基于格网法的地面复垦模拟与分析

陈慧玲 肖 武 王 铮 李素萃 台晓丽

（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）

基于格网法的地面复垦模拟与分析

陈慧玲 肖 武 王 铮 李素萃 台晓丽

（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）

为实现地面复垦与井下开采的充分耦合，探索一种新的土地复垦方法，以我国东部高潜水位矿区为研究对象，采用格网法将地面划分成方格单元，建立煤炭开采影响地面方格单元的煤层范围的计算模型，基于该模型圈定影响方格单元A（i，j）的井下煤层范围，进而采用概率积分法进行开采沉陷模拟，分析各开采阶段方格单元A（i，j）的沉陷特点与规律，得出以下结论：方格单元A（i，j）应在开采第二阶段采取剥离表土的措施，并通过地面—地下—地面的土地复垦方法，科学划定复垦区域，实现井上井下的充分耦合。

采煤塌陷地 土地复垦 高潜水位 格网法

1　前言

土地复垦工程施工时，为了便于施工及工程量计算，多以块段作为施工单元，但目前已开展的未稳沉塌陷地复垦时机的研究多是以地下煤层开采为前提的地面复垦时机的确定。因此，地面复垦施工单元何时何地与如何复垦仍是困扰复垦工作开展与现场复垦施工的难题。本文以地面为出发点，将复垦区域格网化后，开展基于格网法的地面方格单元的复垦模拟与分析的研究，将为指导复垦施工提供科学依据。

2　研究区概况

选择安徽省淮北市某高潜水位矿区进行模拟研究，研究区属于华北平原，地势较平缓。地表自然标高+30～+32 m，平均标高约为+31 m，地面坡度为0°～2°，地下潜水位埋深约为1.5 m。矿井于1993年12月26日正式投产，生产能力为200万t/a，矿区煤层结构简单，以单一近水平煤层为主，试验区位于矿井的东部，煤层平均埋藏深度为250 m，煤层厚度平均为2 m。井下分布有4个工作面，工作面尺寸为800 m×130 m，开采方式为顺序开采。示范区气候温和，属北方大陆性气候与湿润气候之间的季风气候，日照充足，四季分明，春秋季明显短于冬夏季，冬季寒冷干燥、夏季炎热多雨。

3　分析材料与方法

以往的开采沉陷研究与预测技术都是从地下出发，先研究地下单个开采单元对地面造成的影响程度及范围，再通过积分叠加等方式研究地下任意开采尺寸对地面造成的影响。土地复垦以地面为主，人们较为关心的是地面点会受到地下哪些区域煤层开采的影响。基于此，首先由地面到地下，根据边界角圈定地下煤炭开采可能影响地面方格单元的煤层范围，再反过来由地下到地面，分析地表各方格单元的沉陷特点与规律，确定各方格单元适宜的复垦时间与复垦方向，指导地面复垦施工。

3.1地面方格网划分

根据研究区实地情况，将沉陷区划分成规则排列的正方形格网，每个格网作为复垦施工的最小单元。研究区面积为126 hm2，由于地势较为平缓，便于复垦施工，因此将沉陷区划分为8行7列大小为150 m×150 m的方格网，使用阿拉伯数字从上到下、从左到右依次编号，使任一方格单元编号为A（i，j），表示第i行j列的小方格网。

3.2地面方格单元的井下煤层影响范围的确定

开采沉陷学中规定，在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断面上盆地边界点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角为边界角。根据边界角建立地面点受煤炭开采的煤层影响范围的模型。

在走向方向上，设置地面某一方格单元A（i，j），几何中心点坐标为O（xi，yi，zi），2R范围内的煤层开采可能会对O点造成影响，R的计算公式为:

式中:R——地面点走向方向上煤层影响半径，m；

H——地面点到煤层的铅垂距离，m；

δ——走向边界角，（°）。

定义角度θ为能影响地面点O的煤层范围角，角度θ的值为走向边界角δ的余角，如图1（a）所示。

同理，在倾向方向上，R1与R2范围内的煤层开采可能会对O点造成影响，R1与R2的计算公式为:

