煤礦采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾技術(shù)的實(shí)踐研究

趙 禹

（同煤集團(tuán)云岡礦，山西 大同 037017）

1 工程概況及土地塌陷現(xiàn)狀分析

1.1 工程概況

同煤集團(tuán)云岡礦位于大同市西郊17 km 處，地處武周山下，井田面積59.75 km2，可采儲量4.3 億t。該礦1973 年建成投產(chǎn)，年設(shè)計(jì)能力450 萬t，是我國自行設(shè)計(jì)、施工和安裝的大型礦井。截至2019 年底，云岡礦累計(jì)采煤9.12×107t，當(dāng)前公司復(fù)墾塌陷地400 hm2，未征未復(fù)塌陷地760 hm2。隨著礦區(qū)開采深度的加大，塌陷的土地還有逐步加速的趨勢，土地復(fù)墾任務(wù)非常嚴(yán)峻。

1.2 土地塌陷現(xiàn)狀

云岡礦共塌陷土地2650 hm2，塌陷深度0～8 m，積水深度0～5 m。常年積水區(qū)占總塌陷面積的30%左右，并形成了大面積的塌陷湖泊，在積水淺部區(qū)域造成了夏季不能種植、冬季不能養(yǎng)殖的局面，嚴(yán)重阻礙了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

從該礦采煤塌陷與土地復(fù)墾的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，土地復(fù)墾面積占總塌陷地面積的34.3%，還有近2/3 的塌陷地未實(shí)施復(fù)墾，其主要原因是不具備復(fù)墾條件：土地萬噸塌陷率為5.28。從而反映出云岡礦噸煤采出量對土地資源破壞較為嚴(yán)重，高于同煤集團(tuán)其它礦區(qū)。

2 土地復(fù)墾技術(shù)分析

云岡礦地處地勢平坦地區(qū)，煤層埋藏深度自北向南逐步增大，地表潛水位一般在2.5 m 左右。由于受地形和土地資源的制約，主要采用“挖深墊淺”和“原地復(fù)墾、一次性復(fù)全高”的治理模式。在該礦二采區(qū)和四采區(qū)地表下沉較淺區(qū)域也采用“全厚充填法”的治理模式進(jìn)行土地復(fù)墾。云岡礦在采用傳統(tǒng)土地復(fù)墾模式的情況下，不斷開拓創(chuàng)新，探索出“超前復(fù)墾”和“邊采邊復(fù)”等采煤塌陷區(qū)治理新技術(shù)，并取得了良好的效果。

2.1 超前復(fù)墾技術(shù)

超前復(fù)墾是在地表未塌陷前實(shí)施的土地復(fù)墾。云岡礦于2004 年就開展超前復(fù)墾技術(shù)研究，適用范圍主要是采煤塌陷深度較淺、不重復(fù)采動(dòng)的區(qū)域。超前復(fù)墾關(guān)鍵技術(shù)是地表沉陷預(yù)測，它直接影響到土地復(fù)墾的效果。根據(jù)地表移動(dòng)與變形參數(shù)，預(yù)測工作面回采后地表下沉形態(tài)、范圍及深度。如地表塌陷深度預(yù)測值偏小，可能造成耕地雨季受澇；地表塌陷深度預(yù)測值偏大，不能與周邊地形協(xié)調(diào)一致，不利于土壤保水保肥，達(dá)不到治理效果。超前復(fù)墾技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)：效率高，土壤肥力流失較少，成本降低10%～l 5%。

2.2 邊采邊復(fù)技術(shù)

邊采邊復(fù)是指地表正在塌陷而未穩(wěn)沉狀態(tài)下，使采煤與復(fù)墾充分有效的結(jié)合，邊采煤、邊復(fù)墾的治理模式。通過采煤塌陷預(yù)測可得出地表穩(wěn)沉后狀態(tài)，根據(jù)預(yù)測結(jié)果選擇合適的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和合理的施工工藝，以達(dá)到采煤塌陷地復(fù)墾土地最大化。

