濟(jì)寧高潛水位采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾設(shè)計(jì)方案探討*

蔡德水

(1.濟(jì)寧市土地綜合整治中心，山東 濟(jì)寧 272000；2.自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理工程技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)寧 272000)

濟(jì)寧市屬魯南泰沂低山丘陵與魯西南黃淮海平原交界地帶，地勢(shì)東高西低，西部地形以平原洼地為主，東部山巒綿亙，丘陵起伏。濟(jì)寧煤炭資源豐富，是全國(guó)重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的十四個(gè)大型煤炭基地之一，含煤面積達(dá)3 920 km2，占市域土地面積的35%，煤炭?jī)?chǔ)量約為150億t，占全省煤炭?jī)?chǔ)量的50%左右。濟(jì)寧市煤層賦存厚度大，煤層穩(wěn)定，煤種多為氣煤和肥煤，煤質(zhì)優(yōu)良，低硫、低磷、低灰，開發(fā)利用價(jià)值極高。濟(jì)寧市境內(nèi)共煤炭礦權(quán)68個(gè)，境內(nèi)礦井57對(duì)，總核定設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到9 650萬(wàn)t/a[1]。長(zhǎng)期的煤炭開采造成部分區(qū)域常年積水，大面積土地嚴(yán)重破壞，生態(tài)環(huán)境惡化，失地農(nóng)民越來越多，甚至導(dǎo)致村莊房屋開裂倒塌，帶來了一系列的社會(huì)、土地與生態(tài)問題[2]。

1 煤炭開采及采煤塌陷地治理概況

1.1 煤炭資源開發(fā)利用概況

濟(jì)寧市煤炭資源主要分布于中、西部平原區(qū)域，具有埋藏深、煤層厚、多層分布、糧煤復(fù)合度高等特點(diǎn)。濟(jì)寧市煤炭資源開采始于20世紀(jì)60年代，1995年以前為起始階段，煤礦數(shù)量和生產(chǎn)能力緩慢增長(zhǎng)；1996～2010年為成長(zhǎng)階段，煤礦數(shù)量和生產(chǎn)能力迅速提高，開采沉陷等問題顯現(xiàn)；2011～2016年為成熟階段，煤礦數(shù)量基本總體平穩(wěn)，資源儲(chǔ)量加速減少，采煤塌陷地進(jìn)一步增加；2017年以后為衰退階段，受節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等政策影響，煤炭開采總量逐步下降。濟(jì)寧市累計(jì)探明煤炭資源儲(chǔ)量127.87億t，2019年底保有資源儲(chǔ)量超100億t，年產(chǎn)原煤約9 000萬(wàn)t。

1.2 采煤塌陷地治理概況

濟(jì)寧域內(nèi)長(zhǎng)期大規(guī)模煤炭資源開采，現(xiàn)已形成大量采煤塌陷地，塌陷地大多是一礦多片、多礦連片，部分塌陷地積水嚴(yán)重，耕地?fù)p毀明顯，灌排設(shè)施遭到破壞，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展[3-4]。采煤塌陷地治理引起各級(jí)政府高度重視，經(jīng)過多年的采煤塌陷地治理，針對(duì)塌陷地的不同情況，在多年研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)探索出劃方整平、挖深墊淺、泥漿吹填和預(yù)復(fù)墾等多種行之有效的治理模式，促進(jìn)了礦區(qū)環(huán)境改善與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾的可行性

2.1 傳統(tǒng)的采煤塌陷地治理方法

高潛水采煤沉陷地的復(fù)墾按照復(fù)墾時(shí)刻沉陷的狀態(tài)可分為沉陷穩(wěn)定后復(fù)墾與地面非穩(wěn)定下的復(fù)墾。為了保證復(fù)墾工程的質(zhì)量，避免二次破壞與重復(fù)復(fù)墾，前者被廣泛用于早期采煤沉陷地的治理，但也存在著復(fù)墾耕地率低、表土損失嚴(yán)重等弊端。傳統(tǒng)穩(wěn)沉積水區(qū)采煤塌陷地治理如圖1所示，無(wú)外來客土?xí)r，采用挖深墊淺等措施，可在沉陷盆地的邊緣區(qū)域復(fù)墾出部分土地，即A與B區(qū)。

