煤礦區土地復墾中土地損毀預測方法研究*

張合兵 王世東 李春意

(1.礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室;2.河南理工大學測繪與國土信息工程學院)

隨著煤炭工業的迅速發展，礦山開采對我國土地資源尤其是耕地的利用和生態環境造成重大影響。目前，礦區土地復墾已成為緩解我國人地矛盾，增加耕地數量，提高土地質量，改善土地生態環境的一項重要措施。要實現土地復墾的科學化、合理化，必須以土地復墾可行性分析為基礎和依據［1-3］，而土地復墾可行性分析的首要任務是合理確定復墾區內損毀土地面積及損毀程度，這是進行土地復墾適宜性評價、復墾工程設計及工程量測算、復墾措施選擇、復墾資金預算等工作的基礎。因此，必須對煤礦區土地復墾中損毀預測方法的適用性進一步研究與梳理，為科學選取土地損毀預測方法，準確確定損毀土地面積及損毀程度提供科學依據與決策參考。

1 煤礦區土地損毀預測原因及分析內容

1.1 煤礦區土地損毀成因分析

1.1.1 土地損毀成因

地下煤層開采時，井下將出現大面積的采空區，圍巖原有的應力平衡狀態受到破壞，在采空區上方，隨著直接頂和老頂巖層的冒落，其上覆巖層也將產生移動、裂縫和冒落，首先形成冒落帶;當巖層冒落發展到一定高度，松散巖塊逐漸充填采空區，冒落逐漸停止，巖層出現離層和裂縫，形成裂縫帶;當離層和裂縫發展到一定程度時，上覆巖層只產生整體移動和沉陷，形成彎曲帶;當巖層移動、沉陷和彎曲變形達到地表時，地表會出現下沉、水平移動、傾斜、水平變形和彎曲，形成移動盆地，在移動盆地內，還會出現臺階、裂縫和塌陷坑等不連續變形。

顯然，煤層開采造成覆巖和地表的移動、變形、塌陷和破壞是土地損毀的直接原因，且損毀和破壞隨著采煤工作面的推進而逐漸發生，是一個動態的過程，當開采活動停止后，移動、變形將在一定時間內逐漸終止于一定范圍內，該范圍可通過現場勘測和預測方法確定。

1.1.2 地表變形與土地損毀關系

隨著采空區面積的不斷增大，地表土地損毀破壞的范圍也會不斷擴大，在這一過程中地表產生的移動和變形可分為3類:①動態變形。②永久變形。③半永久性變形。

塌陷區地表移動變形與土地損毀程度密切相關。地表移動變形造成的土地損毀主要形式有地表錯動，地裂縫;地表下沉，土地被淹沒等。例如，高潛水位采煤沉陷區土地損毀程度與地表下沉值密切相關，下沉量愈大，地面積水愈深，或塌陷區土地復墾充填量愈大，因而損毀愈嚴重，復墾投資也就愈大［4］。

1.2 煤礦區土地損毀預測內容

綜上分析，對土地損毀的預測內容主要為地表沉陷程度和范圍的預測。具體包括:

(1)預測不同時段損毀土地的地類、面積、損毀方式等。

(2)分時段預測地表最大下沉值、水平拉伸變形值、傾斜變形值和基本穩沉時間，分時段繪制地表下沉、水平變形、傾斜變形等值線圖。

(3)結合土地損毀對土地利用的影響進行土地損毀程度分級并進行損毀程度分析。包括損毀方式、損毀程度、影響因素、現狀地類、對土地生產力的影響、不同損毀類型和程度的面積等［4］。

2 煤礦區土地復墾中損毀預測方法

2.1 概率積分法土地損毀預測原理

概率積分法是把巖體看作一種隨機介質，根據隨機介質理論，把巖層移動看作一種服從統計規律的隨機過程。即把開采區域分解為無限個微小單元的開采，開采對巖層及地表的影響等于各單元開采對巖層及地表影響之和，按隨機介質理論，單元開采引起的地表單元下沉盆地呈正態分布，且與概率密度的分布一致，其預計模型可表示為概率密度函數積分公式。

地表單元下沉盆地下沉值we(x)的表達式:

式中，r為主要影響半徑，主要與單元采深和主要影響角有關;x為離開采邊界的距離。根據下沉盆地表達式可推導出地表單元水平移動的表達式為

式中，B為常數。

通過數學推導，可以得出任意形狀工作面開采時地表任意點的移動與變形計算公式。

地表移動變形最大值計算:

