蔡德水

(1.濟寧市土地綜合整治中心，山東 濟寧 272000；2.自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理工程技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 濟寧 272000)

濟寧市屬魯南泰沂低山丘陵與魯西南黃淮海平原交界地帶，地勢東高西低，西部地形以平原洼地為主，東部山巒綿亙，丘陵起伏。濟寧煤炭資源豐富，是全國重點規(guī)劃建設(shè)的十四個大型煤炭基地之一，含煤面積達3 920 km2，占市域土地面積的35%，煤炭儲量約為150億t，占全省煤炭儲量的50%左右。濟寧市煤層賦存厚度大，煤層穩(wěn)定，煤種多為氣煤和肥煤，煤質(zhì)優(yōu)良，低硫、低磷、低灰，開發(fā)利用價值極高。濟寧市境內(nèi)共煤炭礦權(quán)68個，境內(nèi)礦井57對，總核定設(shè)計生產(chǎn)能力達到9 650萬t/a[1]。長期的煤炭開采造成部分區(qū)域常年積水，大面積土地嚴(yán)重破壞，生態(tài)環(huán)境惡化，失地農(nóng)民越來越多，甚至導(dǎo)致村莊房屋開裂倒塌，帶來了一系列的社會、土地與生態(tài)問題[2]。

1 煤炭開采及采煤塌陷地治理概況

1.1 煤炭資源開發(fā)利用概況

濟寧市煤炭資源主要分布于中、西部平原區(qū)域，具有埋藏深、煤層厚、多層分布、糧煤復(fù)合度高等特點。濟寧市煤炭資源開采始于20世紀(jì)60年代，1995年以前為起始階段，煤礦數(shù)量和生產(chǎn)能力緩慢增長；1996～2010年為成長階段，煤礦數(shù)量和生產(chǎn)能力迅速提高，開采沉陷等問題顯現(xiàn)；2011～2016年為成熟階段，煤礦數(shù)量基本總體平穩(wěn)，資源儲量加速減少，采煤塌陷地進一步增加；2017年以后為衰退階段，受節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等政策影響，煤炭開采總量逐步下降。濟寧市累計探明煤炭資源儲量127.87億t，2019年底保有資源儲量超100億t，年產(chǎn)原煤約9 000萬t。

1.2 采煤塌陷地治理概況

濟寧域內(nèi)長期大規(guī)模煤炭資源開采，現(xiàn)已形成大量采煤塌陷地，塌陷地大多是一礦多片、多礦連片，部分塌陷地積水嚴(yán)重，耕地?fù)p毀明顯，灌排設(shè)施遭到破壞，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會的快速發(fā)展[3-4]。采煤塌陷地治理引起各級政府高度重視，經(jīng)過多年的采煤塌陷地治理，針對塌陷地的不同情況，在多年研究與實踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)探索出劃方整平、挖深墊淺、泥漿吹填和預(yù)復(fù)墾等多種行之有效的治理模式，促進了礦區(qū)環(huán)境改善與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾的可行性

2.1 傳統(tǒng)的采煤塌陷地治理方法

高潛水采煤沉陷地的復(fù)墾按照復(fù)墾時刻沉陷的狀態(tài)可分為沉陷穩(wěn)定后復(fù)墾與地面非穩(wěn)定下的復(fù)墾。為了保證復(fù)墾工程的質(zhì)量，避免二次破壞與重復(fù)復(fù)墾，前者被廣泛用于早期采煤沉陷地的治理，但也存在著復(fù)墾耕地率低、表土損失嚴(yán)重等弊端。傳統(tǒng)穩(wěn)沉積水區(qū)采煤塌陷地治理如圖1所示，無外來客土?xí)r，采用挖深墊淺等措施，可在沉陷盆地的邊緣區(qū)域復(fù)墾出部分土地，即A與B區(qū)。

圖1 沉陷穩(wěn)定后的復(fù)墾結(jié)果示意圖

2.2 采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾

采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾是在采煤沉降區(qū)尚未穩(wěn)沉?xí)r，提前采取復(fù)墾措施，開展剝離耕地耕作層、搶土等工程，不僅節(jié)約施工成本，提前保護耕地資源、改善生態(tài)環(huán)境，還可提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)民收入，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展具有推動作用。

