基于格网法表土剥离时空顺序确定

李亚龙，赵艳玲，陈慧玲，胡义强，马　龙，滕佳华

(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083)



基于格网法表土剥离时空顺序确定

李亚龙，赵艳玲，陈慧玲，胡义强，马龙，滕佳华

(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083)

地下煤炭开采对地面造成了严重的破坏，尤其是高潜水位矿区，采煤塌陷后，地表极易形成积水，若不及时对其采取措施，将会失去大量宝贵的表土资源。对积水区域预先进行表土剥离，是抢救宝贵表土资源的有效措施。本文基于格网法，首先对研究区进行格网化，以模拟的5个工作面为预计单元对研究区进行沉陷预计，得到涉及积水的格网单元；将各积水格网单元以煤层影响范围角θ向下进行投影，得到其煤层影响范围；以相邻积水格网单元G(5，7)与G(5，8)为例，依据煤层影响范围确定起始预计单元，从起始预计单元开始对其进行分阶段沉陷预计，得到两格网单元达到临界积水时，工作面的开采进度，以此得到它们的积水先后顺序，从而可以科学合理的指导复垦工程的机械施工，提高工作效率。

土地复垦；高潜水位；格网法；表土剥离

1　概　况

当前煤炭仍然是我国能源的主要来源。伴随着经济的快速增长，煤炭资源的需求量也在逐年增加，由此产生了严峻的生态和环境问题[1]，其中煤炭开采导致的土地损毁问题引起了越来越多人的关注。在我国，90%以上的煤炭来自井工开采，因此势必会产生土地下沉，形成下沉盆地，造成大量的土地损毁。我国即是煤炭大国又是农业大国，因此存在着地面是耕地，地下是煤炭资源的现象。据测算，我国煤粮复合区面积占全国耕地总面积的42.7%，煤炭保有资源与耕地的复合面积占全国耕地总面积的10.8%[2]。因此，煤炭开采造成的损毁土地中包含大量宝贵的耕地资源。高潜水位煤粮复合区是煤粮复合区的典型区域，此区域内的损毁耕地极易产生积水，积水对耕地的损毁是不可挽回的。

针对以上问题，一些学者相继提出了相应的解决方法，如预复垦[3]、超前复垦[4]、动态复垦[5]等。这些概念和方法的提出旨在预防积水对耕地的损毁，即及时且尽可能多的剥离表土和心土资源，避免其沉入水底，无法利用。剥离表土的关键在于何时何地进行表土剥离，不少学者对此也有相应的研究。肖武利用概率积分法得出了最佳的复垦时机[6]；付梅臣等通过对土地复垦工艺效果分析，提出了矿区生态复垦表土剥离工艺[7]；肖武等结合GIS的空间分析功能，定量分析了地面格网单元表土剥离的时间、范围与深度[8]。

土地工程施工过程中，在计算土方量时，通常是将施工区域格网化，依据土方量平衡，来确定各个方格的填、挖方量。复垦工程施工时，为了使土方量计算与表土剥离达成一致，需要将复垦区域格网化。本文采用格网法，将研究区进行格网化，结合概率积分法，对各积水格网单元进行预计，精确得到其积水临界点，比较各积水格网单元的积水先后顺序，根据积水的先后顺序，确定各积水格网单元的表土剥离顺序，从而更加科学合理的对复垦工程施工机械进行调度，优化施工机械的工作路线，节约施工成本。

2　格网法

现有的开采沉陷预测与规律研究的基本思路是：地下—地面。先通过矿区开采计划，得到地下开采单元的详细分布，基于概率积分法，通过积分的方式得到地下开采对地面的损毁程度。与此不同的是，格网法[9]的基本思路是：地面→地下→地面。首先将地面进行格网化，然后再依据开采影响边界角，确定各格网单元受地下开采的煤层影响范围，最后以各自煤层影响范围为预计单元，通过预计软件预计各格网单元的沉陷规律与发生积水的临界时间，确定各格网单元的表土剥离顺序，指导复垦工程施工机械科学合理的工作。

2.1地面格网化

依据研究区的实地情况，将其划分为规则排列的正方形格网，每个格网为剥离表土的最小施工单元。格网的大小应综合考虑现场施工机械的工作速度以及地下煤层开采的速度而定，格网单元的边长一般为50～100m。为了施工现场更好的指明要复垦的格网单元，便从左到右、从上到下对格网依次编号，G(i，j)表示第i行第j列的格网单元。

2.2地面格网单元的地下煤层影响的范围确定

在充分采动或接近充分采动的前提条件下，开采沉陷学中规定，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地下煤层影响范围的模型。

走向方向上，以地面某一格网单元G(i，j)为例，宽度为2R范围内的地下煤层开采会对O点造成影响，R的计算公式见式(1)。

(1)

