煤礦區土地損毀預測與復墾規劃研究

張熙卓 任一鑫

(山東科技大學經濟管理學院，山東省青島市，266590)

隨著煤炭工業的飛速發展，礦山開采對我國土地生態環境和土地資源尤其是耕地的利用產生了不容小覷的影響，礦區土地復墾治理成為緩解我國人地矛盾、增加耕地面積、提高土地質量、改善生態環境的一項重要手段。隨著國家對土地復墾工作的重視，國內外在采煤沉陷區土地損毀、土地復墾理論以及措施等方面的研究也越來越多。

本文基于損毀現狀和預測損毀情況綜合制定了土地復墾規劃，為煤礦區土地復墾的實施管理、監督檢查以及土地復墾費用預算等提供參考依據，也為我國類似礦區復墾規劃提供借鑒，有助于減少礦山建設及生產活動造成的礦山地質環境問題及地質災害，保證耕地資源占補平衡，改善礦山地質環境和生態環境，實現地區經濟可持續發展。

1 研究區概況

本次研究的區域歸屬于山東省濟寧市任城區二十里鋪街道、兗州區顏店鎮、汶上縣康驛鎮、汶上縣義橋鎮的土地，礦區面積為54.4181 km2，采礦用地面積為0.1957 km2。本地區氣候溫和，屬暖溫帶季風性氣候，歷年平均氣溫為13.5℃，年平均降水量為688.86 mm，春夏兩季多東風及東南風，冬季多西北風，最大風力大于8級，平均風速為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。礦區內土壤是在汶河和泗河山前沖洪積松散母質基礎上發育而成的，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、傾向東的單斜構造，褶曲構造不發育，僅發育次級褶曲，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，僅個別地段達到25°。

圖1 煤礦區已損毀情況圖

本研究區為生產礦山，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，由此使得采空區上方地表產生塌陷，礦山生產過程中產生的固體廢物包括煤矸石、生活垃圾和鍋爐灰渣。根據實際勘測結果，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、農村道路、坑塘水面、溝渠、設施農用地、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%；研究區內壓占損毀主要是監獄、工業廣場、矸石堆放場以及運煤道路，壓占損毀土地共0.1957 km2，監獄占地0.1123 km2，包括監獄區0.0935 km2、武警區0.0069 km2、生活區0.0119 km2。所損毀的土地均被壓實，加上房屋構筑物、建筑物的基建，損毀土體厚度約為30 cm，根據對研究區土壤剖面的測量，煤礦工業場地殘留土體厚度大于80 cm。礫石含量約為5%～10%，場地內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，該研究區已塌陷損毀達到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 利用概率積分法預測土地損毀面積

該采煤區設計開采3上、3下、16和17共4個煤層，剩余服務年限為28.4 a，將土地損毀區劃分為前5年、3煤層南區開采結束、下組煤開采結束這3個時段來進行預測。第一時段為2016年12月至2022年1月開采，第二時段為2022年1月至2028年2月開采，第三時段為2028年2月至2037年1月開采，3煤層北區剩余工作面開采將在本方案服務期后生產。

本次礦井沉陷預測采用原國家煤炭工業局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中推薦的概率積分法。根據采掘圖和儲量圖，了解這3個時段各煤層已開采情況和計劃開采的各個工作面拐點的X/Y坐標和Z值，取單元坐標系0-xyz的原點0為開采單元的中心，某點A(x,y,z)的鄰域dSA(面積微元)發生下沉的事件等同于過A點的垂直剖面上dx、dy小塊面積各自同時發生下沉，dx、dy小塊面積各自發生下沉的概率服從密度為f(x)的分布函數。

2.2 利用三級評定法界定土地損毀程度

該研究區未來采煤沉陷地土地損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系密切。因此，該研究區采煤沉陷地損毀程度主要考慮下沉值、水平/傾斜變形、曲率變形、土地生產力水平等因素。根據《土地復墾條例》、《土地復墾方案編制規程》以及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中關于各類土地及建筑物損毀等級標準劃定，任何一項指標達到相應標準即認為土地損毀達到該損毀等級。利用三級評定法，將土地壓占、塌陷損毀程度等級數確定為3級標準，分別定為一級(輕度損毀)、二級(中度損毀)和三級(重度損毀)。

