單一工作面不同采深條件下邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)研究

孫楊楊，胡振琪，袁冬竹，趙會(huì)順，曹 瑜

(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 100083)

近年來(lái)“綠水青山就是金山銀山”的思想深入人心，保護(hù)生態(tài)環(huán)境與合理利用自然資源之間的矛盾成為我國(guó)專家學(xué)者不可回避的問(wèn)題。一方面由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，在我國(guó)暫時(shí)無(wú)法找到更好的替代能源之前，大規(guī)模的煤炭開(kāi)采無(wú)法避免；另一方面由于目前我國(guó)土地復(fù)墾方式仍然停留在事后處理階段，大部分煤礦都是在采煤塌陷區(qū)穩(wěn)定之后才進(jìn)行土地復(fù)墾，導(dǎo)致我國(guó)土地復(fù)墾率極低，僅為12%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家65%的平均水平。由于國(guó)情不同，發(fā)達(dá)國(guó)家土地復(fù)墾后利用方向更為多樣化，而我國(guó)土地復(fù)墾后利用方向仍以耕地優(yōu)先，所以對(duì)于采煤塌陷地的治理方式及治理理念的更新迫在眉睫。

早期就有學(xué)者提出動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾[1-2]、超前復(fù)墾[3]等概念和方法，近年來(lái)學(xué)術(shù)界關(guān)于土地復(fù)墾的研究逐漸從“先損毀，后復(fù)墾”的技術(shù)體系過(guò)渡到邊開(kāi)采邊復(fù)墾的動(dòng)態(tài)復(fù)墾方式[1-2,4-5]。胡振琪等[6]從井工礦山采礦-復(fù)墾一體化角度提出了邊采邊復(fù)的概念，并逐步完善了邊采邊復(fù)的理論體系。此后大量的專家學(xué)者分別對(duì)邊采邊復(fù)中涉及的關(guān)鍵性問(wèn)題及影響因素進(jìn)行討論。肖武等[7]對(duì)單一采區(qū)工作面進(jìn)行研究，給出了不同開(kāi)采順序下邊采邊復(fù)的實(shí)施方式；趙艷玲等[3]、李亞龍等[8]對(duì)邊采邊復(fù)的時(shí)機(jī)選擇進(jìn)行了探討；張瑞婭[9]基于多煤層開(kāi)采布局構(gòu)建了不同條件下的復(fù)墾施工標(biāo)高模型；陳景平等[10]以煤厚為變量討論了單一工作面不同煤厚條件下邊采邊復(fù)方案設(shè)計(jì)；袁冬竹等[11]以山東省龍堌礦某單一工作面為研究對(duì)象進(jìn)行邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)的優(yōu)選。從以上研究來(lái)看，目前學(xué)者對(duì)于單一工作面在不同采深情況下引起的地表沉陷動(dòng)態(tài)變化對(duì)邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)影響的研究相對(duì)較少。

本文以山東省龍鄆煤業(yè)某單一工作面為原型，通過(guò)概率積分法沉陷預(yù)計(jì)分析單一工作面8個(gè)階段不同采深條件下地表沉陷的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。基于模擬結(jié)果，選出不同采深下的邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)，該研究對(duì)于邊采邊復(fù)的推廣實(shí)現(xiàn)，達(dá)到采礦-復(fù)墾相統(tǒng)一具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

龍鄆煤業(yè)位于山東省菏澤市鄆城縣中部，地屬黃河沖積平原，地形平坦，地勢(shì)略呈西北高東南低，地面標(biāo)高變化為+40.12～+46.14 m，自然地形坡度0.2‰～2‰；屬于溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)海洋性大陸性氣候，年平均氣溫13.5 ℃，年平均降水量694.7 mm，平均無(wú)霜期213 d。地面土地利用以農(nóng)業(yè)用地為主，建設(shè)用地次之，存在少量水域及水利設(shè)施用地。該區(qū)域?yàn)橹袊?guó)五大高潛水位煤炭基地之一的魯西煤炭基地的重要組成部分，地下潛水位埋深約2.5 m。主要可采煤層為3煤、6煤，平均煤厚6.88 m，開(kāi)采標(biāo)高為-500～-1 100 m，平均采深為800 m，煤層傾角8°～16°。煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)采條件較好，采用綜合機(jī)械化開(kāi)采，全部跨落式管理頂板。

