李金云,楊凌霞,吳全雷

(1.北京科技大學(xué)天津?qū)W院,天津　301830;2.西安建筑科技大學(xué),陜西西安　710055;

3.北京紅晶石咨詢投資有限責(zé)任公司,北京　100044)

?

榆樹溝煤礦地表沉陷預(yù)測及復(fù)墾適宜性評價

李金云1,楊凌霞2,吳全雷3

(1.北京科技大學(xué)天津?qū)W院,天津301830;2.西安建筑科技大學(xué),陜西西安710055;

3.北京紅晶石咨詢投資有限責(zé)任公司,北京100044)

摘要:針對榆樹溝煤礦采用井工開采方式,對地下及地表都將造成不同程度影響的情況,通過概率積分原理,借助MSPS軟件,對擬毀土地進(jìn)行了預(yù)測.根據(jù)預(yù)測結(jié)果做出礦區(qū)土地?fù)p毀分布圖,進(jìn)而考慮礦區(qū)土質(zhì)、現(xiàn)狀,對土地適宜性定性、定量分析,研究評價擬毀土地復(fù)墾方向,將礦區(qū)分為宜耕、宜林、暫不適宜區(qū)域,并作出復(fù)墾規(guī)劃圖.通過復(fù)墾規(guī)劃,對破壞的土地及時進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹卫?有利于保護(hù)自然生態(tài),促進(jìn)人與自然和諧相處.

關(guān)鍵詞:榆樹溝煤礦; 沉陷預(yù)測; 適宜性評價

大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開采在為國家?guī)砭薮蠼?jīng)濟(jì)效益的同時,也可能造成各種自然災(zāi)害.煤礦開采引起的土地破壞模式以沉降為主[1].隨意開采資源會使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化、地表沉陷、土層松散,加劇水土流失,原有土地景觀遭到破壞.采煤沉陷引發(fā)的多種地質(zhì)災(zāi)害,又會加重當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞[2].

先前我國多數(shù)煤炭企業(yè)都是“先開發(fā),后治理”,嚴(yán)重影響企業(yè)后續(xù)發(fā)展.榆樹溝煤礦運(yùn)用科學(xué)的方法對地表沉陷進(jìn)行預(yù)測,分析項(xiàng)目區(qū)煤炭開采對土地利用造成的影響,并對由開采而造成土地的復(fù)墾適宜性進(jìn)行評價, 進(jìn)而制定實(shí)施土地復(fù)墾方案,走“邊開發(fā),邊治理”的新型道路,有利于以最低的成本對土地進(jìn)行最大化的合理利用,可以有效控制項(xiàng)目區(qū)土地退化,改善礦山開采后的生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展.

1　礦山概況

榆樹溝煤礦位于河北省張家口市沽源縣榆樹溝村北部,南距沽源縣城27km,北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤.榆樹溝煤礦井田境界面積為3166.45hm2,開采深度為700~1150m標(biāo)高,井田范圍內(nèi)土地利用類型主要有牧草地、耕地、林地等.榆樹溝煤田煤質(zhì)為特低硫、低磷、優(yōu)質(zhì)褐煤,儲量豐富,地質(zhì)儲量250.18Mt,可采儲量112.13Mt.礦區(qū)于2013年12月投產(chǎn),生產(chǎn)規(guī)模1.2Mt/a.

礦區(qū)采用井工開采的方式,礦井采用分層綜采放頂煤采煤法,開采過程不可避免地會對礦區(qū)土地造成影響.此方式對土地利用的影響可以分為土地壓占、土地塌陷兩種破壞方式.土地壓占發(fā)生在礦山建設(shè)初期,土地塌陷伴隨礦山生產(chǎn)整個過程.

2　礦區(qū)擬毀土地預(yù)測[3-6]

榆樹溝煤礦為新建項(xiàng)目,目前項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土地絕大部分沒有遭到破壞,僅在項(xiàng)目區(qū)西北部原沽源縣煤礦工業(yè)場地內(nèi)堆積有少量原煤礦遺留的煤矸石,占地面積約6hm2.

