基于格網(wǎng)法的地面復(fù)墾模擬與分析

陳慧玲 肖 武 王 錚 李素萃 臺(tái)曉麗

（中國(guó)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）

基于格網(wǎng)法的地面復(fù)墾模擬與分析

陳慧玲 肖 武 王 錚 李素萃 臺(tái)曉麗

（中國(guó)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）

為實(shí)現(xiàn)地面復(fù)墾與井下開采的充分耦合，探索一種新的土地復(fù)墾方法，以我國(guó)東部高潛水位礦區(qū)為研究對(duì)象，采用格網(wǎng)法將地面劃分成方格單元，建立煤炭開采影響地面方格單元的煤層范圍的計(jì)算模型，基于該模型圈定影響方格單元A（i，j）的井下煤層范圍，進(jìn)而采用概率積分法進(jìn)行開采沉陷模擬，分析各開采階段方格單元A（i，j）的沉陷特點(diǎn)與規(guī)律，得出以下結(jié)論：方格單元A（i，j）應(yīng)在開采第二階段采取剝離表土的措施，并通過地面—地下—地面的土地復(fù)墾方法，科學(xué)劃定復(fù)墾區(qū)域，實(shí)現(xiàn)井上井下的充分耦合。

采煤塌陷地 土地復(fù)墾 高潛水位 格網(wǎng)法

1　前言

土地復(fù)墾工程施工時(shí)，為了便于施工及工程量計(jì)算，多以塊段作為施工單元，但目前已開展的未穩(wěn)沉塌陷地復(fù)墾時(shí)機(jī)的研究多是以地下煤層開采為前提的地面復(fù)墾時(shí)機(jī)的確定。因此，地面復(fù)墾施工單元何時(shí)何地與如何復(fù)墾仍是困擾復(fù)墾工作開展與現(xiàn)場(chǎng)復(fù)墾施工的難題。本文以地面為出發(fā)點(diǎn)，將復(fù)墾區(qū)域格網(wǎng)化后，開展基于格網(wǎng)法的地面方格單元的復(fù)墾模擬與分析的研究，將為指導(dǎo)復(fù)墾施工提供科學(xué)依據(jù)。

2　研究區(qū)概況

選擇安徽省淮北市某高潛水位礦區(qū)進(jìn)行模擬研究，研究區(qū)屬于華北平原，地勢(shì)較平緩。地表自然標(biāo)高+30～+32 m，平均標(biāo)高約為+31 m，地面坡度為0°～2°，地下潛水位埋深約為1.5 m。礦井于1993年12月26日正式投產(chǎn)，生產(chǎn)能力為200萬t/a，礦區(qū)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以單一近水平煤層為主，試驗(yàn)區(qū)位于礦井的東部，煤層平均埋藏深度為250 m，煤層厚度平均為2 m。井下分布有4個(gè)工作面，工作面尺寸為800 m×130 m，開采方式為順序開采。示范區(qū)氣候溫和，屬北方大陸性氣候與濕潤(rùn)氣候之間的季風(fēng)氣候，日照充足，四季分明，春秋季明顯短于冬夏季，冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨。

3　分析材料與方法

以往的開采沉陷研究與預(yù)測(cè)技術(shù)都是從地下出發(fā)，先研究地下單個(gè)開采單元對(duì)地面造成的影響程度及范圍，再通過積分疊加等方式研究地下任意開采尺寸對(duì)地面造成的影響。土地復(fù)墾以地面為主，人們較為關(guān)心的是地面點(diǎn)會(huì)受到地下哪些區(qū)域煤層開采的影響。基于此，首先由地面到地下，根據(jù)邊界角圈定地下煤炭開采可能影響地面方格單元的煤層范圍，再反過來由地下到地面，分析地表各方格單元的沉陷特點(diǎn)與規(guī)律，確定各方格單元適宜的復(fù)墾時(shí)間與復(fù)墾方向，指導(dǎo)地面復(fù)墾施工。