動態(tài)的預(yù)復(fù)墾是一種隨著開采階段逐步進行的復(fù)墾工作，能夠盡量的搶救平原煤礦區(qū)的表土資源，提高復(fù)墾耕地的數(shù)量，尤其對高潛水位平原區(qū)域沉降易積水的采煤塌陷地更為重要，由于采煤沉降是一個動態(tài)變化的過程，在不同時間節(jié)點進行預(yù)復(fù)墾設(shè)計、施工、驗收，設(shè)計內(nèi)容的規(guī)劃高程會隨沉降時間的變化而進行適時調(diào)整，如能掌握不同時間節(jié)點的沉降信息，將為塌陷地預(yù)復(fù)墾設(shè)計提供詳實的基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐。針對以上問題，有學(xué)者提出了高潛水位礦區(qū)邊采邊復(fù)的概念，充分考慮井下煤炭資源開采與地面沉陷的時空耦合，通過優(yōu)選復(fù)墾時機(沉陷前或沉陷中)和減輕土地?fù)p毀的開采方法，實現(xiàn)煤炭資源開采與土地復(fù)墾同步進行[6]。高潛水位積水區(qū)采煤塌陷地邊采邊復(fù)示意圖如圖2所示。根據(jù)開采沉陷的時空規(guī)律，在土地即將沉入水中時提前分層剝離部分表土與心土(取土區(qū))，并交錯回填至將要沉陷的區(qū)域(充填區(qū))，如圖2(a)所示；通過邊采邊復(fù)可形成最終的復(fù)墾土地區(qū)A、B、C區(qū)，如圖2(b)所示?？梢钥闯?，邊采邊復(fù)較沉陷穩(wěn)定后的復(fù)墾，可以縮短復(fù)墾時間，提前剝離出寶貴的表土，且多復(fù)墾出區(qū)域C，土地恢復(fù)率有較大提升[4]。

因此，實質(zhì)上預(yù)復(fù)墾或者動態(tài)復(fù)墾都可以認(rèn)為是邊采邊復(fù)的一種形式。煤炭資源開采引起的地表沉降與地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、采厚等因素息息相關(guān)，煤礦企業(yè)編制的礦山開發(fā)利用方案、土地復(fù)墾方案等資料均有礦區(qū)水文地質(zhì)、開采計劃和復(fù)墾方式等有關(guān)內(nèi)容，煤炭企業(yè)通過巖移觀測，也已基本掌握了本礦區(qū)開采沉陷的初始期、活躍期、衰退期的持續(xù)時間和沉降數(shù)值及其相應(yīng)的主要參數(shù)，使得本礦區(qū)的塌陷地預(yù)測更為準(zhǔn)確，開展采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾更加切實可行。

圖2 邊采邊復(fù)的動態(tài)過程和最終狀態(tài)

3 預(yù)復(fù)墾設(shè)計方案

采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾設(shè)計要充分考慮采煤采面開采與地面治理時空的耦合，通過選擇恰當(dāng)?shù)膹?fù)墾時間，在土地已開始沉降但未穩(wěn)定之前，進行科學(xué)的復(fù)墾工程設(shè)計，按照優(yōu)先復(fù)墾為農(nóng)用地的原則，實現(xiàn)采礦與復(fù)墾同步進行，其基本特征是以“采礦與復(fù)墾的充分有效結(jié)合，即采礦復(fù)墾一體化”為核心，以“邊采礦，邊復(fù)墾”為特點，以“提高土地恢復(fù)率、提前復(fù)墾治理、增加復(fù)墾效益”為目的，并以“實現(xiàn)礦區(qū)土地資源的可持續(xù)利用及礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展”為終極目標(biāo)[5-6]。

3.1 預(yù)復(fù)墾設(shè)計

濟寧市主城區(qū)和南四湖周邊及泗河兩岸的煤礦多為國家大中型煤礦，開采規(guī)模較大，采煤礦區(qū)地勢平坦、耕地占比大，且耕地多為水澆地和水田，地下潛水位高，地表水豐富，煤炭開采沉陷后塌陷地面積量大面廣且積水嚴(yán)重，比較適合開展采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾工程。

采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾往往針對一個采煤工作面(采區(qū))作為一個項目進行預(yù)復(fù)墾設(shè)計，首先收集煤礦企業(yè)監(jiān)測得到的采空區(qū)巖移主要參數(shù)和地質(zhì)采礦資料進行沉陷預(yù)測，取得該采煤工作面(采區(qū))沉降預(yù)測等值線矢量圖。根據(jù)采煤工作面(采區(qū))的開采計劃，可估算出其沉降過程中對應(yīng)時間點的沉降值，得到該采煤工作面(采區(qū))對應(yīng)沉降時間的沉降值；其次，預(yù)復(fù)墾設(shè)計時，先將項目區(qū)測繪現(xiàn)狀地形圖疊加沉降預(yù)測等值線圖作為設(shè)計底圖，參考項目區(qū)周圍土地的平均高程和潛水位埋深、作物種植等情況，確定穩(wěn)沉后設(shè)計內(nèi)容的規(guī)劃高程和各特征點的高程值，編制項目穩(wěn)沉設(shè)計圖，同一特征點穩(wěn)沉設(shè)計高程減去設(shè)計底圖的預(yù)測現(xiàn)狀高程即為該特征點需要抬高的高差值Δh，此值為定值，對于沉降中的塌陷地，某沉降時點的預(yù)測現(xiàn)狀高程加上該高差定值即為該時點的規(guī)劃高程，其規(guī)劃高程隨沉降時點預(yù)測現(xiàn)狀高程的變化而變化。

