孫楊楊，胡振琪，袁冬竹，趙會順，曹 瑜

(中國礦業(yè)大學(北京)土地復墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

近年來“綠水青山就是金山銀山”的思想深入人心，保護生態(tài)環(huán)境與合理利用自然資源之間的矛盾成為我國專家學者不可回避的問題。一方面由于經濟發(fā)展的需要，在我國暫時無法找到更好的替代能源之前，大規(guī)模的煤炭開采無法避免；另一方面由于目前我國土地復墾方式仍然停留在事后處理階段，大部分煤礦都是在采煤塌陷區(qū)穩(wěn)定之后才進行土地復墾，導致我國土地復墾率極低，僅為12%，遠低于發(fā)達國家65%的平均水平。由于國情不同，發(fā)達國家土地復墾后利用方向更為多樣化，而我國土地復墾后利用方向仍以耕地優(yōu)先，所以對于采煤塌陷地的治理方式及治理理念的更新迫在眉睫。

早期就有學者提出動態(tài)預復墾[1-2]、超前復墾[3]等概念和方法，近年來學術界關于土地復墾的研究逐漸從“先損毀，后復墾”的技術體系過渡到邊開采邊復墾的動態(tài)復墾方式[1-2,4-5]。胡振琪等[6]從井工礦山采礦-復墾一體化角度提出了邊采邊復的概念，并逐步完善了邊采邊復的理論體系。此后大量的專家學者分別對邊采邊復中涉及的關鍵性問題及影響因素進行討論。肖武等[7]對單一采區(qū)工作面進行研究，給出了不同開采順序下邊采邊復的實施方式；趙艷玲等[3]、李亞龍等[8]對邊采邊復的時機選擇進行了探討；張瑞婭[9]基于多煤層開采布局構建了不同條件下的復墾施工標高模型；陳景平等[10]以煤厚為變量討論了單一工作面不同煤厚條件下邊采邊復方案設計；袁冬竹等[11]以山東省龍堌礦某單一工作面為研究對象進行邊采邊復時機的優(yōu)選。從以上研究來看，目前學者對于單一工作面在不同采深情況下引起的地表沉陷動態(tài)變化對邊采邊復時機影響的研究相對較少。

本文以山東省龍鄆煤業(yè)某單一工作面為原型，通過概率積分法沉陷預計分析單一工作面8個階段不同采深條件下地表沉陷的動態(tài)變化過程。基于模擬結果，選出不同采深下的邊采邊復時機，該研究對于邊采邊復的推廣實現(xiàn)，達到采礦-復墾相統(tǒng)一具有重要的理論和實踐意義。

1 研究區(qū)概況

龍鄆煤業(yè)位于山東省菏澤市鄆城縣中部，地屬黃河沖積平原，地形平坦，地勢略呈西北高東南低，地面標高變化為+40.12～+46.14 m，自然地形坡度0.2‰～2‰；屬于溫帶半濕潤季風區(qū)海洋性大陸性氣候，年平均氣溫13.5 ℃，年平均降水量694.7 mm，平均無霜期213 d。地面土地利用以農業(yè)用地為主，建設用地次之，存在少量水域及水利設施用地。該區(qū)域為中國五大高潛水位煤炭基地之一的魯西煤炭基地的重要組成部分，地下潛水位埋深約2.5 m。主要可采煤層為3煤、6煤，平均煤厚6.88 m，開采標高為-500～-1 100 m，平均采深為800 m，煤層傾角8°～16°。煤層賦存穩(wěn)定，結構簡單，開采條件較好，采用綜合機械化開采，全部跨落式管理頂板。

為了得到不同采深條件下煤炭開采后地面沉陷趨勢對邊采邊復時機的影響，選擇礦區(qū)內某單一工作面為研究原型。模擬工作面為近水平煤層，工作面布設為走向長度2 400 m，傾向長度200 m。推進速度為5 m/d，該工作面對應地面平均高程為+42 m，地面主要利用類型為耕地。

2 模擬方案

本文選取礦區(qū)東南部某單一工作面為研究對象，將工作面按推進長度分為8個開采階段，第①階段為工作面沿走向推進長度為300 m，下一個階段在上個階段的基礎上走向長度增加300 m，依次類推。假定該工作面分別處于500 m、600 m、700 m、800 m、900 m和1 000 m六種采深情況，且除了采深條件不同，其余影響因素均相同，對其8個開采階段在6種采深條件下的動態(tài)沉陷過程及變化趨勢分別進行模擬，并假設8個開采階段分別對應8個復墾時機。工作面布局及階段劃分情況如圖1所示。

