陕北煤矿井工开采对土地破坏程度的分级

刘翔．陕北煤矿井工开采对土地破坏程度的分级［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１５，４２（６）：１１７－１１９．文章编号：１００８－４４９５（２０１５）０６－０１１７－０３陕北煤矿井工开采对土地破坏程度的分级刘　翔（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安７１００５４）摘要：随着煤炭资源的开采，煤矿对土地资源的破坏日益严重，对其治理工作迫在眉睫。井工开采煤矿对土地资源的破坏方式主要为压占、沉陷及污染，其中以沉陷破坏面积最大。根据陕北地区井工开采煤矿的地质采矿条件，以地面下沉量、倾斜变形、水平变形和曲率作为评价因子，并对各因子进行分级量化，综合各因子的取值将土地破坏程度分为轻度、中度和重度。若４种因子同时满足划分标准，则为相对应的影响程度，如果出现参数相互交叉的情况，则确定为中度影响区为宜。该套评价指标体系，可为煤矿沉陷区土地评价工作提供理论依据。关键词：井工开采；土地影响程度；评价指标；分级量化中图分类号：ＴＤ８８　　　文献标志码：Ｃ　　　网络出版时间：２０１５－１２－０１１１：５３网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５０．１０６２．ＴＤ．２０１５１２０１．１１５３．０６０．ｈｔｍｌＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＬａｎｄＤｅｓｔｒｏｙＤｅｇｒｅｅＣａｕｓｅｄｂｙＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＣｏａｌＭｉｎｉｎｇｉｎＮｏｒｔｈｅｒｎＳｈａａｘｉＡｒｅａＬＩＵＸｉａｎｇ（ＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＸｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｈａｓｌｅｄｔｏｓｅｒｉｏｕｓｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｌａｎｄｒｅｓｏｕｒｃｅ，ｓｏｉｔｓｃｏｎｔｒｏｌｗｏｒｋｉｓｅｘｔｒｅｍｅｌｙｕｒｇｅｎｔ．Ｔｈｅｌａｎｄｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｏｄｅｓｃａｕｓｅｄｂｙｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｍａｉｎｌｙｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈｅｌａｎｄｏｃｃｕｐａｔｉｏｎ，ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｄｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｄｅｓｔｒｕｃｔｅｄａｒｅａｂｙｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｗａｓｍａｘｉｍｕｍ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ，ｉｎｃｌｉｎｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｕｒｖａｔｕｒｅｗｅｒｅｔａｋｅｎａｓｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｍｉｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅｓｉｎＮｏｒｔｈｅｒｎＳｈａａｎｘｉａｒｅａ，ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｍａｄｅｔｏｅａｃｈｆａｃｔｏｒ，ａｎｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｅａｃｈｆａｃｔｏｒ，ｔｈｅｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｏｆｔｈｅｌａｎｄｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｍｉｌｄ，ｍｏｄｅｒａｔｅａｎｄｓｅｖｅｒｅ．