小尺度煤粮复合区耕地演变预测*

石秀伟 胡振琪 侯占东 李 源

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院)

中国矿业大学(北京)在2005年举办的第99次青年科学家论坛上，提出了“矿产与粮食复合主产区”的概念，即粮食主产区和矿产资源主产区的复合区域。该复合区域既承担着粮食生产与输出的功能，又承担着矿产资源生产与输出的功能。据测算，我国仅煤炭与耕地资源分布复合区域面积就占我国耕地总量的42.7%，其中煤炭保有资源与耕地复合面积占耕地总面积的10.8%。

我国人多地少，人地矛盾突出，耕地保护和保证粮食自给一直是政府高度关注的重大问题。然而，煤炭资源的不断开采，在推动区域经济增长和社会进步的同时，也损毁了大量耕地，破坏了原有的农业生态系统，使农业生产和农民生活都受到了极大的影响，无疑加剧了这一矛盾。据统计，到2005年，我国工矿累计破坏土地约400万hm2，而且每年因采煤破坏的土地仍以4万hm2的速度递增，而复垦率仅为12%。可见，粮食生产和煤炭开采已成为了煤粮复合区内的主要矛盾。要在不影响土地资源与粮食安全的条件下，从地下开采出煤炭资源也成为了我国亟需解决的问题。因此，全面掌握研究区内的煤粮复合特征，并对煤炭开采造成的耕地演变情况进行科学的分析预测，对耕地保护和煤炭资源的开采都具有非常重要的现实意义。

关于煤粮复合区内耕地问题的研究，李晶以典型煤粮复合区山东济宁市为例，采用万吨煤塌陷率预测方法对复合区内的耕地损毁及其影响进行了系统分析;杨璐以山东邹城市为试点，对区域内的生态系统服务价值进行了分析，得出复合区内耕地和水域在生态服务价值中贡献率最高并且变化最大;邓丽以山东济宁市为例，对采煤塌陷地造成的各方面影响进行了系统分析，并对耕地保护过程中出现的问题有针对性地提出了保护对策。由此可以看出，对于煤粮复合区的耕地研究多集中在市域范围，对于县域小尺度的分析还不多见。

本研究基于县域小尺度，选取山东省典型的县域煤粮复合区——A县和B县，对其煤粮复合特征进行分析，并基于开采沉陷学的概率积分法对研究区域内因采煤塌陷造成的耕地演变情况进行预测分析，以期为今后的耕地保护和采煤塌陷地治理规划提供有力的支持。

1 区域概况

1.1 概况

研究区位于山东省，除B县东南部有少部分低山残丘外，多为平原地带，地势平坦，土地肥沃，农业发达，是全国麦棉两熟高产试验基地。其中，A县土地面积163 323 hm2，B县土地面积130 197 hm2。根据A县和B县的土地利用变更数据，2005年，2县的耕地面积分别为114 283 hm2和97 944 hm2，分别占2县土地面积的69.97%和75.23%。

研究区内煤炭地质储量丰富，含煤面积69 210 hm2。其中A县含煤面积44 568 hm2，占全县总土地面积的27.29%;B县含煤面积24 642 hm2，占全县总土地面积的18.93%。

1.2 研究区煤粮复合特征

利用ArcGIS的Spatial Analyst空间分析模块将2县的煤炭资源分布图和土地利用现状图进行叠加，得到2县的煤粮复合区域分布图，如图1所示，其煤粮复合特征见表1。

图1 煤粮复合区分布

表1 煤粮复合特征

由表1可知，A县和B县的煤粮复合区面积分别为31 658 hm2和19 792 hm2，占2县土地面积的19.38%和15.20%，占2县耕地面积的27.70%和20.21%，占2县含煤面积的71.3%和80.32%。可见，2县复合区域的耕地分别超过了2县耕地的1/4和1/5;2县含煤区域内的地类绝大部分为耕地，且耕地比例远远高于2县的耕地比例，随着煤炭的不断开采，必然会造成耕地大量损毁，严重影响区域内的农业生产，给农民生活造成严重的影响。

1.3 研究区采煤塌陷现状

研究区内的矿井为新开发矿井，但随着煤炭产量的不断增加，因开采引起的地表塌陷及其对耕地的影响也不断显现。截止到2010年底，2县已形成塌陷地约194.53 hm2。其中，A县境内塌陷94.53 hm2，绝产耕地面积55.47 hm2，减产耕地面积30.06 hm2;B县境内塌陷100.00 hm2，绝产耕地面积66.67 hm2，减产耕地面积33.33 hm2。

2 耕地演变预测及其分析

导致耕地数量变化的驱动因素很多，如建设占用、灾害损毁、农业结构调整及土地复垦等，但本研究主要研究煤粮复合区的耕地演变趋势，所以把采煤塌陷作为本研究的主要驱动因素，重点预测采煤塌陷造成的耕地演变情况，从而分析耕地的演变趋势。

本研究根据各矿井的地质报告、开采计划及相关资料，基于开采沉陷学概率积分法，采用MSPS软件对2县的采煤塌陷按2015年、2020年、2025年和闭矿4个阶段进行预测，以期直观地反映2县复合区内的耕地演变规律，为煤炭开采方案的调整及制定合理的防治措施提供合理的依据。

