基于GIS的高潛水位煤礦區邊采邊復表土剝離策略

肖 武，王培俊,王新靜,余 洋,陳 超

(中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所,北京 100083)

1 概述

高潛水位煤礦區所在地區主要位于我國的東北區與華東區，其中東北區主要為東北平原，華東區為黃淮海平原。高潛水位礦區包括了14大煤炭基地中的5大基地，即：兩淮、魯西、河南、冀中、內蒙古(東北部分)。這類地區具備以下4個特點：①可開采煤層數量多，以淮南礦區為例，可開采煤層數量達到9～18 層[1]；②煤層厚度大，淮南礦區可采煤層總厚度 22～34m[2]，山東兗州、濟東礦區、滕南礦區3煤最大開采厚度為12m[3]；③潛水位埋深小，高潛水位礦區潛水位埋深大多小于4m。大部分地區如兩淮、魯西等地潛水位埋深甚至僅為1.5m；④地勢相對平坦，高潛水位煤礦區所處位置主要為東北區與華東區，其中東北區主要為東北平原，華東區為黃淮海平原。除少部分區域外，大多為地勢平坦的區域。

以上這些因素，使得煤炭開采后地面塌陷積水現象格外嚴重，沉陷后積水率往往達到50%以上。在平原礦區，目前可用復墾的充填物主要包括煤矸石、粉煤灰及城市建筑垃圾，但是充填復墾也存在著一定的局限性。一方面，這些固體充填物產量較小，其中，煤矸石的產量約占全國煤炭產量的10%～15%[4]，而粉煤灰主要位于電廠附近，2009年粉煤灰產量約4.5億t左右[5]，與面積巨大的地面沉陷范圍相比，充填物相對來說十分缺乏，這一現象在平原地區更為嚴峻。另一方面，隨著固體廢棄的綜合利用率逐年提高，可用于充填復墾的固體廢棄物也逐漸減少，根據2008年數據，全國煤矸石和粉煤灰的綜合利用率分別達到了55%與67%[6]，這些固體廢棄物大多用于發電，制磚瓦、水泥、筑路等。最后，由于大部分礦區都遠離城市，使得城市垃圾充填復墾也難以大范圍應用。上述原因，致使高潛水位煤礦區采煤沉陷地復墾率較低。據預測，我國2015年、2020年、2030年煤炭需求量分別為37億～39億t、39億～44億t、45億～51億t[7]。由于煤炭資源在我國能源結構中占據的主導型地位在短期內不會改變，可以預見，隨著經濟的高速發展，采煤沉陷土地的情況將隨著進一步加劇，采煤沉陷仍將是煤炭生產過程中面臨的最大的問題。

我國從20世紀80年代開始了采煤沉陷地復墾的研究和實踐，取得了很多的成果。從20世紀90年代開始，一些礦山和學者就開始探尋非穩定沉陷地的復墾技術，如1992年平頂山礦務局在東高皇鄉辛北村進行了“超前復墾”，即對即將沉陷的土地開挖水渠、降低潛水位，使土地沉陷后不積水而達到復墾的目的。一些學者也相繼提出了預復墾[8]、超前復墾[9]、動態復墾[10]等概念和方法。但由于以往復墾都是地面沉陷穩定后再采取措施，導致珍貴的表土與心土資源沉入水底，無法利用。而如果表土剝離時間過早，也會影響正常的農業生產活動。甚至于有的復墾工程由于過早施工建設，施工后的工程經受不住后期沉陷的影響而導致復墾失敗的案例也存在。

本文以山東某礦工作面為例，結合GIS的空間分析功能，合理劃分了地面單元，對煤炭開采后地面的動態沉陷過程進行了模擬，明確了地面開始沉陷及出現積水的時間，明確了表土剝離的策略，定量的確定了地面各單元表土剝離的時間、范圍與深度，剝離的表土可用于后期土地復墾工作。

2 研究區概況

研究區位于山東省西南部，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～+46.14m，平均43.26m，自然地形坡度為2‰。礦區內水系比較發育，河流溝渠縱橫成網，且多系人工開掘的季節性河流。根據臨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531.50～767.80m，平均為655.16m。首先開采的煤層平均采深約800m，平均采高達到9m。因此，對該地區的模擬與研究具有普遍性和代表性。

本文選擇該礦山首采工作面進行分析，工作面位于礦區西北部，工作面南北向布置，走向長度2500m，傾向220m，開采的煤層高度9.0m，自北向南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～+44.50m，地下水埋深約3.0m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開采前地面地形情況如圖1所示。

