(guò)概率積分法獲得。

概率積分法預(yù)計(jì)地面任意點(diǎn)最終下沉值的基本原理[25]如下：假設(shè)地下坐標(biāo)系是s，o1，u和地面坐標(biāo)系x，o，y在水平面上的投影是完全重合的，如圖3所示，當(dāng)?shù)叵旅簩娱_(kāi)采范圍為o1CDE，地面最大下沉量Wm=mqcosα?xí)r，整個(gè)地下開(kāi)采引起地面任意點(diǎn)A(x,y)的最終下沉值W0(x,y)如式(6)所示：

圖3 地面和地下空間坐標(biāo)系示意Fig.3 Schematic diagram of space coordinates system in surface and underground

假設(shè)地下坐標(biāo)系中s為煤層走向，u為煤層傾向，開(kāi)采工作面沿傾向布設(shè)，走向開(kāi)采，采用順序開(kāi)采方式，且工作面傾向長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，走向長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，開(kāi)采速度為v。

2.1 單一煤層開(kāi)采下耕地施工標(biāo)高數(shù)學(xué)模型

圖4 單一煤層地下開(kāi)采示意Fig.4 Schematic diagram of single coal seam mining

結(jié)合式(4)，(7)和(8)，得出單一煤層開(kāi)采條件下，復(fù)墾工程施工ts時(shí)，復(fù)墾耕地區(qū)任意點(diǎn)A(x,y)的施工標(biāo)高：

2.2 多煤層開(kāi)采下耕地施工標(biāo)高數(shù)學(xué)模型

由于多煤層開(kāi)采條件下，地面會(huì)受到多個(gè)煤層開(kāi)采的重復(fù)擾動(dòng)，沉陷情況與單一煤層會(huì)有所不同，因此分開(kāi)進(jìn)行分析。當(dāng)?shù)叵旅禾块_(kāi)采為多煤層時(shí)(圖5)，假設(shè)開(kāi)采煤層個(gè)數(shù)為n，依次開(kāi)采煤層1,2,…,n，第i個(gè)煤層的平均厚度為mi(i=1,2,…,n)，煤層傾角為αi，下沉系數(shù)為qi，開(kāi)采工作面?zhèn)€數(shù)為Pi，且采取順序開(kāi)采方式，則第i個(gè)煤層開(kāi)采引起地面最大下沉值Wmi=miqicosαi。那么任意時(shí)刻t，正在開(kāi)采的煤層i，可用式(10)確定：

圖5 多煤層地下開(kāi)采示意Fig.5 Schematic diagram of multiple coal seams mining

當(dāng)i=1時(shí)，表示正在開(kāi)采第1個(gè)煤層，此時(shí)轉(zhuǎn)化為單一煤層開(kāi)采問(wèn)題，地面任意點(diǎn)A(x,y)在任意時(shí)刻t的動(dòng)態(tài)下沉值W(x,y,t)可采用式(8)進(jìn)行計(jì)算。

多煤層開(kāi)采條件下施工標(biāo)高的設(shè)計(jì)，首先需要利用式(10)，確定復(fù)墾施工時(shí)刻ts和煤炭全部開(kāi)采結(jié)束時(shí)刻tz時(shí)正在開(kāi)采的煤層is和iz，且在多煤層開(kāi)采下iz≥2。

(1)若iz≥2且is=1，即復(fù)墾施工時(shí)刻ts正在開(kāi)采第1個(gè)煤層，為單一煤層開(kāi)采，因此結(jié)合式(4)，(8)和(11)，得出此時(shí)點(diǎn)A(x,y,t)的施工標(biāo)高：

(2)若iz≥2且is≥2，即復(fù)墾施工時(shí)刻ts也為多煤層開(kāi)采，因此結(jié)合式(4)，(11)和(12)，得出此時(shí)點(diǎn)A(x,y)的施工標(biāo)高：

