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8 孟峰杨静开采引起的土地破坏分析及预测评价 2 0 O 7生 开采引起 的土地破坏分析及预测评价 孟峰 ， 杨静 中国矿业大学 环境与测绘学院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 研究 了开采对土地造成的破坏， 进行 了地表沉 陷对土地质量的影响分析 ， 提 出了开采 引起 土地破 坏 的预 测评 价方 法 。 关键词 煤矿开采 ； 土地破坏； 预测评价 中图分类号 T D 3 2 5 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 7 4 9 X 2 0 0 7 0 1 0 0 0 8 0 3 0 引言 煤炭开采对土地 的破坏相当严重 ， 据 国家环保 总局调研 ， 煤炭每新增 1 0 0万 t ／ a 产能 ， 将形成地表 塌陷或挖损面积 2 1 0 0公 顷。目前全 国采煤沉陷区 面积已达 4 0万公 顷， 造成 大量土地破 坏和移 民搬 迁。由于开采 ， 地表塌陷造成我 国东部平原矿区土 地大面积积水 、 受淹 和盐碱化 ， 不仅使 区内耕地面积 急剧减少 ， 而且加剧 了人 口与土地 、 煤炭与农业 的矛 盾 ； 西部矿 区的地面塌陷加 速了水土流失和土地荒 漠化 。同时采煤引起的地表塌陷还引发大量山体滑 坡、 崩塌和泥石流等 自然灾害 ， 严重破坏矿区的土地 资源和生态环境。我 国耕地资源人均数量 少， 质量 低 ， 耕地后备资源不足 。为保护矿区生态环境 ， 实现 耕地 的复垦利用和矿 区的可持续发展 ， 探讨开采沉 陷对土地造成 的破坏以及预测评价是十分必要的。 1 地表沉陷对土地质量的影响分析 1 ． 1 地表沉陷引起土地侵蚀和水土流失 地表变形 引起的土壤侵蚀 ， 改变 了表土 的理化 性状和 自身的营养条件。这种侵蚀过程对于土壤养 分和水分 的保持构成极 大的威胁 ， 不仅可能 出现渗 漏、 冲刷和挥发现象， 而且减弱了土壤持水能力和通 气状况 ， 影响有机物 和矿物质 的分解 、 淋溶和沉积、 土壤胶体对离子的吸附交换、 土壤酸碱中和、 缓冲和 收稿 日期 2 0 0 61 0 3 0 作者简介 盂峰 1 9 8 3一 ， 男 ， 山东 单县人 ， 中 国矿业大学 环测学 院大地测量学与测量工程硕士研究生 ， 主要研究方 向 开采沉陷预计 与控制 ， 遥感 图象处理 。 土壤氧化还原等作用的进行 。土地变形以及由此而 引起 的土壤侵蚀 ， 破坏 了微生物适宜的生活环境 ， 就 会减少由于微生物作用而产生的腐殖质。由于腐殖 质缺少 ， 土壤保水能力差 ， 养分流失严重 ， 土壤肥力 下降， 土质恶化 ， 影响到土壤对农作物养分的供应。 地表沉 陷可引起土地侵蚀和水土流失 ， 因为地 表下沉盆地内的地表倾斜使地形坡度改变， 而坡度 是决定径流冲刷能力的基本因素之一。径流是指雨 水流向排滞区的作用过程 ， 坡度越大则径流量越大 ， 冲刷量也越大， 引起的水土流失和土地侵蚀越严重。 某地区根据沉陷稳定后地面坡度的大小 ， 将地 面沉 陷对耕地侵蚀程度 的影响划分为 6个等级 表 1 。 表 1 地表坡度与侵蚀之间的关 系 1 ． 2 次生盐渍化和沼泽化 高潜水位矿区 ， 由于地下水位埋深较浅 ， 土壤容 易盐渍化， 季节性积水区域则在地表产生炭化层 ， 出 现沼泽化现象。当潜水位接 近地表 ， 达到农作物根 系所及范围时， 将 阻止根系对水分和养分的吸收 ， 抑 制根系的生长 ， 导致作物的减产 。当潜水位接近地 表 时， 潜水蒸发量增 大， 同时由于土壤水分含量 上 维普资讯 第 1 期 孟峰杨静开采引起的土地破坏分析及预测评价 9 升 ， 加强了土壤水溶解 固体物质 的能力。当土体母 质含盐量大 ， 地下水矿化度高时 ， 地下潜水盐分能够 补充土壤水盐分。随着含有大量可溶性盐分水的蒸 发散失 ， 大量盐分逐渐贮留于地表 ， 特别是在干枯季 节 ， 地表水大量蒸发散 失 ， 加快 了地下盐分 的输送 量 ， 使 田地更加容易盐渍化。 沼泽化现象 出现在过湿地 区， 由于土壤经常处 于过饱和状态 ， 养分养料通过水 的淋滤随地表水或 潜水逐渐流失， 这时少养分喜湿植被开始丛生， 土层 更加过湿。使土壤状况恶化 ， 有机残物的分解过程 缓慢 ， 形成较厚的草根层或积 累成泥炭而演变成沼 泽化土地。在高潜水位或地表积水较多的地 区， 通 常在水缘周围形成沼泽带 ， 一般作物不易生长 ， 只有 一 些耐盐喜湿性植物生长 ， 因土壤 的理化 以及生物 性质恶化 ， 通常难以得到改 良利用 ， 严重影响土地的 永续利用 。 