塌陷预测在采煤矿区土地复垦规划中的应用

苏尚军，张 强，张建杰，刘 斌

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030006；3.山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

近年来，我国煤炭资源的大规模开发利用，引发了严重的土地塌陷和生态破坏问题[1]。为实现经济社会的可持续发展，我国进一步加大了对煤炭开采损毁土地的复垦力度。2011年3月5日公布的《土地复垦条例》，为加强落实合理利用土地和切实保护耕地的基本国策，规范土地复垦活动，加强土地复垦管理，提高土地利用的社会效益、经济效益和生态效益，对相关责任主体及行为都作出了详细的规定。随着条例的公布和实施，相关管理部门及资源开发利用主体等都将积极开展土地复垦工作。而保证土地复垦工作合理开展、有序推进，就要进行科学的规划和管理[2]。通常国土部门是通过对破坏区域进行土地复垦规划审批和土地复垦工程验收来实现监管。而其中的土地复垦规划技术报告的科学性和合理性就显得尤为重要。

1 塌陷预测在土地复垦规划中的作用

土地复垦是指对生产建设活动和自然灾害损毁的土地，采取整治措施，使其达到可供利用状态的活动。而煤炭井工开采矿区土地损毁的主要特点是在资源开采过程中，由于对地层地质结构的破坏，导致上覆岩层应力失衡，造成地表裂缝和沉陷的现象，进而间接造成地表道路、耕地、建筑的结构性破坏；露天开采区的土地损毁特点主要是地表剥离挖损和排土压占。通常在进行土地复垦规划时就必须明确在资源开发责任区内，受资源开发利用方式和时序安排的影响，表现出对地表土地不同时空、不同程度的损毁。在土地复垦规划中，如何确定土地损毁的等级，如何确定土地损毁对利用方式的影响，以及如何对损毁土地进行复垦适宜性的确定，都是比较重要的技术问题[3]。其不仅强调方法的科学性，同时也要求具有较强的可操作性。

在进行煤炭井工开采区的土地复垦规划时，须针对煤炭资源开采过程中可能出现的土地沉陷情况进行合理预测，从而对未来土地损毁情况有一个较为合理的估计，进而才能相应地进行复垦工程布设和投资估算。那么要想针对煤炭开采区进行科学的土地复垦规划，合理可信、操作性强的土地塌陷预测方法就显得十分重要。复垦规划具体技术路线如图1所示。

2 数据资料及分析软件

本研究用到的气象资料为高平市气象局（1958—2000年）统计资料。土地利用现状资料来源于高平市《全国第二次土地利用现状调查成果》，采用西安1980坐标系，比例尺为1∶10 000。DEM数据由ASTER GDEM第1版本（V1）的数据加工得来，空间分辨率为30 m，数据时期为2009年，投影方式为UTM/WGS84，值域范围为-152～8 806 m。高良矿区地质资料、开采情况及相关图件取自高良煤矿地质勘察报告和生产初步设计书。预测计算参数按照相关标准划分在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中查得。

塌陷预测软件为中国矿业大学研发的《开采沉陷预计系统》（2007版）。制图及空间分析软件为 AutoCAD2008和 ArcGIS9.3。

3 塌陷预测在土地复垦规划中的具体应用

本研究以山西高平高良煤矿为例，进行土地损毁模拟，以分析地表塌陷预测在土地复垦规划中的具体应用。

3.1 矿区概况

山西高平高良煤矿的地理坐标大概为东经 112°49′01″～112°49′53″，北纬35°51′51″～35°52′18″。该区为大陆性暖温带季风气候，年均气温9.8℃，年均降水量589.4 mm，降水多集中在6—9月份，年均蒸发量为1 735 mm，干旱指数为2.8，土壤类型属黄土状褐土。该矿属沁水煤田，生产能力为45万t/a，主采3#煤层，煤层平均厚度5.1 m，平均埋深300 m。采用轻型综采放顶采煤法，全部跨落法管理顶板。井田形状为矩形，面积为1.040 1 km2。

高良煤矿采用主、副立井和回风立井开拓方式，以＋670 m单水平开采全井田3#煤层。全井田共划分2个采区，开采顺序为：一采区→二采区，服务年限为5.5 a。经现场调查，由于自建矿以来一直开采3#煤层，井田范围内工业广场以东及以南部分采空区已出现地面轻微下沉、农田、林地裂缝等现象，但总体程度较轻，裂缝宽度大多为2～10 mm。区域内土地利用现状如图2所示。

