一种煤矿重复采动生态水位阈值控制的设计方法

1.本发明涉及矿山生态水位与环境保护领域，特别是适用于一种煤矿重复采动生态水位阈值控制的设计方法。


背景技术：

2.煤炭在我国能源结构中占有主导地位，是我国能源战略安全的重要组成部分。西部矿区煤炭资源丰富，煤层厚度大、埋藏浅、可采煤层层数较多、煤质优良、易于开采，是中国重要的煤炭生产地。因此，这就决定了我国当前以西部生态脆弱矿区煤炭资源开发为主的格局，该区域已成为我国煤炭能源供给的重要战略基地。然而大规模高强度开发超过该区域部分矿区的生态环境承载能力，极有可能造成生态环境的不可逆破坏。西部矿区特殊的自然环境、生态环境和采矿地质环境，决定了采矿活动不可避免的对生态环境产生影响，采矿过程中煤层顶板覆岩结构的破坏改变了含水层的富水状态，地下水赋存与补给、循环模式发生改变，地下水位下降，植物养分流失，喜水植物退化，湿生植被向旱生植被演变，甚至加剧土壤荒漠化问题，严重影响生态环境质量。
3.地下水生态水位阈值一般是指能满足乔木、灌木和草本等各类陆生植物生长发育吸收利用地下水的临界需求值，能避免土壤盐渍化或土地荒漠化。在煤矿重复采动过程中顶板下沉、地下水位下降，使得土壤荒漠化，而充填开采是采用煤矸石、粉煤灰、风积沙、黄土等固废产物进行充填采空区的绿色开采方法，可以有效地控制顶部岩石移动。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种煤矿重复采动生态水位阈值控制的设计方法，
5.一种煤矿重复采动生态水位阈值控制的设计方法，包括：
6.步骤1、收集矿井设计区域的生态水位阈值影响指标ki，以确定生态水位阈值控制值hc；
7.步骤2、采用实验室测试方法获取矿井地质条件下充填材料压实特性、煤岩体物理力学关键参数：
8.步骤3、数值模拟：
9.(31)基于步骤2中获取的充填材料压实特性及煤岩体物理力学关键参数，构建三维数值分析模型；
10.(32)以不同煤层为研究对象，针对每个煤层，均以充实率作为三维数值分析模型的输入参数，通过三维数值分析模型获取充实率变化条件下的生态水位下降高度hi；
11.(33)统计每个煤层对应的不同充实率充实率对应的生态水位下降高度hi；
12.(34)基于统计结果，获取每个煤层的充实率与生态水位下降高度hi之间的曲线关系图、曲线关系图对应的拟合表达式；
13.步骤4、获取每个煤层对应的最终充实率具体包括：
14.(41)、首先根据步骤1中的生态水位阈值控制值hc及矿井设计区域的水位埋深l，
获取步骤3中所有煤层的生态水位下降高度总和的临界值y
总
；其中，所有煤层的生态水位下降高度总和的临界值y
总
＝h
c-h；h是地下水位初始埋深；
15.(42)、将临界值赋值y
总
作为生态水位下沉值h1至第一煤层对应的拟合表达式，以获取第一煤层对应的临界充实率结合工程实际安全系数，确定第一煤层对应的最终充实率
16.(43)、将第一煤层对应的最终充实率赋值至该煤层对应的拟合表达式，以获取第一煤层对应的生态水位下沉极值h
1max
；
17.(44)、通过步骤(41)中的所有煤层的生态水位下降高度总和的临界值y
总
、步骤(43)中的生态水位下沉极值h
1max
，求出第二煤层对应的生态水位下沉值h 2
＝h
c-h；
18.(45)、根据第二煤层对应的拟合表达式，求出第二煤层对应的结合工程实际安全系数，确该第二煤层对应的最终充实率
19.优选地，当煤层层数i＞2时，在步骤(45)之后还包括以下步骤：
20.步骤5、将第二煤层对应的最终充实率赋值至第二煤层对应的拟合表达式，以获取第二煤层对应的生态水位下沉极值h
2max
；之后求出第i煤层对应的生态水位下沉值h i
；其中，
21.h i
＝h
c-h-h
1max-h
2max
‑…h(i-1)max
；其中，i≥3；i＝n 1,n≥2；
22.之后根据第i煤层对应的拟合表达式，求出第i煤层对应的结合工程实际安全系数，确该第i煤层对应的最终充实率
