采煤沉陷区土地复垦研究工程实践分析.pdf

第 34卷第 8期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2015年 8月 Vol.34 No.8 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Aug. 2015 收稿日期2014-06-18 基金项目国家自然科学基金项目（51274111） 作者简介杨逾（1973-），男，甘肃 张掖人，博士，教授，主要从事采矿损害与控制方面的研究. 本文编校史庆华 杨逾,张培兰.牛心台煤矿采煤沉陷区土地复垦工程分析[J].辽宁工程技术大学学报自然科学版,2015,348926-929. doi10.11956/j.issn. 1008-0562.2015.08.009 Yang Yu, Zhang Peilan.Analysis on land reclamation in Niuxintai coal mining subsidence area[J].Journal of Liaoning Technical UniversityNatural Science,2015,348926-929. doi10.11956/j.issn.1008-0562.2015.08.009 牛心台煤矿采煤沉陷区土地复垦工程分析 杨 逾，张培兰 （辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000） 摘 要为解决采煤沉陷对可正常利用土地的破坏及其引发的环境问题，利用 Matlab 中的非线性最小二乘拟合 函数求取了采煤沉陷区地表移动变形预计参数，采用概率积分法对井工开采煤矿损毁土地进行预测.在采煤沉陷 区土地复垦研究基础上进行工程实践应用及分析，对在现有的技术和资金支持下积极开展针对各矿区采煤沉陷 区的土地复垦研究及工程实施具有一定的参考价值和工程实践意义. 关键词采煤沉陷区；概率积分法；预计参数；土地复垦；资源 中图分类号TD 88 文献标志码A 文章编号1008-0562201508-0926-04 Analysis on land reclamation in Niuxintai coal mining subsidence area YANG Yu, ZHANG Peilan School of Civil Engineering and Transportation, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China Abstract In order to solve the non-renewable resources after the coal by large-scale mining, coal mining subsidence on the destruction of the normal use of land and environmental problems, this paper did in-depth research, development and utilization of renewable resources and the benign development of the society of land resources. The nonlinear least square fitting function in MATLAB was used to calculate the surface movement deation parameters in the coal mining subsidence area, and the probability integral is used to forecast damaged land well versed in mining coal mine. The subsidence and land reclamation of subsidence characteristics are discussed in this social background, land reclamation project instance analysis, and subsidence area land reclamation project practice and implementation. Land reclamation in mining subsidence area research application and analysis on the basis of engineering practice, and to carry out actively under the existing technical and financial support for the mining area land reclamation of mining subsidence area research, and project implementation has certain reference value and practical significance. Key words mining subsidence area; probability integral ; prediction parameters; land reclamation; resources 0 引言 中国土地复垦工作已经取得了良好的效益， 并且积累了相当的经验.