第 38 卷 第 2 期 煤 炭 学 报 Vol. 38 No. 2 2013 年 2 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Feb. 2013 文 章 编 号 :0253-9993(2013)02-0301-07 试 论 井 工 煤 矿 边 开 采 边 复 垦 技 术 胡 振 琪, 肖 武, 王 培 俊, 赵 艳 玲 ( 中 国 矿 业 大 学 ( 北 京 ) 土 地 复 垦 与 生 态 重 建 研 究 所, 北 京 100083) 摘 要 : 针 对 传 统 采 煤 沉 陷 地 稳 沉 后 复 垦 恢 复 土 地 率 低 复 垦 周 期 长 等 弊 端, 在 分 析 讨 论 我 国 采 煤 沉 陷 地 非 稳 沉 复 垦 技 术 研 发 历 史 的 基 础 上, 提 出 了 边 开 采 边 复 垦 ( 简 称 边 采 边 复 ) 的 概 念, 探 讨 了 边 采 边 复 的 内 涵 基 本 原 理 技 术 分 类 与 关 键 技 术, 基 于 实 例 阐 述 了 边 采 边 复 技 术 的 优 越 性 实 例 研 究 表 明 : 采 用 边 采 边 复 技 术 比 传 统 复 垦 技 术 提 高 复 垦 耕 地 率 最 高 达 37. 59% 论 文 还 分 析 了 该 技 术 的 适 用 范 围 和 推 广 应 用 前 景, 适 用 于 边 采 边 复 技 术 的 平 原 高 潜 水 位 地 区 包 括 十 四 大 煤 炭 基 地 中 的 5 个, 通 过 使 用 边 采 边 复 技 术, 可 以 及 早 地 拯 救 将 要 形 成 积 水 的 土 地, 将 增 加 土 地 面 积 约 6 680. 8 km 2 关 键 词 : 边 采 边 复 ; 井 工 煤 矿 ; 煤 炭 开 采 ; 土 地 复 垦 ; 开 采 沉 陷 中 图 分 类 号 :TD88 文 献 标 志 码 :A Concurrent mining and reclamation for underground coal mining HU Zhen-qi,XIAO Wu,WANG Pei-jun,ZHAO Yan-ling ( Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration,China University of Mining and Technology( Beijing),Beijing 100083,China) Abstract:This paper aimed at the problems such as low restoration rate of land resources and long time for subsidence land reclamation by traditional technology with the condition of final subsided status. Based on the introduction and discussion of the research history for unsteady subsidence land reclamation,the concept of concurrent mining and reclamation( CMR) was proposed. The connotation,principles,technical classifications,and key technologies of CMR for underground coal mining were presented. The advantages with high reclamation percentage of land resources for the new technology were proved based on a case study,which indicated that CMR could increase farmland reclamation percentages to 37. 59% comparing with the farmland reclamation percentage of post-mining. The scope of application and application prospects of the technology were also discussed,cmr could be used in 5 of the 14 large coal bases. It is estimated that the application of CMR could increase land area by 6 680. 