式中：R为地面点走向方向煤层影响半径，m；H为地面点到煤层的铅垂距离，m；δ为走向边界角，°。

定义θ为能影响地面点O的煤层范围角，θ的值与走向边界角δ的值互余，如图1(a)所示。

倾向方向上，R1和R2范围内的地下煤层开采可能会对O点造成影响，R1和R2的计算公式分别见式(2)，式(3)。

(2)

(3)

式中：R1为地面点倾向下山方向煤层影响半径，m；R2为地面点倾向上山方向煤层影响半径，m；β为下山边界角，°；γ为上山边界角，°。

定义θ1为能影响地面点O的地下煤层范围下山角，θ2为能影响地面点O的地下煤层范围上山角，如图1(b)所示。

图1　地面点受地下煤层开采影响范围图

由上述理论，通过边界角的余角便可以确定影响地面任一格网单元的的地下煤层范围。以格网单元G(i，j)为例，这里假设煤层近似水平，对格网单元G(i，j)的4个顶点a、b、c和d以煤层范围角θ向煤层进行投影，得到4个投影点a’、b’、c’和d’，以过a’、b’、c’和d’组成的四边形为内接四边形的圆形区域，即为能影响格网单元G(i，j)的地下煤层区域，如图2所示。

2.3地面格网单元的临界积水时间分析

将确定的影响地面各格网单元的地下煤层范围与开采工作面进行叠加，能够得到影响该格网单元的开采工作面的数量及空间分布情况。以各格网单元的地下煤层影响范围与开采工作面的叠加范围确定起始预计单元，根据矿区工作面的开采时间与速度等信息，基于概率积分法，对各格网单元从起始预计单元开始分阶段进行沉陷预计，可以较精确的得到各格网单元刚好达到临界积水时的地下工作面开采进度，进而得到各格网单元的积水先后顺序。

3　研究区概况

本文选择山东省济宁市某矿为研究对象进行模拟研究，研究区属华北平原，地形较为平坦。地面标高为+41.25～45.47m，平均为43.31m，地形坡度0°～2°，地下潜水位埋深为2m，属于高潜水位矿区。研究区地面土地利用类型多以耕地为主，存在部分林地和鱼塘。地下煤层以近水平煤层为主，煤层开采深度为300m，开采厚度为3m。模拟的5个工作面大小均为100m×800m，采用顺序开采的开采方式，从1号工作面开始，到5号工作面结束，全部垮落式顶板管理，开采进度为5m/d。地下工作面的具体分布情况与开采顺序如图3所示。

图2　地面格网单元受地下煤层开采影响范围图

图3　工作面布置与开采顺序示意图

4　模拟分析

4.1地面格网化与积水格网单元的确定

在综合考虑现场施工机械的工作速度以及地下煤层开采速度的情况下，对研究区地面进行格网化，划分为规则的11行×12列的格网，格网单元的大小均为100m×100m。依据矿区地质条件与相关资料可得，本研究区的煤层边界角δ为78.7°，由格网法相关理论可得煤层影响范围角θ为11.3°。

积水会对土地造成不可挽回的损毁，因此本研究只考虑积水格网单元的表土剥离顺序。首先需要确定积水格网单元的位置。研究区的煤层为近水平煤层，依据概率积分法，以所有工作面为预计单元，对研究区进行沉陷预计，得到研究区最终的沉陷情况以及涉及积水的格网单元，如图4所示。

图4　格网单元积水情况示意图

4.2各积水格网单元临界积水时间的确定

利用格网法，首先将各积水格网单元积水部分由煤层影响范围角向煤层进行投影来确定其煤层影响范围。然后以煤层影响范围确定起始预计单元，根据煤层开采顺序与速度，分阶段对各积水格网单元进行沉陷预计，找出各自临界积水时的工作面开采进度。下面以格网单元G(4，7)为例做具体分析。

格网单元G(4，7)积水部分的煤层影响范围如图5(a)，跨越了1、2两个工作面。由于积水部分煤层影响范围以外的煤层开采对积水部分不造成下沉影响，因此应直接从起始预计单元开始预计，起始预计单元如图5(b)。预计单元应依据开采进度而不断变大，随着预计单元的改变，积水范围也在不断地扩大。当工作面2推进至395m，以此时的采空区作为预计单元时，积水范围刚好扩大到格网单元G(4，7)，此时的预计单元为格网单元G(4，7)的临界积水预计单元，如图5(c)。依据格网单元G(4，7)的临界积水预计单元对应的工作面推进位置，可以得到其临界积水时间。

