山东龙堌矿某单一工作面边采边复时机优选

袁冬竹 胡振琪 胡家梁 陈景平(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083)

传统矿区土地复垦思路是在矿山开采稳沉后进行土地复垦，易造成矿区大量土地闲置、浪费严重，尤其是在我国东部高潜水位煤炭-粮食复合主产区[1]，稳沉后的土地复垦率较低。近年来，学术界有关于土地复垦的研究逐步从“先沉陷，后复垦”的技术体系过渡到边开采边复垦的动态复垦模式[2-5]。胡振琪等[6-7]从井工矿山采矿—复垦一体化的角度正式提出了边采边复的概念与内涵，并完善了边采边复的理论体系；在此基础上，大量学者分别对复垦时机[8-11]、复垦范围[12]确定，复垦方案优选[13-14]以及时空数据模型[15-16]等方面进行了深入研究，但是大部分工作都是围绕多个工作面组成的多煤层或单一煤层的开采影响区域展开的[17-18]，是按照各个阶段最终的地表大面积变形情况来制定复垦方案，针对单一工作面的研究成果较少。选择单一工作面进行研究，可以更好地体现出地表沉陷发育的动态变化过程以及对耕地的影响规律[19-20]，以便于进一步优选出适宜的复垦时机。本研究以山东省龙堌矿的某一工作面为例，结合地表沉陷预计结果分析土地损毁特征，并进行土地复垦的适宜性评价，确定评价单元的复垦方向，结合复垦方向设计复垦方案，以期根据复耕率和复垦成本优选出单一工作面的最佳复垦时机。

1 研究区概况

山东省龙堌矿位于我国东部高潜水位地区的菏泽市巨野县，为年产量600万t的特大型矿井，服务年限为80 a。研究区面积为5.294 8 km2，位于黄河冲积平原，地势平坦，地面标高43.1～44.8 m，平均标高约44 m，地下潜水位埋深2.5 m，自然地形坡度为2‰。研究区属季风型大陆性气候，四季分明，周期性变化较明显，冬季干冷、夏季炎热多雨，年平均气温14.8 ℃。降雨多集中于每年6～9月，年平均降水量为694.70 mm。研究区土地利用以耕地为主，耕地面积即水浇地面积共460.47 hm2，占研究区总面积的86.97%。为更有效地分析单一工作面开采对地面的动态影响规律，选择位于矿井范围内西侧的2301N工作面作为研究对象，其平均采深800 m，走向长度1 800 m，倾向长度200 m，工作面推进速度约5 m/d，将该工作面的开采进度划分为8个阶段。

2 土地复垦适宜性分析

由于损毁土地的原因多种多样，损毁程度也各有不同[21]，损毁程度小的土地可采用简单的工程措施进行复垦；损毁程度严重的土地复垦难度大、风险高，因此，损毁土地复垦便存在了可复垦与不可复垦以及复垦难易程度的问题，故对损毁土地有必要在复垦前进行适宜性分析。

2.1 地表沉陷预计

本研究采用概率积分法[22-23]进行开采沉陷预计，所选择的沉陷预计参数如表1所示。得到了8个阶段的地面下沉等值线，各阶段的最大下沉值变化情况如图1所示。

表1 研究区概率积分法开采沉陷预计参数Table 1 Estimate prediction parameters of mining subsidence of the probability integral method

注：H0为平均采深，m；α为煤层倾角，(°)。

图1 各阶段最大下沉值变化Fig.1 Maximum subsidence of each phase

由于研究区地下潜水位较高，埋深仅约2.5 m，煤层开采引起地表沉陷后，通常会形成大面积积水，季节性积水易导致农作物减产、绝产，常年积水则会彻底损毁耕地，因此本研究将是否产生积水作为土地损毁程度分析的主要因素。根据当地实际情况，原则上当下沉量小于1.5 m时，为轻度损毁，不会出现积水水面；当下沉量为1.5～2.5 m时，为中度损毁，产生季节性积水；当下沉量大于2.5 m时，为重度损毁，出现常年积水。根据各个阶段的下沉结果，分析了研究区的地面积水情况，可知当工作面推进至第1阶段时，下沉值大于1.5 m，地面开始出现季节性积水，当工作面推进至第3阶段时，下沉量超过2.5 m并且下沉量趋于平稳，地面开始出现常年积水。各阶段积水面积变化情况如图2所示。

