煤礦區(qū)土地?fù)p毀預(yù)測與復(fù)墾規(guī)劃研究

張熙卓 任一鑫

(山東科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山東省青島市，266590)

隨著煤炭工業(yè)的飛速發(fā)展，礦山開采對我國土地生態(tài)環(huán)境和土地資源尤其是耕地的利用產(chǎn)生了不容小覷的影響，礦區(qū)土地復(fù)墾治理成為緩解我國人地矛盾、增加耕地面積、提高土地質(zhì)量、改善生態(tài)環(huán)境的一項(xiàng)重要手段。隨著國家對土地復(fù)墾工作的重視，國內(nèi)外在采煤沉陷區(qū)土地?fù)p毀、土地復(fù)墾理論以及措施等方面的研究也越來越多。

本文基于損毀現(xiàn)狀和預(yù)測損毀情況綜合制定了土地復(fù)墾規(guī)劃，為煤礦區(qū)土地復(fù)墾的實(shí)施管理、監(jiān)督檢查以及土地復(fù)墾費(fèi)用預(yù)算等提供參考依據(jù)，也為我國類似礦區(qū)復(fù)墾規(guī)劃提供借鑒，有助于減少礦山建設(shè)及生產(chǎn)活動(dòng)造成的礦山地質(zhì)環(huán)境問題及地質(zhì)災(zāi)害，保證耕地資源占補(bǔ)平衡，改善礦山地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

本次研究的區(qū)域歸屬于山東省濟(jì)寧市任城區(qū)二十里鋪街道、兗州區(qū)顏店鎮(zhèn)、汶上縣康驛鎮(zhèn)、汶上縣義橋鎮(zhèn)的土地，礦區(qū)面積為54.4181 km2，采礦用地面積為0.1957 km2。本地區(qū)氣候溫和，屬暖溫帶季風(fēng)性氣候，歷年平均氣溫為13.5℃，年平均降水量為688.86 mm，春夏兩季多東風(fēng)及東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)，最大風(fēng)力大于8級，平均風(fēng)速為2.3 m/s。歷年最大積雪厚度為0.15 m，最大凍土深度為0.31 m。礦區(qū)內(nèi)土壤是在汶河和泗河山前沖洪積松散母質(zhì)基礎(chǔ)上發(fā)育而成的，土壤類型簡單，主要以潮土為主。井田主要含煤地層為山西組和太原組，總厚度約為253.60 m，共含煤17層，煤層平均厚度為9.23 m，含煤系數(shù)為3.6%，其中可采煤層為4層，即3上、3下、16和17煤層，可采煤層平均厚度為6.31 m，占煤層總厚度的66.9%。該井田總體上為一走向近南北、傾向東的單斜構(gòu)造，褶曲構(gòu)造不發(fā)育，僅發(fā)育次級褶曲，主要有大唐陽向斜、南唐陽背斜。地層沿走向和傾向均有一定程度的波狀起伏，地層傾角多在5°～15°之間，僅個(gè)別地段達(dá)到25°。

圖1 煤礦區(qū)已損毀情況圖

本研究區(qū)為生產(chǎn)礦山，采用走向長壁式采煤方法，綜放開采工藝，全部垮落法管理頂板，由此使得采空區(qū)上方地表產(chǎn)生塌陷，礦山生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢物包括煤矸石、生活垃圾和鍋爐灰渣。根據(jù)實(shí)際勘測結(jié)果，圈定了已塌陷損毀的范圍面積為2.2205 km2，其中塌陷損毀的地類包括水澆地、果園、有林地、其他林地、其他草地、公路用地、農(nóng)村道路、坑塘水面、溝渠、設(shè)施農(nóng)用地、村莊以及采礦用地，塌陷損毀耕地面積為1.852 km2，占已塌陷損毀總面積的83.40%；研究區(qū)內(nèi)壓占損毀主要是監(jiān)獄、工業(yè)廣場、矸石堆放場以及運(yùn)煤道路，壓占損毀土地共0.1957 km2，監(jiān)獄占地0.1123 km2，包括監(jiān)獄區(qū)0.0935 km2、武警區(qū)0.0069 km2、生活區(qū)0.0119 km2。所損毀的土地均被壓實(shí)，加上房屋構(gòu)筑物、建筑物的基建，損毀土體厚度約為30 cm，根據(jù)對研究區(qū)土壤剖面的測量，煤礦工業(yè)場地殘留土體厚度大于80 cm。礫石含量約為5%～10%，場地內(nèi)大部分面積為水泥硬化路面，硬化厚度約為10 cm，損毀方式為壓占。

