山東龍堌礦某單一工作面邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)優(yōu)選

袁冬竹 胡振琪 胡家梁 陳景平(中國(guó)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)

傳統(tǒng)礦區(qū)土地復(fù)墾思路是在礦山開采穩(wěn)沉后進(jìn)行土地復(fù)墾，易造成礦區(qū)大量土地閑置、浪費(fèi)嚴(yán)重，尤其是在我國(guó)東部高潛水位煤炭-糧食復(fù)合主產(chǎn)區(qū)[1]，穩(wěn)沉后的土地復(fù)墾率較低。近年來，學(xué)術(shù)界有關(guān)于土地復(fù)墾的研究逐步從“先沉陷，后復(fù)墾”的技術(shù)體系過渡到邊開采邊復(fù)墾的動(dòng)態(tài)復(fù)墾模式[2-5]。胡振琪等[6-7]從井工礦山采礦—復(fù)墾一體化的角度正式提出了邊采邊復(fù)的概念與內(nèi)涵，并完善了邊采邊復(fù)的理論體系；在此基礎(chǔ)上，大量學(xué)者分別對(duì)復(fù)墾時(shí)機(jī)[8-11]、復(fù)墾范圍[12]確定，復(fù)墾方案優(yōu)選[13-14]以及時(shí)空數(shù)據(jù)模型[15-16]等方面進(jìn)行了深入研究，但是大部分工作都是圍繞多個(gè)工作面組成的多煤層或單一煤層的開采影響區(qū)域展開的[17-18]，是按照各個(gè)階段最終的地表大面積變形情況來制定復(fù)墾方案，針對(duì)單一工作面的研究成果較少。選擇單一工作面進(jìn)行研究，可以更好地體現(xiàn)出地表沉陷發(fā)育的動(dòng)態(tài)變化過程以及對(duì)耕地的影響規(guī)律[19-20]，以便于進(jìn)一步優(yōu)選出適宜的復(fù)墾時(shí)機(jī)。本研究以山東省龍堌礦的某一工作面為例，結(jié)合地表沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果分析土地?fù)p毀特征，并進(jìn)行土地復(fù)墾的適宜性評(píng)價(jià)，確定評(píng)價(jià)單元的復(fù)墾方向，結(jié)合復(fù)墾方向設(shè)計(jì)復(fù)墾方案，以期根據(jù)復(fù)耕率和復(fù)墾成本優(yōu)選出單一工作面的最佳復(fù)墾時(shí)機(jī)。

1 研究區(qū)概況

山東省龍堌礦位于我國(guó)東部高潛水位地區(qū)的菏澤市巨野縣，為年產(chǎn)量600萬t的特大型礦井，服務(wù)年限為80 a。研究區(qū)面積為5.294 8 km2，位于黃河沖積平原，地勢(shì)平坦，地面標(biāo)高43.1～44.8 m，平均標(biāo)高約44 m，地下潛水位埋深2.5 m，自然地形坡度為2‰。研究區(qū)屬季風(fēng)型大陸性氣候，四季分明，周期性變化較明顯，冬季干冷、夏季炎熱多雨，年平均氣溫14.8 ℃。降雨多集中于每年6～9月，年平均降水量為694.70 mm。研究區(qū)土地利用以耕地為主，耕地面積即水澆地面積共460.47 hm2，占研究區(qū)總面積的86.97%。為更有效地分析單一工作面開采對(duì)地面的動(dòng)態(tài)影響規(guī)律，選擇位于礦井范圍內(nèi)西側(cè)的2301N工作面作為研究對(duì)象，其平均采深800 m，走向長(zhǎng)度1 800 m，傾向長(zhǎng)度200 m，工作面推進(jìn)速度約5 m/d，將該工作面的開采進(jìn)度劃分為8個(gè)階段。