2.1 预测模型

概率积分法的数学模型为［5］，当采区煤层全部

开采完成时，地表任意点A(x，y)的下沉量为WA

式中，W0为最大下沉值，W0=qmcosα，其中q为下沉系数，m为煤层开采厚度，α为煤层倾角;r为主要影响半径，r=H/tanβ，H为地面上待计算点A(x，y)与煤层上微元点(c，t)的标高差，tanβ为主要影响角正切;P为开采区域。

2.2 预测过程

预测过程中主要考虑了防水煤柱、断层煤柱，并根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的有关规定，考虑了铁路、高速公路和城镇的保护煤柱，没有考虑压煤村庄、文物保护和有关水系的保护煤柱。具体预测过程如下:

(1)在采掘工程平面图上提取预测工作面的各个角点的坐标。

(2)输入(1)中提取的坐标和研究区的地质采矿数据(煤层倾角、开采深度、地表下沉系数、水平移动系数等)，进行整理，并保存为.txt文件。

(3)应用MSPS软件进行预测，并输出各工作面开采完后地表的下沉等值线图。

(4)将各阶段下沉等值线导入到ArcGIS中，统计出各阶段的塌陷面积。

2.3 采煤塌陷预测结果

利用MSPS测得的各阶段采煤塌陷面积见表2。

表2 采煤塌陷面积预测结果 hm2

由表2可知，煤矿开采完毕时，研究区内塌陷土地面积为60 730 hm2，大于煤矿复合区的面积。其中A县塌陷面积为35 780 hm2，占县土地面积的21.90%;B县塌陷面积为24 905 hm2，占县土地面积的19.13%。

2.4 耕地演变预测及其分析

利用ArcGIS的空间分析功能将预测各阶段的采煤塌陷数据、积水数据与煤粮复合区进行叠加，提取出复合因子，从而得到采煤塌陷对耕地的破坏数据。

需要说明的是，本预测结果的塌陷边界是根据开采沉陷学的概率积分法将地表下沉10 mm边界作为塌陷边界。从学术角度来说，地面下沉10 mm已经对地面造成了破坏，但下沉10 mm在地面上的反映并不明显，可以认为，在此预测范围内有约10%的土地破坏不严重，可以正常耕种。去除这一范围后，最后可得出2县各阶段损毁的耕地面积，具体见表3。

表3 损毁耕地面积预测结果 hm2

由表3可以看出，预测到闭矿时，研究区共损毁耕地38 934 hm2。其中 A县共损毁耕地22 909 hm2，占复合区面积的72.36%;B县共损毁耕地16 025 hm2，占复合区面积的80.97%。可见，如果不调整开采方案或采取合理的治理措施，闭矿时，2县煤粮复合区将有70%以上的耕地绝产或减产，根据2010年山东省人均耕地面积1.21 hm2计算，将会造成约37万农民无地可种。

将2县4个阶段耕地损毁面积与2县煤粮复合区面积及耕地面积进行对比，得到2县煤粮复合区内的耕地减少趋势，如图3所示。

图2 煤粮复合区耕地演变趋势

由图2可知，2015年到闭矿，A县和B县的耕地损毁面积成递增趋势。

(1)2025年之前，2县损毁耕地占复合区的比例均小于20%，但A县高于B县。

(2)到闭矿时，2县损毁耕地占复合区比例均增加到70%以上，且B县比例高于A县。

(3)2025年之前，2县煤粮复合区的损毁耕地占2县耕地比例较小，均小于5%。

(4)闭矿时，2县的耕地损毁面积占2县耕地比例将达到20%和16%，也就是说，2县约有1/5的耕地因煤炭开采而损毁。采煤塌陷造成的耕地损毁数量成递增趋势，其中，A县从2015年的约8%增加到闭矿时的约73%，B县从2015年的约5%增加到闭矿时的约81%。

3 结论

(1)借助GIS的空间分析功能，将研究区内A县和B县的土地利用现状图和煤炭资源分布图进行了叠加，得到了A县和B县的煤粮复合特征:A县和B县的煤粮复合面积分别为31 658 hm2和19 792 hm2，分别占 2县土地面积的 19.38%和15.20%，占2县耕地面积27.70%和20.21%，占2县含煤面积的71.03%和80.32%。

(2)基于开采沉陷学的概率积分方法，应用MSPS软件对2县的采煤塌陷情况按2015年、2020年、2025年和闭矿4个阶段进行了预测，得到了2县各阶段的采煤塌陷数据:闭矿时，A县和B县的采煤塌陷面积分别为35 780 hm2和24 905 hm2，均大于2县复合区的面积。

(3)将预测的各阶段采煤塌陷数据和煤粮复合区进行叠加，得到了复合区内各阶段的耕地损毁数据，其中，闭矿时，2县损毁耕地面积分别为22 909 hm2和16 025 hm2，分别占2县煤粮复合区面积的72.36%和80.97%。

(4)对预测的各阶段数据进行分析，得出了2县的耕地演变趋势:2015年到闭矿，2县复合区内因

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