煤矿区土地复垦中土地损毁预测方法研究*

2013-08-22张合兵王世东李春意

金属矿山 2013年9期

张合兵王世东李春意

(1.矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室;2.河南理工大学测绘与国土信息工程学院)

随着煤炭工业的迅速发展，矿山开采对我国土地资源尤其是耕地的利用和生态环境造成重大影响。目前，矿区土地复垦已成为缓解我国人地矛盾，增加耕地数量，提高土地质量，改善土地生态环境的一项重要措施。要实现土地复垦的科学化、合理化，必须以土地复垦可行性分析为基础和依据［1-3］，而土地复垦可行性分析的首要任务是合理确定复垦区内损毁土地面积及损毁程度，这是进行土地复垦适宜性评价、复垦工程设计及工程量测算、复垦措施选择、复垦资金预算等工作的基础。因此，必须对煤矿区土地复垦中损毁预测方法的适用性进一步研究与梳理，为科学选取土地损毁预测方法，准确确定损毁土地面积及损毁程度提供科学依据与决策参考。

1 煤矿区土地损毁预测原因及分析内容

1.1 煤矿区土地损毁成因分析

1.1.1 土地损毁成因

地下煤层开采时，井下将出现大面积的采空区，围岩原有的应力平衡状态受到破坏，在采空区上方，随着直接顶和老顶岩层的冒落，其上覆岩层也将产生移动、裂缝和冒落，首先形成冒落带;当岩层冒落发展到一定高度，松散岩块逐渐充填采空区，冒落逐渐停止，岩层出现离层和裂缝，形成裂缝带;当离层和裂缝发展到一定程度时，上覆岩层只产生整体移动和沉陷，形成弯曲带;当岩层移动、沉陷和弯曲变形达到地表时，地表会出现下沉、水平移动、倾斜、水平变形和弯曲，形成移动盆地，在移动盆地内，还会出现台阶、裂缝和塌陷坑等不连续变形。

显然，煤层开采造成覆岩和地表的移动、变形、塌陷和破坏是土地损毁的直接原因，且损毁和破坏随着采煤工作面的推进而逐渐发生，是一个动态的过程，当开采活动停止后，移动、变形将在一定时间内逐渐终止于一定范围内，该范围可通过现场勘测和预测方法确定。

1.1.2 地表变形与土地损毁关系

随着采空区面积的不断增大，地表土地损毁破坏的范围也会不断扩大，在这一过程中地表产生的移动和变形可分为3类:①动态变形。②永久变形。③半永久性变形。

塌陷区地表移动变形与土地损毁程度密切相关。地表移动变形造成的土地损毁主要形式有地表错动，地裂缝;地表下沉，土地被淹没等。例如，高潜水位采煤沉陷区土地损毁程度与地表下沉值密切相关，下沉量愈大，地面积水愈深，或塌陷区土地复垦充填量愈大，因而损毁愈严重，复垦投资也就愈大［4］。

1.2 煤矿区土地损毁预测内容

综上分析，对土地损毁的预测内容主要为地表沉陷程度和范围的预测。具体包括:

(1)预测不同时段损毁土地的地类、面积、损毁方式等。

(2)分时段预测地表最大下沉值、水平拉伸变形值、倾斜变形值和基本稳沉时间，分时段绘制地表下沉、水平变形、倾斜变形等值线图。

(3)结合土地损毁对土地利用的影响进行土地损毁程度分级并进行损毁程度分析。包括损毁方式、损毁程度、影响因素、现状地类、对土地生产力的影响、不同损毁类型和程度的面积等［4］。

2 煤矿区土地复垦中损毁预测方法

2.1 概率积分法土地损毁预测原理

概率积分法是把岩体看作一种随机介质，根据随机介质理论，把岩层移动看作一种服从统计规律的随机过程。即把开采区域分解为无限个微小单元的开采，开采对岩层及地表的影响等于各单元开采对岩层及地表影响之和，按随机介质理论，单元开采引起的地表单元下沉盆地呈正态分布，且与概率密度的分布一致，其预计模型可表示为概率密度函数积分公式。

地表单元下沉盆地下沉值we(x)的表达式:

式中，r为主要影响半径，主要与单元采深和主要影响角有关;x为离开采边界的距离。根据下沉盆地表达式可推导出地表单元水平移动的表达式为

式中，B为常数。

通过数学推导，可以得出任意形状工作面开采时地表任意点的移动与变形计算公式。

地表移动变形最大值计算:

式中，Wmax为地表最大下沉值，mm;imax为地表最大倾斜值，mm/m;Kmax为地表最大曲率值，10－3/m;εmax为地表最大水平变形值，mm/m;Umax为地表最大水平移动值，mm;m为煤层法线采厚，m;q为下沉系数;α为煤层倾角，(°);b为水平移动系数。地表移动持续时间可通过式(4)计算:

式中，T为形成稳定沉陷地面移动的延续时间，d;H为工作面平均开采深度，m。

地表移动基本稳沉时间主要为地表移动初始期和活跃期，一般是地表移动持续时间的60%～70%。

预测方法及过程如下。

(1)预测参数选取。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(国家煤炭工业局煤行管字［2000］第81号，以下简称《开采规程》)中列出了我国20个主要矿区的地表移动参数。预测参数值因矿而异，参数值可以进行实际观测、类比，并结合该规程选定，也可按矿区覆岩平均抗压强度，参照规程中有关附表选取。土地损毁预测参数有下沉系数q、水平移动系数b、主要影响角正切tanβ、开采影响传播系数k、拐点偏移距S、重复采动系数q1。

(2)开采时段划分。预测参数确定后，依据采掘工程平面图工作面设计，一般按前期5 a、后期10 a左右分时段进行土地损毁预测。

(3)土地损毁预测结果。根据开采时段分别将煤层开采要素(开采厚度、开采深度、煤层倾角)等数据与预测参数输入计算机进行预测，分时段预测地表最大下沉值、水平拉伸变形值、倾斜变形值和基本稳沉时间，绘制地表下沉、水平变形、倾斜变形等值线图，汇总土地损毁范围和面积。

(4)土地损毁程度划分。土地损毁程度主要取决于塌陷裂缝的宽度和密度、塌陷深度、积水深度等，而裂缝宽度和密度与地表水平变形值大小和深厚比大小有密切关系［5-7］。结合损毁类型和对土地利用的影响，按轻度、中度、重度进行损毁程度分级和面积汇总。

2.2 导水裂隙带最大高度与移动角组合判别法

该方法以导水裂隙带最大高度为上限，结合地质剖面图和移动角确定出地表沉陷盆地的中间区域，该区域即为拟破坏的塌陷区。

导水裂隙带的最大高度H与煤层倾角、覆岩岩性密切相关，其计算公式为

式中，∑m为煤层累计采厚(≤15 m);a、b为导水裂隙带系数，其取值与煤层赋存状态及覆岩岩性有关;±c为导水裂隙带计算中误差。a、b、c确定方法如表1。

表1 安全系数k与煤层倾角和覆岩性质的关系

移动角与覆岩普氏硬度系数f相关，如表2。

表2 移动角与覆岩岩性的关系

计算过程:

(1)确定地表沉陷盆地的主断面位置，并作出剖面图。

(2)根据覆岩的硬度系数确定走向、下山和上山方向的移动角。

(3)在剖面图上根据(2)确定的移动角确定塌陷区投影的平面位置，同时利用导水裂隙带高度确定垂向深度。

(4)各剖面在水平面内的投影区域即为塌陷区的范围。

当导水裂隙带高度小于H时，开采引发塌陷的可能性较大，否则引发塌陷的可能性较小，该方法主要根据覆岩移动角与导水裂隙带高度之间的关系来确定采空区塌陷范围的。塌陷区损毁程度划分和概率积分法相同。

3 煤矿区土地复垦中损毁预测实例分析

3.1 概率积分法实例

3.1.1 研究区概况

富康源煤矿位于山西省临汾市乡宁县台头镇，吕梁山南端，属中低山区，区内除部分山丘、梁垣为黄土梯田外，多为基岩裸露或半裸露区，部分地段植被覆盖较好，因气候干旱，风化剥蚀作用强烈，形成了山区—丘陵地貌;富康源煤矿井田境界内总面积为974.79 hm2，矿区内土地利用类型包括耕地、园地、林地、草地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他土地、城镇村及工矿用地等8种一级类型。

