榆树沟煤矿地表沉陷预测及复垦适宜性评价

李金云,杨凌霞,吴全雷

(1.北京科技大学天津学院,天津　301830;2.西安建筑科技大学,陕西西安　710055;

3.北京红晶石咨询投资有限责任公司,北京　100044)



榆树沟煤矿地表沉陷预测及复垦适宜性评价

李金云1,杨凌霞2,吴全雷3

(1.北京科技大学天津学院,天津301830;2.西安建筑科技大学,陕西西安710055;

3.北京红晶石咨询投资有限责任公司,北京100044)

摘要:针对榆树沟煤矿采用井工开采方式,对地下及地表都将造成不同程度影响的情况,通过概率积分原理,借助MSPS软件,对拟毁土地进行了预测.根据预测结果做出矿区土地损毁分布图,进而考虑矿区土质、现状,对土地适宜性定性、定量分析,研究评价拟毁土地复垦方向,将矿区分为宜耕、宜林、暂不适宜区域,并作出复垦规划图.通过复垦规划,对破坏的土地及时进行适当的治理,有利于保护自然生态,促进人与自然和谐相处.

关键词:榆树沟煤矿; 沉陷预测; 适宜性评价

大规模的矿产资源开采在为国家带来巨大经济效益的同时,也可能造成各种自然灾害.煤矿开采引起的土地破坏模式以沉降为主[1].随意开采资源会使矿区生态环境恶化、地表沉陷、土层松散,加剧水土流失,原有土地景观遭到破坏.采煤沉陷引发的多种地质灾害,又会加重当地生态环境的破坏[2].

先前我国多数煤炭企业都是“先开发,后治理”,严重影响企业后续发展.榆树沟煤矿运用科学的方法对地表沉陷进行预测,分析项目区煤炭开采对土地利用造成的影响,并对由开采而造成土地的复垦适宜性进行评价, 进而制定实施土地复垦方案,走“边开发,边治理”的新型道路,有利于以最低的成本对土地进行最大化的合理利用,可以有效控制项目区土地退化,改善矿山开采后的生态环境,促进区域经济、环境的可持续发展.

1　矿山概况

榆树沟煤矿位于河北省张家口市沽源县榆树沟村北部,南距沽源县城27km,北部与内蒙古自治区接壤.榆树沟煤矿井田境界面积为3166.45hm2,开采深度为700~1150m标高,井田范围内土地利用类型主要有牧草地、耕地、林地等.榆树沟煤田煤质为特低硫、低磷、优质褐煤,储量丰富,地质储量250.18Mt,可采储量112.13Mt.矿区于2013年12月投产,生产规模1.2Mt/a.

矿区采用井工开采的方式,矿井采用分层综采放顶煤采煤法,开采过程不可避免地会对矿区土地造成影响.此方式对土地利用的影响可以分为土地压占、土地塌陷两种破坏方式.土地压占发生在矿山建设初期,土地塌陷伴随矿山生产整个过程.

2　矿区拟毁土地预测[3-6]

榆树沟煤矿为新建项目,目前项目区内土地绝大部分没有遭到破坏,仅在项目区西北部原沽源县煤矿工业场地内堆积有少量原煤矿遗留的煤矸石,占地面积约6hm2.

榆树沟煤矿为地下开采煤矿,开采过程中必然形成采空区.地面沉陷,指的是当采空区的面积扩大到一定范围之后,沉陷发展到地表,使地表产生塌落和变性的现象.地裂缝和沉陷区是本项目拟毁土地的主要方式.根据井田各煤层分层开采厚度、开采深度及有关预计参数,本文使用概率积分法,用MSPS软件辅助计算,对煤炭开采引起的地表移动变形情况进行预计.MSPS软件是一种矿区沉陷预测预报系统,它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要的意义.利用预测的结果可以定量地研究受开采影响的岩层与地表移动在时间上和空间上的分布规律,全面掌握矿区土地的塌陷情况,包括塌陷面积、塌陷深度,以便开展矿区土地复垦,保护矿区生态环境等.

(1) 概率积分法的基本原理.概率积分法的理论基础是随机介质理论[7].概率积分法的预计包括下沉值、倾斜、曲率、水平移动值以及水平变形,应用概率积分法计算地表任意点采后变形值的公式如下:

式中,Wcm为地表充分开采的最大下沉值,r为主要影响半径,D为开采沉陷所影响到的主要区域.式中Wcm=q·M·cosα,r=H/tanβ,q代表下沉系数,tanβ为主要影响角正切,M为开采厚度,H为开采深度,α为煤层倾角.