3.1地面方格網(wǎng)劃分

根據(jù)研究區(qū)實(shí)地情況，將沉陷區(qū)劃分成規(guī)則排列的正方形格網(wǎng)，每個(gè)格網(wǎng)作為復(fù)墾施工的最小單元。研究區(qū)面積為126 hm2，由于地勢(shì)較為平緩，便于復(fù)墾施工，因此將沉陷區(qū)劃分為8行7列大小為150 m×150 m的方格網(wǎng)，使用阿拉伯?dāng)?shù)字從上到下、從左到右依次編號(hào)，使任一方格單元編號(hào)為A（i，j），表示第i行j列的小方格網(wǎng)。

3.2地面方格單元的井下煤層影響范圍的確定

開采沉陷學(xué)中規(guī)定，在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)的條件下，地表移動(dòng)盆地主斷面上盆地邊界點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角為邊界角。根據(jù)邊界角建立地面點(diǎn)受煤炭開采的煤層影響范圍的模型。

在走向方向上，設(shè)置地面某一方格單元A（i，j），幾何中心點(diǎn)坐標(biāo)為O（xi，yi，zi），2R范圍內(nèi)的煤層開采可能會(huì)對(duì)O點(diǎn)造成影響，R的計(jì)算公式為:

式中:R——地面點(diǎn)走向方向上煤層影響半徑，m；

H——地面點(diǎn)到煤層的鉛垂距離，m；

δ——走向邊界角，（°）。

定義角度θ為能影響地面點(diǎn)O的煤層范圍角，角度θ的值為走向邊界角δ的余角，如圖1（a）所示。

同理，在傾向方向上，R1與R2范圍內(nèi)的煤層開采可能會(huì)對(duì)O點(diǎn)造成影響，R1與R2的計(jì)算公式為:

式中:R1——地面點(diǎn)傾向下山方向上煤層影響半徑，m；

R2——地面點(diǎn)傾向上山方向上煤層影響半徑，m；

β——下山邊界角，（°）；

γ——上山邊界角，（°）。

定義角度θ1為能影響地面點(diǎn)O的煤層范圍下山角，角度θ2為能影響地面點(diǎn)O的煤層范圍上山角，角度θ1的值為上山邊界角γ的余角，角度θ2的值為下山邊界角β的余角，如圖1（b）所示。

根據(jù)邊界角的余角可以確定影響地面點(diǎn)O的井下煤層范圍。以地面方格單元A（5，4）為例，確定影響地面各方格單元的煤層范圍。研究區(qū)煤層為單一近水平煤層，方格單元A（5，4）的幾何中心點(diǎn)為O，O點(diǎn)到煤層的鉛垂距離H取值為240 m，邊界角δ為62.4°，將H、δ值代入公式（1）計(jì)算R為125 m，煤層范圍角θ為δ的余角27.6°。

對(duì)方格單元A（5，4）的4個(gè)頂點(diǎn)a、b、c和d以27.6°角向煤層所在水平面進(jìn)行投影，得到煤層所在水平面內(nèi)以點(diǎn)O′為圓心，以過a′、b′、c′和d′4個(gè)頂點(diǎn)為內(nèi)接四邊形的區(qū)域，該區(qū)域所包含的范圍即為影響地面方格單元A（5，4）的煤層區(qū)域，如圖2所示。

3.3地面方格單元的沉陷規(guī)律分析

將確定影響地面各方格單元的煤層范圍與井下工作面疊加，得到位于該煤層范圍內(nèi)的工作面數(shù)量及空間分布情況。方格單元A（5，4）的井下煤層影響范圍內(nèi)分布有4個(gè)工作面，左右呈對(duì)稱狀態(tài)分布，A（5，4）主要受2和3工作面煤炭開采的影響，如圖2所示。煤層平均埋藏深度為220～270 m，煤層平均厚度為2 m，屬中厚煤層，工作面的開采方式為順序開采，開采方向?yàn)?→2→3→4。按照一個(gè)工作面為一個(gè)階段，可將影響方格單元A（5，4）的煤層區(qū)域分為4個(gè)開采階段。

