摘要 為了確定煤礦復(fù)墾方案中涉及的礦區(qū)土地破壞范圍，及在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定煤礦開采過(guò)程中破壞程度分級(jí)、土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)等，基于地表沉陷理論提出了一種煤礦開采過(guò)程中擬破壞土地面積的預(yù)測(cè)方法，并以某煤礦為案例具體說(shuō)明了該方法在實(shí)際中的應(yīng)用。經(jīng)計(jì)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(dòng)值Ucm、及地表最大下沉速度值；地表移動(dòng)盆地的最外邊界、危險(xiǎn)移動(dòng)邊界及最大下沉值邊界；根據(jù)地表移動(dòng)邊界繪制下沉等值線，并將下沉等值線圖與礦區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加，便得到礦區(qū)預(yù)測(cè)破壞土地的范圍，由此計(jì)算出破壞土地面積。該方法與礦區(qū)實(shí)際情況相結(jié)合，使礦區(qū)土地復(fù)墾設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的可操作性。

關(guān)鍵詞 土地復(fù)墾；煤礦開采；擬破壞土地面積預(yù)測(cè)；方法

中圖分類號(hào)S28文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）29-10361-03

作者簡(jiǎn)介張俊芳（1978- ），女，河北固安人，工程師，碩士，從事土地整理規(guī)劃設(shè)計(jì)及土地復(fù)墾研究。

為保護(hù)和合理利用土地資源，改善生態(tài)環(huán)境，防治礦產(chǎn)資源開采等生產(chǎn)項(xiàng)目因挖損、壓占、沉陷等造成土地破壞，根據(jù)《中華人民共和國(guó)土地管理法》、《土地復(fù)墾規(guī)定》等有關(guān)法律法規(guī)的要求，按照“誰(shuí)破壞、誰(shuí)復(fù)墾”的原則，該方案的編制與實(shí)施，將達(dá)到煤炭資源的開發(fā)利用和礦區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的綜合發(fā)展相協(xié)調(diào)的目的，對(duì)發(fā)展農(nóng)業(yè)、煤炭生產(chǎn)、水土保持和改善礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境具有重要意義和作用[1-4]。對(duì)礦區(qū)破壞的土地實(shí)施復(fù)墾，可以對(duì)礦區(qū)環(huán)境進(jìn)行綜合治理；對(duì)煤矸石壓占的土地進(jìn)行復(fù)墾，可以減少污染，改善環(huán)境，增加土地復(fù)墾率，減少洪水流量，改善土壤的生態(tài)環(huán)境；植樹造林，地表林草植被增加，促進(jìn)野生動(dòng)物的繁殖，減少風(fēng)沙，調(diào)節(jié)氣候，凈化空氣，美化環(huán)境。

在土地復(fù)墾方案編制過(guò)程中，礦區(qū)土地破壞范圍劃定、破壞程度分級(jí)、土地復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)均與礦區(qū)實(shí)際情況相結(jié)合，只有這樣才能保證礦區(qū)土地復(fù)墾設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的可操作性。土地復(fù)墾方案中擬破壞土地面積的確定是復(fù)墾方案的預(yù)防控制與復(fù)墾措施、土地復(fù)墾工程設(shè)計(jì)及土地復(fù)墾投資估算的前提。擬破壞土地面積的數(shù)量和數(shù)量確定的準(zhǔn)確性直接影響土地復(fù)墾工程設(shè)計(jì)工程量及土地復(fù)墾投資估算的準(zhǔn)確性[5-9]。因此，計(jì)算和確定煤礦開采中擬破壞土地面積對(duì)于土地復(fù)墾方案的編制至關(guān)重要。

1研究區(qū)概況

1.1氣候條件研究對(duì)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(qū)劃隸屬甘肅省平?jīng)鍪泄茌?。井田南北走向長(zhǎng)6.15 km，東西傾斜寬1.182 km，礦區(qū)面積7.27 km2。礦區(qū)屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)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(shí)空分布不均，多集中在6～10月，占年降水量的72.2%。年蒸發(fā)量1 435.2 mm，年平均相對(duì)濕度69%～73%。年日照時(shí)數(shù)為2 255 h，全年無(wú)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(qū)最高點(diǎn)在北部高莊，海拔1 643 m，最低點(diǎn)在北汭河河谷，海拔1 460 m，相對(duì)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(shù)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(fēng)方式，采煤方法為走向長(zhǎng)壁傾斜分層綜采放頂煤采煤方法（一個(gè)工作面）。回采工作面長(zhǎng)度為100 m，年推進(jìn)度700 m。頂板管理方法為全部陷落法。生產(chǎn)開采方式：主副斜井開拓，走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤一次采全高。生產(chǎn)規(guī)模與能力：設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/年。生產(chǎn)服務(wù)年限：34.1年。

