煤矿区土地损毁预测与复垦规划研究

张熙卓 任一鑫

(山东科技大学经济管理学院，山东省青岛市，266590)

随着煤炭工业的飞速发展，矿山开采对我国土地生态环境和土地资源尤其是耕地的利用产生了不容小觑的影响，矿区土地复垦治理成为缓解我国人地矛盾、增加耕地面积、提高土地质量、改善生态环境的一项重要手段。随着国家对土地复垦工作的重视，国内外在采煤沉陷区土地损毁、土地复垦理论以及措施等方面的研究也越来越多。

本文基于损毁现状和预测损毁情况综合制定了土地复垦规划，为煤矿区土地复垦的实施管理、监督检查以及土地复垦费用预算等提供参考依据，也为我国类似矿区复垦规划提供借鉴，有助于减少矿山建设及生产活动造成的矿山地质环境问题及地质灾害，保证耕地资源占补平衡，改善矿山地质环境和生态环境，实现地区经济可持续发展。

1 研究区概况

本次研究的区域归属于山东省济宁市任城区二十里铺街道、兖州区颜店镇、汶上县康驿镇、汶上县义桥镇的土地，矿区面积为54.4181 km2，采矿用地面积为0.1957 km2。本地区气候温和，属暖温带季风性气候，历年平均气温为13.5℃，年平均降水量为688.86 mm，春夏两季多东风及东南风，冬季多西北风，最大风力大于8级，平均风速为2.3 m/s。历年最大积雪厚度为0.15 m，最大冻土深度为0.31 m。矿区内土壤是在汶河和泗河山前冲洪积松散母质基础上发育而成的，土壤类型简单，主要以潮土为主。井田主要含煤地层为山西组和太原组，总厚度约为253.60 m，共含煤17层，煤层平均厚度为9.23 m，含煤系数为3.6%，其中可采煤层为4层，即3上、3下、16和17煤层，可采煤层平均厚度为6.31 m，占煤层总厚度的66.9%。该井田总体上为一走向近南北、倾向东的单斜构造，褶曲构造不发育，仅发育次级褶曲，主要有大唐阳向斜、南唐阳背斜。地层沿走向和倾向均有一定程度的波状起伏，地层倾角多在5°～15°之间，仅个别地段达到25°。

图1 煤矿区已损毁情况图

本研究区为生产矿山，采用走向长壁式采煤方法，综放开采工艺，全部垮落法管理顶板，由此使得采空区上方地表产生塌陷，矿山生产过程中产生的固体废物包括煤矸石、生活垃圾和锅炉灰渣。根据实际勘测结果，圈定了已塌陷损毁的范围面积为2.2205 km2，其中塌陷损毁的地类包括水浇地、果园、有林地、其他林地、其他草地、公路用地、农村道路、坑塘水面、沟渠、设施农用地、村庄以及采矿用地，塌陷损毁耕地面积为1.852 km2，占已塌陷损毁总面积的83.40%；研究区内压占损毁主要是监狱、工业广场、矸石堆放场以及运煤道路，压占损毁土地共0.1957 km2，监狱占地0.1123 km2，包括监狱区0.0935 km2、武警区0.0069 km2、生活区0.0119 km2。所损毁的土地均被压实，加上房屋构筑物、建筑物的基建，损毁土体厚度约为30 cm，根据对研究区土壤剖面的测量，煤矿工业场地残留土体厚度大于80 cm。砾石含量约为5%～10%，场地内大部分面积为水泥硬化路面，硬化厚度约为10 cm，损毁方式为压占。

综上所述，该研究区已塌陷损毁达到2.4162 km2，其中压占损毁为0.1957 km2，塌陷损毁为2.2205 km2，本研究之前未开展土地复垦工作。煤矿已损毁情况如图1所示。