3.2 采煤矿区地表塌陷预测

井工采煤矿区因地质结构破坏而出现土地损毁现象，其土地影响范围与损毁程度受地质条件和资源开发利用情况的不同而出现差异，具体为垂直下沉、倾斜变形和水平变形3种情况，直观表现为地表塌陷和裂缝[4]。按照国家煤炭工业局《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中规定：概率积分法、负指数函数法、典型曲线法和数值计算法为主要的开采沉陷预计方法[5]。其中，概率积分法最为常用。一般用来衡量塌陷盆地全范围变形的指标有5个，即下沉w、倾斜i、曲率k、水平移动u和水平变形ε，可由中国矿业大学开发的开采沉陷预测预报系统（MSPS软件）模拟预测计算得到[6]。结果主要为3个方面，即地表下沉等值线图、倾斜变形等值线图和地表水平变形等值线图（图3）。其中，参与计算的参数如表1所示。

表1 地表移动变形模型输入参数

地表下沉等值线图主要是由一系列负的闭合等高线组成，用来说明在影响范围区内各点的下沉程度，是用来描述矿区范围内受采煤影响，导致地层结构性破坏，从而出现的地表下沉现象；而地表水平变形等值线图是一系列水平方向移动距离的等值线，用来表示影响范围区域内各点的水平移动距离，是受采煤影响地表土壤层出现褶曲和裂缝的情况。

3.3 塌陷预测结果预处理

塌陷预测结果中包含了受采煤影响而表现出地表图层垂直方向和水平方向发生的变形程度。垂直方向的变动主要影响地表塌陷稳定后的地形地貌；而水平方向则影响地表裂缝的宽窄，用以确定土地损毁的程度。在这个原则下，将塌陷预测结果中的地表下沉等值线图生成栅格DEM，然后与原始地貌DEM叠加，可得到未来的地形地貌。再对其进行坡度分析，用以模拟矿区采煤塌陷稳定后的地形状况[7]。

本试验的土地塌陷预测工作，是通过中国矿业大学研发的MSPS2007版软件，运用概率积分法模拟计算所得。其生成的图件包括下沉等值线图、水平变形等值线图、倾斜变形等值线图，这些均可以.dwg格式叠加到原来的开拓方案布置图上[8]。要实现这些信息的空间分析、数据提取，还须将其加载至地理信息系统软件（如ArcGIS 9.3）中进行处理。加载时以矿界拐点坐标为依据进行纠正和叠合，以西安1980坐标系为准。其中，运用ArcGIS 9.3进行结果处理与分析，主要包括数据校正、坐标转换、叠加分析、DEM生成、坡度提取、数据统计等[9]。

3.4 分析结果

地表塌陷预测需要重点解决3个问题，以便为土地复垦适宜性评价作准备，进而确定复垦方向及复垦工程量的估算。

3.4.1 地表塌陷对土地利用现状的影响 采煤矿区的地表塌陷范围一般以土地下沉等值线图的-10 mm线包围的区域为准。受土地塌陷下沉倾角的影响，这个范围内的土地有一部分通常会延伸到井田边界以外，属于采煤塌陷影响区域。

本试验区域为黄土高原土石丘陵区，主要分布有旱地、果园和灌木林地，受采煤塌陷影响的土地利用情况如表2所示。其中，由于旱地、果园和灌木林地所占比例较大，故土地损毁会造成当地粮食减产和生态系统服务功能下降[10]。依照耕地占补平衡的原则，后期土地复垦的耕地恢复工程量较大，投资量亦较大，直接导致了煤炭开采成本的提高。

表2 塌陷区土地利用情况

3.4.2 地表塌陷后坡度的变化 采煤矿区的土地塌陷后，会引起地表破碎，导致土地的局部坡度发生变化，影响了土地的耕作适宜性或植被的水土保持功能，从而致使该区域土地生产力和生态服务功能的下降。

