基于GIS的高潛水位煤礦區(qū)邊采邊復(fù)表土剝離策略

肖 武，王培俊,王新靜,余 洋,陳 超

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京 100083)

1 概述

高潛水位煤礦區(qū)所在地區(qū)主要位于我國的東北區(qū)與華東區(qū)，其中東北區(qū)主要為東北平原，華東區(qū)為黃淮海平原。高潛水位礦區(qū)包括了14大煤炭基地中的5大基地，即：兩淮、魯西、河南、冀中、內(nèi)蒙古(東北部分)。這類地區(qū)具備以下4個(gè)特點(diǎn)：①可開采煤層數(shù)量多，以淮南礦區(qū)為例，可開采煤層數(shù)量達(dá)到9～18 層[1]；②煤層厚度大，淮南礦區(qū)可采煤層總厚度 22～34m[2]，山東兗州、濟(jì)東礦區(qū)、滕南礦區(qū)3煤最大開采厚度為12m[3]；③潛水位埋深小，高潛水位礦區(qū)潛水位埋深大多小于4m。大部分地區(qū)如兩淮、魯西等地潛水位埋深甚至僅為1.5m；④地勢相對平坦，高潛水位煤礦區(qū)所處位置主要為東北區(qū)與華東區(qū)，其中東北區(qū)主要為東北平原，華東區(qū)為黃淮海平原。除少部分區(qū)域外，大多為地勢平坦的區(qū)域。

以上這些因素，使得煤炭開采后地面塌陷積水現(xiàn)象格外嚴(yán)重，沉陷后積水率往往達(dá)到50%以上。在平原礦區(qū)，目前可用復(fù)墾的充填物主要包括煤矸石、粉煤灰及城市建筑垃圾，但是充填復(fù)墾也存在著一定的局限性。一方面，這些固體充填物產(chǎn)量較小，其中，煤矸石的產(chǎn)量約占全國煤炭產(chǎn)量的10%～15%[4]，而粉煤灰主要位于電廠附近，2009年粉煤灰產(chǎn)量約4.5億t左右[5]，與面積巨大的地面沉陷范圍相比，充填物相對來說十分缺乏，這一現(xiàn)象在平原地區(qū)更為嚴(yán)峻。另一方面，隨著固體廢棄的綜合利用率逐年提高，可用于充填復(fù)墾的固體廢棄物也逐漸減少，根據(jù)2008年數(shù)據(jù)，全國煤矸石和粉煤灰的綜合利用率分別達(dá)到了55%與67%[6]，這些固體廢棄物大多用于發(fā)電，制磚瓦、水泥、筑路等。最后，由于大部分礦區(qū)都遠(yuǎn)離城市，使得城市垃圾充填復(fù)墾也難以大范圍應(yīng)用。上述原因，致使高潛水位煤礦區(qū)采煤沉陷地復(fù)墾率較低。據(jù)預(yù)測，我國2015年、2020年、2030年煤炭需求量分別為37億～39億t、39億～44億t、45億～51億t[7]。由于煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)的主導(dǎo)型地位在短期內(nèi)不會改變，可以預(yù)見，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，采煤沉陷土地的情況將隨著進(jìn)一步加劇，采煤沉陷仍將是煤炭生產(chǎn)過程中面臨的最大的問題。

我國從20世紀(jì)80年代開始了采煤沉陷地復(fù)墾的研究和實(shí)踐，取得了很多的成果。從20世紀(jì)90年代開始，一些礦山和學(xué)者就開始探尋非穩(wěn)定沉陷地的復(fù)墾技術(shù)，如1992年平頂山礦務(wù)局在東高皇鄉(xiāng)辛北村進(jìn)行了“超前復(fù)墾”，即對即將沉陷的土地開挖水渠、降低潛水位，使土地沉陷后不積水而達(dá)到復(fù)墾的目的。一些學(xué)者也相繼提出了預(yù)復(fù)墾[8]、超前復(fù)墾[9]、動態(tài)復(fù)墾[10]等概念和方法。但由于以往復(fù)墾都是地面沉陷穩(wěn)定后再采取措施，導(dǎo)致珍貴的表土與心土資源沉入水底，無法利用。而如果表土剝離時(shí)間過早，也會影響正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。甚至于有的復(fù)墾工程由于過早施工建設(shè)，施工后的工程經(jīng)受不住后期沉陷的影響而導(dǎo)致復(fù)墾失敗的案例也存在。

