单一工作面不同采深条件下边采边复时机研究

孙杨杨，胡振琪，袁冬竹，赵会顺，曹 瑜

(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083)

近年来“绿水青山就是金山银山”的思想深入人心，保护生态环境与合理利用自然资源之间的矛盾成为我国专家学者不可回避的问题。一方面由于经济发展的需要，在我国暂时无法找到更好的替代能源之前，大规模的煤炭开采无法避免；另一方面由于目前我国土地复垦方式仍然停留在事后处理阶段，大部分煤矿都是在采煤塌陷区稳定之后才进行土地复垦，导致我国土地复垦率极低，仅为12%，远低于发达国家65%的平均水平。由于国情不同，发达国家土地复垦后利用方向更为多样化，而我国土地复垦后利用方向仍以耕地优先，所以对于采煤塌陷地的治理方式及治理理念的更新迫在眉睫。

早期就有学者提出动态预复垦[1-2]、超前复垦[3]等概念和方法，近年来学术界关于土地复垦的研究逐渐从“先损毁，后复垦”的技术体系过渡到边开采边复垦的动态复垦方式[1-2,4-5]。胡振琪等[6]从井工矿山采矿-复垦一体化角度提出了边采边复的概念，并逐步完善了边采边复的理论体系。此后大量的专家学者分别对边采边复中涉及的关键性问题及影响因素进行讨论。肖武等[7]对单一采区工作面进行研究，给出了不同开采顺序下边采边复的实施方式；赵艳玲等[3]、李亚龙等[8]对边采边复的时机选择进行了探讨；张瑞娅[9]基于多煤层开采布局构建了不同条件下的复垦施工标高模型；陈景平等[10]以煤厚为变量讨论了单一工作面不同煤厚条件下边采边复方案设计；袁冬竹等[11]以山东省龙堌矿某单一工作面为研究对象进行边采边复时机的优选。从以上研究来看，目前学者对于单一工作面在不同采深情况下引起的地表沉陷动态变化对边采边复时机影响的研究相对较少。

本文以山东省龙郓煤业某单一工作面为原型，通过概率积分法沉陷预计分析单一工作面8个阶段不同采深条件下地表沉陷的动态变化过程。基于模拟结果，选出不同采深下的边采边复时机，该研究对于边采边复的推广实现，达到采矿-复垦相统一具有重要的理论和实践意义。

1 研究区概况

龙郓煤业位于山东省菏泽市郓城县中部，地属黄河冲积平原，地形平坦，地势略呈西北高东南低，地面标高变化为+40.12～+46.14 m，自然地形坡度0.2‰～2‰；属于温带半湿润季风区海洋性大陆性气候，年平均气温13.5 ℃，年平均降水量694.7 mm，平均无霜期213 d。地面土地利用以农业用地为主，建设用地次之，存在少量水域及水利设施用地。该区域为中国五大高潜水位煤炭基地之一的鲁西煤炭基地的重要组成部分，地下潜水位埋深约2.5 m。主要可采煤层为3煤、6煤，平均煤厚6.88 m，开采标高为-500～-1 100 m，平均采深为800 m，煤层倾角8°～16°。煤层赋存稳定，结构简单，开采条件较好，采用综合机械化开采，全部跨落式管理顶板。

为了得到不同采深条件下煤炭开采后地面沉陷趋势对边采边复时机的影响，选择矿区内某单一工作面为研究原型。模拟工作面为近水平煤层，工作面布设为走向长度2 400 m，倾向长度200 m。推进速度为5 m/d，该工作面对应地面平均高程为+42 m，地面主要利用类型为耕地。

2 模拟方案

本文选取矿区东南部某单一工作面为研究对象，将工作面按推进长度分为8个开采阶段，第①阶段为工作面沿走向推进长度为300 m，下一个阶段在上个阶段的基础上走向长度增加300 m，依次类推。假定该工作面分别处于500 m、600 m、700 m、800 m、900 m和1 000 m六种采深情况，且除了采深条件不同，其余影响因素均相同，对其8个开采阶段在6种采深条件下的动态沉陷过程及变化趋势分别进行模拟，并假设8个开采阶段分别对应8个复垦时机。工作面布局及阶段划分情况如图1所示。