3.1.2 结果分析

(1)基本参数确定。概率积分法中所需的基本参数的选取结合《开采规程》中的地表移动变形基本参数，并参考《山西乡宁焦煤集团富康源煤炭有限公司环境评价报告》来确定本矿井的地表移动基本参数。根据《开采规程》中的关于下沉系数、主要影响角正切、水平移动系数、拐点偏移系数、开采影响传播角等沉陷预计一般参数，结合本矿井的实际情况，开采1#煤层时，地表移动变形基本参数和在开采1#煤层的基础上开采2#、3#煤层属于重复采动，确定富康源煤矿沉陷预计参数如表3所示。

(2)各阶段地表移动变形预测。根据富康源煤矿开采设计和各煤层基本参数，开采范围划分为以下3个开采时段:第一阶段(开采一采区):2011—2016年;第二阶段(开采二、三采区):2017—2026年;第三阶段(开采四、五、六、七采区):2027—2034年。各阶段开采煤层特征如表4所示。

表3 富康源煤矿概率积分法预计参数

表4 各阶段开采煤层特征

对于富康源煤矿开采首采区，在《开采规程》中规定，考虑到测量误差，一般以下沉为10 mm的等值线作为地表移动盆地边界，下沉盆地面积为284.45 hm2。

对于富康源煤矿第二阶段开采二、三采区，下沉盆地面积为589.18 hm2，比第一阶段增加363.32 hm2。

对富康源煤矿第三阶段开采四、五、六、七采区，沉盆地面积为1 040.24 hm2，比第二阶段增加451.06 hm2。

表5 地表移动和变形预计最大值

说明:由于3个阶段都是开采1、2、3号煤层，煤层的赋存情况变化不是太大，因此后一阶段与前一阶段相比地表移动和变形值变化不太大，只是地表变形的面积增加。

(3)塌陷区土地破坏情况及塌陷土地面积。根据前面内容确定的各地表移动参数，各阶段下沉深度、破坏状况和面积见表6。

井下煤炭开采后一般引起的地表移动变形范围比开采范围大。单一区段工作面开采后走向主要影响半径r=89 m，拐点偏距s=20 m。当开采范围的倾斜长度Lq、走向长度Lz都大于2倍的主要影响半径(即Lq≥2r，Lz≥2r)时，其采动影响达到充分采动条件，反之，为未达到充分采动条件。单一工作面开采达到充分采动条件的采区尺寸为Lq=Lz≥2r=2×89=178 m，根据地表移动变形规律，非充分采动时下沉变形等各种变形值均达不到最大值，但符合一般地表移动变形规律，如最大下沉值在采空区，最大正负曲率值和水平变形值位于±0.4r处，最大倾斜值和水平移动变形值位于开采边界上方。

表6 各阶段地表下沉深度及面积统计

(4)预测结果分析。①当开采结束时预计塌陷区域土地面积为1 040.24 hm2，同时考虑对于项目区的采矿用地和农村住宅用地在采煤时保留了保护性煤柱，且富康源煤矿将对地表破坏的村庄、道路等生活性实施进行修复和赔偿。②由预计可知，开采完成后最大下沉为3 739 mm。由于此区域位于黄土高原，潜水位低，所以煤炭开采后地面不会出现积水。同时由表5知，开采产生的水平变形值最大为10.84 mm/m。由此可见，开采完毕后会形成一定的裂缝区，此区域将成为复垦重点治理对象。

在复垦方案服务年限内，开采富康源煤矿所属采区为山地，坡度平缓，因而采煤塌陷区土地破坏范围按概率积分法的主要影响半径划定，按主要影响半径划定的塌陷地边界地表预测下沉量为10 mm。

(5)塌陷区地表移动变形与土地损毁程度的综合分析。塌陷区形不成塌陷盆地，也不会积水，因而土地损毁程度主要取决于地表变形值大小，主要依据是《土地复垦方案编制规程——井工煤矿》采煤沉陷土地损毁程度分级参考标准。由于矿井采深较大，水平变形一般不超过10.84 mm/m，地表最大倾斜一般为小于15.2 mm/m，因而水平、倾斜和曲率变形一般产生为轻度～中度。因此项目区内旱地破坏程度主要为轻度～中度，林地、草地破坏程度主要为轻度～中度。