8 km 2. Key words:concurrent mining and reclamation;underground coal mining;coal mining;land reclamation;mining subsidence 煤 炭 是 我 国 的 最 主 要 能 源, 占 一 次 能 源 消 费 的 70% 左 右 由 于 我 国 90% 以 上 的 煤 炭 产 量 来 自 于 井 工 开 采, 且 多 采 用 走 向 长 壁 全 部 垮 落 法 开 采, 土 地 不 可 避 免 地 产 生 下 沉, 造 成 大 量 土 地 的 沉 陷 损 毁 [1] 据 测 算, 井 下 开 采 万 吨 原 煤 造 成 的 沉 陷 地, 少 则 0. 033 hm 2, 多 则 0. 533 hm 2, 平 均 0. 20 ~ 0. 33 hm 2 [2] 因 此, 井 工 煤 矿 区 的 采 煤 沉 陷 地 复 垦 是 中 国 最 具 特 色 难 度 最 大 的 问 题, 在 国 际 上 都 具 有 典 型 性, 已 经 成 为 我 国 土 地 复 垦 的 研 究 热 点 我 国 采 煤 沉 陷 地 复 垦 从 20 世 纪 80 年 代 就 开 展 了 研 究 和 实 践, 已 积 累 了 大 量 经 验, 许 多 复 垦 技 术 得 到 了 试 验 和 推 广 应 用 : 如 采 煤 沉 陷 地 利 用 煤 矸 石 粉 煤 灰 等 固 体 废 弃 物 进 行 充 填 复 垦 修 整 法 疏 排 法 和 挖 深 垫 浅 法 进 行 非 充 填 复 垦 等, 初 步 形 成 了 具 有 中 国 收 稿 日 期 :2012-02-21 责 任 编 辑 : 韩 晋 平 基 金 项 目 : 国 土 资 源 部 公 益 性 行 业 科 研 专 项 资 助 项 目 (200911015-03) 作 者 简 介 : 胡 振 琪 (1963 ), 男, 安 徽 五 河 人, 教 授, 博 士 生 导 师, 博 士 E-mail:huzq@ cumtb. edu. cn
302 煤 炭 学 报 2013 年 第 38 卷 特 色 的 采 煤 沉 陷 地 复 垦 技 术 但 这 些 复 垦 技 术 主 要 是 针 对 已 经 稳 沉 后 的 采 煤 沉 陷 地, 对 于 高 潜 水 位 地 区, 土 地 沉 陷 使 大 量 肥 沃 的 土 地 沉 入 水 中, 恢 复 土 地 和 耕 地 的 比 率 低 ( 本 文 的 土 地 指 的 是 非 水 域 的 陆 地 ); 且 因 沉 陷 稳 定 的 时 间 长, 大 量 土 地 荒 芜 时 间 长, 复 垦 时 间 也 延 长 因 此, 近 年 来, 人 们 对 这 种 先 沉 陷 后 复 垦 的 做 法 提 出 了 很 多 质 疑, 试 图 探 讨 井 工 矿 山 采 矿 - 复 垦 一 体 化 的 技 术, 即 边 开 采 边 复 垦 技 术 我 国 煤 炭 的 重 要 地 位 在 相 当 长 时 期 内 难 以 改 变, 而 人 地 矛 盾 会 越 来 越 突 出, 尤 其 是 在 高 潜 水 位 煤 炭 - 粮 食 复 合 主 产 区, 采 煤 沉 陷 引 起 的 耕 地 减 少 会 直 接 影 响 国 家 粮 食 安 全 为 了 最 大 限 度 地 保 护 耕 地 资 源, 缩 短 复 垦 时 间, 实 现 及 时 复 垦, 井 工 矿 山 边 开 采 边 复 垦 就 成 为 亟 待 解 决 的 难 题 1 边 开 采 边 复 垦 技 术 研 发 历 史 及 概 念 内 涵 1. 1 边 开 采 边 复 垦 技 术 研 发 历 史 我 国 从 20 世 纪 80 年 代 开 始 了 大 量 废 弃 采 煤 沉 陷 地 复 垦 技 术 的 研 究 和 实 践, 取 得 了 很 多 的 成 果 从 20 世 纪 90 年 代 一 些 矿 山 和 学 者 就 开 始 探 寻 非 稳 定 沉 陷 地 的 复 垦 技 术, 如 1992 年 平 顶 山 矿 务 局 在 东 高 皇 乡 辛 北 村 进 行 了 超 前 复 垦, 即 对 即 将 沉 陷 的 土 地 开 挖 水 渠 降 低 潜 水 位, 使 土 地 沉 陷 后 不 积 水 而 达 到 复 垦 的 目 的 一 些 学 者 也 相 继 提 出 了 预 复 垦 [3] 超 前 复 垦 [4-6] [7-8] 动 态 复 垦 等 概 念 和 方 法 [3] 李 太 启 等 通 过 对 皖 北 矿 务 局 刘 桥 二 矿 开 采 沉 陷 对 土 地 破 坏 的 影 响 分 析, 提 出 了 适 合 该 矿 特 点 的 动 态 沉 陷 区 预 复 垦 治 理 方 法, 得 出 预 复 垦 最 佳 时 间 为 6 [9] 煤 跳 采 后 中 央 隔 离 工 作 面 回 采 之 前 周 锦 华 等 以 兖 州 矿 区 为 例, 探 讨 在 综 采 放 顶 煤 条 件 