煤礦開采地表擬破壞土地面積預測方法及應用

摘要 為了確定煤礦復墾方案中涉及的礦區土地破壞范圍，及在此基礎上進一步確定煤礦開采過程中破壞程度分級、土地復墾適宜性評價等，基于地表沉陷理論提出了一種煤礦開采過程中擬破壞土地面積的預測方法，并以某煤礦為案例具體說明了該方法在實際中的應用。經計算確定煤礦的最大水平變形值、最大曲率值、最大傾斜值、最大下沉值、最大水平移動值Ucm、及地表最大下沉速度值；地表移動盆地的最外邊界、危險移動邊界及最大下沉值邊界；根據地表移動邊界繪制下沉等值線，并將下沉等值線圖與礦區的土地利用現狀圖進行疊加，便得到礦區預測破壞土地的范圍，由此計算出破壞土地面積。該方法與礦區實際情況相結合，使礦區土地復墾設計方案具有較強的可操作性。

關鍵詞 土地復墾；煤礦開采；擬破壞土地面積預測；方法

中圖分類號S28文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）29-10361-03

作者簡介張俊芳（1978- ），女，河北固安人，工程師，碩士，從事土地整理規劃設計及土地復墾研究。

為保護和合理利用土地資源，改善生態環境，防治礦產資源開采等生產項目因挖損、壓占、沉陷等造成土地破壞，根據《中華人民共和國土地管理法》、《土地復墾規定》等有關法律法規的要求，按照“誰破壞、誰復墾”的原則，該方案的編制與實施，將達到煤炭資源的開發利用和礦區工農業生產以及社會經濟的綜合發展相協調的目的，對發展農業、煤炭生產、水土保持和改善礦區及周邊生態環境具有重要意義和作用[1-4]。對礦區破壞的土地實施復墾，可以對礦區環境進行綜合治理；對煤矸石壓占的土地進行復墾，可以減少污染，改善環境，增加土地復墾率，減少洪水流量，改善土壤的生態環境；植樹造林，地表林草植被增加，促進野生動物的繁殖，減少風沙，調節氣候，凈化空氣，美化環境。

在土地復墾方案編制過程中，礦區土地破壞范圍劃定、破壞程度分級、土地復墾適宜性評價均與礦區實際情況相結合，只有這樣才能保證礦區土地復墾設計方案具有較強的可操作性。土地復墾方案中擬破壞土地面積的確定是復墾方案的預防控制與復墾措施、土地復墾工程設計及土地復墾投資估算的前提。擬破壞土地面積的數量和數量確定的準確性直接影響土地復墾工程設計工程量及土地復墾投資估算的準確性[5-9]。因此，計算和確定煤礦開采中擬破壞土地面積對于土地復墾方案的編制至關重要。

1研究區概況

1.1氣候條件研究對象煤礦位于陜、甘、寧3省交界，地處六盤山東麓、汭水河畔，行政區劃隸屬甘肅省平涼市管轄。井田南北走向長6.15 km，東西傾斜寬1.182 km，礦區面積7.27 km2。礦區屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬春干燥寒冷，夏秋陰濕多雨。年平均氣溫7.9 ℃，年平均降水量607 mm，降水時空分布不均，多集中在6～10月，占年降水量的72.2%。年蒸發量1 435.2 mm，年平均相對濕度69%～73%。年日照時數為2 255 h，全年無霜期166 d，≥10 ℃積溫2 694.7 ℃。煤礦地處地形總體北部高、南部低，地形起伏較大。礦區最高點在北部高莊，海拔1 643 m，最低點在北汭河河谷，海拔1 460 m，相對高差183 m。土壤以黑壚土、棕壤為主，其次為黃綿土、紅粘土。

1.2開采工藝煤系地層總平均厚度294.10 m，煤層總平均厚度22.10 m，含煤系數為7.51%。礦井主采煤層一層（煤6-2層），煤層傾角0～75°，平均傾角取30°。礦井采用中央并列抽出式通風方式，采煤方法為走向長壁傾斜分層綜采放頂煤采煤方法（一個工作面）。回采工作面長度為100 m，年推進度700 m。頂板管理方法為全部陷落法。生產開采方式：主副斜井開拓，走向長壁綜采放頂煤一次采全高。生產規模與能力：設計年生產能力150萬t/年。生產服務年限：34.1年。

