煤礦區(qū)土地復(fù)墾中土地損毀預(yù)測方法研究*

張合兵 王世東 李春意

(1.礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室;2.河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院)

隨著煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，礦山開采對我國土地資源尤其是耕地的利用和生態(tài)環(huán)境造成重大影響。目前，礦區(qū)土地復(fù)墾已成為緩解我國人地矛盾，增加耕地數(shù)量，提高土地質(zhì)量，改善土地生態(tài)環(huán)境的一項重要措施。要實現(xiàn)土地復(fù)墾的科學(xué)化、合理化，必須以土地復(fù)墾可行性分析為基礎(chǔ)和依據(jù)［1-3］，而土地復(fù)墾可行性分析的首要任務(wù)是合理確定復(fù)墾區(qū)內(nèi)損毀土地面積及損毀程度，這是進行土地復(fù)墾適宜性評價、復(fù)墾工程設(shè)計及工程量測算、復(fù)墾措施選擇、復(fù)墾資金預(yù)算等工作的基礎(chǔ)。因此，必須對煤礦區(qū)土地復(fù)墾中損毀預(yù)測方法的適用性進一步研究與梳理，為科學(xué)選取土地損毀預(yù)測方法，準確確定損毀土地面積及損毀程度提供科學(xué)依據(jù)與決策參考。

1 煤礦區(qū)土地損毀預(yù)測原因及分析內(nèi)容

1.1 煤礦區(qū)土地損毀成因分析

1.1.1 土地損毀成因

地下煤層開采時，井下將出現(xiàn)大面積的采空區(qū)，圍巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，在采空區(qū)上方，隨著直接頂和老頂巖層的冒落，其上覆巖層也將產(chǎn)生移動、裂縫和冒落，首先形成冒落帶;當(dāng)巖層冒落發(fā)展到一定高度，松散巖塊逐漸充填采空區(qū)，冒落逐漸停止，巖層出現(xiàn)離層和裂縫，形成裂縫帶;當(dāng)離層和裂縫發(fā)展到一定程度時，上覆巖層只產(chǎn)生整體移動和沉陷，形成彎曲帶;當(dāng)巖層移動、沉陷和彎曲變形達到地表時，地表會出現(xiàn)下沉、水平移動、傾斜、水平變形和彎曲，形成移動盆地，在移動盆地內(nèi)，還會出現(xiàn)臺階、裂縫和塌陷坑等不連續(xù)變形。

顯然，煤層開采造成覆巖和地表的移動、變形、塌陷和破壞是土地損毀的直接原因，且損毀和破壞隨著采煤工作面的推進而逐漸發(fā)生，是一個動態(tài)的過程，當(dāng)開采活動停止后，移動、變形將在一定時間內(nèi)逐漸終止于一定范圍內(nèi)，該范圍可通過現(xiàn)場勘測和預(yù)測方法確定。

1.1.2 地表變形與土地損毀關(guān)系

隨著采空區(qū)面積的不斷增大，地表土地損毀破壞的范圍也會不斷擴大，在這一過程中地表產(chǎn)生的移動和變形可分為3類:①動態(tài)變形。②永久變形。③半永久性變形。

塌陷區(qū)地表移動變形與土地損毀程度密切相關(guān)。地表移動變形造成的土地損毀主要形式有地表錯動，地裂縫;地表下沉，土地被淹沒等。例如，高潛水位采煤沉陷區(qū)土地損毀程度與地表下沉值密切相關(guān)，下沉量愈大，地面積水愈深，或塌陷區(qū)土地復(fù)墾充填量愈大，因而損毀愈嚴重，復(fù)墾投資也就愈大［4］。

1.2 煤礦區(qū)土地損毀預(yù)測內(nèi)容

綜上分析，對土地損毀的預(yù)測內(nèi)容主要為地表沉陷程度和范圍的預(yù)測。具體包括:

(1)預(yù)測不同時段損毀土地的地類、面積、損毀方式等。

(2)分時段預(yù)測地表最大下沉值、水平拉伸變形值、傾斜變形值和基本穩(wěn)沉?xí)r間，分時段繪制地表下沉、水平變形、傾斜變形等值線圖。

(3)結(jié)合土地損毀對土地利用的影響進行土地損毀程度分級并進行損毀程度分析。包括損毀方式、損毀程度、影響因素、現(xiàn)狀地類、對土地生產(chǎn)力的影響、不同損毀類型和程度的面積等［4］。