本文以山東某礦工作面為例，結(jié)合GIS的空間分析功能，合理劃分了地面單元，對煤炭開采后地面的動態(tài)沉陷過程進(jìn)行了模擬，明確了地面開始沉陷及出現(xiàn)積水的時(shí)間，明確了表土剝離的策略，定量的確定了地面各單元表土剝離的時(shí)間、范圍與深度，剝離的表土可用于后期土地復(fù)墾工作。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省西南部，屬黃河沖洪積平原，地形平坦，地勢略呈現(xiàn)西北高東南低，地面標(biāo)高為+40.01～+46.14m，平均43.26m，自然地形坡度為2‰。礦區(qū)內(nèi)水系比較發(fā)育，河流溝渠縱橫成網(wǎng)，且多系人工開掘的季節(jié)性河流。根據(jù)臨近地區(qū)煤炭開采經(jīng)驗(yàn)，由于該地區(qū)潛水位淺，蒸發(fā)強(qiáng)烈，潛水濃縮鹽化，容易局部形成鹽堿地，開采沉陷后導(dǎo)致的地面積水毫無疑問會加劇局部區(qū)域的鹽堿化，影響正常的農(nóng)業(yè)耕作。該礦井為巨厚新生界松散層覆蓋的全隱蔽煤田，新生界地層厚度531.50～767.80m，平均為655.16m。首先開采的煤層平均采深約800m，平均采高達(dá)到9m。因此，對該地區(qū)的模擬與研究具有普遍性和代表性。

本文選擇該礦山首采工作面進(jìn)行分析，工作面位于礦區(qū)西北部，工作面南北向布置，走向長度2500m，傾向220m，開采的煤層高度9.0m，自北向南采用綜合機(jī)械化開采，開采時(shí)間自2010年1月1日至2011年1月15日。地面高程變化為+43.0～+44.50m，地下水埋深約3.0m左右，地形相對較為平坦，西北高，東南低。工作面的布置情況及開采前地面地形情況如圖1所示。

圖1 工作面布置及地面地形情況

3 模擬方法及過程

3.1 開采階段的劃分及沉陷預(yù)測

將模擬的工作面以月為單位將開次劃分為13個(gè)階段，階段劃分及各階段開采進(jìn)度如圖2所示。由于煤層為近水平煤層，根據(jù)開采沉陷學(xué)理論，沉陷預(yù)計(jì)方法選用概率積分法，采用msps預(yù)計(jì)軟件，其計(jì)算原理為[11]：對于任意形狀的工作面，其煤層厚為m，假設(shè)將整個(gè)工作面開采劃分為足夠小的n個(gè)單元開采，其中開采單元i的面積用Ai表示，則任意點(diǎn)(x，y)在t時(shí)刻的下沉值按式(1)計(jì)算。

Wt(x,y)=[∑Weti(x,y)·Ai]·mqcosα

(1)

式中：Wt(x，y)為任意點(diǎn)(x，y)在t時(shí)刻的下沉值(mm)；Weti(x，y)為開采單元i開采引起地表任意點(diǎn)(x，y)在t時(shí)刻的下沉值(mm)；q為下沉系數(shù)(本試驗(yàn)為0.85)；α為煤層傾角(度，本試驗(yàn)為3)。同時(shí)，軟件考慮了開采的充分性，可以根據(jù)開采的充分性預(yù)計(jì)不同開采尺寸下的地表下沉率(q’)。分析各開采階段的地表下沉特征與表現(xiàn)形式。

對工作面的開采進(jìn)行了分階段的動態(tài)沉陷預(yù)測，由此獲得了各期開采的下沉等值線。另外，對沉陷穩(wěn)定即最終的下沉狀況也進(jìn)行了預(yù)測。本文所采用的下沉預(yù)測參數(shù)見表1。

表1 工作面地表移動變形預(yù)測參數(shù)

3.2 基于GIS的地表沉陷模擬

上節(jié)獲得的各階段下沉等值線，只能代表地面為水平狀態(tài)時(shí)的下沉。近年來，很多學(xué)者開始將GIS運(yùn)用于開采沉陷后的地表信息表達(dá)，同時(shí)開始考慮原始地表的動態(tài)沉陷信息表達(dá)[12-13]。作者(2011)針對已有開采沉陷三維可視化方法未全面考慮礦區(qū)原始地貌特征的缺陷，運(yùn)用GIS軟件，通過不同開采階段沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果與地面原始高程數(shù)據(jù)的耦合，形成礦區(qū)開采地貌特征的動態(tài)可視化表達(dá)，形象地反映礦區(qū)開采后地表沉陷變化的規(guī)律及沉陷表征[14]。運(yùn)用GIS的空間分析與疊加功能，將原始地表地形數(shù)據(jù)與沉陷數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加與插值，從而獲得各階段的開采沉陷后地面狀況。