下, 土 地 沉 陷 预 复 垦 的 可 行 性, 提 出 了 3 种 具 体 的 预 复 垦 治 理 方 法, 结 合 矿 井 煤 矸 石 排 放, 用 煤 矸 石 充 填 预 复 垦 治 理 沉 陷 地 ; 预 推 土 筑 坝, 修 建 精 养 渔 塘 和 预 取 土 挖 深 垫 [7] 浅 复 垦 沉 陷 缓 坡 地 或 积 水 沉 陷 地 董 祥 林 等 通 过 对 朱 仙 庄 矿 七 采 区 地 表 沉 陷 现 状 的 反 复 研 究 和 充 分 论 证, 提 出 对 矿 区 沉 陷 地 实 施 梯 次 动 态 复 垦 : 在 采 场 布 置 上 采 取 中 间 开 花, 上 下 同 步, 先 行 治 理 中 段 沉 陷 区, 后 从 深 部 沉 陷 区 块 段 取 土 回 填 浅 部 沉 陷 块 段, 实 行 滚 动 治 理 笔 者 与 皖 北 煤 电 集 团 公 司 合 作 于 2003 年 完 成 了 动 态 预 复 垦 研 究 的 科 研 项 目, 经 国 土 资 源 部 鉴 定 达 到 国 际 先 进 水 平, 并 于 2009 年 获 得 [8] 国 土 资 源 科 技 进 步 二 等 奖 张 友 明 等 认 为 动 态 沉 陷 复 垦 就 是 在 地 表 沉 陷 过 程 中, 地 面 未 积 水 之 前, 通 过 地 表 沉 陷 预 计 和 土 地 复 垦 规 划 设 计, 对 即 将 形 成 的 沉 陷 地 进 行 一 步 到 位 的 复 垦 治 理 他 在 分 析 永 城 集 团 陈 集 镇 刘 大 庄 沉 陷 区 现 状 的 基 础 上, 提 出 了 包 括 回 填 标 高 确 定 取 土 深 度 确 定 沟 渠 水 系 设 计 和 动 态 复 垦 时 间 选 择 在 内 的 沉 陷 区 综 合 治 理 实 施 方 案 以 及 预 挖 深 垫 浅 复 垦 煤 矸 石 充 填 预 复 垦 和 新 排 矸 石 直 接 造 [10-11] 地 3 种 预 复 垦 模 式 韩 奎 峰 等 运 用 开 采 沉 陷 预 计 和 空 间 数 据 处 理 技 术 生 成 描 述 沉 陷 区 的 一 系 列 DEM( 数 字 高 程 模 型 ), 然 后 运 用 DEM 的 空 间 分 析 技 术 提 取 沉 陷 区 在 不 同 时 间 段 的 土 地 破 坏 类 型 范 围 和 位 置 数 据, 并 根 据 这 些 数 据 进 行 动 态 土 地 复 垦 方 案 的 [4] 辅 助 设 计 赵 艳 玲 以 非 稳 沉 沉 陷 地 为 研 究 对 象, 澄 清 了 动 态 预 复 垦 的 内 涵, 提 出 了 动 态 预 复 垦 的 一 般 技 术 模 式 和 技 术 分 类 体 系, 并 就 典 型 动 态 预 复 垦 技 术 的 工 艺 流 程 适 用 条 件 和 实 施 要 点 进 行 了 研 究, [6] 探 讨 了 单 一 工 作 面 的 复 垦 时 间 选 择 汪 瑞 侠 介 绍 了 任 楼 矿 采 用 的 原 地 超 前 复 垦, 一 次 性 复 高 到 位 的 复 垦 模 式, 即 在 地 表 已 经 下 沉, 下 面 仍 有 煤 层 将 要 开 采 而 未 稳 沉 的 条 件 下, 先 通 过 开 采 沉 陷 技 术, 预 算 出 沉 陷 量, 设 计 复 垦 标 高, 然 后 采 用 工 程 复 垦 技 术, 一 [12] 次 性 复 高 到 位, 恢 复 到 可 利 用 状 态 姜 升 等 和 赵 [13] 海 峰 等 阐 述 了 非 稳 沉 沉 陷 地 动 态 充 填 煤 矸 石 复 垦 为 建 设 用 地 的 技 术 流 程 和 技 术 关 键 点, 并 在 皖 北 矿 区 抗 变 形 新 村 建 设 中 进 行 了 应 用 1. 2 边 开 采 边 复 垦 概 念 内 涵 以 上 这 些 探 索, 都 从 不 同 侧 面 研 究 了 未 稳 定 沉 陷 地 的 复 垦 问 题, 但 都 没 有 从 井 工 矿 山 采 矿 复 垦 一 体 化 的 角 度 去 系 统 研 究 因 此, 依 据 井 工 矿 山 的 特 点, 在 已 有 研 究 的 基 础 上, 本 文 提 出 井 工 矿 山 边 开 采 边 复 垦 ( 简 称 : 边 采 边 复,Concurrent Mining and Reclamation, CMR) 的 定 义 为 : 充 分 考 虑 地 下 开 采 与 地 面 复 垦 措 施 的 耦 合, 通 过 合 理 减 轻 土 地 损 毁 的 开 采 措 施 和 沉 陷 前 或 沉 陷 过 程 中 的 复 垦 时 机 与 方 案 的 优 选, 实 现 采 矿 与 复 垦 同 步 进 行 的 一 种 复 垦 技 术 边 采 边 复 强 调 开 采 工 艺 与 复 垦 工 艺 的 充 分 结 合, 以 保 证 按 采 矿 计 划 同 步 进 行 其 基 本 特 征 是 