一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法及系统

专利名称：一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411232860.8

专利申请（专利权）人：山东大学
权利人地址：山东省济南市历下区经十路17923号

专利发明（设计）人：刘士亮,王傲,王山林,郑雨生,毛德强

专利摘要：本发明属于土壤结构受损程度评价技术领域，提供了一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法及系统，包括对采煤塌陷区进行不同区域不同恢复时间的原位取样；获取试样的孔隙率和裂隙率，建立第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的关系式，获得相关系数，基于相关系数、第一损伤变量和第二损伤变量，计算采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量；获取正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，并根据此阈值范围判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区。本发明克服了采煤塌陷区塌陷恢复时间长，无法实现采煤塌陷区快速有效生态修复的问题。

主权利要求：
1.一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法，其特征在于，包括以下步骤：对待测采煤塌陷区和正常恢复的采煤塌陷区的土壤进行不同区域不同恢复时间的原位取样；
获取原位取样试样的孔隙率和裂隙率，建立第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的关系式，获得第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的相关系数，基于相关系数、第一损伤变量和第二损伤变量，计算采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量；
所述第一损伤变量为以孔隙表征定义的损伤变量；
所述第二损伤变量以裂隙表征定义的损伤变量；
第一损伤变量和孔隙率之间的关系式为：
其中，emax表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最大孔隙率，emin表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最小孔隙率，ei表示采煤塌陷恢复某阶段取样获取的孔隙率；
第二损伤变量和裂隙率之间的关系式为：
其中，cmax表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最大裂隙率，cmin表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最小裂隙率，ci表示采煤塌陷恢复某阶段取样获取的裂隙率；
计算采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量的计算公式为：
其中，De和Dc分别表示第一损伤变量和第二损伤变量，a和b分别表示损伤变量De、Dc与采煤塌陷恢复某阶段取样获取的孔隙率ei、裂隙率ci之间的相关系数；
获取正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，并根据此阈值范围判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区。
2.如权利要求1中所述的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法，其特征在于，获取原位取样试样的孔隙率和裂隙率，具体为：对获取的原位取样试样开展CT扫描实验，获取CT扫描实验数据，基于CT扫描实验数据获取采煤塌陷区原位取样试样的孔隙率和裂隙率。
3.如权利要求1中所述的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法，其特征在于，根据正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区，具体为：若待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值位于正常阈值范围内，则让其自然恢复，无需人工干预；
否则，取|D‑De|和|D‑Dc|中的较小值作为判断采煤塌陷区土壤结构受损程度的依据；
若|D‑De|值较小，则表明取样区孔隙对土壤结构影响较大，若|D‑Dc|值较小，则表明取样区裂隙对土壤结构影响较大，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区。
4.一种采煤塌陷区土壤结构受损分区系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，被配置为：对待测采煤塌陷区和正常恢复的采煤塌陷区的土壤进行不同区域不同恢复时间的原位取样；
计算模块，被配置为：获取原位取样试样的孔隙率和裂隙率，建立第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的关系式，获得第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的相关系数，基于相关系数、第一损伤变量和第二损伤变量，计算采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量；所述第一损伤变量为以孔隙表征定义的损伤变量；
所述第二损伤变量以裂隙表征定义的损伤变量；
第一损伤变量和孔隙率之间的关系式为：
其中，emax表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最大孔隙率，emin表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最小孔隙率，ei表示采煤塌陷恢复某阶段取样获取的孔隙率；
第二损伤变量和裂隙率之间的关系式为：
其中，cmax表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最大裂隙率，cmin表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最小裂隙率，ci表示采煤塌陷恢复某阶段取样获取的裂隙率；
