李亞龍，趙艷玲，陳慧玲，胡義強，馬　龍，滕佳華

(中國礦業(yè)大學(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

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基于格網(wǎng)法表土剝離時空順序確定

李亞龍，趙艷玲，陳慧玲，胡義強，馬龍，滕佳華

(中國礦業(yè)大學(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

地下煤炭開采對地面造成了嚴重的破壞，尤其是高潛水位礦區(qū)，采煤塌陷后，地表極易形成積水，若不及時對其采取措施，將會失去大量寶貴的表土資源。對積水區(qū)域預(yù)先進行表土剝離，是搶救寶貴表土資源的有效措施。本文基于格網(wǎng)法，首先對研究區(qū)進行格網(wǎng)化，以模擬的5個工作面為預(yù)計單元對研究區(qū)進行沉陷預(yù)計，得到涉及積水的格網(wǎng)單元；將各積水格網(wǎng)單元以煤層影響范圍角θ向下進行投影，得到其煤層影響范圍；以相鄰積水格網(wǎng)單元G(5，7)與G(5，8)為例，依據(jù)煤層影響范圍確定起始預(yù)計單元，從起始預(yù)計單元開始對其進行分階段沉陷預(yù)計，得到兩格網(wǎng)單元達到臨界積水時，工作面的開采進度，以此得到它們的積水先后順序，從而可以科學合理的指導(dǎo)復(fù)墾工程的機械施工，提高工作效率。

土地復(fù)墾；高潛水位；格網(wǎng)法；表土剝離

1　概　況

當前煤炭仍然是我國能源的主要來源。伴隨著經(jīng)濟的快速增長，煤炭資源的需求量也在逐年增加，由此產(chǎn)生了嚴峻的生態(tài)和環(huán)境問題[1]，其中煤炭開采導(dǎo)致的土地損毀問題引起了越來越多人的關(guān)注。在我國，90%以上的煤炭來自井工開采，因此勢必會產(chǎn)生土地下沉，形成下沉盆地，造成大量的土地損毀。我國即是煤炭大國又是農(nóng)業(yè)大國，因此存在著地面是耕地，地下是煤炭資源的現(xiàn)象。據(jù)測算，我國煤糧復(fù)合區(qū)面積占全國耕地總面積的42.7%，煤炭保有資源與耕地的復(fù)合面積占全國耕地總面積的10.8%[2]。因此，煤炭開采造成的損毀土地中包含大量寶貴的耕地資源。高潛水位煤糧復(fù)合區(qū)是煤糧復(fù)合區(qū)的典型區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的損毀耕地極易產(chǎn)生積水，積水對耕地的損毀是不可挽回的。

針對以上問題，一些學者相繼提出了相應(yīng)的解決方法，如預(yù)復(fù)墾[3]、超前復(fù)墾[4]、動態(tài)復(fù)墾[5]等。這些概念和方法的提出旨在預(yù)防積水對耕地的損毀，即及時且盡可能多的剝離表土和心土資源，避免其沉入水底，無法利用。剝離表土的關(guān)鍵在于何時何地進行表土剝離，不少學者對此也有相應(yīng)的研究。肖武利用概率積分法得出了最佳的復(fù)墾時機[6]；付梅臣等通過對土地復(fù)墾工藝效果分析，提出了礦區(qū)生態(tài)復(fù)墾表土剝離工藝[7]；肖武等結(jié)合GIS的空間分析功能，定量分析了地面格網(wǎng)單元表土剝離的時間、范圍與深度[8]。

土地工程施工過程中，在計算土方量時，通常是將施工區(qū)域格網(wǎng)化，依據(jù)土方量平衡，來確定各個方格的填、挖方量。復(fù)墾工程施工時，為了使土方量計算與表土剝離達成一致，需要將復(fù)墾區(qū)域格網(wǎng)化。本文采用格網(wǎng)法，將研究區(qū)進行格網(wǎng)化，結(jié)合概率積分法，對各積水格網(wǎng)單元進行預(yù)計，精確得到其積水臨界點，比較各積水格網(wǎng)單元的積水先后順序，根據(jù)積水的先后順序，確定各積水格網(wǎng)單元的表土剝離順序，從而更加科學合理的對復(fù)墾工程施工機械進行調(diào)度，優(yōu)化施工機械的工作路線，節(jié)約施工成本。