邊采邊復(fù)關(guān)鍵技術(shù)是地表塌陷的預(yù)測，它直接關(guān)系到邊采邊復(fù)治理的成敗。如地表塌陷深度預(yù)測值小于實(shí)際塌陷值，可能造成耕地受澇；地表塌陷深度預(yù)測值大于實(shí)際塌陷值，可能造成水土流失，耕地不易保肥，均達(dá)不到治理效果。邊采邊復(fù)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)選擇很重要，根據(jù)云岡礦地表移動(dòng)與變形的規(guī)律和工作面推進(jìn)速度，一般在采后30～45 d 進(jìn)行復(fù)墾較為適宜。時(shí)間節(jié)點(diǎn)選擇超前，復(fù)墾后的地表可能與周邊地形不協(xié)調(diào)；時(shí)間節(jié)點(diǎn)選擇靠后，導(dǎo)致復(fù)墾成本增加。

3 土地復(fù)墾工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)云岡礦多年來的采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾經(jīng)驗(yàn)，針對該礦各采區(qū)不同的土壤結(jié)構(gòu)和物理特性，目前采用的復(fù)墾工藝主要有以下4 種。

3.1 泥漿泵復(fù)墾工藝

泥漿泵復(fù)墾工藝是在地表沉陷較深區(qū)域，采用高壓水把土攪拌成泥漿，然后用泥漿泵把攪拌后的泥漿泵到地表沉陷較淺區(qū)域進(jìn)行沉淀的復(fù)墾工藝。適用范圍為運(yùn)輸距離不超過100 m、有足夠的水源、土壤含砂量較大、不合砂礓的區(qū)域。當(dāng)前該礦二采區(qū)采用了泥漿泵復(fù)墾工藝。復(fù)墾效率：挖土方65 m3/天·臺；復(fù)墾成本：6 元/m3。該工藝施工工藝簡單，成本較低。缺點(diǎn)：破壞了原有的土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土地營養(yǎng)成分隨水流失；復(fù)墾后土壤沒有分層現(xiàn)象，黏性較大，土地易板結(jié)。

3.2 挖掘機(jī)+推土機(jī)復(fù)墾工藝

挖掘機(jī)+推土機(jī)復(fù)墾工藝是采用挖掘機(jī)挖土，推土機(jī)把挖出的土推到回填區(qū)域的復(fù)墾工藝。適用范圍為運(yùn)輸距離小于50 m、施工場地坡度緩、土壤含水率低的區(qū)域。當(dāng)前該礦四采區(qū)采用了挖掘機(jī)+推土機(jī)復(fù)墾工藝。復(fù)墾效率：挖土方250 m3/天·臺；復(fù)墾成本：7元/m3。該工藝施工工藝簡單，成本較低。缺點(diǎn)：效率低，工期長；運(yùn)輸距離短，復(fù)墾范圍??；土壤含水率要求高；機(jī)械設(shè)備要求高。

3.3 鏟運(yùn)機(jī)復(fù)墾工藝

鏟運(yùn)機(jī)復(fù)墾工藝是采用鏟運(yùn)機(jī)挖土、運(yùn)土回填到地表沉陷較淺區(qū)域的復(fù)墾工藝。適用范圍：運(yùn)輸距離不超過200 m，適合采煤沉陷地地形起伏較大、潛水位較高的區(qū)域。當(dāng)前該礦南一采區(qū)采用了鏟運(yùn)機(jī)復(fù)墾工藝。復(fù)墾效率：挖土方350 m3/天·臺；復(fù)墾成本：8 元/m3。該工藝復(fù)墾效率高，工期短，容易復(fù)熟土。缺點(diǎn)：受積水和潛水位條件限制，需排水；對機(jī)械設(shè)備要求高，復(fù)墾成本較泥漿泵高。

3.4 挖掘帆+自卸車復(fù)墾工藝

挖掘帆+自卸車復(fù)墾工藝是在地表塌陷較深區(qū)域用挖掘機(jī)挖土，自卸車把挖出的土運(yùn)到回填區(qū)域的復(fù)墾工藝。適用范圍：運(yùn)輸距離200 m 以上、采煤沉陷地地形起伏較大、潛水位較高的區(qū)域。當(dāng)前該礦東三采區(qū)采用了挖掘帆+自卸車復(fù)墾工藝。復(fù)墾效率：挖土方2000 m3/天·臺；復(fù)墾成本：10 元/m3。該工藝復(fù)墾效率極高，工期短，容易復(fù)熟土。缺點(diǎn)：受積水和潛水位條件限制，雨季無法施工，對機(jī)械設(shè)備要求高，復(fù)墾成本較高。