对下沉公式求导可得倾斜变形和曲率变形.对其求一阶导即为倾斜公式,求二阶导得到曲率公式.倾斜变形与曲率变形的公式分别为:

倾斜

式中,ix(x,y),iy(x,y)分别代表地表任意点走向方向和倾斜方向的倾斜值.

曲率

式中,kx(x,y),ky(x,y)分别代表地表任意点走向方向和倾斜方向的曲率值.

假定在单元开采影响下,岩体产生的移动和变形很小,并且是连续分布的;在单元开采作用下,岩石虽发生变形,但总体积保持不变.水平移动的变形公式为

式中,Ux(x,y),Uy(x,y)分别表示地表任意点沿走向和倾斜方向的水平移动值.W(x,y)·cotθ部分是为了校正由于矿体倾斜产生下沉偏移而引起的地表水平移动,θ代表开采影响传播角.通过对其求导求得地表任意点沿走向和倾斜方向的水平变形.

(2) 计算范围的圈定.榆树沟煤矿矿井批准开采的煤层为3、14、15号煤层,全矿井主要采14号煤层,计算范围为采区煤层开采区域.本预测研究借助MSPS软件,依据数字化的煤层底板等高线图和矿井采区布置图,计算生成所需的煤层厚度、煤层倾角、煤层走向和倾斜方向、工作面各角点的煤层底板高程及所对应的地面高程.

(3) 预计点设置.针对矿区土地破坏情况,本预测研究采用点间距50m,覆盖整个沉陷区范围的计算网线.再利用数字化后的地形图,由软件计算预计点的坐标、高程、地表倾角、地表倾斜方向角等,可避免手工取点时的多样性,使数据具有唯一性.

(4) 地表移动预计参数确定.预计数据包括开采工作面数据、预计点数据、地表移动变形参数数据和计算控制参数数据.

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[8]中的相关规定,结合榆树沟煤矿地表移动实测资料分析得到本矿区的地表移动参数.根据本矿井地层的岩性特征,结合相近地质采矿条件的实测资料分析,选取地表移动变形参数如表1所示.

表1　地表移动预计参数

(5) 预测结果.利用地表移动变形预计模型,根据榆树沟煤矿的工作面数据、预计点数据和计算控制参数数据,借助MSPS软件按采区进行计算,得到首采区不同时段的地表最大下沉值、水平拉伸值、倾斜变形值.根据计算所得数据,确定的最大移动变形值见表2.

表2　地表移动变形最值计算结果

考虑矿区土地利用现状,根据预测结果,参照《土地复垦方案编制规程(井工煤矿)》[9]中对采煤沉陷土地损毁程度分级的参考标准,对拟损毁范围内的地类进行损毁程度分析.分析结果显示,井田全采后土地沉陷总面积达139.05hm2.其中,轻度损毁面积109.58hm2,中度损毁面积29.47hm2.

另有矿区新建项目工程将占用损毁土地27.96hm2,其中新建矿井工业场地占地面积18.95hm2,爆破材料库占地1.05hm2,场内运输道路7.96hm2.

矿区损毁土地分布见图1.

图1　榆树沟煤矿矿区损毁土地分布图

3　复垦方向研究及复垦适宜性评价[10-12]

土地复垦适宜性评价是在全面了解复垦区土地自然属性、社会经济属性和土地损毁情况的前提下,从土地利用的要求出发,通过分析不同类型土地的特点,了解土地各因子在生态环境中互相制约的规律,全面衡量复垦前某种用途土地的适宜性及适宜程度,为待复垦土地确定最佳复垦方向提供依据.

本矿山复垦区包括已损毁土地面积6.00hm2和拟损毁土地面积167.01hm2,共计173.01hm2.其中拟毁土地面积包括采煤沉陷损毁土地面积139.05hm2和新建项目工程占用土地面积27.96hm2.

复垦责任范围为复垦区面积扣除永久保留的土地面积27.96hm2,据此确定项目区复垦责任范围面积为145.05hm2.

3.1土地适宜性定性分析

分析项目所在区自然条件,其地貌主要表现为平原,灌溉条件较好,再结合气候、土壤等条件,该区域适宜发展农业.

