煤矿采煤塌陷区土地复垦技术的实践研究

赵 禹

（同煤集团云冈矿，山西 大同 037017）

1 工程概况及土地塌陷现状分析

1.1 工程概况

同煤集团云冈矿位于大同市西郊17 km 处，地处武周山下，井田面积59.75 km2，可采储量4.3 亿t。该矿1973 年建成投产，年设计能力450 万t，是我国自行设计、施工和安装的大型矿井。截至2019 年底，云冈矿累计采煤9.12×107t，当前公司复垦塌陷地400 hm2，未征未复塌陷地760 hm2。随着矿区开采深度的加大，塌陷的土地还有逐步加速的趋势，土地复垦任务非常严峻。

1.2 土地塌陷现状

云冈矿共塌陷土地2650 hm2，塌陷深度0～8 m，积水深度0～5 m。常年积水区占总塌陷面积的30%左右，并形成了大面积的塌陷湖泊，在积水浅部区域造成了夏季不能种植、冬季不能养殖的局面，严重阻碍了当地经济的可持续发展。

从该矿采煤塌陷与土地复垦的数据统计可知，土地复垦面积占总塌陷地面积的34.3%，还有近2/3 的塌陷地未实施复垦，其主要原因是不具备复垦条件：土地万吨塌陷率为5.28。从而反映出云冈矿吨煤采出量对土地资源破坏较为严重，高于同煤集团其它矿区。

2 土地复垦技术分析

云冈矿地处地势平坦地区，煤层埋藏深度自北向南逐步增大，地表潜水位一般在2.5 m 左右。由于受地形和土地资源的制约，主要采用“挖深垫浅”和“原地复垦、一次性复全高”的治理模式。在该矿二采区和四采区地表下沉较浅区域也采用“全厚充填法”的治理模式进行土地复垦。云冈矿在采用传统土地复垦模式的情况下，不断开拓创新，探索出“超前复垦”和“边采边复”等采煤塌陷区治理新技术，并取得了良好的效果。

2.1 超前复垦技术

超前复垦是在地表未塌陷前实施的土地复垦。云冈矿于2004 年就开展超前复垦技术研究，适用范围主要是采煤塌陷深度较浅、不重复采动的区域。超前复垦关键技术是地表沉陷预测，它直接影响到土地复垦的效果。根据地表移动与变形参数，预测工作面回采后地表下沉形态、范围及深度。如地表塌陷深度预测值偏小，可能造成耕地雨季受涝；地表塌陷深度预测值偏大，不能与周边地形协调一致，不利于土壤保水保肥，达不到治理效果。超前复垦技术主要优点：效率高，土壤肥力流失较少，成本降低10%～l 5%。

2.2 边采边复技术

边采边复是指地表正在塌陷而未稳沉状态下，使采煤与复垦充分有效的结合，边采煤、边复垦的治理模式。通过采煤塌陷预测可得出地表稳沉后状态，根据预测结果选择合适的时间节点和合理的施工工艺，以达到采煤塌陷地复垦土地最大化。

边采边复关键技术是地表塌陷的预测，它直接关系到边采边复治理的成败。如地表塌陷深度预测值小于实际塌陷值，可能造成耕地受涝；地表塌陷深度预测值大于实际塌陷值，可能造成水土流失，耕地不易保肥，均达不到治理效果。边采边复的时间节点选择很重要，根据云冈矿地表移动与变形的规律和工作面推进速度，一般在采后30～45 d 进行复垦较为适宜。时间节点选择超前，复垦后的地表可能与周边地形不协调；时间节点选择靠后，导致复垦成本增加。

3 土地复垦工艺设计

根据云冈矿多年来的采煤塌陷区土地复垦经验，针对该矿各采区不同的土壤结构和物理特性，目前采用的复垦工艺主要有以下4 种。

3.1 泥浆泵复垦工艺

泥浆泵复垦工艺是在地表沉陷较深区域，采用高压水把土搅拌成泥浆，然后用泥浆泵把搅拌后的泥浆泵到地表沉陷较浅区域进行沉淀的复垦工艺。适用范围为运输距离不超过100 m、有足够的水源、土壤含砂量较大、不合砂礓的区域。当前该矿二采区采用了泥浆泵复垦工艺。复垦效率：挖土方65 m3/天·台；复垦成本：6 元/m3。该工艺施工工艺简单，成本较低。缺点：破坏了原有的土壤结构，导致土地营养成分随水流失；复垦后土壤没有分层现象，黏性较大，土地易板结。