圖1　地面點(diǎn)受地下煤層開采影響圖

圖2　地面方格單元受地下煤層開采影響圖

根據(jù)礦區(qū)的自然條件、地質(zhì)條件和采礦計(jì)劃等信息，基于概率積分法，采用沉陷預(yù)計(jì)軟件預(yù)測(cè)各方格單元在4個(gè)開采階段的影響，然后分析各方格單元的沉陷規(guī)律。第一階段開采結(jié)束后，方格單元A（5，4）受采動(dòng)影響較小，地表略有下沉，無積水產(chǎn)生，只需采取簡(jiǎn)單的平整措施即可恢復(fù)土地的使用；第二階段開采結(jié)束后，方格單元A（5，4）受采動(dòng)影響較大，下沉值已達(dá)到1.61 m，大于地下潛水位埋深，地面產(chǎn)生季節(jié)性積水，此時(shí)若不采取復(fù)墾措施，肥沃的土壤將沉入水中，喪失其利用價(jià)值；第三階段開采結(jié)束后，方格單元A（5，4）的沉陷程度進(jìn)一步加劇，整個(gè)方格單元形成常年積水區(qū)，陸生生態(tài)系統(tǒng)退變?yōu)樗鷳B(tài)系統(tǒng)，此時(shí)再?gòu)?fù)墾，不僅喪失珍貴的表土資源，而且增加復(fù)墾難度，復(fù)墾率也大大降低；第四階段開采結(jié)束后，方格單元A（5，4）達(dá)到最終的沉陷狀態(tài)，積水程度進(jìn)一步加劇。因此，第二階段是方格單元A（5，4）最佳的復(fù)墾時(shí)間。方格單元A（5，4）各開采階段積水面積如圖3所示。

圖3　方格單元A（5，4）各開采階段積水面積圖

地面沉陷模擬分析時(shí)，通常將地下潛水位埋深作為判斷土地積水與否的分界線，將與潛水位埋深相等的下沉等值線作為臨界積水線，根據(jù)臨界積水線確定各方格單元的復(fù)墾方向，位于臨界積水線內(nèi)側(cè)的方格單元應(yīng)采取剝離表土措施；位于臨界積水線外側(cè)的方格單元應(yīng)采取表土充填措施；位于臨界積水線上的方格單元應(yīng)根據(jù)充填或剝離面積所占的比重確定復(fù)墾措施。方格單元A（5，4）位于臨界積水線內(nèi)側(cè)，因此地面應(yīng)在第二階段采取剝離表土措施。動(dòng)態(tài)復(fù)墾時(shí)，復(fù)墾施工順序通常與工作面的開采順序相一致，各階段復(fù)墾范圍的劃分應(yīng)以最大限度的保護(hù)表土為目的。將方格網(wǎng)劃分為3個(gè)復(fù)墾階段，復(fù)墾順序?yàn)閺淖蟮接乙来蝿冸x表土，各復(fù)墾階段表土剝離范圍如圖4所示。