為了得到不同采深條件下煤炭開(kāi)采后地面沉陷趨勢(shì)對(duì)邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)的影響，選擇礦區(qū)內(nèi)某單一工作面為研究原型。模擬工作面為近水平煤層，工作面布設(shè)為走向長(zhǎng)度2 400 m，傾向長(zhǎng)度200 m。推進(jìn)速度為5 m/d，該工作面對(duì)應(yīng)地面平均高程為+42 m，地面主要利用類型為耕地。

2 模擬方案

本文選取礦區(qū)東南部某單一工作面為研究對(duì)象，將工作面按推進(jìn)長(zhǎng)度分為8個(gè)開(kāi)采階段，第①階段為工作面沿走向推進(jìn)長(zhǎng)度為300 m，下一個(gè)階段在上個(gè)階段的基礎(chǔ)上走向長(zhǎng)度增加300 m，依次類推。假定該工作面分別處于500 m、600 m、700 m、800 m、900 m和1 000 m六種采深情況，且除了采深條件不同，其余影響因素均相同，對(duì)其8個(gè)開(kāi)采階段在6種采深條件下的動(dòng)態(tài)沉陷過(guò)程及變化趨勢(shì)分別進(jìn)行模擬，并假設(shè)8個(gè)開(kāi)采階段分別對(duì)應(yīng)8個(gè)復(fù)墾時(shí)機(jī)。工作面布局及階段劃分情況如圖1所示。

圖1 工作面布局及階段劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of work surface layout and stage division

根據(jù)開(kāi)采沉陷學(xué)理論，概率積分法開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)適宜于煤層傾角小于45°，且厚度不大的煤層，龍鄆煤業(yè)服務(wù)年限內(nèi)開(kāi)采煤層傾角為8°～16°，煤厚適中。由此沉陷預(yù)計(jì)方法選用概率積分法最合適，采用MSPS沉陷預(yù)計(jì)軟件，其計(jì)算原理為[12]：對(duì)于任意形狀的工作面，煤層厚度為m米，假設(shè)將整個(gè)工作面的開(kāi)采劃分為n個(gè)足夠小的開(kāi)采單元，其中，開(kāi)采單元i的面積用Ai表示，任意點(diǎn)(x，y)在t時(shí)刻的下沉值按式(1)計(jì)算。

Wt(x，y)=[∑Weti(x，y)·Ai]·mqcosα

(1)

式中：Wt(x，y)為任意點(diǎn)(x，y)在t時(shí)刻的下沉值，mm；Weti(x，y)為開(kāi)采單元i開(kāi)采引起地表任意點(diǎn)(x，y)在t時(shí)刻的下沉值，mm；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角,(°)。根據(jù)龍鄆煤業(yè)所提供資料，本次模擬采用的沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)

模擬時(shí)首先在某一采深條件下，利用MSPS軟件對(duì)開(kāi)采單元的8個(gè)開(kāi)采階段分別進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)，得到8個(gè)開(kāi)采階段的地表下沉等值線圖。通過(guò)改變采深得到6個(gè)采深條件下總共48張沉陷預(yù)計(jì)等值線圖，以及相應(yīng)的最大預(yù)計(jì)下沉值；然后將各階段的下沉等值線與土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加，根據(jù)礦區(qū)潛水位埋深(2.5 m)獲取各開(kāi)采階段地面積水的范圍。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表最大下沉值與積水面積變化趨勢(shì)

對(duì)該工作面8個(gè)階段分別在6種采深條件下進(jìn)行沉陷模擬所得最大下沉值如圖2所示。通過(guò)豎向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，隨著開(kāi)采深度的增加最大下沉值隨之減小，最大下沉值與開(kāi)采深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。并且隨著開(kāi)采深度的增加，要達(dá)到最大下沉值經(jīng)歷的階段也相應(yīng)增加，開(kāi)采波及地面所需時(shí)間更長(zhǎng)，要達(dá)到相應(yīng)充分采動(dòng)的推進(jìn)距離也越長(zhǎng)。圖3為不同采深條件下積水面積變化趨勢(shì)圖。由圖3可知，同一階段采深越小積水面積越大，積水面積與采深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著采深的增加形成積水所需的時(shí)間也相應(yīng)增加。超過(guò)某一臨界采深時(shí)，地面形成的最終沉陷盆地不會(huì)出現(xiàn)常年積水。觀察各個(gè)積水面積變化斜率可以看出，當(dāng)采深超過(guò)700 m時(shí)，采深增加對(duì)積水面積減少幅度影響逐漸變大。以采深500 m為例不同階段沉陷預(yù)計(jì)變化趨勢(shì)結(jié)果如圖4所示。

