采煤沉陷區土地破壞程度預測及分析

張俊芳 （北京中地華源土地規劃設計中心，北京 100080）

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《土地管理法》、《土地管理法實施條例》、《礦產資源法》、《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，編制復墾方案。通過復墾方案的實施，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，對農業發展、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［1－3］。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;增加地表林草植被，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，改善生態環境。

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要與礦區實際情況相結合，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、擬破壞土地面積的破壞程度如何將直接影響復墾方案的預防措施、復墾措施、土地復墾工程設計及土地復墾投資估算。擬破壞土地面積尤其是各破壞程度土地面積的數量和質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。因此，計算和確定煤礦開采中擬破壞土地面積的破壞程度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 煤礦A位于陜、甘、寧3省交界、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 1．18 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A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［4］。

1．2 開采工藝 煤礦A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（1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。生產開采方式為主副斜井開拓，走向長壁綜采放頂煤一次采全高。設計年生產能力150萬t/年。生產服務年限為34．1年［4］。1．3 煤礦地質條件 煤礦A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，將煤礦A礦區范圍內的土地利用情況劃分二級地類，詳見表 1［4］。

表1 煤礦A礦區土地利用現狀

2 采煤沉陷區土地破壞程度預測及分析

影響采煤沉陷范圍內土地破壞的因素主要有下沉、平移、傾斜、曲率以及水平變形（拉伸、壓縮等）。

2．1 下沉和平移預測 從理論上講，如果地表在同一瞬間發生相同的整體下沉或平移，對土地是不會產生有害影響的。土地的有害影響主要是下沉或平移的不同時和不均衡，表現為傾斜、曲率、拉伸和壓縮等變形。

由于井田內地形相對高差較大，切割強烈、溝谷發育、開采沉陷可能導致坡度較陡的坡體在瞬間發生大面積的整體性滑動或坍塌，即發生采動滑坡，從而造成土地的大面積災害性破壞［5］。

2．2 傾斜和曲率 傾斜和曲率是采煤沉陷引起的豎直面上的變形，是由于地面相鄰點間下沉不均衡所致。井田近水平煤層長壁垮落法大面積開采條件下，沉陷區的地表附加傾角和曲率隨采厚的增加而增大，隨采深的增加而減小，曲率隨采深的增加而很快減小。

沉陷區地表傾斜變形對土地的影響顯然是使地面產生一個附加傾斜。對山區或丘陵區而言，當這個附加傾斜的方向與原有地表傾斜方向相同，則使地表傾斜加大，對土地的水土保持和耕作不利，反之則使地表原有傾角減小，對土地的水土保持和耕作有利。煤礦A礦區煤層開采后，地表平均傾斜為18．67 mm/m。

沉陷區曲率變形對土地的影響主要是使土地表面產生一個附加彎曲。煤礦A礦區地表平均傾斜曲率附加值為0．125×10－3mm/m2。由于土地抗變能力很小，當附加曲率值超過0．2 ×10－3～0．3 ×10－3mm/m2，一般黃土地面即可出現不同程度的裂縫或膨脹，曲率變形越大，對土地的破壞程度越嚴重。

煤礦A煤礦煤層開采后因為沉陷會導致原地表發生一定程度的傾斜，并產生附加曲率，其值較小。

2．3 水平拉伸和壓縮變形 水平變形是采煤沉陷區地表相鄰點水平移動不均衡所致。煤礦A礦區井田采用長壁垮落法開采，沉陷區的水平變形分布與曲率變形相似，即正曲率部位出現水平拉伸變形，負曲率部位出現水平壓縮變形。

由于長壁垮落法開采工作面推進過程中，其前方地表一定范圍內出現水平拉伸變形，而后方地表一定范圍內出現水平壓縮變形。雖然在回采停止后，永久性的水平拉伸變形分布在開采區地表移動盆地的邊緣部分，水平壓縮變形分布在采空區地表移動盆地的中央部分，但在開采過程中，沉陷區的全部地表都經受動態水平拉伸和壓縮的變形，沉陷區附加水平變形值也是隨采厚的增加而增大，隨采深的增大而減小。當地表水平變形值超過2 mm/m時，沉陷區的土地將產生不同程度的裂縫，水平變形越大，地表裂縫也就越嚴重。煤礦A礦區中水平變形平均值約為11．07 mm/m。當地表水平變形值超過2 mm/m時，沉陷區的土地將產生不同程度的裂縫。由于煤礦A礦區水平變形值較大，因此對場面破壞程度較重。

2．4 沉陷盆地土地破壞程度分析 對沉陷盆地，在進行土地破壞等級預測時，根據我國現行采用的臨界變形值標準:傾斜值i=3 mm/m，水平變形值 ε=2 mm/m，曲率k=0．2 mm/m2，小于此臨界值，為輕度破壞，大于此臨界值，為中度、重度。詳見表2。

表2 磚混結構建筑物損壞等級

根據沉陷預測，煤礦A礦區煤層開采后，形成的平均沉陷值為4 243 mm，平均傾斜值為18．67 mm/m，平均水平變形值為11．07 mm/m。對照表2可知，煤礦A礦區煤層開采后，土地破壞等級均在Ⅳ級以內（屬于重度破壞）。