1.3煤礦地質(zhì)條件煤田屬中下侏羅紀(jì)煤田，煤系沉積基底為上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)群砂巖，上覆地層有中侏羅統(tǒng)的紫紅色砂質(zhì)泥巖、下白堊統(tǒng)砂巖、砂質(zhì)泥巖、紫紅色礫巖、上第三紀(jì)甘肅群砂質(zhì)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(tǒng)延長(zhǎng)群（T3yn）。井田內(nèi)鉆孔所見僅為其上部地層，以灰白～灰綠色粉、細(xì)、中粒長(zhǎng)石砂巖為主，含少量石英及云母，其頂部為薄層深灰色砂質(zhì)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(tǒng)延安組（JQ2Y）。為該礦區(qū)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(jié)的陸相碎屑巖系。底部為厚層砂礫巖，膠結(jié)較好，堅(jiān)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(tǒng)馬蘭組（Q3m）及全新統(tǒng)（Q4）。廣布于井田內(nèi)山頂、梁峁及溝谷兩側(cè)，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(xiàng)目區(qū)內(nèi)土地利用現(xiàn)狀根據(jù)1∶10 000地形圖結(jié)合實(shí)地調(diào)查和遙感衛(wèi)星影像，將礦區(qū)范圍內(nèi)的土地利用情況劃分二級(jí)地類，詳見表1。

2擬破壞土地預(yù)測(cè)方法

2.1地表沉陷預(yù)測(cè)理論基礎(chǔ)

2.1.1地表移動(dòng)盆地。在地表移動(dòng)盆地的形成過(guò)程中，逐漸改變了地表的原有形態(tài)，引起地表標(biāo)高、水平位置發(fā)生變化。從地表移動(dòng)的力學(xué)過(guò)程及工程技術(shù)問(wèn)題的需要出發(fā)，地表移動(dòng)的狀態(tài)可用垂直移動(dòng)和水平移動(dòng)進(jìn)行描述。常用的定量指標(biāo)有：下沉、水平移動(dòng)、傾斜、曲率、水平變形。

2.1.2判斷采空區(qū)是充分采動(dòng)還是非充分采動(dòng)。當(dāng)?shù)叵旅簩硬沙龊蟮乇硐鲁林颠_(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大值，此時(shí)的采動(dòng)狀態(tài)稱為充分采動(dòng)。此后，開采工作面的尺寸繼續(xù)擴(kuò)大，地表影響范圍也相應(yīng)擴(kuò)大，但地表最大下沉值卻不再增加，地表移動(dòng)盆地將出現(xiàn)平底，呈碗形。如地表有多個(gè)點(diǎn)的下沉值達(dá)到最大下沉的采動(dòng)情況，稱為超充分采動(dòng)，此時(shí)的地表移動(dòng)盆地呈盆形。我國(guó)煤礦多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，當(dāng)采空區(qū)的長(zhǎng)度和寬度均達(dá)到或超過(guò)1.2H0～1.4 H0 （H0平均開采深度）時(shí)，地表達(dá)到采分采動(dòng)。非充分采動(dòng)，是指當(dāng)采空區(qū)尺寸（長(zhǎng)度和寬度）小于該地質(zhì)采礦條件下的臨界開采尺寸時(shí)，地表最大下沉值未達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大下沉值。

該礦區(qū)煤層埋深410～590 m，平均開采深度為500 m。礦區(qū)走向長(zhǎng)約6.51 km，傾斜寬度約1.182 km，其開采后形成的采空區(qū)長(zhǎng)度和寬度均超過(guò)1.4H0 （1.4×500=700 m），因此礦區(qū)的采空區(qū)屬于超充分采動(dòng)。具體到每一個(gè)采煤工作面，依據(jù)某煤礦改擴(kuò)建工程可行性研究報(bào)告，設(shè)計(jì)采煤工作面長(zhǎng)度為100 m，年推進(jìn)700 m。由此進(jìn)行計(jì)算，采煤工作面年推進(jìn)回采后的采空區(qū)的長(zhǎng)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(dá)到充分采動(dòng)。