對于項目實施結(jié)束還未開始沉降的塌陷地預(yù)復(fù)墾項目(預(yù)復(fù)墾)，可由測繪現(xiàn)狀地形圖疊加抬高的高差值Δh，編制項目施工設(shè)計圖指導(dǎo)項目實施和驗收。

對于動態(tài)復(fù)墾項目，使用動態(tài)沉陷預(yù)計估算現(xiàn)狀地形圖測繪時點到施工開始時段的下沉值a、施工開始至結(jié)束時點的下沉值b，按照穩(wěn)沉設(shè)計圖各特征點位置，在測繪現(xiàn)狀地形圖上求算該特征點高程值h，則h-a為施工時點各特征點預(yù)測現(xiàn)狀高程值，疊加需要抬高的高差值Δh，確定施工時點各設(shè)計內(nèi)容的特征點施工設(shè)計高程為h-a+Δh，進行工程施工設(shè)計；h-a-b為施工結(jié)束時點各有關(guān)特征點預(yù)測現(xiàn)狀高程，疊加抬高的高差值Δh，可得到施工結(jié)束時設(shè)計高程為h-a-b+Δh，據(jù)此編制項目竣工設(shè)計圖，指導(dǎo)項目竣工驗收。

若施工結(jié)束時點和相對穩(wěn)沉?xí)r點相吻合或晚于相對穩(wěn)沉?xí)r間，可省略編制項目竣工設(shè)計圖，用穩(wěn)沉設(shè)計圖作為項目驗收依據(jù)。

3.2 預(yù)復(fù)墾需注意的問題

由此可見，采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾設(shè)計至少需要有相應(yīng)時間節(jié)點的現(xiàn)狀地形圖、沉降預(yù)測等值線圖、施工設(shè)計圖、竣工設(shè)計圖和穩(wěn)沉設(shè)計圖。因不可預(yù)見等原因造成項目立項、施工、驗收與預(yù)復(fù)墾設(shè)計時間提前或延遲一定的時長，應(yīng)估算提前或延遲時間段內(nèi)的沉降值，相應(yīng)增減各階段設(shè)計內(nèi)容高程，重新編制施工設(shè)計圖、竣工設(shè)計圖，才能保證在完成施工設(shè)計工程量的前提下，滿足項目竣工時的設(shè)計高程要求，否則驗收時會出現(xiàn)完成施工工程量而高程不符合竣工標(biāo)準(zhǔn)的扯皮事情。

4 預(yù)復(fù)墾效益分析

濟寧高潛水位采煤塌陷地大多為季節(jié)性積水或常年積水區(qū)域且大部分為優(yōu)質(zhì)耕地，實施采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾，不僅可對即將沉入水中的耕地耕作層提前剝離，還可開展搶土工程，避免土壤養(yǎng)分的流失，保護復(fù)墾后的耕地質(zhì)量，而且還可盡早改善采煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

濟寧可采煤層主要賦存于古生代石炭-二疊系中的太原組、山西組，當(dāng)采深在500 m時，塌陷地穩(wěn)沉?xí)r間約3.5年，如進行采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾，最大按可提前3年進行治理，經(jīng)濟效益明顯；若考慮實施搶土工程節(jié)約的施工成本，效益還要加大，可見采煤塌陷地實施預(yù)復(fù)墾，經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié) 語

相較于傳統(tǒng)采煤塌陷地治理方法，采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾具有高復(fù)墾率、成本低、經(jīng)濟效益高的特點，濟寧市煤糧復(fù)合度高、塌陷地面積量大面廣且積水嚴(yán)重，采煤塌陷地預(yù)復(fù)墾具有較好的推廣價值。通過實施塌陷地預(yù)復(fù)墾可以降低積水對表土層的破壞，降低施工難度，縮短土地?fù)p毀時間，經(jīng)濟、社會效益明顯[9-10]。目前，開采沉陷的動態(tài)預(yù)測的精度較低，制約了動態(tài)復(fù)墾的實施；如何實現(xiàn)高精度的動態(tài)沉陷預(yù)測，是下一步研究的重點。