2 研究方法

2.1 利用概率积分法预测土地损毁面积

该采煤区设计开采3上、3下、16和17共4个煤层，剩余服务年限为28.4 a，将土地损毁区划分为前5年、3煤层南区开采结束、下组煤开采结束这3个时段来进行预测。第一时段为2016年12月至2022年1月开采，第二时段为2022年1月至2028年2月开采，第三时段为2028年2月至2037年1月开采，3煤层北区剩余工作面开采将在本方案服务期后生产。

本次矿井沉陷预测采用原国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的概率积分法。根据采掘图和储量图，了解这3个时段各煤层已开采情况和计划开采的各个工作面拐点的X/Y坐标和Z值，取单元坐标系0-xyz的原点0为开采单元的中心，某点A(x,y,z)的邻域dSA(面积微元)发生下沉的事件等同于过A点的垂直剖面上dx、dy小块面积各自同时发生下沉，dx、dy小块面积各自发生下沉的概率服从密度为f(x)的分布函数。

2.2 利用三级评定法界定土地损毁程度

该研究区未来采煤沉陷地土地损毁程度主要取决于裂缝的宽度和密度、沉陷的深度，而裂缝的宽度和密度与地表水平变形值和深厚比值关系密切。因此，该研究区采煤沉陷地损毁程度主要考虑下沉值、水平/倾斜变形、曲率变形、土地生产力水平等因素。根据《土地复垦条例》、《土地复垦方案编制规程》以及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中关于各类土地及建筑物损毁等级标准划定，任何一项指标达到相应标准即认为土地损毁达到该损毁等级。利用三级评定法，将土地压占、塌陷损毁程度等级数确定为3级标准，分别定为一级(轻度损毁)、二级(中度损毁)和三级(重度损毁)。

3 研究区土地损毁预测结果及特征

3.1 土地损毁预测结果

根据煤层开采厚度、采深及有关预计参数，计算出矿井第一时段开采完毕后开采沉陷影响面积约为3.465 km2，第二时段约为2.698 km2，第三时段约为6.499 km2，矿井剩余储量全部开采完毕后约为9.9997 km2。

目前该区域共损毁土地10.7998 km2，已损毁土地面积为2.4162 km2，预测损毁土地面积为9.9997 km2，重复损毁面积为其中的1.6161 km2。对于重复塌陷区域，叠加后再进行评价，运用相关软件将已损毁塌陷深度以及拟损毁塌陷深度进行叠加分析，得出最大塌陷深度约为6.5 m，叠加后轻度损毁区为7.865 km2，中度损毁区为1.6055 km2，重度损毁区为1.1336 km2。监狱压占损毁面积为0.1123 km2，损毁土体厚度约为30 cm，残留土体厚度大于80 cm；煤矿工业场地压占损毁面积为0.061 km2，损毁土体厚度约30 cm，残留土体厚度大于80 cm；矸石堆放场压占损毁面积为0.02 km2，损毁土体厚度约为30 cm，残留土体厚度大于80 cm；运输道路损毁土地面积为0.0024 km2，由于载重汽车碾压，损毁土地全部压实。

3.2 研究区土地损毁特征

研究区总损毁情况图如图2所示， 各损毁时段损毁区域图如图3所示。

由图2和图3可以看出，该研究区的沉陷面积不断扩大，损毁程度不断加深。据统计分析，截至2017年底，已塌陷损毁的面积共计2.2205 km2，下沉深度范围在0～5.3 m，其中塌陷最大深度为5.3 m，位于工业广场的西部并形成了塌陷积水区。采煤沉陷地主要类型是水浇地和采矿用地，其中水浇地损毁面积为1.852 km2，占沉陷面积的83.40%；采矿用地损毁面积为0.1033 km2，占沉陷面积的4.65%；其他地类(其他草地、农村道路、坑塘水面等)损毁面积为0.2652 km2，占沉陷面积的11.94%。压占损毁土地共0.1957 km2，其中监狱区压占面积为0.1123 km2，占压占面积的57.38%；工业广场压占面积为0.061 km2，占压占面积的31.17%；其他地区(包括矸石堆放场、运煤道路等)压占面积为0.0224 km2，占压占面积的11.45%。据预测，煤矿拟损毁土地全部为塌陷损毁。到2022年采煤沉陷地将达到4.0737 km2，沉陷面积增加了1.8532 km2，增加的区域基本为水浇地。水浇地损毁面积达到3.4289 km2，采煤沉陷对该矿区农业的影响越来越大。

