基于格網法表土剝離時空順序確定

李亞龍，趙艷玲，陳慧玲，胡義強，馬　龍，滕佳華

(中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所，北京 100083)

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基于格網法表土剝離時空順序確定

李亞龍，趙艷玲，陳慧玲，胡義強，馬龍，滕佳華

(中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所，北京 100083)

地下煤炭開采對地面造成了嚴重的破壞，尤其是高潛水位礦區，采煤塌陷后，地表極易形成積水，若不及時對其采取措施，將會失去大量寶貴的表土資源。對積水區域預先進行表土剝離，是搶救寶貴表土資源的有效措施。本文基于格網法，首先對研究區進行格網化，以模擬的5個工作面為預計單元對研究區進行沉陷預計，得到涉及積水的格網單元；將各積水格網單元以煤層影響范圍角θ向下進行投影，得到其煤層影響范圍；以相鄰積水格網單元G(5，7)與G(5，8)為例，依據煤層影響范圍確定起始預計單元，從起始預計單元開始對其進行分階段沉陷預計，得到兩格網單元達到臨界積水時，工作面的開采進度，以此得到它們的積水先后順序，從而可以科學合理的指導復墾工程的機械施工，提高工作效率。

土地復墾；高潛水位；格網法；表土剝離

1　概　況

當前煤炭仍然是我國能源的主要來源。伴隨著經濟的快速增長，煤炭資源的需求量也在逐年增加，由此產生了嚴峻的生態和環境問題[1]，其中煤炭開采導致的土地損毀問題引起了越來越多人的關注。在我國，90%以上的煤炭來自井工開采，因此勢必會產生土地下沉，形成下沉盆地，造成大量的土地損毀。我國即是煤炭大國又是農業大國，因此存在著地面是耕地，地下是煤炭資源的現象。據測算，我國煤糧復合區面積占全國耕地總面積的42.7%，煤炭保有資源與耕地的復合面積占全國耕地總面積的10.8%[2]。因此，煤炭開采造成的損毀土地中包含大量寶貴的耕地資源。高潛水位煤糧復合區是煤糧復合區的典型區域，此區域內的損毀耕地極易產生積水，積水對耕地的損毀是不可挽回的。

針對以上問題，一些學者相繼提出了相應的解決方法，如預復墾[3]、超前復墾[4]、動態復墾[5]等。這些概念和方法的提出旨在預防積水對耕地的損毀，即及時且盡可能多的剝離表土和心土資源，避免其沉入水底，無法利用。剝離表土的關鍵在于何時何地進行表土剝離，不少學者對此也有相應的研究。肖武利用概率積分法得出了最佳的復墾時機[6]；付梅臣等通過對土地復墾工藝效果分析，提出了礦區生態復墾表土剝離工藝[7]；肖武等結合GIS的空間分析功能，定量分析了地面格網單元表土剝離的時間、范圍與深度[8]。

土地工程施工過程中，在計算土方量時，通常是將施工區域格網化，依據土方量平衡，來確定各個方格的填、挖方量。復墾工程施工時，為了使土方量計算與表土剝離達成一致，需要將復墾區域格網化。本文采用格網法，將研究區進行格網化，結合概率積分法，對各積水格網單元進行預計，精確得到其積水臨界點，比較各積水格網單元的積水先后順序，根據積水的先后順序，確定各積水格網單元的表土剝離順序，從而更加科學合理的對復墾工程施工機械進行調度，優化施工機械的工作路線，節約施工成本。

2　格網法

現有的開采沉陷預測與規律研究的基本思路是：地下—地面。先通過礦區開采計劃，得到地下開采單元的詳細分布，基于概率積分法，通過積分的方式得到地下開采對地面的損毀程度。與此不同的是，格網法[9]的基本思路是：地面→地下→地面。首先將地面進行格網化，然后再依據開采影響邊界角，確定各格網單元受地下開采的煤層影響范圍，最后以各自煤層影響范圍為預計單元，通過預計軟件預計各格網單元的沉陷規律與發生積水的臨界時間，確定各格網單元的表土剝離順序，指導復墾工程施工機械科學合理的工作。

2.1地面格網化

依據研究區的實地情況，將其劃分為規則排列的正方形格網，每個格網為剝離表土的最小施工單元。格網的大小應綜合考慮現場施工機械的工作速度以及地下煤層開采的速度而定，格網單元的邊長一般為50～100m。為了施工現場更好的指明要復墾的格網單元，便從左到右、從上到下對格網依次編號，G(i，j)表示第i行第j列的格網單元。

2.2地面格網單元的地下煤層影響的范圍確定

在充分采動或接近充分采動的前提條件下，開采沉陷學中規定，地表移動盆地主斷面上盆地邊界點至采空區邊界的連線與水平線在煤柱一側的夾角為邊界角。根據邊界角建立地面點受煤炭開采的地下煤層影響范圍的模型。

走向方向上，以地面某一格網單元G(i，j)為例，寬度為2R范圍內的地下煤層開采會對O點造成影響，R的計算公式見式(1)。

(1)