榆樹溝煤礦為地下開采煤礦,開采過程中必然形成采空區(qū).地面沉陷,指的是當(dāng)采空區(qū)的面積擴(kuò)大到一定范圍之后,沉陷發(fā)展到地表,使地表產(chǎn)生塌落和變性的現(xiàn)象.地裂縫和沉陷區(qū)是本項(xiàng)目擬毀土地的主要方式.根據(jù)井田各煤層分層開采厚度、開采深度及有關(guān)預(yù)計參數(shù),本文使用概率積分法,用MSPS軟件輔助計算,對煤炭開采引起的地表移動變形情況進(jìn)行預(yù)計.MSPS軟件是一種礦區(qū)沉陷預(yù)測預(yù)報系統(tǒng),它對開采沉陷的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐都有重要的意義.利用預(yù)測的結(jié)果可以定量地研究受開采影響的巖層與地表移動在時間上和空間上的分布規(guī)律,全面掌握礦區(qū)土地的塌陷情況,包括塌陷面積、塌陷深度,以便開展礦區(qū)土地復(fù)墾,保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境等.

(1) 概率積分法的基本原理.概率積分法的理論基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論[7].概率積分法的預(yù)計包括下沉值、傾斜、曲率、水平移動值以及水平變形,應(yīng)用概率積分法計算地表任意點(diǎn)采后變形值的公式如下:

式中,Wcm為地表充分開采的最大下沉值,r為主要影響半徑,D為開采沉陷所影響到的主要區(qū)域.式中Wcm=q·M·cosα,r=H/tanβ,q代表下沉系數(shù),tanβ為主要影響角正切,M為開采厚度,H為開采深度,α為煤層傾角.

對下沉公式求導(dǎo)可得傾斜變形和曲率變形.對其求一階導(dǎo)即為傾斜公式,求二階導(dǎo)得到曲率公式.傾斜變形與曲率變形的公式分別為:

傾斜

式中,ix(x,y),iy(x,y)分別代表地表任意點(diǎn)走向方向和傾斜方向的傾斜值.

曲率

式中,kx(x,y),ky(x,y)分別代表地表任意點(diǎn)走向方向和傾斜方向的曲率值.

假定在單元開采影響下,巖體產(chǎn)生的移動和變形很小,并且是連續(xù)分布的;在單元開采作用下,巖石雖發(fā)生變形,但總體積保持不變.水平移動的變形公式為

式中,Ux(x,y),Uy(x,y)分別表示地表任意點(diǎn)沿走向和傾斜方向的水平移動值.W(x,y)·cotθ部分是為了校正由于礦體傾斜產(chǎn)生下沉偏移而引起的地表水平移動,θ代表開采影響傳播角.通過對其求導(dǎo)求得地表任意點(diǎn)沿走向和傾斜方向的水平變形.

(2) 計算范圍的圈定.榆樹溝煤礦礦井批準(zhǔn)開采的煤層為3、14、15號煤層,全礦井主要采14號煤層,計算范圍為采區(qū)煤層開采區(qū)域.本預(yù)測研究借助MSPS軟件,依據(jù)數(shù)字化的煤層底板等高線圖和礦井采區(qū)布置圖,計算生成所需的煤層厚度、煤層傾角、煤層走向和傾斜方向、工作面各角點(diǎn)的煤層底板高程及所對應(yīng)的地面高程.

(3) 預(yù)計點(diǎn)設(shè)置.針對礦區(qū)土地破壞情況,本預(yù)測研究采用點(diǎn)間距50m,覆蓋整個沉陷區(qū)范圍的計算網(wǎng)線.再利用數(shù)字化后的地形圖,由軟件計算預(yù)計點(diǎn)的坐標(biāo)、高程、地表傾角、地表傾斜方向角等,可避免手工取點(diǎn)時的多樣性,使數(shù)據(jù)具有唯一性.

(4) 地表移動預(yù)計參數(shù)確定.預(yù)計數(shù)據(jù)包括開采工作面數(shù)據(jù)、預(yù)計點(diǎn)數(shù)據(jù)、地表移動變形參數(shù)數(shù)據(jù)和計算控制參數(shù)數(shù)據(jù).

根據(jù)《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》[8]中的相關(guān)規(guī)定,結(jié)合榆樹溝煤礦地表移動實(shí)測資料分析得到本礦區(qū)的地表移動參數(shù).根據(jù)本礦井地層的巖性特征,結(jié)合相近地質(zhì)采礦條件的實(shí)測資料分析,選取地表移動變形參數(shù)如表1所示.