表達(dá)式(13),(14)為多煤層開(kāi)采條件下，復(fù)墾耕地區(qū)任意點(diǎn)A在任意施工時(shí)刻ts時(shí)的施工標(biāo)高數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先需確定復(fù)墾施工時(shí)刻ts和煤炭全部開(kāi)采結(jié)束時(shí)刻tz時(shí)正在開(kāi)采的煤層is和iz，若iz≥2且is=1，則復(fù)墾施工時(shí)刻ts時(shí)點(diǎn)A的施工標(biāo)高數(shù)學(xué)模型應(yīng)采用式(13)，若iz≥2且is≥2，則點(diǎn)A的施工標(biāo)高數(shù)學(xué)模型應(yīng)采用表達(dá)式(14)。

3 實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)概況

本文選擇安徽省某高潛水位煤礦為研究對(duì)象進(jìn)行模擬研究分析。該煤礦位于安徽省西北部，屬于淮河沖積平原，地貌形態(tài)單一，地勢(shì)平坦，地形坡度小于5°，地面標(biāo)高一般在+21～+23 m，地下潛水位埋深僅2 m左右，為典型的高潛水位平原礦區(qū)。研究區(qū)所在區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，季風(fēng)明顯，春季多東南風(fēng)，夏季多東南及東風(fēng)，秋季多東風(fēng)，東北風(fēng)，冬季多東北風(fēng)，西北風(fēng)，蒸發(fā)量大于降雨量，潮濕系數(shù)近似0.5，降雨多集中在6，7，8三個(gè)月，約占全年的40%。

該礦始建于1973年，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300萬(wàn)t，已有43a的開(kāi)采歷史，期間經(jīng)技術(shù)改造后，目前年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力提高到了500萬(wàn)t，采用走向長(zhǎng)壁后退全部垮落綜合機(jī)械化采煤方法。該礦為煤層群開(kāi)采，可采煤層共13層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，煤層穩(wěn)定程度中等，水文地質(zhì)類(lèi)型中等，其他開(kāi)采地質(zhì)條件中等。目前開(kāi)采煤層主要為煤層1和煤層2，其中煤層1平均埋深620 m，煤層厚度約2 m，煤層傾角為6°;煤層2平均埋深680 m，煤層厚度約3 m，煤層傾角為8°。根據(jù)開(kāi)采計(jì)劃，分別在煤層1和煤層2布置了兩個(gè)工作面，且采取下行式順序開(kāi)采，即開(kāi)采順序?yàn)镻a1-Pa2-Pa3-Pa4，工作面尺寸為180 m×650 m，開(kāi)采速度約5 m/d，如圖6所示。

圖6 地下工作面布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of mining panel

3.2 耕地動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高分析計(jì)算

利用邊采邊復(fù)技術(shù)對(duì)沉陷地進(jìn)行復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植情況和農(nóng)民生產(chǎn)習(xí)慣，穩(wěn)沉后復(fù)墾耕地區(qū)的設(shè)計(jì)標(biāo)高HR為22.0 m，復(fù)墾時(shí)水下2 m的土可以取出用作充填。根據(jù)地下煤炭開(kāi)采信息以及礦山開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)采煤層1的平均煤厚m1=5 m，煤層傾角α1=6°，工作面?zhèn)€數(shù)P1=2，下沉系數(shù)q1=1.15，時(shí)間影響系數(shù)c1=8.9/a，開(kāi)采煤層2的平均煤厚m2=2 m，α2=8°，工作面?zhèn)€數(shù)P2=2，下沉系數(shù)q2=0.95，時(shí)間影響系數(shù)c2=8.1/a，4個(gè)開(kāi)采工作面的傾向長(zhǎng)度L1=180 m，走向長(zhǎng)度L2=650 m，開(kāi)采速度v=5 m/d。

選定復(fù)墾耕地區(qū)A1，A2兩點(diǎn)，對(duì)其復(fù)墾施工標(biāo)高進(jìn)行分析計(jì)算，A1，A2兩點(diǎn)坐標(biāo)分別為(79,164)，(544,164)，在煤炭開(kāi)采前的原始高程H0(79,164)=22.3 m，H0(544,164)=22.4 m。

