塌陷預測在采煤礦區(qū)土地復墾規(guī)劃中的應用

蘇尚軍，張 強，張建杰，劉 斌

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030006；3.山西大學環(huán)境與資源學院，山西太原030006）

近年來，我國煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)利用，引發(fā)了嚴重的土地塌陷和生態(tài)破壞問題[1]。為實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，我國進一步加大了對煤炭開采損毀土地的復墾力度。2011年3月5日公布的《土地復墾條例》，為加強落實合理利用土地和切實保護耕地的基本國策，規(guī)范土地復墾活動，加強土地復墾管理，提高土地利用的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，對相關責任主體及行為都作出了詳細的規(guī)定。隨著條例的公布和實施，相關管理部門及資源開發(fā)利用主體等都將積極開展土地復墾工作。而保證土地復墾工作合理開展、有序推進，就要進行科學的規(guī)劃和管理[2]。通常國土部門是通過對破壞區(qū)域進行土地復墾規(guī)劃審批和土地復墾工程驗收來實現(xiàn)監(jiān)管。而其中的土地復墾規(guī)劃技術報告的科學性和合理性就顯得尤為重要。

1 塌陷預測在土地復墾規(guī)劃中的作用

土地復墾是指對生產(chǎn)建設活動和自然災害損毀的土地，采取整治措施，使其達到可供利用狀態(tài)的活動。而煤炭井工開采礦區(qū)土地損毀的主要特點是在資源開采過程中，由于對地層地質(zhì)結構的破壞，導致上覆巖層應力失衡，造成地表裂縫和沉陷的現(xiàn)象，進而間接造成地表道路、耕地、建筑的結構性破壞；露天開采區(qū)的土地損毀特點主要是地表剝離挖損和排土壓占。通常在進行土地復墾規(guī)劃時就必須明確在資源開發(fā)責任區(qū)內(nèi)，受資源開發(fā)利用方式和時序安排的影響，表現(xiàn)出對地表土地不同時空、不同程度的損毀。在土地復墾規(guī)劃中，如何確定土地損毀的等級，如何確定土地損毀對利用方式的影響，以及如何對損毀土地進行復墾適宜性的確定，都是比較重要的技術問題[3]。其不僅強調(diào)方法的科學性，同時也要求具有較強的可操作性。

在進行煤炭井工開采區(qū)的土地復墾規(guī)劃時，須針對煤炭資源開采過程中可能出現(xiàn)的土地沉陷情況進行合理預測，從而對未來土地損毀情況有一個較為合理的估計，進而才能相應地進行復墾工程布設和投資估算。那么要想針對煤炭開采區(qū)進行科學的土地復墾規(guī)劃，合理可信、操作性強的土地塌陷預測方法就顯得十分重要。復墾規(guī)劃具體技術路線如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)資料及分析軟件

本研究用到的氣象資料為高平市氣象局（1958—2000年）統(tǒng)計資料。土地利用現(xiàn)狀資料來源于高平市《全國第二次土地利用現(xiàn)狀調(diào)查成果》，采用西安1980坐標系，比例尺為1∶10 000。DEM數(shù)據(jù)由ASTER GDEM第1版本（V1）的數(shù)據(jù)加工得來，空間分辨率為30 m，數(shù)據(jù)時期為2009年，投影方式為UTM/WGS84，值域范圍為-152～8 806 m。高良礦區(qū)地質(zhì)資料、開采情況及相關圖件取自高良煤礦地質(zhì)勘察報告和生產(chǎn)初步設計書。預測計算參數(shù)按照相關標準劃分在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中查得。

塌陷預測軟件為中國礦業(yè)大學研發(fā)的《開采沉陷預計系統(tǒng)》（2007版）。制圖及空間分析軟件為 AutoCAD2008和 ArcGIS9.3。

3 塌陷預測在土地復墾規(guī)劃中的具體應用

本研究以山西高平高良煤礦為例，進行土地損毀模擬，以分析地表塌陷預測在土地復墾規(guī)劃中的具體應用。

3.1 礦區(qū)概況

山西高平高良煤礦的地理坐標大概為東經(jīng) 112°49′01″～112°49′53″，北緯35°51′51″～35°52′18″。該區(qū)為大陸性暖溫帶季風氣候，年均氣溫9.8℃，年均降水量589.4 mm，降水多集中在6—9月份，年均蒸發(fā)量為1 735 mm，干旱指數(shù)為2.8，土壤類型屬黃土狀褐土。該礦屬沁水煤田，生產(chǎn)能力為45萬t/a，主采3#煤層，煤層平均厚度5.1 m，平均埋深300 m。采用輕型綜采放頂采煤法，全部跨落法管理頂板。井田形狀為矩形，面積為1.040 1 km2。

高良煤礦采用主、副立井和回風立井開拓方式，以＋670 m單水平開采全井田3#煤層。全井田共劃分2個采區(qū)，開采順序為：一采區(qū)→二采區(qū)，服務年限為5.5 a。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，由于自建礦以來一直開采3#煤層，井田范圍內(nèi)工業(yè)廣場以東及以南部分采空區(qū)已出現(xiàn)地面輕微下沉、農(nóng)田、林地裂縫等現(xiàn)象，但總體程度較輕，裂縫寬度大多為2～10 mm。區(qū)域內(nèi)土地利用現(xiàn)狀如圖2所示。