分析当地社会经济状况,沽源县农业较发达,现状经济以农业为主,项目区水土条件、经济价值均一般.在当地公众意愿中,多数人提出保护好耕地,尽量提高土地生产能力,增加土地产出率,同时希望矿方对损毁的土地予以补偿,在基本不改变原土地功能的前提下,尽量提高植被覆盖度.

综合考虑复垦区土地破坏前状况以及当地产业结构和生产生活方式,宏观上本项目区土地复垦的方向以农林为主.微观上对破坏较轻的草地、耕地可以进行整治整理,通过一定的农田基本建设工程,提高地力.对于重度破坏地区,应当根据破坏后土地利用性质重新确定土地利用类型.

3.2土地适宜性定量分析

项目区内土地按植被损毁经整治复垦后对于农、林、牧的适宜性进行划分,可分适宜类、暂不适宜类和不适宜类.在适宜类范围内,按土地对农林牧的适宜程度、生产潜力的大小、限制性因素(如地形坡度限制、土壤质地限制、交通区位限制、土壤侵蚀限制)及其强度分为三等.

适宜类的主要划分依据是区域土地利用总体规划以及被损毁状况调查和预测分析成果,包括土层厚度、坡度与坡向、交通条件、区位、损毁类型与程度和土地利用及发展方向等.坡度小、离居民区近、交通方便、土层厚、质地较好和损毁较轻的土地划分为宜耕类;坡度大、距离远、交通不便、土层薄、质地差、损毁较严重而无望恢复耕作的土地,可划为宜林或宜牧类.宜园、宜林或宜牧的土地区分不甚明显,主要视所在地区的总体规划而定.被挖损和压占损毁的土地,视生产利用状况和压占物的稳定性规划为某种适宜类或暂不适宜类.

一等地一般不存在限制因素,易于恢复为原土地利用类型;二三等地则有不同的限制因素,二等地质地中等,中度损毁,需经一定整治才能恢复利用,利用不当将会导致土地退化;三等地限制因素较多,损毁严重,需经大力整治方可恢复利用.

根据矿区土地实际情况,具体分析评价结果见表3.

表3　项目区损毁土地适宜性分析结果

根据定量分析结果,作出矿区复垦规划图.

4　结　　论

运用概率积分原理,借助MSPS软件,对榆树沟煤矿矿区地标沉陷作出科学预测,从而得到矿区地表最大移动变形值.结合矿区土地利用现状,参照相应标准,分析得到矿区沉陷预测.预测显示,井田全采后土地沉陷总面积达139.05hm2.其中,轻度损毁面积109.58hm2,中度损毁面积29.47hm2.

考虑矿区土质、现状,通过土地适宜性定性、定量分析,将矿区分为宜耕、宜林、暂不适宜区域,并作出复垦规划图.

对矿区地表沉陷的预测,为复垦适宜性评价提供基础资料,从而提出合理适用的土地复垦方案,及时恢复利用矿区被破坏土地,使自然环境在经济发展的同时得到有效保护,有助于促进矿区社会的稳定和安定团结,有利于促进人与自然和谐发展.

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【责任编辑:祝颖】

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Surface Subsidence Prediction and Reclamation Suitability Assessment of Yushugou Coal Mine

LiJinyun1,YangLingxia2,WuQuanlei3

(1. Tianjin College, University of Science and Technology Beijing, Tianjin 301830, China; 2. Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China; 3 Beijing Balas Investment Consultion Co., Ltd., Beijing 100044, China)

Abstract:Yushugou coal mine uses underground mining method, which will has different effects on underground and surface. Using the probability integral principle, with MSPS software, the quasi destroyed land is forecasted, and the damage mining land distribution map is made based on the predictions. Considering the soil property and the actuality of the mining area, the qualitative and quantitative analysis on land suitability are done, the direction of reclamation of the quasi destroyed land is evaluated, the mining area is divided into arable soil, suitability for forestry, and temporarily unfit region, and the reclamation plan is made. By reclamation planning, the destruction land could be governed timely and properly, to protect natural environment and promote harmony between man and nature.

Key words:Yushugou coal mine; subsidence prediction; suitability evaluation

作者简介:李金云(1982-),女,山东菏泽人,北京科技大学天津学院讲师,硕士.

收稿日期:2015-01-19

文章编号:2095-5456(2015)03-0201-05

中图分类号:TD325

文献标志码:A