綜上所述，該研究區(qū)已塌陷損毀達(dá)到2.4162 km2，其中壓占損毀為0.1957 km2，塌陷損毀為2.2205 km2，本研究之前未開展土地復(fù)墾工作。煤礦已損毀情況如圖1所示。

2 研究方法

2.1 利用概率積分法預(yù)測土地?fù)p毀面積

該采煤區(qū)設(shè)計(jì)開采3上、3下、16和17共4個(gè)煤層，剩余服務(wù)年限為28.4 a，將土地?fù)p毀區(qū)劃分為前5年、3煤層南區(qū)開采結(jié)束、下組煤開采結(jié)束這3個(gè)時(shí)段來進(jìn)行預(yù)測。第一時(shí)段為2016年12月至2022年1月開采，第二時(shí)段為2022年1月至2028年2月開采，第三時(shí)段為2028年2月至2037年1月開采，3煤層北區(qū)剩余工作面開采將在本方案服務(wù)期后生產(chǎn)。

本次礦井沉陷預(yù)測采用原國家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中推薦的概率積分法。根據(jù)采掘圖和儲(chǔ)量圖，了解這3個(gè)時(shí)段各煤層已開采情況和計(jì)劃開采的各個(gè)工作面拐點(diǎn)的X/Y坐標(biāo)和Z值，取單元坐標(biāo)系0-xyz的原點(diǎn)0為開采單元的中心，某點(diǎn)A(x,y,z)的鄰域dSA(面積微元)發(fā)生下沉的事件等同于過A點(diǎn)的垂直剖面上dx、dy小塊面積各自同時(shí)發(fā)生下沉，dx、dy小塊面積各自發(fā)生下沉的概率服從密度為f(x)的分布函數(shù)。

2.2 利用三級評定法界定土地?fù)p毀程度

該研究區(qū)未來采煤沉陷地土地?fù)p毀程度主要取決于裂縫的寬度和密度、沉陷的深度，而裂縫的寬度和密度與地表水平變形值和深厚比值關(guān)系密切。因此，該研究區(qū)采煤沉陷地?fù)p毀程度主要考慮下沉值、水平/傾斜變形、曲率變形、土地生產(chǎn)力水平等因素。根據(jù)《土地復(fù)墾條例》、《土地復(fù)墾方案編制規(guī)程》以及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中關(guān)于各類土地及建筑物損毀等級標(biāo)準(zhǔn)劃定，任何一項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)即認(rèn)為土地?fù)p毀達(dá)到該損毀等級。利用三級評定法，將土地壓占、塌陷損毀程度等級數(shù)確定為3級標(biāo)準(zhǔn)，分別定為一級(輕度損毀)、二級(中度損毀)和三級(重度損毀)。

3 研究區(qū)土地?fù)p毀預(yù)測結(jié)果及特征

3.1 土地?fù)p毀預(yù)測結(jié)果

根據(jù)煤層開采厚度、采深及有關(guān)預(yù)計(jì)參數(shù)，計(jì)算出礦井第一時(shí)段開采完畢后開采沉陷影響面積約為3.465 km2，第二時(shí)段約為2.698 km2，第三時(shí)段約為6.499 km2，礦井剩余儲(chǔ)量全部開采完畢后約為9.9997 km2。

目前該區(qū)域共損毀土地10.7998 km2，已損毀土地面積為2.4162 km2，預(yù)測損毀土地面積為9.9997 km2，重復(fù)損毀面積為其中的1.6161 km2。對于重復(fù)塌陷區(qū)域，疊加后再進(jìn)行評價(jià)，運(yùn)用相關(guān)軟件將已損毀塌陷深度以及擬損毀塌陷深度進(jìn)行疊加分析，得出最大塌陷深度約為6.5 m，疊加后輕度損毀區(qū)為7.865 km2，中度損毀區(qū)為1.6055 km2，重度損毀區(qū)為1.1336 km2。監(jiān)獄壓占損毀面積為0.1123 km2，損毀土體厚度約為30 cm，殘留土體厚度大于80 cm；煤礦工業(yè)場地壓占損毀面積為0.061 km2，損毀土體厚度約30 cm，殘留土體厚度大于80 cm；矸石堆放場壓占損毀面積為0.02 km2，損毀土體厚度約為30 cm，殘留土體厚度大于80 cm；運(yùn)輸?shù)缆窊p毀土地面積為0.0024 km2，由于載重汽車碾壓，損毀土地全部壓實(shí)。

