井工煤礦邊采邊復(fù)施工敏感區(qū)域的確定方法＊

肖 武 胡振琪 楊耀淇 苗慧玲 周祥勃

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京市海淀區(qū)，100083）

井工煤礦邊采邊復(fù)施工敏感區(qū)域的確定方法＊

肖 武 胡振琪 楊耀淇 苗慧玲 周祥勃

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京市海淀區(qū)，100083）

針對地面施工類型，劃分了施工敏感區(qū)的分類，選擇耕地為研究對象，重點剖析了耕地施工敏感區(qū)的確定方法與過程，并運用于山東某礦山工作面，將研究區(qū)域地面劃分為7875個地面單元，地下工作面劃分為13個開采階段，由此，確定了各個開采階段地面復(fù)墾施工的敏感區(qū)域。

煤礦區(qū) 邊采邊復(fù) 施工敏感區(qū) 空間分布

對于采煤沉陷地復(fù)墾，自20世紀(jì)80年代以來國內(nèi)專家學(xué)者已經(jīng)開展了廣泛研究，但以往的治理多側(cè)重于沉陷穩(wěn)定后再復(fù)墾，在現(xiàn)有技術(shù)水平下復(fù)耕率較低，這也就意味著大面積的優(yōu)質(zhì)農(nóng)田將會變?yōu)樗?，直接影響耕地的?shù)量。造成這一現(xiàn)象的原因有很多，一方面，特殊的地質(zhì)采礦條件使得這一地區(qū)沉陷具有典型性，高潛水位礦區(qū)大多為平原礦區(qū)，所在區(qū)域大多為地勢平坦、土壤資源豐富、肥力較高的優(yōu)質(zhì)基本農(nóng)田區(qū)，由于本身地表地勢平坦且潛水位較高，而同時煤層賦存條件又特別好，很多礦區(qū)煤層數(shù)量多、煤層厚度大，這就造成沉陷后積水的現(xiàn)象嚴(yán)重，大量的表土資源沉入水底；另一方面，由于是平原地區(qū)，缺乏固體充填物，目前主要采用煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等作為塌陷區(qū)治理的充填材料，與地表巨大的沉陷體積相比，此類充填物是杯水車薪。且珍貴的土壤資源作為多年風(fēng)化沉積形成的資源，從某種意義上來說是不可再生的資源，復(fù)墾時缺少充填材料與表土覆蓋材料，造成恢復(fù)土地和耕地的比例低。

近年來，相關(guān)學(xué)者開展動態(tài)復(fù)墾與超前復(fù)墾的研究，研究人員希望通過提前采取復(fù)墾措施來達(dá)到保護耕地的目的。胡振琪 （2013）提出了井工礦山邊開采邊復(fù)墾 （簡稱邊采邊復(fù)，Concurrent Min-ing and Reclamation，CMR）的概念。定義邊采邊復(fù)為：充分考慮地下開采與地面復(fù)墾措施的耦合，通過合理減輕土地?fù)p毀的開采措施和沉陷前或沉陷過程中的復(fù)墾時機與方案的優(yōu)選，實現(xiàn)采礦與復(fù)墾同步進行的一種復(fù)墾技術(shù)?？梢姡叢蛇厪?fù)相對于穩(wěn)定后復(fù)墾而言，實質(zhì)上也是一種超前的復(fù)墾措施，其實施不可避免地涉及到地面沉陷前施工或者對正在沉陷的土地進行復(fù)墾施工。因此，復(fù)墾施工的對象 （如耕地區(qū)、水利設(shè)施、道路等）不可避免地要遭受動態(tài)沉陷，如拉伸、傾斜、曲率變形的影響，導(dǎo)致很多工程在施工過程中或者施工后遭受二次破壞，致使復(fù)墾失敗。如何合理確定復(fù)墾的時間與區(qū)域，特別是施工過程中的施工敏感區(qū)，既確保復(fù)墾耕地率最大，又避免在動態(tài)開采階段的敏感區(qū)域 （受水平變形、曲率變形區(qū)域）進行施工，成為井工開采煤礦區(qū)邊采邊復(fù)技術(shù)發(fā)展的瓶頸，直接關(guān)系到復(fù)墾工程的成功與否。

本文建立了以地理信息系統(tǒng) （Geographic Information System，GIS）為手段，以Arcinfo為平臺的施工敏感區(qū)判定模型。在分階段動態(tài)沉陷預(yù)測的基礎(chǔ)上，對預(yù)先劃分好的地面格網(wǎng)進行了分析，確定了各個開采階段的地面施工敏感單元，并進行了實際運用。