圖2 不同采深條件下地表最大下沉值變化趨勢(shì)Fig.2 Trend of the change of the maximum sinking value of the surface under different mining depths

圖3 不同采深條件下積水面積變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of variation of water accumulation area under different mining depth conditions

圖4 500 m采深條件下沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果圖Fig.4 Prediction results of subsidence under 500 m mining depth

3.2 采深對(duì)復(fù)墾時(shí)機(jī)的影響

邊采邊復(fù)要求在地面即將沉入水中之前采取措施剝離土壤以提高復(fù)墾效率。根據(jù)沉陷模擬結(jié)果可以得出，采深對(duì)于邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)的影響主要為不同采深下隨開(kāi)采階段增加地面首次形成積水的時(shí)間。通過(guò)圖2和圖3可以看出，采深增加地面后續(xù)下沉量減小、積水形成時(shí)間隨之推遲，因而邊采邊復(fù)的時(shí)機(jī)隨之推遲，超過(guò)臨界采深(使地面最大下沉值恰好達(dá)到潛水位線時(shí)對(duì)應(yīng)的采深)地面最終下沉盆地?zé)o積水，采用邊采邊復(fù)與塌陷穩(wěn)定后復(fù)墾效果相同，小于臨界采深需要進(jìn)行邊采邊復(fù)工作。根據(jù)式(1)參照趙艷玲等[3]“未穩(wěn)沉采煤沉陷地超前復(fù)墾時(shí)機(jī)的計(jì)算模型”中W0(地面最大下沉值)與主要影響半徑的等式關(guān)系，結(jié)合概率積分法中采深(H)與主要影響半徑(r)、主要影響角正切(tanβ)之間的關(guān)系，見(jiàn)式(2)。

r=H/tanβ

(2)

通過(guò)計(jì)算機(jī)反推得出采深為921 m時(shí)，地面最大下沉值恰好達(dá)到地下潛水位埋深。因此，該礦開(kāi)采深度小于921 m時(shí)需要進(jìn)行邊采邊復(fù)措施以保護(hù)土壤，超過(guò)921 m時(shí)塌陷穩(wěn)定后復(fù)墾與邊采邊復(fù)效果相同。

3.3 復(fù)墾時(shí)機(jī)選擇

根據(jù)邊采邊復(fù)的內(nèi)涵以及技術(shù)要求，邊采邊復(fù)是對(duì)暫未穩(wěn)定的沉陷區(qū)提前采取措施，既可以是沉陷之前，也可以是沉陷過(guò)程中的任一時(shí)間點(diǎn)，還可以在沉陷后的某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)墾。不同的時(shí)機(jī)對(duì)應(yīng)的土壤剝離工程量、復(fù)墾成本、復(fù)耕率、難易程度等各不相同，所以，時(shí)機(jī)的選擇是邊采邊復(fù)能否成功的關(guān)鍵一環(huán)。復(fù)墾時(shí)機(jī)選擇越提前，復(fù)墾工程受未來(lái)下沉影響的可能性就越大，說(shuō)服農(nóng)民提前復(fù)墾也是一大難題；但是如果時(shí)間選擇過(guò)晚，大量土地已經(jīng)沒(méi)入水中，會(huì)導(dǎo)致施工難度成倍增加且土地破壞嚴(yán)重、復(fù)耕率降低的不良局面。因此，一般要求在土地即將進(jìn)入水中，或者大面積積水之前施工，以降低施工難度，最大限度保護(hù)土壤，節(jié)約成本。復(fù)墾時(shí)機(jī)選擇的一般原則是以保證一定的復(fù)耕率、盡可能降低施工難度、節(jié)約成本、保護(hù)更多土壤為前提，同時(shí)兼顧煤層地質(zhì)條件、后續(xù)沉陷程度、地下水位高度、動(dòng)態(tài)施工類別、農(nóng)民意愿和農(nóng)作物生長(zhǎng)季節(jié)等影響因素，客觀分析因地制宜進(jìn)行選擇。本文主要以后續(xù)沉陷程度、地下水位高度、施工難易程度為依據(jù)并結(jié)合不同采深條件下最大下沉值、積水面積變化趨勢(shì)對(duì)各采深下邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)進(jìn)行選擇。

