山東龍堌礦某單一工作面邊采邊復時機優選

袁冬竹 胡振琪 胡家梁 陳景平(中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所，北京 100083)

傳統礦區土地復墾思路是在礦山開采穩沉后進行土地復墾，易造成礦區大量土地閑置、浪費嚴重，尤其是在我國東部高潛水位煤炭-糧食復合主產區[1]，穩沉后的土地復墾率較低。近年來，學術界有關于土地復墾的研究逐步從“先沉陷，后復墾”的技術體系過渡到邊開采邊復墾的動態復墾模式[2-5]。胡振琪等[6-7]從井工礦山采礦—復墾一體化的角度正式提出了邊采邊復的概念與內涵，并完善了邊采邊復的理論體系；在此基礎上，大量學者分別對復墾時機[8-11]、復墾范圍[12]確定，復墾方案優選[13-14]以及時空數據模型[15-16]等方面進行了深入研究，但是大部分工作都是圍繞多個工作面組成的多煤層或單一煤層的開采影響區域展開的[17-18]，是按照各個階段最終的地表大面積變形情況來制定復墾方案，針對單一工作面的研究成果較少。選擇單一工作面進行研究，可以更好地體現出地表沉陷發育的動態變化過程以及對耕地的影響規律[19-20]，以便于進一步優選出適宜的復墾時機。本研究以山東省龍堌礦的某一工作面為例，結合地表沉陷預計結果分析土地損毀特征，并進行土地復墾的適宜性評價，確定評價單元的復墾方向，結合復墾方向設計復墾方案，以期根據復耕率和復墾成本優選出單一工作面的最佳復墾時機。

1 研究區概況

山東省龍堌礦位于我國東部高潛水位地區的菏澤市巨野縣，為年產量600萬t的特大型礦井，服務年限為80 a。研究區面積為5.294 8 km2，位于黃河沖積平原，地勢平坦，地面標高43.1～44.8 m，平均標高約44 m，地下潛水位埋深2.5 m，自然地形坡度為2‰。研究區屬季風型大陸性氣候，四季分明，周期性變化較明顯，冬季干冷、夏季炎熱多雨，年平均氣溫14.8 ℃。降雨多集中于每年6～9月，年平均降水量為694.70 mm。研究區土地利用以耕地為主，耕地面積即水澆地面積共460.47 hm2，占研究區總面積的86.97%。為更有效地分析單一工作面開采對地面的動態影響規律，選擇位于礦井范圍內西側的2301N工作面作為研究對象，其平均采深800 m，走向長度1 800 m，傾向長度200 m，工作面推進速度約5 m/d，將該工作面的開采進度劃分為8個階段。

2 土地復墾適宜性分析

由于損毀土地的原因多種多樣，損毀程度也各有不同[21]，損毀程度小的土地可采用簡單的工程措施進行復墾；損毀程度嚴重的土地復墾難度大、風險高，因此，損毀土地復墾便存在了可復墾與不可復墾以及復墾難易程度的問題，故對損毀土地有必要在復墾前進行適宜性分析。

2.1 地表沉陷預計

本研究采用概率積分法[22-23]進行開采沉陷預計，所選擇的沉陷預計參數如表1所示。得到了8個階段的地面下沉等值線，各階段的最大下沉值變化情況如圖1所示。

表1 研究區概率積分法開采沉陷預計參數Table 1 Estimate prediction parameters of mining subsidence of the probability integral method

