井工煤礦邊采邊復施工敏感區域的確定方法＊

肖 武 胡振琪 楊耀淇 苗慧玲 周祥勃

（中國礦業大學 （北京）土地復墾與生態重建研究所，北京市海淀區，100083）

井工煤礦邊采邊復施工敏感區域的確定方法＊

肖 武 胡振琪 楊耀淇 苗慧玲 周祥勃

（中國礦業大學 （北京）土地復墾與生態重建研究所，北京市海淀區，100083）

針對地面施工類型，劃分了施工敏感區的分類，選擇耕地為研究對象，重點剖析了耕地施工敏感區的確定方法與過程，并運用于山東某礦山工作面，將研究區域地面劃分為7875個地面單元，地下工作面劃分為13個開采階段，由此，確定了各個開采階段地面復墾施工的敏感區域。

煤礦區 邊采邊復 施工敏感區 空間分布

對于采煤沉陷地復墾，自20世紀80年代以來國內專家學者已經開展了廣泛研究，但以往的治理多側重于沉陷穩定后再復墾，在現有技術水平下復耕率較低，這也就意味著大面積的優質農田將會變為水域，直接影響耕地的數量。造成這一現象的原因有很多，一方面，特殊的地質采礦條件使得這一地區沉陷具有典型性，高潛水位礦區大多為平原礦區，所在區域大多為地勢平坦、土壤資源豐富、肥力較高的優質基本農田區，由于本身地表地勢平坦且潛水位較高，而同時煤層賦存條件又特別好，很多礦區煤層數量多、煤層厚度大，這就造成沉陷后積水的現象嚴重，大量的表土資源沉入水底；另一方面，由于是平原地區，缺乏固體充填物，目前主要采用煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等作為塌陷區治理的充填材料，與地表巨大的沉陷體積相比，此類充填物是杯水車薪。且珍貴的土壤資源作為多年風化沉積形成的資源，從某種意義上來說是不可再生的資源，復墾時缺少充填材料與表土覆蓋材料，造成恢復土地和耕地的比例低。

近年來，相關學者開展動態復墾與超前復墾的研究，研究人員希望通過提前采取復墾措施來達到保護耕地的目的。胡振琪 （2013）提出了井工礦山邊開采邊復墾 （簡稱邊采邊復，Concurrent Min-ing and Reclamation，CMR）的概念。定義邊采邊復為：充分考慮地下開采與地面復墾措施的耦合，通過合理減輕土地損毀的開采措施和沉陷前或沉陷過程中的復墾時機與方案的優選，實現采礦與復墾同步進行的一種復墾技術?？梢?，邊采邊復相對于穩定后復墾而言，實質上也是一種超前的復墾措施，其實施不可避免地涉及到地面沉陷前施工或者對正在沉陷的土地進行復墾施工。因此，復墾施工的對象 （如耕地區、水利設施、道路等）不可避免地要遭受動態沉陷，如拉伸、傾斜、曲率變形的影響，導致很多工程在施工過程中或者施工后遭受二次破壞，致使復墾失敗。如何合理確定復墾的時間與區域，特別是施工過程中的施工敏感區，既確保復墾耕地率最大，又避免在動態開采階段的敏感區域 （受水平變形、曲率變形區域）進行施工，成為井工開采煤礦區邊采邊復技術發展的瓶頸，直接關系到復墾工程的成功與否。

本文建立了以地理信息系統 （Geographic Information System，GIS）為手段，以Arcinfo為平臺的施工敏感區判定模型。在分階段動態沉陷預測的基礎上，對預先劃分好的地面格網進行了分析，確定了各個開采階段的地面施工敏感單元，并進行了實際運用。

1 施工敏感區定義及關鍵指標的確定

邊采邊復的目的是為了在地面出現積水前預先采取地面復墾措施，提前剝離表土儲存，隨后進行平整與農田水利設施的建設。事實上，為了盡快利用受損的耕地，縮短土地臨時占用的時間，在表土剝離后應當及時對其進行回填平整。在對受擾耕地進行回填平整治理時，要考慮治理后的土地能否經受住后續沉陷下沉的影響。

