东部煤粮复合区采煤沉陷地边采边复时机

东部高潜水位煤粮复合区采煤沉陷导致连片耕地积水,加剧了区内煤炭保供和粮食生产之间的矛盾。为了协调耕地保护与地下采煤的关系,采用边采边复技术,可以实现地面复垦技术与井下采煤技术的耦合,在高潜水位矿区可显著提高复垦率。复垦时机的选择是边采边复的关键,直接决定复垦工程的成败。梳理了影响边采边复时机选择的自然因素和人为因素,提出了2种边采边复时机类型:(1)采动地表临界积水下的理论复垦时机;(2)采动地表浅积水(积水深度0~3 m)下的实际复垦时机。以单一煤层开采为例,研究了采动地表积水与地下开采的时空关系,提出了采动地表临界积水启动距及积水边界角,揭示了工作面推进速度与理论复垦时机的时空关系。提出以采动地表临界积水下沉值为约束的井下减沉的耕地源头保护措施,构建了采区尺度下的跳采全采工作面临界宽度模型和浅积水下的实际复垦时机模型。案例研究表明:以顾桥煤矿北一采区临界积水下沉值1.00 m为约束,所优化的跳采全采工作面宽度可将复垦时机延迟到全采阶段,即推迟复垦时间和延长耕地使用寿命12.5 a。模拟了龙固煤矿不同采动积水深度下的复垦耕地面积变化,构建了复垦时机与复垦率之间的定量模型,以此预测了不同复垦率指标下的最佳复垦时机区间及浅积水条件下的最佳复垦率,认为相对积水深度为0.6时,为该采矿地质条件下的最佳复垦时机,当复垦耕地率差值控制在5%时,最佳复垦时机为地表积水相对深度0.7067。最后,讨论了边采边复的投入产出效益,认为边采边复技术可显著提高土地复垦效益,从源头上将采煤引起的社会和生态负效益内部化,该技术具有技术可行、经济合理和生态友好的优势。研究结果可为高潜水位煤矿区边采边复时机优选和井上下采复耦合提供理论支撑和案例参考。

考虑原始地形的采煤沉陷积水范围确定方法

高潜水位矿区采煤沉陷后,将导致大面积积水,给当地的生态环境、工农业生产以及人民生活带来了严重影响。目前土地复垦方案编制过程中需要对未来沉陷积水范围进行预测,常规做法是根据预计的下沉等值线和当地潜水位埋深确定采煤沉陷后的积水范围,由于没有考虑原始地形的影响,通过这种简单预测所获得的积水范围往往与实际积水范围有所差异。本文利用GIS提供的空间分析功能,将原始地形纳入地表沉陷分析中确定了煤炭开采后地面将出现的积水区域范围,并通过高分辨率遥感影像获取实际积水信息,对以上两种方法确定的沉陷积水范围进行了精度对比分析。研究结果表明:考虑原始地形后确定的沉陷积水范围与传统未考虑原始地形方法相比,其面积相对精度提高了约13%,位置精度也由传统方法的106提高到58,因此考虑原始地形确定沉陷积水范围的方法更加科学合理,且更贴近于实际情况,这将为采煤沉陷地复垦规划与方案提供精确的基础数据,从而促进复垦工作的实施与开展。

黄河下游平原煤矿区采煤塌陷地治理的若干基本问题研究

黄河下游流经河南和山东两省,该区域为冲积平原地貌,既是我国的粮食主产区,也是重要的煤炭基地。平原煤矿区煤炭开采最主要的生态环境问题是采煤塌陷并严重积水,造成耕地面积减少、生态环境恶化。以黄河下游平原煤矿区采煤塌陷地为研究对象,针对治理范围、积水机理和稳沉性分析这三大采煤塌陷地治理的基础性问题进行探讨,并研究其治理措施。研究表明:①采煤塌陷地治理范围是一个隐伏信息,比较难以精准确定。传统以下沉10 mm的沉陷边界作为治理范围往往过大,应以塌陷对建筑物和耕地的损毁边界作为采煤塌陷地治理范围,对建筑物的损害边界以临界变形值:倾斜i=3 mm/m,水平变形ε=2 mm/m,曲率K=0.2 mm/m^(2)来确定,耕地损毁边界以对耕地生产力开始产生影响的临界下沉值、临界倾斜值、临界水平变形值的最小值来圈定,并提出耕地损毁临界变形值计算方法和治理范围圈定方法。②采煤塌陷地积水是平原矿区生态损毁的主要特征和优选治理技术的关键,它主要与地表下沉量、潜水位、气候、土壤结构和质地等因素有关,通过厘清塌陷后的地表与潜水位的关系,阐述了塌陷积水的机理及动态过程,并以是否积水作为土地损毁程度评价的重要标准。③塌陷稳定性是治理措施和时机选择的关键,提出了基于治理阶段性和考虑未来(周边与多煤层)开采影响的塌陷稳定性分析方法。④针对黄河下游平原煤矿区耕地损毁严重的问题,改变传统的“末端治理理念”和“零和博弈思维”,提出了“采煤与耕地保护协同发展战略”和“边采边复战略”,可有效保护和恢复耕地,实现煤炭开采与生态保护的协同发展。