Ｉｆｆｏｕｒｆａｃｔｏｒｓｓａｔｉｓｆｉｅｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｔｈｅｄｉｖｉｓｉｏｎｓｔａｎｄａｒｄ，ｔｈｅｙｗｅｒｅｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｄｅｇｒｅｅｏｆｉｎｆｌｕｅｎｃｅ，ｉｆｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｃｒｏｓｓｉｎｇｅａｃｈｏｔｈｅｒ，ｔｈｅａｒｅａｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄａｓｔｈｅｍｏｄｅｒａｔｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅａｒｅａ．Ｔｈｉｓｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｓｙｓｔｅｍｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｌａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｒｅａｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇ；ｌａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｅｇｒｅｅ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ；ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ收稿日期：２０１５－０３－１５；２０１５－０５－１０修订作者简介：刘　翔（１９８３—），男，河南温县人，硕士，工程师，主要从事矿山地质环境保护与生态环境恢复治理工作。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]。　　目前，我国的能源资源结构为“富煤、少气、贫油”，其中煤炭资源约占一次性能源消费量的７４％。此外，我国煤炭开采中的９６％都为井工开采，地下煤层被开采后，周围岩层和地面可能产生连续的移动、变形或非连续的破坏，即“开采沉陷”［１］。此现象不可避免地会给环境和社会带来严重的负面影响，尤其是对矿区的土地资源将造成严重的破坏。据统计，我国开采万吨原煤地面沉陷面积为８６７．１ｍ２，如果按目前每年全部煤炭开采量２１×１０８ｔ计算，则每年造成的新增沉陷面积为１．８２×１０８ｋｍ２［２］。对矿区土地的治理已成为解决矿区人地矛盾的必然选择。因此，研究开采沉陷对矿区土地的破坏形式并采取措施恢复治理，对缓解矿区及周边的人地矛盾，改善居住环境，促进人与自然的和谐发展，构建和谐社会具有重要的现实意义和长远意义。陕北地区煤炭资源量大，煤质优良，埋藏浅（一般小于７０～８０ｍ）。该区地形地貌以黄土梁峁沟壑为主，地下水埋藏较深，随着近１０多年来对煤炭资源的开采，煤矿对生态环境的破坏日益显现，土地资·７１１·第４２卷　第６期２０１５年１２月　　　　　　　矿业安全与环保ＭＩＮＩＮＧＳＡＦＥＴＹ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ　　　　　　　　　Ｖｏｌ４２Ｎｏ６Ｄｅｃ２０１５源受到了严重的破坏，对其的治理也迫在眉睫。１　开采活动对土地的破坏形式煤矿开采对土地的破坏形式总体上分为挖损、压占、沉陷和污染４大类型［３］，其产生的原因、表现特征和对土地资源的影响见表１。笔者重点研究井工开采形成的沉陷对土地的破坏程度。而井工开采主要是造成沉陷、排弃物的压占及污染。表１　煤矿开采对土地的破坏形式、原因和表现特征破坏形式产生原因表现特征对土地资源的影响挖损、压占岩土层或煤层被剥离、土地被外来物质压覆原有土地类型遭到破坏或消失各场地及道路的修建使得原有的土地类型遭到改变，对土地的功能产生了影响沉陷沉陷煤层采空导致地面连续变形沉陷盆地倾斜煤层采空导致地面发生不均匀沉陷坡地（附加坡度）裂缝及台阶地面沉陷时引起的拉伸变形堑沟、裂缝沉陷坑煤层采空地面出现非连续变形、断裂漏斗状使地面标高下降，土地高低起伏变化，使得原有农田水利设施失效，土壤肥力下降，土地贫瘠化、荒漠化将地面割裂，地表水土流失加剧，农田大幅减产、绝产；使地表水源和含水层水源漏失，造成土地干旱化，土壤肥力下降，土壤贫瘠化和沙漠化土地无法使用；使地表水源和含水层水源漏失污染与污染物质接触土地质量下降土地丧失使用功能，造成农耕作物减产，植被死亡２　采煤沉陷对土地破坏的评价因子２．１　评价因子的选取原则对井工开采区土地资源的破坏程度进行正确、全面的评价，关键是选取正确的评价因子。在实际的评价过程中，对评价因子的选取应遵循代表性、独立性、可行性及合理性的原则。２．