井工煤矿边采边复施工敏感区域的确定方法＊

肖 武 胡振琪 杨耀淇 苗慧玲 周祥勃

（中国矿业大学 （北京）土地复垦与生态重建研究所，北京市海淀区，100083）

井工煤矿边采边复施工敏感区域的确定方法＊

肖 武 胡振琪 杨耀淇 苗慧玲 周祥勃

（中国矿业大学 （北京）土地复垦与生态重建研究所，北京市海淀区，100083）

针对地面施工类型，划分了施工敏感区的分类，选择耕地为研究对象，重点剖析了耕地施工敏感区的确定方法与过程，并运用于山东某矿山工作面，将研究区域地面划分为7875个地面单元，地下工作面划分为13个开采阶段，由此，确定了各个开采阶段地面复垦施工的敏感区域。

煤矿区 边采边复 施工敏感区 空间分布

对于采煤沉陷地复垦，自20世纪80年代以来国内专家学者已经开展了广泛研究，但以往的治理多侧重于沉陷稳定后再复垦，在现有技术水平下复耕率较低，这也就意味着大面积的优质农田将会变为水域，直接影响耕地的数量。造成这一现象的原因有很多，一方面，特殊的地质采矿条件使得这一地区沉陷具有典型性，高潜水位矿区大多为平原矿区，所在区域大多为地势平坦、土壤资源丰富、肥力较高的优质基本农田区，由于本身地表地势平坦且潜水位较高，而同时煤层赋存条件又特别好，很多矿区煤层数量多、煤层厚度大，这就造成沉陷后积水的现象严重，大量的表土资源沉入水底；另一方面，由于是平原地区，缺乏固体充填物，目前主要采用煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等作为塌陷区治理的充填材料，与地表巨大的沉陷体积相比，此类充填物是杯水车薪。且珍贵的土壤资源作为多年风化沉积形成的资源，从某种意义上来说是不可再生的资源，复垦时缺少充填材料与表土覆盖材料，造成恢复土地和耕地的比例低。

近年来，相关学者开展动态复垦与超前复垦的研究，研究人员希望通过提前采取复垦措施来达到保护耕地的目的。胡振琪 （2013）提出了井工矿山边开采边复垦 （简称边采边复，Concurrent Min-ing and Reclamation，CMR）的概念。定义边采边复为：充分考虑地下开采与地面复垦措施的耦合，通过合理减轻土地损毁的开采措施和沉陷前或沉陷过程中的复垦时机与方案的优选，实现采矿与复垦同步进行的一种复垦技术。可见，边采边复相对于稳定后复垦而言，实质上也是一种超前的复垦措施，其实施不可避免地涉及到地面沉陷前施工或者对正在沉陷的土地进行复垦施工。因此，复垦施工的对象 （如耕地区、水利设施、道路等）不可避免地要遭受动态沉陷，如拉伸、倾斜、曲率变形的影响，导致很多工程在施工过程中或者施工后遭受二次破坏，致使复垦失败。如何合理确定复垦的时间与区域，特别是施工过程中的施工敏感区，既确保复垦耕地率最大，又避免在动态开采阶段的敏感区域 （受水平变形、曲率变形区域）进行施工，成为井工开采煤矿区边采边复技术发展的瓶颈，直接关系到复垦工程的成功与否。

本文建立了以地理信息系统 （Geographic Information System，GIS）为手段，以Arcinfo为平台的施工敏感区判定模型。在分阶段动态沉陷预测的基础上，对预先划分好的地面格网进行了分析，确定了各个开采阶段的地面施工敏感单元，并进行了实际运用。

1 施工敏感区定义及关键指标的确定

边采边复的目的是为了在地面出现积水前预先采取地面复垦措施，提前剥离表土储存，随后进行平整与农田水利设施的建设。事实上，为了尽快利用受损的耕地，缩短土地临时占用的时间，在表土剥离后应当及时对其进行回填平整。在对受扰耕地进行回填平整治理时，要考虑治理后的土地能否经受住后续沉陷下沉的影响。