以 采 矿 与 复 垦 的 充 分 有 效 结 合, 也 即 采 矿 复 垦 一 体 化 为 核 心, 以 边 采 矿, 边 复 垦 为 特 点, 以 提 高 土 地 恢 复 率 缩 短 复 垦 周 期 增 加 复 垦 效 益 为 表 征, 并 以 实 现 矿 区 土 地 资 源 的 可 持 续 利 用 及 矿 区 可 持 续 发 展 为 终 极 目 标 其 基 本 内 涵 为 地 下 采 矿 与 地 面 复 垦 的 有 机 耦 合 : 一 方 面, 基 于 既 定 的 采 矿 计 划, 在 土 地 沉 陷 发 生 之 前 或 已 发 生 但 未 稳 定 之 前, 通 过 选 择 适 宜 的 复 垦 时 机 和 科 学 的 复 垦 工 程 技 术, 实 现 恢 复 土 地 率 高 复 垦 成 本 低 和 复 垦 后 经 济 效 益 生 态 效 益 最 大 化 ; 另 一 方 面, 通 过 优 选 采 矿 位 置 采 区 和 工 作 面 的 布 设 方 式 开 采 工 艺 和 地 面 复
第2 期 303 胡振琪等:试论井工煤矿边开采边复垦技术 垦措施,实现土地恢复率高和地表损伤及复垦成本的 最小化 预复垦 超前复垦 动态复垦与边采边复既 式中,S1 = S A +S B,S2 = S A +S B +S C 有联系,又有区别 预复垦 超前复垦和动态复垦往 往仅针对一个采煤工作面或采区进行探讨,且主要是 考虑既定采矿计划前提下的复垦措施,而边采边复技 术从整个矿山开采过程的角度出发,不仅提出何时 何地 如何复垦,而且指导整个采矿生产,是地上和地 下措施的有机耦合 因此,边采边复的概念和内涵比 预复垦 超前复垦和动态复垦的更大 更深刻,但预复 垦 超前复垦和动态复垦的已有研究为开展边采边复 研究奠定了基础,也是边开采边复垦技术体系的重要 组成部分 现阶段边采边复主要还是基于井下采矿 工艺和时序进行的复垦方案的优选,未来将逐渐过渡 到井下采矿与井上复垦的同步进行 2 边采边复的基本原理 技术分类与关键技 术 2 1 边采边复的基本原理 笔者以传统稳沉后非充填复垦和边采边复所恢 复土地率的对比分析阐述边采边复的基本原理 图 1 为沉陷稳定后采用非充填复垦时土地恢复示意图, 在不考虑外来土源的情况下采用挖深垫浅等措施,可 在沉陷盆地的边缘区域复垦出部分土地,即 A 与 B 区 图 2 边采边复的动态过程和最终状态 Fig 2 Dynamic processes and final state of concurrent mining and reclamation 边采边复实际上是一种基于采前分析 采矿动 态沉陷预测 复垦虚拟模拟的多阶段多参数驱动的 复垦方案优选技术,其基本原理和操作步骤是: (1) 边采边复阶段的划分 根据开采计划,合理 选择采矿单元及开采的时点作为沉陷预测与复垦模 拟的阶段 划分的阶段可以工作面为单位,也可根据 需要将工作面再细分为数个开采单元 (2) 动态沉陷预计及土地损伤诊断 根据划分 的边采边复的复垦阶段,分别进行动态沉陷预测,并 依据采前地形和各个阶段地表移动变形的特点,进行 土地损伤的评价与诊断,掌握土地损伤在各个阶段的 基本情况,为复垦措施的选择奠定基础 图 1 沉陷稳定后的复垦结果示意 Fig 1 Schematic diagram of steady subsidence land reclamation 图 2 为 边 采 边 复 时 土 地 恢 复 示 意 图, 其 中 图 2( a) 为边采边复的动态过程,在土地即将沉入水 中或部分沉入水中( 仍存在抢救表土的可能性) 时预 先分层剥离部分表土与心土,交错回填至将要塌陷的 区域,即图中的取土区与充填区 图 2 ( b) 为边采边 复的最终状态,通过边采边复可形成最终的复垦土地 区 A,B,C 区 可见,边采边复较沉陷稳定后的复垦, 可多复垦出区域 C,土地恢复率有较大提升 假设最 终沉陷土地面积为 S,沉陷稳定后复垦恢复土地面积 为 S1,边采边复复垦恢复土地面积为 S2,则恢复土地 率可用 R1 与 R2 表示,即 R1 = S1 / S R2 = S2 / S (3) 各复垦阶段的复垦模拟 根据各复垦阶段 的动态预测及土地损伤诊断,分别进行复垦方案的情 景模拟,获得各阶段的恢复土地率 复垦成本等参数 (4) 复垦目标的确定 根据当地社会 经济 地 质 采矿情况,确定土地复垦目标,既可以是恢复土地 率最高的单一目标,也可以是恢复土地率 复垦成本 等多个目标,需要依据当地的土地功能和利用需求进 行确定 (5) 基于复垦目标与复垦模拟的边采边复方案 决策 以复垦目标为导向,以复垦模拟为基础,对边 采边复的时机选择 标高设计 复垦布局进行对比分 析和决策,确定边采边复的具体方案 2 2 边采边复技术的分类 (1) 依据井上下耦合程度可以划分如下的边采 边复技术分类:模式一,考虑地面保护需求的边采边 复技术,即考虑地面耕地或其他保护需求的地下开采