1 ． 3 土地荒漠化 开采沉 陷破坏 了耕地生态系统 的物 质能量平 衡 ， 致使耕地发生潜在荒漠化 ， 特别是在气候干旱少 雨的西北矿区较为 明显。以大 同市为例 ， 土地荒漠 化在该地区不断加重 ， 且有逐年扩大趋势。调查发 现大面积开采地下资源导致地下水位下降 ， 是造成 土地荒漠化的重要 因素。因采矿造成土地塌陷 、 山 体滑坡。很多山区百姓因无水不得不搬迁 ， 搬迁后 遗弃的耕地 因缺水 ， 植被不能很好恢 复， 造成土地荒 漠化。土地一旦荒漠化 ， 就会给人们的生产 和生活 带来灾难。 煤层大面积开采后 ， 不仅使地表出现沉陷现象 ， 而且采空区的冒落和下沉会造成地下导水裂隙带贯 通 ， 改变地下水 的径流条件 ， 甚至导致煤矿周围各含 水层疏干 ， 改变区域土壤层水分的动态关系 ， 使地表 更趋于干燥 ， 抗蚀能力减弱 ， 加剧水土流失 ， 促使耕 地荒漠化 。 1 ． 4 地表沉陷可改变土壤湿度 。 使农作物产量下降 作物生长离不开水 ， 但水分过多又将不利于作物 生长。地表沉陷造成农田排水不畅 ， 对植物的生长不 利 ， 降低了耕地 的宜农性。对于不 同质地 的土壤 ， 农 作物正常生长所需要 的有效水分 和湿度是不 同的。 植物从发生萎蔫到枯死的整个过程中所需 的土壤湿 度称为凋萎湿度 ， 常用 它作为土壤 有效含水量 的下 限， 而把 田间持水量作为土壤适宜湿度的上限。多数 土壤 中， 田间持水时 的水分 占土壤体积 的 2 5 ％为空 气体积 ， 这种情况下作物可正常生长。对农作物的研 究表明， 作物适宜的土壤湿度下限均在 田间持水量的 7 0 ％左右 ， 恰好相当于毛管水破裂湿度。 1 ． 5产生附加坡度和裂缝 在中低潜水位矿区或丘陵山区 ， 开采沉陷使地 表产生附加坡度和裂缝 ， 这种 地表物理形态的改变 会引起土壤侵蚀和水土流失。开采沉陷对农 田影响 主要是由地表倾斜和拉伸变形及潜水位变化而引起 的， 根据我国情 况 ， 一般 当地 表坡 度大于 2 0 m m ／ m 时农 田灌溉将开始受到影响 ， 当地表拉伸变形为 2 ～ 4 mm ／ m时 ， 地表就开始产生明显的裂缝 ， 这将使 农作物产量和生产力指 标逐渐下 降。裂缝破坏性 强 ， 影响周期长。地裂缝穿过建筑物往往遭到毁灭 性的破坏 ， 农 田无法耕种 ， 雨季成为地表汇水贯渗通 道 ， 危害矿井生产 。 地表沉陷对土地 的影 响程度 ， 应根据上述沉 陷 后土地侵蚀 的程度、 沼泽化和盐碱化 的程度、 裂缝深 度和宽度、 土壤有效水分及其对农作物生长 的影响 程度综合分析评定。 2 利用 MS P S对地表沉陷进行预计评价 MS P S 矿区沉陷预测预报系统 软件为中国矿业 大学开采损害研究所 自主研发的一款地表沉陷预计 软件， 该软件可 以生成设计开采方案的任意时刻地表 下沉 以及沿倾 向和走 向倾斜 、 曲率 、 水平移动和水平 变形值 ， 并能预计主断面上指定点的各项变形值。 2 ． 1 生成各种专题图 根据生 成的下沉文件 ， 利用 S U R F E R 8 ． 0可 以 生成下沉等值线 、 下沉三维立体表面 图、 影像 图、 地 貌晕渲图、 矢量地图、 线框图和表面图等各种专题 图 图 1 。 图 1 某矿首采区下沉三维视图 维普资讯 1 0 陕西煤炭 2 0 0 7链 2 ． 2 进行土地破坏等级分类统计 将 S U R F E R生成 的下沉等值 线与土地 利用规 划图叠加， 通过叠加分析， 即可实现土地破坏等级分 类统计 ， 可以作为采煤方案设计 和土地复垦工作的 依据 表 2 。 表 2 土地破坏等级分类统计表 指 标 镐 塌陷总面积／ k m 2 1 ． 塌 陷总面积 中的陆地塌 陷面积 其 中 塌 陷深度 ≤l m 塌陷深度 1 2 m 塌 陷深度 2 4 m 2 ． 塌 陷总面积 中的耕地塌 陷面积／ 亩 其中 塌陷深度≤O ． 5 m 塌陷深度 0 ． 52 m 塌陷深度 2 m以上 2 ． 3 3 D分析 利用 MS P S软件可 以生成下沉文件 D E M ， 由 于该文件可以根据地下 开采进程实时更新 ， 因此原 始地表地形 D E M和下沉 D E M叠加可以生成采空区 实时 D E M。根据应用结果 可以实时动态 的了解 与 2 日 2 j 型 蜉 _上 1 地下开采进程相应的沉陷前后积水面积和沉 陷体积 的变化 ， 同时通过剖面图绘制 ， 可以直观地看 出因地 下开采引起该截 面地表面的地形变化。 将 D E M文件导 人 A r c g i s ， 利用 “ 3 D a n a l y s t ” 模 块 “ s u r f a c e anal y s i s ” 和“ a r e a and v o l o m e ” 功能可 以得 到沉陷区域的面积和体积。