在农田复垦方面的创新：优化采矿引起的地面沉降中的土方分配与高程控制

《Journal of Environmental Radioactivity》：Innovative for farmland reclamation: Optimizing earthwork allocation and elevation in mining-induced subsidence

煤矿开采导致伊犁地区农田严重退化，研究通过动态复垦 elevation 控制框架优化浅埋与超厚煤层复垦方案，揭示地形梯度导致南北方土方需求差异显著，分层回填策略结合地貌倾向性分区可降低23%土方工程量，提出四类复垦方案优先级为：方案4＜方案1＜方案3＜方案2，建立地貌适配型复垦模型。

　　

作者：卓王、李根生、刘俊江、郭键安、刘洪林、王腾浩、鞠金茂、张俊辉

新疆大学地质与矿业工程学院，乌鲁木齐，830046，中国

摘要

在中国伊犁煤粮复合区（CCA），煤炭开采活动导致了严重的农田退化。本研究探讨了针对该地区浅层超厚煤层引起的采矿沉降问题而进行的矿山复垦措施。在伊犁第一煤矿，通过预测沉降形态和农田破坏边界，优化了复垦高度的设计方法。针对三种地质剖面情况，实施了四种复垦方案，并通过调整高度控制措施制定了相应的土方分配方案。对不同的复垦策略进行了分析，以优化矿山复垦效果。研究结果表明：1) 地形坡度导致土方分布不均，南部复垦区域所需材料明显多于北部地区；三台阶复垦方案无法有效减少南部陡峭区域的沉降差异；2) 土方量和子区域划分表现出非单调性特征：沿倾斜方向调整高度分布可以显著降低土方需求，表明地形特征是关键的设计因素；3) 所需土方量依次为：方案4 < 方案1 < 方案3 < 方案2；土方分配顺序为：方案3 < 方案1 < 方案2 < 方案4。方案1在平衡整体土方需求和分区的同时，通过适应性地形整合减少了材料运输量；4) 基于地形的复垦方法符合国家农田标准，能有效缓解高度差异并减少土方量，为斜坡沉降区域提供了一种经济高效的解决方案。这些发现为煤粮复合区的复垦优化提供了指导，强调了地形适应性和工程效率的重要性。

引言

中国拥有丰富的煤炭资源，但石油和天然气相对匮乏，因此煤炭成为主要能源（Zhengfu等人，2024年）。随着中国东部和中部地区可开采煤炭资源的减少，煤炭开采正在加速向西部转移。新疆煤炭基地凭借其良好的煤炭地质条件，成为煤炭开采西进的关键区域（Shuzheng等人，2024年）。因此，预计未来几年煤炭产量将快速增长，对保障煤炭供应安全发挥重要作用（Guangyan等人，2024年）。

在新疆的绿洲地区，农田分布广泛，地下煤炭开采不可避免地导致了严重的农田退化（Xiao等人，2020年）。新疆的农田主要集中在地形平坦、水资源丰富、人口密集的绿洲地带，例如天山山脉北麓和伊犁河流域（Xiaofeng等人，2024年）。采矿活动导致了土地沉降和农田的严重退化（Zhang等人，2025年）。因此，迫切需要实施战略性的复垦和可持续采矿政策，以保护新疆的农田红线和生态安全（Bai等人，2024年）。

在中国中部和东部地区，高地下水位地区的煤矿沉降区域已经开展了土地复垦工作。胡振琪团队提出了多种复垦技术，包括固体回填（Duo等人，2022年）、排水技术（Zhenqi，2019a，2019b）、深挖和浅垫技术（Zhenqi等人，2020年）、泥浆泵复垦技术（Peijun等人，2014年）、预复垦技术（Zhenqi，2019a，2019b）以及动态复垦技术（Zhenqi等人，2013年）。现有研究主要集中在高水位区域，但由于场地特定条件的限制，这些技术难以直接应用于低水位地区。因此，需要开发适合新疆当地地质、采矿情况和农田破坏特征的、成本更低、效率更高的复垦技术。

新疆属于干旱至半干旱气候类型，这里的煤矿沉降区域受地下水影响较小。目前针对这种干旱、陡坡环境下的沉降土地复垦技术研究较少，复垦工作需要重点解决原始地形与复垦后地形之间的高度差异问题（Zhang等人，2024年）。有研究提出优化煤矿沉降复垦的时间、范围和高度，以摒弃传统复垦方法（Feng等人，2022年）。因此，本研究以伊犁第一煤矿1506W工作面为例，旨在：1）预测该区域的沉降情况；2）优化复垦方案，为伊犁煤粮复合区的复垦设计提供科学依据和方法参考；3）指导该区域的复垦工作，减少煤炭开采活动对农田的破坏；4）通过科学复垦设计促进矿区的可持续发展。本研究结果适用于中国西北部、澳大利亚和美国。

物理地理

伊犁第一煤矿位于中国南部伊犁地区（图1）。该矿区面积为118平方公里，其中农田占主导地位，面积为2333公顷。主要种植的作物包括小麦、玉米和大豆。从地质上看，该地区属于冲积平原盆地，南北坡度为7°–8°，海拔在1200至1300米之间。气候湿润，年降水量为417毫米，蒸发量为1685毫米。

煤炭开采沉降预测

通过公式（1）计算了第一开采区的地表沉降等高线，并将其叠加在土地利用图上（图S1），预测最大沉降值为12.2米。首先根据数字高程模型（He等人，2021年；Xu等人，2024年）获取了采矿区的原始地形数据，然后对预测的沉降等高线进行栅格化处理，并与原始地形数据叠加。

方案比较分析

表1和表S2至S4分析了各子区域的土方量、挖掘和垫层深度以及子区域大小数据：

• (i)
  方案1与方案2的比较：两种方案在东西方向上的台阶高度差异均为2米。从高度差异来看，两种方案相当，挖掘和填埋深度没有显著差异。方案1增加了子区域的数量，从而减少了土方量。

结论

本研究以伊犁第一煤矿1506W工作面为例，研究了单个工作面的复垦高度设计。通过划分走向和倾向子区域，设计了四种复垦方案并进行比较，得出以下结论：

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基于采矿前的卫星影像数据和三维地表沉降预测模型，本研究创新性地开发了一种动态复垦高度控制框架，能够准确预测非均匀的地表沉降模式。

CRediT作者贡献声明

卓王：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，软件开发，方法论构建，概念构思。

李根生：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，软件开发，资金筹集，概念构思。

刘俊江：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿。

郭键安：撰写 – 审稿与编辑，方法论构建。

刘洪林：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。

王腾浩：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。

资金支持

本研究得到了以下机构的资助：

国家自然科学基金（42507635），新疆自然科学基金（2025D01C255），新疆教育厅高等学校基本科研业务费（XJEDU2024J036），新疆天池人才计划（青年博士），新疆大学国家级大学生创新训练项目（202410755012），第三次新疆科学考察（2022xjkk1001）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。