要确定施工敏感区，首先要确定施工后对象承受后续下沉与变形时需要克服哪些扰动。对于复垦后的土地对后续沉陷的抗扰动能力，目前暂无专门研究，但国内外学者对开采沉陷耕地的影响及抗扰动能力进行了大量的研究，马丹·赛恩 （1992）在总结了大量文献的基础上，将基本农田的损害按照水平变形与坡度进行了划分，认为当拉伸变形达到2.0×10-3～3.0×10-3时，为中度减产破坏；水平拉伸变形达到5.0×10-3时为重度减产破坏；沉陷引起的附加坡度在2.0×10-3～-3.0×10-3时，为中度减产破坏；坡度达到6.0×10-3时为重度减产破坏。郑南山等 （1998）依据徐淮矿区开采破坏特点，选取高潜水位矿区开采沉陷对耕地破坏程度指标并进行程度分级。

边开采边复垦的耕地损害情况评价，是实时动态的评价，其目的是为了在清晰地、明确地界定各个阶段的耕地损坏状况后，实时或者超前采取措施进行治理，同时，确保治理后的工程能承受后续的沉陷扰动影响。对于农业耕作系统中的不同部分，其破坏阈值与可承受程度也有所不同，根据以往研究经验，本文将沉陷区耕地中受影响的各个部分分为两大类，分别确定其损害的标准，也以此为依据评判复垦时机选择的合理性。

首先，将耕地本身的土壤作为第一类，即复垦后的耕地在竖直方向上要预留标高承受后续竖直下沉的影响，不至于后续沉陷影响后的再次积水现象；复垦后的土壤能保证后续的水平移动分量、倾斜与曲率变形能在破坏阈值之下，耕地不会在表土回覆、土地平整施工后再出现变形导致的开裂现象，可以选择水平变形 （地面是否开裂）为关键评价指标。其次，将农田耕作系统中农林路网、灌溉排水等配套设施作为第二类，在施工建设后，此类设施也必须能承受后续开采的变形影响，开采引起的变形包括水平移动、水平变形、倾斜、曲率等。通过以往研究，大多选取水平变形作为评价耕地损毁程度的指标。综合考虑后，同时为了判别的简单准确性，确定边采边复过程中水工建筑抗损毁的评价指标为水平变形。对于不同结构的水工建筑 （田间道路、排灌沟渠、塘坝、砖瓦结构灌溉机井等），所能承受的抗压强度或者抗拉强度不一样。此外，对于线状 （沟渠、塘坝）等线状地物来说，除了水平拉伸变形会导致其产生裂缝外，过大的曲率变形也会对其造成破坏，因此选择水平变形与曲率变形为关键评价指标。

在任意开采时刻，地面的水平变形分布是不同的，各类水工建筑抗 （变形）损害的能力也有区别。根据以上原理，建立耕地 （或者复垦后耕地）的损毁 （抗损毁）能力模型，对于t开采时刻，地面的抗损害敏感区域可由式1得出。对于边采边复来说，应当避免在t时刻在Rt区段进行相关的复垦水工建筑建设施工。在此基础上，可尽早对剥离的表土进行回填、平整与水利设施的建设。

式中：Rt——t时刻的抗损害敏感区域；

S——敏感区域面积；

V——水平 （曲率）变形阈值；

Rt（S，V）——田间道路抗损害敏感区域；

Tt（S，V）——沟渠抗损害敏感区域；

Pt（S，V）——塘坝体抗损害敏感区域；

Bt（S，V）——地面建筑抗损害敏感区域。

2 基于GIS的地面施工敏感区的评判模型

本文采用GIS，在Arcinfo平台下进行操作。具体的包括如下几个步骤：

（1）划分地面单元，并栅格化地面单元。将地面划分为方格地面单元，方格地面单元各边长度为H／20所得数的10位取整 （H为平均采深，单位为米）。将方格地面单元栅格化，栅格化单位取值范围为10～100 m。

（2）根据开采阶段进行沉陷预计，获取各个开采阶段的地表变形等值线，地表变形等值线包括水平变形等值线与曲率变形等值线，开采阶段以月或年为单位进行划分。

（3）通过GIS的插值与拟合功能，获取各个开采阶段的地表的水平变形栅格图与曲率变形栅格图，实现地表变形等值线到变形栅格图的转换。

（4）将获取的水平变形栅格图与曲率变形栅格图分别通过叠加运算，赋值给地面单元，获取每个地面单元各个开采阶段的变形值，地面单元的变形值取所在地面单元内栅格单元的最大值。如式2与式3所示。