304 煤 炭 学 报 2013 年 第 38 卷 布 局 ( 含 开 采 方 向 ) 及 时 序 安 排 和 井 工 开 采 减 损 措 施, 如 保 护 煤 柱 房 柱 式 开 采 条 带 开 采 充 填 开 采 等 ; 模 式 二, 基 于 地 下 开 采 计 划 的 地 面 边 开 采 边 复 垦 技 术, 主 要 包 括 未 沉 陷 前 复 垦 的 超 前 复 垦 技 术 沉 陷 过 程 中 的 边 采 边 复 技 术 暂 时 稳 沉 ( 二 次 扰 动 在 5 a 以 上 ) 的 边 采 边 复 技 术 等 ; 模 式 三, 井 上 井 下 完 全 充 分 耦 合 的 边 采 边 复 技 术, 即 井 上 井 下 结 合 的 边 采 边 复 技 术 (2) 依 据 煤 层 情 况 又 可 分 为 单 一 煤 层 的 边 采 边 复 技 术 两 煤 层 的 边 采 边 复 技 术 和 多 煤 层 边 采 边 复 技 术 以 及 薄 煤 层 厚 煤 层 和 特 厚 煤 层 的 边 采 边 复 技 术 (3) 根 据 不 同 的 采 煤 方 法, 可 分 为 连 续 工 作 面 开 采 条 件 下 边 采 边 复 技 术 与 跳 采 工 作 面 开 采 条 件 下 边 采 边 复 技 术 (4) 根 据 不 同 的 复 垦 方 式 可 分 为 充 填 复 垦 的 边 采 边 复 技 术 与 非 充 填 复 垦 的 边 采 边 复 技 术 2. 3 关 键 技 术 边 采 边 复 的 核 心 是 对 未 稳 定 的 采 煤 沉 陷 问 题 采 取 措 施, 其 实 质 是 保 土 保 地 ( 提 高 恢 复 土 地 率 ) 的 土 地 复 垦 技 术, 它 受 地 质 采 矿 条 件 开 采 工 艺 开 采 沉 陷 理 论 与 方 法 等 因 素 的 影 响 较 大, 其 实 施 的 关 键 技 术 在 于 复 垦 位 置 与 范 围 的 确 定 复 垦 时 机 的 选 择 和 复 垦 标 高 的 设 计 2. 3. 1 边 采 边 复 位 置 和 范 围 的 确 定 边 采 边 复 首 要 工 作 是 要 确 定 复 垦 的 位 置 以 及 复 垦 的 范 围 大 小 根 据 地 下 煤 炭 赋 存 情 况, 分 析 开 采 后 地 面 损 毁 的 分 布 及 演 变 特 点, 因 地 制 宜 地 确 定 可 采 取 边 采 边 复 措 施 对 拟 损 毁 土 地 进 行 恢 复 治 理 的 位 置 与 范 围 一 般 情 况 下, 边 采 边 复 位 置 在 即 将 开 采 或 正 在 开 采 的 工 作 面 的 上 方, 具 体 位 置 往 往 结 合 复 垦 时 机 的 选 择 而 确 定 复 垦 范 围 除 结 合 复 垦 时 机 外, 关 键 在 于 [14] 沉 陷 土 地 动 态 复 垦 边 界 的 确 定 戚 家 忠 等 基 于 手 工 几 何 法, 提 出 用 耕 地 破 坏 影 响 角 确 定 采 煤 沉 陷 地 范 围 该 方 法 操 作 简 便, 手 工 计 算 即 可 完 成, 但 只 适 用 于 有 丰 富 地 表 移 动 观 测 资 料, 建 立 了 本 矿 区 典 型 曲 线 或 有 相 似 矿 区 建 立 了 典 型 曲 线 可 以 借 鉴 的 矿 区, 且 精 [4] 度 较 低 赵 艳 玲 基 于 概 率 积 分 法, 从 地 表 任 意 点 的 下 沉 计 算 公 式 出 发, 推 导 出 耕 地 破 坏 影 响 角 的 计 算 模 型, 利 用 计 算 机 进 行 计 算, 对 上 述 方 法 进 行 了 革 新 但 其 提 出 的 方 法 是 在 已 有 下 沉 曲 线 基 础 上 所 得 ( 可 以 直 接 获 得 耕 地 损 害 边 界 ), 对 于 圈 定 耕 地 损 害 边 界 意 义 不 大, 主 要 应 用 于 求 耕 地 损 害 边 界 角 黄 琴 [15] 焕 在 以 上 研 究 基 础 上 提 出 了 利 用 耕 地 损 害 边 界 角 法 划 定 动 态 复 垦 边 界, 其 参 照 了 耕 地 破 坏 影 响 角 的 定 义 和 计 算 方 法 该 方 法 与 戚 家 忠 的 不 同 之 处 在 于 : 耕 地 破 坏 影 响 角 的 下 沉 值 取 值 是 根 据 长 期 经 验 所 得 ; 而 耕 地 损 害 边 界 角 法 中 的 下 沉 值 为 最 终 确 定 的 耕 地 损 害 边 界 所 对 应 的 下 沉 值, 是 根 据 耕 地 损 害 边 界 相 关 理 论 知 识 推 导 而 得, 理 论 性 强 准 确 度 高 2. 3. 