圖4　方格網(wǎng)復(fù)墾階段與復(fù)墾方向圖

4　地面方格單元的井下工作面開采順序的優(yōu)化

地面受開采影響最終的沉陷損毀狀態(tài)雖然相同，但不同的開采順序造成土地的損毀時(shí)序不一致，所以適當(dāng)調(diào)整地下工作面的開采順序，可以延長(zhǎng)土地的使用時(shí)間。分別采用順序開采（1-2-3 -4）、跳采（1-3-2-4）和兩端逼近式開采（1 -4-2-3）三種方式模擬地面方格單元A（5，4）的土地變化過程。對(duì)比上述三種開采方式的沉陷結(jié)果，如圖5所示，跳采與順序開采的沉陷過程基本一致，略有差異的是第二階段開采結(jié)束后地面的沉陷值為1.52 m，略小于順序開采的沉陷值1.61 m；兩端逼近式開采土地的沉陷過程不同于順序開采與跳采，第一、二階段開采結(jié)束后，地面的沉陷較小，第三階段地面才有明顯的下沉，地面的沉陷值達(dá)到順序開采第二階段的沉陷值，地面產(chǎn)生積水，因此，第三階段是兩端逼近式開采最佳的復(fù)墾時(shí)間。綜合上述分析結(jié)果，方格單元A（5，4）若調(diào)整工作面的開采順序，采用兩端逼近式開采（1-4-2-3）方式，可在第三開采階段再剝離表土，延長(zhǎng)了土地的使用時(shí)間。

圖5　不同開采順序下方格單元A（5，4）沉陷路徑圖

5　結(jié)論

本文提出一種新的土地復(fù)墾確定方法，通過該方法能科學(xué)準(zhǔn)確的分析地面各方格單元的復(fù)墾時(shí)間與復(fù)墾方向，指導(dǎo)復(fù)墾施工。

（1）從地面到地下，根據(jù)地面點(diǎn)受煤炭開采的煤層影響范圍的計(jì)算模型，以邊界角的余角27.6°圈定影響方格單元A（5，4）的井下煤層范圍，再由地下到地面，對(duì)方格單元A（5，4）進(jìn)行沉陷模擬，分析各開采階段方格單元的沉陷規(guī)律。

（2）方格單元A（5，4）第二開采階段下沉值1.61 m大于地下潛水位埋深1.5 m，地面將有積水產(chǎn)生，所以第二階段是最佳的復(fù)墾時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)臨界積水線1.5 m確定方格單元A（5，4）應(yīng)采取剝離表土的復(fù)墾措施。

（3）進(jìn)一步探討調(diào)整工作面采序以延長(zhǎng)土地的使用時(shí)間的可能性，通過對(duì)比分析方格單元A（5，4）三種不同開采順序下的地面的損毀時(shí)序，發(fā)現(xiàn)若采用兩端逼近式（1-4-2-3）開采地下煤層，可在第三開采階段采取復(fù)墾措施，延長(zhǎng)土地的使用時(shí)間。

綜上所述，基于地面—地下—地面的三步驟分析方法，能夠快速簡(jiǎn)便的確定地面任一方格單元受地下開采影響的煤層范圍，科學(xué)準(zhǔn)確的分析地面方格單元在開采影響下的下沉規(guī)律并安排復(fù)墾，實(shí)現(xiàn)了地面復(fù)墾時(shí)序與井下煤層開采時(shí)序的充分耦合，為邊開采邊復(fù)墾提供技術(shù)支持。

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（責(zé)任編輯 孫英浩）

Simulation and analysis of land reclamation basing upon grid method

Chen Huiling，Xiao Wu，Wang Zheng，Li Sucui，Tai Xiaoli
（Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

For sufficient coupling between ground reclamation and underground mining，the authors explored a new method of land reclamation which took a mining area of China eastern high ground-water level area as subject of the study.The ground was divided into grid cells by grid method.The authors established computational model of coal seam region which influential the ground grid cells during mining.Basing upon the model，influential underground coal seam region of grid cell A（i，j）was delineated.Then，the authors conducted mining subsidence simulation by using probability integral method and analyzed subsidence characteristics and patterns of grid cell A（i，j）at each mining stage.The results showed that grid cell A（i，j）should take measures of topsoil stripping at second stage.According to land reclamation method of ground-underground-ground，reclamation region was scientifically delimited and ground and underground were achieved sufficient coupling between ground reclamation and underground mining.

coal mining subsidence area，land reclamation，high underground water level，grid method

TD88

A

陳慧玲（1989-），女，山東曹縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建。