济宁高潜水位采煤塌陷地预复垦设计方案探讨*

蔡德水

(1.济宁市土地综合整治中心，山东 济宁 272000；2.自然资源部采煤沉陷区综合治理工程技术创新中心，山东 济宁 272000)

济宁市属鲁南泰沂低山丘陵与鲁西南黄淮海平原交界地带，地势东高西低，西部地形以平原洼地为主，东部山峦绵亘，丘陵起伏。济宁煤炭资源丰富，是全国重点规划建设的十四个大型煤炭基地之一，含煤面积达3 920 km2，占市域土地面积的35%，煤炭储量约为150亿t，占全省煤炭储量的50%左右。济宁市煤层赋存厚度大，煤层稳定，煤种多为气煤和肥煤，煤质优良，低硫、低磷、低灰，开发利用价值极高。济宁市境内共煤炭矿权68个，境内矿井57对，总核定设计生产能力达到9 650万t/a[1]。长期的煤炭开采造成部分区域常年积水，大面积土地严重破坏，生态环境恶化，失地农民越来越多，甚至导致村庄房屋开裂倒塌，带来了一系列的社会、土地与生态问题[2]。

1 煤炭开采及采煤塌陷地治理概况

1.1 煤炭资源开发利用概况

济宁市煤炭资源主要分布于中、西部平原区域，具有埋藏深、煤层厚、多层分布、粮煤复合度高等特点。济宁市煤炭资源开采始于20世纪60年代，1995年以前为起始阶段，煤矿数量和生产能力缓慢增长；1996～2010年为成长阶段，煤矿数量和生产能力迅速提高，开采沉陷等问题显现；2011～2016年为成熟阶段，煤矿数量基本总体平稳，资源储量加速减少，采煤塌陷地进一步增加；2017年以后为衰退阶段，受节能减排、产业结构调整等政策影响，煤炭开采总量逐步下降。济宁市累计探明煤炭资源储量127.87亿t，2019年底保有资源储量超100亿t，年产原煤约9 000万t。

1.2 采煤塌陷地治理概况

济宁域内长期大规模煤炭资源开采，现已形成大量采煤塌陷地，塌陷地大多是一矿多片、多矿连片，部分塌陷地积水严重，耕地损毁明显，灌排设施遭到破坏，矿区生态环境恶化，制约了当地经济社会的快速发展[3-4]。采煤塌陷地治理引起各级政府高度重视，经过多年的采煤塌陷地治理，针对塌陷地的不同情况，在多年研究与实践的基础上，总结探索出划方整平、挖深垫浅、泥浆吹填和预复垦等多种行之有效的治理模式，促进了矿区环境改善与经济协调发展。

2 采煤塌陷地预复垦的可行性

2.1 传统的采煤塌陷地治理方法

高潜水采煤沉陷地的复垦按照复垦时刻沉陷的状态可分为沉陷稳定后复垦与地面非稳定下的复垦。为了保证复垦工程的质量，避免二次破坏与重复复垦，前者被广泛用于早期采煤沉陷地的治理，但也存在着复垦耕地率低、表土损失严重等弊端。传统稳沉积水区采煤塌陷地治理如图1所示，无外来客土时，采用挖深垫浅等措施，可在沉陷盆地的边缘区域复垦出部分土地，即A与B区。

图1 沉陷稳定后的复垦结果示意图

2.2 采煤塌陷地预复垦

采煤塌陷地预复垦是在采煤沉降区尚未稳沉时，提前采取复垦措施，开展剥离耕地耕作层、抢土等工程，不仅节约施工成本，提前保护耕地资源、改善生态环境，还可提高农业综合生产能力和农民收入，对当地的农业发展具有推动作用。

动态的预复垦是一种随着开采阶段逐步进行的复垦工作，能够尽量的抢救平原煤矿区的表土资源，提高复垦耕地的数量，尤其对高潜水位平原区域沉降易积水的采煤塌陷地更为重要，由于采煤沉降是一个动态变化的过程，在不同时间节点进行预复垦设计、施工、验收，设计内容的规划高程会随沉降时间的变化而进行适时调整，如能掌握不同时间节点的沉降信息，将为塌陷地预复垦设计提供详实的基础资料和技术支撑。针对以上问题，有学者提出了高潜水位矿区边采边复的概念，充分考虑井下煤炭资源开采与地面沉陷的时空耦合，通过优选复垦时机(沉陷前或沉陷中)和减轻土地损毁的开采方法，实现煤炭资源开采与土地复垦同步进行[6]。高潜水位积水区采煤塌陷地边采边复示意图如图2所示。根据开采沉陷的时空规律，在土地即将沉入水中时提前分层剥离部分表土与心土(取土区)，并交错回填至将要沉陷的区域(充填区)，如图2(a)所示；通过边采边复可形成最终的复垦土地区A、B、C区，如图2(b)所示。可以看出，边采边复较沉陷稳定后的复垦，可以缩短复垦时间，提前剥离出宝贵的表土，且多复垦出区域C，土地恢复率有较大提升[4]。