山东龙堌矿某单一工作面边采边复时机优选

我国传统采煤沉陷地复垦多采取沉陷后再复垦的模式,复垦时间长、复垦率低。近年来,有学者提出了边采边复的理论,并取得了一定的成果,但该类研究多针对多煤层或单一煤层开采造成的大范围损毁区域,并且相应的边采边复技术研究也是根据大范围内各阶段的地表变形情况来制定复垦方案,无法有效体现出地面复垦与地下开采的动态结合机理。以山东龙堌矿的某一工作面开采形成的沉陷地为例,进行单一工作面的边采边复技术研究。根据所选工作面的推进速度,划分了8个阶段,对各个阶段的开采进行了土地损毁情况分析,按照损毁程度及损毁地类型划分为9个评价单元,分别进行了土地复垦适宜性评价。结合适宜性评价结果将各单元合并为不同的复垦单元分别进行复垦规划,合理安排复垦施工工程,通过对比每个阶段可复垦出的耕地面积与相应的复垦成本,优选出了最佳复垦时机,以较低的成本尽可能复垦出更多的耕地。

黄河流域下游煤矿采煤塌陷区耕地破碎化动态演变——以山东济宁市为例

黄河流域下游煤矿区多属于高潜水位矿区,煤炭开采引发地表塌陷,积水严重。同时存在耕地面积持续消退、生态失衡等问题,严重影响资源可持续利用和社会经济发展。在我国提出生态文明建设和粮食安全保障的重点时期,亟需揭示矿区耕地资源的动态演变规律和解决采煤塌陷区土地资源利用与保护问题。通过以黄河流域下游“煤-粮”复合区山东济宁市为研究对象,基于概率积分法预测2019—2030年采煤塌陷地扩张以及土地资源损毁情况,结合形态学空间格局分析(MSPA)选取1 pixel和2 pixel宽度阈值,通过斑块重要度指数(I_(dPC))分别提取不同阈值下研究区内集中连片且面积较大的耕地重要核心区,采用整体连通性指数(I_(IIC))定量分析2018—2030年耕地核心区因塌陷损毁导致的耕地破碎化动态演变过程。结果表明:①济宁市2018—2030年间采煤塌陷区不断扩张,到2030年预测采煤塌陷区50613.52 hm 2,损毁土地中耕地面积32603.65 hm 2,且东滩煤矿损毁耕地最为严重;②MSPA分析中边缘宽度阈值设定将会导致斑块数量以及内部连接度显著变化,在1 pixel阈值下表征塌陷导致的细小耕地破碎化作用明显;③未来10 a济宁市采煤塌陷造成耕地面积持续减少,耕地重要核心区域逐渐消退,煤矿区内耕地呈现破碎零散的分布状态,且小尺度的煤矿区耕地面积变化,导致周围大片耕地连接度降低;④不同资源赋存、生产利用状况不同,导致不同煤矿耕地破碎化特征明显差异。其中岱庄生建煤矿、北徐楼煤矿耕地平均I_(IIC)值变化较大,分别下降0.65和0.64;高庄煤矿、横河煤矿、济宁二号煤矿、三河口煤矿和杨庄煤矿平均I_(IIC)值分别下降0.58,0.55,0.55,0.51,0.51,表明未来10 a矿区内的耕地连接度大幅下降、破碎化程度加剧。综上所述,塌陷区耕地的减少在一定程度上降低了市域范围耕地连接度,因此在今后土地复垦工作中,各煤矿区需要强化耕地复垦的力度,从而减小对农业生产的负面影响。

单一工作面不同煤厚开采下边采边复模拟研究

我国井工煤矿开采导致了地面沉陷问题的出现,地面土地损伤严重,传统采煤沉陷地稳沉后再复垦的方式存在恢复土地率低、复垦周期长等问题。随着边采边复理论的提出,边采边复技术在高潜水位采煤沉陷地的应用展现了一定的优越性。边采边复技术要在沉陷过程中采取复垦措施,需要对其动态沉陷过程进行模拟和分析,而不同采厚下导致的地面沉陷过程及规律有所不同,因此对不同采厚下边采边复的模拟研究很有必要。文章采用室内模拟方法,以东滩煤矿单一工作面为模拟试验区,利用开采沉陷预计软件(MSPS)对不同采厚(2m,5m,8.65m,10m)在各开采阶段下的动态沉陷进行预计,基于该地面沉陷特征,设计了不同采厚下的边采边复复垦方案,并进行了对比分析。