式中，Wmax為地表最大下沉值，mm;imax為地表最大傾斜值，mm/m;Kmax為地表最大曲率值，10－3/m;εmax為地表最大水平變形值，mm/m;Umax為地表最大水平移動值，mm;m為煤層法線采厚，m;q為下沉系數;α為煤層傾角，(°);b為水平移動系數。地表移動持續時間可通過式(4)計算:

式中，T為形成穩定沉陷地面移動的延續時間，d;H為工作面平均開采深度，m。

地表移動基本穩沉時間主要為地表移動初始期和活躍期，一般是地表移動持續時間的60%～70%。

預測方法及過程如下。

(1)預測參數選取?！督ㄖ?、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(國家煤炭工業局煤行管字［2000］第81號，以下簡稱《開采規程》)中列出了我國20個主要礦區的地表移動參數。預測參數值因礦而異，參數值可以進行實際觀測、類比，并結合該規程選定，也可按礦區覆巖平均抗壓強度，參照規程中有關附表選取。土地損毀預測參數有下沉系數q、水平移動系數b、主要影響角正切tanβ、開采影響傳播系數k、拐點偏移距S、重復采動系數q1。

(2)開采時段劃分。預測參數確定后，依據采掘工程平面圖工作面設計，一般按前期5 a、后期10 a左右分時段進行土地損毀預測。

(3)土地損毀預測結果。根據開采時段分別將煤層開采要素(開采厚度、開采深度、煤層傾角)等數據與預測參數輸入計算機進行預測，分時段預測地表最大下沉值、水平拉伸變形值、傾斜變形值和基本穩沉時間，繪制地表下沉、水平變形、傾斜變形等值線圖，匯總土地損毀范圍和面積。

(4)土地損毀程度劃分。土地損毀程度主要取決于塌陷裂縫的寬度和密度、塌陷深度、積水深度等，而裂縫寬度和密度與地表水平變形值大小和深厚比大小有密切關系［5-7］。結合損毀類型和對土地利用的影響，按輕度、中度、重度進行損毀程度分級和面積匯總。

2.2 導水裂隙帶最大高度與移動角組合判別法

該方法以導水裂隙帶最大高度為上限，結合地質剖面圖和移動角確定出地表沉陷盆地的中間區域，該區域即為擬破壞的塌陷區。

導水裂隙帶的最大高度H與煤層傾角、覆巖巖性密切相關，其計算公式為

式中，∑m為煤層累計采厚(≤15 m);a、b為導水裂隙帶系數，其取值與煤層賦存狀態及覆巖巖性有關;±c為導水裂隙帶計算中誤差。a、b、c確定方法如表1。

表1 安全系數k與煤層傾角和覆巖性質的關系

移動角與覆巖普氏硬度系數f相關，如表2。

表2 移動角與覆巖巖性的關系

計算過程:

(1)確定地表沉陷盆地的主斷面位置，并作出剖面圖。

(2)根據覆巖的硬度系數確定走向、下山和上山方向的移動角。

(3)在剖面圖上根據(2)確定的移動角確定塌陷區投影的平面位置，同時利用導水裂隙帶高度確定垂向深度。

(4)各剖面在水平面內的投影區域即為塌陷區的范圍。

當導水裂隙帶高度小于H時，開采引發塌陷的可能性較大，否則引發塌陷的可能性較小，該方法主要根據覆巖移動角與導水裂隙帶高度之間的關系來確定采空區塌陷范圍的。塌陷區損毀程度劃分和概率積分法相同。

3 煤礦區土地復墾中損毀預測實例分析

3.1 概率積分法實例

3.1.1 研究區概況

富康源煤礦位于山西省臨汾市鄉寧縣臺頭鎮，呂梁山南端，屬中低山區，區內除部分山丘、梁垣為黃土梯田外，多為基巖裸露或半裸露區，部分地段植被覆蓋較好，因氣候干旱，風化剝蝕作用強烈，形成了山區—丘陵地貌;富康源煤礦井田境界內總面積為974.79 hm2，礦區內土地利用類型包括耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他土地、城鎮村及工礦用地等8種一級類型。