圖1 工作面布置及地面地形情況

3 模擬方法及過程

3.1 開采階段的劃分及沉陷預測

將模擬的工作面以月為單位將開次劃分為13個階段，階段劃分及各階段開采進度如圖2所示。由于煤層為近水平煤層，根據開采沉陷學理論，沉陷預計方法選用概率積分法，采用msps預計軟件，其計算原理為[11]：對于任意形狀的工作面，其煤層厚為m，假設將整個工作面開采劃分為足夠小的n個單元開采，其中開采單元i的面積用Ai表示，則任意點(x，y)在t時刻的下沉值按式(1)計算。

Wt(x,y)=[∑Weti(x,y)·Ai]·mqcosα

(1)

式中：Wt(x，y)為任意點(x，y)在t時刻的下沉值(mm)；Weti(x，y)為開采單元i開采引起地表任意點(x，y)在t時刻的下沉值(mm)；q為下沉系數(本試驗為0.85)；α為煤層傾角(度，本試驗為3)。同時，軟件考慮了開采的充分性，可以根據開采的充分性預計不同開采尺寸下的地表下沉率(q’)。分析各開采階段的地表下沉特征與表現形式。

對工作面的開采進行了分階段的動態沉陷預測，由此獲得了各期開采的下沉等值線。另外，對沉陷穩定即最終的下沉狀況也進行了預測。本文所采用的下沉預測參數見表1。

表1 工作面地表移動變形預測參數

3.2 基于GIS的地表沉陷模擬

上節獲得的各階段下沉等值線，只能代表地面為水平狀態時的下沉。近年來，很多學者開始將GIS運用于開采沉陷后的地表信息表達，同時開始考慮原始地表的動態沉陷信息表達[12-13]。作者(2011)針對已有開采沉陷三維可視化方法未全面考慮礦區原始地貌特征的缺陷，運用GIS軟件，通過不同開采階段沉陷預計結果與地面原始高程數據的耦合，形成礦區開采地貌特征的動態可視化表達，形象地反映礦區開采后地表沉陷變化的規律及沉陷表征[14]。運用GIS的空間分析與疊加功能，將原始地表地形數據與沉陷數據進行疊加與插值，從而獲得各階段的開采沉陷后地面狀況。

為了定量的描述和分析地表各處表土沉入水中的開采階段，同時，也考慮后期地面施工土方計算的準確，在地面建立了40m×40m的格網，共7875個格網單元，如圖2所示。格網單元的大小，可根據地表巖層移動觀測站的建立標準，本文選擇為H/20，H為開采深度。

由此獲得各個地面單元各開采階段的實時高程信息與是否積水等信息。

圖2 開采階段與地面單元的劃分

4 結果分析

根據模擬，地面出現積水的臨界時間為2010年5月1日，即開采了120天(推進距離為804m)時。因此，該工作面表土應當在地下工作面推進了804m前進行。同時，具體剝離的時間還要考慮農業耕作時間，以及農民意愿等具體的地面情況。最終工作面開采共涉及461個格網的表土剝離，剝離面積73.76hm2。根據劃分的階段，每個開采單元或者階段對應的地面表土剝離范圍如圖3所示。

圖3 基于地面格網的實時表土剝離范圍

實際的表土剝離工作不能根據圖3簡單進行，高潛水位礦區地面表土剝離所需要考慮的其他因素包括[15]：①農耕農時，盡量保證當季種植農作物的收獲；②農民的意愿，土地權屬人是否愿意進行剝離與復墾；③施工季節，盡量選擇在旱季進行，避免雨季施工。

因此，綜合考慮，在分析了本次動態沉陷及需要剝離范圍的基礎上，安排了表土剝離的策略。由于當地主要種植小麥，小麥收獲季節為每年的6月份。因此，將涉及本工作面開采的表土剝離分為兩次進行，第一次剝離時間定為2010年1月進行，剝離范圍為圖3中2010年5月與2010年6月將要積水的格網；第二次剝離時間定為2010年7月收獲結束后進行，剝離范圍為2010年7月至2011年2月將要積水的格網。剝離的表土將就近堆放，待沉陷基本穩定后再安排土地平整及配套相關水利設施的建設。表土剝離策略的確定能最大有效的保護珍貴的表土資源，避免沉入水底，且確保了復墾耕地率[16]。

5 結論

本文通過開采沉陷預測與GIS結合，建立了以Arcinfo為平臺的表土剝離時機與區域確定模型。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表土剝離單元。研究方法運用GIS的空間分析功能與動態開采沉陷預測技術，能定量確定地面任意單元在各開采階段的具體沉陷情況，由此定量化的確定了地面需要進行表土剝離的范圍及準確的時間，綜合考慮其他因素，確定了操作性更強的表土剝離策略。研究有利于井工煤礦區的邊采邊復技術的研發，并促進開采與治理的同步進行。

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