式中：Si——地面单元i的水平变形；

En——地面单元i内第n个栅格单位的水平变形值；

Qi——地面单元i的曲率变形；

Fn——地面单元i内第n个栅格单位的曲率变形值。

（5）确定各个开采阶段复垦施工的敏感地面单元，若Si≥Bj，则该地面单元为施工敏感单元，否则为非敏感单元 （Bj为对应的施工对象的抗水平变形的阈值；若Qi≥Gj，则该地面单元为施工敏感地面单元，否则为非敏感单元，Gj为对应的施工对象的抗曲率变形的阈值；对于各开采阶段中的每个地面单元，若Si或者Qi中任意一个超过阈值，则该地面单元为该开采阶段的复垦施工敏感地面单元。

地面施工敏感区的评价流程如图1所示。

图1 施工敏感单元判定流程图

3 实例应用

3.1 研究区概况

本文所选案例位于山东省西南部，属黄河冲洪积平原，地形平坦，地势略呈现西北高东南低，地面标高为+40.01～+46.14 m，平均43.26 m，自然地形坡度为2‰。矿区内水系比较发达，河流沟渠纵横成网，且多系人工开掘的季节性河流。根据邻近地区煤炭开采经验，由于该地区潜水位浅，蒸发强烈，潜水浓缩盐化，容易局部形成盐碱地，开采沉陷后导致的地面积水毫无疑问会加剧局部区域的盐碱化，影响正常的农业耕作。该矿井为巨厚新生界松散层覆盖的全隐蔽煤田，新生界地层厚度531.50～767.80 m，平均为655.16 m。首先开采的3上煤层平均采深约800 m，平均采高达到9 m。

为了得到该地区单一工作面开采对地面动态影响规律，选择首采区1301N工作面为研究对象。该工作面位于矿区西北部，工作面南北向布置，走向长度2500 m，倾向220 m，开采高度9.0 m，自南向北采用综合机械化开采，开采时间自2010年1月1日至2011年1月15日。地面高程变化为+43.0～+44.50 m，地下水埋深约3.0 m左右，地形相对较为平坦，西北高，东南低。工作面的布置情况及地面地形情况如图2所示。

3.2 施工敏感区确定过程

（1）划分地面单元，并栅格化地面单元。

将地面划分为方格地面单元，确定本实施例地面单元尺寸为40 m×40 m，共7875个地面单元。栅格化地面单元，栅格化单位选取为10 m×10 m；则每个地面单元有16个栅格单元。

图2 工作面布置及开采前地面高程情况

（2）根据开采阶段进行沉陷预计，获取各个开采阶段的地表变形等值线 （包括水平变形等值线与曲率变形等值线）；开采阶段以月为单位进行划分；共获得12期开采阶段的水平变形等值线与曲率变形等值线。

（3）通过GIS的插值与拟合功能，获取各个开采阶段的地表的水平变形栅格图与曲率变形栅格图；实现地表变形等值线到变形栅格图的转换。

（4）将获取的水平变形栅格图与曲率变形栅格图分别通过叠加运算，赋值给地面单元，获取每个地面单元各个开采阶段的变形值，地面单元的变形值取所在地面单元内栅格单元的最大值。

（5）确定各个开采阶段复垦施工的敏感地面单元，若Si≥Bj，则该地面单元为施工敏感单元，否则为非敏感单元 （Bj为对应的施工对象的抗水平变形的阈值，施工对象的抗水平变形的阈值由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》确定）；若Qi≥Gj，则该地面单元为施工敏感地面单元，否则为非敏感单元 （Gj为对应的施工对象的抗曲率变形的阈值，施工对象的抗曲率变形的阈值由 《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》确定；对于各开采阶段中的每个地面单元，只要Si或者Qi中任意一个超过阈值，则该地面单元为该开采阶段的复垦施工敏感地面单元。

本实施例中，由于耕地区施工过程中主要考虑拉伸变形导致的裂缝，因此对于复垦为耕地的只选取Bj=5 mm／m；对于进行砖和混凝土的沟渠及鱼塘堤坝建设的取Bj=2.5 mm／m，Gj=12 km；由此，确定了各个开采阶段地面施工敏感单元，以第六开采阶段为例，耕地复垦施工敏感地面单元共51个，如图3（a）所示；复垦为沟渠与鱼塘堤坝的复垦施工敏感地面单元共320个，如图3（b）所示。在第6开采阶段进行复垦工作时，应当避免在上述地面单元进行对应的复垦施工。图中虚线为开采工作面，阴影部分为施工敏感地面单元。