图2 研究区总损毁情况图

按照预测第一时段的沉陷总面积为1.8532 km2，以轻度损毁为主，面积为1.4164 km2，重度损毁面积相对较小，面积为0.2486 km2，占比13.41%；第二时段的沉陷总面积为1.5929 km2，以轻度损毁为主，面积为0.7311 km2，占比45.90%，以重度损毁为辅，面积为0.4735 km2；第三时段的沉陷总面积为6.5536 km2，以轻度损毁为主，面积为5.3991 km2，占比82.38%，中度损毁次之，面积为0.8223 km2；到服务期末，土地损毁面积达到10.7998 km2，沉陷地面积达到10.6041 km2，沉陷面积增加8.3836 km2，沉陷范围继续扩大，重复损毁面积为1.6161 km2。对于重复塌陷区域叠加后最大塌陷下沉值为6.5 m，水浇地损毁面积达到最大，达到9.3173 km2，占比86.27%，远远超过采矿用地，轻度损毁面积7.865 km2，比例达到72.83%，重度损毁和重度损毁总共2.7391 km2，占比较低。开采煤层越多，沉陷深度越大，地表移动与变形值也会相对较大，损毁程度就会越严重。

图3 各损毁时段损毁区域图

4 煤矿区土地复垦规划

4.1 煤矿区土地损毁治理分区依据

矿山地质环境问题的产生具有自然、社会和资源三重属性，坚持“以人为本”、“以建设工程安全为本”的原则对矿山地质环境保护与治理恢复分区。选取地质灾害、含水层、地形地貌景观、土地资源现状与预测评估结果作为分区指标，依据《矿山地质环境保护与治理恢复方案编制规范》，利用叠加法进行分区，划分为重点防治区、次重点防治区和一般防治区3个区，矿山地质环境防治分区见表1。

4.2 复垦方向的确定和复垦单元的划分

本研究区根据可行性、最佳效益及因地制宜等原则，结合当地人口多、人均土地资源少等社会因素情况，依托任城区、兖州区、汶上县土地利用总体规划，按照宜耕则耕、宜园则园、宜林则林、耕地优先的原则进行土地复垦。

(1)轻度塌陷损毁区。塌陷损毁程度较小，塌陷下沉10～1500 mm的区域经土地平整后维修排灌设施，复垦方向基本保持原地类不变，因此，复垦方向考虑耕地、园地、林地、农村道路、沟渠、坑塘水面等保持原地类，其他林地复垦为有林地，设施农用地、草地、采矿用地经过翻耕平整复垦为水浇地。

(2)中度塌陷损毁区。塌陷下沉1500～3000 mm的区域内经过挖填平衡后，维修排灌设施，复垦方向参考轻度塌陷损毁区。

表1 矿山地质环境防治分区

(3)重度塌陷损毁区。塌陷下沉较大，对地表影响较大，主要考虑重度塌陷区汇水因素及地下潜水位，塌陷下沉3000～5000 mm的区域，经过填挖平整回填至季节性潜水位(3 m)以上，然后维修排灌设施，复垦方向考虑耕地、园地、林地、农村道路、沟渠、坑塘水面等保持原地类，其他林地复垦为有林地，设施农用地、草地、采矿用地经过翻耕平整复垦为水浇地。塌陷下沉大于5000 mm的区域，复垦为坑塘水面(鱼塘)。

(4)矸石堆放场。虽然矸石堆放场及配套设施的占用时间长，土体损毁较严重，但其原始土体厚度较厚，场内矸石全部利用后，对地表覆盖物进行清理，下覆的土体依然厚实，土源充足，通过土地平整、土壤培肥等复垦措施，具备复垦成水浇地的基本条件，所以确定复垦方向为耕地。