图2 各阶段积水面积Fig.2 Water area of each phase

由图2可知：受工作面开采的影响，研究区内各阶段的积水面积随开采进度基本呈线性增大趋势，整个工作面开采结束后，地面积水总面积将达到 0.730 7 km2，占研究区总面积的13.8%。

2.2 适宜性评价

本研究评价对象为已损毁和拟损毁的土地，评价区边界为根据沉陷预计得到的下沉等值线的最外边缘。根据矿区土地利用总体规划以及当地自然、社会经济等实际情况，初步确定了待复垦土地的复垦方向[24-25]。通过定性分析可知，复垦区农村道路、沟渠复垦利用方向以保持原状为主，故本研究将对复垦范围内除道路、沟渠以外的其他土地进行复垦适宜性评价。按照复垦区的土地损毁类型、损毁程度和损毁地类将研究区划分为9个评价单元(表2)。

在划分了评价单元后，根据土地适宜类和土地质量等级构建评价体系，土地适宜类一般分为适宜和不适宜，在适宜类范围内，按照土地对耕地、园地、林地的适宜程度、生产潜力大小、限制性因素及其强度大小再划分为3个等级。结合矿区当地实际情况以及相关技术规程确定复垦土地适宜性评价的等级标准，利用极限条件法对研究区9个评价单元进行定量分析，得到了土地复垦适宜性等级评价结果如表3所示。

表2 评价单元划分Table 2 Division of evaluation units

表3 土地复垦适宜性评价等级Table 3 Classification of reclamation suitability evaluation

分析表3可知，研究区内多数评价单元具有多宜性，综合考虑多方面因素，将损毁土地优先复垦为水浇地，同时以恢复原地类为主。

根据评价单元的最终复垦方向，从工程施工角度，将采取的复垦工程与技术措施一致的评价单元合并为一个复垦单元。复垦单元一为拟损毁的轻度及中度沉陷地，将其复垦为原地类；复垦单元二为拟损毁的重度沉陷地，将其复垦为鱼塘；复垦单元三为拟损毁的农村宅基地，将其复垦为水浇地。以第8阶段为例，该阶段的土地复垦适宜性评价结果见表4。

3 复垦时机优选

当工作面推进至第3阶段时，地面开始出现常年积水，因此本研究以第3～8阶段共5个阶段的损毁土地为研究对象，通过设计土地复垦方案，并进行方案对比分析，以确定出复垦成本低而复耕率高的复垦时机。

3.1 边采边复方案设计

边采边复属于超前复垦，因此在方案设计时应考虑后续的下沉量以及土方平衡问题。由于不同区域后续的下沉量不同，这就要求在进行动态复垦时，首先对不同的复垦区域根据其未来受采动影响的情况分别确定其标高；然后依据复垦标高确定所需土方量，根据所需土方量确定挖方量；最后根据挖方量、鱼塘理想水深等确定鱼塘面积。

表4 第8阶段土地复垦适宜性评价结果Table 4 Land reclamation suitability evaluation results of 8th phase

按照边采边复的施工规划，复垦工程主要包括土地平整工程、田间道路工程、农田水利工程、其他工程等。土地平整工程包括表土、心土剥离以及平整工程，为边采边复工程的基础，也是其他工程实施的先决条件。田间道路工程主要为田间道和生产路，田间道联系主干道与生产道，路面宽4 m，具有20 cm厚度的煤矸石路基和10 cm厚的泥结碎石路面。生产路的主要技术指标为路面宽2 m，10 cm厚的煤矸石路基和10 cm厚的素土路面。农田水利工程主要包括大口井和排水沟等，根据矿区情况，灌溉采用大口井灌溉，每个阶段均修建16个大口井。其他工程为沉陷水域综合治理工程，主要工作是鱼塘开挖和塘埂修筑。此外还应采取农田防护林工程，在田间道两侧、塘埂两侧及生产路单侧布置防护林，株距为2 m。