1 施工敏感區(qū)定義及關(guān)鍵指標(biāo)的確定

邊采邊復(fù)的目的是為了在地面出現(xiàn)積水前預(yù)先采取地面復(fù)墾措施，提前剝離表土儲存，隨后進行平整與農(nóng)田水利設(shè)施的建設(shè)。事實上，為了盡快利用受損的耕地，縮短土地臨時占用的時間，在表土剝離后應(yīng)當(dāng)及時對其進行回填平整。在對受擾耕地進行回填平整治理時，要考慮治理后的土地能否經(jīng)受住后續(xù)沉陷下沉的影響。

要確定施工敏感區(qū)，首先要確定施工后對象承受后續(xù)下沉與變形時需要克服哪些擾動。對于復(fù)墾后的土地對后續(xù)沉陷的抗擾動能力，目前暫無專門研究，但國內(nèi)外學(xué)者對開采沉陷耕地的影響及抗擾動能力進行了大量的研究，馬丹·賽恩 （1992）在總結(jié)了大量文獻的基礎(chǔ)上，將基本農(nóng)田的損害按照水平變形與坡度進行了劃分，認(rèn)為當(dāng)拉伸變形達(dá)到2.0×10-3～3.0×10-3時，為中度減產(chǎn)破壞；水平拉伸變形達(dá)到5.0×10-3時為重度減產(chǎn)破壞；沉陷引起的附加坡度在2.0×10-3～-3.0×10-3時，為中度減產(chǎn)破壞；坡度達(dá)到6.0×10-3時為重度減產(chǎn)破壞。鄭南山等 （1998）依據(jù)徐淮礦區(qū)開采破壞特點，選取高潛水位礦區(qū)開采沉陷對耕地破壞程度指標(biāo)并進行程度分級。

邊開采邊復(fù)墾的耕地?fù)p害情況評價，是實時動態(tài)的評價，其目的是為了在清晰地、明確地界定各個階段的耕地?fù)p壞狀況后，實時或者超前采取措施進行治理，同時，確保治理后的工程能承受后續(xù)的沉陷擾動影響。對于農(nóng)業(yè)耕作系統(tǒng)中的不同部分，其破壞閾值與可承受程度也有所不同，根據(jù)以往研究經(jīng)驗，本文將沉陷區(qū)耕地中受影響的各個部分分為兩大類，分別確定其損害的標(biāo)準(zhǔn)，也以此為依據(jù)評判復(fù)墾時機選擇的合理性。

首先，將耕地本身的土壤作為第一類，即復(fù)墾后的耕地在豎直方向上要預(yù)留標(biāo)高承受后續(xù)豎直下沉的影響，不至于后續(xù)沉陷影響后的再次積水現(xiàn)象；復(fù)墾后的土壤能保證后續(xù)的水平移動分量、傾斜與曲率變形能在破壞閾值之下，耕地不會在表土回覆、土地平整施工后再出現(xiàn)變形導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象，可以選擇水平變形 （地面是否開裂）為關(guān)鍵評價指標(biāo)。其次，將農(nóng)田耕作系統(tǒng)中農(nóng)林路網(wǎng)、灌溉排水等配套設(shè)施作為第二類，在施工建設(shè)后，此類設(shè)施也必須能承受后續(xù)開采的變形影響，開采引起的變形包括水平移動、水平變形、傾斜、曲率等。通過以往研究，大多選取水平變形作為評價耕地?fù)p毀程度的指標(biāo)。綜合考慮后，同時為了判別的簡單準(zhǔn)確性，確定邊采邊復(fù)過程中水工建筑抗損毀的評價指標(biāo)為水平變形。對于不同結(jié)構(gòu)的水工建筑 （田間道路、排灌溝渠、塘壩、磚瓦結(jié)構(gòu)灌溉機井等），所能承受的抗壓強度或者抗拉強度不一樣。此外，對于線狀 （溝渠、塘壩）等線狀地物來說，除了水平拉伸變形會導(dǎo)致其產(chǎn)生裂縫外，過大的曲率變形也會對其造成破壞，因此選擇水平變形與曲率變形為關(guān)鍵評價指標(biāo)。

