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煤炭加工与环保
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煤炭是我国最主要的能源，据统计2017年我国煤炭产量达到了35.2×108 t，同比增长3.3%[1-2]。煤炭为国民经济的发展做出了巨大的贡献，但其开采同时带来了诸多社会和环境问题[3-4]。土地沉陷、耕地减产或绝产、人地矛盾增加等问题突显[5-7]。其中，地下煤炭开采对地面的沉陷影响尤为严重，尤其是在我国的高潜水位煤粮复合区，地下煤炭开采后将引起大面积的耕地沉陷，加之当地较高的地下潜水位埋深，地表很容易出现积水，使大量优质耕地无法耕种，从而严重影响当地的粮食产量[8-9]。据统计分析，我国煤炭资源和耕地资源的重叠面积占耕地总面积的42.7%，部分地区甚至达到了79%以上[10]，且这些重叠区域大都是土地肥沃、粮食高产、农业发达的地区。在高潜水位煤粮复合区，由于其特殊的自然条件，以及同时肩负着生产煤炭和粮食2大重要任务，地下煤炭的开采直接影响着我国的耕地红线和粮食安全。因此，高潜水位煤粮复合区的采煤沉陷影响和复垦治理，越来越受到社会各界的广泛关注[11]。
目前对采煤沉陷地采取的复垦措施，主要是针对地下煤炭全部开采结束地面稳沉后的土地，即“先破坏，后治理”，称之为传统复垦方式[4]，这种情况下，地下煤炭开采对地面的沉陷影响已十分严重，而且在高潜水位地区，由于地下潜水位较高，地面稳沉后大面积耕地将沉入水中而丧失耕种能力，同时珍贵的表土资源也受到积水的浸没，营养成分有所流失，进而导致复垦后耕地率低、耕地质量差、复垦成本高、复垦周期长等问题[12-14]。出于对这种末端治理方式的反思，文献[15-16]提出了井工煤矿开采-复垦一体化技术——边采边复技术，该技术同时考虑了地下煤炭开采、地面的沉陷影响以及复垦治理措施，从而能够有效的提高复垦效益、降低复垦成本。边采边复实施过程中最关键的是复垦时机的选择与复垦布局的确定，肖武[17]对于边采边复的复垦时机进行了系统的研究，而对于复垦布局的研究相对较少。边采边复复垦布局即：基与塘的比例与空间布局关系。
基塘农业是劳动人民在长期农业生产实践中创建的一种农业种植方式[18]。基塘可概括为包围水塘的小地块与水塘，在地势低洼的地方，每逢暴雨便积水不退，后经人工改造，把洼地深挖成池塘养鱼，挖出的泥土堆在四周成基进行耕种，这种基塘农业就是利用基面与池塘构成的水陆交互作用的农业系统，实行种植业、水产养殖业及加工业相结合的生态型农业[19-20]。
借鉴基塘农业和边采边复技术思想，在高潜水位煤粮复合区，考虑地下煤炭开采后，地面极易形成积水的现实情况[21]，将复垦后的区域规划为基与塘2个部分，其中基是复垦后的陆地部分，而塘则是复垦后的水域部分，边采边复技术通过提前剥离未来沉陷影响较严重将出现积水区域的表土与心土，形成塘；并将提前剥离的表土与心土交错回填至塘周边未来沉陷影响相对较轻的区域，形成基，这就是边采边复的基塘布局。
可见，边采边复基塘布局直接影响着复垦后基与塘的比例与空间布局，进而影响复垦后土地利用和未来发展方向，尤其是在煤粮复合主产区，复垦基塘比例关系到当地的耕地保护和粮食安全[22]；同时基与塘的位置和范围，还会影响复垦时的挖填土方量[23]，从而影响复垦成本。因此，边采边复基塘布局的优选确定至关重要。
但目前对于边采边复基塘布局的确定尚无科学与理论依据，在实际工程中施工单位通常通过经验，对将要积水区域的土源进行剥离并就近堆放，因此笔者以边采边复技术思想为指导，在分析基塘空间布局影响因素的基础上，构建了基于两端逼近算法的边采边复基塘布局确定方法，以期为边采边复规划设计提供理论基础和技术支撑。
根据边采边复技术思想和采煤沉陷特征，在对基塘布局进行优化布置时不仅需要考虑地面最终沉陷影响情况，还需要考虑基的设计高程和塘的可挖掘取土高程，以及外来土源的情况。
1)地面最终沉陷影响情况，即在不采取任何复垦措施的情况下，地下煤炭全部开采结束地面沉陷稳定后的地表形态，通常将最终沉陷影响相对较轻的区域充填垫高规划为基，而最终下沉较严重出现积水的区域规划为塘，进而可以用最少的充填土方恢复尽可能多的基。
2)基的设计高程，即对基采取复垦措施后，待地下煤炭全部开采结束地面稳沉，基所在区域最终想要达到的标高，可见基的规划设计高程越高，需要的充填土方就越大，在充填土方有限的情况下，可恢复为基的范围将受到其规划设计高程的影响，高程指地面点到水准面距离，采用“1985国家高程基准”。