式中：R為地面點走向方向煤層影響半徑，m；H為地面點到煤層的鉛垂距離，m；δ為走向邊界角，°。

定義θ為能影響地面點O的煤層范圍角，θ的值與走向邊界角δ的值互余，如圖1(a)所示。

傾向方向上，R1和R2范圍內的地下煤層開采可能會對O點造成影響，R1和R2的計算公式分別見式(2)，式(3)。

(2)

(3)

式中：R1為地面點傾向下山方向煤層影響半徑，m；R2為地面點傾向上山方向煤層影響半徑，m；β為下山邊界角，°；γ為上山邊界角，°。

定義θ1為能影響地面點O的地下煤層范圍下山角，θ2為能影響地面點O的地下煤層范圍上山角，如圖1(b)所示。

圖1　地面點受地下煤層開采影響范圍圖

由上述理論，通過邊界角的余角便可以確定影響地面任一格網單元的的地下煤層范圍。以格網單元G(i，j)為例，這里假設煤層近似水平，對格網單元G(i，j)的4個頂點a、b、c和d以煤層范圍角θ向煤層進行投影，得到4個投影點a’、b’、c’和d’，以過a’、b’、c’和d’組成的四邊形為內接四邊形的圓形區域，即為能影響格網單元G(i，j)的地下煤層區域，如圖2所示。

2.3地面格網單元的臨界積水時間分析

將確定的影響地面各格網單元的地下煤層范圍與開采工作面進行疊加，能夠得到影響該格網單元的開采工作面的數量及空間分布情況。以各格網單元的地下煤層影響范圍與開采工作面的疊加范圍確定起始預計單元，根據礦區工作面的開采時間與速度等信息，基于概率積分法，對各格網單元從起始預計單元開始分階段進行沉陷預計，可以較精確的得到各格網單元剛好達到臨界積水時的地下工作面開采進度，進而得到各格網單元的積水先后順序。

3　研究區概況

本文選擇山東省濟寧市某礦為研究對象進行模擬研究，研究區屬華北平原，地形較為平坦。地面標高為+41.25～45.47m，平均為43.31m，地形坡度0°～2°，地下潛水位埋深為2m，屬于高潛水位礦區。研究區地面土地利用類型多以耕地為主，存在部分林地和魚塘。地下煤層以近水平煤層為主，煤層開采深度為300m，開采厚度為3m。模擬的5個工作面大小均為100m×800m，采用順序開采的開采方式，從1號工作面開始，到5號工作面結束，全部垮落式頂板管理，開采進度為5m/d。地下工作面的具體分布情況與開采順序如圖3所示。

圖2　地面格網單元受地下煤層開采影響范圍圖

圖3　工作面布置與開采順序示意圖

4　模擬分析

4.1地面格網化與積水格網單元的確定

在綜合考慮現場施工機械的工作速度以及地下煤層開采速度的情況下，對研究區地面進行格網化，劃分為規則的11行×12列的格網，格網單元的大小均為100m×100m。依據礦區地質條件與相關資料可得，本研究區的煤層邊界角δ為78.7°，由格網法相關理論可得煤層影響范圍角θ為11.3°。

積水會對土地造成不可挽回的損毀，因此本研究只考慮積水格網單元的表土剝離順序。首先需要確定積水格網單元的位置。研究區的煤層為近水平煤層，依據概率積分法，以所有工作面為預計單元，對研究區進行沉陷預計，得到研究區最終的沉陷情況以及涉及積水的格網單元，如圖4所示。

圖4　格網單元積水情況示意圖

4.2各積水格網單元臨界積水時間的確定

利用格網法，首先將各積水格網單元積水部分由煤層影響范圍角向煤層進行投影來確定其煤層影響范圍。然后以煤層影響范圍確定起始預計單元，根據煤層開采順序與速度，分階段對各積水格網單元進行沉陷預計，找出各自臨界積水時的工作面開采進度。下面以格網單元G(4，7)為例做具體分析。

格網單元G(4，7)積水部分的煤層影響范圍如圖5(a)，跨越了1、2兩個工作面。由于積水部分煤層影響范圍以外的煤層開采對積水部分不造成下沉影響，因此應直接從起始預計單元開始預計，起始預計單元如圖5(b)。預計單元應依據開采進度而不斷變大，隨著預計單元的改變，積水范圍也在不斷地擴大。當工作面2推進至395m，以此時的采空區作為預計單元時，積水范圍剛好擴大到格網單元G(4，7)，此時的預計單元為格網單元G(4，7)的臨界積水預計單元，如圖5(c)。依據格網單元G(4，7)的臨界積水預計單元對應的工作面推進位置，可以得到其臨界積水時間。