(1)當(dāng)復(fù)墾施工時(shí)刻ts1=210 d時(shí)，由于iz=2且is1=1，此時(shí)復(fù)墾耕地區(qū)施工標(biāo)高數(shù)學(xué)模型應(yīng)采用式(10)進(jìn)行計(jì)算，A1，A2兩點(diǎn)的施工標(biāo)高為

Hs(79,164,210)=HR+W0(79,164,520)-

W(79,164,210)=22.0+2.7-1.1=23.6

Hs(544,164,210)=HR+W0(544,164,520)-

W(544,164,210)=22.0+3.0-0.8=24.2

(2)當(dāng)復(fù)墾施工時(shí)刻ts2=296 d時(shí)，由于iz=2且is2=2，此時(shí)復(fù)墾耕地區(qū)施工標(biāo)高數(shù)學(xué)模型應(yīng)采用式(11)進(jìn)行計(jì)算，A1，A2兩點(diǎn)的施工標(biāo)高為

Hs(79,164,296)=HR+W0(79,164,520)-

W(79,164,296)=22.0+2.7-1.8=22.9

Hs(544,164,296)=HR+W0(544,164,520)-

W(544,164,296)=22.0+3.0-1.3=23.7

該實(shí)例表明復(fù)墾耕地區(qū)施工標(biāo)高模型具有很好的適用性，能夠方便地指導(dǎo)復(fù)墾工程的實(shí)地施工。耕地區(qū)A1，A2兩點(diǎn)在不同復(fù)墾施工時(shí)刻的施工剖面如圖7所示，圖中曲線Hs1，Hs2分別為復(fù)墾施工時(shí)刻ts1=210 d和ts2=296 d時(shí)施工標(biāo)高曲線，H0為地面原始高程，HR為穩(wěn)沉后耕地設(shè)計(jì)標(biāo)高，Hq為地下潛水位，Hw為可挖掘取土線，曲線Hts1，Hts2分別為復(fù)墾施工時(shí)刻ts1=210 d和ts2=296 d時(shí)地面下沉盆地曲線，Htz為煤炭全部開(kāi)采結(jié)束穩(wěn)沉后的下沉盆地曲線。

圖7 不同復(fù)墾施工時(shí)刻A1，A2兩點(diǎn)施工剖面示意圖Fig.7 Construction profile of A1 and A2 at different reclamation time

從圖7和8可以看出，耕地區(qū)A1點(diǎn)在ts2=296 d時(shí)的施工標(biāo)高比ts1=210 d時(shí)的施工標(biāo)高要低，A2點(diǎn)的施工標(biāo)高也出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象，表明在不同的復(fù)墾施工時(shí)刻，耕地區(qū)施工標(biāo)高會(huì)有所不同，而且隨著施工時(shí)刻的向后推移，施工標(biāo)高呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖8 不同復(fù)墾施工時(shí)刻A1，A2兩點(diǎn)施工標(biāo)高對(duì)比Fig.8 Construction elevation of A1 and A2 at different reclamation time

4 結(jié) 論

(1)揭示了與耕地動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高相關(guān)的三大影響因素，分別為穩(wěn)沉后耕地設(shè)計(jì)標(biāo)高、復(fù)墾施工時(shí)刻以及地面后續(xù)沉陷情況，其中復(fù)墾施工時(shí)刻即復(fù)墾時(shí)機(jī)對(duì)耕地動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高設(shè)計(jì)至關(guān)重要;并在此基礎(chǔ)上根據(jù)邊采邊復(fù)技術(shù)思想，構(gòu)建了在任意復(fù)墾施工時(shí)刻耕地區(qū)任意點(diǎn)動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高的理論模型，為邊采邊復(fù)耕地區(qū)動(dòng)態(tài)施工設(shè)計(jì)提供理論支撐。