3.1.2 結果分析

(1)基本參數確定。概率積分法中所需的基本參數的選取結合《開采規程》中的地表移動變形基本參數，并參考《山西鄉寧焦煤集團富康源煤炭有限公司環境評價報告》來確定本礦井的地表移動基本參數。根據《開采規程》中的關于下沉系數、主要影響角正切、水平移動系數、拐點偏移系數、開采影響傳播角等沉陷預計一般參數，結合本礦井的實際情況，開采1#煤層時，地表移動變形基本參數和在開采1#煤層的基礎上開采2#、3#煤層屬于重復采動，確定富康源煤礦沉陷預計參數如表3所示。

(2)各階段地表移動變形預測。根據富康源煤礦開采設計和各煤層基本參數，開采范圍劃分為以下3個開采時段:第一階段(開采一采區):2011—2016年;第二階段(開采二、三采區):2017—2026年;第三階段(開采四、五、六、七采區):2027—2034年。各階段開采煤層特征如表4所示。

表3 富康源煤礦概率積分法預計參數

表4 各階段開采煤層特征

對于富康源煤礦開采首采區，在《開采規程》中規定，考慮到測量誤差，一般以下沉為10 mm的等值線作為地表移動盆地邊界，下沉盆地面積為284.45 hm2。

對于富康源煤礦第二階段開采二、三采區，下沉盆地面積為589.18 hm2，比第一階段增加363.32 hm2。

對富康源煤礦第三階段開采四、五、六、七采區，沉盆地面積為1 040.24 hm2，比第二階段增加451.06 hm2。

表5 地表移動和變形預計最大值

說明:由于3個階段都是開采1、2、3號煤層，煤層的賦存情況變化不是太大，因此后一階段與前一階段相比地表移動和變形值變化不太大，只是地表變形的面積增加。

(3)塌陷區土地破壞情況及塌陷土地面積。根據前面內容確定的各地表移動參數，各階段下沉深度、破壞狀況和面積見表6。

井下煤炭開采后一般引起的地表移動變形范圍比開采范圍大。單一區段工作面開采后走向主要影響半徑r=89 m，拐點偏距s=20 m。當開采范圍的傾斜長度Lq、走向長度Lz都大于2倍的主要影響半徑(即Lq≥2r，Lz≥2r)時，其采動影響達到充分采動條件，反之，為未達到充分采動條件。單一工作面開采達到充分采動條件的采區尺寸為Lq=Lz≥2r=2×89=178 m，根據地表移動變形規律，非充分采動時下沉變形等各種變形值均達不到最大值，但符合一般地表移動變形規律，如最大下沉值在采空區，最大正負曲率值和水平變形值位于±0.4r處，最大傾斜值和水平移動變形值位于開采邊界上方。

表6 各階段地表下沉深度及面積統計

(4)預測結果分析。①當開采結束時預計塌陷區域土地面積為1 040.24 hm2，同時考慮對于項目區的采礦用地和農村住宅用地在采煤時保留了保護性煤柱，且富康源煤礦將對地表破壞的村莊、道路等生活性實施進行修復和賠償。②由預計可知，開采完成后最大下沉為3 739 mm。由于此區域位于黃土高原，潛水位低，所以煤炭開采后地面不會出現積水。同時由表5知，開采產生的水平變形值最大為10.84 mm/m。由此可見，開采完畢后會形成一定的裂縫區，此區域將成為復墾重點治理對象。

在復墾方案服務年限內，開采富康源煤礦所屬采區為山地，坡度平緩，因而采煤塌陷區土地破壞范圍按概率積分法的主要影響半徑劃定，按主要影響半徑劃定的塌陷地邊界地表預測下沉量為10 mm。

(5)塌陷區地表移動變形與土地損毀程度的綜合分析。塌陷區形不成塌陷盆地，也不會積水，因而土地損毀程度主要取決于地表變形值大小，主要依據是《土地復墾方案編制規程——井工煤礦》采煤沉陷土地損毀程度分級參考標準。由于礦井采深較大，水平變形一般不超過10.84 mm/m，地表最大傾斜一般為小于15.2 mm/m，因而水平、傾斜和曲率變形一般產生為輕度～中度。因此項目區內旱地破壞程度主要為輕度～中度，林地、草地破壞程度主要為輕度～中度。

根據前述分析，將預測得到的水平變形等值線圖與下沉等值線圖疊加，得到沉陷區的輕度損毀、中度損毀的邊界線。經統計，塌陷區損毀土地總面積1 040.24 hm2(輕度塌陷 178.63 hm2，中度塌陷861.61 hm2)，其中一階段塌陷區面積225.86 hm2(輕度塌陷60.52 hm2，中度塌陷165.34 hm2)，二階段塌陷區面積363.32 hm2(輕度塌陷46.52 hm2，中度塌陷316.8 hm2)，三階段塌陷區面積451.06 hm2(輕度塌陷71.59 hm2，中度塌陷379.47 hm2)。