式中:R1——地面点倾向下山方向上煤层影响半径，m；

R2——地面点倾向上山方向上煤层影响半径，m；

β——下山边界角，（°）；

γ——上山边界角，（°）。

定义角度θ1为能影响地面点O的煤层范围下山角，角度θ2为能影响地面点O的煤层范围上山角，角度θ1的值为上山边界角γ的余角，角度θ2的值为下山边界角β的余角，如图1（b）所示。

根据边界角的余角可以确定影响地面点O的井下煤层范围。以地面方格单元A（5，4）为例，确定影响地面各方格单元的煤层范围。研究区煤层为单一近水平煤层，方格单元A（5，4）的几何中心点为O，O点到煤层的铅垂距离H取值为240 m，边界角δ为62.4°，将H、δ值代入公式（1）计算R为125 m，煤层范围角θ为δ的余角27.6°。

对方格单元A（5，4）的4个顶点a、b、c和d以27.6°角向煤层所在水平面进行投影，得到煤层所在水平面内以点O′为圆心，以过a′、b′、c′和d′4个顶点为内接四边形的区域，该区域所包含的范围即为影响地面方格单元A（5，4）的煤层区域，如图2所示。

3.3地面方格单元的沉陷规律分析

将确定影响地面各方格单元的煤层范围与井下工作面叠加，得到位于该煤层范围内的工作面数量及空间分布情况。方格单元A（5，4）的井下煤层影响范围内分布有4个工作面，左右呈对称状态分布，A（5，4）主要受2和3工作面煤炭开采的影响，如图2所示。煤层平均埋藏深度为220～270 m，煤层平均厚度为2 m，属中厚煤层，工作面的开采方式为顺序开采，开采方向为1→2→3→4。按照一个工作面为一个阶段，可将影响方格单元A（5，4）的煤层区域分为4个开采阶段。

图1　地面点受地下煤层开采影响图

图2　地面方格单元受地下煤层开采影响图

根据矿区的自然条件、地质条件和采矿计划等信息，基于概率积分法，采用沉陷预计软件预测各方格单元在4个开采阶段的影响，然后分析各方格单元的沉陷规律。第一阶段开采结束后，方格单元A（5，4）受采动影响较小，地表略有下沉，无积水产生，只需采取简单的平整措施即可恢复土地的使用；第二阶段开采结束后，方格单元A（5，4）受采动影响较大，下沉值已达到1.61 m，大于地下潜水位埋深，地面产生季节性积水，此时若不采取复垦措施，肥沃的土壤将沉入水中，丧失其利用价值；第三阶段开采结束后，方格单元A（5，4）的沉陷程度进一步加剧，整个方格单元形成常年积水区，陆生生态系统退变为水生生态系统，此时再复垦，不仅丧失珍贵的表土资源，而且增加复垦难度，复垦率也大大降低；第四阶段开采结束后，方格单元A（5，4）达到最终的沉陷状态，积水程度进一步加剧。因此，第二阶段是方格单元A（5，4）最佳的复垦时间。方格单元A（5，4）各开采阶段积水面积如图3所示。

图3　方格单元A（5，4）各开采阶段积水面积图

地面沉陷模拟分析时，通常将地下潜水位埋深作为判断土地积水与否的分界线，将与潜水位埋深相等的下沉等值线作为临界积水线，根据临界积水线确定各方格单元的复垦方向，位于临界积水线内侧的方格单元应采取剥离表土措施；位于临界积水线外侧的方格单元应采取表土充填措施；位于临界积水线上的方格单元应根据充填或剥离面积所占的比重确定复垦措施。方格单元A（5，4）位于临界积水线内侧，因此地面应在第二阶段采取剥离表土措施。动态复垦时，复垦施工顺序通常与工作面的开采顺序相一致，各阶段复垦范围的划分应以最大限度的保护表土为目的。将方格网划分为3个复垦阶段，复垦顺序为从左到右依次剥离表土，各复垦阶段表土剥离范围如图4所示。

