基于GIS的高潜水位煤矿区边采边复表土剥离策略

肖 武，王培俊,王新静,余 洋,陈 超

(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所,北京 100083)

1 概述

高潜水位煤矿区所在地区主要位于我国的东北区与华东区，其中东北区主要为东北平原，华东区为黄淮海平原。高潜水位矿区包括了14大煤炭基地中的5大基地，即：两淮、鲁西、河南、冀中、内蒙古(东北部分)。这类地区具备以下4个特点：①可开采煤层数量多，以淮南矿区为例，可开采煤层数量达到9～18 层[1]；②煤层厚度大，淮南矿区可采煤层总厚度 22～34m[2]，山东兖州、济东矿区、滕南矿区3煤最大开采厚度为12m[3]；③潜水位埋深小，高潜水位矿区潜水位埋深大多小于4m。大部分地区如两淮、鲁西等地潜水位埋深甚至仅为1.5m；④地势相对平坦，高潜水位煤矿区所处位置主要为东北区与华东区，其中东北区主要为东北平原，华东区为黄淮海平原。除少部分区域外，大多为地势平坦的区域。

以上这些因素，使得煤炭开采后地面塌陷积水现象格外严重，沉陷后积水率往往达到50%以上。在平原矿区，目前可用复垦的充填物主要包括煤矸石、粉煤灰及城市建筑垃圾，但是充填复垦也存在着一定的局限性。一方面，这些固体充填物产量较小，其中，煤矸石的产量约占全国煤炭产量的10%～15%[4]，而粉煤灰主要位于电厂附近，2009年粉煤灰产量约4.5亿t左右[5]，与面积巨大的地面沉陷范围相比，充填物相对来说十分缺乏，这一现象在平原地区更为严峻。另一方面，随着固体废弃的综合利用率逐年提高，可用于充填复垦的固体废弃物也逐渐减少，根据2008年数据，全国煤矸石和粉煤灰的综合利用率分别达到了55%与67%[6]，这些固体废弃物大多用于发电，制砖瓦、水泥、筑路等。最后，由于大部分矿区都远离城市，使得城市垃圾充填复垦也难以大范围应用。上述原因，致使高潜水位煤矿区采煤沉陷地复垦率较低。据预测，我国2015年、2020年、2030年煤炭需求量分别为37亿～39亿t、39亿～44亿t、45亿～51亿t[7]。由于煤炭资源在我国能源结构中占据的主导型地位在短期内不会改变，可以预见，随着经济的高速发展，采煤沉陷土地的情况将随着进一步加剧，采煤沉陷仍将是煤炭生产过程中面临的最大的问题。

我国从20世纪80年代开始了采煤沉陷地复垦的研究和实践，取得了很多的成果。从20世纪90年代开始，一些矿山和学者就开始探寻非稳定沉陷地的复垦技术，如1992年平顶山矿务局在东高皇乡辛北村进行了“超前复垦”，即对即将沉陷的土地开挖水渠、降低潜水位，使土地沉陷后不积水而达到复垦的目的。一些学者也相继提出了预复垦[8]、超前复垦[9]、动态复垦[10]等概念和方法。但由于以往复垦都是地面沉陷稳定后再采取措施，导致珍贵的表土与心土资源沉入水底，无法利用。而如果表土剥离时间过早，也会影响正常的农业生产活动。甚至于有的复垦工程由于过早施工建设，施工后的工程经受不住后期沉陷的影响而导致复垦失败的案例也存在。

本文以山东某矿工作面为例，结合GIS的空间分析功能，合理划分了地面单元，对煤炭开采后地面的动态沉陷过程进行了模拟，明确了地面开始沉陷及出现积水的时间，明确了表土剥离的策略，定量的确定了地面各单元表土剥离的时间、范围与深度，剥离的表土可用于后期土地复垦工作。

2 研究区概况

研究区位于山东省西南部，属黄河冲洪积平原，地形平坦，地势略呈现西北高东南低，地面标高为+40.01～+46.14m，平均43.26m，自然地形坡度为2‰。矿区内水系比较发育，河流沟渠纵横成网，且多系人工开掘的季节性河流。根据临近地区煤炭开采经验，由于该地区潜水位浅，蒸发强烈，潜水浓缩盐化，容易局部形成盐碱地，开采沉陷后导致的地面积水毫无疑问会加剧局部区域的盐碱化，影响正常的农业耕作。该矿井为巨厚新生界松散层覆盖的全隐蔽煤田，新生界地层厚度531.50～767.80m，平均为655.16m。首先开采的煤层平均采深约800m，平均采高达到9m。因此，对该地区的模拟与研究具有普遍性和代表性。

本文选择该矿山首采工作面进行分析，工作面位于矿区西北部，工作面南北向布置，走向长度2500m，倾向220m，开采的煤层高度9.0m，自北向南采用综合机械化开采，开采时间自2010年1月1日至2011年1月15日。地面高程变化为+43.0～+44.50m，地下水埋深约3.0m左右，地形相对较为平坦，西北高，东南低。工作面的布置情况及开采前地面地形情况如图1所示。