2 土地復(fù)墾適宜性分析

由于損毀土地的原因多種多樣，損毀程度也各有不同[21]，損毀程度小的土地可采用簡(jiǎn)單的工程措施進(jìn)行復(fù)墾；損毀程度嚴(yán)重的土地復(fù)墾難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，因此，損毀土地復(fù)墾便存在了可復(fù)墾與不可復(fù)墾以及復(fù)墾難易程度的問題，故對(duì)損毀土地有必要在復(fù)墾前進(jìn)行適宜性分析。

2.1 地表沉陷預(yù)計(jì)

本研究采用概率積分法[22-23]進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì)，所選擇的沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)如表1所示。得到了8個(gè)階段的地面下沉等值線，各階段的最大下沉值變化情況如圖1所示。

表1 研究區(qū)概率積分法開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)Table 1 Estimate prediction parameters of mining subsidence of the probability integral method

注：H0為平均采深，m；α為煤層傾角，(°)。

圖1 各階段最大下沉值變化Fig.1 Maximum subsidence of each phase

由于研究區(qū)地下潛水位較高，埋深僅約2.5 m，煤層開采引起地表沉陷后，通常會(huì)形成大面積積水，季節(jié)性積水易導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)、絕產(chǎn)，常年積水則會(huì)徹底損毀耕地，因此本研究將是否產(chǎn)生積水作為土地?fù)p毀程度分析的主要因素。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，原則上當(dāng)下沉量小于1.5 m時(shí)，為輕度損毀，不會(huì)出現(xiàn)積水水面；當(dāng)下沉量為1.5～2.5 m時(shí)，為中度損毀，產(chǎn)生季節(jié)性積水；當(dāng)下沉量大于2.5 m時(shí)，為重度損毀，出現(xiàn)常年積水。根據(jù)各個(gè)階段的下沉結(jié)果，分析了研究區(qū)的地面積水情況，可知當(dāng)工作面推進(jìn)至第1階段時(shí)，下沉值大于1.5 m，地面開始出現(xiàn)季節(jié)性積水，當(dāng)工作面推進(jìn)至第3階段時(shí)，下沉量超過2.5 m并且下沉量趨于平穩(wěn)，地面開始出現(xiàn)常年積水。各階段積水面積變化情況如圖2所示。

圖2 各階段積水面積Fig.2 Water area of each phase

由圖2可知：受工作面開采的影響，研究區(qū)內(nèi)各階段的積水面積隨開采進(jìn)度基本呈線性增大趨勢(shì)，整個(gè)工作面開采結(jié)束后，地面積水總面積將達(dá)到 0.730 7 km2，占研究區(qū)總面積的13.8%。

2.2 適宜性評(píng)價(jià)

本研究評(píng)價(jià)對(duì)象為已損毀和擬損毀的土地，評(píng)價(jià)區(qū)邊界為根據(jù)沉陷預(yù)計(jì)得到的下沉等值線的最外邊緣。根據(jù)礦區(qū)土地利用總體規(guī)劃以及當(dāng)?shù)刈匀?、社?huì)經(jīng)濟(jì)等實(shí)際情況，初步確定了待復(fù)墾土地的復(fù)墾方向[24-25]。通過定性分析可知，復(fù)墾區(qū)農(nóng)村道路、溝渠復(fù)墾利用方向以保持原狀為主，故本研究將對(duì)復(fù)墾范圍內(nèi)除道路、溝渠以外的其他土地進(jìn)行復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)。按照復(fù)墾區(qū)的土地?fù)p毀類型、損毀程度和損毀地類將研究區(qū)劃分為9個(gè)評(píng)價(jià)單元(表2)。

在劃分了評(píng)價(jià)單元后，根據(jù)土地適宜類和土地質(zhì)量等級(jí)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，土地適宜類一般分為適宜和不適宜，在適宜類范圍內(nèi)，按照土地對(duì)耕地、園地、林地的適宜程度、生產(chǎn)潛力大小、限制性因素及其強(qiáng)度大小再劃分為3個(gè)等級(jí)。結(jié)合礦區(qū)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況以及相關(guān)技術(shù)規(guī)程確定復(fù)墾土地適宜性評(píng)價(jià)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，利用極限條件法對(duì)研究區(qū)9個(gè)評(píng)價(jià)單元進(jìn)行定量分析，得到了土地復(fù)墾適宜性等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