要確定施工敏感區，首先要確定施工后對象承受后續下沉與變形時需要克服哪些擾動。對于復墾后的土地對后續沉陷的抗擾動能力，目前暫無專門研究，但國內外學者對開采沉陷耕地的影響及抗擾動能力進行了大量的研究，馬丹·賽恩 （1992）在總結了大量文獻的基礎上，將基本農田的損害按照水平變形與坡度進行了劃分，認為當拉伸變形達到2.0×10-3～3.0×10-3時，為中度減產破壞；水平拉伸變形達到5.0×10-3時為重度減產破壞；沉陷引起的附加坡度在2.0×10-3～-3.0×10-3時，為中度減產破壞；坡度達到6.0×10-3時為重度減產破壞。鄭南山等 （1998）依據徐淮礦區開采破壞特點，選取高潛水位礦區開采沉陷對耕地破壞程度指標并進行程度分級。

邊開采邊復墾的耕地損害情況評價，是實時動態的評價，其目的是為了在清晰地、明確地界定各個階段的耕地損壞狀況后，實時或者超前采取措施進行治理，同時，確保治理后的工程能承受后續的沉陷擾動影響。對于農業耕作系統中的不同部分，其破壞閾值與可承受程度也有所不同，根據以往研究經驗，本文將沉陷區耕地中受影響的各個部分分為兩大類，分別確定其損害的標準，也以此為依據評判復墾時機選擇的合理性。

首先，將耕地本身的土壤作為第一類，即復墾后的耕地在豎直方向上要預留標高承受后續豎直下沉的影響，不至于后續沉陷影響后的再次積水現象；復墾后的土壤能保證后續的水平移動分量、傾斜與曲率變形能在破壞閾值之下，耕地不會在表土回覆、土地平整施工后再出現變形導致的開裂現象，可以選擇水平變形 （地面是否開裂）為關鍵評價指標。其次，將農田耕作系統中農林路網、灌溉排水等配套設施作為第二類，在施工建設后，此類設施也必須能承受后續開采的變形影響，開采引起的變形包括水平移動、水平變形、傾斜、曲率等。通過以往研究，大多選取水平變形作為評價耕地損毀程度的指標。綜合考慮后，同時為了判別的簡單準確性，確定邊采邊復過程中水工建筑抗損毀的評價指標為水平變形。對于不同結構的水工建筑 （田間道路、排灌溝渠、塘壩、磚瓦結構灌溉機井等），所能承受的抗壓強度或者抗拉強度不一樣。此外，對于線狀 （溝渠、塘壩）等線狀地物來說，除了水平拉伸變形會導致其產生裂縫外，過大的曲率變形也會對其造成破壞，因此選擇水平變形與曲率變形為關鍵評價指標。

在任意開采時刻，地面的水平變形分布是不同的，各類水工建筑抗 （變形）損害的能力也有區別。根據以上原理，建立耕地 （或者復墾后耕地）的損毀 （抗損毀）能力模型，對于t開采時刻，地面的抗損害敏感區域可由式1得出。對于邊采邊復來說，應當避免在t時刻在Rt區段進行相關的復墾水工建筑建設施工。在此基礎上，可盡早對剝離的表土進行回填、平整與水利設施的建設。

式中：Rt——t時刻的抗損害敏感區域；

S——敏感區域面積；

V——水平 （曲率）變形閾值；

Rt（S，V）——田間道路抗損害敏感區域；

Tt（S，V）——溝渠抗損害敏感區域；

Pt（S，V）——塘壩體抗損害敏感區域；

Bt（S，V）——地面建筑抗損害敏感區域。

2 基于GIS的地面施工敏感區的評判模型

本文采用GIS，在Arcinfo平臺下進行操作。具體的包括如下幾個步驟：

（1）劃分地面單元，并柵格化地面單元。將地面劃分為方格地面單元，方格地面單元各邊長度為H／20所得數的10位取整 （H為平均采深，單位為米）。將方格地面單元柵格化，柵格化單位取值范圍為10～100 m。

（2）根據開采階段進行沉陷預計，獲取各個開采階段的地表變形等值線，地表變形等值線包括水平變形等值線與曲率變形等值線，開采階段以月或年為單位進行劃分。

（3）通過GIS的插值與擬合功能，獲取各個開采階段的地表的水平變形柵格圖與曲率變形柵格圖，實現地表變形等值線到變形柵格圖的轉換。

（4）將獲取的水平變形柵格圖與曲率變形柵格圖分別通過疊加運算，賦值給地面單元，獲取每個地面單元各個開采階段的變形值，地面單元的變形值取所在地面單元內柵格單元的最大值。如式2與式3所示。