因此，实质上预复垦或者动态复垦都可以认为是边采边复的一种形式。煤炭资源开采引起的地表沉降与地质构造、煤层厚度、采厚等因素息息相关，煤矿企业编制的矿山开发利用方案、土地复垦方案等资料均有矿区水文地质、开采计划和复垦方式等有关内容，煤炭企业通过岩移观测，也已基本掌握了本矿区开采沉陷的初始期、活跃期、衰退期的持续时间和沉降数值及其相应的主要参数，使得本矿区的塌陷地预测更为准确，开展采煤塌陷地预复垦更加切实可行。

图2 边采边复的动态过程和最终状态

3 预复垦设计方案

采煤塌陷地预复垦设计要充分考虑采煤采面开采与地面治理时空的耦合，通过选择恰当的复垦时间，在土地已开始沉降但未稳定之前，进行科学的复垦工程设计，按照优先复垦为农用地的原则，实现采矿与复垦同步进行，其基本特征是以“采矿与复垦的充分有效结合，即采矿复垦一体化”为核心，以“边采矿，边复垦”为特点，以“提高土地恢复率、提前复垦治理、增加复垦效益”为目的，并以“实现矿区土地资源的可持续利用及矿区可持续发展”为终极目标[5-6]。

3.1 预复垦设计

济宁市主城区和南四湖周边及泗河两岸的煤矿多为国家大中型煤矿，开采规模较大，采煤矿区地势平坦、耕地占比大，且耕地多为水浇地和水田，地下潜水位高，地表水丰富，煤炭开采沉陷后塌陷地面积量大面广且积水严重，比较适合开展采煤塌陷地预复垦工程。

采煤塌陷地预复垦往往针对一个采煤工作面(采区)作为一个项目进行预复垦设计，首先收集煤矿企业监测得到的采空区岩移主要参数和地质采矿资料进行沉陷预测，取得该采煤工作面(采区)沉降预测等值线矢量图。根据采煤工作面(采区)的开采计划，可估算出其沉降过程中对应时间点的沉降值，得到该采煤工作面(采区)对应沉降时间的沉降值；其次，预复垦设计时，先将项目区测绘现状地形图叠加沉降预测等值线图作为设计底图，参考项目区周围土地的平均高程和潜水位埋深、作物种植等情况，确定稳沉后设计内容的规划高程和各特征点的高程值，编制项目稳沉设计图，同一特征点稳沉设计高程减去设计底图的预测现状高程即为该特征点需要抬高的高差值Δh，此值为定值，对于沉降中的塌陷地，某沉降时点的预测现状高程加上该高差定值即为该时点的规划高程，其规划高程随沉降时点预测现状高程的变化而变化。

对于项目实施结束还未开始沉降的塌陷地预复垦项目(预复垦)，可由测绘现状地形图叠加抬高的高差值Δh，编制项目施工设计图指导项目实施和验收。

对于动态复垦项目，使用动态沉陷预计估算现状地形图测绘时点到施工开始时段的下沉值a、施工开始至结束时点的下沉值b，按照稳沉设计图各特征点位置，在测绘现状地形图上求算该特征点高程值h，则h-a为施工时点各特征点预测现状高程值，叠加需要抬高的高差值Δh，确定施工时点各设计内容的特征点施工设计高程为h-a+Δh，进行工程施工设计；h-a-b为施工结束时点各有关特征点预测现状高程，叠加抬高的高差值Δh，可得到施工结束时设计高程为h-a-b+Δh，据此编制项目竣工设计图，指导项目竣工验收。

若施工结束时点和相对稳沉时点相吻合或晚于相对稳沉时间，可省略编制项目竣工设计图，用稳沉设计图作为项目验收依据。

3.2 预复垦需注意的问题

由此可见，采煤塌陷地预复垦设计至少需要有相应时间节点的现状地形图、沉降预测等值线图、施工设计图、竣工设计图和稳沉设计图。因不可预见等原因造成项目立项、施工、验收与预复垦设计时间提前或延迟一定的时长，应估算提前或延迟时间段内的沉降值，相应增减各阶段设计内容高程，重新编制施工设计图、竣工设计图，才能保证在完成施工设计工程量的前提下，满足项目竣工时的设计高程要求，否则验收时会出现完成施工工程量而高程不符合竣工标准的扯皮事情。

4 预复垦效益分析

济宁高潜水位采煤塌陷地大多为季节性积水或常年积水区域且大部分为优质耕地，实施采煤塌陷地预复垦，不仅可对即将沉入水中的耕地耕作层提前剥离，还可开展抢土工程，避免土壤养分的流失，保护复垦后的耕地质量，而且还可尽早改善采煤矿区的生态环境。

济宁可采煤层主要赋存于古生代石炭-二叠系中的太原组、山西组，当采深在500 m时，塌陷地稳沉时间约3.5年，如进行采煤塌陷地预复垦，最大按可提前3年进行治理，经济效益明显；若考虑实施抢土工程节约的施工成本，效益还要加大，可见采煤塌陷地实施预复垦，经济效益显著。

5 结 语

相较于传统采煤塌陷地治理方法，采煤塌陷地预复垦具有高复垦率、成本低、经济效益高的特点，济宁市煤粮复合度高、塌陷地面积量大面广且积水严重，采煤塌陷地预复垦具有较好的推广价值。通过实施塌陷地预复垦可以降低积水对表土层的破坏，降低施工难度，缩短土地损毁时间，经济、社会效益明显[9-10]。目前，开采沉陷的动态预测的精度较低，制约了动态复垦的实施；如何实现高精度的动态沉陷预测，是下一步研究的重点。