表2 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐諸able 2 Division of evaluation units

表3 土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)Table 3 Classification of reclamation suitability evaluation

分析表3可知，研究區(qū)內(nèi)多數(shù)評(píng)價(jià)單元具有多宜性，綜合考慮多方面因素，將損毀土地優(yōu)先復(fù)墾為水澆地，同時(shí)以恢復(fù)原地類為主。

根據(jù)評(píng)價(jià)單元的最終復(fù)墾方向，從工程施工角度，將采取的復(fù)墾工程與技術(shù)措施一致的評(píng)價(jià)單元合并為一個(gè)復(fù)墾單元。復(fù)墾單元一為擬損毀的輕度及中度沉陷地，將其復(fù)墾為原地類；復(fù)墾單元二為擬損毀的重度沉陷地，將其復(fù)墾為魚塘；復(fù)墾單元三為擬損毀的農(nóng)村宅基地，將其復(fù)墾為水澆地。以第8階段為例，該階段的土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

3 復(fù)墾時(shí)機(jī)優(yōu)選

當(dāng)工作面推進(jìn)至第3階段時(shí)，地面開始出現(xiàn)常年積水，因此本研究以第3～8階段共5個(gè)階段的損毀土地為研究對(duì)象，通過設(shè)計(jì)土地復(fù)墾方案，并進(jìn)行方案對(duì)比分析，以確定出復(fù)墾成本低而復(fù)耕率高的復(fù)墾時(shí)機(jī)。

3.1 邊采邊復(fù)方案設(shè)計(jì)

邊采邊復(fù)屬于超前復(fù)墾，因此在方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮后續(xù)的下沉量以及土方平衡問題。由于不同區(qū)域后續(xù)的下沉量不同，這就要求在進(jìn)行動(dòng)態(tài)復(fù)墾時(shí)，首先對(duì)不同的復(fù)墾區(qū)域根據(jù)其未來受采動(dòng)影響的情況分別確定其標(biāo)高；然后依據(jù)復(fù)墾標(biāo)高確定所需土方量，根據(jù)所需土方量確定挖方量；最后根據(jù)挖方量、魚塘理想水深等確定魚塘面積。

表4 第8階段土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Land reclamation suitability evaluation results of 8th phase

按照邊采邊復(fù)的施工規(guī)劃，復(fù)墾工程主要包括土地平整工程、田間道路工程、農(nóng)田水利工程、其他工程等。土地平整工程包括表土、心土剝離以及平整工程，為邊采邊復(fù)工程的基礎(chǔ)，也是其他工程實(shí)施的先決條件。田間道路工程主要為田間道和生產(chǎn)路，田間道聯(lián)系主干道與生產(chǎn)道，路面寬4 m，具有20 cm厚度的煤矸石路基和10 cm厚的泥結(jié)碎石路面。生產(chǎn)路的主要技術(shù)指標(biāo)為路面寬2 m，10 cm厚的煤矸石路基和10 cm厚的素土路面。農(nóng)田水利工程主要包括大口井和排水溝等，根據(jù)礦區(qū)情況，灌溉采用大口井灌溉，每個(gè)階段均修建16個(gè)大口井。其他工程為沉陷水域綜合治理工程，主要工作是魚塘開挖和塘埂修筑。此外還應(yīng)采取農(nóng)田防護(hù)林工程，在田間道兩側(cè)、塘埂兩側(cè)及生產(chǎn)路單側(cè)布置防護(hù)林，株距為2 m。

根據(jù)擬損毀預(yù)測(cè)分析以及礦區(qū)當(dāng)?shù)赝恋乩每傮w規(guī)劃，依據(jù)土地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)研究區(qū)內(nèi)第3～8階段的損毀土地進(jìn)行了復(fù)墾規(guī)劃[26]。以第3階段的邊采邊復(fù)為例，其復(fù)墾前的DEM如圖3(a)所示，考慮后續(xù)下沉的復(fù)墾后的DEM如圖3(b)所示，復(fù)墾后最終的規(guī)劃布局見圖3(c)。