4.3 煤矿区土地复垦施工工程设计

该研究区复垦责任范围为10.3195 km2，通过复垦工程实现全部复垦，复垦率为100%，其中任城区内复垦责任范围为4.2786 km2，兖州区内复垦责任范围为2.0565 km2，汶上县内复垦责任范围为3.9844 km2。

根据塌陷区的塌陷深度及自然地理条件，并结合该地区农业发展的方向进行土地利用布局规划，为了建成“田成方、路成框、沟成网、林成行”的高效农业区，应该以恢复耕地为主，尽可能多地增加耕地。为了固沙防风和改善农田生态系统，在田间道两侧和生产路一侧设置农田防护林带，树种以速生杨为主，株距为3 m，以利于防风和改善生态环境，形成良好的农田小气候。采取充填裂缝、表层土剥离、耕地工程(田块布置、土地平整、道路工程、灌排工程)、林地复垦工程、园地复垦工程、草地、设施农用地、采矿用地复垦、水域及水利设施用地复垦工程、矸石堆放场复垦工程(清理工程、土地翻耕、生物化学工程、配套工程)等进行矿区土地复垦。复垦前后土地利用结构调整见表2。

4.4 煤矿区土地复垦方案实施设计

本研究区土地复垦方案服务年限总共为26.2 a，按6个阶段制定土地复垦方案实施工作计划，并按照煤矿开采、土地损毁和土地复垦时序进行编排，分别为2017-2021年、2022-2026年、2027-2031年、2032-2036年、2037-2041年、2042-2043年。土地复垦各阶段复垦计划分析见表3，各阶段治理区域见图4。

4.5 预期效益

(1)社会效益。开展土地复垦，有效控制煤矿生产产生的负面影响，保护环境资源，对于维护和改善环境质量起到良好作用。复垦后的耕地、藕池、林地可以继续为当地村民使用，既有利于促进土地合理利用，又可以增加农业收入，同时又可以改善当地生态环境，有利于当地百姓的身心健康，促进社会的安定团结。

表2 复垦前后土地利用结构调整

表3 土地复垦各阶段复垦计划分析

(2)生态效益。按照“合理布局、因地制宜”的原则对生产过程中损毁的土地进行综合治理，建立起新的土地资源生态系统，蓄水保土、减轻土地损毁，使项目区恢复的良好生态环境，保持当地植被生态系统间的良性循环，调节区域小气候。通过平整土地、改善土壤物化性质、植物种植等，可以有效改善土地质量，使生态环境趋于平衡，得到良好的生态效益。

(3)经济效益。土地复垦工程的经济效益主要体现在土地再利用带来的农业产值，不仅可以使矿区内耕地恢复原有生产力水平，还能够提高粮食产量和农民收入。以种植玉米为例，土地破坏前年平均产量为749962.5 kg/km2，由于矿山开采势必会给农用地造成破坏，影响粮食产量，致使土地受到破坏后年产量降低到674966.25 kg/km2，平均减产74996.25 kg/km2。矿区范围内破坏耕地为9.3173 km2，则矿区内由于土地破坏造成的年收益损失约200万元。

图4 各治理阶段区域图

5 结论

矿区各阶段土地损毁程度和面积不同，再利用情况复杂，针对煤矿区采煤塌陷地及压占地进行复垦治理，运用概率积分法对煤矿区沉陷地及压占地进行土地损毁预测，根据各地类沉陷地损毁程度判定标准对土地损毁程度进行划分，依据损毁程度及损毁特点对症下药，使其在时间上合理安排，空间上合理布局，明确复垦范围及复垦方向，形成时空上的一个合理的复垦时序与设计布局的复垦规划。土地复垦规划的确定应充分考虑研究区的自然社会经济条件，应遵循“因地制宜，宜农则农，宜建则建”的原则，不同地区的土地复垦规划也不是一成不变的。