3.2 采煤礦區(qū)地表塌陷預測

井工采煤礦區(qū)因地質(zhì)結構破壞而出現(xiàn)土地損毀現(xiàn)象，其土地影響范圍與損毀程度受地質(zhì)條件和資源開發(fā)利用情況的不同而出現(xiàn)差異，具體為垂直下沉、傾斜變形和水平變形3種情況，直觀表現(xiàn)為地表塌陷和裂縫[4]。按照國家煤炭工業(yè)局《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中規(guī)定：概率積分法、負指數(shù)函數(shù)法、典型曲線法和數(shù)值計算法為主要的開采沉陷預計方法[5]。其中，概率積分法最為常用。一般用來衡量塌陷盆地全范圍變形的指標有5個，即下沉w、傾斜i、曲率k、水平移動u和水平變形ε，可由中國礦業(yè)大學開發(fā)的開采沉陷預測預報系統(tǒng)（MSPS軟件）模擬預測計算得到[6]。結果主要為3個方面，即地表下沉等值線圖、傾斜變形等值線圖和地表水平變形等值線圖（圖3）。其中，參與計算的參數(shù)如表1所示。

表1 地表移動變形模型輸入?yún)?shù)

地表下沉等值線圖主要是由一系列負的閉合等高線組成，用來說明在影響范圍區(qū)內(nèi)各點的下沉程度，是用來描述礦區(qū)范圍內(nèi)受采煤影響，導致地層結構性破壞，從而出現(xiàn)的地表下沉現(xiàn)象；而地表水平變形等值線圖是一系列水平方向移動距離的等值線，用來表示影響范圍區(qū)域內(nèi)各點的水平移動距離，是受采煤影響地表土壤層出現(xiàn)褶曲和裂縫的情況。

3.3 塌陷預測結果預處理

塌陷預測結果中包含了受采煤影響而表現(xiàn)出地表圖層垂直方向和水平方向發(fā)生的變形程度。垂直方向的變動主要影響地表塌陷穩(wěn)定后的地形地貌；而水平方向則影響地表裂縫的寬窄，用以確定土地損毀的程度。在這個原則下，將塌陷預測結果中的地表下沉等值線圖生成柵格DEM，然后與原始地貌DEM疊加，可得到未來的地形地貌。再對其進行坡度分析，用以模擬礦區(qū)采煤塌陷穩(wěn)定后的地形狀況[7]。

本試驗的土地塌陷預測工作，是通過中國礦業(yè)大學研發(fā)的MSPS2007版軟件，運用概率積分法模擬計算所得。其生成的圖件包括下沉等值線圖、水平變形等值線圖、傾斜變形等值線圖，這些均可以.dwg格式疊加到原來的開拓方案布置圖上[8]。要實現(xiàn)這些信息的空間分析、數(shù)據(jù)提取，還須將其加載至地理信息系統(tǒng)軟件（如ArcGIS 9.3）中進行處理。加載時以礦界拐點坐標為依據(jù)進行糾正和疊合，以西安1980坐標系為準。其中，運用ArcGIS 9.3進行結果處理與分析，主要包括數(shù)據(jù)校正、坐標轉換、疊加分析、DEM生成、坡度提取、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等[9]。

3.4 分析結果

地表塌陷預測需要重點解決3個問題，以便為土地復墾適宜性評價作準備，進而確定復墾方向及復墾工程量的估算。

3.4.1 地表塌陷對土地利用現(xiàn)狀的影響 采煤礦區(qū)的地表塌陷范圍一般以土地下沉等值線圖的-10 mm線包圍的區(qū)域為準。受土地塌陷下沉傾角的影響，這個范圍內(nèi)的土地有一部分通常會延伸到井田邊界以外，屬于采煤塌陷影響區(qū)域。

本試驗區(qū)域為黃土高原土石丘陵區(qū)，主要分布有旱地、果園和灌木林地，受采煤塌陷影響的土地利用情況如表2所示。其中，由于旱地、果園和灌木林地所占比例較大，故土地損毀會造成當?shù)丶Z食減產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)服務功能下降[10]。依照耕地占補平衡的原則，后期土地復墾的耕地恢復工程量較大，投資量亦較大，直接導致了煤炭開采成本的提高。

表2 塌陷區(qū)土地利用情況

3.4.2 地表塌陷后坡度的變化 采煤礦區(qū)的土地塌陷后，會引起地表破碎，導致土地的局部坡度發(fā)生變化，影響了土地的耕作適宜性或植被的水土保持功能，從而致使該區(qū)域土地生產(chǎn)力和生態(tài)服務功能的下降。