3.2 研究區(qū)土地?fù)p毀特征

研究區(qū)總損毀情況圖如圖2所示， 各損毀時(shí)段損毀區(qū)域圖如圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，該研究區(qū)的沉陷面積不斷擴(kuò)大，損毀程度不斷加深。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，截至2017年底，已塌陷損毀的面積共計(jì)2.2205 km2，下沉深度范圍在0～5.3 m，其中塌陷最大深度為5.3 m，位于工業(yè)廣場的西部并形成了塌陷積水區(qū)。采煤沉陷地主要類型是水澆地和采礦用地，其中水澆地?fù)p毀面積為1.852 km2，占沉陷面積的83.40%；采礦用地?fù)p毀面積為0.1033 km2，占沉陷面積的4.65%；其他地類(其他草地、農(nóng)村道路、坑塘水面等)損毀面積為0.2652 km2，占沉陷面積的11.94%。壓占損毀土地共0.1957 km2，其中監(jiān)獄區(qū)壓占面積為0.1123 km2，占壓占面積的57.38%；工業(yè)廣場壓占面積為0.061 km2，占壓占面積的31.17%；其他地區(qū)(包括矸石堆放場、運(yùn)煤道路等)壓占面積為0.0224 km2，占壓占面積的11.45%。據(jù)預(yù)測，煤礦擬損毀土地全部為塌陷損毀。到2022年采煤沉陷地將達(dá)到4.0737 km2，沉陷面積增加了1.8532 km2，增加的區(qū)域基本為水澆地。水澆地?fù)p毀面積達(dá)到3.4289 km2，采煤沉陷對該礦區(qū)農(nóng)業(yè)的影響越來越大。

圖2 研究區(qū)總損毀情況圖

按照預(yù)測第一時(shí)段的沉陷總面積為1.8532 km2，以輕度損毀為主，面積為1.4164 km2，重度損毀面積相對較小，面積為0.2486 km2，占比13.41%；第二時(shí)段的沉陷總面積為1.5929 km2，以輕度損毀為主，面積為0.7311 km2，占比45.90%，以重度損毀為輔，面積為0.4735 km2；第三時(shí)段的沉陷總面積為6.5536 km2，以輕度損毀為主，面積為5.3991 km2，占比82.38%，中度損毀次之，面積為0.8223 km2；到服務(wù)期末，土地?fù)p毀面積達(dá)到10.7998 km2，沉陷地面積達(dá)到10.6041 km2，沉陷面積增加8.3836 km2，沉陷范圍繼續(xù)擴(kuò)大，重復(fù)損毀面積為1.6161 km2。對于重復(fù)塌陷區(qū)域疊加后最大塌陷下沉值為6.5 m，水澆地?fù)p毀面積達(dá)到最大，達(dá)到9.3173 km2，占比86.27%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過采礦用地，輕度損毀面積7.865 km2，比例達(dá)到72.83%，重度損毀和重度損毀總共2.7391 km2，占比較低。開采煤層越多，沉陷深度越大，地表移動(dòng)與變形值也會(huì)相對較大，損毀程度就會(huì)越嚴(yán)重。

圖3 各損毀時(shí)段損毀區(qū)域圖

4 煤礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃

4.1 煤礦區(qū)土地?fù)p毀治理分區(qū)依據(jù)

礦山地質(zhì)環(huán)境問題的產(chǎn)生具有自然、社會(huì)和資源三重屬性，堅(jiān)持“以人為本”、“以建設(shè)工程安全為本”的原則對礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)分區(qū)。選取地質(zhì)災(zāi)害、含水層、地形地貌景觀、土地資源現(xiàn)狀與預(yù)測評估結(jié)果作為分區(qū)指標(biāo)，依據(jù)《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)方案編制規(guī)范》，利用疊加法進(jìn)行分區(qū)，劃分為重點(diǎn)防治區(qū)、次重點(diǎn)防治區(qū)和一般防治區(qū)3個(gè)區(qū)，礦山地質(zhì)環(huán)境防治分區(qū)見表1。