2 煤礦區(qū)土地復(fù)墾中損毀預(yù)測方法

2.1 概率積分法土地損毀預(yù)測原理

概率積分法是把巖體看作一種隨機介質(zhì)，根據(jù)隨機介質(zhì)理論，把巖層移動看作一種服從統(tǒng)計規(guī)律的隨機過程。即把開采區(qū)域分解為無限個微小單元的開采，開采對巖層及地表的影響等于各單元開采對巖層及地表影響之和，按隨機介質(zhì)理論，單元開采引起的地表單元下沉盆地呈正態(tài)分布，且與概率密度的分布一致，其預(yù)計模型可表示為概率密度函數(shù)積分公式。

地表單元下沉盆地下沉值we(x)的表達式:

式中，r為主要影響半徑，主要與單元采深和主要影響角有關(guān);x為離開采邊界的距離。根據(jù)下沉盆地表達式可推導(dǎo)出地表單元水平移動的表達式為

式中，B為常數(shù)。

通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得出任意形狀工作面開采時地表任意點的移動與變形計算公式。

地表移動變形最大值計算:

式中，Wmax為地表最大下沉值，mm;imax為地表最大傾斜值，mm/m;Kmax為地表最大曲率值，10－3/m;εmax為地表最大水平變形值，mm/m;Umax為地表最大水平移動值，mm;m為煤層法線采厚，m;q為下沉系數(shù);α為煤層傾角，(°);b為水平移動系數(shù)。地表移動持續(xù)時間可通過式(4)計算:

式中，T為形成穩(wěn)定沉陷地面移動的延續(xù)時間，d;H為工作面平均開采深度，m。

地表移動基本穩(wěn)沉?xí)r間主要為地表移動初始期和活躍期，一般是地表移動持續(xù)時間的60%～70%。

預(yù)測方法及過程如下。

(1)預(yù)測參數(shù)選取?！督ㄖ铩⑺w、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(國家煤炭工業(yè)局煤行管字［2000］第81號，以下簡稱《開采規(guī)程》)中列出了我國20個主要礦區(qū)的地表移動參數(shù)。預(yù)測參數(shù)值因礦而異，參數(shù)值可以進行實際觀測、類比，并結(jié)合該規(guī)程選定，也可按礦區(qū)覆巖平均抗壓強度，參照規(guī)程中有關(guān)附表選取。土地損毀預(yù)測參數(shù)有下沉系數(shù)q、水平移動系數(shù)b、主要影響角正切tanβ、開采影響傳播系數(shù)k、拐點偏移距S、重復(fù)采動系數(shù)q1。

(2)開采時段劃分。預(yù)測參數(shù)確定后，依據(jù)采掘工程平面圖工作面設(shè)計，一般按前期5 a、后期10 a左右分時段進行土地損毀預(yù)測。

(3)土地損毀預(yù)測結(jié)果。根據(jù)開采時段分別將煤層開采要素(開采厚度、開采深度、煤層傾角)等數(shù)據(jù)與預(yù)測參數(shù)輸入計算機進行預(yù)測，分時段預(yù)測地表最大下沉值、水平拉伸變形值、傾斜變形值和基本穩(wěn)沉?xí)r間，繪制地表下沉、水平變形、傾斜變形等值線圖，匯總土地損毀范圍和面積。

(4)土地損毀程度劃分。土地損毀程度主要取決于塌陷裂縫的寬度和密度、塌陷深度、積水深度等，而裂縫寬度和密度與地表水平變形值大小和深厚比大小有密切關(guān)系［5-7］。結(jié)合損毀類型和對土地利用的影響，按輕度、中度、重度進行損毀程度分級和面積匯總。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶最大高度與移動角組合判別法

該方法以導(dǎo)水裂隙帶最大高度為上限，結(jié)合地質(zhì)剖面圖和移動角確定出地表沉陷盆地的中間區(qū)域，該區(qū)域即為擬破壞的塌陷區(qū)。

導(dǎo)水裂隙帶的最大高度H與煤層傾角、覆巖巖性密切相關(guān)，其計算公式為

式中，∑m為煤層累計采厚(≤15 m);a、b為導(dǎo)水裂隙帶系數(shù)，其取值與煤層賦存狀態(tài)及覆巖巖性有關(guān);±c為導(dǎo)水裂隙帶計算中誤差。a、b、c確定方法如表1。

表1 安全系數(shù)k與煤層傾角和覆巖性質(zhì)的關(guān)系

移動角與覆巖普氏硬度系數(shù)f相關(guān)，如表2。

表2 移動角與覆巖巖性的關(guān)系

計算過程:

(1)確定地表沉陷盆地的主斷面位置，并作出剖面圖。

(2)根據(jù)覆巖的硬度系數(shù)確定走向、下山和上山方向的移動角。

(3)在剖面圖上根據(jù)(2)確定的移動角確定塌陷區(qū)投影的平面位置，同時利用導(dǎo)水裂隙帶高度確定垂向深度。

(4)各剖面在水平面內(nèi)的投影區(qū)域即為塌陷區(qū)的范圍。

當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度小于H時，開采引發(fā)塌陷的可能性較大，否則引發(fā)塌陷的可能性較小，該方法主要根據(jù)覆巖移動角與導(dǎo)水裂隙帶高度之間的關(guān)系來確定采空區(qū)塌陷范圍的。塌陷區(qū)損毀程度劃分和概率積分法相同。

3 煤礦區(qū)土地復(fù)墾中損毀預(yù)測實例分析

3.1 概率積分法實例

3.1.1 研究區(qū)概況

富康源煤礦位于山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣臺頭鎮(zhèn)，呂梁山南端，屬中低山區(qū)，區(qū)內(nèi)除部分山丘、梁垣為黃土梯田外，多為基巖裸露或半裸露區(qū)，部分地段植被覆蓋較好，因氣候干旱，風(fēng)化剝蝕作用強烈，形成了山區(qū)—丘陵地貌;富康源煤礦井田境界內(nèi)總面積為974.79 hm2，礦區(qū)內(nèi)土地利用類型包括耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地、城鎮(zhèn)村及工礦用地等8種一級類型。

3.1.2 結(jié)果分析

(1)基本參數(shù)確定。概率積分法中所需的基本參數(shù)的選取結(jié)合《開采規(guī)程》中的地表移動變形基本參數(shù)，并參考《山西鄉(xiāng)寧焦煤集團富康源煤炭有限公司環(huán)境評價報告》來確定本礦井的地表移動基本參數(shù)。根據(jù)《開采規(guī)程》中的關(guān)于下沉系數(shù)、主要影響角正切、水平移動系數(shù)、拐點偏移系數(shù)、開采影響傳播角等沉陷預(yù)計一般參數(shù)，結(jié)合本礦井的實際情況，開采1#煤層時，地表移動變形基本參數(shù)和在開采1#煤層的基礎(chǔ)上開采2#、3#煤層屬于重復(fù)采動，確定富康源煤礦沉陷預(yù)計參數(shù)如表3所示。

(2)各階段地表移動變形預(yù)測。根據(jù)富康源煤礦開采設(shè)計和各煤層基本參數(shù)，開采范圍劃分為以下3個開采時段:第一階段(開采一采區(qū)):2011—2016年;第二階段(開采二、三采區(qū)):2017—2026年;第三階段(開采四、五、六、七采區(qū)):2027—2034年。各階段開采煤層特征如表4所示。

表3 富康源煤礦概率積分法預(yù)計參數(shù)

表4 各階段開采煤層特征

對于富康源煤礦開采首采區(qū)，在《開采規(guī)程》中規(guī)定，考慮到測量誤差，一般以下沉為10 mm的等值線作為地表移動盆地邊界，下沉盆地面積為284.45 hm2。

對于富康源煤礦第二階段開采二、三采區(qū)，下沉盆地面積為589.18 hm2，比第一階段增加363.32 hm2。

對富康源煤礦第三階段開采四、五、六、七采區(qū)，沉盆地面積為1 040.24 hm2，比第二階段增加451.06 hm2。

表5 地表移動和變形預(yù)計最大值

說明:由于3個階段都是開采1、2、3號煤層，煤層的賦存情況變化不是太大，因此后一階段與前一階段相比地表移動和變形值變化不太大，只是地表變形的面積增加。

(3)塌陷區(qū)土地破壞情況及塌陷土地面積。根據(jù)前面內(nèi)容確定的各地表移動參數(shù)，各階段下沉深度、破壞狀況和面積見表6。

井下煤炭開采后一般引起的地表移動變形范圍比開采范圍大。單一區(qū)段工作面開采后走向主要影響半徑r=89 m，拐點偏距s=20 m。當(dāng)開采范圍的傾斜長度Lq、走向長度Lz都大于2倍的主要影響半徑(即Lq≥2r，Lz≥2r)時，其采動影響達到充分采動條件，反之，為未達到充分采動條件。單一工作面開采達到充分采動條件的采區(qū)尺寸為Lq=Lz≥2r=2×89=178 m，根據(jù)地表移動變形規(guī)律，非充分采動時下沉變形等各種變形值均達不到最大值，但符合一般地表移動變形規(guī)律，如最大下沉值在采空區(qū)，最大正負曲率值和水平變形值位于±0.4r處，最大傾斜值和水平移動變形值位于開采邊界上方。