圖1 沉陷穩(wěn)定后的復(fù)墾結(jié)果示意圖

2.2 采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾

采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾是在采煤沉降區(qū)尚未穩(wěn)沉?xí)r，提前采取復(fù)墾措施，開展剝離耕地耕作層、搶土等工程，不僅節(jié)約施工成本，提前保護(hù)耕地資源、改善生態(tài)環(huán)境，還可提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)民收入，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展具有推動(dòng)作用。

動(dòng)態(tài)的預(yù)復(fù)墾是一種隨著開采階段逐步進(jìn)行的復(fù)墾工作，能夠盡量的搶救平原煤礦區(qū)的表土資源，提高復(fù)墾耕地的數(shù)量，尤其對(duì)高潛水位平原區(qū)域沉降易積水的采煤塌陷地更為重要，由于采煤沉降是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)復(fù)墾設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收，設(shè)計(jì)內(nèi)容的規(guī)劃高程會(huì)隨沉降時(shí)間的變化而進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，如能掌握不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的沉降信息，將為塌陷地預(yù)復(fù)墾設(shè)計(jì)提供詳實(shí)的基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐。針對(duì)以上問題，有學(xué)者提出了高潛水位礦區(qū)邊采邊復(fù)的概念，充分考慮井下煤炭資源開采與地面沉陷的時(shí)空耦合，通過優(yōu)選復(fù)墾時(shí)機(jī)(沉陷前或沉陷中)和減輕土地?fù)p毀的開采方法，實(shí)現(xiàn)煤炭資源開采與土地復(fù)墾同步進(jìn)行[6]。高潛水位積水區(qū)采煤塌陷地邊采邊復(fù)示意圖如圖2所示。根據(jù)開采沉陷的時(shí)空規(guī)律，在土地即將沉入水中時(shí)提前分層剝離部分表土與心土(取土區(qū))，并交錯(cuò)回填至將要沉陷的區(qū)域(充填區(qū))，如圖2(a)所示；通過邊采邊復(fù)可形成最終的復(fù)墾土地區(qū)A、B、C區(qū)，如圖2(b)所示?？梢钥闯?，邊采邊復(fù)較沉陷穩(wěn)定后的復(fù)墾，可以縮短復(fù)墾時(shí)間，提前剝離出寶貴的表土，且多復(fù)墾出區(qū)域C，土地恢復(fù)率有較大提升[4]。

因此，實(shí)質(zhì)上預(yù)復(fù)墾或者動(dòng)態(tài)復(fù)墾都可以認(rèn)為是邊采邊復(fù)的一種形式。煤炭資源開采引起的地表沉降與地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、采厚等因素息息相關(guān)，煤礦企業(yè)編制的礦山開發(fā)利用方案、土地復(fù)墾方案等資料均有礦區(qū)水文地質(zhì)、開采計(jì)劃和復(fù)墾方式等有關(guān)內(nèi)容，煤炭企業(yè)通過巖移觀測(cè)，也已基本掌握了本礦區(qū)開采沉陷的初始期、活躍期、衰退期的持續(xù)時(shí)間和沉降數(shù)值及其相應(yīng)的主要參數(shù)，使得本礦區(qū)的塌陷地預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確，開展采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾更加切實(shí)可行。

圖2 邊采邊復(fù)的動(dòng)態(tài)過程和最終狀態(tài)