2 边 采 边 复 复 垦 时 机 选 择 既 然 边 采 边 复 是 对 未 稳 定 的 沉 陷 地, 可 以 是 沉 陷 前, 也 可 以 在 沉 陷 过 程 中 的 任 一 不 同 时 点, 还 可 以 在 沉 陷 后 复 垦, 不 同 时 间 点 复 垦, 复 垦 的 难 易 程 度 恢 复 土 地 率 等 是 不 一 样 的, 因 此, 复 垦 时 机 的 选 择 至 关 重 要 复 垦 时 机 选 择 太 提 前, 复 垦 工 程 受 未 来 采 动 影 响 就 比 较 大, 同 时 如 何 说 服 农 民 同 意 提 前 动 土 复 垦 也 是 一 大 难 题 ; 但 也 不 能 太 滞 后, 太 晚 复 垦, 大 量 土 地 已 经 进 入 水 中, 复 垦 难 度 加 大, 恢 复 土 地 率 低 一 般 情 况 下 要 在 沉 陷 地 大 面 积 积 水 前 进 行 施 工, 以 减 少 工 程 施 工 的 难 度 和 费 用, 而 且 不 影 响 表 土 的 剥 离 保 护 因 此, 复 垦 时 机 的 选 择 是 边 采 边 复 的 关 键 技 术 之 一, 直 [3] 接 关 系 到 复 垦 工 程 的 成 败 李 太 启 等 通 过 对 皖 北 矿 务 局 刘 桥 二 矿 开 采 沉 陷 对 土 地 破 坏 的 影 响 分 析, 得 出 预 复 垦 最 佳 时 间 为 6 煤 跳 采 后 中 央 隔 离 工 作 面 回 [5] 采 之 前 赵 艳 玲 等 研 究 了 复 垦 时 机 的 计 算 原 理 和 相 关 参 数 的 计 算 过 程, 建 立 了 复 垦 时 机 计 算 的 数 学 模 型, 并 以 安 徽 某 矿 为 例 进 行 了 应 用, 考 虑 地 表 点 的 下 沉 情 况 及 季 节 因 素, 认 为 自 开 采 后 第 44 天 可 以 进 行 复 垦, 也 能 够 满 足 工 程 的 需 要, 这 种 方 法 实 质 是 选 择 土 地 沉 入 水 中 的 时 刻 为 复 垦 时 机 但 何 时 开 始 边 采 边 复 工 程 涉 及 到 多 方 面 的 因 素, 如 后 续 沉 陷 的 程 度 地 下 水 位 高 程 动 态 复 垦 工 程 类 别 农 民 意 愿 作 物 季 节 等, 各 因 素 与 边 采 边 复 复 垦 时 机 之 间 不 一 定 存 在 简 单 的 函 数 关 系, 且 部 分 参 数 难 以 定 量 化, 从 而 减 弱 了 复 垦 时 机 选 择 的 客 观 性 总 体 来 说, 我 国 类 似 于 边 采 边 复 的 相 关 研 究 中 很 少 有 关 于 复 垦 时 机 选 择 的 内 容, 有 些 矿 山 企 业 也 只 是 凭 经 验 选 择 施 工 时 机, 而 没 有 注 重 研 究 选 择 该 时 机 的 科 学 依 据 2. 3. 3 边 采 边 复 复 垦 标 高 设 计 对 于 复 垦 标 高 设 计, 主 要 根 据 单 一 煤 层 与 多 煤 层 开 采 条 件 下 地 表 沉 降 程 度, 结 合 地 表 实 际 的 地 形 地 貌 与 土 地 利 用 分 类, 分 类 确 定 复 垦 标 高 单 一 煤 层 开 采 由 于 属 于 一 次 破 坏, 相 应 的 标 高 设 计 可 一 步 到 位 多 煤 层 开 采 条 件 下, 复 垦 标 高 设 计 应 该 是 动 态 过 程, 应 采 用 开 采 沉 陷 模 拟 试 验, 分 析 各 阶 段 地 表 下 沉 量 在 空 间 上 的 分 布, 结 合 地 表 地 形 图 分 析 矿 区 动 态 DEM 模 型, 从 而 确 定 各 阶 段 复 垦 标 高 边 采 边 复 是 在 开 采 过 程 当 中 动 态 实 施 的, 工 程 实 施 后, 经 复 垦 的 土 地 还 要 进 一 步 受 到 后 续 开 采 的 影 响, 仍 要 进 一 步 下 沉, 并 将 经 受 积 水 的 侵 袭, 如 果 标 高 设 计 不 合 理, 复 垦 过 的 耕
第2 期 胡振琪等:试论井工煤矿边开采边复垦技术 地还将沉入水下或者土地质量受到影响,也就失去边 采边复的意义,所以边采边复的标高设计要充分考虑 超前性,要求在后续沉陷影响后,使耕地的标高尽量 满足耕种的需求 胡振琪 [16] 研究了稳沉后复垦耕地 的标高,认为对于复垦为耕地来说,其标高由作物生 长的临界深度 地下潜水位 外河水位及 5 a 一遇洪 水位决定 可用下式表示: H = h k + max{ h1,h2,h3 } 式中,H 为地面稳沉后的耕地设计标高;h k 为临界深 305 取任何措施地面稳沉后的预计标高;W oj 为未来预计 下沉量;e b1,e b2 为充填表土回填前 后的孔隙比 对 于特定的地区和特定的复垦工程,边采边复的设计标 高并不是一个常数,而是根据开采沉陷预计情况分区 设计得出的不同值 3 边采边复的实例及展望 3 1 边采边复的实例 以淮北某矿为例,对边采边复的应用情况进行分 本实例位于华北平原,属于高潜水位矿区,地 势平坦,地表自然标高 + 30 ~ + 32 m,平均标高 + 