计算采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量的计算公式为：
其中，De和Dc分别表示第一损伤变量和第二损伤变量，a和b分别表示损伤变量De、Dc与采煤塌陷恢复某阶段取样获取的孔隙率ei、裂隙率ci之间的相关系数；
土壤分区模块，被配置为：获取正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，并根据此阈值范围判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区。
5.一种存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1‑3任一项所述的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法中的步骤。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1‑3任一项所述的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法中的步骤。 说明书 : 一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法及系统技术领域[0001] 本公开涉及土壤结构受损程度评价技术领域，具体涉及了一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法及系统。背景技术[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。[0003] 许多矿区地层构造复杂，煤层开采厚度大，倾角变化大，经矿区开采后，地表呈现典型的塌陷盆地，往往呈现数量繁多的裂隙和孔隙，对矿区土壤的连续性和完整性具有较大影响。因此，采煤塌陷区土壤结构受损分区的确定，对矿区土壤结构恢复选用合理的生物治理措施，保障矿区土地资源的可持续利用，以及对解决采煤塌陷区塌陷恢复时间长，无法实现采煤塌陷区快速有效生态修复等问题都具有重要的科学研究意义和应用价值。[0004] 采煤塌陷区土壤结构受损分区受复杂地形和土壤条件影响，具有不确定性强、对时空分辨率高、缺乏统一的评估标准以及分区成本高的特点，采煤塌陷区土壤结构受损分区难度较大，往往出现受损分区结果与实际情况不符，其对后续的生态治理影响较大，从而直接制约了采煤塌陷区的快速生态修复过程。当前采煤塌陷区土壤结构受损分区研究往往集中于：（1）运用遥感、GIS、GPS、探地雷达等现代土壤检测技术对采煤塌陷区实行时空检测，结合大量观测结果对采煤塌陷区土壤结构进行受损分区；（2）采煤塌陷区土壤结构受损分区方法往往基于某一被地区和部门广泛认可的分区标准，上述研究虽然取得较为丰富的研究成果，在一定程度上实现了采煤塌陷区土壤结构受损分区。但仍存在以下不足：（1）尽管当前已运用现代化技术如遥感、GIS、GPS、探底雷达等在采煤塌陷区土壤结构受损分区取得了一定的成果，但在实际操作中仍存在技术限制，如数据精度等，这限制了采煤塌陷区土壤结构受损分区的准确性和有效性。（2）采煤塌陷区土壤结构受损分区方法往往基于某一被地区和部门广泛认可的分区标准，但目前仍未形成一套系统的完整的多技术融合的采煤塌陷区土壤结构受损分区方法及系统。发明内容[0005] 针对上述缺陷，本公开提出了一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法及系统，能够实现采煤塌陷区土壤结构受损分区，并基于分区结果采用相应治理措施实现人工干预，克服了采煤塌陷区塌陷恢复时间长，无法实现采煤塌陷区快速有效生态修复的问题。[0006] 为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：[0007] 本公开第一方面提供了一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法，包括以下步骤：[0008] 对待测采煤塌陷区和正常恢复的采煤塌陷区的土壤进行不同区域不同恢复时间的原位取样；[0009] 获取原位取样试样的孔隙率和裂隙率，建立第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的关系式，获得第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的相关系数，基于相关系数、第一损伤变量和第二损伤变量，计算采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量；[0010] 获取正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，并根据此阈值范围判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区。[0011] 作为进一步的实现方式，获取原位取样试样的孔隙率和裂隙率，具体为：[0012] 对获取的原位取样试样开展CT扫描实验，获取CT扫描实验数据，基于CT扫描实验数据获取采煤塌陷区原位取样试样的孔隙率和裂隙率。[0013] 作为进一步的实现方式，所述第一损伤变量为以孔隙表征定义的损伤变量；[0014] 所述第二损伤变量以裂隙表征定义的损伤变量。[0015] 作为进一步的实现方式，第一损伤变量和孔隙率之间的关系式为：[0016][0017] 其中，emax表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最大孔隙率，emin表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最小孔隙率，ei表示采煤塌陷恢复某阶段取样获取的孔隙率。[0018] 作为进一步的实现方式，第二损伤变量和裂隙率之间的关系式为：[0019][0020] 其中，cmax表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最大裂隙率，cmin表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最小裂隙率，ci表示采煤塌陷恢复某阶段取样获取的裂隙率。