23.优选地，步骤1中生态水位阈值影响指标ki包括地表土壤含水率、土壤含盐量、植被覆盖度、植被保护种类及植被保护等级。
24.优选地，步骤1中，煤岩体物理力学关键参数包括体积模量、剪切模量、内聚力、抗拉强度、内摩擦角和密度。
25.优选地，步骤4中，临界充实率
26.优选地，步骤3中，充填材料压实特性的压实力学特性实验中，获取充填材料的容重、弹性模量及泊松比。
27.优选地，步骤3中，采用3dec数值模拟软件构建三维数值分析模型。
28.优选地，步骤3中，采用origin软件获取曲线关系图。
29.与现有技术相比，本发明的优点为：
30.(1)提供了一种安全可靠、切实可行的煤矿重复采动生态水位阈值控制的设计方法，可为生态脆弱矿区充填开采控制生态水位阈值及地表生态环境保护提供参考。
31.(2)该设计方法实用性强、操作简单、有益效果明显，可为煤矿煤炭资源开采与生态水位保护提供理论与工程借鉴，贯彻“绿水青山就是金山银山”的理念，丰富绿色开采理论，扩大充填采煤的应用范围和效果。
附图说明
32.图1是本发明的设计流程图；
33.图2是本发明的一种煤矿重复采动生态水位阈值控制的设计方法原理图；
34.图3是主采1#充实率与生态水位下沉值h1关系曲线图；
35.图4是主采2#充实率与生态水位下沉值h2关系曲线图。
36.其中，1-地下水位初始埋深h；2-生态水位阈值控制值；3-生态水位下沉极值；4-重复采动充填采空区；5-主采1#煤层；6-主采2#煤层；7-地下水位初始位置。
具体实施方式
37.下面将结合示意图对本发明的煤矿重复采动生态水位阈值控制的设计方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
38.一种煤矿重复采动生态水位阈值控制的设计方法，包括：
39.步骤1、收集矿井设计区域的生态水位阈值影响指标ki，以确定生态水位阈值控制值hc；
40.步骤2、采用实验室测试方法获取矿井地质条件下充填材料压实特性、煤岩体物理力学关键参数：
41.步骤3、数值模拟：
42.(31)基于步骤2中获取的充填材料压实特性及煤岩体物理力学关键参数，构建三维数值分析模型；
43.(32)以不同煤层为研究对象，针对每个煤层，均以充实率作为三维数值分析模型的输入参数，通过三维数值分析模型获取充实率变化条件下的生态水位下降高度hi；
44.(33)统计每个煤层对应的不同充实率充实率对应的生态水位下降高度hi；
45.(34)基于统计结果，获取每个煤层的充实率与生态水位下降高度hi之间的曲线关系图、曲线关系图对应的拟合表达式；
46.步骤4、获取每个煤层对应的最终充实率具体包括：
47.(41)、首先根据步骤1中的生态水位阈值控制值hc及矿井设计区域的水位埋深l，获取步骤3中所有煤层的生态水位下降高度总和的临界值y
总
；其中，所有煤层的生态水位下降高度总和的临界值y
总
＝h
c-h；h是地下水位初始埋深；
48.(42)、将临界值赋值y
总
作为生态水位下沉值h1至第一煤层对应的拟合表达式，以获取第一煤层对应的临界充实率结合工程实际安全系数，确定第一煤层对应的最终充实率
49.(43)、将第一煤层对应的最终充实率赋值至该煤层对应的拟合表达式，以获取第一煤层对应的生态水位下沉极值h
1max
；
50.(44)、通过步骤(41)中的所有煤层的生态水位下降高度总和的临界值y
总
、步骤(43)中的生态水位下沉极值h
1max
，求出第二煤层对应的生态水位下沉值h 2
＝h
c-h；
51.(45)、根据第二煤层对应的拟合表达式，求出第二煤层对应的结合工程实际安全系数，确该第二煤层对应的最终充实率
52.优选地，当煤层层数i＞2时，在步骤(45)之后还包括以下步骤：
53.步骤5、将第二煤层对应的最终充实率赋值至第二煤层对应的拟合表达式，以获取第二煤层对应的生态水位下沉极值h
2max
；之后求出第i煤层对应的生态水位下沉值h i
；其中，
54.h i
＝h
c-h-h
1max-h
2max
‑…h(i-1)max
；其中，i≥3；i＝n 1,n≥2；