根据潜水位标高 ， 设置 积水高度 ， 选择“ c al c u l a t e s t a t i s t i c s b e l o w p l ane ”， 即 可得到积水面积体积统计结果。表 3为实验原始地 形 D E M、 下沉 D E M 和实时 D E M在 A r c g i s 中进行矿 区特定应用的积水面积、 沉陷体积统计数据 ， 从表中 统计数据可以知道沉陷前后地面积水面积的变化和 沉陷体积。图 2为实验 图的原始地形 D E M 和叠加 后的实时 D E M获得 的沉 陷前 后任意两点间的剖 面 图， 从图中也可以直观地看出因地下开采导致的地 面两点间剖面的变化。 表 3 原始 D E M、 下沉 D E M、 实时 D E M 的矿区特定应用 2 日 2 j 型 蛙 l山 1 1 3 结论 环境 ．北京 农 结合开采沉陷学和环境土壤学以及农业耕作学 业出 J}反 社， 2 0 0 5 1 1 0 ． 的理论知识 ， 分析了煤矿开采对土地 的破坏影响机 [ ．． 。 预测预报系统[ M] 徐州 矍 了 ． ．k． ．星 l -- J ／ 影响及复垦 沉陷造成 的土地破坏进行实时预计 的方法 ， 将有利 治理[ J ] ． 。 ’一 于认识煤矿开采对 土地 的破坏性作用 ， 做 出合理的 [ 5 ] 郑南山 ，等． 煤矿开采沉陷对耕地永续利用的影 采煤方案 ， 制定合理的土地复垦方案 ， 促使有关部门 响分析[ J ] ． 煤矿环境保护 ，1 9 9 8 ， 1 1 8 2 1 ． 加强对耕地资源的管理， 为矿区的可持续发展提供 [ 6 ] 王晓 英． 矿区 二维矢量地形图的实时D E M生成 技术保障。 及利用[ D ] ． 徐州 中国矿业大学硕士论文． 2 0 0 5 ． 参考文献 6 0 6 3 『 1 ] 邹友峰． 等．矿山开采沉陷工程『 M] ． 徐州 中国 I 上转第 7页 维普资讯 第 1期 索永录 等复杂条件综放工作面生产系统可靠性分析 7 产系统的有效度仅 0 ． 3 4 4， 属低水平 ， 制约着综放工 作面产效水平的提高。 有效度较高的为支架放煤、 前 、 后部溜子 、 转 载 机和破碎机， 说明他们不易停滞或故障， 相对而言， 对系统的影响较低。但从观测中发现这些设备也存 有一定的问题， 对提高工作面单产也有不同程度的 影响。支架放煤时， 出现矸 石堵塞放煤 口造成顶煤 无法放出； 工作面前后部输送机主要是断链、 上窜下 滑和“ 返货” 被煤堵死 ； 转载机 和破碎机主要是挡煤 板掉落和转载机被大块煤矸堵死。 4 提高系统可靠性措施 可靠性 较 低 的单 元 是 采煤 机 、 支 架 移 架 、 阶 段煤仓、 胶带运输机和瓦斯抽排放， 它们是生产 系 统 的薄弱 环节 ， 同时 又是生 产 中的关键 因素 ， 应是首 要考 虑 解 决 的对 象 。其 次 为解 决 支 架放 煤 、 前后 部溜 子 、 转 载 机 和破碎 机 的操 作 管理 和 运行 中存 在的问题 。 针对上述故障原 因的分析 ， 应从 以下方面着手 提高生产设备系统的可靠性。①进行工作面支架工 作状况的监测。鉴于工作面坡度较 大， 支架状况不 好， 对支架工况进行全面监测， 及时改善支架的工作 状况， 提高工作面支架 一 围岩系统的稳定性； ②更换 采煤机变频器， 提高支架整体的防倒防滑能力， 提高 机巷胶带运输机的运输能力； ③对于阶段煤仓仓满 的影响 ， 应从改善矿井主提升能力和外部选运系统 能力人手加以解决； ④改造瓦斯抽排放系统， 增大抽 排放能力， 完善矿井瓦斯监测系统； ⑤加快加强对断 层带和底凸变化特征 、 延展范 围的探测和研究， 采取 措施减少对设备正常运行的影响； ⑥加强对生产和 维修人员的培训 ， 提高管理水平 ， 加强维修力量， 从 而提高系统的可靠性 。 参考文献 [ 1 ] 汪应洛． 系统工程理论、 方法与应用[ M] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 徐志胜， 韩可奇 ， 张先尘 ， 等． 高产高效综采放顶 煤工作面人 一机 一环境系统可靠性[ J ] ． 徐州 中 国矿业大学学报， 1 9 9 5 ， 2 1 31 4 ． [ 3 ] 卢 旭， 苏伟红， 周少华， 等． 综放工作面生产系统 可靠性分析[ J ] ． 能源技术与管理， 2 0 0 5 ， 2 4 8 4 9 ． [ 4 ] 徐志胜， 韩可奇， 张先尘． 日产万吨综放工作面系 统分析[ J ] ． 