图5　G(4，7)沉陷预计模拟

4.3各积水格网单元表土剥离顺序的确定

积水格网单元表土剥离顺序与其临界积水顺序一致，为了说明积水先后顺序的问题，以相邻两格网单元G(5，7)与G(5，8)为例做具体分析。

依据上一节所述分析过程，分别对格网单元G(5，7)与G(5，8)做预计分析，结果如图6所示。格网单元G(5，7)与G(5，8)积水部分的煤层影响范围均跨越了工作面1、2、3；图中显示了两格网单元的临界积水预计单元的大小，以工作面2推进至475m时的采空区作为预计单元时，积水范围刚好扩大到格网单元G(5，7)，即工作面2推进至475m时，格网单元G(5，7)将会产生积水；以工作面2推进至520m时的采空区作为预计单元时，积水范围刚好扩大到格网单元G(5，8)，即工作面2推进至520m时，格网单元G(5，8)将会产生积水。由此可知，格网单元G(5，7)比格网单元G(5，8)先产生积水，即格网单元G(5，7)需要比格网单元G(5，8)先进行表土剥离工作。

图6　格网单元G(5，7)与G(5，8)预计结果

基于此预计过程，对各积水格网单元进行预计分析，可以得到所有积水格网单元的积水先后顺序，进而得到各积水格网单元的表土剥离先后顺序。

5　结　论

本文基于格网法，采用其地面→地下→地面的基本思路，结合概率积分法对地面各格网单元的沉陷积水情况进行了模拟分析，得到各积水格网单元的表土剥离顺序和剥离位置。首先，对研究区进行格网化，确定格网单元的尺寸大小；基于概率积分法预计出涉及积水的格网单元，确定各积水格网单元的煤层影响范围；最后，从各积水格网单元的起始预计单元开始，分阶段对其进行预计，确定各格网单元达到临界积水时的预计单元，即临界积水预计单元。基于此，比较分析各格网单元的表土剥离顺序，同时再考虑到地下开采到地面受影响之间延迟的时间，可以做到更加精确的确定表土剥离的时间和位置，延长土地利用时间，科学合理的指导复垦工程施工机械的工作。

剥离的表土应优先用于复垦工程施工，即优先充填至“垫浅区”，当剥离的表土不能实现“即剥即用”时，可就近选择表土资源存储区，将这些表土资源暂时存储起来，后续可以覆盖在土壤贫瘠的耕地、城市绿化用地上，以及解决耕地“占补平衡”等问题。然而，现在面临着表土资源存储区位置选择的问题，仍需要相关学者在综合考虑运输成本、表土资源保护以及潜在表土利用区等因素，对此问题进行相关研究，实现表土资源最大限度的剥离与更好的再利用。

[1]Bell F G，Stacey T R，Genske D D.Mining subsidence and its effect on the environment：some differing examples[J].Environmental Geology，2000，40(1-2)：135-152.

[2]胡振琪，李晶，赵艳玲.中国煤炭开采对粮食生产的影响及其协调[J].中国煤炭，2008，34(2)：19-21.

[3]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)：57-58.

[4]赵艳玲.采煤沉陷地动态预复垦研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2005.

[5]张友明，代晓东.动态沉陷复垦在高潜水位采煤塌陷区中的应用[J].矿山测量，2004(3)：49-51.

[6]肖武，胡振琪，高杨，等.井工煤矿山边采边复过程中表土剥离时机计算模型构建及应用[J].矿山测量，2013(5)：84-89.

[7]付梅臣，陈秋计.矿区生态复垦中表土剥离及其工艺[J].金属矿山，2004(8)：63-65.

[8]肖武，王培俊，王新静，等.基于GIS的高潜水位煤矿区边采边复表土剥离策略[J].中国矿业，2014，23(4)：97-100.

[9]陈慧玲，肖武，王铮，等.基于格网法的地面复垦模拟与分析[J].中国煤炭，2015，41(9)：132-135.

Confirmation of topsoil stripping sequence of time and space based on grid method

LI Ya-long，ZHAO Yan-ling，CHEN Hui-ling，HU Yi-qiang，MA Long，TENG Jia-hua

(Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Underground coal mining caused severe impact on the land surface，especially in the area with high groundwater level，the mining subsidence due to the water logging，without timely protection measures，the massive precious topsoil will be lost.The beforehand topsoil stripping of the future water logging area is an effective way to save the topsoil.By application of the grid method，the waterlogging grid units in the study area have been obtained，based on the land surface gridding and the land subsidence prediction in the 5 simulative work faces；to find out the impact area of the coal seam by the projection of the waterlogging units with the coal seam impact area angle θ；taking the water grid unit G (5，7) and G (5，8) as an example，to determine the first prediction unit according to the impact area of the coal seam，and predict the subsidence by stage，to calculate the mining progress of the work face when the two grids arrive the waterlogging criticality；therefore，the water logging order of the two units could be obtained.The results could be a reference to the rational conduction of the land reclamation mechanical construction，and enhance the efficiency.

land reclamation；high underground water level；square grid；topsoil stripping

2016-02-04

李亚龙(1993-)，男，河南焦作人，硕士研究生，研究方向为矿区土地复垦与生态重建。E-mail：liyalong0802@163.com。

TD88

A

1004-4051(2016)10-097-04