在任意開采時刻，地面的水平變形分布是不同的，各類水工建筑抗 （變形）損害的能力也有區(qū)別。根據(jù)以上原理，建立耕地 （或者復(fù)墾后耕地）的損毀 （抗損毀）能力模型，對于t開采時刻，地面的抗損害敏感區(qū)域可由式1得出。對于邊采邊復(fù)來說，應(yīng)當(dāng)避免在t時刻在Rt區(qū)段進行相關(guān)的復(fù)墾水工建筑建設(shè)施工。在此基礎(chǔ)上，可盡早對剝離的表土進行回填、平整與水利設(shè)施的建設(shè)。

式中：Rt——t時刻的抗損害敏感區(qū)域；

S——敏感區(qū)域面積；

V——水平 （曲率）變形閾值；

Rt（S，V）——田間道路抗損害敏感區(qū)域；

Tt（S，V）——溝渠抗損害敏感區(qū)域；

Pt（S，V）——塘壩體抗損害敏感區(qū)域；

Bt（S，V）——地面建筑抗損害敏感區(qū)域。

2 基于GIS的地面施工敏感區(qū)的評判模型

本文采用GIS，在Arcinfo平臺下進行操作。具體的包括如下幾個步驟：

（1）劃分地面單元，并柵格化地面單元。將地面劃分為方格地面單元，方格地面單元各邊長度為H／20所得數(shù)的10位取整 （H為平均采深，單位為米）。將方格地面單元柵格化，柵格化單位取值范圍為10～100 m。

（2）根據(jù)開采階段進行沉陷預(yù)計，獲取各個開采階段的地表變形等值線，地表變形等值線包括水平變形等值線與曲率變形等值線，開采階段以月或年為單位進行劃分。

（3）通過GIS的插值與擬合功能，獲取各個開采階段的地表的水平變形柵格圖與曲率變形柵格圖，實現(xiàn)地表變形等值線到變形柵格圖的轉(zhuǎn)換。

（4）將獲取的水平變形柵格圖與曲率變形柵格圖分別通過疊加運算，賦值給地面單元，獲取每個地面單元各個開采階段的變形值，地面單元的變形值取所在地面單元內(nèi)柵格單元的最大值。如式2與式3所示。

式中：Si——地面單元i的水平變形；

En——地面單元i內(nèi)第n個柵格單位的水平變形值；

Qi——地面單元i的曲率變形；

Fn——地面單元i內(nèi)第n個柵格單位的曲率變形值。

（5）確定各個開采階段復(fù)墾施工的敏感地面單元，若Si≥Bj，則該地面單元為施工敏感單元，否則為非敏感單元 （Bj為對應(yīng)的施工對象的抗水平變形的閾值；若Qi≥Gj，則該地面單元為施工敏感地面單元，否則為非敏感單元，Gj為對應(yīng)的施工對象的抗曲率變形的閾值；對于各開采階段中的每個地面單元，若Si或者Qi中任意一個超過閾值，則該地面單元為該開采階段的復(fù)墾施工敏感地面單元。

地面施工敏感區(qū)的評價流程如圖1所示。

圖1 施工敏感單元判定流程圖

3 實例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

本文所選案例位于山東省西南部，屬黃河沖洪積平原，地形平坦，地勢略呈現(xiàn)西北高東南低，地面標(biāo)高為+40.01～+46.14 m，平均43.26 m，自然地形坡度為2‰。礦區(qū)內(nèi)水系比較發(fā)達(dá)，河流溝渠縱橫成網(wǎng)，且多系人工開掘的季節(jié)性河流。根據(jù)鄰近地區(qū)煤炭開采經(jīng)驗，由于該地區(qū)潛水位淺，蒸發(fā)強烈，潛水濃縮鹽化，容易局部形成鹽堿地，開采沉陷后導(dǎo)致的地面積水毫無疑問會加劇局部區(qū)域的鹽堿化，影響正常的農(nóng)業(yè)耕作。該礦井為巨厚新生界松散層覆蓋的全隱蔽煤田，新生界地層厚度531.50～767.80 m，平均為655.16 m。首先開采的3上煤層平均采深約800 m，平均采高達(dá)到9 m。

為了得到該地區(qū)單一工作面開采對地面動態(tài)影響規(guī)律，選擇首采區(qū)1301N工作面為研究對象。該工作面位于礦區(qū)西北部，工作面南北向布置，走向長度2500 m，傾向220 m，開采高度9.0 m，自南向北采用綜合機械化開采，開采時間自2010年1月1日至2011年1月15日。地面高程變化為+43.0～+44.50 m，地下水埋深約3.0 m左右，地形相對較為平坦，西北高，東南低。工作面的布置情況及地面地形情況如圖2所示。