(2)由于多煤層開(kāi)采條件下，地面會(huì)受到多個(gè)煤層開(kāi)采的重復(fù)擾動(dòng)，其下沉情況與單一煤層會(huì)有所不同，而且在不同的復(fù)墾施工時(shí)刻正在開(kāi)采的煤層也不盡相同，因此根據(jù)單一煤層和多煤層不同開(kāi)采條件下地面下沉特點(diǎn)，利用動(dòng)態(tài)沉陷模型和概率積分法基本原理，分別推導(dǎo)出了單一煤層和多煤層不同開(kāi)采條件下，任意復(fù)墾施工時(shí)刻耕地區(qū)任意點(diǎn)動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高的數(shù)學(xué)模型，從而更好的指導(dǎo)邊采邊復(fù)實(shí)地施工。

(3)以安徽某煤礦為實(shí)例進(jìn)行模擬分析，根據(jù)地下煤炭開(kāi)采情況，選取相應(yīng)的耕地動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算了在2個(gè)不同復(fù)墾施工時(shí)刻耕地區(qū)A1，A2兩點(diǎn)的施工標(biāo)高，當(dāng)復(fù)墾施工時(shí)刻ts1=210 d時(shí)兩點(diǎn)的施工標(biāo)高分別為23.6，24.2 m，ts2=296 d時(shí)兩點(diǎn)的施工標(biāo)高分別為22.9，23.7 m。結(jié)果表明該模型具有很好的適用性。通過(guò)對(duì)比分析2個(gè)復(fù)墾施工時(shí)刻下A1，A2點(diǎn)的施工標(biāo)高，發(fā)現(xiàn)在不同的復(fù)墾施工時(shí)刻，由于地面后續(xù)沉陷情況的不同，耕地區(qū)施工標(biāo)高會(huì)隨著復(fù)墾施工時(shí)刻的向后推移而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

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Farmlanddynamicconstructionelevationmodelofconcurrentminingandreclamationandcasestudy

ZHANG Ruiya，XIAO Wu，HU Zhenqi

(InstituteofLandReclamationandEcologicalRestoration,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

In the progress of making Concurrent Mining and Reclamation (CMR) plan,the construction of elevation model of reclaiming farmland is crucial for field implementation,and at the same time,it determines if the whole reclamation project would be success or not.Based on the CMR,the theoretical model of farmland dynamic construction elevation was established with the careful analysis of its three influence factors.Then combined with dynamic subsidence model and probability integration theory,the mathematical models of farmland dynamic construction elevation were separately established in single and multiple coal seams mining conditions with the consideration of different subsidence situations on ground surface.Then,a coal mine with high groundwater table in Anhui province was selected as an example to verify the mode.Dynamic construction elevations ofA1 andA2 were simulated and calculated by using corresponding mathematical models in two different reclaiming construc-tion times.When the construction time was 210th day,the construction elevation of two points were 23.6 m and 24.2 m.While the construction time was 296th day,the construction elevation of two points were 22.9 m and 23.7 m.The result showed that this model had a favorable applicability and could conveniently guide the field con-struction which would promote the widespread utilization of CMR technology.

concurrent mining and reclamation;construction elevation;subsidence;high groundwater table

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1606

TD88

:A

:0253-9993(2017)08-2125-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41401609)

張瑞婭(1988—)，女，河北高邑人，博士研究生。Tel:010-62339045，E-mail:zhangruiyaz@163.com。

：胡振琪(1963—)，男，安徽五河人，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:010-62339045，E-mail:huzq1963@163.com

張瑞婭，肖武，胡振琪.邊采邊復(fù)耕地區(qū)動(dòng)態(tài)施工標(biāo)高模型構(gòu)建與實(shí)例分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(8):2125-2133.

ZHANG Ruiya，XIAO Wu,HU Zhenqi.Farmland dynamic construction elevation model of concurrent mining and reclamation and case study[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):2125-2133.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1606