根据前述分析，将预测得到的水平变形等值线图与下沉等值线图叠加，得到沉陷区的轻度损毁、中度损毁的边界线。经统计，塌陷区损毁土地总面积1 040.24 hm2(轻度塌陷 178.63 hm2，中度塌陷861.61 hm2)，其中一阶段塌陷区面积225.86 hm2(轻度塌陷60.52 hm2，中度塌陷165.34 hm2)，二阶段塌陷区面积363.32 hm2(轻度塌陷46.52 hm2，中度塌陷316.8 hm2)，三阶段塌陷区面积451.06 hm2(轻度塌陷71.59 hm2，中度塌陷379.47 hm2)。

根据《富康源煤业有限公司开发利用方案》设计，排矸场位于工业广场南侧方向0.5 km处的荒沟内，容矸量满足矿井矸石5 a的排弃量，矿井生产3～5 a后，逐步将临时排矸场矸石及新产生矸石全部利用，将临时排矸场所占土地进行复垦。排矸场的面积为0.90 hm2，其中0.36 hm2位于塌陷区内，为防止重复计入，故将排矸场压占面积定义为0.54 hm2。表土堆场主要用于堆放工业场地和排矸场剥离的表层土，拟将表土堆放在排矸场内，压占损毁土地0.5 hm2，位于排矸场内。经统计，压占损毁土地面积为0.54 hm2(表土堆场位于排矸场内，面积不另计)，由于压占对原地表造成了不可恢复性损毁，所以将损毁程度定义为重度。

该矿拟损毁土地损毁程度统计汇总见表7。

表7 土地损毁程度结果汇总

3.2 导水裂隙带最大高度与移动角组合判别法实例

3.2.1 研究区概况

郭家地煤矿位于贵州省黔西南布依族、苗族自治州普安县南部，矿区为脊状山地貌，属中山地形，区内山峦起伏，植被长势总体较差，主要是人工种植植被与自然植被等，粮食作物以水稻和玉米为主，经济作物有油菜籽、烟叶、油桐等。郭家地煤矿矿区总面积464.52 hm2，土地利用类型主要有耕地、园地、林地、草地、居民点及工矿用地和未利用地。

3.2.2 结果分析

(1)郭家地煤层情况。该煤矿全区可采及大部可采煤层共3层:17、19和26号煤层。其中17号煤层平均采用厚度为3.10 m，19号煤层:平均采用厚度为1.67 m，26号煤层平均采用厚度为2.02 m。

(2)塌陷预测。煤矿在开采过程中，塌陷区多集中在煤层露头附近煤层埋深较浅的地段，可能产生的塌陷范围根据煤层情况及《GB12719—91 矿区水文地质规程及勘探规范》附录F:冒落、裂隙带最大高度经验公式预测分析，推出冒落、裂隙带最大高度。计算公式如下:

其中，累计采厚M是各煤层平均采用厚度之和，n为煤层数量。如果煤层平均采用厚度大于巷道高度2.2 m，取煤层平均采用厚度;如果煤层平均采用厚度小于巷道高度2.2 m，取2.2 m作为煤层平均采用厚度(该取值是根据当地经验值来确定的)。

由以上公式计算出 17#、19#、26#煤层的冒落、裂隙带最大高度为91.85 m，最后由剖面上17#煤层顶板沿着法线方向反推到地表与煤层露头形成的区域(扣出禁采区、煤层风氧化带、保安煤柱范围)即为拟塌陷区，预计塌陷面积为75.64 hm2(其中包括老郭家地采空区面积6.77 hm2)，拟塌陷区中耕地7.11 hm2，园地 2.53 hm2，林地 4.51 hm2，草地48.67 hm2，未利用地12.82 hm2。在煤层法线方向埋深大于冒落、裂隙带高度的区域，其冒落、裂隙范围影响不到地面，不作预测塌陷范围的圈定。塌陷预测范围剖面图见图1所示。

4 结论

概率积分法是煤矿区土地复垦中最常用的方法，该方法理论体系完善，容易操作，适用地域非常广泛，可应用于我国北方和中部大部分平原、丘陵以及部分山地区域，但该方法塌陷预测范围较大，不太适用于我国南方中高山地区;导水裂隙带最大高度法原理简单，容易操作，预测塌陷范围比概率积分法要小且符合实际情况，比较适用我国南方如云南和贵州等地的中高山地区。另外，相关研究表明，在