3)塘的可挖掘取土高程，即指根据当地的自然社会经济情况，复垦机械能够达到的最低高程，可见位于可挖掘取土高程以上的土方均可以挖出用作充填复垦，可挖掘取土高程越低，从塘所在区域获得的土方越大，则可以充填垫高更大范围的基。
4)外来土源情况，即复垦工程施工时，可从复垦区外部获得用于充填的土方量，如果外来土源越多，就可以用其恢复更多的基，如果没有外来土源，则只能利用从塘所在区域获得的挖掘土方来充填垫高恢复基。
根据以上对基塘布局影响因素的分析，边采边复基塘布局优选确定方法如下：
1)根据自然、地质采矿条件和开采计划，利用概率积分法分阶段预计地下煤炭开采对地面造成的动态沉陷影响，并结合地下煤炭开采前的地面原始高程，模拟分析地面动态沉陷情况。
2)综合考虑区域自然社会经济情况以及地面动态沉陷情况，依次等间距设计多组基塘空间布局模型并确定复垦时机。
3)依据规划的基的设计高程HJ和塘的可挖掘取土高程HW，选择一个基塘空间布局模型，分别估算基所在区域SC的充填土方VC和塘所在区域ST的挖方量VW。设复垦施工时的地面高程为Hf，煤炭全部开采后地面最终沉陷高程为HZ，那么根据边采边复技术思想，基的充填土方VC为基的设计高程和地面最终沉陷高程在区域SC上的积分，塘的挖方量VW为复垦施工时地面高程和可挖掘取土高程在区域ST上的积分，如式(1)所示
(1)
4)结合复垦区域外来土源情况，设复垦区可获得的外来土源量为VL，对比分析是否满足土方平衡条件：
如果VC=VW+VL，则说明挖方量与外来土源量的总和可以满足所需充填土方，该基塘空间布局为最优，最后结合当地基岸边坡比确定最终边采边复基塘布局；
如果VC>VW+VL，则说明挖方量与外来土源量的总和不能够满足所需充填土方，塘所在区域偏小，需向外扩大塘的范围，从而缩小基的范围，重新估算充填土方和挖方量并进行土方条件的对比分析，逐次逼近最优基塘空间布局，最后结合当地基岸边坡比确定最终边采边复基塘布局；
如果VC<VW+VL，则说明挖方量与外来土源量的总和大于所需充填土方，从塘所在区域获得的挖掘土方量过大，需向内缩小塘的范围，从而扩大基的范围，重新估算充填土方和挖方量并进行土方条件的对比分析，逐次逼近最优基塘空间布局，最后结合当地基岸边坡比确定最终边采边复基塘布局。
边采边复基塘布局确定的整体流程如图1所示。
图1 边采边复基塘布局确定流程
Fig.1 Flow chart of determining land and pond layout for CMR
选择安徽省淮南市某高潜水位煤矿为研究对象进行模拟研究分析。该煤矿位于淮南市西北部，属于淮河冲积平原，地貌形态单一，地势平坦，土壤类型为砂姜土和潮土，地形坡度小于5°，地面平均标高为+22.5 m，地下潜水位埋深仅1.5 m左右，且矿区内耕地所占比例在80%以上，为典型的高潜水位煤粮复合区。矿区所在区域属暖温带半湿润季风气候区，四季分明，季风明显，春季多东南风，夏季多东南及东风，秋季多东风，东北风，冬季多东北风，西北风，蒸发量大于降雨量，潮湿系数近似0.5，降水多集中在6、7、8月，约占全年的40%。
该矿于2007年底投产，设计生产能力为500万t/a，采用走向长壁后退全部垮落综合机械式采煤方法。目前开采煤层结构简单，且为全区可采，煤层平均埋深620 m，煤层厚度约5 m，在矿山中东部布置有一个工作面，尺寸为180 m×650 m，开采速度约5 m/d。
1)将该工作面的开采划分为5个阶段依次为P1-P2-P3-P4-P5，每个阶段向前推进130 m，持续26 d左右，利用概率积分法预计各阶段开采后的下沉等值线(图2)，经统计分析各阶段沉陷情况见表1，可知从第1阶段P1到最后阶段P5，采煤沉陷影响范围和最大下沉量不断增大，该工作面全部开采后最大下沉量将达到3.5 m，采煤沉陷影响范围达到97.47 hm2，其在煤层走向方向的长度约为1 307.4 m，倾向方向的长度约为887.5 m。
图2 采煤沉陷下沉等值线
Fig.2 Coal mining subsidence equivalent curves
表1 不同阶段沉陷情况汇总
Table 1 Subsidence situation in different phases
阶段最大下沉量/m沉陷影响范围/hm2积水范围/hm2P11.450.760 P22.563.306.17P33.175.0711.21P43.486.6815.89P53.597.4722.07