3.2 挖掘机+推土机复垦工艺

挖掘机+推土机复垦工艺是采用挖掘机挖土，推土机把挖出的土推到回填区域的复垦工艺。适用范围为运输距离小于50 m、施工场地坡度缓、土壤含水率低的区域。当前该矿四采区采用了挖掘机+推土机复垦工艺。复垦效率：挖土方250 m3/天·台；复垦成本：7元/m3。该工艺施工工艺简单，成本较低。缺点：效率低，工期长；运输距离短，复垦范围小；土壤含水率要求高；机械设备要求高。

3.3 铲运机复垦工艺

铲运机复垦工艺是采用铲运机挖土、运土回填到地表沉陷较浅区域的复垦工艺。适用范围：运输距离不超过200 m，适合采煤沉陷地地形起伏较大、潜水位较高的区域。当前该矿南一采区采用了铲运机复垦工艺。复垦效率：挖土方350 m3/天·台；复垦成本：8 元/m3。该工艺复垦效率高，工期短，容易复熟土。缺点：受积水和潜水位条件限制，需排水；对机械设备要求高，复垦成本较泥浆泵高。

3.4 挖掘帆+自卸车复垦工艺

挖掘帆+自卸车复垦工艺是在地表塌陷较深区域用挖掘机挖土，自卸车把挖出的土运到回填区域的复垦工艺。适用范围：运输距离200 m 以上、采煤沉陷地地形起伏较大、潜水位较高的区域。当前该矿东三采区采用了挖掘帆+自卸车复垦工艺。复垦效率：挖土方2000 m3/天·台；复垦成本：10 元/m3。该工艺复垦效率极高，工期短，容易复熟土。缺点：受积水和潜水位条件限制，雨季无法施工，对机械设备要求高，复垦成本较高。

4 土地复垦监测技术

云冈矿积极开展与高校及科研院所的合作，采用3S 技术、无人小飞机技术和三维激光扫描技术对采煤塌陷区进行动态监测，同时建立一整套的监测防治体系，为矿区环境保护提供科学依据。

4.1 监测内容

（1）地表残余下沉监测是采用测量仪器观测治理后地表的残余下沉量，对下沉量较大并影响生产的区域，采取必要的补救措施；（2）地表水位监测是观测治理后的水域的水位变化情况；（3）地表水质监测是监测治理后的水域的水质污染程度；（4）土地污染监则是采取一定的方法监测治理后的耕地受污染面积和污染程度。

4.2 监测方法

（1）地表残余下沉监测。采用全站仪、GPS和水准仪对治理后的地表残余沉降进行专业监测，观测地表在三维空间的动态变化情况，绘制地表残余下沉曲线图。（2）地表水位监测。在治理后的水域内埋设一定数量的水位标志，定期记录水位变化情况，绘制水位变化曲线图。（3）地表水质监测。在治理后的水域内通过采取水样对其化学成分进行监测，重点对污染组分进行检测。（4）土地污染监测。定期对破坏的土地面积进行测绘，采集土样进行化学分析测试。

4.3 监测频率

根据《山西省矿山地质环境监测技术规程》，结合云冈矿土地复垦的特点，监测频率如下：（1）地表残余下沉量：地表月平均下沉量大于10 mm 每月观测一次，下沉量小于10 mm 的每季度观测一次。（2）水位监测：治理区内水位每月观测一次。（3）水质监测：治理区内水质每年测2 次，即丰水期、枯水期各检测1 次。（4）土地污染监测：治理区内侵占和破坏的土地每年测绘2 次，采样测试每年2 次。

5 土地复垦效果分析

云冈矿自20 世纪90 年代开始实施采煤塌陷区土地复垦以来，形成一套行之有效的土地复垦技术和经验。根据该矿井各采区不同的地质采矿条件和土地塌陷特征，采取不同的复垦模式和复垦工艺，主要复垦为耕地、坑塘为耕地、坑塘水面和建设用地。截至2019 年底已累计复垦塌陷土地880 hm2，其中公司自主复垦土地400 hm2，协助地方复垦土地480 hm2，复垦资金1.01 亿元，土地复垦率达34.3%，居山西省的前列。当前煤矿积极开展“超前复垦”、“边采边复”等土地复垦新技术的应用，不仅增大了耕地复垦率，而且降低了土地复垦成本，对采煤企业和社会的发展具有十分重要的意义。

6 结语

针对云冈矿高潜水位地表塌陷区的特点，通过多年的土地复垦实践，云冈矿探索出适合该地区的土地复垦模式和复垦工艺。在采用传统复垦模式进行复垦的同时，大胆创新，形成了新的矿区超前复垦和边采边复技术体系，取得了良好的经济效益、社会效益和环境效益，为更好地开展与云冈矿条件类似的采煤塌陷区土地复垦工作提供借鉴和参考。