4.2 復(fù)墾方向的確定和復(fù)墾單元的劃分

本研究區(qū)根據(jù)可行性、最佳效益及因地制宜等原則，結(jié)合當(dāng)?shù)厝丝诙?、人均土地資源少等社會(huì)因素情況，依托任城區(qū)、兗州區(qū)、汶上縣土地利用總體規(guī)劃，按照宜耕則耕、宜園則園、宜林則林、耕地優(yōu)先的原則進(jìn)行土地復(fù)墾。

(1)輕度塌陷損毀區(qū)。塌陷損毀程度較小，塌陷下沉10～1500 mm的區(qū)域經(jīng)土地平整后維修排灌設(shè)施，復(fù)墾方向基本保持原地類不變，因此，復(fù)墾方向考慮耕地、園地、林地、農(nóng)村道路、溝渠、坑塘水面等保持原地類，其他林地復(fù)墾為有林地，設(shè)施農(nóng)用地、草地、采礦用地經(jīng)過翻耕平整復(fù)墾為水澆地。

(2)中度塌陷損毀區(qū)。塌陷下沉1500～3000 mm的區(qū)域內(nèi)經(jīng)過挖填平衡后，維修排灌設(shè)施，復(fù)墾方向參考輕度塌陷損毀區(qū)。

表1 礦山地質(zhì)環(huán)境防治分區(qū)

(3)重度塌陷損毀區(qū)。塌陷下沉較大，對地表影響較大，主要考慮重度塌陷區(qū)匯水因素及地下潛水位，塌陷下沉3000～5000 mm的區(qū)域，經(jīng)過填挖平整回填至季節(jié)性潛水位(3 m)以上，然后維修排灌設(shè)施，復(fù)墾方向考慮耕地、園地、林地、農(nóng)村道路、溝渠、坑塘水面等保持原地類，其他林地復(fù)墾為有林地，設(shè)施農(nóng)用地、草地、采礦用地經(jīng)過翻耕平整復(fù)墾為水澆地。塌陷下沉大于5000 mm的區(qū)域，復(fù)墾為坑塘水面(魚塘)。

(4)矸石堆放場。雖然矸石堆放場及配套設(shè)施的占用時(shí)間長，土體損毀較嚴(yán)重，但其原始土體厚度較厚，場內(nèi)矸石全部利用后，對地表覆蓋物進(jìn)行清理，下覆的土體依然厚實(shí)，土源充足，通過土地平整、土壤培肥等復(fù)墾措施，具備復(fù)墾成水澆地的基本條件，所以確定復(fù)墾方向?yàn)楦亍?/p>

4.3 煤礦區(qū)土地復(fù)墾施工工程設(shè)計(jì)

該研究區(qū)復(fù)墾責(zé)任范圍為10.3195 km2，通過復(fù)墾工程實(shí)現(xiàn)全部復(fù)墾，復(fù)墾率為100%，其中任城區(qū)內(nèi)復(fù)墾責(zé)任范圍為4.2786 km2，兗州區(qū)內(nèi)復(fù)墾責(zé)任范圍為2.0565 km2，汶上縣內(nèi)復(fù)墾責(zé)任范圍為3.9844 km2。

根據(jù)塌陷區(qū)的塌陷深度及自然地理?xiàng)l件，并結(jié)合該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向進(jìn)行土地利用布局規(guī)劃，為了建成“田成方、路成框、溝成網(wǎng)、林成行”的高效農(nóng)業(yè)區(qū)，應(yīng)該以恢復(fù)耕地為主，盡可能多地增加耕地。為了固沙防風(fēng)和改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，在田間道兩側(cè)和生產(chǎn)路一側(cè)設(shè)置農(nóng)田防護(hù)林帶，樹種以速生楊為主，株距為3 m，以利于防風(fēng)和改善生態(tài)環(huán)境，形成良好的農(nóng)田小氣候。采取充填裂縫、表層土剝離、耕地工程(田塊布置、土地平整、道路工程、灌排工程)、林地復(fù)墾工程、園地復(fù)墾工程、草地、設(shè)施農(nóng)用地、采礦用地復(fù)墾、水域及水利設(shè)施用地復(fù)墾工程、矸石堆放場復(fù)墾工程(清理工程、土地翻耕、生物化學(xué)工程、配套工程)等進(jìn)行礦區(qū)土地復(fù)墾。復(fù)墾前后土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整見表2。