總之，煤礦A礦區煤層開采后，沉陷盆地區域的土地破壞等級均為Ⅰ級（屬于輕度破壞）;沉陷臺階和沉陷邊緣地段的土地破壞等級為Ⅳ級（屬于重度破壞）。

2．5 沉陷盆地破壞土地分區

2．5．1 地表移動盆地Ⅰ區。該區域介于地表移動盆地的最外邊界與危險移動邊界之間。分析計算結果顯示，煤礦A煤層開采時，這一區域的寬度在90．9 m左右，該區域變形小，不會使區域內的建筑物發生損害。該區域屬于輕度破壞，面積為 129．46 hm2。

2．5．2 地表移動盆地Ⅱ區。該區域介于地表移動盆地危險移動邊界與最大下沉邊界之間。該區域變形較大，會產生裂縫，會使區域內的建筑物發生不同程度的損害，其損害程度依據建筑物（構筑物）能承受最大變形的能力而定。分析計算結果顯示，煤礦A煤層開采時，這一區域的寬度在488．72 m左右，危險移動邊界線和最大下沉線之間會形成地表附加傾角，產生地表裂縫。這種綜合影響會使邊緣地段土層拉裂，出現裂縫，土質變松、結構破壞進而影響不同地段上的林木、灌木或草的生長。該區域屬于重度破壞，面積為659．17 hm2，此區域內有保護煤柱面積為27．32 hm2，因此該區域重度破壞面積為631．85 hm2。

2．5．3 地表移動盆地Ⅲ區。該區域介于地表移動盆地最大下沉邊界之間。在理論上該區域只會發生均勻下沉，不會產生地面變形，不會造成區域內的建筑物損害，但在實際中還是會對土地造成破壞，但程度較輕。分析計算結果顯示，煤礦A煤層開采時，這一區域的面積為216．58 hm2，此區域內有保護煤柱面積為13．39 hm2，因此此區域輕度破壞面積為203．19 hm2。

2．5．4 地表塌陷裂縫預測。地表塌陷裂縫主要出現在地表移動盆地Ⅱ區。

設塌陷裂縫寬度（a，m），則地表塌陷裂縫的可見深度W可按下列經驗公式計算［5］:

設塌陷裂縫的間距為C，每公頃的裂縫條數為n，則每公頃面積塌陷裂縫的長度U可按下列經驗公式計算［5］:

不同塌陷破壞程度的C和n值見表3。

表3 每公頃塌陷地裂縫參數

3 采煤沉陷對土地的影響范圍及所造成的破壞程度

根據采煤沉陷影響程度預測分析，沉陷對礦區土地的破壞程度為輕度和重度。煤礦A礦區土破壞程度預測結果見表4。

表4 煤礦A礦區土地破壞程度預測結果

由表4可知，煤礦A礦區受井下采煤影響的土地面積約為 964．5 hm2，其中受輕度破壞土地為 336．9 hm2，占總影響面積34．93%;受重度破壞程度土地為627．6 hm2，占總影響面積65．07%。受輕度破壞土地中，旱地98．49 hm2，果園4．7 hm2，有林地 18．53 hm2，灌木林地 5．9 hm2，草地 206．31 hm2，農村道路2．97 hm2。受重度破壞土地中，旱地344．38 hm2，有林地26．01 hm2，草地252．06 hm2，農村宅基地 2．3 hm2，農村道路 2．85 hm2。

4 結論

該研究分析了下沉、平移、傾斜、曲率以及拉伸、壓縮等水平變形對采煤沉陷范圍內土地破壞的影響。煤礦A煤層開采時，地表移動盆地Ⅰ區的寬度在90．9 m左右，該區域變形小，不會使區域內的建筑物發生損害，此區域土地屬于輕度破壞。地表移動盆地Ⅱ區的寬度在488．72 m左右，危險移動邊界線和最大下沉線之間會形成地表附加傾角，產生地表裂縫，此區域土地屬于重度破壞。地表移動盆地Ⅲ區介于地表移動盆地最大下沉邊界之間。在理論上該區域只會發生均勻下沉，不會產生地面變形，不會造成區域內的建筑物損害，但在實際中還是會對土地造成破壞，但程度較輕。

根據采煤沉陷對土地的影響范圍及所造成的破壞程度預測，煤礦A受井下采煤影響的土地面積約為964．5 hm2，其中受輕度破壞土地為336．9 hm2，占總影響面積的34．93%，受重度破壞程度土地為627．6 hm2，占總影響面積的65．07%。

［1］關于組織土地復墾方案編報和審查有關問題的通知（國土資發［2007］81號文）［Z］．2007－04－12．

［2］關于加強生產建設項目土地復墾管理工作的通知（國土資發［2006］225號文）［Z］．2006．

［3］中共中央、國務院關于進一步加強土地管理切實保護耕地的通知［Z］．1999－04．

［4］張俊芳．煤礦開采地表擬破壞土地面積預測方法及應用［J］．安徽農業科學，2014，42（29）:10361 －10363．

［5］國家煤炭工業局．建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程［M］．北京:煤炭工業出版社，2000．

［6］張榮立．采礦工程設計手冊（上冊）［M］．北京:煤炭工業出版社，2003．