圖1 工作面布局及階段劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of work surface layout and stage division

根據開采沉陷學理論，概率積分法開采沉陷預計適宜于煤層傾角小于45°，且厚度不大的煤層，龍鄆煤業(yè)服務年限內開采煤層傾角為8°～16°，煤厚適中。由此沉陷預計方法選用概率積分法最合適，采用MSPS沉陷預計軟件，其計算原理為[12]：對于任意形狀的工作面，煤層厚度為m米，假設將整個工作面的開采劃分為n個足夠小的開采單元，其中，開采單元i的面積用Ai表示，任意點(x，y)在t時刻的下沉值按式(1)計算。

Wt(x，y)=[∑Weti(x，y)·Ai]·mqcosα

(1)

式中：Wt(x，y)為任意點(x，y)在t時刻的下沉值，mm；Weti(x，y)為開采單元i開采引起地表任意點(x，y)在t時刻的下沉值，mm；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角,(°)。根據龍鄆煤業(yè)所提供資料，本次模擬采用的沉陷預計參數(shù)見表1。

表1 概率積分法預計參數(shù)

模擬時首先在某一采深條件下，利用MSPS軟件對開采單元的8個開采階段分別進行沉陷預計，得到8個開采階段的地表下沉等值線圖。通過改變采深得到6個采深條件下總共48張沉陷預計等值線圖，以及相應的最大預計下沉值；然后將各階段的下沉等值線與土地利用現(xiàn)狀圖進行疊加，根據礦區(qū)潛水位埋深(2.5 m)獲取各開采階段地面積水的范圍。

3 結果與分析

3.1 地表最大下沉值與積水面積變化趨勢

對該工作面8個階段分別在6種采深條件下進行沉陷模擬所得最大下沉值如圖2所示。通過豎向對比可以看出，隨著開采深度的增加最大下沉值隨之減小，最大下沉值與開采深度呈負相關關系。并且隨著開采深度的增加，要達到最大下沉值經歷的階段也相應增加，開采波及地面所需時間更長，要達到相應充分采動的推進距離也越長。圖3為不同采深條件下積水面積變化趨勢圖。由圖3可知，同一階段采深越小積水面積越大，積水面積與采深呈負相關關系，隨著采深的增加形成積水所需的時間也相應增加。超過某一臨界采深時，地面形成的最終沉陷盆地不會出現(xiàn)常年積水。觀察各個積水面積變化斜率可以看出，當采深超過700 m時，采深增加對積水面積減少幅度影響逐漸變大。以采深500 m為例不同階段沉陷預計變化趨勢結果如圖4所示。

圖2 不同采深條件下地表最大下沉值變化趨勢Fig.2 Trend of the change of the maximum sinking value of the surface under different mining depths

圖3 不同采深條件下積水面積變化趨勢Fig.3 Trend of variation of water accumulation area under different mining depth conditions

圖4 500 m采深條件下沉陷預計結果圖Fig.4 Prediction results of subsidence under 500 m mining depth

3.2 采深對復墾時機的影響

邊采邊復要求在地面即將沉入水中之前采取措施剝離土壤以提高復墾效率。根據沉陷模擬結果可以得出，采深對于邊采邊復時機的影響主要為不同采深下隨開采階段增加地面首次形成積水的時間。通過圖2和圖3可以看出，采深增加地面后續(xù)下沉量減小、積水形成時間隨之推遲，因而邊采邊復的時機隨之推遲，超過臨界采深(使地面最大下沉值恰好達到潛水位線時對應的采深)地面最終下沉盆地無積水，采用邊采邊復與塌陷穩(wěn)定后復墾效果相同，小于臨界采深需要進行邊采邊復工作。根據式(1)參照趙艷玲等[3]“未穩(wěn)沉采煤沉陷地超前復墾時機的計算模型”中W0(地面最大下沉值)與主要影響半徑的等式關系，結合概率積分法中采深(H)與主要影響半徑(r)、主要影響角正切(tanβ)之間的關系，見式(2)。

r=H/tanβ

(2)

通過計算機反推得出采深為921 m時，地面最大下沉值恰好達到地下潛水位埋深。因此，該礦開采深度小于921 m時需要進行邊采邊復措施以保護土壤，超過921 m時塌陷穩(wěn)定后復墾與邊采邊復效果相同。