图1 工作面布局及阶段划分示意图Fig.1 Schematic diagram of work surface layout and stage division

根据开采沉陷学理论，概率积分法开采沉陷预计适宜于煤层倾角小于45°，且厚度不大的煤层，龙郓煤业服务年限内开采煤层倾角为8°～16°，煤厚适中。由此沉陷预计方法选用概率积分法最合适，采用MSPS沉陷预计软件，其计算原理为[12]：对于任意形状的工作面，煤层厚度为m米，假设将整个工作面的开采划分为n个足够小的开采单元，其中，开采单元i的面积用Ai表示，任意点(x，y)在t时刻的下沉值按式(1)计算。

Wt(x，y)=[∑Weti(x，y)·Ai]·mqcosα

(1)

式中：Wt(x，y)为任意点(x，y)在t时刻的下沉值，mm；Weti(x，y)为开采单元i开采引起地表任意点(x，y)在t时刻的下沉值，mm；q为下沉系数；α为煤层倾角,(°)。根据龙郓煤业所提供资料，本次模拟采用的沉陷预计参数见表1。

表1 概率积分法预计参数

模拟时首先在某一采深条件下，利用MSPS软件对开采单元的8个开采阶段分别进行沉陷预计，得到8个开采阶段的地表下沉等值线图。通过改变采深得到6个采深条件下总共48张沉陷预计等值线图，以及相应的最大预计下沉值；然后将各阶段的下沉等值线与土地利用现状图进行叠加，根据矿区潜水位埋深(2.5 m)获取各开采阶段地面积水的范围。

3 结果与分析

3.1 地表最大下沉值与积水面积变化趋势

对该工作面8个阶段分别在6种采深条件下进行沉陷模拟所得最大下沉值如图2所示。通过竖向对比可以看出，随着开采深度的增加最大下沉值随之减小，最大下沉值与开采深度呈负相关关系。并且随着开采深度的增加，要达到最大下沉值经历的阶段也相应增加，开采波及地面所需时间更长，要达到相应充分采动的推进距离也越长。图3为不同采深条件下积水面积变化趋势图。由图3可知，同一阶段采深越小积水面积越大，积水面积与采深呈负相关关系，随着采深的增加形成积水所需的时间也相应增加。超过某一临界采深时，地面形成的最终沉陷盆地不会出现常年积水。观察各个积水面积变化斜率可以看出，当采深超过700 m时，采深增加对积水面积减少幅度影响逐渐变大。以采深500 m为例不同阶段沉陷预计变化趋势结果如图4所示。

图2 不同采深条件下地表最大下沉值变化趋势Fig.2 Trend of the change of the maximum sinking value of the surface under different mining depths

图3 不同采深条件下积水面积变化趋势Fig.3 Trend of variation of water accumulation area under different mining depth conditions

图4 500 m采深条件下沉陷预计结果图Fig.4 Prediction results of subsidence under 500 m mining depth

3.2 采深对复垦时机的影响

边采边复要求在地面即将沉入水中之前采取措施剥离土壤以提高复垦效率。根据沉陷模拟结果可以得出，采深对于边采边复时机的影响主要为不同采深下随开采阶段增加地面首次形成积水的时间。通过图2和图3可以看出，采深增加地面后续下沉量减小、积水形成时间随之推迟，因而边采边复的时机随之推迟，超过临界采深(使地面最大下沉值恰好达到潜水位线时对应的采深)地面最终下沉盆地无积水，采用边采边复与塌陷稳定后复垦效果相同，小于临界采深需要进行边采边复工作。根据式(1)参照赵艳玲等[3]“未稳沉采煤沉陷地超前复垦时机的计算模型”中W0(地面最大下沉值)与主要影响半径的等式关系，结合概率积分法中采深(H)与主要影响半径(r)、主要影响角正切(tanβ)之间的关系，见式(2)。

r=H/tanβ

(2)

通过计算机反推得出采深为921 m时，地面最大下沉值恰好达到地下潜水位埋深。因此，该矿开采深度小于921 m时需要进行边采边复措施以保护土壤，超过921 m时塌陷稳定后复垦与边采边复效果相同。