為了定量的描述和分析地表各處表土沉入水中的開采階段，同時(shí)，也考慮后期地面施工土方計(jì)算的準(zhǔn)確，在地面建立了40m×40m的格網(wǎng)，共7875個(gè)格網(wǎng)單元，如圖2所示。格網(wǎng)單元的大小，可根據(jù)地表巖層移動觀測站的建立標(biāo)準(zhǔn)，本文選擇為H/20，H為開采深度。

由此獲得各個(gè)地面單元各開采階段的實(shí)時(shí)高程信息與是否積水等信息。

圖2 開采階段與地面單元的劃分

4 結(jié)果分析

根據(jù)模擬，地面出現(xiàn)積水的臨界時(shí)間為2010年5月1日，即開采了120天(推進(jìn)距離為804m)時(shí)。因此，該工作面表土應(yīng)當(dāng)在地下工作面推進(jìn)了804m前進(jìn)行。同時(shí)，具體剝離的時(shí)間還要考慮農(nóng)業(yè)耕作時(shí)間，以及農(nóng)民意愿等具體的地面情況。最終工作面開采共涉及461個(gè)格網(wǎng)的表土剝離，剝離面積73.76hm2。根據(jù)劃分的階段，每個(gè)開采單元或者階段對應(yīng)的地面表土剝離范圍如圖3所示。

圖3 基于地面格網(wǎng)的實(shí)時(shí)表土剝離范圍

實(shí)際的表土剝離工作不能根據(jù)圖3簡單進(jìn)行，高潛水位礦區(qū)地面表土剝離所需要考慮的其他因素包括[15]：①農(nóng)耕農(nóng)時(shí)，盡量保證當(dāng)季種植農(nóng)作物的收獲；②農(nóng)民的意愿，土地權(quán)屬人是否愿意進(jìn)行剝離與復(fù)墾；③施工季節(jié)，盡量選擇在旱季進(jìn)行，避免雨季施工。

因此，綜合考慮，在分析了本次動態(tài)沉陷及需要?jiǎng)冸x范圍的基礎(chǔ)上，安排了表土剝離的策略。由于當(dāng)?shù)刂饕N植小麥，小麥?zhǔn)斋@季節(jié)為每年的6月份。因此，將涉及本工作面開采的表土剝離分為兩次進(jìn)行，第一次剝離時(shí)間定為2010年1月進(jìn)行，剝離范圍為圖3中2010年5月與2010年6月將要積水的格網(wǎng)；第二次剝離時(shí)間定為2010年7月收獲結(jié)束后進(jìn)行，剝離范圍為2010年7月至2011年2月將要積水的格網(wǎng)。剝離的表土將就近堆放，待沉陷基本穩(wěn)定后再安排土地平整及配套相關(guān)水利設(shè)施的建設(shè)。表土剝離策略的確定能最大有效的保護(hù)珍貴的表土資源，避免沉入水底，且確保了復(fù)墾耕地率[16]。

5 結(jié)論

本文通過開采沉陷預(yù)測與GIS結(jié)合，建立了以Arcinfo為平臺的表土剝離時(shí)機(jī)與區(qū)域確定模型。在分階段動態(tài)沉陷預(yù)測的基礎(chǔ)上，對預(yù)先劃分好的地面格網(wǎng)進(jìn)行了分析，確定了各個(gè)開采階段的地面表土剝離單元。研究方法運(yùn)用GIS的空間分析功能與動態(tài)開采沉陷預(yù)測技術(shù)，能定量確定地面任意單元在各開采階段的具體沉陷情況，由此定量化的確定了地面需要進(jìn)行表土剝離的范圍及準(zhǔn)確的時(shí)間，綜合考慮其他因素，確定了操作性更強(qiáng)的表土剝離策略。研究有利于井工煤礦區(qū)的邊采邊復(fù)技術(shù)的研發(fā)，并促進(jìn)開采與治理的同步進(jìn)行。

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