3.2 施工敏感區(qū)確定過程

（1）劃分地面單元，并柵格化地面單元。

將地面劃分為方格地面單元，確定本實施例地面單元尺寸為40 m×40 m，共7875個地面單元。柵格化地面單元，柵格化單位選取為10 m×10 m；則每個地面單元有16個柵格單元。

圖2 工作面布置及開采前地面高程情況

（2）根據(jù)開采階段進行沉陷預(yù)計，獲取各個開采階段的地表變形等值線 （包括水平變形等值線與曲率變形等值線）；開采階段以月為單位進行劃分；共獲得12期開采階段的水平變形等值線與曲率變形等值線。

（3）通過GIS的插值與擬合功能，獲取各個開采階段的地表的水平變形柵格圖與曲率變形柵格圖；實現(xiàn)地表變形等值線到變形柵格圖的轉(zhuǎn)換。

（4）將獲取的水平變形柵格圖與曲率變形柵格圖分別通過疊加運算，賦值給地面單元，獲取每個地面單元各個開采階段的變形值，地面單元的變形值取所在地面單元內(nèi)柵格單元的最大值。

（5）確定各個開采階段復(fù)墾施工的敏感地面單元，若Si≥Bj，則該地面單元為施工敏感單元，否則為非敏感單元 （Bj為對應(yīng)的施工對象的抗水平變形的閾值，施工對象的抗水平變形的閾值由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》確定）；若Qi≥Gj，則該地面單元為施工敏感地面單元，否則為非敏感單元 （Gj為對應(yīng)的施工對象的抗曲率變形的閾值，施工對象的抗曲率變形的閾值由 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》確定；對于各開采階段中的每個地面單元，只要Si或者Qi中任意一個超過閾值，則該地面單元為該開采階段的復(fù)墾施工敏感地面單元。

本實施例中，由于耕地區(qū)施工過程中主要考慮拉伸變形導(dǎo)致的裂縫，因此對于復(fù)墾為耕地的只選取Bj=5 mm／m；對于進行磚和混凝土的溝渠及魚塘堤壩建設(shè)的取Bj=2.5 mm／m，Gj=12 km；由此，確定了各個開采階段地面施工敏感單元，以第六開采階段為例，耕地復(fù)墾施工敏感地面單元共51個，如圖3（a）所示；復(fù)墾為溝渠與魚塘堤壩的復(fù)墾施工敏感地面單元共320個，如圖3（b）所示。在第6開采階段進行復(fù)墾工作時，應(yīng)當(dāng)避免在上述地面單元進行對應(yīng)的復(fù)墾施工。圖中虛線為開采工作面，陰影部分為施工敏感地面單元。

圖3 第6開采階段復(fù)墾施工敏感區(qū)域

4 結(jié)論

本文建立了以地理信息系統(tǒng) （Geographic Information System，GIS）為手段，以Arcinfo為平臺的施工敏感區(qū)判定模型。在分階段動態(tài)沉陷預(yù)測的基礎(chǔ)上，對預(yù)先劃分好的地面格網(wǎng)進行了分析，確定了各個開采階段的地面施工敏感單元。

模型運用于山東某礦山，將工作面劃分為13個開采階段，確定了各個階段地面施工的敏感單元，以第六開采階段為例，耕地復(fù)墾施工敏感地面單元共51個；復(fù)墾為溝渠與魚塘堤壩的復(fù)墾施工敏感地面單元共320個。

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Determination of sensitive area for concurrent mining and reclamation construction in underground coal mines

Xiao Wu，Hu Zhenqi，Yang Yaoqi，Miao Huiling，Zhou Xiangbo
（Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

The subsiding area on the ground endures vertical subsidence and horizontal deformation，therefore，was defined as construction sensitive area（CSA）.This research categorized types of CSA，according to various reclamation objectives.Furthermore，farmland was selected as target，the determination and process of CSA for farmland was presented，and was applied in a panel in Shandong province.The surface was divided into 7875 cells，and mining process underground was divided into 13 stages.

coal mines，concurrent mining and reclamation，construction sensitive area，spatial distribution

TD997

A

國土資源部公益性行業(yè)科研專項（200911015-03），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（2013QD03）資助

肖武 （1983-），男，湖南漣源人，中國礦業(yè)大學(xué) （北京）講師，研究方向為測繪、開采沉陷與土地復(fù)墾。

（責(zé)任編輯 張大鵬）