注：H0為平均采深，m；α為煤層傾角，(°)。

圖1 各階段最大下沉值變化Fig.1 Maximum subsidence of each phase

由于研究區地下潛水位較高，埋深僅約2.5 m，煤層開采引起地表沉陷后，通常會形成大面積積水，季節性積水易導致農作物減產、絕產，常年積水則會徹底損毀耕地，因此本研究將是否產生積水作為土地損毀程度分析的主要因素。根據當地實際情況，原則上當下沉量小于1.5 m時，為輕度損毀，不會出現積水水面；當下沉量為1.5～2.5 m時，為中度損毀，產生季節性積水；當下沉量大于2.5 m時，為重度損毀，出現常年積水。根據各個階段的下沉結果，分析了研究區的地面積水情況，可知當工作面推進至第1階段時，下沉值大于1.5 m，地面開始出現季節性積水，當工作面推進至第3階段時，下沉量超過2.5 m并且下沉量趨于平穩，地面開始出現常年積水。各階段積水面積變化情況如圖2所示。

圖2 各階段積水面積Fig.2 Water area of each phase

由圖2可知：受工作面開采的影響，研究區內各階段的積水面積隨開采進度基本呈線性增大趨勢，整個工作面開采結束后，地面積水總面積將達到 0.730 7 km2，占研究區總面積的13.8%。

2.2 適宜性評價

本研究評價對象為已損毀和擬損毀的土地，評價區邊界為根據沉陷預計得到的下沉等值線的最外邊緣。根據礦區土地利用總體規劃以及當地自然、社會經濟等實際情況，初步確定了待復墾土地的復墾方向[24-25]。通過定性分析可知，復墾區農村道路、溝渠復墾利用方向以保持原狀為主，故本研究將對復墾范圍內除道路、溝渠以外的其他土地進行復墾適宜性評價。按照復墾區的土地損毀類型、損毀程度和損毀地類將研究區劃分為9個評價單元(表2)。

在劃分了評價單元后，根據土地適宜類和土地質量等級構建評價體系，土地適宜類一般分為適宜和不適宜，在適宜類范圍內，按照土地對耕地、園地、林地的適宜程度、生產潛力大小、限制性因素及其強度大小再劃分為3個等級。結合礦區當地實際情況以及相關技術規程確定復墾土地適宜性評價的等級標準，利用極限條件法對研究區9個評價單元進行定量分析，得到了土地復墾適宜性等級評價結果如表3所示。

表2 評價單元劃分Table 2 Division of evaluation units

表3 土地復墾適宜性評價等級Table 3 Classification of reclamation suitability evaluation

分析表3可知，研究區內多數評價單元具有多宜性，綜合考慮多方面因素，將損毀土地優先復墾為水澆地，同時以恢復原地類為主。

根據評價單元的最終復墾方向，從工程施工角度，將采取的復墾工程與技術措施一致的評價單元合并為一個復墾單元。復墾單元一為擬損毀的輕度及中度沉陷地，將其復墾為原地類；復墾單元二為擬損毀的重度沉陷地，將其復墾為魚塘；復墾單元三為擬損毀的農村宅基地，將其復墾為水澆地。以第8階段為例，該階段的土地復墾適宜性評價結果見表4。

3 復墾時機優選

當工作面推進至第3階段時，地面開始出現常年積水，因此本研究以第3～8階段共5個階段的損毀土地為研究對象，通過設計土地復墾方案，并進行方案對比分析，以確定出復墾成本低而復耕率高的復墾時機。

3.1 邊采邊復方案設計

邊采邊復屬于超前復墾，因此在方案設計時應考慮后續的下沉量以及土方平衡問題。由于不同區域后續的下沉量不同，這就要求在進行動態復墾時，首先對不同的復墾區域根據其未來受采動影響的情況分別確定其標高；然后依據復墾標高確定所需土方量，根據所需土方量確定挖方量；最后根據挖方量、魚塘理想水深等確定魚塘面積。

表4 第8階段土地復墾適宜性評價結果Table 4 Land reclamation suitability evaluation results of 8th phase