２　评价因子的确定根据上述原则，最终确定本次研究所选择的因子有地表下沉量、倾斜变形、水平变形和曲率共４个因子，并对各因子进行分级量化。２．２．１　地表下沉量根据相关研究资料，文学菊、李发斌等［４－５］将地表下沉量划分为小于０．５ｍ、０．５～２．０ｍ及大于２．０ｍ３个等级，分别对应轻度、中度及重度破坏；赵艳玲等［６］将地面沉陷划分如下：小于０．５ｍ为轻度破坏，０．５～３．０ｍ为中度破坏，大于３．０ｍ为重度破坏３个等级。地面沉陷形成的沉陷盆地（其范围要大于采空区本身）如图１所示，分为沉陷边缘区、坡地区及盆底区。由于这类移动盆地的坡地位置常出现不同规模的裂缝，引起了高程、坡度及水平位置等的变化。因此，对于这一影响范围内的地表建（构）筑物和生态环境等会都带来不同程度的破坏。图１　沉陷盆地对土地破坏示意图　　根据野外实际观测及相关工作经验，结合“地表移动与变形预计系统软件”绘制出地表沉陷等值图，见图２。（ａ）开采沉陷等值线（ｂ）对土地影响分级图２　陕西某煤矿开采沉陷等值线及分级结果示意图　　由图２可得，在移动盆地的沉陷边缘区（开采沉陷等值线１０～１００ｍｍ内等值线较疏的区域），由于沉陷数值较小，地面变形不明显，所以此区域对土地影响为轻度；在移动盆地的内部（开采沉陷等值线９００ｍｍ以内的区域，即盆底区），此区域虽然沉陷数值达到最大值，但由于在此区域地面沉陷已经达到·８１１·Ｖｏｌ４２Ｎｏ６Ｄｅｃ２０１５　　　　　　　　　矿业安全与环保ＭＩＮＩＮＧＳＡＦＥＴＹ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ　　　　　　　第４２卷　第６期２０１５年１２月或即将达到最大值，地面变形不再随着时间的增加而增加或者增加的幅度极小（连续６个月下沉值不超过３０ｍｍ时，可认为地表移动期结束［７］），前期形成的裂缝及变形都趋于弥合并稳定（沉陷最大值处其曲率、水平移动很小），土地的使用功能正在恢复，所以此区域对土地影响为中度；而在这两者的中间区域，即开采沉陷等值线最密集的区域（坡地区），虽然此区域的沉陷值并非最大，但裂缝非常密集，曲率也较大，土地的状态最不稳定，水土流失严重，这个区域对植被及农作物的危害最大，所以影响为重度。笔者将依据此对土地影响进行划分。２．２．２　倾斜变形煤炭开采后引起地表倾斜，产生一定的附加坡度，改变了原生的地形地貌，对农作物及植被都将产生一定的影响，易引起土壤侵蚀退化和地表水土流失。由于陕北地区特殊的黄土梁峁沟壑地貌，在开采沉陷中，地表倾斜还将导致崩塌、滑坡等地质灾害，对人身和财产安全构成了威胁，是一种灾害性的沉陷环境问题。结合全国土壤普查办公室编著的《中国土壤普查技术》一书中对于旱地参评项目的标准并考虑到陕北地区的特性，将采动引起的附加坡度对土地破坏程度的评价标准确定如下：小于３°时为轻度破坏，３°～７°时为中度破坏，大于７°时为重度破坏。２．２．３　水平变形采动引起的水平变形主要表现为使地面产生裂缝，所以对水平变形的研究就可转换为对裂缝的研究。裂缝对土地的破坏程度主要由裂缝宽度和深度情况所决定，裂缝宽度直接影响土地的耕作和表层土养分的储蓄，裂缝的深度直接影响土壤含水率。裂缝的深度和宽度，与有无松散层及松散层厚度、性质和地面拉伸变形值大小密切相关。当开采区域上覆第四系松散层厚度较大且为塑性大的黏性土时，一般在地面的拉伸变形值超过６～１０ｍｍ／ｍ时，地面才产生裂缝；而对塑性小的砂质黏土等，地面的拉伸变形值达到２～３ｍｍ／ｍ时，地面即可产生裂缝。根据实际工作调查情况及相关资料确定了如下参评标准：当水平变形值在３～１０ｍｍ／ｍ时，裂缝宽度小于０．１ｍ，出现轻度破坏；水平变形值在１０～２０ｍｍ／ｍ时，裂缝宽度在０．１～０．３ｍ内，出现中度破坏；水平变形值大于２０ｍｍ／ｍ时，裂缝宽度大于０．３ｍ，出现重度破坏。根据相关研究结果［８］，裂缝深度ｈ可按经验公式估算：ｈ＝槡Ａｄ。式中：ｄ为裂缝的平均宽度；Ａ为系数，黄土取８，风化基岩取１５。即当裂缝深度小于２５ｍ时，为轻度影响；在２．５～４．４ｍ内，为中度影响；大于４．４ｍ为重度影响。２．２．４　曲率曲率是由于相邻２条线段的倾斜程度不一样而造成的，包括正曲率、负曲率。当地面变形为正曲率时，土地即受到拉伸作用，地面出现裂缝，降低了土壤的密实度，将导致农作物及植被的根系与土壤固结不牢。而负曲率则使土壤受到压缩作用，增加土壤的密实度，降低土壤的孔隙率，使农作物及植被对水分、养分和空气的吸收困难。曲率的发生一般都是正、负曲率同时发生的，两者的共同作用可使土地变得凹凸不平或支离破碎，凹陷的地方水分和养分较充足，而凸起的地方则相对贫乏，对农作物及植被的生长和水土保持极为不利。根据相关资料［１０］，曲率在（０．２～０．５）×１０－３ｍ－１时为轻度破坏；（０．５～１０）×１０－３ｍ－１时为中度破坏；大于１．０×１０－３ｍ－１时为重度破坏。２．３　对土地破坏程度的分级根据以上分析，最终确定４种在煤矿开