31 m [17] 度,表示保 证 作 物 根 系 正 常 发 育 的 最 小 根 层 厚 度; 析 标高;h3 为 5 a 一遇洪水位标高 左右,地下水埋深约为 2 m,地面坡度绝大部分为 0 ~ max{ } 为取最大者;h1 为潜水位标高;h2 为外河水位 边采边复的标高设计是指复垦工程的施工高程, 此时既要考虑后续沉陷,还要考虑土层或充填材料的 松散性所造成的沉降值 对于边采边复为耕地来说, 施工高程为地面稳沉后的预计标高再增加未来下沉 量,同时考虑回填表土的沉降值,具体可用下式表示: æ 1 + e b1 ö H DP = H y + W oj + ( H - H y - W oj ) è 1 + e b2 ø 其中,H DP 为动态预复垦耕地的施工标高;H y 为不采 2,区内共涉及 3 个工作面的开采 采矿前研究区内 全部为耕地,将开采划分为 4 个阶段( a,b,c,d) 对地 面沉陷情况进行了动态模拟:a 阶段为采矿前;b 阶段 为该采区采完研究区内的第 1 个工作面;c 阶段为采 完研究区内的第 2 个工作面;d 阶段为全部采完后 4 个 阶 段 地 面 耕 地 所 占 比 例 从 100% 逐 渐 下 降 至 14 36% 地面土地受开采沉陷影响变化过程如图 3 所示 图 3 4 个开采阶段地面土地利用变化情况 Fig 3 Land use changes in 4 mining stages 在考虑内部土方平衡即无外来客土的条件下,选 取挖深垫浅为主要复垦措施,采用挖掘机 推土机结 合的方式进行施工 若沉陷稳定后再复垦( d 阶段复 垦),耕地所占比例从 14 36% 提高至 40 70% a 阶 段地面基本无积水,可暂不考虑复垦措施,b,c 阶段 采用边采边复进行复垦,复垦后耕地所占比例分别为 78 29% 和 73 32%,各阶段复垦的最终布局与标高 如图 4 所示 以恢复耕地率较高为优选标准,可以模拟出研究 区边采边复的最优方案为阶段 b 或者 c,分别比沉陷 稳定后复垦提高复耕率 37 59% 和 32 62% 所以, 在这两个阶段复垦,既能减少施工难度,又能保护珍 贵的表土资源,极大地提高复耕率 在现有技术条件 下,优选后的边采边复规划能最大限度地复垦出耕地 资源,对高潜水位煤矿区耕地保护与粮食安全的保障 具有积极意义 3 2 边采边复技术展望 边采边复技术理论上适用于所有井工矿山,但对 于低潜水位地区,地表沉陷后不积水,土地复垦可以 等到沉陷稳定后再开展,对于珍贵表土资源的抢救性 剥离就不需要那么紧迫 而以上案例的结果表明,边 采边复技术在高潜水位地区则体现出较大的优越性
306 煤 炭 学 报 2013 年 第 38 卷 地, 将 增 加 恢 复 土 地 面 积 约 6 680. 8 km 2, 最 终 土 地 恢 复 面 积 提 高 19 406. 13 km 2, 约 为 沉 陷 总 面 积 的 61% ; 同 时, 通 过 边 采 边 复 技 术 还 能 在 沉 陷 地 中 短 期 内 恢 复 大 量 临 时 用 地, 解 决 农 民 企 业 暂 时 用 地 困 难, 促 进 以 地 换 地 问 题 4 结 论 图 4 各 阶 段 复 垦 布 局 及 最 终 高 程 Fig. 4 Reclamation layout and elevation in various stages 通 过 对 相 关 资 料 的 整 理 和 分 析, 笔 者 认 为 适 用 边 采 边 复 技 术 的 平 原 高 潜 水 位 地 区 主 要 包 括 十 四 大 煤 炭 基 地 中 的 5 个 :1 两 淮 基 地, 主 要 位 于 安 徽 省 淮 南 市 和 淮 北 市, 主 要 包 括 淮 南 淮 北 矿 区, 这 个 基 地 可 采 煤 炭 储 量 近 252 亿 t, 含 煤 面 积 19 000 km 2 ;2 鲁 西 ( 兖 州 ) 基 地, 位 于 山 东 省 西 部, 包 括 兖 州 济 宁 新 汶 枣 滕 龙 口 淄 博 肥 城 巨 野 黄 河 北 9 个 矿 区, 矿 区 可 采 煤 炭 储 量 约 238 多 亿 t, 含 煤 面 积 约 11 739 km 2 ;3 河 南 基 地, 全 部 位 于 河 南 省 境 内, 由 鹤 壁 焦 作 义 马 郑 州 平 顶 山 永 夏 6 个 矿 区 组 成, 河 南 省 是 我 国 主 要 产 煤 大 省, 全 省 2 000 m 以 浅 已 探 明 的 煤 炭 资 源 储 量 为 1 130 亿 t, 可 采 储 量 近 273 亿 t, 含 煤 面 积 约 12 709 km 2 ;4 冀 中 基 地, 主 要 位 于 河 北 省 中 部, 包 括 峰 峰 邯 郸 邢 台 井 陉 开 滦 蔚 县 宣 化 下 花 园 张 家 口 北 部 平 原 大 型 煤 田, 可 采 煤 炭 储 量 240 亿 t 左 右, 含 煤 面 积 超 过 6 500 km 2 ;5 蒙 东 基 地 ( 东 北 部 分 ), 主 要 位 于 辽 宁 和 黑 龙 江 省 境 内, 由 阜 新 铁 法 沈 阳 抚 顺 鸡 西 七 台 河 双 鸭 山 鹤 岗 8 个 矿 区 组 成, 可 采 煤 炭 储 量 189 亿 t 左 右, 含 煤 面 积 超 过 6 955 km 2 经 预 计, 我 国 位 于 高 潜 水 位 的 矿 区 采 煤 最 终 造 成 的 沉 陷 面 积 将 达 到 31 813. 