3 研究區土地損毀預測結果及特征

3.1 土地損毀預測結果

根據煤層開采厚度、采深及有關預計參數，計算出礦井第一時段開采完畢后開采沉陷影響面積約為3.465 km2，第二時段約為2.698 km2，第三時段約為6.499 km2，礦井剩余儲量全部開采完畢后約為9.9997 km2。

目前該區域共損毀土地10.7998 km2，已損毀土地面積為2.4162 km2，預測損毀土地面積為9.9997 km2，重復損毀面積為其中的1.6161 km2。對于重復塌陷區域，疊加后再進行評價，運用相關軟件將已損毀塌陷深度以及擬損毀塌陷深度進行疊加分析，得出最大塌陷深度約為6.5 m，疊加后輕度損毀區為7.865 km2，中度損毀區為1.6055 km2，重度損毀區為1.1336 km2。監獄壓占損毀面積為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；運輸道路損毀土地面積為0.0024 km2，由于載重汽車碾壓，損毀土地全部壓實。

3.2 研究區土地損毀特征

研究區總損毀情況圖如圖2所示， 各損毀時段損毀區域圖如圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，該研究區的沉陷面積不斷擴大，損毀程度不斷加深。據統計分析，截至2017年底，已塌陷損毀的面積共計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，位于工業廣場的西部并形成了塌陷積水區。采煤沉陷地主要類型是水澆地和采礦用地，其中水澆地損毀面積為1.852 km2，占沉陷面積的83.40%；采礦用地損毀面積為0.1033 km2，占沉陷面積的4.65%；其他地類(其他草地、農村道路、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，其中監獄區壓占面積為0.1123 km2，占壓占面積的57.38%；工業廣場壓占面積為0.061 km2，占壓占面積的31.17%；其他地區(包括矸石堆放場、運煤道路等)壓占面積為0.0224 km2，占壓占面積的11.45%。據預測，煤礦擬損毀土地全部為塌陷損毀。到2022年采煤沉陷地將達到4.0737 km2，沉陷面積增加了1.8532 km2，增加的區域基本為水澆地。水澆地損毀面積達到3.4289 km2，采煤沉陷對該礦區農業的影響越來越大。

圖2 研究區總損毀情況圖

按照預測第一時段的沉陷總面積為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；到服務期末，土地損毀面積達到10.7998 km2，沉陷地面積達到10.6041 km2，沉陷面積增加8.3836 km2，沉陷范圍繼續擴大，重復損毀面積為1.6161 km2。對于重復塌陷區域疊加后最大塌陷下沉值為6.5 m，水澆地損毀面積達到最大，達到9.3173 km2，占比86.27%，遠遠超過采礦用地，輕度損毀面積7.865 km2，比例達到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，地表移動與變形值也會相對較大，損毀程度就會越嚴重。

圖3 各損毀時段損毀區域圖

4 煤礦區土地復墾規劃

4.1 煤礦區土地損毀治理分區依據

礦山地質環境問題的產生具有自然、社會和資源三重屬性，堅持“以人為本”、“以建設工程安全為本”的原則對礦山地質環境保護與治理恢復分區。選取地質災害、含水層、地形地貌景觀、土地資源現狀與預測評估結果作為分區指標，依據《礦山地質環境保護與治理恢復方案編制規范》，利用疊加法進行分區，劃分為重點防治區、次重點防治區和一般防治區3個區，礦山地質環境防治分區見表1。

4.2 復墾方向的確定和復墾單元的劃分

本研究區根據可行性、最佳效益及因地制宜等原則，結合當地人口多、人均土地資源少等社會因素情況，依托任城區、兗州區、汶上縣土地利用總體規劃，按照宜耕則耕、宜園則園、宜林則林、耕地優先的原則進行土地復墾。