本試驗通過對塌陷預計生成的地表下沉等值線圖，利用ArcGIS 9.3，采用TIN法生成礦區(qū)地表塌陷DEM數(shù)據(jù)[11]。然后對原始地貌分辨率作糾正、裁切、分辨率調(diào)整等處理，并與生成的塌陷DEM數(shù)據(jù)進行疊加，生成塌陷后礦區(qū)模擬地形數(shù)據(jù)（圖4），再進行坡度提取，即可得到塌陷區(qū)土地損毀后坡度數(shù)據(jù)[12]。經(jīng)分析（表3）可得出，損毀后塌陷區(qū)坡度＞15°的面積較之前大幅增加，所占比例達到88.48%，說明塌陷導致土地局部破碎，坡度增加。

3.4.3 對塌陷土地損毀程度的確定 井工采煤礦區(qū)的土地損毀主要表現(xiàn)在地表塌陷和地表裂縫2個方面。土地破壞等級的確定通常主要依據(jù)地表塌陷的深度和水平變形的程度來確定。針對不同地質(zhì)條件區(qū)域和不同地類管理要求，土地損毀等級的判定標準又具有一定的差別[13]。按照國家國土資源部出臺的相關標準，結合本研究礦區(qū)主要分布為旱地和林草的特點，具體分級指標如表4所示。

表3 塌陷區(qū)土地損毀前后坡度變化

表4 采煤塌陷區(qū)土地損毀程度分級標準

目前，采用塌陷預測軟件MSPS所計算出的結果只包含下沉值、傾斜變形值、曲率值、水平移動值、水平變形值及相關的等值線圖，故在土地復墾規(guī)劃時，如何據(jù)此確定土地損毀程度分級分區(qū)，就需要可操作性較強的方法來實現(xiàn)。在多因子條件下，自然災害評價綜合區(qū)劃研究中通常用到指標模型法[14]、主成分分析法[15]等方法。本研究對預測得出的單因素土地損毀結果，按照主導因素的方法，劃分土地損毀區(qū)域為土地損毀輕度區(qū)域、土地損毀中度區(qū)域、土地損毀重度區(qū)域。此過程由ArcGIS 9.3疊加分析實現(xiàn)，具體計算方法為：P（土地損毀程度值）＝f（地表下沉值，傾斜變形值，水平變形值，坡度值，其他因子值）（1）

在方程（1）中，所有右邊獨立因子可通過一定方法賦予一定分類碼。各因子間組合關系可以是線性的，也可以是非線性的。考慮到P的空間特征和地理信息系統(tǒng)的能力，可以將各種因子在統(tǒng)一的空間框架中，借助于空間疊加分析功能，綜合各影響因子，從而可以得到綜合影響因子圖。在常規(guī)的計算中，多采用均勻格網(wǎng)作為空間框架，從而達到對每一格網(wǎng)點（象元點）進行分析，其空間綜合則轉化為多維矩陣的地圖代數(shù)運算。

按照表4中土地損毀程度分級標準，可分析得出礦區(qū)各類土地損毀的等級分布情況，具體如表5所示。

通過對采煤區(qū)域土地塌陷的預測，模擬在一定地質(zhì)條件和采煤方法下，未來該區(qū)域內(nèi)煤炭開采對土地造成的損毀情況，依照國土資源管理部門的全國第二次土地利用現(xiàn)狀調(diào)查資料，進而得出各地類斑塊的損毀程度及空間分布。再經(jīng)過土地復墾各限制因子控制下的土地適宜性評價，從而確定出未來土地復墾的工程布置、階段安排以及投資估算，最終實現(xiàn)對采煤礦區(qū)未來的土地復墾工作的規(guī)劃指導。

4 結論與建議

4.1 結論

土地塌陷預測是針對采礦活動對未來可能造成的地層結構變化進行預計，并根據(jù)預計結果衡量和評價土地損毀程度，為評估采礦活動對未來土地資源開發(fā)利用的影響提供依據(jù)。本研究就塌陷預測在土地復墾規(guī)劃中的具體應用作了試驗和探討，最終得出：在塌陷預測過程中，塌陷預測的參數(shù)選擇十分重要，參照相關規(guī)程及礦區(qū)地質(zhì)資料及資源開發(fā)利用方案來選取適宜的參數(shù)是預測結果正確程度的保證；在預測結果的利用上提出了運用塌陷前后高程疊加的方法模擬地形地貌，從而得出未來礦區(qū)地形地貌的變化趨勢；塌陷結果指標采用分區(qū)賦值，再采用空間疊加取大值的方法來實現(xiàn)土地破壞程度的空間劃分，從而提高了土地復墾規(guī)劃中塌陷預測及土地損毀程度確定的可操作性。

4.2 建議

目前，在土地塌陷預測中常用的方法為概率積分法，常用軟件有中國礦業(yè)大學開發(fā)的MSPS和太原理工大學開發(fā)的MMSPS軟件。前者適用于平原地區(qū)，后者適用于山區(qū)及丘陵地區(qū)。故如何選取科學合理的預測方法及預測軟件是保證結果正確的前提。

目前，土地復墾相關技術標準中的土地損毀程度評價指標，與通常的塌陷預測結果不符，致使技術人員在具體評價工作中難以操作。故制定適宜的評價指標是深化和推進土地復墾規(guī)劃及土地資源開發(fā)整理工作的重要技術手段。

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