在 20 世纪 80～90 年代， 许多科研单位与生产企业相结合，开展了土地复 垦的技术研究和试点工作.原煤电部和原水电部都 拨出专项资金，对采煤沉陷的预计、煤矸山充填 塌陷坑造地、沉陷区排水复田、粉煤灰本体种植 等课题进行了研究和试验.到 20 世纪末期，随着国 民经济的快速发展和以煤炭为基础的产业增多增 强，使采煤沉陷问题变得日益严重.据估计，在沉 陷区开展复垦工作的矿山和企业，还不到总数的 1，全国已复垦利用的土地不到被破坏土地的 1[1-2].面对全国地少人多的现状和有效耕地不断减 少的局面，对采煤沉陷区的土地复垦研究及成果 转化已刻不容缓，而原以煤炭行业为基础的资源 枯竭型城市对采煤沉陷区土地复垦的需要更为迫 切.目前，许多煤矿企业财力相对紧张，在开展采 第 8期 杨 逾，等牛心台煤矿采煤沉陷区土地复垦工程分析 927 煤沉陷评估的同时能否承受土地复垦投资，是许 多人关心的问题. 1 采煤沉陷区沉陷特征 井工开采煤矿损毁土地预测可采用经验法、 理论模拟法、影响函数法、概率积分法等方法.根 据煤层开采接续表预测出土地损毁方式、范围、 地类、面积、程度等.概率积分法是采煤沉陷影响 区地表移动变形的主要预计方法之一，计算时需 要下沉系数 q、主要影响角正切值tanβ、水平移动 系数 b、开采影响传播角 θ 和拐点偏移距 S[3-4].地 表单元下沉盆地的表达式为 2 2 π 1 e x r e w x r − 式中，r 为主要影响半径，m；主要与单元采深和 主要影响角有关. 利用概率积分法计算有限开采时走向主断面 上任意点下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变 形的公式 o 1π1π 2 xx lW W xerferf rr ⎧⎫ ⎡⎤⎡⎤ ⎛⎞⎛⎞ ⎪⎪ ⎢⎥⎢⎥⎜⎟⎜⎟ ⎨⎬ ⎢⎥⎢⎥⎜⎟⎜⎟ ⎪⎪ ⎝⎠⎝⎠ ⎣⎦⎣⎦ ⎩⎭ − − 22 22 ππ oo 2 d ee d xx l o rr WxW ix xr − −−⎡⎤ −⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ 2 2 22 2 ππ oo 23 d 2π ee d x l x o rr W xWxxl Kx xrrr − −− ⎡⎤ − ⎢⎥ −− ⎢⎥ ⎣⎦ 22 22 ππ o ee xx l o rr UxbW − −−⎡⎤ −⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ 22 22 ππ o 2πd ee d xx l o o rr bWUxxxl x xrrr ε − −−⎡⎤ − −−⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ 式中， o W为最大下沉值，m；l 为走向开采计算长 度，m，可由公式 12 lDss−−求取；D 为工作面 走向长度，m；s1、s2为左右边界拐点偏距，m. 有限开采时倾向主断面上任意点下沉、倾 斜、曲率、水平移动和水平变形的公式为 o o 12 1π1π 2 yyLW Wyerferf rr ⎧⎫ ⎡⎤⎡⎤ ⎛⎞⎛⎞ ⎪⎪ ⎢⎥⎢⎥⎜⎟⎜⎟ ⎨⎬ ⎢⎥⎢⎥⎜⎟⎜⎟ ⎜⎟⎜⎟ ⎪⎪ ⎢⎥⎢⎥ ⎝⎠⎝⎠ ⎣⎦⎣⎦ ⎩⎭ − − 2 2 22 12 - ππ oo 12 ee y Ly rro WW iy rr −− − 2 2 22 O 12 - ππ o 33 12 2π 2π -e y Ly rro W W Kyyey L rr −− − 2 2 22 12 - ππ 1o2o ee y L y rro UybWb W −− − 22 22 12 ππ 1o2o 22 12 2π2π e yy L rro bWb W yyeyL rr ε − −− −− 式中，r1、r2分别为下山和上山方向的主要影响半 径 m；， 1 1 1 tan H r β 、 2 2 2 tan H r β ， 1 tanβ、 2 tanβ 分别为下山和上山方向的主要影响角正切.L 表示 倾 向 开 采 计 算 长 度 ， m ； 可 由 公 式 0 134 0 sin sin LDss θα θ −−求取，D1为工作面倾 向长度，m；s3、s4为下山和上山拐点偏距，m； θ0为开采影响传播角，. 研究采煤沉陷区沉陷特征，构造地面任意点 （x，y）移动变形的数学模型. oo o 1 , W x yWx Wy W ； oo o 1 , , cos sin oo i x yix Wyiy W x W φφφ⎡⎤ ⎣⎦ ； 2 o o 2 o 1 , , [ cos sin sin2 ]; o ooo K x yKx Wy W Ky W xiy ix φφ φφ oo o 1 , , cos sin; oo U x yUx WyUy W x W φφφ⎡⎤ ⎣⎦ 22 oo o 1 , , { cos sin [ ]sin cos }, oo oooo x yx Wyy Wx W ix UyUx iy εφεφεφ φφ 式中，φ表示指定方向与 X 轴正向的夹角，. 开采沉陷预计参数取值的准确性决定了地表 移动变形的预计精度[4-5]，不同的矿区由于地质条 件的差异其开采沉陷预计参数也不一样，利用 MATLAB 中的非线性最小二乘拟合函数求取采煤 沉陷区地表移动变形预计参数[6]. 2 工程实例 2.1 沉陷区分布 本溪煤田辖区内已开采煤种有本溪煤矿、彩 屯煤矿、牛心台煤矿和田师付煤矿[7].由于长时间 过量开采和只采不治，造成煤炭资源日益枯竭， 同时致使矿区地表产生不同程度的沉陷和变形. 