33 km 2, 其 中 最 终 造 成 的 积 水 面 积 超 过 19 088 km 2 传 统 复 垦 通 过 挖 深 垫 浅 技 术 只 能 拯 救 未 形 成 常 年 积 水 的 沉 陷 土 地, 即 斜 坡 地 和 季 节 性 积 水 土 地, 最 终 恢 复 土 地 面 积 12 725. 33 km 2, 约 为 沉 陷 总 面 积 的 40% ; 通 过 使 用 边 采 边 复 技 术, 可 以 及 早 地 拯 救 将 要 形 成 积 水 的 土 (1) 提 出 了 边 采 边 复 的 概 念 和 内 涵, 将 通 过 合 理 减 轻 土 地 损 毁 的 开 采 措 施 和 沉 陷 前 或 沉 陷 过 程 中 的 复 垦 时 机 与 方 案 的 优 选, 实 现 采 矿 与 复 垦 同 步 进 行 的 一 种 复 垦 技 术, 称 之 为 边 采 边 复 技 术 其 基 本 内 涵 为 地 下 采 矿 与 地 面 复 垦 的 有 机 耦 合 (2) 边 采 边 复 实 质 为 一 种 基 于 采 前 分 析 采 矿 动 态 沉 陷 预 测 复 垦 虚 拟 模 拟 的 多 阶 段 多 参 数 驱 动 的 复 垦 方 案 优 选 技 术 通 过 稳 定 后 复 垦 与 边 采 边 复 在 恢 复 土 地 率 方 面 的 原 理 模 拟, 发 现 边 采 边 复 比 传 统 稳 定 后 复 垦 的 恢 复 土 地 率 显 著 增 加 (3) 基 于 地 下 开 采 计 划 的 地 面 边 开 采 边 复 垦 技 术 和 地 下 与 地 面 措 施 充 分 耦 合 的 边 采 边 复 技 术 是 最 主 要 的 两 种 边 采 边 复 技 术 复 垦 位 置 与 范 围 的 确 定 复 垦 时 机 的 选 择 和 复 垦 标 高 设 计 是 边 采 边 复 的 三 大 关 键 技 术 (4) 采 煤 沉 陷 地 边 采 边 复 技 术 主 要 适 用 于 高 潜 水 位 矿 区, 全 国 十 四 大 煤 炭 基 地 中 的 两 淮 鲁 西 河 南 冀 中 内 蒙 ( 东 北 部 分 ) 等 五 大 基 地 最 适 宜 使 用, 对 土 地 紧 缺 耕 地 保 护 要 求 高 的 地 区 更 能 显 示 其 优 越 性 淮 北 的 研 究 案 例 表 明 : 与 传 统 稳 定 后 复 垦 相 比, 可 提 高 恢 复 土 地 率 30% 以 上 采 煤 沉 陷 地 边 采 边 复 技 术 克 服 了 传 统 稳 沉 后 复 垦 技 术 的 弊 端, 恢 复 土 地 率 高, 是 一 种 保 土 型 的 新 兴 复 垦 技 术, 本 文 的 研 究 仅 仅 是 抛 砖 引 玉, 期 待 进 一 步 深 入 的 技 术 探 讨 和 实 例 研 究 成 果 在 今 后 陆 续 发 表 参 考 文 献 : [1] 胡 振 琪, 魏 忠 义, 秦 萍. 矿 山 复 垦 土 壤 重 构 的 概 念 与 方 法 [ J]. 土 壤,2005,37(1):8-12. Hu Zhenqi,Wei Zhongyi,Qin Ping. Concept and methods for soil reconstruction in mined land reclamation[ J]. Soils,2005,37 (1):8-12. [2] 胡 振 琪. 采 煤 沉 陷 地 的 土 地 资 源 管 理 与 复 垦 [ M]. 北 京 : 煤 炭 工 业 出 版 社,1996. [3] 李 太 启, 戚 家 忠, 周 锦 华, 等. 刘 桥 二 矿 动 态 沉 陷 区 预 复 垦 治 理 方 法 [J]. 矿 山 测 量,1999(2):57-58. Li Taiqi, Qi Jiazhong, Zhou Jinhua, et al. Pre-reclamation control methods of dynamic subsidence in Liuqiao second coal mine [ J]. Mine Surveying,1999(2):57-58. [4] 赵 艳 玲. 采 煤 沉 陷 地 动 态 预 复 垦 研 究 [ D]. 北 京 : 中 国 矿 业 大 学
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