根据拟损毁预测分析以及矿区当地土地利用总体规划，依据土地适宜性评价结果，对研究区内第3～8阶段的损毁土地进行了复垦规划[26]。以第3阶段的边采边复为例，其复垦前的DEM如图3(a)所示，考虑后续下沉的复垦后的DEM如图3(b)所示，复垦后最终的规划布局见图3(c)。

图3 第3阶段复垦示意Fig.3 Schematic of the 3rd phase

其余各阶段的复垦规划与第3阶段类似。复垦后各个阶段各地类的面积见表5。各个阶段复垦后的复耕率如图4所示。

分析图4可知：从第3阶段复垦到第5阶段复垦，所能复垦出的耕地面积急剧下降，从第5阶段到第8阶段，所能复垦出的耕地面积虽然也在逐渐下降，但下降趋势明显减缓，复耕率均在78%左右。

3.2 工程量测算以及投资估算

按照各个阶段的复垦规划布局，结合复垦工程设计，对各阶段土地复垦工程量进行了详细测算，结果见表6。

表5 各阶段复垦后地类面积Table 5 Land area after reclaimed of each phase km2

根据《土地复垦方案编制规程》中的预算标准，预算内容包括工程施工费、设备购置费、其他费用以及预备费。结合表6，对各阶段复垦总投资进行了估算，总体上各阶段土地复垦工程总投资变化趋势与各阶段的复耕率变化趋势相似(图5)。

图4 各阶段的土地复耕率Fig.4 Reclaimed land rate of each phase

进一步分析了各个阶段的复耕率以及复垦总投资的变化情况，发现变化曲线均在第5阶段出现了明显的拐点。原因是该工作面的开采在第5阶段时开始达到充分采动，当工作面的推进距离达到(1.2～1.4)H0时，地表可达到充分采动。根据该工作面的实际情况，其平均采深为800 m，当工作面往前推进至960～1 120 m时，在走向方向上达到充分采动。按照工作面阶段的划分，该位置恰好位于第5阶段开采范围内。第3～5阶段之间走向方向上尚未达到充分采动，因而沉陷地均未稳沉，并且沉陷严重区域取土的难度随着沉陷的增加而增大，直至第5阶段某些区域由于沉陷过于严重而无法充分取土，造成2条曲线变化急剧；第5～8阶段工作面走向方向上已经达到充分采动，大部分区域已经稳沉，取土量不会因开采的进行而发生急剧变化，因此，2条变化曲线均比较平缓。因此，复垦的最佳时机应选择在工作面推进至第5阶段结束时，即工作推进至1 125 m当走向方向上达到充分采动时为最佳复垦时机。

表6 各阶段复垦工程量Table 6 Reclamation engineering quantities of each phase

图5 各阶段土地复垦总投资Fig.5 Total investment of land reclamation of each phase

4 结 语

为对单一工作面开采造成的损毁土地进行有效复垦，以山东龙堌矿的某一工作面为例，改变了以往“先损毁，后治理”的复垦模式，进行了单一工作面开采条件下的边采边复技术研究。研究表明：在单一工作面开采条件下，最优的复垦时机为走向方向上达到充分采动时，在该时间节点进行土地复垦，可在确保复耕率的同时最大限度地降低复垦成本。

[1] 胡振琪，李 晶，赵艳玲.矿产与粮食复合主产区环境质量和粮食安全的问题、成因与对策[J].科技导报，2006(3)：21-24.

Hu Zhenqi,Li Jing,Zhao Yanling.Problems,reasons and countermeasures for environmental quality and food safety in the overlapped areas of crop and mineral production[J].Science & Technology Review,2006(3):21-24.