55.之后根据第i煤层对应的拟合表达式，求出第i煤层对应的结合工程实际安全系数，确该第i煤层对应的最终充实率
56.优选地，步骤1中生态水位阈值影响指标ki包括地表土壤含水率、土壤含盐量、植被覆盖度、植被保护种类及植被保护等级。
57.优选地，步骤1中，煤岩体物理力学关键参数包括体积模量、剪切模量、内聚力、抗拉强度、内摩擦角和密度。
58.优选地，步骤4中，临界充实率
59.优选地，步骤3中，充填材料压实特性的压实力学特性实验中，获取充填材料的容重、弹性模量及泊松比。
60.优选地，步骤3中，采用3dec数值模拟软件构建三维数值分析模型。
61.优选地，步骤3中，采用origin软件获取曲线关系图。
62.实施例1
63.一种煤矿重复采动生态水位阈值控制的设计方法，主要是针对煤矿重复采动过程中生态水位阈值控制的充实率设计方法。
64.西部某矿区设计生产能力为1.2mt/a，主采煤层为主采1#煤层及主采2#煤层两个煤层，其中主采1#煤层5埋深为85m左右，主采2#煤层6埋深为115m左右，煤层厚度分别为4.5m、3m，地下水水位初始埋深1为h为2.3m。由于煤层采高较大，埋深较浅，采动裂隙发育到了地表，极大地影响了当地矿区地表生态环境，因此需要对采空区进行充填来达到对地表植被等生态环境保护的目的。
65.在本实施例中，主采1#煤层5定义为第一煤层，主采2#煤层6定义为第二煤层。在其他实施例中，主采1#煤层5也定义为第二煤层，主采2#煤层6也定义为第一煤层。地下水位初始位置7、重复采动充填采空区4如图2所示。
66.结合本发明的一种煤矿采动生态水位阈值控制的设计方法，描述其具体步骤如下：
67.一种煤矿重复采动生态水位阈值控制的设计方法，包括：
68.步骤1、根据该矿井设计区域地表土壤含水率、土壤含盐量、植被覆盖度、植被保护种类及等级等生态水位阈值影响指标ki的资料收集与实测，综合确定生态水位阈值控制值2(hc)为4.8m。
69.步骤2、采用实验室测试方法获取矿井地质条件下充填材料压实特性、煤岩体物理力学关键参数。
70.其中，充填材料压实特性的压实力学特性实验中，获取充填材料的容重、弹性模量及泊松比。煤岩体物理力学关键参数包括体积模量、剪切模量、内聚力、抗拉强度、内摩擦角和密度。
71.具体的，采用该矿产出的煤矸石、风积沙质量分数为1:0.3作为散体充填材料，在
原岩应力约为2.5mpa的条件下进行压实力学特性实验，得到该充填材料容重约为20.0kn
·
m-3
，弹性模量为16.3gpa，泊松比为0.29。
72.按照该矿井设计区域地质采矿条件、覆岩钻孔资料、煤岩物理力学参数实验室测试结果，对煤岩物理力学参数实验室测试结果校准，校准后的煤岩物理力学参数见表2。
73.表2煤岩物理力学参数
[0074][0075]
步骤3、数值模拟。
[0076]
(31)基于步骤2中获取的充填材料压实特性及煤岩体物理力学关键参数，采用3dec数值模拟软件构建三维数值分析模型；模型长
×
宽
×
高为300m
×
200m
×
120m；四周约束水平方向位移，底部约束垂直方向位移；本构关系采用摩尔-库伦模型。
[0077]
(32)以两个煤层为研究对象，针对每个煤层，均以充实率作为三维数值分析模型的输入参数，通过三维数值分析模型获取充实率变化条件下的生态水位下降高度hi。
[0078]
(33)统计每个煤层对应的不同充实率充实率对应的生态水位下降高度hi。
[0079]
(34)基于统计结果，获取每个煤层的充实率与生态水位下降高度hi之间的曲线关系图、曲线关系图对应的拟合表达式。
[0080]
在本实施例中，为了得到重复采动条件下充实率与生态水位下降高度之间的的关系，模拟计算第主采1#充实率为90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％以
及不充填开采时的含水层高度h1下降情况。
[0081]
根据第主采1#煤层不同充实率条件时的模拟结果，统计充实率与生态水位下降高度h1关系见表3。
[0082]
表3充实率与生态水位下降高度h1关系