采煤塌陷区搬迁村庄耕作半径变化特征及其影响研究

淮南市是典型的高潜水位煤粮复合城市,采煤沉陷在全国具有典型性。该文以淮南市采煤塌陷区为研究对象,基于"均等"法计算2010—2015年采煤塌陷区村庄搬迁前后的空间耕作半径,并利用耕作半径地形修正系数及垦殖指数对空间耕作半径进行地形地貌和农用地布局的定量修正,得到实际耕作半径,分析塌陷区村庄搬迁后实际耕作半径的变化特征,并基于实际耕作半径计算结果,结合实地问卷调查情况从耕作便利度、农业劳动力等方面探讨耕作半径变化对农业生产的影响。结果表明:采煤塌陷区村庄搬迁后实际耕作半径扩大了1～20倍,最大增加量达22 540.45 m,最小为914.05m;通过实际耕作距离与时间的换算,得知搬迁前农民步行出行耕作只需花费9～24min,而搬迁后则需20～296 min,路途消耗时间大幅度增加,为减少出行耕作路途消耗时间,农民需更新交通工具或放弃回家午休以减少往返次数,这直接降低了农民出行耕作的便利程度,可能削弱农民从事农业生产活动的积极性;通过实地问卷调查,得知搬迁后农业人口逐渐减少,且耕作半径增加越大的村庄,其放弃从事农业生产的人数越多,农业劳动力逐渐向非农产业和城镇转移,造成农田荒芜,不利于农业的可持续发展。

单一工作面不同采深条件下边采边复时机研究

传统的土地复垦一般为事后处理,该方法复垦周期长且土地恢复率低,无法及时保护土壤。随着边采边复理论的提出,边采边复技术在高潜水位地区复垦中展现出一定的优越性。对于井工煤矿边采边复而言,由于要在沉陷过程中采取措施,而不同采深条件下地面沉陷的过程及趋势对复垦时机的影响有所不同,因此对不同采深下边采边复时机的研究显得尤为必要。本文采用室内模拟方法,对单一工作面8个开采阶段在6种采深(500 m、600 m、700 m、800 m、900 m、1 000 m)下的动态沉陷过程进行模拟分析。基于模拟结果得出随着采深增加边采边复时机也相应推迟,并选出各个采深条件下的最佳土地复垦时机。同时发现,该矿区条件下,当采深达到921 m以上,采用边采边复与塌陷稳定后治理效果基本相同。

赵固二矿采煤塌陷土地复垦适宜性评价

土地复垦适宜性评价能够对损毁土地进行预测性的评价,在确定土地复垦最佳方向上具有重要作用。以赵固二矿为研究区,根据当地实际情况,筛选评价因素和构建指标体系,采用利用指数和法和极限条件法,并结合Arcgis空间分析工具进行适宜性评价,确定了宜耕、宜园和宜林这3个不同的复垦方向,合理地将损毁地划分了高度适宜、一般适宜、勉强适宜和不适宜这4个适宜性程度的等级,并分析了不同复垦方向上的勉强适宜区的评价单元的限制因素。评价结果表明,赵固二矿损毁土地比较适宜复垦为林地,可以通过改善灌排条件利用水土改良措施降低污染程度,提高适宜性程度。

凤台县煤粮复合区耕地演变预测及影响

以安徽省凤台县为研究对象,利用Arc GIS将耕地资源分布图、煤炭资源分布图及矿井建设图进行叠加,分析凤台县煤粮复合区特征。基于概率积分法基本原理,利用MSPS沉陷软件对凤台县内因采煤沉陷引起的耕地演变趋势进行了预测分析,进而预测耕地损毁导致的粮食减产量,并估算其造成的农业经济损失。结果表明:凤台县煤粮复合区面积占耕地面积的78.39%,占含煤区面积的77.25%,县域内井田面积占煤粮复合区面积的50.66%。随着煤炭资源的不断开采,全县煤粮复合区内的耕地面积将不断减少,耕地受损程度将不断加重,严重影响了当地的粮食产量、农业经济发展和社会稳定。据预测,到闭矿时损毁耕地面积占全县总耕地面积的43.68%,采煤损毁耕地导致粮食减产量达13.48万吨,农业经济损失达3.04亿元,将造成大量农民无地可种,从而引发社会矛盾。对此提出了相应的对策与建议。

基于土方平衡的挖深垫浅复垦开挖深度研究——以赵固矿区采煤塌陷地为例

基于概率积分法模拟了赵固一矿西三盘区塌陷情况,借助ArcGIS平台3D分析功能,综合运用回溯法和土方平衡的思想,从固定复垦标高和固定最大挖深两个角度,分析了研究区挖深垫浅复垦工程在有、无充填材料情形下的开挖深度变化情况.结果表明:1)在固定复垦标高下,有、无充填材料情形下的开挖深度和基塘比都与最大挖深呈显著正相关关系,同一最大挖深下有充填材料的开挖深度和基塘比更大;2)从固定最大挖深角度看,在有、无充填材料情形下,开挖深度与复垦标高具有较强的正相关关系,基塘比与复垦标高线性正相关性明显.同一复垦标高下,有充填材料的开挖深度和基塘比相比于无充填材料更大;3)根据研究区工程设计实际情况,分别求取并验证了复垦工程在有、无充填材料情形下的开挖深度分别为3.12 m和2.98 m,相应的复垦后基塘比分别为1.345和1.282.研究结果可以更加精准地指导塌陷地复垦工程施工,对实现土方资源的最佳配置,最大限度地抢救积水土地具有重要意义.