表6 各階段地表下沉深度及面積統(tǒng)計

(4)預(yù)測結(jié)果分析。①當(dāng)開采結(jié)束時預(yù)計塌陷區(qū)域土地面積為1 040.24 hm2，同時考慮對于項目區(qū)的采礦用地和農(nóng)村住宅用地在采煤時保留了保護性煤柱，且富康源煤礦將對地表破壞的村莊、道路等生活性實施進行修復(fù)和賠償。②由預(yù)計可知，開采完成后最大下沉為3 739 mm。由于此區(qū)域位于黃土高原，潛水位低，所以煤炭開采后地面不會出現(xiàn)積水。同時由表5知，開采產(chǎn)生的水平變形值最大為10.84 mm/m。由此可見，開采完畢后會形成一定的裂縫區(qū)，此區(qū)域?qū)⒊蔀閺?fù)墾重點治理對象。

在復(fù)墾方案服務(wù)年限內(nèi)，開采富康源煤礦所屬采區(qū)為山地，坡度平緩，因而采煤塌陷區(qū)土地破壞范圍按概率積分法的主要影響半徑劃定，按主要影響半徑劃定的塌陷地邊界地表預(yù)測下沉量為10 mm。

(5)塌陷區(qū)地表移動變形與土地損毀程度的綜合分析。塌陷區(qū)形不成塌陷盆地，也不會積水，因而土地損毀程度主要取決于地表變形值大小，主要依據(jù)是《土地復(fù)墾方案編制規(guī)程——井工煤礦》采煤沉陷土地損毀程度分級參考標準。由于礦井采深較大，水平變形一般不超過10.84 mm/m，地表最大傾斜一般為小于15.2 mm/m，因而水平、傾斜和曲率變形一般產(chǎn)生為輕度～中度。因此項目區(qū)內(nèi)旱地破壞程度主要為輕度～中度，林地、草地破壞程度主要為輕度～中度。

根據(jù)前述分析，將預(yù)測得到的水平變形等值線圖與下沉等值線圖疊加，得到沉陷區(qū)的輕度損毀、中度損毀的邊界線。經(jīng)統(tǒng)計，塌陷區(qū)損毀土地總面積1 040.24 hm2(輕度塌陷 178.63 hm2，中度塌陷861.61 hm2)，其中一階段塌陷區(qū)面積225.86 hm2(輕度塌陷60.52 hm2，中度塌陷165.34 hm2)，二階段塌陷區(qū)面積363.32 hm2(輕度塌陷46.52 hm2，中度塌陷316.8 hm2)，三階段塌陷區(qū)面積451.06 hm2(輕度塌陷71.59 hm2，中度塌陷379.47 hm2)。

根據(jù)《富康源煤業(yè)有限公司開發(fā)利用方案》設(shè)計，排矸場位于工業(yè)廣場南側(cè)方向0.5 km處的荒溝內(nèi)，容矸量滿足礦井矸石5 a的排棄量，礦井生產(chǎn)3～5 a后，逐步將臨時排矸場矸石及新產(chǎn)生矸石全部利用，將臨時排矸場所占土地進行復(fù)墾。排矸場的面積為0.90 hm2，其中0.36 hm2位于塌陷區(qū)內(nèi)，為防止重復(fù)計入，故將排矸場壓占面積定義為0.54 hm2。表土堆場主要用于堆放工業(yè)場地和排矸場剝離的表層土，擬將表土堆放在排矸場內(nèi)，壓占損毀土地0.5 hm2，位于排矸場內(nèi)。經(jīng)統(tǒng)計，壓占損毀土地面積為0.54 hm2(表土堆場位于排矸場內(nèi)，面積不另計)，由于壓占對原地表造成了不可恢復(fù)性損毀，所以將損毀程度定義為重度。

該礦擬損毀土地損毀程度統(tǒng)計匯總見表7。

表7 土地損毀程度結(jié)果匯總

3.2 導(dǎo)水裂隙帶最大高度與移動角組合判別法實例

3.2.1 研究區(qū)概況

郭家地煤礦位于貴州省黔西南布依族、苗族自治州普安縣南部，礦區(qū)為脊狀山地貌，屬中山地形，區(qū)內(nèi)山巒起伏，植被長勢總體較差，主要是人工種植植被與自然植被等，糧食作物以水稻和玉米為主，經(jīng)濟作物有油菜籽、煙葉、油桐等。郭家地煤礦礦區(qū)總面積464.52 hm2，土地利用類型主要有耕地、園地、林地、草地、居民點及工礦用地和未利用地。