将各阶段预计的下沉等值线与地面原始高程进行叠加分析，模拟地面的动态沉陷情况，如图3所示，由于煤炭开采前的原始地面十分平坦，当地潜水位埋深约1.5 m，第1个阶段P1开采结束后，最大下沉量为1.4 m，地面不会出现积水，之后随着地下煤炭的不断开采，沉陷影响越来越严重，第2阶段P2开采结束后，地面积水范围为6.17 hm2，之后积水范围不断增加，该工作面全部开采即第5个阶段P5结束后，最终沉陷积水范围将达到22.07 hm2，占沉陷总面积的22.64%(表1)，且最终地面沉陷后呈现出明显的中间低四周高的盆地状态(图3e)。
2)由于第2阶段P2开采结束后，地面会出现积水现象，根据边采边复技术思想，为了最大限度地抢救珍贵的表土资源用于后续复垦，规划在地面出现积水前进行复垦，即第1阶段P1开采结束后进行复垦施工。
图3 地面动态沉陷模型
Fig.3 Surface dynamic subsidence model
根据P5开采后地面最终沉陷盆地的椭圆形形状，和中间低四周高的盆地状态(图3e)，可知采煤沉陷后，中间下沉较深的地方积水较深，因此，从沉陷盆地中间开始，依次按照走向间距为70.5 m，倾向间距为39.4 m的等间距设计了7组基塘空间布局模型(图4)，分别为A-A′-a-a′、B-B′-b-b′、C-C′-c-c′、D-D′-d-d′、E-E′-e-e′、F-F′-f-f′、G-G′-g-g′，每组基塘布局中间方形区域为需在地面沉陷前预先挖深的塘，而塘向外的区域为需要充填垫高的基。图4中间为基塘空间布局模型的俯视图，左侧为沿倾向方向LL′的剖面图，下方为沿走向方向TT′的剖面图，并以C-C′-c-c′为例分别显示了在剖面图中塘和基的位置及范围。
3)该复垦区域基的设计高程为煤炭开采前的原始高程+22.5 m，塘的可挖掘取土高程规划为+19.0 m，从沉陷盆地中部依次向外选择基塘空间布局A-A′-a-a′、B-B′-b-b′、C-C′-c-c′、D-D′-d-d′、E-E′-e-e′、F-F′-f-f′、G-G′-g-g′，结合复垦时的地面沉陷模型(图3a)和最终沉陷模型(图3e)，分别估算基所在区域的充填土方VC和塘所在区域的挖方量VW。
图4 不同基塘空间布局模型
Fig.4 Different land and pond layout models
以基塘空间布局C-C′-c-c′为例，过C和C′点分别做平行于LL′的直线，将整个基划分为4个区域：R1、R2、R3、R4，中间的塘用R5表示(图5)，则基所在区域的充填土方VC如式(2)所示，塘所在区域的挖方量VW如式(3)所示。
(2)
(3)
图5 基塘空间布局C-C′-c-c′俯视
Fig.5 Top view of land and pond layout for C-C′-c-c′
经计算，7组不同基塘空间布局A-A′-a-a′、B-B′-b-b′、C-C′-c-c′、D-D′-d-d′、E-E′-e-e′、F-F′-f-f′、G-G′-g-g′，对应的充填土方量VC和挖方量VW大小见表2。
表2 不同基塘空间布局挖填土方量汇总
Table 2 Cutting and filling volume in different landand pond layout models
复垦布局挖方量/m3填方量/m3A-A′-a-a′39 357521 348B-B′-b-b′157 416442 893C-C′-c-c′339 413339 413D-D′-d-d′599 055227 358E-E′-e-e′945 474129 990F-F′-f-f′1 370 59363 739G-G′-g-g′1 840 33929 991
4)本实例中没有外来土源，因此VL=0，则VW+VL=VW，即该复垦区域土方条件即为基所需充填土方量VC和塘挖方量VW之间的关系(图6)。
由图6可知，在第1组基塘空间布局A-A′-a-a′情景下，VC>VW，说明挖方量和不能够满足所需充填土方量，塘所在区域偏小，需向外扩大塘的范围，从而获得更多的挖方量用于充填复垦，因此选择基塘空间布局B-B′-b-b′，重新估算此情境下充填土方量和挖方量并进行土方条件的对比分析，发现此时仍然为VC>VW，因此继续扩大塘的范围，至基塘空间布局C-C′-c-c′，此时VC=VW，说明挖方量刚好满足所需充填土方，复垦区内的土方资源达到了最充分合理的利用，因此C-C′-c-c′为最优基塘布局(如图7)。