表1　地表移動預(yù)計參數(shù)

(5) 預(yù)測結(jié)果.利用地表移動變形預(yù)計模型,根據(jù)榆樹溝煤礦的工作面數(shù)據(jù)、預(yù)計點(diǎn)數(shù)據(jù)和計算控制參數(shù)數(shù)據(jù),借助MSPS軟件按采區(qū)進(jìn)行計算,得到首采區(qū)不同時段的地表最大下沉值、水平拉伸值、傾斜變形值.根據(jù)計算所得數(shù)據(jù),確定的最大移動變形值見表2.

表2　地表移動變形最值計算結(jié)果

考慮礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀,根據(jù)預(yù)測結(jié)果,參照《土地復(fù)墾方案編制規(guī)程(井工煤礦)》[9]中對采煤沉陷土地?fù)p毀程度分級的參考標(biāo)準(zhǔn),對擬損毀范圍內(nèi)的地類進(jìn)行損毀程度分析.分析結(jié)果顯示,井田全采后土地沉陷總面積達(dá)139.05hm2.其中,輕度損毀面積109.58hm2,中度損毀面積29.47hm2.

另有礦區(qū)新建項(xiàng)目工程將占用損毀土地27.96hm2,其中新建礦井工業(yè)場地占地面積18.95hm2,爆破材料庫占地1.05hm2,場內(nèi)運(yùn)輸?shù)缆?.96hm2.

礦區(qū)損毀土地分布見圖1.

圖1　榆樹溝煤礦礦區(qū)損毀土地分布圖

3　復(fù)墾方向研究及復(fù)墾適宜性評價[10-12]

土地復(fù)墾適宜性評價是在全面了解復(fù)墾區(qū)土地自然屬性、社會經(jīng)濟(jì)屬性和土地?fù)p毀情況的前提下,從土地利用的要求出發(fā),通過分析不同類型土地的特點(diǎn),了解土地各因子在生態(tài)環(huán)境中互相制約的規(guī)律,全面衡量復(fù)墾前某種用途土地的適宜性及適宜程度,為待復(fù)墾土地確定最佳復(fù)墾方向提供依據(jù).

本礦山復(fù)墾區(qū)包括已損毀土地面積6.00hm2和擬損毀土地面積167.01hm2,共計173.01hm2.其中擬毀土地面積包括采煤沉陷損毀土地面積139.05hm2和新建項(xiàng)目工程占用土地面積27.96hm2.

復(fù)墾責(zé)任范圍為復(fù)墾區(qū)面積扣除永久保留的土地面積27.96hm2,據(jù)此確定項(xiàng)目區(qū)復(fù)墾責(zé)任范圍面積為145.05hm2.

3.1土地適宜性定性分析

分析項(xiàng)目所在區(qū)自然條件,其地貌主要表現(xiàn)為平原,灌溉條件較好,再結(jié)合氣候、土壤等條件,該區(qū)域適宜發(fā)展農(nóng)業(yè).

分析當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)狀況,沽源縣農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá),現(xiàn)狀經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為主,項(xiàng)目區(qū)水土條件、經(jīng)濟(jì)價值均一般.在當(dāng)?shù)毓娨庠钢?多數(shù)人提出保護(hù)好耕地,盡量提高土地生產(chǎn)能力,增加土地產(chǎn)出率,同時希望礦方對損毀的土地予以補(bǔ)償,在基本不改變原土地功能的前提下,盡量提高植被覆蓋度.

綜合考慮復(fù)墾區(qū)土地破壞前狀況以及當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)生活方式,宏觀上本項(xiàng)目區(qū)土地復(fù)墾的方向以農(nóng)林為主.微觀上對破壞較輕的草地、耕地可以進(jìn)行整治整理,通過一定的農(nóng)田基本建設(shè)工程,提高地力.對于重度破壞地區(qū),應(yīng)當(dāng)根據(jù)破壞后土地利用性質(zhì)重新確定土地利用類型.

3.2土地適宜性定量分析

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土地按植被損毀經(jīng)整治復(fù)墾后對于農(nóng)、林、牧的適宜性進(jìn)行劃分,可分適宜類、暫不適宜類和不適宜類.在適宜類范圍內(nèi),按土地對農(nóng)林牧的適宜程度、生產(chǎn)潛力的大小、限制性因素(如地形坡度限制、土壤質(zhì)地限制、交通區(qū)位限制、土壤侵蝕限制)及其強(qiáng)度分為三等.