[2] 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.

Li Taiqi,Qi Jiazhong,Zhou Jinhua,et al.Pre-reclamation control methods of dynamic subsidence in Liuqiao second coal mine[J].Mine Surveying,1999(2):57-58.

[3] 董祥林，陈银翠，欧阳长敏.矿区塌陷地梯次动态复垦研究[J].中国地质灾害与防治学报，2002(3)：47-49.

Dong Xianglin,Chen Yincui,Ouyang Changmin.Study on dynamic reclamation of subsidence in mining area[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2002(3):47-49.

[4] 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.

Zhang Youming,Dai Xiaodong.Application of dynamic reclamation in coal mining subsidence in high ground water area[J].Mine Surveying,2004(3):49-51.

[5] 汪瑞侠.任楼煤矿利用煤矸石综合治理塌陷区的效益[J].煤炭加工与综合利用，2009(2)：43-44.

Wang Ruixia.Benefit of comprehensive management of subsided area by using coal gangues in Renlou coal mine[J].Coal Processing & Comprehensive Utilization,2009(2):43-44.

[6] 胡振琪，肖 武，王培俊，等.试论井工煤矿边开采边复垦技术[J].煤炭学报，2013(2)：301-307.

Hu Zhenqi,Xiao Wu,Wang Peijun,et al.Concurrent mining and reclamation for underground coal mining[J].Journal of China Coal Society,2013(2):301-307.

[7] 胡振琪，肖 武.矿山土地复垦的新理念与新技术——边采边复[J].煤炭科学技术，2013(9)：178-181.

Hu Zhenqi,Xiao Wu.New idea and new technology of mine land reclamation:concurrent mining and reclamation[J].Coal Science and Technology,2013(9):178-181.

[8] 赵艳玲，胡振琪.未稳沉采煤沉陷地超前复垦时机的计算模型[J].煤炭学报，2008(2)：157-161.

Zhao Yanling,Hu Zhenqi.Proper time model for pre-reclamation of unstable subsidence[J].Journal of China Coal Society,2008(2):157-161.

[9] 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.

Xiao Wu,Hu Zhenqi,Gao Yang,et al.Construction and application of timing calculation model for topsoil stripping in the process of the concurrent mining and reclamation of underground coal mining area[J].Mine Surveying,2013(5):84-89.

[10] 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(4)：97-100.

Xiao Wu,Wang Peijun,Wang Xinjing,et al.Topsoil stripping strategy for concurrent mining and reclamation construction in high groundwater coal mines based on GIS[J].China Mining Magazine,2014(4):97-100.

[11] 李亚龙，赵艳玲，陈慧玲，等.基于格网法表土剥离时空顺序确定[J].中国矿业，2016(10)：97-100.

Li Yalong,Zhao Yanling,Chen Huiling,et al.Confirmation of topsoil stripping sequence of time and space based on grid method[J].China Mining Magazine,2016(10):97-100.

[12] 肖 武，胡振琪，杨耀淇，等.井工煤矿边采边复施工敏感区域的确定方法[J].中国煤炭，2013(9)：107-111.

Xiao Wu,Hu Zhenqi,Yang Yaoqi,et al.Determination of sensitive area for concurrent mining and reclamation construction in underground coal mines[J].China Coal,2013(9):107-111.

[13] Hu Z Q,Xiao W.Optimization of concurrent mining and reclamation plans for single coal seam：a case study in Northern Anhui,China[J].Environmental Earth Sciences,2013,68(5):1247-1254.

[14] Hu Z Q,Zhang R Y,Chugh Y P,et al.Mitigating mine subsidence dynamically to minimize impacts on farmland and water resources：a case study[J].International Journal of Environmental and Pollution,2016,59(2/4):169-186.

[15] 胡晋山，康建荣，王晋丽，等.基于时空推理的矿区土地动态复垦时空数据模型设计[J].矿业研究与开发，2012(1)：85-90.