1.3煤礦地質條件煤田屬中下侏羅紀煤田，煤系沉積基底為上三疊統延長群砂巖，上覆地層有中侏羅統的紫紅色砂質泥巖、下白堊統砂巖、砂質泥巖、紫紅色礫巖、上第三紀甘肅群砂質泥巖、砂巖及第四系黃土、近代沖積層，呈不整合或假整合接觸。

（1）上三疊統延長群（T3yn）。井田內鉆孔所見僅為其上部地層，以灰白～灰綠色粉、細、中粒長石砂巖為主，含少量石英及云母，其頂部為薄層深灰色砂質泥巖。鉆孔揭露最大厚度23.97 m，最小1.82 m，平均11.12 m，全層厚度不詳。

（2）中侏羅統延安組（JQ2Y）。為該礦區的含煤地層，全層厚17.28～195.25 m，平均146.17 m。

（3）上第三系甘肅群（Ngn）。為一套半膠結的陸相碎屑巖系。底部為厚層砂礫巖，膠結較好，堅硬；頂部被剝蝕。厚度不全，鉆孔所見全層厚度180.74～267.81 m，平均224.76 m。

（4）第四系上更新統馬蘭組（Q3m）及全新統（Q4）。廣布于井田內山頂、梁峁及溝谷兩側，下部為黃色亞粘土及亞砂土，上部為黃褐色耕植土。全層厚0～20.75 m，平均11.11 m。

1.4項目區內土地利用現狀根據1∶10 000地形圖結合實地調查和遙感衛星影像，將礦區范圍內的土地利用情況劃分二級地類，詳見表1。

2擬破壞土地預測方法

2.1地表沉陷預測理論基礎

2.1.1地表移動盆地。在地表移動盆地的形成過程中，逐漸改變了地表的原有形態，引起地表標高、水平位置發生變化。從地表移動的力學過程及工程技術問題的需要出發，地表移動的狀態可用垂直移動和水平移動進行描述。常用的定量指標有：下沉、水平移動、傾斜、曲率、水平變形。

2.1.2判斷采空區是充分采動還是非充分采動。當地下煤層采出后地表下沉值達到該地質采礦條件下應有的最大值，此時的采動狀態稱為充分采動。此后，開采工作面的尺寸繼續擴大，地表影響范圍也相應擴大，但地表最大下沉值卻不再增加，地表移動盆地將出現平底，呈碗形。如地表有多個點的下沉值達到最大下沉的采動情況，稱為超充分采動，此時的地表移動盆地呈盆形。我國煤礦多年現場實測表明，當采空區的長度和寬度均達到或超過1.2H0～1.4 H0 （H0平均開采深度）時，地表達到采分采動。非充分采動，是指當采空區尺寸（長度和寬度）小于該地質采礦條件下的臨界開采尺寸時，地表最大下沉值未達到該地質采礦條件下應有的最大下沉值。

該礦區煤層埋深410～590 m，平均開采深度為500 m。礦區走向長約6.51 km，傾斜寬度約1.182 km，其開采后形成的采空區長度和寬度均超過1.4H0 （1.4×500=700 m），因此礦區的采空區屬于超充分采動。具體到每一個采煤工作面，依據某煤礦改擴建工程可行性研究報告，設計采煤工作面長度為100 m，年推進700 m。由此進行計算，采煤工作面年推進回采后的采空區的長度等于1.4H0 （1.4×500=700 m），寬度100 m小于1.4H0 （700 m），地表在第7年將達到充分采動。

2.2充分采動條件下地表變形值的計算開采沉陷穩定后，地表移動盆地的最大下沉和最大水平移動值反映了地表移動變形的劇烈程度。

2.2.1最大下沉值。計算公式為：Wcm=M·q·cosα （1）

式中，M為煤層開采厚度，礦區煤層開采厚度22.1 m，分3層開采，每層開采平均厚度為7.4 m；α為煤層傾角，根據某煤礦地質勘查報告，區煤層傾角α=10°～75°，預測計算煤層傾角α取35°；q下沉系數，綜合煤層頂底板巖性，考慮到某煤礦頂板管理方法（全部陷落法），該預測方案取下沉系數q=0.7；Wcm為最大下沉值（mm）。