適宜類的主要劃分依據(jù)是區(qū)域土地利用總體規(guī)劃以及被損毀狀況調(diào)查和預(yù)測分析成果,包括土層厚度、坡度與坡向、交通條件、區(qū)位、損毀類型與程度和土地利用及發(fā)展方向等.坡度小、離居民區(qū)近、交通方便、土層厚、質(zhì)地較好和損毀較輕的土地劃分為宜耕類;坡度大、距離遠(yuǎn)、交通不便、土層薄、質(zhì)地差、損毀較嚴(yán)重而無望恢復(fù)耕作的土地,可劃為宜林或宜牧類.宜園、宜林或宜牧的土地區(qū)分不甚明顯,主要視所在地區(qū)的總體規(guī)劃而定.被挖損和壓占損毀的土地,視生產(chǎn)利用狀況和壓占物的穩(wěn)定性規(guī)劃為某種適宜類或暫不適宜類.

一等地一般不存在限制因素,易于恢復(fù)為原土地利用類型;二三等地則有不同的限制因素,二等地質(zhì)地中等,中度損毀,需經(jīng)一定整治才能恢復(fù)利用,利用不當(dāng)將會導(dǎo)致土地退化;三等地限制因素較多,損毀嚴(yán)重,需經(jīng)大力整治方可恢復(fù)利用.

根據(jù)礦區(qū)土地實(shí)際情況,具體分析評價結(jié)果見表3.

表3　項(xiàng)目區(qū)損毀土地適宜性分析結(jié)果

根據(jù)定量分析結(jié)果,作出礦區(qū)復(fù)墾規(guī)劃圖.

4　結(jié)　　論

運(yùn)用概率積分原理,借助MSPS軟件,對榆樹溝煤礦礦區(qū)地標(biāo)沉陷作出科學(xué)預(yù)測,從而得到礦區(qū)地表最大移動變形值.結(jié)合礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀,參照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),分析得到礦區(qū)沉陷預(yù)測.預(yù)測顯示,井田全采后土地沉陷總面積達(dá)139.05hm2.其中,輕度損毀面積109.58hm2,中度損毀面積29.47hm2.

考慮礦區(qū)土質(zhì)、現(xiàn)狀,通過土地適宜性定性、定量分析,將礦區(qū)分為宜耕、宜林、暫不適宜區(qū)域,并作出復(fù)墾規(guī)劃圖.

對礦區(qū)地表沉陷的預(yù)測,為復(fù)墾適宜性評價提供基礎(chǔ)資料,從而提出合理適用的土地復(fù)墾方案,及時恢復(fù)利用礦區(qū)被破壞土地,使自然環(huán)境在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時得到有效保護(hù),有助于促進(jìn)礦區(qū)社會的穩(wěn)定和安定團(tuán)結(jié),有利于促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展.

參考文獻(xiàn):

[1] 馬立宏. 潞安礦區(qū)土地破壞預(yù)測及復(fù)墾適宜性評價[D]. 北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2004:1-2.

(Ma Lihong. Prediction of Land Deterioration and Suitability Appraisal of Reclamation in Lu’an Mining Area[D]. Beijing: China Agricultural University, 2004:1-2.)

[2] 路學(xué)忠. 寧東煤田采煤沉陷地質(zhì)災(zāi)害規(guī)律研究[D]. 北京:中國地質(zhì)大學(xué), 2006:2-12.

(Lu Xuezhong. Laws of Ground Subsidence Geology Hazards during Coal Mining in Eastern Ningxia Coalfield[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2006:2-12.)

[3] 朱廣軼,沈紅霞,朱樂君,等. 開采沉陷動態(tài)分析方法研究[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報, 2011,23(5):1-4.(Zhu Guangyi, Shen Hongxia, Zhu Lejun, et al. Dynamic Analysis Method of Mining Subsidence[J]. Journal of Shenyang University, 2011,23(5):1-4.)

[4] 王偉. 礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理評價指標(biāo)體系的研究[D]. 太原:中北大學(xué), 2014:1-16.

(Wang Wei. Construction of Evaluation Index System for Protection and Restoration of Mine Ecological Environment[D]. Taiyuan: North University of China, 2014:1-16.)