Hu Jinshan,Kang Jianrong,Wang Jinli,et al.Design of spatio-temporal data model of dynamic land reclamation based on spatial and temporal reasoning in mining area[J].Mining Research and Development,2012(1):85-90.

[16] 胡晋山，康建荣，王晋丽.矿区土地动态变化时空数据模型设计[J].测绘科学，2013(5)：32-35.

Hu Jinshan,Kang Jianrong,Wang Jinli.Design of spatio-temporal data model of dynamic land change in mining area[J].Science of Surveying and Mapping,2013(5):32-35.

[17] Xiao W,Hu Z Q,Li J,et al.A study of land reclamation and ecological restoration in a resource-exhausted city:a case study of Huaibei in China[J].International Journal of Mining Reclamation and Environment,2011,25(4):332-341.

[18] 肖 武，邵 芳，李立平，等.单一采区工作面不同开采顺序地表沉陷模拟与复垦对策分析[J].中国矿业，2015(4)：53-57.

Xiao Wu,Shao Fang,Li Liping,et al.Mining subsidence simulation and reclamation strategy for different mining sequence for panels in underground coal mines[J].China Mining Magazine,2015(4):53-57.

[19] Xiao W,Hu Z Q,Zhang R Y,et al.A simulation of mining subsidence and its impacts to land in high ground water area:an integrated approach based on subsidence prediction and GIS[J].Disaster advances,2013,6(4):142-148.

[20] Xiao W,Hu Z Q,Chugh Y P,et al.Dynamic subsidence simulation and topsoil removal strategy in high groundwater table and underground coal mining area:a case study in Shandong Province[J].International Journal of Mining Reclamation and Environment,2014,28(4):250-263.

[21] 李 晶,刘喜韬，胡振琪，等.高潜水位平原采煤沉陷区耕地损毁程度评价[J].农业工程学报，2014(10)：209-216.

Li Jing,Liu Xitao,Hu Zhenqi,et al.Evaluation on farmland damage by underground coal-mining in plain area with high ground-water level[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2014(10)：209-216.

[22] 马俊学，陈 剑，滕永波，等.徐楼铁矿地面沉降成因及预测[J].金属矿山，2016(8)：161-169.

Ma Junxue,Chen Jian,Teng Yongbo,et al.Subsidence causes and prediction of Xulou Iron Mine[J].Metal Mine,2016(8):161-169.

[23] 陈 涛，郭广礼，朱晓峻，等.利用果蝇算法反演概率积分法开采沉陷预计参数[J].金属矿山，2016(6)：185-188.

Chen Tao,Guo Guangli,Zhu Xiaojun,et al.Mining subsidence prediction parameters inversion of the probability integral method based on fruit flies algorithm[J].Metal Mine,2016(6):185-188.

[24] 张瑞娅，邹 勇，吴 云，等.采煤塌陷深积水区现状分析与治理对策探讨[J].煤炭工程，2014(9)：73-75.

Zhang Ruiya,Zou Yong,Wu Yun,et al.Present status analysis on deep water area of mining subsidence and discussion on control countermeasures[J].Coal Engineering,2014(9):73-75.

[25] 胡振琪，龙精华，张瑞娅，等.中国东北多煤层老矿区采煤沉陷地损毁特征与复垦规划[J].农业工程学报，2017(5)：238-247.

Hu Zhenqi,Long Jinghua,Zhang Ruiya,et al.Damage characteristics and reclamation planning for coal-mining subsidence in old multiple seam mining area in northeast China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2017(5)：238-247.

[26] 肖 武，胡振琪，李太启，等.采区地表动态沉陷模拟与复垦耕地率分析[J].煤炭科学技术，2013(8)：126-128.

Xiao Wu,Hu Zhenqi,Li Taiqi,et al.Dynamic subsidence simulation and land reclamation efficiency analysis of surface ground above mining block[J].Coal Science and Technology,2013(8):126-128.