3.2.2 結(jié)果分析

(1)郭家地煤層情況。該煤礦全區(qū)可采及大部可采煤層共3層:17、19和26號煤層。其中17號煤層平均采用厚度為3.10 m，19號煤層:平均采用厚度為1.67 m，26號煤層平均采用厚度為2.02 m。

(2)塌陷預(yù)測。煤礦在開采過程中，塌陷區(qū)多集中在煤層露頭附近煤層埋深較淺的地段，可能產(chǎn)生的塌陷范圍根據(jù)煤層情況及《GB12719—91 礦區(qū)水文地質(zhì)規(guī)程及勘探規(guī)范》附錄F:冒落、裂隙帶最大高度經(jīng)驗公式預(yù)測分析，推出冒落、裂隙帶最大高度。計算公式如下:

其中，累計采厚M是各煤層平均采用厚度之和，n為煤層數(shù)量。如果煤層平均采用厚度大于巷道高度2.2 m，取煤層平均采用厚度;如果煤層平均采用厚度小于巷道高度2.2 m，取2.2 m作為煤層平均采用厚度(該取值是根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗值來確定的)。

由以上公式計算出 17#、19#、26#煤層的冒落、裂隙帶最大高度為91.85 m，最后由剖面上17#煤層頂板沿著法線方向反推到地表與煤層露頭形成的區(qū)域(扣出禁采區(qū)、煤層風(fēng)氧化帶、保安煤柱范圍)即為擬塌陷區(qū)，預(yù)計塌陷面積為75.64 hm2(其中包括老郭家地采空區(qū)面積6.77 hm2)，擬塌陷區(qū)中耕地7.11 hm2，園地 2.53 hm2，林地 4.51 hm2，草地48.67 hm2，未利用地12.82 hm2。在煤層法線方向埋深大于冒落、裂隙帶高度的區(qū)域，其冒落、裂隙范圍影響不到地面，不作預(yù)測塌陷范圍的圈定。塌陷預(yù)測范圍剖面圖見圖1所示。

4 結(jié)論

概率積分法是煤礦區(qū)土地復(fù)墾中最常用的方法，該方法理論體系完善，容易操作，適用地域非常廣泛，可應(yīng)用于我國北方和中部大部分平原、丘陵以及部分山地區(qū)域，但該方法塌陷預(yù)測范圍較大，不太適用于我國南方中高山地區(qū);導(dǎo)水裂隙帶最大高度法原理簡單，容易操作，預(yù)測塌陷范圍比概率積分法要小且符合實際情況，比較適用我國南方如云南和貴州等地的中高山地區(qū)。另外，相關(guān)研究表明，在

圖1 預(yù)測塌陷范圍剖面

南方中高山地區(qū)，礦區(qū)地形復(fù)雜，坡度大，輕度塌陷損毀對地表的破壞程度較小，而且氣候濕潤，雨水充足，地表植被恢復(fù)較快。因此，在南方中高山地區(qū)，采用導(dǎo)水裂隙帶最大高度法來確定塌陷范圍更為科學(xué)合理。

［1］ 王 歡，王 平，謝立祥，等.土地復(fù)墾適宜性評價方法［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2010(4):154-158.

［2］ 劉文鍇，陳秋計，劉昌華，等.基于可拓模型的礦區(qū)復(fù)墾土地的適宜性評價［J］. 中國礦業(yè)，2006，15(3):34-37.

［3］ 陳秋計，趙長勝，謝宏全.基于GIS和ANN技術(shù)的礦區(qū)復(fù)墾土地適宜性評價［J］.金屬礦山，2004(3):52-55.

［4］ 國土資源部土地整理中心.土地復(fù)墾方案編制實務(wù)［M］.北京:中國大地出版社，2011.

［5］ 何 榮，郭增長，李園園.局部開采保護煤柱對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)建筑物的沉陷預(yù)測［J］. 測繪科學(xué)，2009，34(6):76-77，42.

［6］ 蔣建平，陳功奇，章楊松.偏最小二乘回歸在地表沉陷預(yù)測中的應(yīng)用［J］. 重慶大學(xué)學(xué)報，2010，33(9):92-97.

［7］ 郝兵元，胡海峰，白文斌，等.地表沉陷預(yù)測參數(shù)可靠性分析及取值優(yōu)化研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2011，42(2):184-187.