3 預(yù)復(fù)墾設(shè)計(jì)方案

采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾設(shè)計(jì)要充分考慮采煤采面開采與地面治理時(shí)空的耦合，通過選擇恰當(dāng)?shù)膹?fù)墾時(shí)間，在土地已開始沉降但未穩(wěn)定之前，進(jìn)行科學(xué)的復(fù)墾工程設(shè)計(jì)，按照優(yōu)先復(fù)墾為農(nóng)用地的原則，實(shí)現(xiàn)采礦與復(fù)墾同步進(jìn)行，其基本特征是以“采礦與復(fù)墾的充分有效結(jié)合，即采礦復(fù)墾一體化”為核心，以“邊采礦，邊復(fù)墾”為特點(diǎn)，以“提高土地恢復(fù)率、提前復(fù)墾治理、增加復(fù)墾效益”為目的，并以“實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地資源的可持續(xù)利用及礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展”為終極目標(biāo)[5-6]。

3.1 預(yù)復(fù)墾設(shè)計(jì)

濟(jì)寧市主城區(qū)和南四湖周邊及泗河兩岸的煤礦多為國(guó)家大中型煤礦，開采規(guī)模較大，采煤礦區(qū)地勢(shì)平坦、耕地占比大，且耕地多為水澆地和水田，地下潛水位高，地表水豐富，煤炭開采沉陷后塌陷地面積量大面廣且積水嚴(yán)重，比較適合開展采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾工程。

采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾往往針對(duì)一個(gè)采煤工作面(采區(qū))作為一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)復(fù)墾設(shè)計(jì)，首先收集煤礦企業(yè)監(jiān)測(cè)得到的采空區(qū)巖移主要參數(shù)和地質(zhì)采礦資料進(jìn)行沉陷預(yù)測(cè)，取得該采煤工作面(采區(qū))沉降預(yù)測(cè)等值線矢量圖。根據(jù)采煤工作面(采區(qū))的開采計(jì)劃，可估算出其沉降過程中對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的沉降值，得到該采煤工作面(采區(qū))對(duì)應(yīng)沉降時(shí)間的沉降值；其次，預(yù)復(fù)墾設(shè)計(jì)時(shí)，先將項(xiàng)目區(qū)測(cè)繪現(xiàn)狀地形圖疊加沉降預(yù)測(cè)等值線圖作為設(shè)計(jì)底圖，參考項(xiàng)目區(qū)周圍土地的平均高程和潛水位埋深、作物種植等情況，確定穩(wěn)沉后設(shè)計(jì)內(nèi)容的規(guī)劃高程和各特征點(diǎn)的高程值，編制項(xiàng)目穩(wěn)沉設(shè)計(jì)圖，同一特征點(diǎn)穩(wěn)沉設(shè)計(jì)高程減去設(shè)計(jì)底圖的預(yù)測(cè)現(xiàn)狀高程即為該特征點(diǎn)需要抬高的高差值Δh，此值為定值，對(duì)于沉降中的塌陷地，某沉降時(shí)點(diǎn)的預(yù)測(cè)現(xiàn)狀高程加上該高差定值即為該時(shí)點(diǎn)的規(guī)劃高程，其規(guī)劃高程隨沉降時(shí)點(diǎn)預(yù)測(cè)現(xiàn)狀高程的變化而變化。

對(duì)于項(xiàng)目實(shí)施結(jié)束還未開始沉降的塌陷地預(yù)復(fù)墾項(xiàng)目(預(yù)復(fù)墾)，可由測(cè)繪現(xiàn)狀地形圖疊加抬高的高差值Δh，編制項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)圖指導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)施和驗(yàn)收。