2　格網(wǎng)法

現(xiàn)有的開采沉陷預(yù)測與規(guī)律研究的基本思路是：地下—地面。先通過礦區(qū)開采計劃，得到地下開采單元的詳細分布，基于概率積分法，通過積分的方式得到地下開采對地面的損毀程度。與此不同的是，格網(wǎng)法[9]的基本思路是：地面→地下→地面。首先將地面進行格網(wǎng)化，然后再依據(jù)開采影響邊界角，確定各格網(wǎng)單元受地下開采的煤層影響范圍，最后以各自煤層影響范圍為預(yù)計單元，通過預(yù)計軟件預(yù)計各格網(wǎng)單元的沉陷規(guī)律與發(fā)生積水的臨界時間，確定各格網(wǎng)單元的表土剝離順序，指導(dǎo)復(fù)墾工程施工機械科學合理的工作。

2.1地面格網(wǎng)化

依據(jù)研究區(qū)的實地情況，將其劃分為規(guī)則排列的正方形格網(wǎng)，每個格網(wǎng)為剝離表土的最小施工單元。格網(wǎng)的大小應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場施工機械的工作速度以及地下煤層開采的速度而定，格網(wǎng)單元的邊長一般為50～100m。為了施工現(xiàn)場更好的指明要復(fù)墾的格網(wǎng)單元，便從左到右、從上到下對格網(wǎng)依次編號，G(i，j)表示第i行第j列的格網(wǎng)單元。

2.2地面格網(wǎng)單元的地下煤層影響的范圍確定

在充分采動或接近充分采動的前提條件下，開采沉陷學中規(guī)定，地表移動盆地主斷面上盆地邊界點至采空區(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)邊界角建立地面點受煤炭開采的地下煤層影響范圍的模型。

走向方向上，以地面某一格網(wǎng)單元G(i，j)為例，寬度為2R范圍內(nèi)的地下煤層開采會對O點造成影響，R的計算公式見式(1)。

(1)

式中：R為地面點走向方向煤層影響半徑，m；H為地面點到煤層的鉛垂距離，m；δ為走向邊界角，°。

定義θ為能影響地面點O的煤層范圍角，θ的值與走向邊界角δ的值互余，如圖1(a)所示。

傾向方向上，R1和R2范圍內(nèi)的地下煤層開采可能會對O點造成影響，R1和R2的計算公式分別見式(2)，式(3)。

(2)

(3)

式中：R1為地面點傾向下山方向煤層影響半徑，m；R2為地面點傾向上山方向煤層影響半徑，m；β為下山邊界角，°；γ為上山邊界角，°。

定義θ1為能影響地面點O的地下煤層范圍下山角，θ2為能影響地面點O的地下煤層范圍上山角，如圖1(b)所示。

圖1　地面點受地下煤層開采影響范圍圖

由上述理論，通過邊界角的余角便可以確定影響地面任一格網(wǎng)單元的的地下煤層范圍。以格網(wǎng)單元G(i，j)為例，這里假設(shè)煤層近似水平，對格網(wǎng)單元G(i，j)的4個頂點a、b、c和d以煤層范圍角θ向煤層進行投影，得到4個投影點a’、b’、c’和d’，以過a’、b’、c’和d’組成的四邊形為內(nèi)接四邊形的圓形區(qū)域，即為能影響格網(wǎng)單元G(i，j)的地下煤層區(qū)域，如圖2所示。

2.3地面格網(wǎng)單元的臨界積水時間分析

將確定的影響地面各格網(wǎng)單元的地下煤層范圍與開采工作面進行疊加，能夠得到影響該格網(wǎng)單元的開采工作面的數(shù)量及空間分布情況。以各格網(wǎng)單元的地下煤層影響范圍與開采工作面的疊加范圍確定起始預(yù)計單元，根據(jù)礦區(qū)工作面的開采時間與速度等信息，基于概率積分法，對各格網(wǎng)單元從起始預(yù)計單元開始分階段進行沉陷預(yù)計，可以較精確的得到各格網(wǎng)單元剛好達到臨界積水時的地下工作面開采進度，進而得到各格網(wǎng)單元的積水先后順序。