2.2充分采動(dòng)條件下地表變形值的計(jì)算開采沉陷穩(wěn)定后，地表移動(dòng)盆地的最大下沉和最大水平移動(dòng)值反映了地表移動(dòng)變形的劇烈程度。

2.2.1最大下沉值。計(jì)算公式為：Wcm=M·q·cosα （1）

式中，M為煤層開采厚度，礦區(qū)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(jù)某煤礦地質(zhì)勘查報(bào)告，區(qū)煤層傾角α=10°～75°，預(yù)測(cè)計(jì)算煤層傾角α取35°；q下沉系數(shù)，綜合煤層頂?shù)装鍘r性，考慮到某煤礦頂板管理方法（全部陷落法），該預(yù)測(cè)方案取下沉系數(shù)q=0.7；Wcm為最大下沉值（mm）。

2.2.2最大傾斜值。計(jì)算公式為：

2.2.3最大曲率值。計(jì)算公式為：

2.2.5最大水平變形值。計(jì)算公式為：

2.3地表移動(dòng)邊界按照地表移動(dòng)變形值的大小及其對(duì)地表的影響程度，可將地表移動(dòng)盆地劃分出3個(gè)邊界，最外邊界、危險(xiǎn)移動(dòng)邊界和裂縫邊界。一般取下沉10 mm的點(diǎn)為邊界點(diǎn)，最外邊界實(shí)際上是下沉10 mm的點(diǎn)圈定的邊界。我國(guó)一般采用3個(gè)變形值i=3 mm/m，ε=2 mm/m，k=0.2 mm/m2中最外一個(gè)值確定的臨界邊界為危險(xiǎn)移動(dòng)邊界。

2.4地表移動(dòng)變形規(guī)律當(dāng)煤層自隨x=0開采到x=∞時(shí)，地表穩(wěn)定后的移動(dòng)變形采用如下公式計(jì)算：

2.5地表最大下沉速度預(yù)測(cè)地表最大下沉速度V0計(jì)算公式為：

3地表沉陷的預(yù)測(cè)結(jié)果

3.1充分采動(dòng)條件下地表變形值利用公式（1）～（7）和式（16）計(jì)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(dòng)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(dòng)邊界

3.2.1地表移動(dòng)盆地的最外邊界。地表移動(dòng)盆地的最外邊界取下沉10 mm的點(diǎn)圈定的邊界。利用公式（8）、（13）、（15）計(jì)算，當(dāng)x=-261.4 m時(shí)，下沉值為10 mm，即地表移動(dòng)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(dòng)盆地的危險(xiǎn)移動(dòng)邊界。我國(guó)采用的臨界變形值為i=3 mm/m，ε=2 mm/m，k=0.2 mm/m2。當(dāng)上述3個(gè)變形值中最外一個(gè)值確定的邊界即為危險(xiǎn)移動(dòng)邊界。利用式（9）～（15）計(jì)算，當(dāng)x=-170.5 m，i=3 mm/m，此處為危險(xiǎn)移動(dòng)邊界，即地表移動(dòng)盆地的危險(xiǎn)移動(dòng)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(duì)應(yīng)的邊界。利用式（8）、（13）、（15）計(jì)算，當(dāng)x=318.22 m，地表下沉達(dá)到最大值，即此處為最大下沉值邊界，其位于開采邊界內(nèi)，且距開采邊界318.22 m。

3.3預(yù)測(cè)破壞土地的范圍根據(jù)上述該礦區(qū)的地質(zhì)特征及已確定的參數(shù)，計(jì)算的該礦區(qū)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(nèi)318.22 m。根據(jù)地表移動(dòng)邊界繪制下沉等值線，并將下沉等值線圖與礦區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加，便得到礦區(qū)預(yù)測(cè)破壞土地的范圍，由此計(jì)算出破壞土地面積，結(jié)果見表2。

4結(jié)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(guò)程中擬破壞土地面積的預(yù)測(cè)方法，并以某煤礦為案例具體說(shuō)明了該方法在實(shí)際中的應(yīng)用，得出如下結(jié)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(dòng)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(dòng)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(dòng)盆地的危險(xiǎn)移動(dòng)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(nèi)，且距開采邊界318.22 m。

（3）該煤礦開采過(guò)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(nóng)村宅基破壞面積2.30 hm2，農(nóng)村道路破壞面積5.82 hm2。

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