4 土地復(fù)墾監(jiān)測技術(shù)

云岡礦積極開展與高校及科研院所的合作，采用3S 技術(shù)、無人小飛機(jī)技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)對采煤塌陷區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，同時(shí)建立一整套的監(jiān)測防治體系，為礦區(qū)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

4.1 監(jiān)測內(nèi)容

（1）地表殘余下沉監(jiān)測是采用測量儀器觀測治理后地表的殘余下沉量，對下沉量較大并影響生產(chǎn)的區(qū)域，采取必要的補(bǔ)救措施；（2）地表水位監(jiān)測是觀測治理后的水域的水位變化情況；（3）地表水質(zhì)監(jiān)測是監(jiān)測治理后的水域的水質(zhì)污染程度；（4）土地污染監(jiān)則是采取一定的方法監(jiān)測治理后的耕地受污染面積和污染程度。

4.2 監(jiān)測方法

（1）地表殘余下沉監(jiān)測。采用全站儀、GPS和水準(zhǔn)儀對治理后的地表殘余沉降進(jìn)行專業(yè)監(jiān)測，觀測地表在三維空間的動(dòng)態(tài)變化情況，繪制地表殘余下沉曲線圖。（2）地表水位監(jiān)測。在治理后的水域內(nèi)埋設(shè)一定數(shù)量的水位標(biāo)志，定期記錄水位變化情況，繪制水位變化曲線圖。（3）地表水質(zhì)監(jiān)測。在治理后的水域內(nèi)通過采取水樣對其化學(xué)成分進(jìn)行監(jiān)測，重點(diǎn)對污染組分進(jìn)行檢測。（4）土地污染監(jiān)測。定期對破壞的土地面積進(jìn)行測繪，采集土樣進(jìn)行化學(xué)分析測試。

4.3 監(jiān)測頻率

根據(jù)《山西省礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合云岡礦土地復(fù)墾的特點(diǎn)，監(jiān)測頻率如下：（1）地表殘余下沉量：地表月平均下沉量大于10 mm 每月觀測一次，下沉量小于10 mm 的每季度觀測一次。（2）水位監(jiān)測：治理區(qū)內(nèi)水位每月觀測一次。（3）水質(zhì)監(jiān)測：治理區(qū)內(nèi)水質(zhì)每年測2 次，即豐水期、枯水期各檢測1 次。（4）土地污染監(jiān)測：治理區(qū)內(nèi)侵占和破壞的土地每年測繪2 次，采樣測試每年2 次。

5 土地復(fù)墾效果分析

云岡礦自20 世紀(jì)90 年代開始實(shí)施采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾以來，形成一套行之有效的土地復(fù)墾技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)該礦井各采區(qū)不同的地質(zhì)采礦條件和土地塌陷特征，采取不同的復(fù)墾模式和復(fù)墾工藝，主要復(fù)墾為耕地、坑塘為耕地、坑塘水面和建設(shè)用地。截至2019 年底已累計(jì)復(fù)墾塌陷土地880 hm2，其中公司自主復(fù)墾土地400 hm2，協(xié)助地方復(fù)墾土地480 hm2，復(fù)墾資金1.01 億元，土地復(fù)墾率達(dá)34.3%，居山西省的前列。當(dāng)前煤礦積極開展“超前復(fù)墾”、“邊采邊復(fù)”等土地復(fù)墾新技術(shù)的應(yīng)用，不僅增大了耕地復(fù)墾率，而且降低了土地復(fù)墾成本，對采煤企業(yè)和社會(huì)的發(fā)展具有十分重要的意義。

6 結(jié)語

針對云岡礦高潛水位地表塌陷區(qū)的特點(diǎn)，通過多年的土地復(fù)墾實(shí)踐，云岡礦探索出適合該地區(qū)的土地復(fù)墾模式和復(fù)墾工藝。在采用傳統(tǒng)復(fù)墾模式進(jìn)行復(fù)墾的同時(shí)，大膽創(chuàng)新，形成了新的礦區(qū)超前復(fù)墾和邊采邊復(fù)技術(shù)體系，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，為更好地開展與云岡礦條件類似的采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾工作提供借鑒和參考。