圖3 第3階段復(fù)墾示意Fig.3 Schematic of the 3rd phase

其余各階段的復(fù)墾規(guī)劃與第3階段類似。復(fù)墾后各個(gè)階段各地類的面積見表5。各個(gè)階段復(fù)墾后的復(fù)耕率如圖4所示。

分析圖4可知：從第3階段復(fù)墾到第5階段復(fù)墾，所能復(fù)墾出的耕地面積急劇下降，從第5階段到第8階段，所能復(fù)墾出的耕地面積雖然也在逐漸下降，但下降趨勢(shì)明顯減緩，復(fù)耕率均在78%左右。

3.2 工程量測(cè)算以及投資估算

按照各個(gè)階段的復(fù)墾規(guī)劃布局，結(jié)合復(fù)墾工程設(shè)計(jì)，對(duì)各階段土地復(fù)墾工程量進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)算，結(jié)果見表6。

表5 各階段復(fù)墾后地類面積Table 5 Land area after reclaimed of each phase km2

根據(jù)《土地復(fù)墾方案編制規(guī)程》中的預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)算內(nèi)容包括工程施工費(fèi)、設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、其他費(fèi)用以及預(yù)備費(fèi)。結(jié)合表6，對(duì)各階段復(fù)墾總投資進(jìn)行了估算，總體上各階段土地復(fù)墾工程總投資變化趨勢(shì)與各階段的復(fù)耕率變化趨勢(shì)相似(圖5)。

圖4 各階段的土地復(fù)耕率Fig.4 Reclaimed land rate of each phase

進(jìn)一步分析了各個(gè)階段的復(fù)耕率以及復(fù)墾總投資的變化情況，發(fā)現(xiàn)變化曲線均在第5階段出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)。原因是該工作面的開采在第5階段時(shí)開始達(dá)到充分采動(dòng)，當(dāng)工作面的推進(jìn)距離達(dá)到(1.2～1.4)H0時(shí)，地表可達(dá)到充分采動(dòng)。根據(jù)該工作面的實(shí)際情況，其平均采深為800 m，當(dāng)工作面往前推進(jìn)至960～1 120 m時(shí)，在走向方向上達(dá)到充分采動(dòng)。按照工作面階段的劃分，該位置恰好位于第5階段開采范圍內(nèi)。第3～5階段之間走向方向上尚未達(dá)到充分采動(dòng)，因而沉陷地均未穩(wěn)沉，并且沉陷嚴(yán)重區(qū)域取土的難度隨著沉陷的增加而增大，直至第5階段某些區(qū)域由于沉陷過于嚴(yán)重而無法充分取土，造成2條曲線變化急劇；第5～8階段工作面走向方向上已經(jīng)達(dá)到充分采動(dòng)，大部分區(qū)域已經(jīng)穩(wěn)沉，取土量不會(huì)因開采的進(jìn)行而發(fā)生急劇變化，因此，2條變化曲線均比較平緩。因此，復(fù)墾的最佳時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在工作面推進(jìn)至第5階段結(jié)束時(shí)，即工作推進(jìn)至1 125 m當(dāng)走向方向上達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)為最佳復(fù)墾時(shí)機(jī)。

表6 各階段復(fù)墾工程量Table 6 Reclamation engineering quantities of each phase

圖5 各階段土地復(fù)墾總投資Fig.5 Total investment of land reclamation of each phase

4 結(jié) 語

為對(duì)單一工作面開采造成的損毀土地進(jìn)行有效復(fù)墾，以山東龍堌礦的某一工作面為例，改變了以往“先損毀，后治理”的復(fù)墾模式，進(jìn)行了單一工作面開采條件下的邊采邊復(fù)技術(shù)研究。研究表明：在單一工作面開采條件下，最優(yōu)的復(fù)墾時(shí)機(jī)為走向方向上達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，在該時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行土地復(fù)墾，可在確保復(fù)耕率的同時(shí)最大限度地降低復(fù)墾成本。

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