[5] 郭威. 山西新元煤礦采后沉陷預(yù)測與土地復(fù)墾規(guī)劃研究[D]. 北京:北京科技大學(xué), 2008:17-53.

(Guo Wei. Study on the Prediction of Ground Subsidence and the Regulation of Land Reclamation in Xinyuan Coal Mine of Shanxi Province[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2008:17-53.)

[6] 王金莊. 開采沉陷若干理論與技術(shù)問題研究[J]. 礦山測量, 2003(3):1-5,70.

(Wang Jinzhuang. Research on Some Theories and Technical Problems Regarding Mining-Induced Subsidence[J]. Mine Surveying, 2003(3):1-5,70.)

[7] 孫超,薄景山,孫有為. 采空區(qū)沉陷研究歷史及現(xiàn)狀[J]. 防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報, 2008,10(4):128-131.

(Sun Chao,Bo Jingshan,Sun Youwei. Research History and Status quo of Mining Subsidence[J]. Journal of Institute of Disaster-Prevention Science and Technology, 2008,10(4):128-131.)

[8] 國家煤炭工業(yè)局. 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[M]. 北京:煤炭工業(yè)出版社, 2000:1330-1345.

(State Bureau of Coal Industry. Mining Regulations of Buildings, Water, Rail and the Main Pillar for Roadway and Coal[M]. Beijing: Coal Industry Press, 2000:1330-1345.)

[9] 中華人民共和國國土資源部. TD/T 1031.3—2011土地復(fù)墾方案編制規(guī)程(井工煤礦)[S]. 2011:12.

(Ministry of Land and Resources of the People’s Republic of China. TD/T1031.3—2011 Procedure for Preparation of Land Reclamation Program (Underground Coalmine)[S]. 2011:12.)

[10] 宋可實(shí). 采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾適宜性評價研究----以徐州潘安煤礦塌陷區(qū)為例[D]. 重慶:重慶大學(xué), 2014:11-40.

(Song Keshi. Suitability Evaluation for Land Reclamation in Coal Mining Subsidence Area: A Case Study of Pan’an, Xu Zhou Coal Mining Subsidence Area[D]. Chongqing: Chongqing University, 2014:11-40.)

[11] 王歡,王平,謝立祥,等. 土地復(fù)墾適宜性評價方法[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2010(4):154-158.

(Wang Huan, Wang Ping, Xie Lixiang, et al. Commentary on Methods for Suitability Evaluation of Land Reclamation[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2010,30(4):154-158.)

[12] 叢樹民,朱瀛,戰(zhàn)揚(yáng),等. 礦區(qū)土地恢復(fù)及其可持續(xù)利用的協(xié)同理論研究[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報, 2005,17(2):1-2.

【責(zé)任編輯:祝穎】

(Cong Shumin, Zhu Ying, Zhan Yang, et al. A Study on Land Recovery of Mining Area and Coordination Theory of its Sustainable Utilization[J]. Journal of Shenyang University, 2005,17(2):1-2.)

Surface Subsidence Prediction and Reclamation Suitability Assessment of Yushugou Coal Mine

LiJinyun1,YangLingxia2,WuQuanlei3

(1. Tianjin College, University of Science and Technology Beijing, Tianjin 301830, China; 2. Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China; 3 Beijing Balas Investment Consultion Co., Ltd., Beijing 100044, China)

Abstract:Yushugou coal mine uses underground mining method, which will has different effects on underground and surface. Using the probability integral principle, with MSPS software, the quasi destroyed land is forecasted, and the damage mining land distribution map is made based on the predictions. Considering the soil property and the actuality of the mining area, the qualitative and quantitative analysis on land suitability are done, the direction of reclamation of the quasi destroyed land is evaluated, the mining area is divided into arable soil, suitability for forestry, and temporarily unfit region, and the reclamation plan is made. By reclamation planning, the destruction land could be governed timely and properly, to protect natural environment and promote harmony between man and nature.

Key words:Yushugou coal mine; subsidence prediction; suitability evaluation

作者簡介:李金云(1982-),女,山東菏澤人,北京科技大學(xué)天津?qū)W院講師,碩士.

收稿日期:2015-01-19

文章編號:2095-5456(2015)03-0201-05

中圖分類號:TD325

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A