式中：Si——地面單元i的水平變形；

En——地面單元i內第n個柵格單位的水平變形值；

Qi——地面單元i的曲率變形；

Fn——地面單元i內第n個柵格單位的曲率變形值。

（5）確定各個開采階段復墾施工的敏感地面單元，若Si≥Bj，則該地面單元為施工敏感單元，否則為非敏感單元 （Bj為對應的施工對象的抗水平變形的閾值；若Qi≥Gj，則該地面單元為施工敏感地面單元，否則為非敏感單元，Gj為對應的施工對象的抗曲率變形的閾值；對于各開采階段中的每個地面單元，若Si或者Qi中任意一個超過閾值，則該地面單元為該開采階段的復墾施工敏感地面單元。

地面施工敏感區的評價流程如圖1所示。

圖1 施工敏感單元判定流程圖

3 實例應用

3.1 研究區概況

本文所選案例位于山東省西南部，屬黃河沖洪積平原，地形平坦，地勢略呈現西北高東南低，地面標高為+40.01～+46.14 m，平均43.26 m，自然地形坡度為2‰。礦區內水系比較發達，河流溝渠縱橫成網，且多系人工開掘的季節性河流。根據鄰近地區煤炭開采經驗，由于該地區潛水位淺，蒸發強烈，潛水濃縮鹽化，容易局部形成鹽堿地，開采沉陷后導致的地面積水毫無疑問會加劇局部區域的鹽堿化，影響正常的農業耕作。該礦井為巨厚新生界松散層覆蓋的全隱蔽煤田，新生界地層厚度531.50～767.80 m，平均為655.16 m。首先開采的3上煤層平均采深約800 m，平均采高達到9 m。

為了得到該地區單一工作面開采對地面動態影響規律，選擇首采區1301N工作面為研究對象。該工作面位于礦區西北部，工作面南北向布置，走向長度2500 m，傾向220 m，開采高度9.0 m，自南向北采用綜合機械化開采，開采時間自2010年1月1日至2011年1月15日。地面高程變化為+43.0～+44.50 m，地下水埋深約3.0 m左右，地形相對較為平坦，西北高，東南低。工作面的布置情況及地面地形情況如圖2所示。

3.2 施工敏感區確定過程

（1）劃分地面單元，并柵格化地面單元。

將地面劃分為方格地面單元，確定本實施例地面單元尺寸為40 m×40 m，共7875個地面單元。柵格化地面單元，柵格化單位選取為10 m×10 m；則每個地面單元有16個柵格單元。

圖2 工作面布置及開采前地面高程情況

（2）根據開采階段進行沉陷預計，獲取各個開采階段的地表變形等值線 （包括水平變形等值線與曲率變形等值線）；開采階段以月為單位進行劃分；共獲得12期開采階段的水平變形等值線與曲率變形等值線。

（3）通過GIS的插值與擬合功能，獲取各個開采階段的地表的水平變形柵格圖與曲率變形柵格圖；實現地表變形等值線到變形柵格圖的轉換。

（4）將獲取的水平變形柵格圖與曲率變形柵格圖分別通過疊加運算，賦值給地面單元，獲取每個地面單元各個開采階段的變形值，地面單元的變形值取所在地面單元內柵格單元的最大值。

（5）確定各個開采階段復墾施工的敏感地面單元，若Si≥Bj，則該地面單元為施工敏感單元，否則為非敏感單元 （Bj為對應的施工對象的抗水平變形的閾值，施工對象的抗水平變形的閾值由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》確定）；若Qi≥Gj，則該地面單元為施工敏感地面單元，否則為非敏感單元 （Gj為對應的施工對象的抗曲率變形的閾值，施工對象的抗曲率變形的閾值由 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》確定；對于各開采階段中的每個地面單元，只要Si或者Qi中任意一個超過閾值，則該地面單元為該開采階段的復墾施工敏感地面單元。

本實施例中，由于耕地區施工過程中主要考慮拉伸變形導致的裂縫，因此對于復墾為耕地的只選取Bj=5 mm／m；對于進行磚和混凝土的溝渠及魚塘堤壩建設的取Bj=2.5 mm／m，Gj=12 km；由此，確定了各個開采階段地面施工敏感單元，以第六開采階段為例，耕地復墾施工敏感地面單元共51個，如圖3（a）所示；復墾為溝渠與魚塘堤壩的復墾施工敏感地面單元共320個，如圖3（b）所示。在第6開采階段進行復墾工作時，應當避免在上述地面單元進行對應的復墾施工。圖中虛線為開采工作面，陰影部分為施工敏感地面單元。