图4　方格网复垦阶段与复垦方向图

4　地面方格单元的井下工作面开采顺序的优化

地面受开采影响最终的沉陷损毁状态虽然相同，但不同的开采顺序造成土地的损毁时序不一致，所以适当调整地下工作面的开采顺序，可以延长土地的使用时间。分别采用顺序开采（1-2-3 -4）、跳采（1-3-2-4）和两端逼近式开采（1 -4-2-3）三种方式模拟地面方格单元A（5，4）的土地变化过程。对比上述三种开采方式的沉陷结果，如图5所示，跳采与顺序开采的沉陷过程基本一致，略有差异的是第二阶段开采结束后地面的沉陷值为1.52 m，略小于顺序开采的沉陷值1.61 m；两端逼近式开采土地的沉陷过程不同于顺序开采与跳采，第一、二阶段开采结束后，地面的沉陷较小，第三阶段地面才有明显的下沉，地面的沉陷值达到顺序开采第二阶段的沉陷值，地面产生积水，因此，第三阶段是两端逼近式开采最佳的复垦时间。综合上述分析结果，方格单元A（5，4）若调整工作面的开采顺序，采用两端逼近式开采（1-4-2-3）方式，可在第三开采阶段再剥离表土，延长了土地的使用时间。

图5　不同开采顺序下方格单元A（5，4）沉陷路径图

5　结论

本文提出一种新的土地复垦确定方法，通过该方法能科学准确的分析地面各方格单元的复垦时间与复垦方向，指导复垦施工。

（1）从地面到地下，根据地面点受煤炭开采的煤层影响范围的计算模型，以边界角的余角27.6°圈定影响方格单元A（5，4）的井下煤层范围，再由地下到地面，对方格单元A（5，4）进行沉陷模拟，分析各开采阶段方格单元的沉陷规律。

（2）方格单元A（5，4）第二开采阶段下沉值1.61 m大于地下潜水位埋深1.5 m，地面将有积水产生，所以第二阶段是最佳的复垦时间，进而根据临界积水线1.5 m确定方格单元A（5，4）应采取剥离表土的复垦措施。

（3）进一步探讨调整工作面采序以延长土地的使用时间的可能性，通过对比分析方格单元A（5，4）三种不同开采顺序下的地面的损毁时序，发现若采用两端逼近式（1-4-2-3）开采地下煤层，可在第三开采阶段采取复垦措施，延长土地的使用时间。

综上所述，基于地面—地下—地面的三步骤分析方法，能够快速简便的确定地面任一方格单元受地下开采影响的煤层范围，科学准确的分析地面方格单元在开采影响下的下沉规律并安排复垦，实现了地面复垦时序与井下煤层开采时序的充分耦合，为边开采边复垦提供技术支持。

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（责任编辑 孙英浩）

Simulation and analysis of land reclamation basing upon grid method

Chen Huiling，Xiao Wu，Wang Zheng，Li Sucui，Tai Xiaoli
（Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

For sufficient coupling between ground reclamation and underground mining，the authors explored a new method of land reclamation which took a mining area of China eastern high ground-water level area as subject of the study.The ground was divided into grid cells by grid method.The authors established computational model of coal seam region which influential the ground grid cells during mining.Basing upon the model，influential underground coal seam region of grid cell A（i，j）was delineated.Then，the authors conducted mining subsidence simulation by using probability integral method and analyzed subsidence characteristics and patterns of grid cell A（i，j）at each mining stage.The results showed that grid cell A（i，j）should take measures of topsoil stripping at second stage.According to land reclamation method of ground-underground-ground，reclamation region was scientifically delimited and ground and underground were achieved sufficient coupling between ground reclamation and underground mining.

coal mining subsidence area，land reclamation，high underground water level，grid method

TD88

A

陈慧玲（1989-），女，山东曹县人，硕士研究生，研究方向为矿区土地复垦与生态重建。