图3 第6开采阶段复垦施工敏感区域

4 结论

本文建立了以地理信息系统 （Geographic Information System，GIS）为手段，以Arcinfo为平台的施工敏感区判定模型。在分阶段动态沉陷预测的基础上，对预先划分好的地面格网进行了分析，确定了各个开采阶段的地面施工敏感单元。

模型运用于山东某矿山，将工作面划分为13个开采阶段，确定了各个阶段地面施工的敏感单元，以第六开采阶段为例，耕地复垦施工敏感地面单元共51个；复垦为沟渠与鱼塘堤坝的复垦施工敏感地面单元共320个。

［1］王汉鹏，李术才，李为腾，李海燕，李智 .深部厚煤层回采巷道围岩破坏机制及支护优化 ［J］.采矿与安全工程学报，2012（5）

［2］Hu Zhenqi，Xiao Wu.Optimization of concurrent mining and reclamation plans for single coal seam：a case study in northern Anhui，China［J］.Environmental Earth Sciences，2013（5）

［3］Wu Qunyuan，Pang Jiewu，Qi Shanzhong，Li Yiping，Han Congcong，Liu Tingxiang，Huang Limei.Impacts of coal mining subsidence on the surface landscape in Longkou City，Shandong Province of China ［J］，Environmental Earth Sciences，2009 （4）

［4］卞正富 .我国煤矿区土地复垦与生态重建研究［J］.资源与产业，2005（2）

［5］Hu Zhenqi.The technique of reclaiming subsidence areas by use of a hydraulic dredge pump in Chinese coal mines ［J］.International Journal of Mining，Reclamation and Environment，1994（4）

［6］胡振琪 .中国土地复垦与生态重建20年：回顾与展望 ［J］.科技导报，2009（17）

［7］卢国懿，薛峰，赵江涛 .对我国粉煤灰利用现状的思考 ［J］.中国矿业，2011（Z）

［8］邓琨 .固体废弃物综合利用技术的现状分析 ［J］.中国资源综合利用，2011（1）

［9］周锦华，胡振琪 .固体废弃物煤矸石室内击实试验研究 ［J］.金属矿山，2003（12）

［10］李太启，戚家忠，周锦华等 .刘桥二矿动态塌陷区预复垦治理方法 ［J］.矿山测量，1999（2）

［11］胡振琪，肖武，王培俊，赵艳玲 .试论井工煤矿山边开采边复垦技术 ［J］.煤炭学报，2013（2）

［12］Howard L.Hartman，SME Mining Engineering Handbook［M］.Society for Mining，Metallurgy，and Exploration（U.S.）

［13］郑南山，胡振琪，顾和和 .煤矿开采沉陷对耕地永续利用的影响分析 ［J］.煤矿环境保护，1998（1）

［14］王巧妮，陈新生，张智光 .基于综合效益评价的采煤塌陷地复垦模式的设计 ［J］.中国煤炭，2009（1）

［15］陆军 .煤矿土地复垦主要问题和政策措施建议［J］.中国煤炭，2001（4）

Determination of sensitive area for concurrent mining and reclamation construction in underground coal mines

Xiao Wu，Hu Zhenqi，Yang Yaoqi，Miao Huiling，Zhou Xiangbo
（Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

The subsiding area on the ground endures vertical subsidence and horizontal deformation，therefore，was defined as construction sensitive area（CSA）.This research categorized types of CSA，according to various reclamation objectives.Furthermore，farmland was selected as target，the determination and process of CSA for farmland was presented，and was applied in a panel in Shandong province.The surface was divided into 7875 cells，and mining process underground was divided into 13 stages.

coal mines，concurrent mining and reclamation，construction sensitive area，spatial distribution

TD997

A

国土资源部公益性行业科研专项（200911015-03），中央高校基本科研业务费专项资金（2013QD03）资助

肖武 （1983-），男，湖南涟源人，中国矿业大学 （北京）讲师，研究方向为测绘、开采沉陷与土地复垦。

（责任编辑 张大鹏）