煤矿现代化， 1 9 9 4 ， 1 1 41 5 ． An a l y s i s 0 n t h e r e l i a b i l i t y 0 f mi n i ng s y s t e m 0 f f u l l y me c h a n i z e d c a vi ng r ac e l n C 0m pI e x ge o l og l c a l c onm n0 ns ●● ■ ● ● ’ ● ’ l ● ● ● S UO Y o n g - l u L I U J i a n - p i n g WA NG L i - f e n g 1 ． X i a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o g y ， X i an 7 1 0 0 5 4， C h i n a ； 2 ．N i n g x i a C o a l I n d u s t e r y C o ． L t d Y i n c h u a n 7 5 0 0 0 0， C h i na Ab s t r a c t B a s e d o n No ． 5 3 4 4 f u l l y me c h a n i z e d c a v i n g f a c e o f Wu l an c o a l mi n e，t h e an a l y s i s mo d e l o n the wo r k i n g s y s t e m r e l i a b i l i ty o f f u l l y mech a n i z e d c a v i n g f a c e i s w o r k ed o u t ．B y o b s e r v a t i o n ，the p r o b l e m an d we a k p l a c e s o f the mi n i n g s y s t e m o f the f a c e a r e d i s c o v - e r e d ．T h e s e i mp rov e the o u t p u t and e ff i c i e n c y o f the f a c e ． Ke y wo r d s f u l l y mech a n i z e d c a vin g f ace； w o r k i n g s y s t e m； r e l i abi l i ty 下接第 1 0页 An a l y s i s a n d p r e d i c t i o n o n t h e s u r f a c e d a ma g e c a u s e d b y m i n i n g ME NG F e n g ， Y ANG J i n g C o l l e g e o f E n v i ron me n t and S p a t i al I n f o r m a t i c s ， C hina U n i v e rs i ty o f M i n i n g and T e c h n o l o gy ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C hina Ab s t r a ctTh e c o al mi n i n g C an c a u s e l an d d a ma g e ． Th e analy s i s and p r e d i c ti o n o f the l an d d am age i s v e r y i mp o r ta n t t o the c o a l mi nin g and the l an d rec l am a t i o n ．T h i s p a p e r res e a r c h s t h e l an d d am age c a u s e d b y mi n i n g and an aly s e s the mi n i n g s u b s i d e n c e S i mpac t t o the l and q u i ty and b ri n g s f o r w a r d a me tho d t o p red i c a t e and e s ti ma t e the mi n i n g g d am a g e t o the l and ． Ke y wo r d s c o a l mi n i n g； s u r f a c e d am a g e； p red i c t i o n an d ass e s s me n t 维普资讯