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

(2)中度塌陷損毀區。塌陷下沉1500～3000 mm的區域內經過挖填平衡后，維修排灌設施，復墾方向參考輕度塌陷損毀區。

表1 礦山地質環境防治分區

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

(4)矸石堆放場。雖然矸石堆放場及配套設施的占用時間長，土體損毀較嚴重，但其原始土體厚度較厚，場內矸石全部利用后，對地表覆蓋物進行清理，下覆的土體依然厚實，土源充足，通過土地平整、土壤培肥等復墾措施，具備復墾成水澆地的基本條件，所以確定復墾方向為耕地。

4.3 煤礦區土地復墾施工工程設計

該研究區復墾責任范圍為10.3195 km2，通過復墾工程實現全部復墾，復墾率為100%，其中任城區內復墾責任范圍為4.2786 km2，兗州區內復墾責任范圍為2.0565 km2，汶上縣內復墾責任范圍為3.9844 km2。

根據塌陷區的塌陷深度及自然地理條件，并結合該地區農業發展的方向進行土地利用布局規劃，為了建成“田成方、路成框、溝成網、林成行”的高效農業區，應該以恢復耕地為主，盡可能多地增加耕地。為了固沙防風和改善農田生態系統，在田間道兩側和生產路一側設置農田防護林帶，樹種以速生楊為主，株距為3 m，以利于防風和改善生態環境，形成良好的農田小氣候。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)、林地復墾工程、園地復墾工程、草地、設施農用地、采礦用地復墾、水域及水利設施用地復墾工程、矸石堆放場復墾工程(清理工程、土地翻耕、生物化學工程、配套工程)等進行礦區土地復墾。復墾前后土地利用結構調整見表2。

4.4 煤礦區土地復墾方案實施設計

本研究區土地復墾方案服務年限總共為26.2 a，按6個階段制定土地復墾方案實施工作計劃，并按照煤礦開采、土地損毀和土地復墾時序進行編排，分別為2017-2021年、2022-2026年、2027-2031年、2032-2036年、2037-2041年、2042-2043年。土地復墾各階段復墾計劃分析見表3，各階段治理區域見圖4。

4.5 預期效益

(1)社會效益。開展土地復墾，有效控制煤礦生產產生的負面影響，保護環境資源，對于維護和改善環境質量起到良好作用。復墾后的耕地、藕池、林地可以繼續為當地村民使用，既有利于促進土地合理利用，又可以增加農業收入，同時又可以改善當地生態環境，有利于當地百姓的身心健康，促進社會的安定團結。

表2 復墾前后土地利用結構調整

表3 土地復墾各階段復墾計劃分析

(2)生態效益。按照“合理布局、因地制宜”的原則對生產過程中損毀的土地進行綜合治理，建立起新的土地資源生態系統，蓄水保土、減輕土地損毀，使項目區恢復的良好生態環境，保持當地植被生態系統間的良性循環，調節區域小氣候。通過平整土地、改善土壤物化性質、植物種植等，可以有效改善土地質量，使生態環境趨于平衡，得到良好的生態效益。

(3)經濟效益。土地復墾工程的經濟效益主要體現在土地再利用帶來的農業產值，不僅可以使礦區內耕地恢復原有生產力水平，還能夠提高糧食產量和農民收入。以種植玉米為例，土地破壞前年平均產量為749962.5 kg/km2，由于礦山開采勢必會給農用地造成破壞，影響糧食產量，致使土地受到破壞后年產量降低到674966.25 kg/km2，平均減產74996.25 kg/km2。礦區范圍內破壞耕地為9.3173 km2，則礦區內由于土地破壞造成的年收益損失約200萬元。

圖4 各治理階段區域圖

5 結論

礦區各階段土地損毀程度和面積不同，再利用情況復雜，針對煤礦區采煤塌陷地及壓占地進行復墾治理，運用概率積分法對煤礦區沉陷地及壓占地進行土地損毀預測，根據各地類沉陷地損毀程度判定標準對土地損毀程度進行劃分，依據損毀程度及損毀特點對癥下藥，使其在時間上合理安排，空間上合理布局，明確復墾范圍及復墾方向，形成時空上的一個合理的復墾時序與設計布局的復墾規劃。土地復墾規劃的確定應充分考慮研究區的自然社會經濟條件，應遵循“因地制宜，宜農則農，宜建則建”的原則，不同地區的土地復墾規劃也不是一成不變的。