[0021] 作为进一步的实现方式，计算采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量的计算公式为：[0022][0023] 其中，De和Dc分别表示第一损伤变量和第二损伤变量，a和b分别表示损伤变量De、Dc与采煤塌陷恢复某阶段取样获取的孔隙率ei、裂隙率ci之间的相关系数。[0024] 作为进一步的实现方式，根据正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区，具体为：[0025] 若待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值位于正常阈值范围内，则让其自然恢复，无需人工干预；[0026] 否则，取|D‑De|和|D‑Dc|中的较小值作为判断采煤塌陷区土壤结构受损程度的依据；[0027] 若|D‑De|值较小，则表明取样区孔隙对土壤结构影响较大，若|D‑Dc|值较小，则表明取样区裂隙对土壤结构影响较大，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区。[0028] 本公开第二方面提供了一种采煤塌陷区土壤结构受损分区系统，包括：[0029] 数据获取模块，被配置为：对待测采煤塌陷区和正常恢复的采煤塌陷区的土壤进行不同区域不同恢复时间的原位取样；[0030] 计算模块，被配置为：获取原位取样试样的孔隙率和裂隙率，建立第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的关系式，获得第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的相关系数，基于相关系数、第一损伤变量和第二损伤变量，计算采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量；[0031] 土壤分区模块，被配置为：获取正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，并根据此阈值范围判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区。[0032] 本公开第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现本公开第一方面所述的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法中的步骤。[0033] 本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现本公开第一方面所述的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法中的步骤。[0034] 与现有技术相比，本公开的有益效果为：[0035] 本公开提出的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法及系统，根据孔隙率和裂隙率，计算待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值，依据正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，能够实现采煤塌陷区土壤结构受损分区，并基于分区结果采用相应治理措施实现人工干预。克服了采煤塌陷区塌陷恢复时间长，无法实现采煤塌陷区快速有效生态修复等缺点，对矿区土壤结构恢复选用合理的生物治理措施，保障矿区土地资源的可持续利用都具有重要的科学研究意义和应用价值。[0036] 本公开提出的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法及系统，基于CT扫描实验数据及AVIZO软件分别获取采煤塌陷区原位取样试样的孔隙率和裂隙率，具体包括利用InteractiveTop‑Hat模块区分孔裂隙和基质，LabelAnalysis模块自定义分析属性，AnalysisFilter模块选用Shape_VA3d区分孔隙和裂隙，VolumeFraction模块获取孔隙率和裂隙率，能够较为精准的区分出孔隙和裂隙，从而为更好的分区服务。[0037] 本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明[0038] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。[0039] 图1是本公开的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法的框架流程图。具体实施方式[0040] 下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。[0041] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。[0042] 在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0043] 实施例一[0044] 如图1所示，本公开实施例一提供了一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法，主要包括以下步骤：[0045] S1对待测采煤塌陷区和正常恢复的采煤塌陷区的土壤进行不同区域不同恢复时间的原位取样；[0046] S2获取原位取样试样的孔隙率和裂隙率，建立第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的关系式，获得第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的相关系数，基于相关系数、第一损伤变量和第二损伤变量，计算采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量；[0047] S3获取正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，并根据此阈值范围判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区。[0048] 其中，所述第一损伤变量为以孔隙表征定义的损伤变量，所述第二损伤变量以裂隙表征定义的损伤变量。[0049] 获取原位取样试样的孔隙率和裂隙率，具体为：[0050] 对获取的原位取样试样开展CT扫描实验，获取CT扫描实验数据，基于CT扫描实验数据获取采煤塌陷区原位取样试样的孔隙率和裂隙率。