3.3 復墾時機選擇

根據邊采邊復的內涵以及技術要求，邊采邊復是對暫未穩(wěn)定的沉陷區(qū)提前采取措施，既可以是沉陷之前，也可以是沉陷過程中的任一時間點，還可以在沉陷后的某個節(jié)點進行復墾。不同的時機對應的土壤剝離工程量、復墾成本、復耕率、難易程度等各不相同，所以，時機的選擇是邊采邊復能否成功的關鍵一環(huán)。復墾時機選擇越提前，復墾工程受未來下沉影響的可能性就越大，說服農民提前復墾也是一大難題；但是如果時間選擇過晚，大量土地已經沒入水中，會導致施工難度成倍增加且土地破壞嚴重、復耕率降低的不良局面。因此，一般要求在土地即將進入水中，或者大面積積水之前施工，以降低施工難度，最大限度保護土壤，節(jié)約成本。復墾時機選擇的一般原則是以保證一定的復耕率、盡可能降低施工難度、節(jié)約成本、保護更多土壤為前提，同時兼顧煤層地質條件、后續(xù)沉陷程度、地下水位高度、動態(tài)施工類別、農民意愿和農作物生長季節(jié)等影響因素，客觀分析因地制宜進行選擇。本文主要以后續(xù)沉陷程度、地下水位高度、施工難易程度為依據并結合不同采深條件下最大下沉值、積水面積變化趨勢對各采深下邊采邊復時機進行選擇。

1) 采深為500 m和600 m時。第一階段結束時地面沉陷預計下沉等值線已經處于地下潛水位線下方，大面積積水開始形成，此時后續(xù)沉降量小于1 m，施工難度最小，有利于保存土壤提高復耕率。因此在第一階段就需要安排土壤剝離工作，此時工作面推進距離為300 m，推進時間為60 d。邊采邊復時機為工作面第一階段推進結束時開始。

2) 采深為700 m和800 m時。第二階段結束時地面下沉到潛水位線以下，后續(xù)下沉量小于0.5 m，施工難度較小，對于土壤保護最佳，因此相應的土壤剝離工作可以推遲到第二階段進行，即工作面推進距離為600 m第四個月開采結束時。此時邊采邊復時機為工作面第二階段結束時進行。

3) 采深為900 m時。地面最大下沉值超過潛水位線尺度很少，積水形成較晚范圍較小，后續(xù)下沉量不明顯，所以土壤剝離工作應在工作面推進1 200 m時進行，即開采第八個月時開始。邊采邊復時機為工作面推進到第四階段時。

4) 由于采深為1 000 m時超過臨界采深(921 m)整個開采階段都沒有形成積水。因此,采用邊采邊復與傳統(tǒng)的塌陷穩(wěn)定后土地平整等復墾方式最終達到的效果相同，整個模擬階段不提前進行土壤剝離工作。

隨著采深的增加，地面最大下沉值不斷減小，后續(xù)下沉量和施工難度相應減小，積水出現(xiàn)的時間隨之推遲；土壤剝離的時機選擇隨著采深的增加可以相應推遲，這樣既可以延長土地耕作時間，又可以防止因為過分提前開展土壤剝離工作導致農民有地無法耕作、礦山企業(yè)發(fā)放青苗補償費時間過久的不利局面。

4 結 論

1) 研究表明隨著采深增加地面最大下沉值逐漸減小，采深與最大下沉值呈負相關關系；地面積水出現(xiàn)時間隨著采深的增加而推遲，且積水面積與采深呈負相關關系，超過臨界采深(921 m)地面不會形成積水。

2) 臨界采深可以作為煤礦土地復墾中判斷是否需要提前進行土壤剝離工作的依據。研究表明，龍鄆煤業(yè)采深小于921 m時，需要采取邊采邊復措施，超過921 m采用邊采邊復與塌陷穩(wěn)定后復墾效果基本相同。

3) 隨著開采深度增加邊采邊復時機也相應推遲。采深500 m和600 m時工作面從開始推進兩個月內進行土壤剝離工作最合適；采深700 m與800 m時第四個月結束時可以進行土壤剝離工作；采深900 m時可推遲到第八個月進行復墾工作；采深1 000 m整個開采階段不需要提前進行土壤剝離工作。

本文主要運用室內模擬的方法研究采深對于邊采邊復時機的影響，模擬過程將實際地面作為水平面，未考慮實際高程起伏，未來可以將實際地面真實高程與沉陷預計下沉值相疊加進行土壤剝離與土地復墾時機的討論。