1) 采深為500 m和600 m時(shí)。第一階段結(jié)束時(shí)地面沉陷預(yù)計(jì)下沉等值線已經(jīng)處于地下潛水位線下方，大面積積水開(kāi)始形成，此時(shí)后續(xù)沉降量小于1 m，施工難度最小，有利于保存土壤提高復(fù)耕率。因此在第一階段就需要安排土壤剝離工作，此時(shí)工作面推進(jìn)距離為300 m，推進(jìn)時(shí)間為60 d。邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)為工作面第一階段推進(jìn)結(jié)束時(shí)開(kāi)始。

2) 采深為700 m和800 m時(shí)。第二階段結(jié)束時(shí)地面下沉到潛水位線以下，后續(xù)下沉量小于0.5 m，施工難度較小，對(duì)于土壤保護(hù)最佳，因此相應(yīng)的土壤剝離工作可以推遲到第二階段進(jìn)行，即工作面推進(jìn)距離為600 m第四個(gè)月開(kāi)采結(jié)束時(shí)。此時(shí)邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)為工作面第二階段結(jié)束時(shí)進(jìn)行。

3) 采深為900 m時(shí)。地面最大下沉值超過(guò)潛水位線尺度很少，積水形成較晚范圍較小，后續(xù)下沉量不明顯，所以土壤剝離工作應(yīng)在工作面推進(jìn)1 200 m時(shí)進(jìn)行，即開(kāi)采第八個(gè)月時(shí)開(kāi)始。邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)為工作面推進(jìn)到第四階段時(shí)。

4) 由于采深為1 000 m時(shí)超過(guò)臨界采深(921 m)整個(gè)開(kāi)采階段都沒(méi)有形成積水。因此,采用邊采邊復(fù)與傳統(tǒng)的塌陷穩(wěn)定后土地平整等復(fù)墾方式最終達(dá)到的效果相同，整個(gè)模擬階段不提前進(jìn)行土壤剝離工作。

隨著采深的增加，地面最大下沉值不斷減小，后續(xù)下沉量和施工難度相應(yīng)減小，積水出現(xiàn)的時(shí)間隨之推遲；土壤剝離的時(shí)機(jī)選擇隨著采深的增加可以相應(yīng)推遲，這樣既可以延長(zhǎng)土地耕作時(shí)間，又可以防止因?yàn)檫^(guò)分提前開(kāi)展土壤剝離工作導(dǎo)致農(nóng)民有地?zé)o法耕作、礦山企業(yè)發(fā)放青苗補(bǔ)償費(fèi)時(shí)間過(guò)久的不利局面。

4 結(jié) 論

1) 研究表明隨著采深增加地面最大下沉值逐漸減小，采深與最大下沉值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；地面積水出現(xiàn)時(shí)間隨著采深的增加而推遲，且積水面積與采深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，超過(guò)臨界采深(921 m)地面不會(huì)形成積水。

2) 臨界采深可以作為煤礦土地復(fù)墾中判斷是否需要提前進(jìn)行土壤剝離工作的依據(jù)。研究表明，龍鄆煤業(yè)采深小于921 m時(shí)，需要采取邊采邊復(fù)措施，超過(guò)921 m采用邊采邊復(fù)與塌陷穩(wěn)定后復(fù)墾效果基本相同。

3) 隨著開(kāi)采深度增加邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)也相應(yīng)推遲。采深500 m和600 m時(shí)工作面從開(kāi)始推進(jìn)兩個(gè)月內(nèi)進(jìn)行土壤剝離工作最合適；采深700 m與800 m時(shí)第四個(gè)月結(jié)束時(shí)可以進(jìn)行土壤剝離工作；采深900 m時(shí)可推遲到第八個(gè)月進(jìn)行復(fù)墾工作；采深1 000 m整個(gè)開(kāi)采階段不需要提前進(jìn)行土壤剝離工作。

本文主要運(yùn)用室內(nèi)模擬的方法研究采深對(duì)于邊采邊復(fù)時(shí)機(jī)的影響，模擬過(guò)程將實(shí)際地面作為水平面，未考慮實(shí)際高程起伏，未來(lái)可以將實(shí)際地面真實(shí)高程與沉陷預(yù)計(jì)下沉值相疊加進(jìn)行土壤剝離與土地復(fù)墾時(shí)機(jī)的討論。