3　研究區(qū)概況

本文選擇山東省濟寧市某礦為研究對象進行模擬研究，研究區(qū)屬華北平原，地形較為平坦。地面標高為+41.25～45.47m，平均為43.31m，地形坡度0°～2°，地下潛水位埋深為2m，屬于高潛水位礦區(qū)。研究區(qū)地面土地利用類型多以耕地為主，存在部分林地和魚塘。地下煤層以近水平煤層為主，煤層開采深度為300m，開采厚度為3m。模擬的5個工作面大小均為100m×800m，采用順序開采的開采方式，從1號工作面開始，到5號工作面結(jié)束，全部垮落式頂板管理，開采進度為5m/d。地下工作面的具體分布情況與開采順序如圖3所示。

圖2　地面格網(wǎng)單元受地下煤層開采影響范圍圖

圖3　工作面布置與開采順序示意圖

4　模擬分析

4.1地面格網(wǎng)化與積水格網(wǎng)單元的確定

在綜合考慮現(xiàn)場施工機械的工作速度以及地下煤層開采速度的情況下，對研究區(qū)地面進行格網(wǎng)化，劃分為規(guī)則的11行×12列的格網(wǎng)，格網(wǎng)單元的大小均為100m×100m。依據(jù)礦區(qū)地質(zhì)條件與相關(guān)資料可得，本研究區(qū)的煤層邊界角δ為78.7°，由格網(wǎng)法相關(guān)理論可得煤層影響范圍角θ為11.3°。

積水會對土地造成不可挽回的損毀，因此本研究只考慮積水格網(wǎng)單元的表土剝離順序。首先需要確定積水格網(wǎng)單元的位置。研究區(qū)的煤層為近水平煤層，依據(jù)概率積分法，以所有工作面為預(yù)計單元，對研究區(qū)進行沉陷預(yù)計，得到研究區(qū)最終的沉陷情況以及涉及積水的格網(wǎng)單元，如圖4所示。

圖4　格網(wǎng)單元積水情況示意圖

4.2各積水格網(wǎng)單元臨界積水時間的確定

利用格網(wǎng)法，首先將各積水格網(wǎng)單元積水部分由煤層影響范圍角向煤層進行投影來確定其煤層影響范圍。然后以煤層影響范圍確定起始預(yù)計單元，根據(jù)煤層開采順序與速度，分階段對各積水格網(wǎng)單元進行沉陷預(yù)計，找出各自臨界積水時的工作面開采進度。下面以格網(wǎng)單元G(4，7)為例做具體分析。

格網(wǎng)單元G(4，7)積水部分的煤層影響范圍如圖5(a)，跨越了1、2兩個工作面。由于積水部分煤層影響范圍以外的煤層開采對積水部分不造成下沉影響，因此應(yīng)直接從起始預(yù)計單元開始預(yù)計，起始預(yù)計單元如圖5(b)。預(yù)計單元應(yīng)依據(jù)開采進度而不斷變大，隨著預(yù)計單元的改變，積水范圍也在不斷地擴大。當工作面2推進至395m，以此時的采空區(qū)作為預(yù)計單元時，積水范圍剛好擴大到格網(wǎng)單元G(4，7)，此時的預(yù)計單元為格網(wǎng)單元G(4，7)的臨界積水預(yù)計單元，如圖5(c)。依據(jù)格網(wǎng)單元G(4，7)的臨界積水預(yù)計單元對應(yīng)的工作面推進位置，可以得到其臨界積水時間。

圖5　G(4，7)沉陷預(yù)計模擬

4.3各積水格網(wǎng)單元表土剝離順序的確定

積水格網(wǎng)單元表土剝離順序與其臨界積水順序一致，為了說明積水先后順序的問題，以相鄰兩格網(wǎng)單元G(5，7)與G(5，8)為例做具體分析。

依據(jù)上一節(jié)所述分析過程，分別對格網(wǎng)單元G(5，7)與G(5，8)做預(yù)計分析，結(jié)果如圖6所示。格網(wǎng)單元G(5，7)與G(5，8)積水部分的煤層影響范圍均跨越了工作面1、2、3；圖中顯示了兩格網(wǎng)單元的臨界積水預(yù)計單元的大小，以工作面2推進至475m時的采空區(qū)作為預(yù)計單元時，積水范圍剛好擴大到格網(wǎng)單元G(5，7)，即工作面2推進至475m時，格網(wǎng)單元G(5，7)將會產(chǎn)生積水；以工作面2推進至520m時的采空區(qū)作為預(yù)計單元時，積水范圍剛好擴大到格網(wǎng)單元G(5，8)，即工作面2推進至520m時，格網(wǎng)單元G(5，8)將會產(chǎn)生積水。由此可知，格網(wǎng)單元G(5，7)比格網(wǎng)單元G(5，8)先產(chǎn)生積水，即格網(wǎng)單元G(5，7)需要比格網(wǎng)單元G(5，8)先進行表土剝離工作。