對(duì)于動(dòng)態(tài)復(fù)墾項(xiàng)目，使用動(dòng)態(tài)沉陷預(yù)計(jì)估算現(xiàn)狀地形圖測(cè)繪時(shí)點(diǎn)到施工開始時(shí)段的下沉值a、施工開始至結(jié)束時(shí)點(diǎn)的下沉值b，按照穩(wěn)沉設(shè)計(jì)圖各特征點(diǎn)位置，在測(cè)繪現(xiàn)狀地形圖上求算該特征點(diǎn)高程值h，則h-a為施工時(shí)點(diǎn)各特征點(diǎn)預(yù)測(cè)現(xiàn)狀高程值，疊加需要抬高的高差值Δh，確定施工時(shí)點(diǎn)各設(shè)計(jì)內(nèi)容的特征點(diǎn)施工設(shè)計(jì)高程為h-a+Δh，進(jìn)行工程施工設(shè)計(jì)；h-a-b為施工結(jié)束時(shí)點(diǎn)各有關(guān)特征點(diǎn)預(yù)測(cè)現(xiàn)狀高程，疊加抬高的高差值Δh，可得到施工結(jié)束時(shí)設(shè)計(jì)高程為h-a-b+Δh，據(jù)此編制項(xiàng)目竣工設(shè)計(jì)圖，指導(dǎo)項(xiàng)目竣工驗(yàn)收。

若施工結(jié)束時(shí)點(diǎn)和相對(duì)穩(wěn)沉?xí)r點(diǎn)相吻合或晚于相對(duì)穩(wěn)沉?xí)r間，可省略編制項(xiàng)目竣工設(shè)計(jì)圖，用穩(wěn)沉設(shè)計(jì)圖作為項(xiàng)目驗(yàn)收依據(jù)。

3.2 預(yù)復(fù)墾需注意的問題

由此可見，采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾設(shè)計(jì)至少需要有相應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)狀地形圖、沉降預(yù)測(cè)等值線圖、施工設(shè)計(jì)圖、竣工設(shè)計(jì)圖和穩(wěn)沉設(shè)計(jì)圖。因不可預(yù)見等原因造成項(xiàng)目立項(xiàng)、施工、驗(yàn)收與預(yù)復(fù)墾設(shè)計(jì)時(shí)間提前或延遲一定的時(shí)長(zhǎng)，應(yīng)估算提前或延遲時(shí)間段內(nèi)的沉降值，相應(yīng)增減各階段設(shè)計(jì)內(nèi)容高程，重新編制施工設(shè)計(jì)圖、竣工設(shè)計(jì)圖，才能保證在完成施工設(shè)計(jì)工程量的前提下，滿足項(xiàng)目竣工時(shí)的設(shè)計(jì)高程要求，否則驗(yàn)收時(shí)會(huì)出現(xiàn)完成施工工程量而高程不符合竣工標(biāo)準(zhǔn)的扯皮事情。

4 預(yù)復(fù)墾效益分析

濟(jì)寧高潛水位采煤塌陷地大多為季節(jié)性積水或常年積水區(qū)域且大部分為優(yōu)質(zhì)耕地，實(shí)施采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾，不僅可對(duì)即將沉入水中的耕地耕作層提前剝離，還可開展搶土工程，避免土壤養(yǎng)分的流失，保護(hù)復(fù)墾后的耕地質(zhì)量，而且還可盡早改善采煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

濟(jì)寧可采煤層主要賦存于古生代石炭-二疊系中的太原組、山西組，當(dāng)采深在500 m時(shí)，塌陷地穩(wěn)沉?xí)r間約3.5年，如進(jìn)行采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾，最大按可提前3年進(jìn)行治理，經(jīng)濟(jì)效益明顯；若考慮實(shí)施搶土工程節(jié)約的施工成本，效益還要加大，可見采煤塌陷地實(shí)施預(yù)復(fù)墾，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)采煤塌陷地治理方法，采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾具有高復(fù)墾率、成本低、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，濟(jì)寧市煤糧復(fù)合度高、塌陷地面積量大面廣且積水嚴(yán)重，采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾具有較好的推廣價(jià)值。通過實(shí)施塌陷地預(yù)復(fù)墾可以降低積水對(duì)表土層的破壞，降低施工難度，縮短土地?fù)p毀時(shí)間，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益明顯[9-10]。目前，開采沉陷的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的精度較低，制約了動(dòng)態(tài)復(fù)墾的實(shí)施；如何實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)沉陷預(yù)測(cè)，是下一步研究的重點(diǎn)。