按照邊采邊復的施工規劃，復墾工程主要包括土地平整工程、田間道路工程、農田水利工程、其他工程等。土地平整工程包括表土、心土剝離以及平整工程，為邊采邊復工程的基礎，也是其他工程實施的先決條件。田間道路工程主要為田間道和生產路，田間道聯系主干道與生產道，路面寬4 m，具有20 cm厚度的煤矸石路基和10 cm厚的泥結碎石路面。生產路的主要技術指標為路面寬2 m，10 cm厚的煤矸石路基和10 cm厚的素土路面。農田水利工程主要包括大口井和排水溝等，根據礦區情況，灌溉采用大口井灌溉，每個階段均修建16個大口井。其他工程為沉陷水域綜合治理工程，主要工作是魚塘開挖和塘埂修筑。此外還應采取農田防護林工程，在田間道兩側、塘埂兩側及生產路單側布置防護林，株距為2 m。

根據擬損毀預測分析以及礦區當地土地利用總體規劃，依據土地適宜性評價結果，對研究區內第3～8階段的損毀土地進行了復墾規劃[26]。以第3階段的邊采邊復為例，其復墾前的DEM如圖3(a)所示，考慮后續下沉的復墾后的DEM如圖3(b)所示，復墾后最終的規劃布局見圖3(c)。

圖3 第3階段復墾示意Fig.3 Schematic of the 3rd phase

其余各階段的復墾規劃與第3階段類似。復墾后各個階段各地類的面積見表5。各個階段復墾后的復耕率如圖4所示。

分析圖4可知：從第3階段復墾到第5階段復墾，所能復墾出的耕地面積急劇下降，從第5階段到第8階段，所能復墾出的耕地面積雖然也在逐漸下降，但下降趨勢明顯減緩，復耕率均在78%左右。

3.2 工程量測算以及投資估算

按照各個階段的復墾規劃布局，結合復墾工程設計，對各階段土地復墾工程量進行了詳細測算，結果見表6。

表5 各階段復墾后地類面積Table 5 Land area after reclaimed of each phase km2

根據《土地復墾方案編制規程》中的預算標準，預算內容包括工程施工費、設備購置費、其他費用以及預備費。結合表6，對各階段復墾總投資進行了估算，總體上各階段土地復墾工程總投資變化趨勢與各階段的復耕率變化趨勢相似(圖5)。

圖4 各階段的土地復耕率Fig.4 Reclaimed land rate of each phase

進一步分析了各個階段的復耕率以及復墾總投資的變化情況，發現變化曲線均在第5階段出現了明顯的拐點。原因是該工作面的開采在第5階段時開始達到充分采動，當工作面的推進距離達到(1.2～1.4)H0時，地表可達到充分采動。根據該工作面的實際情況，其平均采深為800 m，當工作面往前推進至960～1 120 m時，在走向方向上達到充分采動。按照工作面階段的劃分，該位置恰好位于第5階段開采范圍內。第3～5階段之間走向方向上尚未達到充分采動，因而沉陷地均未穩沉，并且沉陷嚴重區域取土的難度隨著沉陷的增加而增大，直至第5階段某些區域由于沉陷過于嚴重而無法充分取土，造成2條曲線變化急劇；第5～8階段工作面走向方向上已經達到充分采動，大部分區域已經穩沉，取土量不會因開采的進行而發生急劇變化，因此，2條變化曲線均比較平緩。因此，復墾的最佳時機應選擇在工作面推進至第5階段結束時，即工作推進至1 125 m當走向方向上達到充分采動時為最佳復墾時機。

表6 各階段復墾工程量Table 6 Reclamation engineering quantities of each phase

圖5 各階段土地復墾總投資Fig.5 Total investment of land reclamation of each phase

4 結 語

為對單一工作面開采造成的損毀土地進行有效復墾，以山東龍堌礦的某一工作面為例，改變了以往“先損毀，后治理”的復墾模式，進行了單一工作面開采條件下的邊采邊復技術研究。研究表明：在單一工作面開采條件下，最優的復墾時機為走向方向上達到充分采動時，在該時間節點進行土地復墾，可在確保復耕率的同時最大限度地降低復墾成本。

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