圖3 第6開采階段復墾施工敏感區域

4 結論

本文建立了以地理信息系統 （Geographic Information System，GIS）為手段，以Arcinfo為平臺的施工敏感區判定模型。在分階段動態沉陷預測的基礎上，對預先劃分好的地面格網進行了分析，確定了各個開采階段的地面施工敏感單元。

模型運用于山東某礦山，將工作面劃分為13個開采階段，確定了各個階段地面施工的敏感單元，以第六開采階段為例，耕地復墾施工敏感地面單元共51個；復墾為溝渠與魚塘堤壩的復墾施工敏感地面單元共320個。

［1］王漢鵬，李術才，李為騰，李海燕，李智 .深部厚煤層回采巷道圍巖破壞機制及支護優化 ［J］.采礦與安全工程學報，2012（5）

［2］Hu Zhenqi，Xiao Wu.Optimization of concurrent mining and reclamation plans for single coal seam：a case study in northern Anhui，China［J］.Environmental Earth Sciences，2013（5）

［3］Wu Qunyuan，Pang Jiewu，Qi Shanzhong，Li Yiping，Han Congcong，Liu Tingxiang，Huang Limei.Impacts of coal mining subsidence on the surface landscape in Longkou City，Shandong Province of China ［J］，Environmental Earth Sciences，2009 （4）

［4］卞正富 .我國煤礦區土地復墾與生態重建研究［J］.資源與產業，2005（2）

［5］Hu Zhenqi.The technique of reclaiming subsidence areas by use of a hydraulic dredge pump in Chinese coal mines ［J］.International Journal of Mining，Reclamation and Environment，1994（4）

［6］胡振琪 .中國土地復墾與生態重建20年：回顧與展望 ［J］.科技導報，2009（17）

［7］盧國懿，薛峰，趙江濤 .對我國粉煤灰利用現狀的思考 ［J］.中國礦業，2011（Z）

［8］鄧琨 .固體廢棄物綜合利用技術的現狀分析 ［J］.中國資源綜合利用，2011（1）

［9］周錦華，胡振琪 .固體廢棄物煤矸石室內擊實試驗研究 ［J］.金屬礦山，2003（12）

［10］李太啟，戚家忠，周錦華等 .劉橋二礦動態塌陷區預復墾治理方法 ［J］.礦山測量，1999（2）

［11］胡振琪，肖武，王培俊，趙艷玲 .試論井工煤礦山邊開采邊復墾技術 ［J］.煤炭學報，2013（2）

［12］Howard L.Hartman，SME Mining Engineering Handbook［M］.Society for Mining，Metallurgy，and Exploration（U.S.）

［13］鄭南山，胡振琪，顧和和 .煤礦開采沉陷對耕地永續利用的影響分析 ［J］.煤礦環境保護，1998（1）

［14］王巧妮，陳新生，張智光 .基于綜合效益評價的采煤塌陷地復墾模式的設計 ［J］.中國煤炭，2009（1）

［15］陸軍 .煤礦土地復墾主要問題和政策措施建議［J］.中國煤炭，2001（4）

Determination of sensitive area for concurrent mining and reclamation construction in underground coal mines

Xiao Wu，Hu Zhenqi，Yang Yaoqi，Miao Huiling，Zhou Xiangbo
（Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

The subsiding area on the ground endures vertical subsidence and horizontal deformation，therefore，was defined as construction sensitive area（CSA）.This research categorized types of CSA，according to various reclamation objectives.Furthermore，farmland was selected as target，the determination and process of CSA for farmland was presented，and was applied in a panel in Shandong province.The surface was divided into 7875 cells，and mining process underground was divided into 13 stages.

coal mines，concurrent mining and reclamation，construction sensitive area，spatial distribution

TD997

A

國土資源部公益性行業科研專項（200911015-03），中央高?；究蒲袠I務費專項資金（2013QD03）資助

肖武 （1983-），男，湖南漣源人，中國礦業大學 （北京）講師，研究方向為測繪、開采沉陷與土地復墾。

（責任編輯 張大鵬）