根據《富康源煤業有限公司開發利用方案》設計，排矸場位于工業廣場南側方向0.5 km處的荒溝內，容矸量滿足礦井矸石5 a的排棄量，礦井生產3～5 a后，逐步將臨時排矸場矸石及新產生矸石全部利用，將臨時排矸場所占土地進行復墾。排矸場的面積為0.90 hm2，其中0.36 hm2位于塌陷區內，為防止重復計入，故將排矸場壓占面積定義為0.54 hm2。表土堆場主要用于堆放工業場地和排矸場剝離的表層土，擬將表土堆放在排矸場內，壓占損毀土地0.5 hm2，位于排矸場內。經統計，壓占損毀土地面積為0.54 hm2(表土堆場位于排矸場內，面積不另計)，由于壓占對原地表造成了不可恢復性損毀，所以將損毀程度定義為重度。

該礦擬損毀土地損毀程度統計匯總見表7。

表7 土地損毀程度結果匯總

3.2 導水裂隙帶最大高度與移動角組合判別法實例

3.2.1 研究區概況

郭家地煤礦位于貴州省黔西南布依族、苗族自治州普安縣南部，礦區為脊狀山地貌，屬中山地形，區內山巒起伏，植被長勢總體較差，主要是人工種植植被與自然植被等，糧食作物以水稻和玉米為主，經濟作物有油菜籽、煙葉、油桐等。郭家地煤礦礦區總面積464.52 hm2，土地利用類型主要有耕地、園地、林地、草地、居民點及工礦用地和未利用地。

3.2.2 結果分析

(1)郭家地煤層情況。該煤礦全區可采及大部可采煤層共3層:17、19和26號煤層。其中17號煤層平均采用厚度為3.10 m，19號煤層:平均采用厚度為1.67 m，26號煤層平均采用厚度為2.02 m。

(2)塌陷預測。煤礦在開采過程中，塌陷區多集中在煤層露頭附近煤層埋深較淺的地段，可能產生的塌陷范圍根據煤層情況及《GB12719—91 礦區水文地質規程及勘探規范》附錄F:冒落、裂隙帶最大高度經驗公式預測分析，推出冒落、裂隙帶最大高度。計算公式如下:

其中，累計采厚M是各煤層平均采用厚度之和，n為煤層數量。如果煤層平均采用厚度大于巷道高度2.2 m，取煤層平均采用厚度;如果煤層平均采用厚度小于巷道高度2.2 m，取2.2 m作為煤層平均采用厚度(該取值是根據當地經驗值來確定的)。

由以上公式計算出 17#、19#、26#煤層的冒落、裂隙帶最大高度為91.85 m，最后由剖面上17#煤層頂板沿著法線方向反推到地表與煤層露頭形成的區域(扣出禁采區、煤層風氧化帶、保安煤柱范圍)即為擬塌陷區，預計塌陷面積為75.64 hm2(其中包括老郭家地采空區面積6.77 hm2)，擬塌陷區中耕地7.11 hm2，園地 2.53 hm2，林地 4.51 hm2，草地48.67 hm2，未利用地12.82 hm2。在煤層法線方向埋深大于冒落、裂隙帶高度的區域，其冒落、裂隙范圍影響不到地面，不作預測塌陷范圍的圈定。塌陷預測范圍剖面圖見圖1所示。

4 結論

概率積分法是煤礦區土地復墾中最常用的方法，該方法理論體系完善，容易操作，適用地域非常廣泛，可應用于我國北方和中部大部分平原、丘陵以及部分山地區域，但該方法塌陷預測范圍較大，不太適用于我國南方中高山地區;導水裂隙帶最大高度法原理簡單，容易操作，預測塌陷范圍比概率積分法要小且符合實際情況，比較適用我國南方如云南和貴州等地的中高山地區。另外，相關研究表明，在

圖1 預測塌陷范圍剖面

南方中高山地區，礦區地形復雜，坡度大，輕度塌陷損毀對地表的破壞程度較小，而且氣候濕潤，雨水充足，地表植被恢復較快。因此，在南方中高山地區，采用導水裂隙帶最大高度法來確定塌陷范圍更為科學合理。

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