已知煤层厚度 1.36 m，平均采深 383 m，煤层 倾角平均 30，水平移动系数取 b 0.25，开采影 响传播角 θ75，工作面分层走向长 D400 m，倾 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 34卷 928 向长 D1300 m[7]，根据该矿走向主断面进行实测 得到的下沉数据，对走向主断面建立函数模型 得到参数值见表 1. 根据所选取的预计参数，采用概率积分法， 利用软件模拟得到牛心台煤矿采煤沉陷区地表变 形值和开采沉陷下沉等值线. 表1 地表移动变形预计参数值 Tab.1 ground movement and deation parameter value expected q tanβ S 0.4 1.2 56.4 表2 牛心台煤矿采煤沉陷区地表变形值 Tab.2 surface deation values of Niuxintai coal mining subsidence 变形量 Wmax/m Tmax/mmm-1 Umax/m ε/mmm-1 K/10-3/m 变形值 1.63 43.5 0.34 -10.3 11.8 -1.62 1.77 沉陷区位于牛心台煤矿，至 1985 年关井，开 采原煤 1141 万 t，被列入省、市资源枯竭和经济 转型企业，同时被确定为采煤沉陷治理重点对象. 牛心台煤矿开采引发的沉陷面积 9.6 km2，严重下 沉区约 2.0 km2，地面下沉 0.6～1.8 m，平均下沉 1 m.受灾民宅 4 622 户.由于牛心台煤矿的破产关 闭，厂区长期闲置，造成土地资源的浪费，同时 受灾居民搬迁后遗留的大量零散且不规则分布的 废弃民用建筑也占用大量土地.总体而言，采煤沉 陷直接浪费大量可再利用土地. 图1 牛心台煤矿采煤沉陷区下沉等值线 Fig.1 subsidence isoline of Niuxintai coal mining subsidence 复 垦 区 位 于 牛 心 台 镇 东 南 侧 ， 东 经 12354′30″ ～ 12355′30″ ， 北 纬4119′30″ ～ 4120′30″，范围北起水泉沟，西起牛心台煤矿的 西边和松树岭的东坡，东面和南面均有牛心台煤 矿下沉等值 10 mm 线控制，西北截止于本溪市城 市总体规划界线.总面积 165.15 hm2，按自然地形 分为下牛片区和红脸片区.与土地复垦相关的情况 见表 3. 复垦工程实施总面积 165.15 hm2，其中下牛片 区 51.33 公顷，红脸片区 113.82 公顷.工程计划建 设工期 20 个月（2011.11-2013.06） 表3 项目区土地利用现状分类面积 单位公顷 Tab.3 present situation of land classification area in the project area Unit hm2 地类 总面积 耕地 城镇村及 工矿用地 水域 未利 用地 面积 165.15 20.65122.80 2.39 19.31 比例/ 100 10.94 76.45 1.44 11.17 复垦工程实施以后新增耕地 137.01 hm2，站本 次整理面积的 82.96，其中下牛片区新增耕地 42.91 hm2，红脸片区新增耕地 94.10 hm2.规划建设 高效经济作物区 48.24 hm2. 本溪牛心台采煤沉陷区土地复垦工程实施包 括土地平整面积 42.11 hm2，全区域倒运土方量 33 万 m3，客土回填量 42.63 万 m3，修建道路总长 度 16.677 km，修建各类排水沟渠和浇灌管路总长 度 28.989 km，建设灌溉机井 2 个，修建涵洞 19 处，配套林业工程种植各类树苗 50 983 株，布设 高压 10 kV 供电线路 0.84 km，布置地表移动变形 监测点. 3 采煤沉陷区土地复垦工程实施分析 煤矿开采引起上覆岩层移动形成地面沉陷 区，这是客观规律.但是地下蕴藏煤炭造福全民的 同时，采煤沉陷造成的耕地破坏和土地资源浪费 已经给矿区人民生活带来很大威胁，开展采煤沉 陷区土地复垦势在必行.通过此工程，沉陷区土地 复垦工程实施需要考虑以下几点. （1）计算出沉陷区内的地表下沉量及其分 布，以及与地形环境的对应关系，以便计算挖、 填工程量.要实地勘察地表建筑设施的量、用途及 分布. （2）清楚复垦区所在城市的总体规划图及土 地利用现状图，以便在做规划时合理布置不同面 积耕作类型，避免与总体规划用地的冲突. 第 8期 杨 逾，等牛心台煤矿采煤沉陷区土地复垦工程分析 929 （3）在工程实施前勘察清楚地类、土类种类 及其分布，同时客土回填工程还要考虑客土源的 位置及其土量、土质，考虑客土源取土后的综合 治理. （4）沉陷区土地复垦后与原可耕作土地相结 合规划，种植物的选取应充分考虑当地经济、水 文和交通现状.灌溉方式的选定要视农作物种类、 分布以及当地水文地质情况而定.同时规划还要充 分考虑道路景观林、农田防护林的建设[8]. 4 结论 （1）采煤沉陷区通过土地复垦工程的实施， 增加耕地面积，建设具有一定规模的高标准水田 和旱田，改良土壤肥力、防治沉陷区土地沙化是 一项可持续发展工程，也是维护矿区稳定发展的 主要途径之一. （2）本溪牛心台沉陷区的土地复垦为东北资 源枯竭矿区沉陷区土地复垦提供了一定的可借鉴 经验，为其他矿区争取复垦立项、复垦工程实施 打下一定基础. （3）分析了在采煤沉陷区进行土地复垦工程 的注意事项，提出土地复垦普遍应考虑的因素[9]. 参考文献 [1] 胡振琪.中国土地复垦与生态建设 20 年回顾与展望[J].科技导 报,2009,271725-29. 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