试论井工煤矿边开采边复垦技术

　第38卷第2期煤　　炭　　学　　报Vol.38　No.2　　2013年2月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYFeb.　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6680．8km2。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:[e-mail]lamationforundergroundcoalminingHUZhen-qi,XIAOWu,WANGPei-jun,ZHAOYan-ling(InstituteofLandReclamationandEcologicalRestoration,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing　100083,China)Abstract:Thispaperaimedattheproblemssuchaslowrestorationrateoflandresourcesandlongtimeforsubsidencelandreclamationbytraditionaltechnologywiththeconditionoffinalsubsidedstatus.Basedontheintroductionanddiscussionoftheresearchhistoryforunsteadysubsidencelandreclamation,theconceptofconcurrentminingandrec-lamation(CMR)wasproposed.Theconnotation,principles,technicalclassifications,andkeytechnologiesofCMRforundergroundcoalminingwerepresented.Theadvantageswithhighreclamationpercentageoflandresourcesforthenewtechnologywereprovedbasedonacasestudy,whichindicatedthatCMRcouldincreasefarmlandreclamationper-centagesto37.59%comparingwiththefarmlandreclamationpercentageofpost-mining.Thescopeofapplicationandapplicationprospectsofthetechnologywerealsodiscussed,CMRcouldbeusedin5ofthe14largecoalbases.ItisestimatedthattheapplicationofCMRcouldincreaselandareaby6680．8km2.Keywords:concurrentminingandreclamation;undergroundcoalmining;coalmining;landreclamation;miningsub-sidence　　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0．033hm2,多则0．533hm2,平均0．20~0．33hm2[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]、动态复垦[7-8]等概念和方法。李太启等[3]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煤跳采后中央隔离工作面回采之前。周锦华等[9]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浅复垦沉陷缓坡地或积水沉陷地。董祥林等[7]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年获得国土资源科技进步二等奖。张友明等[8]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地3种预复垦模式。韩奎峰等[10-11]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辅助设计。赵艳玲[4]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,探讨了单一工作面的复垦时间选择。汪瑞侠[6]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,一次性复高到位,恢复到可利用状态。姜升等[12]和赵海峰等[13]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,ConcurrentMiningandReclamation,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203第2期胡振琪等: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1　沉陷稳定后的复垦结果示意Fig．1　Schematicdiagramofsteadysubsidencelandreclamation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/SR2=S2/S式中,S1=SA+SB,S2=SA+SB+SC。图2　边采边复的动态过程和最终状态Fig