本试验通过对塌陷预计生成的地表下沉等值线图，利用ArcGIS 9.3，采用TIN法生成矿区地表塌陷DEM数据[11]。然后对原始地貌分辨率作纠正、裁切、分辨率调整等处理，并与生成的塌陷DEM数据进行叠加，生成塌陷后矿区模拟地形数据（图4），再进行坡度提取，即可得到塌陷区土地损毁后坡度数据[12]。经分析（表3）可得出，损毁后塌陷区坡度＞15°的面积较之前大幅增加，所占比例达到88.48%，说明塌陷导致土地局部破碎，坡度增加。

3.4.3 对塌陷土地损毁程度的确定 井工采煤矿区的土地损毁主要表现在地表塌陷和地表裂缝2个方面。土地破坏等级的确定通常主要依据地表塌陷的深度和水平变形的程度来确定。针对不同地质条件区域和不同地类管理要求，土地损毁等级的判定标准又具有一定的差别[13]。按照国家国土资源部出台的相关标准，结合本研究矿区主要分布为旱地和林草的特点，具体分级指标如表4所示。

表3 塌陷区土地损毁前后坡度变化

表4 采煤塌陷区土地损毁程度分级标准

目前，采用塌陷预测软件MSPS所计算出的结果只包含下沉值、倾斜变形值、曲率值、水平移动值、水平变形值及相关的等值线图，故在土地复垦规划时，如何据此确定土地损毁程度分级分区，就需要可操作性较强的方法来实现。在多因子条件下，自然灾害评价综合区划研究中通常用到指标模型法[14]、主成分分析法[15]等方法。本研究对预测得出的单因素土地损毁结果，按照主导因素的方法，划分土地损毁区域为土地损毁轻度区域、土地损毁中度区域、土地损毁重度区域。此过程由ArcGIS 9.3叠加分析实现，具体计算方法为：P（土地损毁程度值）＝f（地表下沉值，倾斜变形值，水平变形值，坡度值，其他因子值）（1）

在方程（1）中，所有右边独立因子可通过一定方法赋予一定分类码。各因子间组合关系可以是线性的，也可以是非线性的。考虑到P的空间特征和地理信息系统的能力，可以将各种因子在统一的空间框架中，借助于空间叠加分析功能，综合各影响因子，从而可以得到综合影响因子图。在常规的计算中，多采用均匀格网作为空间框架，从而达到对每一格网点（象元点）进行分析，其空间综合则转化为多维矩阵的地图代数运算。

按照表4中土地损毁程度分级标准，可分析得出矿区各类土地损毁的等级分布情况，具体如表5所示。

通过对采煤区域土地塌陷的预测，模拟在一定地质条件和采煤方法下，未来该区域内煤炭开采对土地造成的损毁情况，依照国土资源管理部门的全国第二次土地利用现状调查资料，进而得出各地类斑块的损毁程度及空间分布。再经过土地复垦各限制因子控制下的土地适宜性评价，从而确定出未来土地复垦的工程布置、阶段安排以及投资估算，最终实现对采煤矿区未来的土地复垦工作的规划指导。

4 结论与建议

4.1 结论

土地塌陷预测是针对采矿活动对未来可能造成的地层结构变化进行预计，并根据预计结果衡量和评价土地损毁程度，为评估采矿活动对未来土地资源开发利用的影响提供依据。本研究就塌陷预测在土地复垦规划中的具体应用作了试验和探讨，最终得出：在塌陷预测过程中，塌陷预测的参数选择十分重要，参照相关规程及矿区地质资料及资源开发利用方案来选取适宜的参数是预测结果正确程度的保证；在预测结果的利用上提出了运用塌陷前后高程叠加的方法模拟地形地貌，从而得出未来矿区地形地貌的变化趋势；塌陷结果指标采用分区赋值，再采用空间叠加取大值的方法来实现土地破坏程度的空间划分，从而提高了土地复垦规划中塌陷预测及土地损毁程度确定的可操作性。

4.2 建议

目前，在土地塌陷预测中常用的方法为概率积分法，常用软件有中国矿业大学开发的MSPS和太原理工大学开发的MMSPS软件。前者适用于平原地区，后者适用于山区及丘陵地区。故如何选取科学合理的预测方法及预测软件是保证结果正确的前提。

目前，土地复垦相关技术标准中的土地损毁程度评价指标，与通常的塌陷预测结果不符，致使技术人员在具体评价工作中难以操作。故制定适宜的评价指标是深化和推进土地复垦规划及土地资源开发整理工作的重要技术手段。

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