[0083][0084]
根据得到的结果，通过origin软件得到第主采1#充实率与生态水位下降高度h1之间的曲线关系图(如图3所示)。同时得到拟合方程为：
[0085]
y＝-31.1x 3070.1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0086]
其中，相关系数r2为0.99074。
[0087]
根据#2充实率为90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％以及不充填开采时的含水层高度h2下降情况。不同充实率条件时的模拟结果，统计充实率与生态水位下降高度h2关系见表4。
[0088]
表4充实率与生态水位下降高度h2关系
[0089][0090]
根据得到的结果，通过origin软件得到主采2#充实率与生态水位下降高度h2之间的曲线关系图(如图4所示)。同时得到拟合方程为：
[0091]
y＝-27.8x 2757.3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0092]
其中，r2为0.99702。
[0093]
步骤4、获取每个煤层对应的最终临界充实率，具体包括(41)～(45)。
[0094]
(41)首先根据步骤1中的生态水位阈值控制值hc及矿井设计区域的水位埋深l，获取步骤3中所有煤层的生态水位下降高度总和的临界值y
总
；其中，所有煤层的生态水位下降高度总和的临界值(生态水位下沉极值3)y
总
＝h
c-h。
[0095]
根据生态水位阈值控制值hc＝4.8m，第四系地下水位埋深l为2.3m，即重复采动地下水水位下降的临界(所有煤层的生态水位下降高度总和的临界值)为y
总
＝h
c-h＝2500mm。
[0096]
(42)将临界值2500mm生态水位下沉值h1赋值至第一煤层(主采主采1#煤层5)对应的拟合表达式，以获取第1号煤层对应的临界充实率结合工程实际安全系数，确定第一煤层对应的最终充实率
[0097]
当h1＝2500mm时，也即y1＝2500时，带入拟合公式(1)求得x1＝18.3，即主采1#充实率为18.3％时，达到生态水位阈值临界控制值。
[0098]
考虑一定的工程实际安全系数，根据i≥1的要求，选择第主采1#煤层最终充实率为45％。进一步研究主采2#煤层临界充实率。
[0099]
(43)将第一煤层对应的最终充实率赋值至第一煤层对应的拟合表达式，以获取第一煤层对应的生态水位下沉极值h
1max
。
[0100]
(44)通过步骤(41)中的所有煤层的生态水位下降高度总和的临界值、步骤(43)中的生态水位下沉极值h
1max
，反求出第二煤层(主采主采2#煤层6)对应的生态水位下沉值h 2
＝h
c-h。。
[0101]
(45)根据第二煤层对应的拟合表达式，求出第2号煤层对应的临界充实率结合工程实际安全系数，确定第二煤层对应的最终充实率
[0102]
即当x1＝45％时，得到y1＝h
1max
＝1670.6，即当y2＝h2＝h
c-h-h
1max
＝829.9时，带入拟合公式(2)求得x2＝69.3。
[0103]
考虑一定的工程实际安全系数，根据i≥1的要求，为达到生态水位阈值控制值目的选择主采2#煤层最终充实率为75％。
[0104]
实施例2
[0105]
在实施例1的基础上，进一步求解3#煤层的最终充实率。
[0106]
3#煤层数值模拟后的拟合公式求解过程，和上述主采1#煤层、主采2#煤层的求解过程相同，在此不再赘述。
[0107]
即当x2＝75％时，得到y2＝h
2max
＝672.3，即y3＝h3＝h
c-h-h
1max-h
2max
＝157.6。
[0108]
带入3#煤层数值模拟后的拟合公式可求得x3，从而选择3#煤层最终充实率以此类推可以求得其他煤层开采时的最终充实率设计值。
[0109]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。