2.2.2最大傾斜值。計算公式為：

2.2.3最大曲率值。計算公式為：

2.2.5最大水平變形值。計算公式為：

2.3地表移動邊界按照地表移動變形值的大小及其對地表的影響程度，可將地表移動盆地劃分出3個邊界，最外邊界、危險移動邊界和裂縫邊界。一般取下沉10 mm的點為邊界點，最外邊界實際上是下沉10 mm的點圈定的邊界。我國一般采用3個變形值i=3 mm/m，ε=2 mm/m，k=0.2 mm/m2中最外一個值確定的臨界邊界為危險移動邊界。

2.4地表移動變形規律當煤層自隨x=0開采到x=∞時，地表穩定后的移動變形采用如下公式計算：

2.5地表最大下沉速度預測地表最大下沉速度V0計算公式為：

3地表沉陷的預測結果

3.1充分采動條件下地表變形值利用公式（1）～（7）和式（16）計算，最大水平變形值εcm=11.07 mm/m，最大曲率值Kcm=0.125 mm/m2，最大傾斜值icm=18.67 mm/m，最大下沉值Wcm=4 243 mm，最大水平移動值Ucm=1 654.77 mm，地表最大下沉速度值約3.65 mm/d。

3.2地表移動邊界

3.2.1地表移動盆地的最外邊界。地表移動盆地的最外邊界取下沉10 mm的點圈定的邊界。利用公式（8）、（13）、（15）計算，當x=-261.4 m時，下沉值為10 mm，即地表移動盆地的最外邊界位于開采邊界外，距開采邊界261.4 m。

3.2.2地表移動盆地的危險移動邊界。我國采用的臨界變形值為i=3 mm/m，ε=2 mm/m，k=0.2 mm/m2。當上述3個變形值中最外一個值確定的邊界即為危險移動邊界。利用式（9）～（15）計算，當x=-170.5 m，i=3 mm/m，此處為危險移動邊界，即地表移動盆地的危險移動邊界位于開采邊界外，距開采邊界170.5 m。

3.2.3最大下沉值所對應的邊界。利用式（8）、（13）、（15）計算，當x=318.22 m，地表下沉達到最大值，即此處為最大下沉值邊界，其位于開采邊界內，且距開采邊界318.22 m。

3.3預測破壞土地的范圍根據上述該礦區的地質特征及已確定的參數，計算的該礦區地表沉陷影響邊界一般在開采邊界外261.4 m至開采邊界內318.22 m。根據地表移動邊界繪制下沉等值線，并將下沉等值線圖與礦區的土地利用現狀圖進行疊加，便得到礦區預測破壞土地的范圍，由此計算出破壞土地面積，結果見表2。

4結論

該研究首先介紹了地表沉陷理論，并基于此理論提出了一種煤礦開采過程中擬破壞土地面積的預測方法，并以某煤礦為案例具體說明了該方法在實際中的應用，得出如下結論：

（1）煤礦的最大水平變形值εcm =11.07 mm/m，最大曲率值Kcm=0.125 mm/m2，最大傾斜值icm=18.67 mm/m，最大下沉值Wcm=4 243 mm，最大水平移動值Ucm=1 654.77 mm，地表最大下沉速度值約3.65 mm/d。

（2）地表移動盆地的最外邊界位于開采邊界外，距開采邊界261.4 m，地表移動盆地的危險移動邊界位于開采邊界外，距開采邊界170.5 m，最大下沉值邊界，其位于開采邊界內，且距開采邊界318.22 m。

（3）該煤礦開采過程中擬破壞土地總面積964.50 hm2，其中耕地破壞面積442.87 hm2，林地破壞面積50.44 hm2，草地破壞面積458.37 hm2，園地破壞面積4.70 hm2，農村宅基破壞面積2.30 hm2，農村道路破壞面積5.82 hm2。

參考文獻

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