具体方法步骤为：[0051] （1）基于原位土取样技术标准进行多次待测采煤塌陷区和正常恢复的采煤塌陷区内的不同区域不同恢复时间的原位取土；[0052] （2）开展原位土样的CT扫描实验，并获取CT扫描实验数据；[0053] （3）基于CT扫描实验数据及AVIZO软件分别获取采煤塌陷区原位取样试样的孔隙率e和裂隙率c，具体包括利用InteractiveTop‑Hat模块区分孔裂隙和基质，LabelAnalysis模块自定义分析属性，AnalysisFilter模块选用Shape_VA3d区分孔隙和裂隙，VolumeFraction模块获取孔隙率e和裂隙率c。[0054] 依据CT扫描实验及AVIZO处理软件取采煤塌陷区原位取样试样的孔隙率e和裂隙率c，进一步的，建立以孔隙表征定义的损伤变量De与孔隙率e以及以裂隙表征定义的损伤变量Dc与裂隙率c之间的关系式。进一步的，建立采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量D与以孔隙、裂隙分别表征定义的损伤变量De、Dc之间的关系式的具体方法步骤为：[0055] （1）建立以孔隙表征定义的损伤变量De与孔隙率e表征定义的损伤变量De模型：[0056][0057] 其中，emax表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最大孔隙率，emin表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最小孔隙率，ei表示采煤塌陷恢复某阶段取样获取的孔隙率。[0058] （2）建立以裂隙表征定义的损伤变量Dc与裂隙率c表征定义的损伤变量Dc模型：[0059][0060] 其中，cmax表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最大裂隙率，cmin表示采煤塌陷恢复阶段取样获取的最小裂隙率，ci表示采煤塌陷恢复某阶段取样获取的裂隙率。[0061] （3）建立采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量D与以孔隙、裂隙分别表征定义的损伤变量De、Dc之间的关系式：[0062][0063] 其中，De和Dc分别表示第一损伤变量和第二损伤变量，a和b分别表示损伤变量De、Dc与采煤塌陷恢复某阶段取样获取的孔隙率ei、裂隙率ci之间的相关系数。[0064] 其中，a和b通过运用Origin软件拟合不同阶段的第一损伤变量和第二损伤变量散点，得到拟合的相关系数。[0065] 获取正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量D阈值范围，根据正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区，并基于分区结果采用土壤微生物治理措施实行人工干预的具体方法步骤为：[0066] （1）基于多次不同时间不同区域取样正常采煤塌陷区试样，获取不同恢复阶段及不同区域的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量D值，即可获得正常采煤塌陷区不同区域不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量D阈值范围；[0067] （2）根据此阈值范围并结合多次不同时间不同区域取样待测采煤塌陷区试样的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量D值判断该待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量D值是否异常；[0068] （3）若该待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量D值位于正常阈值范围内，则让其自然恢复，无需人工干预；[0069] （4）若该待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量D值超出正常阈值范围，则取|D‑De|和|D‑Dc|中的较小值作为判断采煤塌陷区土壤结构受损程度的依据，若|D‑De|值较小，则说明取样区孔隙对土壤结构影响较大，为孔隙主要影响区；若|D‑Dc|值较小，则说明取样区裂隙对土壤结构影响较大，为裂隙主要影响区；[0070] （5）基于此，可实现采煤塌陷区土壤结构受损分区，对孔隙主要影响区采用酵母膏与枯草芽孢杆菌制成微生物自修复剂等类似方法实现人工干预。对于裂隙主要影响区，可采用微生物灌浆技术等类似方法实现人工干预。[0071] 实施例二[0072] 本公开实施例二提供了一种采煤塌陷区土壤结构受损分区系统，包括：[0073] 数据获取模块，被配置为：对待测采煤塌陷区和正常恢复的采煤塌陷区的土壤进行不同区域不同恢复时间的原位取样；[0074] 计算模块，被配置为：获取原位取样试样的孔隙率和裂隙率，建立第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的关系式，获得第一损伤变量和孔隙率以及第二损伤变量和裂隙率之间的相关系数，基于相关系数、第一损伤变量和第二损伤变量，计算采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量；[0075] 土壤分区模块，被配置为：获取正常恢复的采煤塌陷区不同恢复阶段的包气带孔隙与裂隙结构损伤变量阈值范围，并根据此阈值范围判断待测采煤塌陷区包气带孔隙与裂隙结构损伤变量值是否异常，实现采煤塌陷区土壤结构受损分区。[0076] 更详细的步骤与实施例一中的相同，这里不再赘述。[0077] 实施例三[0078] 本公开实施例三提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法中的步骤。[0079] 更详细的步骤与实施例一中的相同，这里不再赘述。[0080] 实施例四[0081] 本公开实施例四提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的一种采煤塌陷区土壤结构受损分区方法中的步骤。[0082] 更详细的步骤与实施例一中的相同，这里不再赘述。[0083] 以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

专利地区：山东

专利申请日期：2024-09-04

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118730862B