图1 工作面布置及地面地形情况

3 模拟方法及过程

3.1 开采阶段的划分及沉陷预测

将模拟的工作面以月为单位将开次划分为13个阶段，阶段划分及各阶段开采进度如图2所示。由于煤层为近水平煤层，根据开采沉陷学理论，沉陷预计方法选用概率积分法，采用msps预计软件，其计算原理为[11]：对于任意形状的工作面，其煤层厚为m，假设将整个工作面开采划分为足够小的n个单元开采，其中开采单元i的面积用Ai表示，则任意点(x，y)在t时刻的下沉值按式(1)计算。

Wt(x,y)=[∑Weti(x,y)·Ai]·mqcosα

(1)

式中：Wt(x，y)为任意点(x，y)在t时刻的下沉值(mm)；Weti(x，y)为开采单元i开采引起地表任意点(x，y)在t时刻的下沉值(mm)；q为下沉系数(本试验为0.85)；α为煤层倾角(度，本试验为3)。同时，软件考虑了开采的充分性，可以根据开采的充分性预计不同开采尺寸下的地表下沉率(q’)。分析各开采阶段的地表下沉特征与表现形式。

对工作面的开采进行了分阶段的动态沉陷预测，由此获得了各期开采的下沉等值线。另外，对沉陷稳定即最终的下沉状况也进行了预测。本文所采用的下沉预测参数见表1。

表1 工作面地表移动变形预测参数

3.2 基于GIS的地表沉陷模拟

上节获得的各阶段下沉等值线，只能代表地面为水平状态时的下沉。近年来，很多学者开始将GIS运用于开采沉陷后的地表信息表达，同时开始考虑原始地表的动态沉陷信息表达[12-13]。作者(2011)针对已有开采沉陷三维可视化方法未全面考虑矿区原始地貌特征的缺陷，运用GIS软件，通过不同开采阶段沉陷预计结果与地面原始高程数据的耦合，形成矿区开采地貌特征的动态可视化表达，形象地反映矿区开采后地表沉陷变化的规律及沉陷表征[14]。运用GIS的空间分析与叠加功能，将原始地表地形数据与沉陷数据进行叠加与插值，从而获得各阶段的开采沉陷后地面状况。

为了定量的描述和分析地表各处表土沉入水中的开采阶段，同时，也考虑后期地面施工土方计算的准确，在地面建立了40m×40m的格网，共7875个格网单元，如图2所示。格网单元的大小，可根据地表岩层移动观测站的建立标准，本文选择为H/20，H为开采深度。

由此获得各个地面单元各开采阶段的实时高程信息与是否积水等信息。

图2 开采阶段与地面单元的划分

4 结果分析

根据模拟，地面出现积水的临界时间为2010年5月1日，即开采了120天(推进距离为804m)时。因此，该工作面表土应当在地下工作面推进了804m前进行。同时，具体剥离的时间还要考虑农业耕作时间，以及农民意愿等具体的地面情况。最终工作面开采共涉及461个格网的表土剥离，剥离面积73.76hm2。根据划分的阶段，每个开采单元或者阶段对应的地面表土剥离范围如图3所示。

图3 基于地面格网的实时表土剥离范围

实际的表土剥离工作不能根据图3简单进行，高潜水位矿区地面表土剥离所需要考虑的其他因素包括[15]：①农耕农时，尽量保证当季种植农作物的收获；②农民的意愿，土地权属人是否愿意进行剥离与复垦；③施工季节，尽量选择在旱季进行，避免雨季施工。

因此，综合考虑，在分析了本次动态沉陷及需要剥离范围的基础上，安排了表土剥离的策略。由于当地主要种植小麦，小麦收获季节为每年的6月份。因此，将涉及本工作面开采的表土剥离分为两次进行，第一次剥离时间定为2010年1月进行，剥离范围为图3中2010年5月与2010年6月将要积水的格网；第二次剥离时间定为2010年7月收获结束后进行，剥离范围为2010年7月至2011年2月将要积水的格网。剥离的表土将就近堆放，待沉陷基本稳定后再安排土地平整及配套相关水利设施的建设。表土剥离策略的确定能最大有效的保护珍贵的表土资源，避免沉入水底，且确保了复垦耕地率[16]。

5 结论

本文通过开采沉陷预测与GIS结合，建立了以Arcinfo为平台的表土剥离时机与区域确定模型。在分阶段动态沉陷预测的基础上，对预先划分好的地面格网进行了分析，确定了各个开采阶段的地面表土剥离单元。研究方法运用GIS的空间分析功能与动态开采沉陷预测技术，能定量确定地面任意单元在各开采阶段的具体沉陷情况，由此定量化的确定了地面需要进行表土剥离的范围及准确的时间，综合考虑其他因素，确定了操作性更强的表土剥离策略。研究有利于井工煤矿区的边采边复技术的研发，并促进开采与治理的同步进行。

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