圖5　G(4，7)沉陷預計模擬

4.3各積水格網單元表土剝離順序的確定

積水格網單元表土剝離順序與其臨界積水順序一致，為了說明積水先后順序的問題，以相鄰兩格網單元G(5，7)與G(5，8)為例做具體分析。

依據上一節所述分析過程，分別對格網單元G(5，7)與G(5，8)做預計分析，結果如圖6所示。格網單元G(5，7)與G(5，8)積水部分的煤層影響范圍均跨越了工作面1、2、3；圖中顯示了兩格網單元的臨界積水預計單元的大小，以工作面2推進至475m時的采空區作為預計單元時，積水范圍剛好擴大到格網單元G(5，7)，即工作面2推進至475m時，格網單元G(5，7)將會產生積水；以工作面2推進至520m時的采空區作為預計單元時，積水范圍剛好擴大到格網單元G(5，8)，即工作面2推進至520m時，格網單元G(5，8)將會產生積水。由此可知，格網單元G(5，7)比格網單元G(5，8)先產生積水，即格網單元G(5，7)需要比格網單元G(5，8)先進行表土剝離工作。

圖6　格網單元G(5，7)與G(5，8)預計結果

基于此預計過程，對各積水格網單元進行預計分析，可以得到所有積水格網單元的積水先后順序，進而得到各積水格網單元的表土剝離先后順序。

5　結　論

本文基于格網法，采用其地面→地下→地面的基本思路，結合概率積分法對地面各格網單元的沉陷積水情況進行了模擬分析，得到各積水格網單元的表土剝離順序和剝離位置。首先，對研究區進行格網化，確定格網單元的尺寸大小；基于概率積分法預計出涉及積水的格網單元，確定各積水格網單元的煤層影響范圍；最后，從各積水格網單元的起始預計單元開始，分階段對其進行預計，確定各格網單元達到臨界積水時的預計單元，即臨界積水預計單元。基于此，比較分析各格網單元的表土剝離順序，同時再考慮到地下開采到地面受影響之間延遲的時間，可以做到更加精確的確定表土剝離的時間和位置，延長土地利用時間，科學合理的指導復墾工程施工機械的工作。

剝離的表土應優先用于復墾工程施工，即優先充填至“墊淺區”，當剝離的表土不能實現“即剝即用”時，可就近選擇表土資源存儲區，將這些表土資源暫時存儲起來，后續可以覆蓋在土壤貧瘠的耕地、城市綠化用地上，以及解決耕地“占補平衡”等問題。然而，現在面臨著表土資源存儲區位置選擇的問題，仍需要相關學者在綜合考慮運輸成本、表土資源保護以及潛在表土利用區等因素，對此問題進行相關研究，實現表土資源最大限度的剝離與更好的再利用。

[1]Bell F G，Stacey T R，Genske D D.Mining subsidence and its effect on the environment：some differing examples[J].Environmental Geology，2000，40(1-2)：135-152.

[2]胡振琪，李晶，趙艷玲.中國煤炭開采對糧食生產的影響及其協調[J].中國煤炭，2008，34(2)：19-21.

[3]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)：57-58.

[4]趙艷玲.采煤沉陷地動態預復墾研究[D].北京：中國礦業大學(北京)，2005.

[5]張友明，代曉東.動態沉陷復墾在高潛水位采煤塌陷區中的應用[J].礦山測量，2004(3)：49-51.

[6]肖武，胡振琪，高楊，等.井工煤礦山邊采邊復過程中表土剝離時機計算模型構建及應用[J].礦山測量，2013(5)：84-89.

[7]付梅臣，陳秋計.礦區生態復墾中表土剝離及其工藝[J].金屬礦山，2004(8)：63-65.

[8]肖武，王培俊，王新靜，等.基于GIS的高潛水位煤礦區邊采邊復表土剝離策略[J].中國礦業，2014，23(4)：97-100.

[9]陳慧玲，肖武，王錚，等.基于格網法的地面復墾模擬與分析[J].中國煤炭，2015，41(9)：132-135.

Confirmation of topsoil stripping sequence of time and space based on grid method

LI Ya-long，ZHAO Yan-ling，CHEN Hui-ling，HU Yi-qiang，MA Long，TENG Jia-hua

(Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Underground coal mining caused severe impact on the land surface，especially in the area with high groundwater level，the mining subsidence due to the water logging，without timely protection measures，the massive precious topsoil will be lost.The beforehand topsoil stripping of the future water logging area is an effective way to save the topsoil.By application of the grid method，the waterlogging grid units in the study area have been obtained，based on the land surface gridding and the land subsidence prediction in the 5 simulative work faces；to find out the impact area of the coal seam by the projection of the waterlogging units with the coal seam impact area angle θ；taking the water grid unit G (5，7) and G (5，8) as an example，to determine the first prediction unit according to the impact area of the coal seam，and predict the subsidence by stage，to calculate the mining progress of the work face when the two grids arrive the waterlogging criticality；therefore，the water logging order of the two units could be obtained.The results could be a reference to the rational conduction of the land reclamation mechanical construction，and enhance the efficiency.

land reclamation；high underground water level；square grid；topsoil stripping

2016-02-04

李亞龍(1993-)，男，河南焦作人，碩士研究生，研究方向為礦區土地復墾與生態重建。E-mail：liyalong0802@163.com。

TD88

A

1004-4051(2016)10-097-04