4.4 煤礦區(qū)土地復(fù)墾方案實(shí)施設(shè)計(jì)

本研究區(qū)土地復(fù)墾方案服務(wù)年限總共為26.2 a，按6個(gè)階段制定土地復(fù)墾方案實(shí)施工作計(jì)劃，并按照煤礦開采、土地?fù)p毀和土地復(fù)墾時(shí)序進(jìn)行編排，分別為2017-2021年、2022-2026年、2027-2031年、2032-2036年、2037-2041年、2042-2043年。土地復(fù)墾各階段復(fù)墾計(jì)劃分析見表3，各階段治理區(qū)域見圖4。

4.5 預(yù)期效益

(1)社會(huì)效益。開展土地復(fù)墾，有效控制煤礦生產(chǎn)產(chǎn)生的負(fù)面影響，保護(hù)環(huán)境資源，對于維護(hù)和改善環(huán)境質(zhì)量起到良好作用。復(fù)墾后的耕地、藕池、林地可以繼續(xù)為當(dāng)?shù)卮迕袷褂?，既有利于促進(jìn)土地合理利用，又可以增加農(nóng)業(yè)收入，同時(shí)又可以改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，有利于當(dāng)?shù)匕傩盏纳硇慕】?，促進(jìn)社會(huì)的安定團(tuán)結(jié)。

表2 復(fù)墾前后土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整

表3 土地復(fù)墾各階段復(fù)墾計(jì)劃分析

(2)生態(tài)效益。按照“合理布局、因地制宜”的原則對生產(chǎn)過程中損毀的土地進(jìn)行綜合治理，建立起新的土地資源生態(tài)系統(tǒng)，蓄水保土、減輕土地?fù)p毀，使項(xiàng)目區(qū)恢復(fù)的良好生態(tài)環(huán)境，保持當(dāng)?shù)刂脖簧鷳B(tài)系統(tǒng)間的良性循環(huán)，調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候。通過平整土地、改善土壤物化性質(zhì)、植物種植等，可以有效改善土地質(zhì)量，使生態(tài)環(huán)境趨于平衡，得到良好的生態(tài)效益。

(3)經(jīng)濟(jì)效益。土地復(fù)墾工程的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在土地再利用帶來的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，不僅可以使礦區(qū)內(nèi)耕地恢復(fù)原有生產(chǎn)力水平，還能夠提高糧食產(chǎn)量和農(nóng)民收入。以種植玉米為例，土地破壞前年平均產(chǎn)量為749962.5 kg/km2，由于礦山開采勢必會(huì)給農(nóng)用地造成破壞，影響糧食產(chǎn)量，致使土地受到破壞后年產(chǎn)量降低到674966.25 kg/km2，平均減產(chǎn)74996.25 kg/km2。礦區(qū)范圍內(nèi)破壞耕地為9.3173 km2，則礦區(qū)內(nèi)由于土地破壞造成的年收益損失約200萬元。

圖4 各治理階段區(qū)域圖

5 結(jié)論

礦區(qū)各階段土地?fù)p毀程度和面積不同，再利用情況復(fù)雜，針對煤礦區(qū)采煤塌陷地及壓占地進(jìn)行復(fù)墾治理，運(yùn)用概率積分法對煤礦區(qū)沉陷地及壓占地進(jìn)行土地?fù)p毀預(yù)測，根據(jù)各地類沉陷地?fù)p毀程度判定標(biāo)準(zhǔn)對土地?fù)p毀程度進(jìn)行劃分，依據(jù)損毀程度及損毀特點(diǎn)對癥下藥，使其在時(shí)間上合理安排，空間上合理布局，明確復(fù)墾范圍及復(fù)墾方向，形成時(shí)空上的一個(gè)合理的復(fù)墾時(shí)序與設(shè)計(jì)布局的復(fù)墾規(guī)劃。土地復(fù)墾規(guī)劃的確定應(yīng)充分考慮研究區(qū)的自然社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件，應(yīng)遵循“因地制宜，宜農(nóng)則農(nóng)，宜建則建”的原則，不同地區(qū)的土地復(fù)墾規(guī)劃也不是一成不變的。