图6 不同基塘空间布局对应的挖填土方量对比
Fig.6 Contrast of cutting and filling volume in different land and pond layout models
同理假设首先选择基塘空间布局G-G′-g-g′，此时VC<VW，说明挖方量大于所需充填土方，从塘所在区域获得的挖掘土方量过大，需向内缩小塘的范围，从而扩大基的范围，直至逼近到基塘空间布局C-C′-c-c′，VC =VW，挖填土方达到了平衡，因此C-C′-c-c′为最优基塘布局(图7)。
图7 边采边复最终基塘布局
Fig.7 Final land and pond layout for CMR
根据当地土壤类型和实际情况，将基岸边坡比设计为1∶3，煤炭全部开采结束地面稳沉后，塘的深度约为5.2 m，塘岸线需向外后退15.6 m，形成边采边复最终基塘布局(图7)，此时基的面积为85.34 hm2，塘的面积为12.13 hm2，分别占复垦总面积的87.55%和12.45%。
1)基塘布局所占比例分析。如果采用传统复垦方式即在该工作面全部开采结束地面稳沉后(P5结束后)进行复垦，此时已有22.07 hm2的土地沉入水中，占沉陷总面积的22.64%，只能通过挖深垫浅技术将沉陷积水区域边缘的部分土方挖出，充填垫高到其周边恢复少部分耕地，同样复垦后基的设计高程规划为+22.5 m、塘的可挖掘取土高程为+19.0 m，并以挖填土方内部平衡为标准，分析计算得传统复垦方式下挖填土方量为165 428 m3，此时塘的深度约为2.5 m，结合基岸边坡比1:3，可得塘岸线需向外后退7.5 m，形成的传统复垦最终基塘布局如图8所示，虽然传统复垦下挖填土方量显著减少，但复垦后基的面积为68.29 hm2，仅占复垦总面积的70.07%，而塘的面积为29.18 hm2，所占比例达到了29.93%，即传统复垦后将有29.93%的土地成为水域，从而完全丧失原有功能，这将致使当地的耕地面积急剧减少。
图8 传统复垦最终基塘布局
Fig.8 Final land and pond layout for traditional reclamation
与3.1节中确定的边采边复最优基塘布局(图7)对比发现，边采边复最优基塘布局可以多恢复17.48%的基用作农业种植，从而更好地保护当地珍贵的耕地资源和粮食安全。
2)基塘布局空间位置分析。在边采边复最优基塘布局(图7)下，复垦区内的挖方量刚好满足所需充填土方，说明挖填土方资源达到了最充分合理的利用。但如果保持最优基塘面积比例、复垦后基的设计高程为+22.5 m、塘的可挖掘取土高程为+19.0 m和复垦时机不变，即依然在第1个阶段P1开采结束后进行复垦，而将边采边复最终基塘布局中塘的位置向右平移至沉陷盆地边缘(图9)，根据边采边复技术思想由于需要将未来沉陷较深的中间区域垫高到基的设计标高，致使需要的充填土方量将增加到387 847 m3；而挖方区域虽然沉陷影响较中间区域略轻，但挖方量仅稍有增加，为342 349 m3，此时不得不从复垦区域外搬运45 498 m3客土用作充填，从而增加约13.40%的外来充填土方施工费用，使复垦成本大幅度升高，因此边采边复最优基塘布局的确定可以使复垦挖填土方关系达到最优，从而大幅节省复垦成本。
图9 移动后的最终基塘布局
Fig.9 Final land and pond layout after moving pond to the edge of subsidence basin
1)以边采边复技术思想为指导，在分析影响基塘空间布局4个因素：地面最终沉陷影响情况、基的规划设计高程、塘的可挖掘取土高程以及外来土源情况的基础上，确定了边采边复基塘布局优选方法和流程。
2)边采边复最优基塘布局与传统复垦方式规划的基塘布局相比，可以提高17.48%的耕地恢复率，从而更好地保护当地珍贵的耕地和粮食资源。
3)在基塘比例一定的情况下，边采边复最优基塘布局比移动后的基塘布局节省约13.40%的外来充填土方施工费用，从而降低复垦成本。
采煤沉陷地复垦规划设计中农田设施、基塘生态关系等都会对基塘比例关系产生影响，边采边复基塘布局优选过程中，仅从宏观层面在挖填土方平衡的基础上结合基岸边坡比，规划了边采边复总体的基塘布局，并没有考虑上述进一步的细节因素，对于这些因素可在后续细致规划中做详细布置，也是之后很好的一个研究方向。
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