圖6　格網(wǎng)單元G(5，7)與G(5，8)預(yù)計結(jié)果

基于此預(yù)計過程，對各積水格網(wǎng)單元進行預(yù)計分析，可以得到所有積水格網(wǎng)單元的積水先后順序，進而得到各積水格網(wǎng)單元的表土剝離先后順序。

5　結(jié)　論

本文基于格網(wǎng)法，采用其地面→地下→地面的基本思路，結(jié)合概率積分法對地面各格網(wǎng)單元的沉陷積水情況進行了模擬分析，得到各積水格網(wǎng)單元的表土剝離順序和剝離位置。首先，對研究區(qū)進行格網(wǎng)化，確定格網(wǎng)單元的尺寸大小；基于概率積分法預(yù)計出涉及積水的格網(wǎng)單元，確定各積水格網(wǎng)單元的煤層影響范圍；最后，從各積水格網(wǎng)單元的起始預(yù)計單元開始，分階段對其進行預(yù)計，確定各格網(wǎng)單元達到臨界積水時的預(yù)計單元，即臨界積水預(yù)計單元。基于此，比較分析各格網(wǎng)單元的表土剝離順序，同時再考慮到地下開采到地面受影響之間延遲的時間，可以做到更加精確的確定表土剝離的時間和位置，延長土地利用時間，科學合理的指導(dǎo)復(fù)墾工程施工機械的工作。

剝離的表土應(yīng)優(yōu)先用于復(fù)墾工程施工，即優(yōu)先充填至“墊淺區(qū)”，當剝離的表土不能實現(xiàn)“即剝即用”時，可就近選擇表土資源存儲區(qū)，將這些表土資源暫時存儲起來，后續(xù)可以覆蓋在土壤貧瘠的耕地、城市綠化用地上，以及解決耕地“占補平衡”等問題。然而，現(xiàn)在面臨著表土資源存儲區(qū)位置選擇的問題，仍需要相關(guān)學者在綜合考慮運輸成本、表土資源保護以及潛在表土利用區(qū)等因素，對此問題進行相關(guān)研究，實現(xiàn)表土資源最大限度的剝離與更好的再利用。

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[3]李太啟，戚家忠，周錦華，等.劉橋二礦動態(tài)塌陷區(qū)預(yù)復(fù)墾治理方法[J].礦山測量，1999(2)：57-58.

[4]趙艷玲.采煤沉陷地動態(tài)預(yù)復(fù)墾研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(北京)，2005.

[5]張友明，代曉東.動態(tài)沉陷復(fù)墾在高潛水位采煤塌陷區(qū)中的應(yīng)用[J].礦山測量，2004(3)：49-51.

[6]肖武，胡振琪，高楊，等.井工煤礦山邊采邊復(fù)過程中表土剝離時機計算模型構(gòu)建及應(yīng)用[J].礦山測量，2013(5)：84-89.

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Confirmation of topsoil stripping sequence of time and space based on grid method

LI Ya-long，ZHAO Yan-ling，CHEN Hui-ling，HU Yi-qiang，MA Long，TENG Jia-hua

(Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Underground coal mining caused severe impact on the land surface，especially in the area with high groundwater level，the mining subsidence due to the water logging，without timely protection measures，the massive precious topsoil will be lost.The beforehand topsoil stripping of the future water logging area is an effective way to save the topsoil.By application of the grid method，the waterlogging grid units in the study area have been obtained，based on the land surface gridding and the land subsidence prediction in the 5 simulative work faces；to find out the impact area of the coal seam by the projection of the waterlogging units with the coal seam impact area angle θ；taking the water grid unit G (5，7) and G (5，8) as an example，to determine the first prediction unit according to the impact area of the coal seam，and predict the subsidence by stage，to calculate the mining progress of the work face when the two grids arrive the waterlogging criticality；therefore，the water logging order of the two units could be obtained.The results could be a reference to the rational conduction of the land reclamation mechanical construction，and enhance the efficiency.

land reclamation；high underground water level；square grid；topsoil stripping

2016-02-04

李亞龍(1993-)，男，河南焦作人，碩士研究生，研究方向為礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建。E-mail：liyalong0802@163.com。

TD88

A

1004-4051(2016)10-097-04