3.3 复垦时机选择

根据边采边复的内涵以及技术要求，边采边复是对暂未稳定的沉陷区提前采取措施，既可以是沉陷之前，也可以是沉陷过程中的任一时间点，还可以在沉陷后的某个节点进行复垦。不同的时机对应的土壤剥离工程量、复垦成本、复耕率、难易程度等各不相同，所以，时机的选择是边采边复能否成功的关键一环。复垦时机选择越提前，复垦工程受未来下沉影响的可能性就越大，说服农民提前复垦也是一大难题；但是如果时间选择过晚，大量土地已经没入水中，会导致施工难度成倍增加且土地破坏严重、复耕率降低的不良局面。因此，一般要求在土地即将进入水中，或者大面积积水之前施工，以降低施工难度，最大限度保护土壤，节约成本。复垦时机选择的一般原则是以保证一定的复耕率、尽可能降低施工难度、节约成本、保护更多土壤为前提，同时兼顾煤层地质条件、后续沉陷程度、地下水位高度、动态施工类别、农民意愿和农作物生长季节等影响因素，客观分析因地制宜进行选择。本文主要以后续沉陷程度、地下水位高度、施工难易程度为依据并结合不同采深条件下最大下沉值、积水面积变化趋势对各采深下边采边复时机进行选择。

1) 采深为500 m和600 m时。第一阶段结束时地面沉陷预计下沉等值线已经处于地下潜水位线下方，大面积积水开始形成，此时后续沉降量小于1 m，施工难度最小，有利于保存土壤提高复耕率。因此在第一阶段就需要安排土壤剥离工作，此时工作面推进距离为300 m，推进时间为60 d。边采边复时机为工作面第一阶段推进结束时开始。

2) 采深为700 m和800 m时。第二阶段结束时地面下沉到潜水位线以下，后续下沉量小于0.5 m，施工难度较小，对于土壤保护最佳，因此相应的土壤剥离工作可以推迟到第二阶段进行，即工作面推进距离为600 m第四个月开采结束时。此时边采边复时机为工作面第二阶段结束时进行。

3) 采深为900 m时。地面最大下沉值超过潜水位线尺度很少，积水形成较晚范围较小，后续下沉量不明显，所以土壤剥离工作应在工作面推进1 200 m时进行，即开采第八个月时开始。边采边复时机为工作面推进到第四阶段时。

4) 由于采深为1 000 m时超过临界采深(921 m)整个开采阶段都没有形成积水。因此,采用边采边复与传统的塌陷稳定后土地平整等复垦方式最终达到的效果相同，整个模拟阶段不提前进行土壤剥离工作。

随着采深的增加，地面最大下沉值不断减小，后续下沉量和施工难度相应减小，积水出现的时间随之推迟；土壤剥离的时机选择随着采深的增加可以相应推迟，这样既可以延长土地耕作时间，又可以防止因为过分提前开展土壤剥离工作导致农民有地无法耕作、矿山企业发放青苗补偿费时间过久的不利局面。

4 结 论

1) 研究表明随着采深增加地面最大下沉值逐渐减小，采深与最大下沉值呈负相关关系；地面积水出现时间随着采深的增加而推迟，且积水面积与采深呈负相关关系，超过临界采深(921 m)地面不会形成积水。

2) 临界采深可以作为煤矿土地复垦中判断是否需要提前进行土壤剥离工作的依据。研究表明，龙郓煤业采深小于921 m时，需要采取边采边复措施，超过921 m采用边采边复与塌陷稳定后复垦效果基本相同。

3) 随着开采深度增加边采边复时机也相应推迟。采深500 m和600 m时工作面从开始推进两个月内进行土壤剥离工作最合适；采深700 m与800 m时第四个月结束时可以进行土壤剥离工作；采深900 m时可推迟到第八个月进行复垦工作；采深1 000 m整个开采阶段不需要提前进行土壤剥离工作。

本文主要运用室内模拟的方法研究采深对于边采边复时机的影响，模拟过程将实际地面作为水平面，未考虑实际高程起伏，未来可以将实际地面真实高程与沉陷预计下沉值相叠加进行土壤剥离与土地复垦时机的讨论。